热可调谐DFB激光器阵列结构与原理

热可调谐DFB激光器阵列结构与原理阅读了古河（FURUKAWA）公司网站上发布的一篇技术回顾之后，发现我们公司所购买的热可调谐DFB激光器模块的性能参数和指标与文章中描述的热可调谐DFB激光器模块基本一样，故可认为两者具有同样或相似的内部结构，仔细的学习这篇文章对我们的认知与实验具有重要的参考意义。一、功率控制与波长检测原理与结构文章中描述的激光器是：带波长监视器的、高可靠性的、最大40mW输出功率、25GHz频率间隔、20个通道的热可调谐激光器模块。而我们公司使用的激光器是：带波长监视器的、带功率监视器的、最大10mW~20mW输出功率、50GHz频率间隔、88个通道的热可调谐激光器模块。文中给出的结构和原理图如下图（Figure1）所示：每一个DFB后面腔镜会输出一部分的激光，可能为1%或更少。这部分光通过一个瞄准仪（即图中的透镜lens）将其变成平行光。平行光再通过一个三角棱镜（Prism）分成两部分，一部分进入功率探测器，形成光电流送到外界进行监测；另一部分通过一个法布里-波罗标准具（即F-P标准具，在这里也叫滤波器），然后送到波长监视器中，产生光电流送到外面进行监测。F-P标准具是如何对波长进行监测的呢？实际上F-P标准具是由两个严格平行的玻璃平板组成，一束光进入里面后，多次来回反射并形成等倾干涉条纹。只有满足一定条件的光波才能从标准具中透射或反射出来。这些条件包括：标准具两玻璃板的反射率，玻璃板间的折射率，玻璃板间的距离以及入射光波的波长。一旦我们选择了标准具的参数并保持所有参数恒定不变，则标准具的输出波长仅与入射波长相关，所以标准具能够精确地选择输出的波长。在实际使用时，应该使标准具与入射光束的光轴保持一个小小的夹角，不能让标准具的端面垂直与光轴，否则标准具的反射光会返回的DFB激光器的后端面，并对DFB激光器造成损害。举个例子，比如我们的蝶形激光器的波长间隔（也叫频率间隔，通道间隔）是50GHz。那么可根据公式：△v=c/2nL，计算出标准具的厚度（即玻璃板距离L）。取折射率n=1，c=3.0×10^8m/s,△v=50GHz。则可算得L=3mm。（此处将入射角设为0度）一旦标准具的参数选定了，就必须严格保持不变，否则其输出波长就会改变。例如，L变为3.1mm，则频率间隔△v会变为48.387GHz。若L=3.01mm，则△v=49.834GHz。由以上分析可知，我们必须严格控制F-P标准具的温度，不让它热胀冷缩，严格保持它的厚度不变，否则我们最终检测到的波长数据就是不准确的。因此，为了更好地控制我们的88通道DFB激光器的输出波长，我们必须首先要确保滤波器处的温度稳定性，最好能让它保持不变。也就是说必须保持TEC2的电流基本不变，也可能有必要进行细微的调整，需要在实际测试时确定。我们在控制激光器的输出波长的时候，不是靠标准具来进行的，而是靠控制DFB激光器的工作温度来实现的。标准具（及滤波器）的作用是给我们提供一个严格的波长标准，我们则需要保证这个标准的正确性并调节激光器的波长满足这个标准。下图（Figure4）描述了内置的波长监视器的工作原理。如何通过波长监视器的输出光电流来控制输出波长呢？这一点还存在疑问。上图说明如果我们已经精确地控制了DFB激光器内部的温度和波长，则外界环境温度的变化对激光器输出波长的改变不大。上图说明了激光器的两个制冷器TEC1和TEC2的工作状态，对于波长监视器使用的TEC2，要保持温度不变；对于TEC1，则用其温度变化调节输出波长。二、DFB激光器阵列与SOA封装结构文章中没有给出我们使用的88通道DFB激光器阵列的细致结构，也没有提到半导体光放大器SOA，因此我们还有很多结构没有搞清楚。通过查阅另外的文献，认为DFB激光器阵列和SOA封转结构应该与下图（图1-3）所示的结构相似。这是一个并联形式的可调谐DFB激光器模块。由8个并列的DFB激光器，一个多模干涉（MMI）耦合器和一个半导体光放大器（SOA）组成。（参考《SOA在单片集成式可调谐半导体激光器中的应用》）我们现在使用的88个通道的DFB激光器模块应该与此具有相似的结构。应该是12个不同波长的DFB激光器阵列生长在同一块芯片上，这些DFB激光器的物理间隔为10μm，波长间隔3nm。（参考《集成式可调谐半导体激光器》）然后通过一个12×1的平面波导型（PLC）光分路器耦合到SOA中，并进行放大后输出。通过这个结构图和上面的机构图，我们知道我们的88通道DFB激光器模块的功率监视器监视的只是单个DFB激光器的发光功率，而不是监视经过SOA放大后的最终的输出功率。因此，为了准确和稳定的控制最终的输出功率，我们需要外加一个探测器，通过1×2的分路器将经SOA后的输出光功率的一部分引到探测器中进行监控。到此，我们基本上把我们的DFB激光器模块的内部结构搞清楚了，即使有些地方完全是推测的。我们现在就先以上述结构作为依据，进行原理图的设计，然后进行验证。三、如何实现波长精确定位？我们现在还没有解决的难题是如何在没有光谱仪的前提下，通过自带的波长监视器来监视和控制我们所需要的输出波长。波长监视器实际上就是一个装在法布里-波罗标准具之后的功率探测器，它本身不能鉴别波长，只能探测功率。上面提到古河公司的那篇文章中给出了一个波长鉴别器的曲线图，现在重新列出：图中的含有多个峰值的曲线表示标准具的滤波曲线，含有棱形点的负斜率曲线表示波长监视器的电流斜率曲线。上图的滤波曲线是25GHz波长间隔（也叫频率间隔）的，而我们的激光器模块是50GHz波长间隔的。我们使用matlab重新画出50GHz波长间隔的F-P标准具的曲线如下：图1标准具的反射率为99%是的滤波曲线图2标准具的反射率为50%时的滤波曲线对比图1和图2，它们的波长间隔均为50GHz，它们的各个峰值波长的位置也是一样的。所不同的是条纹的锐度，亦即精细度，也可以理解为每个条纹的线宽。在通常的情况下，标准具的线宽越窄，它能分辨的波长越精确。但对于我们的热可调谐DFB模块来说，线宽越窄越不利，我们希望它的线宽宽一点，才能更好地调节所需要的波长。但是现在我们的激光器模块的滤波器线宽并不是由我们控制的，而是出厂时已经确定了的。线宽问题其实不是我们关注的重点，因为DFB激光器的线宽要比滤波器的线宽窄很多，一般为10MHz，而滤波器的线宽一般在100MHz以上。举例说明一下：当标准具的反射率为99.9%时，滤波器线宽为17MHz；当标准具的反射率为99%时，滤波器线宽为160MHz；当标准具的反射率为50%时，滤波器线宽为11.25GHz；根据文献中的图和激光器的规格参数以及上面R=50%时的滤波曲线，我们可以推测滤波器的线宽在10GHz左右，不管怎样都不可能低于100M。因此，DFB激光器的线宽与滤波器的线宽相比是很小的。如果将DFB激光器的光谱画到滤波曲线中，则激光器的光谱将变成一条条竖着的直线。在实际调节波长的时候，我们控制激光器的温度上升或下降，就能使激光器的谱线前移或后移。当在某个温度值时，波长监视器有最大的输出电流，则表明激光器谱线与滤波器的某个峰值重合了，也就是此时的激光器波长就是滤波器的某个峰值波长。如果我们事先已经测出了滤波器的各个峰值位置，则我们就可以知道此时的激光器波长必然是在其中的一个位置上，但是究竟是哪个位置现在还是不知道的。因为有12个激光器，每个激光器又有3~10个通道不等。因此，靠滤波器的峰值波长位置来定位激光器的输出波长是不可行的。好在满足ITU-U标准的波长位置并不在滤波器的峰值波长处，见图Figure4中的棱形。因此我们可以利用图中的这条斜率曲线来精确定位激光器的输出波长。正是