基于刻蝕槽的耦合腔半導體激光器研究.pdf

1、自從上世紀六十年代半導體激光器和光纖問世以來，光纖通信技術得到了迅猛發(fā)展。特別是近年來，隨著寬帶通信和數(shù)據(jù)中心的的迅猛發(fā)展以及人們對帶寬需求的不斷提高，廉價的單縱?？烧{諧激光器作為光纖通信系統(tǒng)的核心器件，是未來光通信行業(yè)發(fā)展的大趨勢。目前實現(xiàn)單縱模激光器主要存在幾種方案，市場的主流是單縱模的DFB激光器，其邊模抑制比高，可以做到很高的直調速率，但是其調諧范圍有限，對于大范圍的波長調諧，往往需要采用DFB陣列;主流的可調諧激光器有好幾種類

2、型，如市場上流行的SGDBR激光器、DS-DBR激光器，MGY激光器等，這類激光器基本都是基于光柵選模，能夠實現(xiàn)大范圍的波長調諧，但是制作工藝復雜，制作成本很高。學術上研究比較熱的還有基于微環(huán)的激光器，這類激光器有比較平坦的透射譜，但是微環(huán)制作對工藝要求很高，同時溫漂也比較嚴重。近年來，一些基于新型選模機制的單縱模激光器開始出現(xiàn)，例如基于半波耦合Ⅴ型腔可調諧激光器、耦合刻蝕槽激光器、暗態(tài)激光器以及宇稱-時間對稱激光器等。
　　基于

3、半波耦合的Ⅴ型腔可調諧激光器早在2008年就被提出，并衍生了一些商用化器件和集成芯片，基于傳輸矩陣的閾值分析也已經(jīng)非常成熟。但是頻率上的傳輸矩陣或者速率方程求解很難反映激光器本身工作的物理機制。本文首先針對物理意義上非常重要的半波耦合器和四分之一波耦合器，建立起了一套以時域耦合模為基礎的理論模型。傳輸矩陣模型的計算可以發(fā)現(xiàn)，四分之一波耦合激光器體現(xiàn)出雙縱模的特性，而半波耦合器能夠單縱模激射。本文根據(jù)時域耦合模理論，給出了激光器模式特性完

4、整的解析解，從機理上推導出基于半波耦合與四分之一波耦合的有源及無源器件的模式特性，基于此我們還首次給出了特定半波耦合激光器的最優(yōu)解析解。除此之外，本文還給出了任意耦合相位激光器的模式特性的解析解，得到的邊模關系和已有的半波耦合器理論計算結果相吻合。最后本文還分析了半波耦合激光器與當下研究領域非?；馃岬摹鞍祽B(tài)”激光器和宇稱-時間對稱激光器的關系，指出它們在光場分布上是等效的。
　　根據(jù)已經(jīng)建立的四分之一波及半波耦合理論，本文進一步提

5、出了一種全新的基于有損半波耦合刻蝕槽的單縱模激光器。本文詳細分析了耦合刻蝕槽相位和損耗對基本兩段式耦合槽激光器模式特性的影響，并根據(jù)模式競爭理論，對耦合刻蝕槽單縱模激射的刻蝕槽容差進行了詳細分析，證明了單縱模耦合刻蝕槽激光器具有相當大的相位容差，并得到了半波耦合刻蝕槽激光器無限級聯(lián)不改變激光器模式特性的結論?；谶@些理論分析，本文提出了三段式有損半波耦合刻蝕槽的單縱模激光器，通過在半波耦合刻蝕槽中引入損耗來實現(xiàn)模式選擇，并通過在濾波器中

6、引入增益或者在濾波器端面鍍高反膜來提高激光器的模式選擇性，有損半波耦合刻蝕槽激光器實現(xiàn)了比傳統(tǒng)四分之一波耦合刻蝕槽激光器高的多的模式選擇性。通過對三段有源腔的靜態(tài)調諧特性測試，我們給出了三段式刻蝕槽激光器的調諧規(guī)律，并指出了其實現(xiàn)大范圍密集波分復用的方法，最終通過電調諧以及電注入引起的增益譜漂移，該激光器實現(xiàn)了12個信道的數(shù)字式調諧、邊模抑制比達45 dB以上、具有84 nm的調諧范圍。除此之外，我們通過引入新的測試方法對激光器的增益譜

7、漂移進行標定，批量測試結果也顯示了耦合刻蝕槽激光器具有刻蝕槽寬容差很大的特點。通過對激光器的動態(tài)特性進行測試，發(fā)現(xiàn)激光器的線寬分布在3 MHz～13 MHz之間，小信號頻響和相對強度噪聲譜諧振頻率大于8 GHz，直調特性能夠達到5 GHz，經(jīng)25 km傳輸后依然能夠張開清晰的眼圖。同時還發(fā)現(xiàn)激光器在不同偏置條件下具有正負啁啾可調的情況，并給出了理論解釋。
　　除了單縱模激光器，本文還根據(jù)之前四分之一波耦合器的理論，提出了一種基于四