基于刻蝕槽的耦合腔半導(dǎo)體激光器研究.pdf

1、自從上世紀(jì)六十年代半導(dǎo)體激光器和光纖問(wèn)世以來(lái)，光纖通信技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。特別是近年來(lái)，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(duì)帶寬需求的不斷提高，廉價(jià)的單縱?？烧{(diào)諧激光器作為光纖通信系統(tǒng)的核心器件，是未來(lái)光通信行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。目前實(shí)現(xiàn)單縱模激光器主要存在幾種方案，市場(chǎng)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(diào)速率，但是其調(diào)諧范圍有限，對(duì)于大范圍的波長(zhǎng)調(diào)諧，往往需要采用DFB陣列;主流的可調(diào)諧激光器有好幾種類

2、型，如市場(chǎng)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?qū)崿F(xiàn)大范圍的波長(zhǎng)調(diào)諧，但是制作工藝復(fù)雜，制作成本很高。學(xué)術(shù)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(duì)工藝要求很高，同時(shí)溫漂也比較嚴(yán)重。近年來(lái)，一些基于新型選模機(jī)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(diào)諧激光器、耦合刻蝕槽激光器、暗態(tài)激光器以及宇稱-時(shí)間對(duì)稱激光器等。
　　基于

3、半波耦合的Ⅴ型腔可調(diào)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(jī)制。本文首先針對(duì)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(shí)域耦合模為基礎(chǔ)的理論模型。傳輸矩陣模型的計(jì)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(shí)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(jī)理上推導(dǎo)出基于半波耦合與四分之一波耦合的有源及無(wú)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(guān)系和已有的半波耦合器理論計(jì)算結(jié)果相吻合。最后本文還分析了半波耦合激光器與當(dāng)下研究領(lǐng)域非?；馃岬摹鞍祽B(tài)”激光器和宇稱-時(shí)間對(duì)稱激光器的關(guān)系，指出它們?cè)诠鈭?chǎng)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(jìn)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(xì)分析了耦合刻蝕槽相位和損耗對(duì)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(jìng)爭(zhēng)理論，對(duì)耦合刻蝕槽單縱模激射的刻蝕槽容差進(jìn)行了詳細(xì)分析，證明了單縱模耦合刻蝕槽激光器具有相當(dāng)大的相位容差，并得到了半波耦合刻蝕槽激光器無(wú)限級(jí)聯(lián)不改變激光器模式特性的結(jié)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(guò)在半波耦合刻蝕槽中引入損耗來(lái)實(shí)現(xiàn)模式選擇，并通過(guò)在濾波器中

6、引入增益或者在濾波器端面鍍高反膜來(lái)提高激光器的模式選擇性，有損半波耦合刻蝕槽激光器實(shí)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(guò)對(duì)三段有源腔的靜態(tài)調(diào)諧特性測(cè)試，我們給出了三段式刻蝕槽激光器的調(diào)諧規(guī)律，并指出了其實(shí)現(xiàn)大范圍密集波分復(fù)用的方法，最終通過(guò)電調(diào)諧以及電注入引起的增益譜漂移，該激光器實(shí)現(xiàn)了12個(gè)信道的數(shù)字式調(diào)諧、邊模抑制比達(dá)45 dB以上、具有84 nm的調(diào)諧范圍。除此之外，我們通過(guò)引入新的測(cè)試方法對(duì)激光器的增益譜

7、漂移進(jìn)行標(biāo)定，批量測(cè)試結(jié)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(diǎn)。通過(guò)對(duì)激光器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)激光器的線寬分布在3 MHz～13 MHz之間，小信號(hào)頻響和相對(duì)強(qiáng)度噪聲譜諧振頻率大于8 GHz，直調(diào)特性能夠達(dá)到5 GHz，經(jīng)25 km傳輸后依然能夠張開清晰的眼圖。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)激光器在不同偏置條件下具有正負(fù)啁啾可調(diào)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