可調(diào)諧高壓氣體激光器

可調(diào)諧激光器從實(shí)現(xiàn)技術(shù)上看主要分為:電流控制技術(shù)、溫度控制技術(shù)和機(jī)械控制技術(shù)等類(lèi)型。

其中電控技術(shù)是通過(guò)改變注入電流實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的調(diào)諧，具有ns級(jí)調(diào)諧速度，較寬的調(diào)諧帶寬，但輸出功率較小，基于電控技術(shù)的主要有SG-DBR(采樣光柵DBR)和GCSR(輔助光柵定向耦合背向取樣反射)激光器。溫控技術(shù)是通過(guò)改變激光器有源區(qū)折射率，從而改變激光器輸出波長(zhǎng)的。該技術(shù)簡(jiǎn)單，但速度慢，可調(diào)帶寬窄，只有幾個(gè)nm?；跍乜丶夹g(shù)的主要有DFB(分布反饋)和DBR(分布布喇格反射)激光器。機(jī)械控制主要是基于MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)完成波長(zhǎng)的選擇，具有較大的可調(diào)帶寬、較高的輸出功率?；跈C(jī)械控制技術(shù)的主要有DFB(分布反饋)、ECL(外腔激光器)和VCSEL(垂直腔表面發(fā)射激光器)等結(jié)構(gòu)。下面從這幾個(gè)方面可調(diào)諧激光器的原理進(jìn)行說(shuō)明。

基于電流控制技術(shù)

基于電流控制技術(shù)的一般原理是通過(guò)改變可調(diào)諧激光器內(nèi)不同位置的光纖光柵和相位控制部分的電流，從而使光纖光柵的相對(duì)折射率會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生不同的光譜，通過(guò)不同區(qū)域光纖光柵產(chǎn)生的不同光譜的疊加進(jìn)行特定波長(zhǎng)的選擇，從而產(chǎn)生需要的特定波長(zhǎng)的激光。

一種基于電流控制技術(shù)的可調(diào)諧激光器采用SGDBR(Sampled Grating Distributed Bragg Reflector)結(jié)構(gòu)。

該類(lèi)型的激光器主要分為半導(dǎo)體放大區(qū)、前布喇格光柵區(qū)、激活區(qū)、相位調(diào)整區(qū)和后布拉格光柵區(qū)。其中前布喇格光柵區(qū)、相位調(diào)整區(qū)和后布喇格光柵區(qū)分別通過(guò)不同的電流來(lái)改變?cè)搮^(qū)域的分子分布結(jié)構(gòu)，從而改變布喇格光柵的周期特性。

對(duì)于在激活區(qū)(Active)產(chǎn)生的光譜，分別在前布喇格光柵區(qū)和后布喇格光柵區(qū)形成頻率分布有較小差異的光譜。對(duì)于需要的特定波長(zhǎng)的激光，可調(diào)諧激光器分別對(duì)前布喇格光柵和后布喇格光柵施加不同電流，使得在這兩個(gè)區(qū)域產(chǎn)生只有此特定波長(zhǎng)重疊其他波長(zhǎng)不重疊的光譜，從而使需要的特定波長(zhǎng)能夠輸出。同時(shí)該種激光器還包含半導(dǎo)體放大器區(qū)，使輸出的特定波長(zhǎng)的激光光功率達(dá)到100mW或者20mW。

基于機(jī)械控制技術(shù)

基于機(jī)械控制技術(shù)一般采用MEMS來(lái)實(shí)現(xiàn)。一種基于機(jī)械控制技術(shù)的可調(diào)諧激光器采用MEMs-DFB結(jié)構(gòu)。

可調(diào)諧激光器主要包括DFB激光器陣列、可傾斜的MEMs鏡片和其他控制與輔助部分。

對(duì)于DFB激光器陣列區(qū)存在若干個(gè)DFB激光器陣列，每個(gè)陣列可以產(chǎn)生帶寬約為1.0nm內(nèi)的間隔為25Ghz的特定波長(zhǎng)。通過(guò)控制MEMs鏡片旋轉(zhuǎn)角度來(lái)對(duì)需要的特定波長(zhǎng)進(jìn)行選擇，從而輸出需要的特定波長(zhǎng)的光。

另一種基于VCSEL結(jié)構(gòu)ML系列系列的可調(diào)諧激光器，其設(shè)計(jì)基于光泵浦垂直腔面發(fā)射激光器，采用半對(duì)稱(chēng)腔技術(shù)，利用MEMS實(shí)現(xiàn)連續(xù)的波長(zhǎng)調(diào)諧。同時(shí)通過(guò)此方法可得到大的輸出光功率和寬光譜調(diào)諧范圍，熱敏電阻和TEC封裝在一起，以便在寬的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的輸出。為了精確頻率控制一個(gè)寬帶波長(zhǎng)控制器被集成同一管殼內(nèi)，前端分接光功率檢測(cè)器及光隔離器用于提供穩(wěn)定的輸出功率。這種可調(diào)激光器可以在C波段和L波段提供10/20mW光功率。

對(duì)于這種原理的可調(diào)諧激光器主要缺點(diǎn)是調(diào)諧時(shí)間比較慢，一般需要幾秒的調(diào)諧穩(wěn)定時(shí)間。

基于溫度控制技術(shù)

基于溫度控制技術(shù)主要應(yīng)用在DFB結(jié)構(gòu)中，其原理在于調(diào)整激光腔內(nèi)溫度，從而可以使之發(fā)射不同的波長(zhǎng)。

一種基于該原理技術(shù)的可調(diào)激光器的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)是依靠控制InGaAsP DFB激光器工作在-5--50℃的變化實(shí)現(xiàn)的。模塊內(nèi)置有FP標(biāo)準(zhǔn)具和光功率檢測(cè)，連續(xù)光輸出的激光可被鎖定在ITU規(guī)定的50GHz間隔的柵格上。模塊內(nèi)有兩個(gè)獨(dú)立的TEC，一個(gè)用來(lái)控制激光器的波長(zhǎng)，另一個(gè)用來(lái)保證模塊內(nèi)的波長(zhǎng)鎖定器和功率檢測(cè)探測(cè)器恒溫工作。模塊還內(nèi)置有SOA來(lái)放大輸出光功率。

這種控制技術(shù)的缺點(diǎn)是單個(gè)模塊的調(diào)諧的寬度不寬，一般只有幾個(gè)nm，而且調(diào)諧時(shí)間比較長(zhǎng)，一般需要幾秒的調(diào)諧穩(wěn)定時(shí)間。

目前可調(diào)諧激光器基本上均采用電流控制技術(shù)、溫度控制技術(shù)或機(jī)械控制技術(shù)，有的供應(yīng)商可能會(huì)采用這些技術(shù)的一種或兩種。當(dāng)然隨著技術(shù)的發(fā)展，也可能會(huì)出現(xiàn)其他新的可調(diào)諧激光器控制技術(shù)。

實(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)調(diào)諧的原理大致有三種。大多數(shù)可調(diào)諧激光器都使用具有寬的熒光譜線(xiàn)的工作物質(zhì)。構(gòu)成激光器的諧振腔只在很窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)才有很低的損耗。因此，第一種是通過(guò)某些元件(如光柵)改變諧振腔低損耗區(qū)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)來(lái)改變激光的波長(zhǎng)。第二種是通過(guò)改變某些外界參數(shù)(如磁場(chǎng)、溫度等)使激光躍遷的能級(jí)移動(dòng)。第三種是利用非線(xiàn)性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的變換和調(diào)諧(見(jiàn)非線(xiàn)性光學(xué)、受激喇曼散射、光二倍頻，光參量振蕩)。屬于第一種調(diào)諧方式的典型激光器有染料激光器、金綠寶石激光器、色心激光器、可調(diào)諧高壓氣體激光器和可調(diào)諧準(zhǔn)分子激光器。