980nm高功率半导体激光器波长锁定器研究

论文摘要

自上世纪70年代以来，在光纤技术迅猛发展和社会对信息需求日益增长的双重推动下，光纤通信逐渐依靠其低损耗、大容量、高传输速率、不受电磁波干扰、质量轻、体积小、保密性好等优势发展成为最活跃、最具发展前途的一类通信产业和主流的通信技术。高功率单模980nm半导体激光器因具有较高的抽运效率，使其成为光纤通信系统中光纤放大器最核心的器件。但在非致冷工作条件下，器件温度升高将导致中心波长远离光纤放大器最大吸收波长区，使抽运效率大大降低。此外，DWDM系统信道的逐渐增加对抽运激光器的线宽、稳定性等性能要求也越来越高。因此，压缩980nm半导体激光器输出线宽以及提高激光器输出稳定性显得非常重要。本文首先系统介绍了半导体激光器借助于电子抽运在热平衡与非热平衡稳定状态下输出光子能量与同一时空载流子形成有效反转的关系。利用光纤光栅耦合模理论，推导了包含激光器到双光纤布拉格光栅（FBG）的等效激光器前端面反射率，并将其代入半导体激光器速率方程，进一步讨论了外腔结构参数、输入电流以及输出光子之间的时间依赖关系，揭示光子与激光介质中载流子密度随时间变化的动力学过程。在上述理论背景基础上，提出了双FBG外腔稳定半导体激光器输出波长的三个理论模型：双FBG外腔弱反馈理论模型，双FBG温漂抑制理论模型以及双FBG相干失效动态稳定理论模型。针对双FBG外腔半导体激光器研究了双FBG外腔的稳频特性，包括激光器输出光谱的边模抑制比，半峰值全宽度以及中心波长失谐量，激光器输出功率损耗和低频振荡随温度、电流、外腔性质改变的稳定性指标。设计并优化了由两个均匀FBG组成的980nm半导体激光器波长锁定器，运用耦合模理论推导了双FBG的透射率和反射率的解析表达式和波长锁定器增益方程。研究了两光栅之间的距离、光栅到激光器前端面的距离、光栅折射率、光栅折射率周期、光栅栅长和温度对激光器输出增益曲线、边模抑制比、半峰值全宽度以及中心波长的影响，并通过优化这些参数来达到最佳的波长稳定性能。通过外腔反馈速率方程将半导体激光器有源内腔与双FBG无源外腔相结合，讨论双FBG外腔的半导体激光器组件如何设计优化，利用内外腔协同作用抑制波长随温度的离散变化，以实现半导体激光器工作的稳定性。根据双FBG外腔半导体激光器相干失效的物理过程，运用速率方程和双FBG耦合模理论，分析了双FBG外腔半导体激光器相干失效产生和控制的条件，建立FBG外腔半导体激光器动态工作特性与系统参数在动力学过程中的关系，使得等效无源外腔与有源内腔相统一，并从光和载流子作用的角度研究静态外腔模对动态复合模的作用机理，实现双FBG外腔半导体激光器相干失效状态下稳定工作波长的目的。通过实验验证了上述理论模型的正确性，实现了双FBG外腔半导体激光器工作波长稳定性的理论体系的源头创新，最核心的创新之处在于：1)在不牺牲出纤功率的情况下，对双FBG外腔结构参数进行优化设计，提高高功率非致冷980nm半导体激光器的半峰值全宽度、边模抑制比和波长稳定性；2)建立FBG外腔半导体激光器动态工作特性与系统参数在动力学过程中的关系，把等效外腔反射率代入速率方程，使得等效无源外腔与有源内腔相统一，实现内外腔协同作用抑制波长随温度的离散变化；3)研究与控制双FBG外腔半导体激光器相干失效的物理过程，实现双FBG外腔半导体激光器相干失效状态下工作波长的稳定。利用所设计的双FBG外腔波长锁定器最终实现在尽可能不牺牲出纤功率的情况下，提高高功率非致冷980nm半导体激光器的半峰值全宽度、边模抑制比和波长稳定性。所研制的带有波长锁定器的Mini-DIL980nm非致冷抽运半导体激光器，管壳尺寸为12.7mm×7.4mm×5.2mm，工作温度为0℃70℃，中心波长为980nm，波长漂移小于0.1nm，半峰值全宽度小于1nm，边模抑制比达45dB以上，阈值电流为24mA，功耗小于1W。其具有热电性能稳定、可靠性高、动态范围宽等特点，满足了光纤放大器对非致冷半导体激光器低成本、高功率、标准化、长寿命、小尺寸以及高可靠的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 研究背景
• §1.1.1 光纤通信系统的发展和必要性
• §1.1.2 半导体激光器与掺铒光纤放大器的国内外发展动态
• §1.1.3 980nm 抽运激光器的应用、发展与国内外研究现状
• §1.1.4 光纤光栅波长锁定器的国内外研究现状
• §1.2 论文研究的目的、内容与创新点
• §1.2.1 本文研究目的
• §1.2.2 本文研究内容与创新点
• 第二章 外腔光纤光栅半导体激光器波长锁定器基本原理
• §2.1 半导体激光器物理基础
• §2.1.1 辐射与电子作用的基本原理
• §2.1.2 均匀对称电介质波导
• §2.1.3 半导体激光器能级理论
• §2.1.4 半导体激光器介质中的增益与吸收
• §2.2 光纤布拉格光栅基本原理
• §2.2.1 光纤光致折变性与光敏性
• §2.2.2 光纤布拉格光栅理论
• §2.3 外腔光纤布拉格光栅反馈半导体激光器速率方程
• §2.4 本章小结
• 第三章 980nm 高功率半导体激光器波长锁定器理论分析
• §3.1 双 FBG 外腔弱反馈理论模型
• §3.2 双 FBG 温漂抑制技术理论模型
• §3.3 双 FBG 相干失效动态稳定技术理论模型
• §3.4 本章小结
• 第四章 980nm 高功率半导体激光器波长锁定器的实验研究
• §4.1 非致冷 980nm 半导体激光器性能测试
• §4.2 带 FBG 外腔波长锁定器的非致冷 980nm 半导体激光器性能测试
• §4.3 双 FBG 外腔波长锁定器温漂抑制技术的实验研究
• §4.4 双 FBG 外腔波长锁定器相干失效动态稳定技术的实验研究
• §4.5 本章小结
• 第五章 论文工作总结与展望
• 参考文献
• 在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果
• 致谢