【《基于领结型半波耦合器的可调谐激光器调谐方法简介分析》2500字】

PAGE63基于领结型半波耦合器的可调谐激光器调谐方法简介分析可调谐激光器的波长切换主要包括热调谐、电注入调谐以及机械调谐三种方式。其中，机械调谐主要适用于外腔型可调谐激光器，相关内容在章节1.2.1中已有介绍。下面将主要介绍适用于本研究中所使用的耦合腔型激光器的两类信道切换方法，即电注入调谐方法和热调谐方法。在本节最后，对本研究中所涉及的“辅助热调谐”作以解释及说明。1.1电注入调谐方法电注入调谐方法是目前在此类可调谐激光器中最为简单常见的波长调谐方法。在全有源结构中，将增益电极以及调谐电极合而为一，能够有效简化制造工艺，降低制造难度，并能在一定程度上保证激光器成品率。在此类激光器结构中，由于设计上的考虑，耦合器电极上注入电流的变化对激光器输出波长几乎没有影响，激光器信道的切换主要通过改变长腔电极或短腔电极上的注入电流实现。长短腔电极分别覆盖激光器的长短腔结构，电极上注入电流的变化将会引起相应法珀腔内的折射率变化，主要包括两个方面：一是由于载流子注入效应，随着载流子浓度的提升，波导内折射率线性降低；二是由于热光效应，电流注入引起包括非辐射跃迁在内的附加产热，这导致折射率随注入电流增大而升高。这两种效应对折射率的影响完全相反。在两种效应的共同作用之下，通过改变长腔电极上的电流注入情况，此类激光器的调谐曲线往往呈现如图2.5所示的形态。在较小电流的作用下，载流子注入效应起到主导作用，随着注入电流的增加，折射率降低，激光器输出波长向短波方向移动；随着注入电流不断增大，热光效应逐渐开始发挥作用，两种效应相互抗衡，导致激光器输出波长除了在一定的范围内发生轻微移动外，并没有产生信道切换的现象；由于热光效应与注入电流的平方成正比关系，在较大电流作用下，热光效应开始占据优势，折射率随着注入电流增大而升高，激光器输出波长开始向长波方向切换。图2.5长腔电极单电极调谐下经典调谐曲线另外，增加电流无可避免地导致激光器温度升高，这同时使得材料的增益谱向长波方向移动。虽然理论上激光器的可调谐范围无法超过激光器自身的自由光谱范围，但实际中通过长腔电极调谐信道，激光器的调谐范围仍能略微超出激光器的FSR，这是调谐长腔电极时激光器的增益谱与长腔的频率梳状谱均向长波方向移动导致的。同理，如若调谐短腔电极，由于增益谱的移动方向与短腔梳状谱的移动方向相反，将导致信道切换范围小于激光器的FSR。相比于调谐长腔电极，调谐短腔电极时信道切换的效率降低了，这也正是往往选择长腔电极进行激光器信道调谐的原因。表2.1总结了电注入调谐下两种效应对激光器的影响。表2.1电注入调谐下两种效应及其对激光器影响调谐效应随电极电流增加载流子注入效应热光效应腔内折射率降低增加（长腔电极）激光器波长移动蓝移红移（短腔电极）激光器波长移动红移蓝移增益谱移动方向红移红移主要作用的电流范围小电流大电流1.2热调谐方法热调谐方法是指通过控制芯片温度或局部发热进行信道调谐的方法。在此主要介绍基于热电致冷器扩展调谐范围以及集成片上加热器进行热调谐两种方法。如前所述，温度的升高会导致激光器内材料增益谱向长波方向移动。理论上，如果通过控制温度人为移动增益谱，从而使之前无法获得增益的其他频段的梳状谱谐振峰起振，就可以起到扩展激光器调谐范围的作用。利用热电致冷器（thermo-electriccooler，TEC）控温扩展调谐范围的方法正是基于此想法而被提出的。通过TEC控制激光器芯片整体温度，在多个温度下调谐激光器长腔电极获得信道调谐情况，而后拼接不同温度下的调谐信道使激光器的调谐范围得到扩展。如图2.6所示，拼合4种温度下的调谐信道，实现51个信道的切换[37]，这远远超出了恒温下单电极调谐的能力，由此能得到远超激光器FSR的调谐范围。图2.6四种温度下51个调谐信道拼接图[37]集成片上加热器的热调谐方式，一般通过在激光器长短腔波导上方集成附加的加热电阻实现调谐。与TEC改变芯片整体温度扩展调谐范围不同，此方法控制激光器局部升温实现信道调谐。一个基于热调谐的集成片上加热电阻器的V型腔激光器如图2.7所示，在传统电注入调谐式V型腔激光器的基础上，在激光器的长短腔调谐区域，各有一段加热电阻覆盖在增益电极之上，与增益电极间通过绝缘层隔开[38]。在热调谐过程中，加热电阻产热升温，热量传导至波导内引起热光效应，使波导内折射率变化，相应法珀腔内对应的梳状频谱发生移动，通过游标效应实现信道的切换。由于加热电阻发热效率高，避免了电注入调谐方法中小电流状况下载流子注入效应占主导的情况，使得单电极信道切换更加高效。图2.7(a)集成片上加热器的可调谐激光器示意图；(b)电隔离层细节示意图.[38]1.3辅助热调谐需要说明的是，本文中所涉及的辅助热调谐，并非激光器实现信道切换的主要方式，而是补偿因相邻激光器调谐电流变化而引起的串扰、维持激光器原输出波长的一种辅助调谐方式。微调电极的工作原理与工作电极相似，不同的是，由于其并未覆盖激光器波导，电流注入不能引起相应的载流子注入效应，但热光效应仍能发挥作用。微调电极发热可以使激光器相应区域局部温度升高，造成对应法珀腔内的折射率发生变化，进而对激光器输出波长产生影响。微调电极的调谐作用与所对应的工作电极调谐作用相似，但由于其间接作用于激光器，因此调谐能力远不如工作电极。也正是因此能够作为辅助调谐方式，补偿激光器间热串扰所引起的输出波长的微小变化。虽然同样利用局部温度变化产生调谐效果，但本研究中的辅助热调谐与前文所述的集成片上加热器式的热调谐方式并不等同。本研究中测试的激光器，虽然在初始的三段式电注入调谐BTCL基础上额外设置了微调补偿电极，但微调电极设计与片上加热器存在较大差异。首先，微调电极并未覆盖在激光器长短腔调谐区域的增益电极之上，而是分别位于长短腔及耦合器下方，覆盖了位于激光器下方的另外三段波导。与集成片上加热器的热调谐方式不同，微调电极产热并非直接传递到波导区域，其产热先传导给其覆盖的波导，再通过该波导将产热传递给激光器波导，传热效率大大降低。其次，与激光器上的工作电极相同，在微调电极上使用的是金属中电阻率较低的金，而非电阻层所要求的电阻率更高、产热效率更好的其他材料。这说明，本研究测试的激光器上的