光纤光栅外腔半导体激光器波长调谐方法研究

光纤光栅外腔半导体激光器波长调谐方法研究

光纤光栅外腔半导体激光器波长调谐方法

研究
第35卷第4期
VO1.35NO.4
红外与激光工程

InfraredandLaserEngineering
2006年8月
Aug.2006
光纤光栅外腔半导体激光器波长调谐方法研究
金杰,欧阳丽霞,张妍,李彬
(天津大学电子信息工程学院,天津300072)
摘要:可调谐光纤光栅外腔半导体激光器(FBG—
ECL)激射波长由光纤光栅布喇格波长决定.调谐
光纤光栅布喇格波长可以改变激光器的激射波长.重点介绍采用轴向应力,径向应力和温度对光纤光
栅布喇格波长的调谐.布喇格中心波长的偏移与轴向应力,径向应力和温度等变化量均呈极好的线性
比例关系,且在较大的测量范围内一直保持线性关系.详细说明了光纤光栅外腔半导体激光器采用这
三种方法调谐时的特点,适用范围.并对它们的性能进行了比较.给出
在不同条件下适合的调谐方法.

关键词:光纤光栅;调谐;外腔半导体激光器

中图分类号:TN252文献标识码:A文章编

号:1007—2276(2006)04—0437—04
Wavelengthtuningmethodofthefibergratingexternalcavity
semiconductorlaser
儿NJie,0UYANGLi—xia,ZHANGYan,LIBin
(SchoolofElectronicInformationEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)Abstract:ThefibergratingBraggwavelengthdecidedthewavelengthoftunableexternalcavitydiode
laser.ThewavelengthoflasercouldbechangedbytuningthefibergratingBraggwavelength.

Three
methodsoffibergratingwavelengthtuning——axia1stress,radialstressand
temperaturewerestudied.The
relativeshiftofBraggcenterwavelengthincreasedlinearlywiththechangeofaxialstress,radialstressor
temperature,anditkeptthelinearrelationshipinalargerange.Thecharacteristicsandtheapplication
rangewereintroduced,theperformancesofthethreemethodswerecomparedandsuitabletuningmethod
waschosentomeettheneeds.

Keywords:Fibergrating;Tuning;Externalcavitydiodelaser
0引言
可调谐外腔半导体激光器具有线宽窄,波长调谐
范围宽等特点.近年来一直受到人们的关注.普通F—
P激光器的管芯,经腔面增透与光纤光栅尾纤耦合,

可以组成一种新型的光纤光栅外腔激光器.其特点是
光纤光栅的布喇格中心波长决定器件激射波长.光纤
光栅折射率的温度稳定性优于半导体材料,且不必考
虑载流子注入引起折射率变化,因而对啁啾具有强的
抑制作用.普通F—P管芯比DFB结构价格低,而且可
收稿日期:2005—08—22:修订日期:2005—10—10
基金项目:天津市重点自然科学基金项目(033800211);天津市国际合作项目(0338

0o2llGo0B一01)
作者简介:金杰(1962,),女,教授,博士,主要研究方向为激光与光电子技术光通信技术.Email:
438红外与激光工程第35卷
以对芯片和外腔分别进行优化选择,易于实现波长的

准确控,~tJf.

轴向应力,径向应力,温度?,弯曲l都能改变光
纤光栅布喇格r}l心波长.针对轴向应力,径向应力和
温度=三种改变布喇格中心波长的方法进行了比较分
析在不同的条件下寻求最好的调谐方法.

1光纤光栅布喇格中心波长调谐的基本原理
布喇格光纤光栅的中心波长由其周期和纤芯的
有效折射率决定.而这两个参量会随着外界的轴向应
力,径向应力和温度等环境量的改变而改变,从而影
响布喇格中心波长,即通过控制外界条件的变化可获
得布喇格中心波长的偏移.该中心波长的偏移量与轴
向应力,径向应力和温度等变化量郜呈极好的线性比

例关系,且在较大的测量范围内一直保持线性关系,
因此可通过轴向应力,径向应力和温度实现波长调
谐.光纤光栅的布喇格中心波长为1:

AB=2n(1)
式中:A为布喇格中心波长;n为纤芯的有效折射
率;A为光栅周期.

公式(1)表明,改变光栅周期和有效折射率均可
改变布喇格波长.

由轴向应力(Z)和温度(f)变化所引起的布喇格中
心波长的偏移为:

=
2)?f+2)?f
f2)
由公式(2)可知,控制外界条件的变化,即调整光
纤光栅的轴向应力,径向应力和温度等可获得布喇格
中心波长的偏移.

2轴向应力对布喇格中心波长的影响
对光纤光栅施加轴向应力,使其产生形变,导致
光栅周期和有效折射率改变,从而使布喇格中心波长
发生偏移.

公式(2)等号右边的第一部分代表了轴向应力对
光栅的影响,包括了光栅周期的变化和由于光弹性效
应所引起的纤芯有效折射率的变化.轴向应力对布喇
格中心波长的影响可表示为:

AAa=(1.)g:入(1)(3)
式中:s为光纤光栅的应变量,可用AL/L表示;L为光
栅的长度;为纵向伸缩量.从公式中可以看出调谐
范围的大小正比=r伸缩量而反比于光栅的长度.P为
有效光弹性常量.定义为:

2
p.=里l2一v(p+pl2)1(4)
式中:P和P:为光弹性张量的Pockel系数;v为泊松
比.对于典型的掺锗石英光纤,P1J=0.113,P=0.252,
v=0.16,neff.=1.482,Pe=0.22,将这些数值代人公式(4)可
计算出,原始中心波长在1550nm附近的布喇格光
纤光栅,每发生1,应变量的形变,其中心波长将向
长波长偏移约0.0012nm/10应变量.

3径向应力对布喇格中心波长的影响
对布喇格光纤光栅施加径向应力P的情况如图

1所示1
图1刘光纤光栅施加径向应力

FigIRadialstressaddstoFBG
由径向应力变化所引起的布喇格c波长的偏
移可表示为:

=AaP+)(5)一l..H
aP』
在单模光纤中,由径向应力变化所引起的光纤直
径的变化极小.可以忽略不计.而径向应力变化所引

起的光纤长度的变化为:

一一(6)LE
径向应力变化所引起的纤芯有效折射率的变化为:

等=__(1_2)(7)
式中:为光纤的杨氏模量
因为AL/L=AA/A,所以公式(7)可以转化为:
第4期金杰等:光纤光栅外腔半孚体激光器波长调谐方法研究439

1__,上旦)_
AaJP—E
公式(8)可以转化为:

F/
eff
=
(1)(2pl2+pn
c3P2E
),2eff,一
f8)温度调谐波长变化范匍窄,但能实现精密的,连
续调谐.而H.由于温度能向正负两个方向调节,因而
能控制布喇格波长向正,负两个方向移动.

f9)总结公式(3),(1O),(11),轴向应力,径向心力和温
度引起的光纤光栅布喇格波长偏移可表示为:

由此可得:
r21
?=+鲁(】一2v)(2p.2+)IAp(10)2E,.”』

对于原始中心波长1550nm附近的布喇格光
纤光栅,?/AP约为3x10nm/MPa.

4调节温度获得布喇格中心波长的偏移
公式(2)中等号右边的第二部分代表了温度对光
栅的影响,因温度变化而引起的热胀冷缩也会改变光
栅的周期和纤芑:的有效折射率,温度变化对布喇格中
心波长的影响为:

AhB=AB(A+)?f(11)
式中:=(1/A)(oA/ot),为比纤的热膨胀系数,掺锗
石英光纤约为0.55x10;O/n=(1/‰)(an./af),为热一
光效应系数.掺锗石英光纤近似为8.Ox10.由此可
见,在温度变化的影响中.因纤芯有效折射率变化而
引起的布喇格中心波长的漂移占主导地位.漂移的幅
度与温度的起伏幅度呈线性关系(见图2).将以上数
值代人公式(11)可知,原始中心波长在l550nm附
图2温度变化对光纤光栅布喇格波长的影响

Fig.2InfluenceofthetemperaturevariationOllthe
fibergratingBraggwavelength
近的布喇格光纤光栅,每升高1?将使波长向长波长
移约0.0137nm.如果要达到lnm的调谐范围,则温
度需变化近80?,可见温度变化引起的布喇格波长
漂移较小.这使得温度调谐器件的实现与控制极为复

杂

=一

(PJl+P~+(Og.4-4-O/n(12)
式中:右边第一项为轴向应力引起的光纤栅周期的
变化;第二项为弹光效应引起的纤有效折射率n.

的变化;和分别为轴向和径向应变;第三项分别
为热膨胀效应引起的光栅周期的变化和热光效应引
起的有效折射率n的变化.

5三种调谐方法的比较
光纤光栅外腔激光器(见图3)的光学谐振腔在光
栅和本征激光器外端面之间,主要有三部分组成:LD

—
Jl.

h~片,空气问隙(由于光纤与芯片耦合方式的不同,有
些激光器没有这一部分)和光栅前端的光纤部分.由
于光纤光栅极窄的滤波特性,激光器工作波长将控制
在光栅的布喇格反射峰带宽内,因此通过调谐光纤光
栅的布喇格波长可以得到波长可控的激光输出.

图3光纤光栅卧腔半导体激光器模型

Fig.3ModelofFBG—ECL
如上所述,轴向应力,径向应力,温度的改变都
能使光纤光栅布喇格中心波长发生改变,进而实现光
纤光栅外腔半导体激光器的调谐.波长在1550nm的
光纤光栅调节方法比较见表l.

采用轴向应力调谐波长,调谐范围宽,结构简单,
容易实现.光纤光栅靠激光器的一端与激光器耦合构

成外腔,不宜移动,使用步进电机拉伸光纤光栅远离
激光器的一端.最多能实现5nm的波长偏移.相对温
度控制,这种结构的器件要简单得多,但波长只能向
440红外与激光工程第35卷
长波长一个方向移动.

表1对1.55m中心波长光纤光栅三种调谐
方法的比较

Tab.1Comparisonofthethreewavelengthtuning
methodsat1.55Ixmcentralwavelength
对光纤光栅施加径向应力时,由于光栅外包保护
装置,压力通过保护装置施加到光栅上.调谐范围窄,
对于原始中心波长在l550nm附近的布喇格光纤光
栅,要达到lnm的调谐范围,压力需变化300多兆帕
斯卡.实现比较困难,因此该方式多应用于传感器中.
同样,施加径向应力时波长也只能向长波长一个方向
移动.