端面反射对于取样光栅分布布拉格反射激光器及其集成器件性能的影响

文章编号：０８．０１８－０１
ＯＦＣｌ０２００９
对于集成了ＳＯＡ的ＳＧ．ＤＢＲ激光器，从 图２．ｂ中可以看到在端面反射率较高的情况 下，改变ＳＯＡ的增益系数将会改变等效光栅 的反射率， ＳＯＡ注入电流的改变将会引起激 光器阈值电流的改变。不仅如此，从图２．ｂ中 还可以看到，若存在较大的端面反射，集成了 ＳＯＡ的取样光栅反射谱的每一级反射峰都会 分裂为多个反射峰，，这样将严重影响激光器的 调谐性能，甚至不能实现单模激射。典型的出 光光谱图如图４．ｂ所示。 经计算，当端面的反射率小于Ｏ．０ｌ时，端 面反射对于ＳＧ．ＤＢＲ激光器的影响可以忽略 不计。
个反射峰。反映到取样光栅分布布拉格反射激 光器的出光光谱上，在原本的取样光栅梳状反 射谱的反射峰峰值波长附近，将会出现另一个 间距很近的激射波长，如图３所示，图３．ａ．和 ３．ｂ分别为取样光栅端面镀增透膜和增反膜后， 激光器激射波长同取样光栅区注入电流的关 系图。图３．ａ中随着注入电流的增大可以看到 清晰的由点组成的波长逐渐减小的点线，每一 条点线代表着一个取样光栅反射谱峰值波长 随着注入电流的变化。而在图３．ｂ中，可以清 楚的看到，在波长１５６０ｎｍ和１５５０ｎｍ附近的 曲线变得混乱，这是由端面反射所引起的反射 峰劈裂所造成。从图２．ａ中还可以看到当端面 反射率较大时，反射谱正负一级峰的反射率将 会超过零级峰的反射率，并且正负一级峰处有 两个略有差别的峰值，这样在原本只有零级峰 处激射的地方将会出现在正负一级峰处ｌＪ时 激射的情况。这样便会影响激光器的单模性 能，甚至出现在激光器的调谐范围内在某一级 反射谱峰值附近出现波长缺失的情况。典型的 出光光谱图如图４．ａ所示。
关键词：可调谐激光器；ＳＧＤＢＲ：单片集成；ＳＯＡ； 中图分类号：ＴＮ２４８．４
传输矩阵
文献标识码：Ａ
ｏｎ
Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｆａｃｅｔｓ
ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｄ ｇｒａｔｉｎｇ
ＤＢＲ ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ
ｃｍ～，
８ｔ．ｇｌｒｒ
暑；譬岔篮妻ｏｄ
Ｌｇ＝６ｐｒｎ，Ｌｓｇ＝７３９ｍ，Ｎ＝６，ｒｌｅｎ＝３．２４２，ｈ＝１５３５ｎｍ，
ＬＳＯＡ＝１５０ｐｍ）
（ｂ１） 圈２．模拟得出的光栅反射谱（・为带有端面反射的取 样光栅：ｂ为带有端面反射的集成了ＳＯＡ的取样光栅）
Ｆｌｉｇ ２．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ｍｉｒｒｏｒ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ（ａ．ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ＳＧＤＢＲ ｍｉｒｒｏｒ
Ｔｕｎｉｎｇ Ｒａｎｇｅ
Ｌａｒｒｙ ｏｆ
Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ
ＪＯＵＲＮＡＬ ｏＦ
Ｌａｓｅｒｓ耐ｔｈ
Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇｓ［Ｊ］．１ＥＥＥ
ＱＵＡｍｗＭ
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，１９９３．２９：１８２４．１８３４
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【３Ｊ Ｌ－Ａ．Ｃｏｌ＆ｅｎ ａｎｄ Ｓ．Ｗ．Ｃｏｒｚｉｎｅ，Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ
ｏｕｔｐｕｔ ｆａｃｅｔ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ
参考文献
ｒ兰量ｅｉ事
【ｌ】雕ｋ
Ｕｓｉｎｇ
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Ｓ．Ｂａｒｔｏｎ，Ｓｔｅｖｅｎ
Ｐ．
ＤｅｎＢａａｒｓ，ｅｔａＬ Ｔｕｎａｂｌｅ
Ｓａｍｐｌｅｄ—Ｇｒａｔｉｎｇ ＤＢＲ ｌ ａｓｅｒｓ
ＰＨＯＴｏＮｌｃｓ
ｗｉｔｈ ＳＯＡ ｗｈｉｃｈ ｈａｖｅ ｏｕｔｐｕｔ ｆａｃｅｔｓ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ
ｔｈｅ
ｓａｍｐｌｅｄ
ｇｒａｔｉｎｇ ＤＢＲ ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｉｎｔｅｓｒａｔｅｄ ＳＯＡ ｉｓ ｇｒａｔｉｎｇ ｗｉｌｌ
Ｑｕａｎｔｕｍ－Ｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｍｉｘｉｎｇ［Ｊ］．１ｌ￡ＥＥ
ｚｊ吱强删Ｉ）＿厶ＤＧｒＬＥＴＴＥＲＳ，２００２．１４：１２４３一１２４５
【２】Ｖｉｊａｙｓｅｋｈａｒ Ｊａｙａｒａｍａｎ，Ｚｕｏｎ－Ｍｉｎ Ｃｈｕａｎｇ，ａｎｄ Ａ．Ｃｏｌｄｒｅｎ，Ｔｈｅｏｒｙ，Ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ
ｆａｃｅｔｓ∞ｎ
ｂｅ
ｉｇｎｏｃｅｄ ｗｈｅｎ
ｔｈｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ
１．ａｌｓｅａ＇；，ＳＧＤＢＲ；ｉｍｅｇｒａｆｉｏｎ；ＳＯＡ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
１引言
分布布拉格反射（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ
Ｂｒａｇｇ
来宽带光网络光波分复用和光包交换系统中 的关键器件之一Ｉｌ】。为了满足其在未来全光网 络架构中的应用，有许多种方案用来提高分布 布拉格反射激光器的调谐范围，而其中取样光 栅分布布拉格反射（Ｓａｍｐｌｅｄ
Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｂｅｉｊｉｎｇ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ａｎｄ ｔｈａｔ ｆａｃｅｔｓ
０１１
ｍａｔｒｉｘ ｔｈｅｏｒｙ ｉｓ ｕｓｅｄ
ｔＯ
ｓｐｅｃｔｒｕｍ
ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｄ ｇｒａｔｉｎｇ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ
ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ
№．３ Ｔｈｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｖａｒｉｅｄ丽ｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ
ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ
ｃｕｒｒｅｎｔ
ｏｆ
ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｄ
ｇｒａ廿ｎｇ（ｏｕｔｐｕｔ
ｆａｃｅｔ
．２８６．
Ｇｒａｔｉｎｇ ＤＢＲ，
Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ，ＤＢＲ）激光器在目前长距离、大容 量光纤通信中常用作备用光源，具有窄线宽、 动态单模工作、波长可调谐的特性，它还是未
ＳＧ－ＤＢＲ）激光器【２】因其制作工艺简单，而备受
’基金项目：国家自然科学基金（资助号９０４０１０２５。６０７３６０３６，６０７０６００９，６０７７７０２１）、国家９７３（资助号－２００６ＣＢ６０４９０１。２００６ＣＢ６０４９０２） 和国家８６３（资助号：２００６ＡＡ０１２２５６。２００７ＡＡ０３２４１９，２００７ＡＡ０３２４１７） ・‘Ｅ—糖ｊｌ
３数据分析与实验比较
图２．ａ为经计算得出的带有端面反射的取 样光栅反射谱，从图２．ａ中可以看到由于端面 反射的影响，原本单一的反射峰包络劈裂为两
．２８５．
耐ｔｈ ｏｕｔｐｕｔ ｆａｃｅｔ；ｂ．ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ
ＳＧＤＢＲ ｍｉｒｒｏｒ
ｗｉｍ
ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＳＯＡ ａｎｄ ａｎ ｏｕｔｐｕｔ ｆａｃｅｔ、
ｅｘｃｅｅｄ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｅａｋ ｂｙ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｆａｃｅｔｓ ａｎｄ ｉｔ ｖｅｒｙ ｗｅｌｌ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｆａｃｅｔｓ ｉＳ ｌｅ鹞ｔｈａｎ ０．０１． Ｋｅｙ ｗｏｌｄｓ：Ｔｕｎａｂｌｅ ｍａｔｒｉｘ
理想的ＳＧ—ＤＢＲ激光器通过分ＳＧ．ＤＢＲ来进行 选模，而实际的器件存在解理面端面反射，而 解理面端面反射通常会使激光器及其相关的 集成器件的性能恶化。凶此，研究端面反射对 于ＳＧ．ＤＢＲ激光器及其集成器件的模式性能 影响，对于研究ＳＧ—ＤＢＲ激光器及其集成器件 具有重要意义。 本篇文章通过传输矩阵模型【３】，理论计算 了不同端面反射的存在对于ＳＧ—ＤＢＲ以及集 成ＳＯＡ的ＳＧ．ＤＢＲ反射谱的影响，进而研究 了端面反射的存在对于ＳＧ—ＤＢＲ激光器以及 集成ＳＯＡ的ＳＧ．ＤＢＲ激光器模式的影响，并 与实际测得的典型的光谱进行了比较。
反射镜以及集成ＳＯＡ的取样光栅分布布拉格反射镜反射谱的影响，进而研究了端面反射的 存在对于取样光栅分布布拉格反射激光器以及集成ＳＯＡ的取样光栅分布布拉格反射激光器 模式的影响，端面反射的存在将会使取样光栅的各级反射峰由一个分裂为两个甚至多个并 可能使边峰的强度高过零级峰，这将会严重恶化ＳＧ．ＤＢＲ激光器及其集成ＳＯＡ的激光器的 模式特性和调谐特性。理论分析与实际的实验进行了比较，基本吻合。当端面的反射率小 于０．Ｏｌ时，端面反射对于ＳＧ．ＤＢＲ激光器的影响可以忽略不计。
２理论模型及模拟计算
由传输矩阵理论可以得到普通光栅的传 输矩阵‘３１：
Ｉ＝Ｉ警： 爹
黼吵舢＝等哳属＝和
其中人为折射率变化周期长度，ｒ为折射 率变化界面电场反射率，厂ａ ｌｅＡ＿／２，ｒ为光栅 耦合系数；ｔ为透射系数，ｔ２＝１－ｄ：６为传播系 数差；ｎｅｆｆ为光栅的有效折射率；ｋ为布拉格波 长，ｈ＝２ｒＩｅｆｆ＿Ａ；ａ为光栅区的吸收系数，ｍ为光 栅的周期数，ｍ＝Ｌｇ／Ａ，Ｌ。为光栅长度。同样， 运用传输矩阵理论可以得到取样光栅的传输 矩阵ｐＪ。 这样运用传输矩阵理论可以计算得到各 种情况下取样光栅的反射谱，结果如图２所示。 （计算中所使用参数ｒ＝２００ｃｍ～，ａ＝８
Ｌｉｕ Ｙａｎ９１”；Ｐａｎ
Ｊｉａｏｑｉｎ９１；Ｗａｎｇ Ｂａｏｊｕｎｌ：Ｂｉａｎｊｉｎ９１；Ａｎ ｘｉｎｌ；Ｚｈａｏ Ｌｉｎｇｊｕａｎｌ
１０００Baidu Nhomakorabea３）
ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ
（１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍｈｔｅｆｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｉｎｓｄｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ
文章编号：０８．０１８－０１
０ＦＣｌ０２００９
端面反射对于取样光栅分布布拉格反射激光 器及其集成器件性能的影响・
刘扬１”潘教青１王宝军１边静１安欣１赵玲娟１
（１．中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室北京１０００８３）
摘要：本文通过传输矩阵模型，理论计算了不同端面反射的存在对于取样光栅分布布拉格
ｉＩＩＶｅ砸ｇａｔｅｄ
ｂｙ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｄａｆｉｏｎ．Ｉｔ ｉｓ
ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｆｌｅｃｄｏｎ ｐｃａｋ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｄ
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Ｏｒ“∞ｎｌｏｌ－ｅ
Ｃａｌｌ
ｐｅａｋｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｂ－ｐｅａｋ ｍａｙ ｅｘｐｌａｉｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ
ｌ
ｍａｔｓｕ＠ｓ锄ｉ．ａｃ．ｃｉｌ
．．２８４．－
文章编号：０８．０１ ８－０１
ＯＦＣｌ０２００９
人们关注。而在以上的诸多应用中，ＳＧ—ＤＢＲ 激光器通常为了满足系统的需要，同其他的许 多器件进行单片集成，例如半导体光放大器
（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＳＯＡ）等。
Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ
Ｃｕｒｒｅｎｔ（ｍＡ）
Ｃｉｒｃｏｉｔｓ［Ｍ］，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｊ０ｂｎ Ｗｉｌｅｙ
＆Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．，１９９５，８５—９３
（ｂ） 田３激光器波长同取样光栅注入电流的关系图（Ｌ端 ‘面镀增透膜：ｂ．端面镀增反膜）
作者简介ｚ 刘扬（１９８４－），男，山东枣庄人。中科院半导体所博士研究生， 主要从事半导体可调谐激光器及其相关器件的研究．
¨伯
＾Ｐ芒ｍ口，｜ｏ；ｏ山＿：△－：ｏ
１５００ １５１０ １Ｓ２０ ｌ＆３ｌＯ １６４０ １５５０
１５∞
Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ（ｎｍ）
（ｂ）
图４实验中在存在端面反射情况下ＳＧＤＢＲ激光器的典 型出光光谱图
Ｆｉｇ．４ 伸∞
（Ⅲｃ 侣¨ 仆邸 体秘
Ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｓｐｅｃｔｒｍｎ ｏｆ ｔｈｅ ＳＧＤＢＲ ｌａｓｅｒ稍ｔｈ
一Ｅ田口Ｙｏ事。乱一：△＿：ｏ
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ｍ 渤 ｍ 舶 莉 脚 珊 舶
１５１０ １５２０ ｌｆｋ３０ １６４０ １６６０
Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ（ｎｍ）
（ａ）
４．结论
综上所述，通过传输矩阵模型，理论计算 了不同端面反射的存在对于ＳＧ．ＤＢＲ以及集 成ＳｏＡ的ＳＧ．ＤＢＲ反射谱的影响，根据理论 计算模拟的结果，并同实际测量数据相比较， 基本一致。由此得出结论：端面反射的存在将 会严重恶化ＳＧ－ＤＢＲ激光器及其集成ＳＯＡ的 激光器的模式特性和调谐特性。尽量减小 ＳＧ．ＤＢＲ激光器端面反射率是提高其性能的关 键。