熱可調諧DFB激光器陣列結構與原理閱讀了古河（FURUKAWA）公司網站上發(fā)布的一篇技術回顧之后，發(fā)現(xiàn)我們公司所購買的熱可調諧DFB激光器模塊的性能參數(shù)和指標與文章中描述的熱可調諧DFB激光器模塊基本一樣，故可認為兩者具有同樣或相似的內部結構，仔細的學習這篇文章對我們的認知與實驗具有重要的參考意義。一、功率控制與波長檢測原理與結構文章中描述的激光器是：帶波長監(jiān)視器的、高可靠性的、最大40mW輸出功率、25GHz頻率間隔、20個通道的熱可調諧激光器模塊。而我們公司使用的激光器是：帶波長監(jiān)視器的、帶功率監(jiān)視器的、最大10mW?20mW輸出功率、50GHz頻率間隔、88個通道的熱可調諧激光器模塊。文中給出的結構和原理圖如下圖（Figure1）所示：Figure1SchematicviewoftunableDFBlasermodulewithintegratedwavelengthmonitor.每一個DFB后面腔鏡會輸出一部分的激光，可能為1%或更少。這部分光通過一個瞄準儀（即圖中的透鏡lens）將其變成平行光。平行光再通過一個三角棱鏡（Prism）分成兩部分，一部分進入功率探測器，形成光電流送到外界進行監(jiān)測；另一部分通過一個法布里-波羅標準具（即F-P標準具，在這里也叫濾波器），然后送到波長監(jiān)視器中，產生光電流送到外面進行監(jiān)測。F-P標準具是如何對波長進行監(jiān)測的呢？實際上F-P標準具是由兩個嚴格平行的玻璃平板組成，一束光進入里面后，多次來回反射并形成等傾干涉條紋。只有滿足一定條件的光波才能從標準具中透射或反射出來。這些條件包括：標準具兩玻璃板的反射率，玻璃板間的折射率，玻璃板間的距離以及入射光波的波長。一旦我們選擇了標準具的參數(shù)并保持所有參數(shù)恒定不變，則標準具的輸出波長僅與入射波長相關，所以標準具能夠精確地選擇輸出的波長。在實際使用時，應該使標準具與入射光束的光軸保持一個小小的夾角，不能讓標準具的端面垂直與光軸，否則標準具的反射光會返回的DFB激光器的后端面，并對DFB激光器造成損害。舉個例子，比如我們的蝶形激光器的波長間隔（也叫頻率間隔，通道間隔）是50GHz。那么可根據(jù)公式：△v=c/2nL，計算出標準具的厚度（即玻璃板距離L）。取折射率n=1，c=3.0x10A8m/s,△v=50GHz。則可算得L=3mm。（此處將入射角設為0度）一旦標準具的參數(shù)選定了，就必須嚴格保持不變，否則其輸出波長就會改變。例如，L變?yōu)?.1mm，則頻率間隔△▼會變?yōu)?8.387GHz。若L=3.01mm，則△v=49.834GHz。由以上分析可知，我們必須嚴格控制F-P標準具的溫度，不讓它熱脹冷縮，嚴格保持它的厚度不變，否則我們最終檢測到的波長數(shù)據(jù)就是不準確的。因此，為了更好地控制我們的88通道DFB激光器的輸出波長，我們必須首先要確保濾波器處的溫度穩(wěn)定性，最好能讓它保持不變。也就是說必須保持TEC2的電流基本不變，也可能有必要進行細微的調整，需要在實際測試時確定。我們在控制激光器的輸出波長的時候，不是靠標準具來進行的，而是靠控制DFB激光器的工作溫度來實現(xiàn)的。標準具（及濾波器）的作用是給我們提供一個嚴格的波長標準，我們則需要保證這個標準的正確性并調節(jié)激光器的波長滿足這個標準。下圖（Figure4）描述了內置的波長監(jiān)視器的工作原理。WavelengthA（nm）如何通過波長監(jiān)視器的輸出光電流來控制輸出波長呢？這一點還存在疑問。Figure4Wavelengthdiscriminatorcurve.

Figure5Wavelengthdriftvs.caselemperature上圖說明如果我們已經精確地控制了DFB激光器內部的溫度和波長，則外界環(huán)境溫度的變化對激光器輸出波長的改變不大。LaserdiodetemperatureTLD(°C)Figure9Powerconsumptionofthermoelectriccoolers

(atTc=70°C,Tf=30°C,lop=200mA).上圖說明了激光器的兩個制冷器TEC1和TEC2的工作狀態(tài)，對于波長監(jiān)視器使用的TEC2，要保持溫度不變；對于TEC1，則用其溫度變化調節(jié)輸出波長。二、DFB激光器陣列與SOA封裝結構文章中沒有給出我們使用的88通道DFB激光器陣列的細致結構，也沒有提到半導體光放大器SOA，因此我們還有很多結構沒有搞清楚。通過查閱另外的文獻，認為DFB激光器陣列和SOA封轉結構應該與下圖（圖1-3）所示的結構相似。8MicrosrrayDFB-LDsS-bentwaveguidesWinaow/^OA圖1-3并歹8MicrosrrayDFB-LDsS-bentwaveguidesWinaow/^OA圖1-3并歹I」DFB微陣列激光器口可Dry-etchedwaveguide15urnSelectively-grownactive-waveguidefaChipsize:0.4x2.15mm2currentblockingstructureWindowMMl這是一個并聯(lián)形式的可調諧DFB激光器模塊。由8個并列的DFB激光器，一個多模干涉（MMI）耦合器和一個半導體光放大器（SOA）組成。（參考《SOA在單片集成式可調諧半導體激光器中的應用》）我們現(xiàn)在使用的88個通道的DFB激光器模塊應該與此具有相似的結構。應該是12個不同波長的DFB激光器陣列生長在同一塊芯片上，這些DFB激光器的物理間隔為10〃m波長間隔3nm。（參考《集成式可調諧半導體激光器》）然后通過一個12x1的平面波導型（PLC）光分路器耦合到SOA中，并進行放大后輸出。通過這個結構圖和上面的機構圖，我們知道我們的88通道DFB激光器模塊的功率監(jiān)視器監(jiān)視的只是單個DFB激光器的發(fā)光功率，而不是監(jiān)視經過SOA放大后的最終的輸出功率。因此，為了準確和穩(wěn)定的控制最終的輸出功率，我們需要外加一個探測器，通過1x2的分路器將經SOA后的輸出光功率的一部分引到探測器中進行監(jiān)控。到此，我們基本上把我們的DFB激光器模塊的內部結構搞清楚了，即使有些地方完全是推測的。我們現(xiàn)在就先以上述結構作為依據(jù)，進行原理圖的設計，然后進行驗證。三、如何實現(xiàn)波長精確定位？我們現(xiàn)在還沒有解決的難題是如何在沒有光譜儀的前提下，通過自帶的波長監(jiān)視器

來監(jiān)視和控制我們所需要的輸出波長。波長監(jiān)視器實際上就是一個裝在法布里-波羅標準具之后的功率探測器，它本身不能鑒別波長，只能探測功率。上面提到古河公司的那篇文章中給出了一個波長鑒別器的曲線圖，現(xiàn)在重新列出：1539.5 1540.5 1541.5 1542.5 1543.5WavelengthA(nm)圖中的含有多個峰值的曲線表示標準具的濾波曲線1翕有棱形點的負斜率曲線表示波長監(jiān)視器的電流斜率曲線。上圖的濾波曲線是25GHz波長間隔（也叫頻率間隔）的，而我們的激光器模塊是50GHz波長間隔的。我們使用matlab重新畫出50GHz波長間隔的F-P標準具的曲線如下：

圖2標準具的反射率為50%時的濾波曲線對比圖1和圖2,它們的波長間隔均為50GHz,它們的各個峰值波長的位置也是樣的。所不同的是條紋的銳度，亦即精細度，也可以理解為每個條紋的線寬。在通常的情況下，標準具的線寬越窄，它能分辨的波長越精確。但對于我們的熱可調諧DFB模塊來說，線寬越窄越不利，我們希望它的線寬寬一點，才能更好地調節(jié)所需要的波長。但是現(xiàn)在我們的激光器模塊的濾波器線寬并不是由我們控制的，而是出廠時已經確定了的。線寬問題其實不是我們關注的重點，因為DFB激光器的線寬要比濾波器的線寬窄很多，一般為10MHz，而濾波器的線寬一般在100MHz以上。舉例說明一下：當標準具的反射率為99.9%時，濾波器線寬為17MHz；當標準具的反射率為99%時，濾波器線寬為160MHz；當標準具的反射率為50%時，濾波器線寬為11.25GHz；根據(jù)文獻中的圖和激光器的規(guī)格參數(shù)以及上面R=50%時的濾波曲線，我們可以推測濾波器的線寬在10GHz左右，不管怎樣都不可能低于100M。因此，DFB激光器的線寬與濾波器的線寬相比是很小的。如果將DFB激光器的光譜畫到濾波曲線中，則激光器的光譜將變成一條條豎著的直線。在實際調節(jié)波長的時候，我們控制激光器的溫度上升或下降，就能使激光器的譜線前移或后移。當在某個溫度值時，波長監(jiān)視器有最大的輸出電流，則表明激光器譜線與濾波器的某個峰值重合了，也就是此時的激光器波長就是濾波器的某個峰值波長。如果我們事先已經測出了濾波器的各個峰值位置，則我們就可以知道此時的激光器波長必然是在其中的一個位置上，但是究竟是哪個位置現(xiàn)在還是不知道的。因為有12個激光器，每個激光器又有3~10個通道不等。因此，靠濾波器的峰值波長位置來定位激光器的輸出波長是不可行的。好在滿足ITU-U標準的波長位置并不在濾波器的峰值波長處，見圖Figure4中的棱形。因此我們