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新型交错的取样光栅反射镜的可调谐DBR激光器
新的采样交错光栅光栅反射镜（ISG）提出了一种基于游标原理的广泛可调谐DBR激光器的实现。用ISG设计参数控制峰间距最大反射率包络和形状是一个广泛可调谐DBR激光器的设计例子。isg-dbr模拟仿真是比较一个取样光栅DBR激光器具有相同的长度和每个镜相同的最大反射率，特别要关注静态特性的调谐范围。结果表明，因为平坦的反射率最大包络的存在，通过限制在粗调模式的阈值电流的变化可有用降低连续调谐操作模式的输出功率的变化。
摘要
可调谐DBR激光器是WDM网络的关键设备，因为其广泛的准连续调谐范围可以灵活地访问任何渠道ITU网络。许多结构被设计并实现[ 1-3 ]来覆盖一个很宽的调谐范围可达80 nm，这对应于最近的掺铒光纤放大器的放大带宽。
典型的设备包括四个部分和四个注入电流来控制：输出光功率的有源区，两个光栅（前反射光栅和后反射光栅）与获得的可调性梳状反射光谱，以及进行精细的激光波长和优化输出调谐相位控制区域。基于游标操作的可调谐DBR激光器的工作原理和设计过程已在[ 5-7】准确描述。由于这些设备的复杂性，许多计算机仿真已开发[ 6，8 ]作为有用的工具实现或设计结构的仿真来理解和预测。我们提出的新的光栅设计，交错的取样光栅（ISG）广泛可调DBR激光器，我们报告的结果用来测试我们的设计。通过模拟，我们还展示了如何可以提高在ISG很宽的调谐范围内的激光性能。
1.研究目的和现状
到目前为止，据我们所知的有一个梳状反射光谱用于激光腔的光栅取样光栅（SGS）[ 5 ]，超结构光栅（SSGS）[ 2 ]和二进制的超大光栅（BSGS）[ 7 ]。SG结构如图LA所示；SG有一个采样周期ZO，每周期光栅长度Z1 。由此产生的典型的反射率谱图LB显示；由于正弦形状的反射膜，在不同的波长的激光的调谐范围会有不同的阈值电流和不同的外量子效率。为了获得一个缓慢变化的包络线的反射峰，与采样功能相关的占空比Z1 / Z0的必须很小（小于10%），因此大部分的光栅长度是无用的。
到目前为止，可调谐激光器已发展出多种基于不同理论模型的实现方式，但其基本组成结构大致相同，主要包括具有有源增益区和谐振腔的激光器、改变和选择波长的可调装置以及稳定输出波长装置三个部分组成。通过直接或间接地改变激光器谐振腔的光学长度，使其中的谐振模式产生微小的变化，再通过选频元件选择出相应频率的光。其中能在较宽波长范围内产生激光的半导体有源区是必不可缺的，如今半导体有源区大多都采用多量子阱（MQW）结构，只要注入半导体内的电流足够大,量子阱结构便能够在很宽的频谱范围内产生光增益。目前可调谐半导体激光器技术水平已经能与固定波长激光器相媲美，可完全实现整个C波段或L波段的带宽调谐。
一般来说，可调谐半导体激光器大致可分为4类：可调谐分布反馈（DFB）激光器、可调谐外腔激光器（ECL）、分布布喇格反射（DBR）激光器以及垂直腔面发射激光器(VCSEL）。调谐机理有电流调谐、温度调谐以及包括微电子机械系统（MEMS）的机械调节三种基本技术。而采用MEMS技术的可调谐半导体激光器是最有效的一种，可大范围调谐并且最有希望实现最小化、高密度、高速、批量生产。
另一方面，SSG和BSG利用整个光栅长度。相比SG他们拥有更紧凑的结构，和可以用短光栅长度得到的高反射率的值，这样，限制了由于整定电流注入在光栅造成的损耗。BSG具有均匀的光栅间距，在设计适当的位置沿光栅长度，一pi;相移是必要的。由此得到的结构是准周期性的，其反射率谱也是许多几乎平坦的峰。相反，SSG是一个超大周期Z0和反射峰的波长间隔之间决定的周期结构。每个超大周期分为分段，光栅相位正确地从分段到分段，以获得一个平坦的峰的包络线。BSGS和SSGS难以设计和实现。事实上，要实现一个平面的包络，就必须要求设计基于数值方法的程序。SSGS也需要极其精确的光刻技术[ 7 ]诱导设计的相移，而BSGs需要长时间的点对点的电子束直写过程。因此，SG是简单地设计和实现一个有吸引力的结构，但由于相对于BSG或SSG来说具有电流调谐光栅损失降低激射的特性。利用SG激发长度也是可能的，交错采样光栅（ISG）的概念在[9，10 ]介绍了，它已被应用到具有非常窄的信道间隔的光纤滤波器的设计（50-100千兆赫）。在下面，两个新的光栅结构通过交错两SGS获得将被介绍，并通过和一个等效SG-DBR激光器比较他们的特征讨论了其在广泛使用的可调谐激光器的优点。
2.交错采样光栅结构的特性
我们提出的这两种结构如下得到；（i）通过交错两SGS一个pi;的相位差；（ii）交错两SGS不同光栅间距。对于这两种结构，在接着的小节我们将给出一些设计准则得到适当的梳状包络和所需波长间距峰反射率光谱（△lambda;1D）。
3.1pi;相移交错采样光栅（ISGpi;）
ISGpi;结构及其工作原理在图2中的模式。要首先考虑取样光栅，SG1，包括采样函数S1（Z）和采样周期ZO；每一个超级周期的光栅长度为41。第二取样光栅，SG2，采样函数S2（Z）和相同的采样周期ZO，一直交错的SG1两个结构间距峰是由（1）给出的。
其中ng是组折射率的被动波导。因为我们希望S2（Z）是相对于S1阶段（Z），每个SG2光栅突发具有相对于每个SG1光栅突发pi;相移。由此产生的磁场是由反射率ISGpi;产生的总和，振幅的SG1、SG2场反射率相。由于每个反射峰具有不同反射率的相位取决于高峰阶[ 5 ]，这两个反射峰（图2B）总是操作阶段的布拉格波长。相反，随着DS和表示正确的选择（图2A），除了布拉格波长的选择顺序可以在相峰。评价交织的效果，最大功率反射率（R）的n阶峰已通过以下公式估算无损光栅：
在公式（2）中是取样光栅长度Lsg和光栅等效耦合系数K，计算了一个标准的SG [ 5 ]：
其中K0的均匀光栅的耦合系数。因为kn是空间傅里叶分量的介质扰动[ 5 ]，一个沿着Z的折射率变化的转变给每个傅里叶分量的相位项。因此公式3中（inpi;Zg1/Z0)和（inpi;Zg2/Z0）是分别由于（Zg1/2）改变了取样函数S1z和（Zg2/2 ds）改变了取样函数S2z。我们认为评价每次转移的参考平面在图2a所示。然后对ISGpi;反射率的振幅和形状设计可以控制相位干涉在图3中通过适当选择Ds表示（图2A）。考虑到，例如，Zo=45micro;m, j1=4.9micro;m和 Zg2=1micro;m,ds被设计为npi;(Zg2十2ds- j1)/Zo=pi; ，n=7，由此产生的ISGpi;反射率谱在图3中表示。它可以与SG1反射谱的比较（图1b）显示优势得到交织SG2；ISG元也可以设计一个合适的形状来补偿增益曲线，K0=220nm。
3.2双光栅间距交错采样光栅
我们考虑一个取样光栅SG1与光栅栅距 A1，我们交织SG2与光栅栅距A2（图4）。在这种情况下，我们的目标是实现光谱交错的两空间交错的SGS；这是通过将每个SG的峰间距和△lambda;P峰一光栅相对于其他光栅转换得到的峰。采样周期ZO和ZB现在减少到一个相对于同一峰间距单SG一半。他们有点不同因为他们必须A1和A2的倍数，分别给出了光栅的有效折射率。光栅周期A1和A2然后从下面的方程获得：
△lambda;P被定义在方程（1）
在兴趣范围内实现几乎平坦的峰值包络，占空比Z1／ZO和Z1、Z1）是~ 10%。造成isg2a反射率光谱如图5所示。
它可以与SG的反射光谱相比得到长度和耦合系数如图1b。交错过程给出了一个非常缓慢变化的包络，因为，对于相同的光谱窗口，只有低阶峰每台SG是相对于同一峰的分离△lambda;P等效SG。
可调谐DBR激光器静态分析
一种可调谐DBR激光器模拟器已经开发[ 11 ]作为一个有用的工具来比较设计的结构性能。该程序可以模拟一个静态特性四节装置（有源区、相位控制和两镜）与不同的光栅结构（SG、BSG、ISG、hellip;）。采用考虑折射率和被动区注入电流传输损耗，变化的传递矩阵法计算光栅的反射谱。为获得部分我们的模型考虑了增益依赖于波长和载注射，他增益饱和以及自发辐射。用一个固定的电流注入双光栅，纵向腔模式计算；然后，静态特性（波长、输出功率、模式选择、SMSR、。）是通过求解多模式稳定状态速率方程的平均场近似值[ 12 ]。对于一个给定的电流注入也可以模拟输出功率谱的上方和下方的阈值，将ASE光谱的多模速率方程的结果。图6中所报告的计算光谱的例子与实测值吻合良好，在[ 5，6 ]。对于那些与时域方法[ 6 ]计算，它们不影响的高频噪声和有用的了解可以实现设备的行为。该模型可以模拟所有的特性通常在实验室进行；例如，变电流注射在两光栅和有源区中保持恒定的电流注入，激射波长图，得到的输出功率和输出[ 11 ]。
调谐节驱动电流控制精度要求
可调谐半导体激光器作为DWDM系统的备份光源，除了要求其波长调谐范围能覆盖系统所使用的一定数量的波长通道以外，还要求其输出的中心波长满足ITU规定的DWDM中心波长偏差的要求，一般来说，光源中心波长允许的最大偏差不得大于相邻通道间隔的10%。对于一个4节的SG-DBR型激光器而言，为了满足这一要求，必须对其无源调谐节的驱动电流进行精确控制。
SG-DBR型激光器的输出波长变化与其无源调谐节的折射率变化有关。我们假设SG-DBR型激光器的波长调谐仅通过变化相位节的电流来实现，其他节段的驱动电流均保持不变，则SG-DBR型激光器的输出波长的变化与相位节折射率的变化之间具有如下关系。
公式中，lambda;和Delta;lambda;分别为SG-DBR型激光器的输出波长和波长调谐量；分别为相位节的群有效折射率和有效折射率变化量。另外，对于无源区而言，其折射率变化与载流子浓度Ｎ之间满足线性关系
式中，是与波导结构相关的光场限制因子。我们借助于普通半导体激光器的载流子速率方程，并针对无源节的情况进行简化，可以得到稳态情况下相位节的载流子浓度Ｎ与其注入电流Ｉ之间的关系
式中，ｅ为电子电量；Ａ为捕获载流子速率的比率系数；Ｂ为与电子－空穴对有关的双分子非辐射负荷系数；Ｃ为三体复合系数。
利用式（１）－（３），可以得到相位节的注入电流变化量与SG-DBR型激光器输出波长之间的关系，如图所示，所取参数见表１.从图可以看出，通过合理的控制相位节电流的最小调谐步长，能够得到不同的光频率调谐精度。因此我们可以根据不同通道间隔的DWDMＷ系统对光源中心波长最大偏差的不同要求来选择相应的相位节电流的调谐步长。
5.IDG-DBR 与SG-DBR激光器的比较
为了比较与ISG-DBR 与SG-DBR激光器我们有三个不同的DBR激光器的静态性能仿真，分别是SG，ISGN和isg2a。所有光栅被设计为具有相同的最大反射率，为每峰和长度相同的带宽。这种设计被强加的约束与相同的光栅长度，因此也同样有激光等离子体损失结构。我们的目的是探讨不同的光栅结构特征影响激光器的性能。在结构设计前、后视镜有近似每个激光大致相同的反射率值，即使不对称的反射率可以设计来提高输出功率。图7a报道峰值反射率产品激光对应峰的波长对准不同的组合；每个光谱叠加得到的电流立即注入一个光栅（粗调操作模式）。考虑一个具有~ 50nm的-3dB带宽和电流注入类似于测量在[ 2]报道增益依赖活性层增益.我们计算的阈值电流在同一波长。 图7显示如何处理可以减少粗调谐范围阈值电流的变化。激光波长的调谐操作在图8表示在这些模拟中我们已经考虑了波长漂移的镜子~ 4.5nm with1.5ka/cm2电流密度根据测得的数据[ 13 ]和等离子体的传播损耗随电流注入的报道（10cm-1 / kA/cm2）与实测报告[ 2 ]。三DBR结构设计包括粗调范围无差异对~ 73nm激射波长和模式选择。计算模式选择性[ 2 ]是远高于0.1的激光波长在每一步的中心图8：根据近似公式[ 5 ]，这意味着输出＞35dB的输出功率为5兆瓦。
在连续调整操作的性能进行评估的模拟程序计算的注入电流所需的两个光栅超施加一个不同的对偶的峰，然后把它们一起翻译。三个设计的DBR激光器的调谐范围可以覆盖一个连续~ 80nm的如图9所示为ISG反射。ISG 2a-dbr和SG-DBR结果不显示因为他们几乎重叠的ISGpi;结果。曲线C1表示连续调谐范围由第i峰向右叠加（-标志）或向左（十标志）相对于布拉格波长的反射率峰值（I = 0）的两光栅。对于三个激光器在调查图10显示了相应的输出功率特性在激光波长报道在图9。一般的行为是非常相似的实验结果报告在[ 14 ]，对于每一个C1曲线得到的最大功率在注入电流只在一个光栅。就这个价值SG-DBR激光器具有最高的输出功率的变化；这种行为是由于降低的前镜反射率的山峰除了布拉格波长的外量子效率的提高（1570 nm；见图1b）。ISG和isg2a行为更常由于继承反射率峰值包络（图3、5）。如图5所示，这种激光器在谐振腔的两端分别有一个取样光栅作为反射光栅。将两取样光栅的光栅间隔设计得略微有些不同，这能使产生的光谱梳有略微不同的模式间隔，只有同时处于两个光栅反射峰值上的模式才有可能形成光的谐振放大。通过改变注入电流来移动其中一个光栅的反射谱，这样便可以使反射峰重合位置发生变化，从而得到不同频率的输出光。同样，这里的相位区也是作为一个精细调节区的，通过此区改变各模式振荡位置来实现准连续的波长调谐，调谐范围可达到上百纳米，而且选择波长更为精确。其缺点就是输出功率较低（2mW），可同样通过与SOA集成的方式实现
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