热调谐DFB激光器

技术领域

本发明涉及激光技术，尤其是一种热调谐DFB激光器。

背景技术

激光器是一种能发射激光的装置。随着光纤通信系统和光纤光栅等技术的发展，由于制作简单、线宽窄、抗电磁干扰、稳定性高等优点，光纤光栅激光器得到大量研究并得到长足的发展。为了克服增益介质的空间烧孔效应而实现单模运转，其中一种方案是环形光纤激光器，另一种方案是线形光纤光栅激光器。其中，对于线形光纤光栅激光器，DBR(distributed Bragg reflector)、DFB(Distributed Feedback)激光器由于结构简单、成本较低却能保持高质量激光输出，而得到越来越广泛的应用。

DFB激光器中常用的两段式DFB激光器，分为有源区和反射区，有源区用于激光器注入电流，反射区用于光反馈。如申请号为201120289301.2的中国专利公开的一种波长可调谐激光器系统，包括DFB激光模块、热电冷却器和控制电路，DFB激光模块为分布式反馈激光模块，DFB激光模块置于热电冷却器上，热电冷却器电路与控制电路相连接，各个DFB激光模块是波长调谐范围不相同的DFB激光模块，各个DFB激光模块产生的激光会聚于光波导，系统输出不同波长的激光束。微处理器根据发射波长，选择某个DFB激光模块工作，控制TEC温度。控制方法为：先根据理论控制TEC粗调 DFB输出波长，调整Etalon的TEC为设定温度，按Etalon传输效率得到输出激光波长、据此再精确控制DFB输出波长。

这种现有的激光器，完全通过TEC控制DFB激光模块的温度，进而调节输出波长，导致制造和工作的成本都较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种热调谐DFB激光器，通过半温控的方式降低成本。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种热调谐DFB激光器，包括有源区和反射区，所述有源区和反射区均包括波导结构，所述有源区还包括用于输入驱动电流的第一电极，其特征在于：所述激光器还包括能够向波导结构传导热量用于调节激光器工作温度的调温装置，所述调温装置包括电阻丝和设置在电阻丝两端的第二电极，所述电阻丝在有源区和反射区之间延伸。

为便于将电阻丝产生的热量导向波导结构，所述电阻丝和第一电极上方覆盖有能够导热的介质层，所述介质层将第一电极和第二电极电隔离。

优选的，所述第一电极设置在有源区的波导结构和介质层之间。

为便于波导结构和第一电极导通，所述波导结构在有源区具有与第一电极位置对应的上盖层，所述波导结构除上盖层的顶面以外的顶面上设置有绝缘层，所述电阻丝设置在绝缘层上。

为便于设置第一电极，同时能够与第二电极电隔离，所述介质层与第一电极对应的位置开设有第一开口，使得第一电极埋入第一开口而与波导结构的上盖层直接接触，所述第一开口至少在顶部为封闭。

优选的，所述第一电极包括第一有源电极以及与第一有源电极连接的第二有源电极，所述第一有源电极埋入在介质层内。

为提高热传导效率，所述介质层上方覆盖有导电导热层。

为便于设置第二电极，所述电阻丝的两端分别具有弯折而成的弯折部，所述介质层与弯折部对应的位置开设有第二开口，所述导电导热层与第二开口对应的位置凸起而能从介质层上方穿过第二开口从而与电阻丝接触，所述导电导热层穿过第二开口的部分构成所述第二电极。

优选的，所述波导结构为脊形波导，所述波导结构整体形成有脊棱，所述介质层覆盖脊棱，所述第一电极在脊棱处与波导结构电连接。

为实现激光的输出，所述波导结构包括接收第一电极注入的电流而实现激光输出的芯层。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过设置热电极形式的调温装置，通过调整热电极上所加电流，可以调整激光器工作温度，实现半温控，满足低成本需求；通过设置导电导热层，能够提高加热效率；通过设置介质层，可在进行热传导的基础上实现电隔离；在热电极下方设置绝缘层，加热效率高。

附图说明

图1为本发明实施例的激光器的示意图；

图2为图1的激光器的A-A向剖视图；

图3为图1的激光器的B-B向剖视图；

图4为图1的激光器的C-C向剖视图；

图5为本发明实施例的激光器的分解结构示意图；

图6为现有技术的DFB激光器在微带线上匹配额外电阻R1的等效电路；

图7为本发明实施例的DFB激光器在微带线上匹配额外电阻R1的等效电路；

图8为本发明实施例的DFB激光器和现有技术的激光器的本征相应曲线对比示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，由于本发明所公开的实施例可以按照不同的方向设置，所以这些表示方向的术语只是作为说明而不应视作为限制，比如“上”、“下”并不一定被限定为与重力方向相反或一致的方向。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

参见图1～5，一种热调谐DFB激光器，为两段式DFB激光器，包括有源区1和反射区2，有源区1用于注入电流，反射区2具有和有源区1相同或不同的结构。有源区 1和反射区2共同包括波导结构和光栅层3，有源区1的波导结构可包括芯层41、下盖层42和上盖层43，芯层41、下盖层42和上盖层43均可采用现有技术，如芯层41可包括由上至下(由远离下盖层42的一侧向靠近下盖层42的方向)依次布置上限制层、有源层、下限制层等，实现激光输出，光栅层为均匀分布的布拉格光栅。下盖层42设置在芯层41下方，用于提供足够的光和载流子限制。上盖层43内设置有上述光栅层3。反射区2的波导结构则可包括同样的芯层41和下盖层42，光栅层3位于芯层41的上方，光栅层3上方设置有绝缘层9，绝缘层9也可以为隔热层，当距离足够远时，绝缘层9可不具有隔热功能。

优选的，波导结构为脊形波导，用于传导驱动电流，脊形波导能够降低激光器的驱动阈值电流，提高激光器的基本性能。波导结构整体形成有在中间位置向上凸起的脊棱45。

有源区1还包括用于注入电流的第一电极11，第一电极11设置在波导结构上，包括形成在波导结构的脊棱45上的第一有源电极111，以及在脊棱45其中一侧上制作的第二有源电极112，第一有源电极111和第二有源电极112连接成一体。第一电极11注入的电流通过施加到波导结构，于是，被注入了驱动电流后的波导结构作为活性层来发挥功能，给激光器提供增益。优选的，第一有源电极111可以为条状电极，第二有源电极112可以为圆形电极。上述的上盖层43对应第一有源电极111，上盖层43仅设置在有源区1的脊棱45及脊棱45下方对应的位置，有源区1的芯层41上方其他位置被绝缘层9包覆。

为便于调节激光器的工作温度，在脊棱45的上方或者与脊棱45相邻的位置设置有调温装置，与第二有源电极112分别位于脊棱45的两侧。调温装置包括电阻丝7，电阻丝7在有源区1和反射区2之间延伸，电阻丝7的两端分别具有朝向远离脊棱45方向弯折的弯折部71，弯折部71上设置有第二电极，该第二电极可以注入电流到电阻丝7 来发热。通过调整第二电极上所加电流，可以调整激光器工作的温度。

为在提高加热效率的同时，避免第一电极11和第二电极之间发生电传导，脊棱45、电阻丝7上覆盖有介质层5，介质层5能保证电隔绝和热导通。介质层5与第一有源电极111对应的位置开设有第一开口51，使得第一有源电极111埋入第一开口51而与波导结构的上盖层43直接接触，以便第一有源电极111注入的电流可传递到波导结构。

介质层5的上方设置有导电导热层6，导电导热层6至少覆盖电阻丝7上方的介质层5。介质层5在电阻丝7两端的弯折部71上开设有第二开口52，导电导热层6在与第二开口52对应的位置凸起而能从介质层5上方穿过第二开口52而与电阻丝7接触，导电导热层6穿过第二开口52的部分构成上述的第二电极，以便第二电极注入的电流可传递到电阻丝7。介质层5的设置，避免了第一电极11和第二电极之间导电。

第一开口51至少在顶部为封闭(即第一开口51为由下至上凹陷的凹槽状)，第二开口52则贯穿介质层5的厚度。

由此，电阻丝7产生的热量，可通过导电导热层6有效地传导到有源区1，提高激光器的工作温度。可替代的，电阻丝7和第一电极11可以位于脊棱45的同一侧。导电导热层6的设置，提高了热量的传导效率。此外，第二电极也可以为单独设置的电极，而不与导电导热层6一体，仅在第二开口52处与导电导热层6接触。

参见图3，为现有技术的DFB激光器在微带线上匹配额外电阻R1的等效电路，其中，第一电感L1是打金线等等效电感，第一电容C1为微带线的等效电容，第二电容 C2和第二电阻R2的DFB芯片的等效寄生电容和电阻。额外的第一电阻R1的一端作为第一个输入端、另一端与第一电感L1的一端连接，第一电感L1的另一端与第二电阻 R2的一端连接，第二电阻R2的另一端作为第二个输入端，第一电容C1的一端连接在第一电阻R1和第一电感L1之间，第一电容C1的另一端连接到第二个输入端，第二电容C2的一端连接在第一电感L1和第二电阻R2之间，第二电容C2的另一端连接到第二个输入端。

参见图4，为本实施例的DFB激光器在微带线上匹配额外电阻R1的等效电路，其中，第一电感L1是打金线等等效电感，第一电容C1为微带线的等效电容，第二电容 C2和第二电阻R2的DFB芯片的等效寄生电容和电阻，第三电容C3是第二电极21带来的寄生电容，第二电感L2和第三电阻R3是与第二电极21匹配的电感和电阻。额外的第一电阻R1的一端作为第一个输入端、另一端与第一电感L1的一端连接，第一电感L1的另一端与第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端作为第二个输入端，第一电容C1的一端连接在第一电阻R1和第一电感L1之间，第一电容C1的另一端连接到第二个输入端，第二电容C2的一端连接在第一电感L1和第二电阻R2之间，第二电容C2的另一端连接到第二个输入端，第三电容C3的一端连接在第一电阻R1和第一电感L1之间，第三电容C3的另一端与第三电阻R3的一端连接，第三电阻R3的另一端连接到第二个输入端，第二电感L2和第三电阻R3并联。

参见图5，其中，上面的曲线为现有技术的本征响应曲线，下面的曲线为本发明的本征响应曲线。从图5中可知，本发明的DFB激光器，通过设计与现有的激光器匹配的射频电感和电阻基本可以保持原有的直调制带宽，由此使得设置电阻丝7和第二电极仍能保持高速的调制。

本发明的DFB激光器，在保留现有的TEC的基础上，通过增加电阻丝7和第二电极，在低温时，通过TEC控温，而在有源区1的温度高于一定温度时(如60℃)，不再通过TEC控温，而通过电阻丝7和第二电极来控制有源区1的工作温度(反射区2同时被加热)，由此实现半自动温控的方式，有效节省器件的成本。

通过电阻丝7和第二电极注入的电流可以改变激光器的工作温度，又因为激光器激射波长随温度升高会发生红移，因此通过调节电阻丝7和第二电极注入的电流可以调节激光器的激射波长，有利于更为精确地控制激射波长。

此外，由于电阻丝7下面是隔热的绝缘层9，不导热，这样热量可以直接向激光器的波导结构传输，加热效率高，有利于实现宽范围内的工作。

通过优化外部控制电路的参数可以不损失带有热电极的DFB激光器的直调制带宽，保持高度调制；波长波动范围小，可以更为精确地控制波长。

在上述实施例中，DFB激光器为两段式激光器，可替代的，也可以在一段式DFB 激光器中使用上述的电阻丝7和第二电极。

波导结构可以为电磁波导或光波导。

中国移动5G前传方案，采用WDM/MWDM方案。采用低成本25G CWDM推进 12波长系统，采用TEC实现非等间距的12波长。满足5G前传的10km的链路预算，适应商用。该方案采用在CWDM 6波1271nm，1291nm，1311nm，1331nm，1351nm， 1371nm的基础上进行上下各偏移3.5纳米得到非等间距的12波长，其中，每个波长允许波动+-2.5纳米。采用本发明的激光器方案，使得激光器工作在较高的温度范围，这样当激光器工作温度高于一定温度时激光器可以进行无TEC工作。当然，本发明的激光器也可以用于其他领域。