文章编号：０８．０１８－０１０ＦＣｌ０２００９

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。关键词：可调谐激光器；ＳＧＤＢＲ：单片集成；ＳＯＡ；传输矩阵

中图分类号：ＴＮ２４８．４文献标识码：Ａ

Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｕｔｐｕｔｆａｃｅｔｓｏｎｔｈｅｓａｍｐｌｅｄｇｒａｔｉｎｇ

ＤＢＲｌａｓｅｒｓｗｉｔｈａｎｄｗｉｔｈｏｕｔｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ

ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ

ｏｐｔｉｃａｌ

ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ

１引言ＬｉｕＹａｎ９１”；ＰａｎＪｉａｏｑｉｎ９１；ＷａｎｇＢａｏｊｕｎｌ：Ｂｉａｎｊｉｎ９１；Ａｎｘｉｎｌ；ＺｈａｏＬｉｎｇｊｕａｎｌ（１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＭｈｔｅｆｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ，ＩｎｓｄｔｕｔｅｏｆＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ

ＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅＢｅｉｊｉｎｇ１０００８３）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｍａｔｒｉｘｔｈｅｏｒｙｉｓｕｓｅｄｔＯｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｄｇｒａｔｉｎｇｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ

ＢｒａｇｇｒｅｆｌｅｃｔｏｒａｎｄｔｈａｔｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｗｉｔｈＳＯＡｗｈｉｃｈｈａｖｅｏｕｔｐｕｔｆａｃｅｔｓ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｕｔｐｕｔ

ｆａｃｅｔｓ０１１ｔｈｅｓａｍｐｌｅｄｇｒａｔｉｎｇＤＢＲｌａｓｅｒｓｗｉｔｈａｎｄｗｉｔｈｏｕｔｉｎｔｅｓｒａｔｅｄＳＯＡｉｓｉＩＩＶｅ砸ｇａｔｅｄｂｙｔｈｅｃａｌｃｕｄａｆｉｏｎ．ＩｔｉｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｍｆｌｅｃｄｏｎｐｃａｋｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｄｇｒａｔｉｎｇｗｉｌｌｓｐｍｔＯｔＷＯＯｒ“∞ｎｌｏｌ－ｅｐｅａｋｓａｎｄｔｈｅｓｕｂ－ｐｅａｋｍａｙ

ｅｘｃｅｅｄｔｈｅｍａｉｎｐｅａｋｂｙｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｕｔｐｕｔｆａｃｅｔｓａｎｄｉｔＣａｌｌｅｘｐｌａｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｖｅｒｙｗｅｌｌ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｕｔｐｕｔｆａｃｅｔｓ∞ｎｂｅｉｇｎｏｃｅｄｗｈｅｎｔｈｅｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｒａｔｉｏｏｆｔｈｅｏｕｔｐｕｔｆａｃｅｔｓｉＳｌｅ鹞ｔｈａｎ０．０１．

Ｋｅｙｗｏｌｄｓ：Ｔｕｎａｂｌｅ１．ａｌｓｅａ＇；，ＳＧＤＢＲ；ｉｍｅｇｒａｆｉｏｎ；ＳＯＡ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ

ｍａｔｒｉｘ

分布布拉格反射（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ，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（ＳａｍｐｌｅｄＧｒａｔｉｎｇ

ＤＢＲ，

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ｊｌｌ

ｍａｔｓｕ＠ｓ锄ｉ．ａｃ．ｃｉｌ

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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（ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＯｐｔｉｃａｌＡｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＳＯＡ）等。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。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：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ａｌｅＡ＿／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＝８ｃｍ～，Ｌｇ＝６ｐｒｎ，Ｌｓｇ＝７３９ｍ，Ｎ＝６，ｒｌｅｎ＝３．２４２，ｈ＝１５３５ｎｍ，ＬＳＯＡ＝１５０ｐｍ）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．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。

８ｔ．ｇｌｒｒ（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）Ｆｌｉｇ２．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｍａｇｎｉｔｕｄｅ

ｍｉｒｒｏｒｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ（ａ．ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅＳＧＤＢＲｍｉｒｒｏｒ耐ｔｈｏｕｔｐｕｔｆａｃｅｔ；ｂ．ｒｅｓｕｌｔｓｏｆＳＧＤＢＲｍｉｒｒｏｒｗｉｍ

ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄＳＯＡａｎｄａｎｏｕｔｐｕｔｆａｃｅｔ、

爹文章编号：０８．０１８－０１ＯＦＣｌ０２００９

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。

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。

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Ｃｕｒｒｅｎｔ（ｍＡ）（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）№．３Ｔｈｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｖａｒｉｅｄ丽ｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｉｎｊｅｃｔｉｏｎｃｕｒｒｅｎｔｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｄｇｒａ廿ｎｇ（ｏｕｔｐｕｔｆａｃｅｔ．２８６．ｗｉｔｈ钆ＨＲｃｏａｔｂ．ＡＲｃｏａｔ）１５１０１５２０ｌｆｋ３０１６４０１６６０Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ（ｎｍ）（ａ）１５００１５１０１Ｓ２０ｌ＆３ｌＯ１６４０１５５０１５∞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．４ＴｈｅｏｕｔｐｕｔｓｐｅｃｔｒｍｎｏｆｔｈｅＳＧＤＢＲｌａｓｅｒ稍ｔｈｏｕｔｐｕｔｆａｃｅｔｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ参考文献【ｌ】雕ｋＪ．Ｓｋｏｇｅｎ，ＪｏｕａｔｈｏｎＳ．Ｂａｒｔｏｎ，ＳｔｅｖｅｎＰ．ＤｅｎＢａａｒｓ，ｅｔａＬＴｕｎａｂｌｅＳａｍｐｌｅｄ—ＧｒａｔｉｎｇＤＢＲｌａｓｅｒｓＵｓｉｎｇＱｕａｎｔｕｍ－ＷｅｌｌＩｎｔｅｒｍｉｘｉｎｇ［Ｊ］．１ｌ￡ＥＥＰＨＯＴｏＮｌｃｓｚｊ吱强删Ｉ）＿厶ＤＧｒＬＥＴＴＥＲＳ，２００２．１４：１２４３一１２４５【２】ＶｉｊａｙｓｅｋｈａｒＪａｙａｒａｍａｎ，Ｚｕｏｎ－ＭｉｎＣｈｕａｎｇ，ａｎｄＬａｒｒｙＡ．Ｃｏｌｄｒｅｎ，Ｔｈｅｏｒｙ，Ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＥｘｔｅｎｄｅｄＴｕｎｉｎｇＲａｎｇｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＬａｓｅｒｓ耐ｔｈＳａｍｐｌｅｄＧｒａｔｉｎｇｓ［Ｊ］．１ＥＥＥＪＯＵＲＮＡＬｏＦＱＵＡｍｗＭＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，１９９３．２９：１８２４．１８３４【３ＪＬ－Ａ．Ｃｏｌ＆ｅｎａｎｄＳ．Ｗ．Ｃｏｒｚｉｎｅ，ＤｉｏｄｅＬａｓｅｒｓａｎｄＰｈｏｔｏｎｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄ