CN106159672A - 基于光纤透镜与光栅集成的窄线宽外腔激光器结构 - Google Patents

基于光纤透镜与光栅集成的窄线宽外腔激光器结构 Download PDF

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Abstract

一种基于光纤透镜与光栅集成的窄线宽外腔激光器结构，包括：一制冷器；一热沉，其制作在制冷器的上面；一过渡热沉，其制作在热沉上面的一侧；一激光器管芯，其为器件的光源，其制作在过渡热沉上面的中间；一热敏电阻，其制作在过渡热沉上面，并位于激光器管芯的一侧；一垫块，为矩形，其上面纵向开有一V型槽；一光栅集成器件，其位于垫块上面的V型槽内；上述部件均容置在一管壳内；一隔离器，其安装在管壳的外壁面，并与管壳内的光栅集成器件相对；一尾纤，其与隔离器连接。本发明具有窄线宽外腔激光器线宽窄、发光效率高、稳定性好、耦合效率高、工艺简单，可以实现稳定的窄线宽输出。

Description

基于光纤透镜与光栅集成的窄线宽外腔激光器结构
技术领域
本发明涉及窄线宽激光光源领域，尤其涉及用于制作外腔激光器实现10kHz以下窄线宽激光光源结构领域，特别是指一种基于光纤透镜与光栅集成的窄线宽外腔激光器结构。
背景技术
窄线宽激光光源自从问世以来就受到了广泛的瞩目，随着近些年的发展，窄线宽激光器在国防安全领域、通信领域以及前沿科学研究领域都起着十分重要的作用。例如，在军事上，窄线宽激光光源可以用为陀螺、激光定位测距、光电导航的光源；在长距离高速传输系统中，3KHz的窄线宽激光光源的相干长度可达100Km，大大提高中继距离；在前沿科学研究上，窄线宽激光光源可广泛用于高精度光谱测量、量子频标等领域。而我们可以发现，无论是窄线宽激光光源用于超高精度雷达、船舶水听器、航天对接器还是卫星间通信、相干光通信、激光光谱学等领域，无一不是对激光光源线宽和模式稳定性提出了极高的要求。
窄线宽激光器是指激光经过谐振腔以后以单模形式输出的激光光源。传统的窄线宽激光器，目前看来有以下三大类：1.窄线宽光纤激光器；2.窄线宽分布反馈(DFB或者DBR)激光器；3.平面波导光栅外腔激光器。
1、窄线宽光纤激光器的线宽最窄，可以做到1KHz量级，但是由于窄线宽光钎激光器需要额外的泵浦源，体积较为庞大，不利于小型化，而且窄线宽光纤激光器谐振腔很长，在增益介质中容易出现空间烧孔现象而导致多模振荡输出，模式十分不稳定。
2、窄线宽分布反馈DBR和DFB激光器通过在半导体激光器的内部建立的一个布拉格光栅，利用布拉格光栅构成谐振腔，同时也进行选模作用，实现单纵模输出。但由于其对光栅的结构和设计都有十分高的要求精度要求，而且光栅为内置结构，容易受到调制电流的影响，同时，光栅结构需要外延生长包成和盖层，增加了制备难度，使其不能大批量生产，成品率较低。分布反馈窄线宽DFB和DBR激光器的线宽只能达到MHz级别。
3、平面波导光栅外腔激光器主要由半导体激光器和Si基SiO2平面波导光栅(PWG)两部分组成。由平面波导光栅极窄的布拉格反射带宽选择出来的特定频率光，在平面波导光栅和半导体激光器的后腔面之间来回振荡形成窄线宽激光，因此可以通过改变平面波导光栅的周期、反射率峰值及反射带宽来改变激光器的激射波长和线宽。
目前，制约该技术方案发展的主要问题有：
(1)半导体激光器与光纤系统的耦合效率低。
半导体激光器由于其物理结构的特殊性，发出的激光光束是椭圆形的高斯光束。高斯光束在纵向方向上，其平行于X轴方向发散速度缓慢，Y轴方向发散速度较快，其远场发散角，垂直方向约为20°～30°，水平发散角约为10°左右。而单模光纤的本征光斑为较大的圆形光斑。半导体激光器与单模光纤的耦合实质上是模场的匹配问题。
(2)Si基平面波导光栅与半导体激光器集成工艺复杂，成品率低。
Si基平面波导光栅受限于光刻精度等因素，其只能采用多级光栅，并且与半导体激光器耦合损耗较大，耦合封装的偏调容差较小，对耦合工艺提出更高的要求，工艺难度高，成品率低。
发明内容
本发明提供一种基于光纤透镜与光栅集成的窄线宽外腔激光器结构，以解决目前传统窄线宽外腔激光器线宽较宽、发光效率低、稳定性差、耦合效率低、工艺复杂等技术难题问题，实现稳定的窄线宽输出。
为达到上述目的，本发明提供一种基于光纤透镜与光栅集成的窄线宽外腔激光器结构，包括：
一制冷器；
一热沉，其制作在制冷器的上面；
一过渡热沉，其制作在热沉上面的一侧；
一激光器管芯，其为器件的光源，其制作在过渡热沉上面的中间；
一热敏电阻，其制作在过渡热沉上面，并位于激光器管芯的一侧；
一垫块，为矩形，其上面纵向开有一V型槽；
一光栅集成器件，其位于垫块上面的V型槽内；
上述部件均容置在一管壳内；
一隔离器，其安装在管壳的外壁面，并与管壳内的光栅集成器件相对；
一尾纤，其与隔离器连接。
从上述技术方案可以看出，本发明一种基于光纤透镜与光栅集成的窄线宽外腔激光器结构具有以下有益效果：
1、采用激光器管芯，消除了激光器前端面一直存在的剩余反射率问题，实现宽光谱输出。
2、激光器管芯与光纤透镜与光栅集成器件距离很近，从而能够将其固定在V型槽上之后再固定到热沉上。这样一方面提高了外腔激光器的抗振动性能，另一方面可以与激光器管芯利用同一个制冷器进行控温，提高了外腔激光器的温度稳定性。
3、对光纤透镜与光栅集成器件的尾端进行隔断处理，并通过隔离器与尾纤连接，这样的设计能够保证屏蔽外界的振动和热传递对内部器件的影响，最大限度的减小外界环境的干扰，提高器件的环境适应性和工作模式的稳定性。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1为基于光纤透镜与光栅集成的窄线宽外腔激光器结构的平面示意图；
图2为图1的立体示意图；
图3为激光器管芯与光纤透镜与光栅集成器件耦合示意图。
具体实施方式
请参阅图1、图2及图3所示，其中1为热敏电阻，2为激光器管芯，3为过渡热沉，4为热沉，5为锥形透镜，6为光纤光栅，7为光纤透镜与光栅集成器件，8为垫块，9为制冷器，10为隔离器，11为尾纤，12为管壳。
本发明提供一种基于光纤透镜与光栅集成的窄线宽外腔激光器结构，包括：
一制冷器9，制冷器9对激光器管芯2和光纤透镜与光栅集成器件7同时进行控温，保证结构模式输出的稳定性；
一热沉4，其制作在制冷器9的上面；该热沉4材料为镍或铜；该热沉4上用于同时固定过渡热沉3和垫块8，提高结构整体的抗震动性能；
一过渡热沉3，其采用铟锡焊技术制作在热沉4上面的一侧；该过渡热沉3材料为氮化铝，用于固定热敏电阻1和激光器管芯2；
一激光器管芯2，其为器件的光源，其采用金锡焊工艺制作在过渡热沉3上面的中间，该激光器管芯2采用倾斜角度的脊波导结构，其弯曲角度在5°-10°，减小了前腔面的剩余反射率对输出光的影响，所述激光器管芯2远离锥形透镜5的后腔面镀高反膜，反射率为70％-99％，前腔面镀增透膜，实现剩余反射率小于10-4，最终实现激光器管芯2的后腔面与光纤光栅6构成谐振腔，实现窄线宽激光的输出；其与光纤透镜与光栅集成器件7进行耦合时，增益芯片与轴线的夹角在10°至40°之间；其输出为光谱光源，谱宽可以达到40nm；
一热敏电阻1，其采用金锡焊工艺固定在过渡热沉3上面，并位于激光器管芯2的一侧；该热敏电阻1用于控制制冷电流，实现对制冷器温度的精确控制；
一垫块8，为矩形，其上面纵向开有一V型槽，用于固定光纤透镜与光栅集成器件7；该垫块8利用铟锡焊技术与过渡热沉3一起焊接在热沉4上；
一光栅集成器件7，其位于垫块8上面的V型槽内，该光栅集成器件7包括一光纤光栅6和与之连接的锥形透镜5，该光栅集成器件7的长度为10mm-20mm，该锥形透镜5的夹角为95-105度，所述锥形透镜5的端部顶端为半球形，其曲率半径为4μm-9μm，所述光纤光栅6的反射率为20％-60％，3dB带宽为0.1nm-0.5nm；且光纤光栅6与锥形透镜5的距离为4mm-14mm可调；
其中，所述锥形透镜5通过将光纤头磨成锥形，可以减小端面的反射，降低入射光的损耗，提高激光器管芯2和光纤的耦合效率；在一般情况下，即增益芯片出光的远场发散角在20°至30°之间时，锥形透镜5夹角为100°±5°；
其中，所述光纤光栅6，该光纤光栅6与激光器管芯2构成短外腔结构，通过增加腔长，并运用光纤光栅极窄的反射带宽实现压窄线宽的作用；
其中，所述光纤光栅6部位做金属化处理，便于粘接在垫块8上的V型槽上，也便于夹具夹住进行耦合工艺操作；
上述部件均容置在一管壳12内；所述管壳12为8引脚或14引脚蝶形管壳；
一隔离器10，其安装在管壳12的外壁面，并与管壳12内的光栅集成器件7相对；所述隔离器10的作用是防止回波反射的光进入器件影响模式输出，保证光的单向传输；
一尾纤11，其与隔离器10连接，所述尾纤11是模场直径为5μm-10μm的单模光纤或保偏光纤，用以提高输出的偏振特性；
其中光栅集成器件7的尾端与管壳12相对隔断，屏蔽外界振动和热传递对内部器件的影响，最大限度的减小外界环境的干扰，提高器件的环境适应性和工作模式的稳定性；
本发明一优选实施例中，所述的基于光纤透镜与光栅集成的窄线宽外腔激光器结构如图1所示，其激光器管芯2采用脊型波导结构，利用光刻工艺将脊型波导与垂直方向弯曲一定的角度，弯曲角度为5°-10°。从而有效抑制了腔面剩余反射率产生的噪声。
本发明一优选实施例中，光纤透镜与光栅集成器件7的尾端与管壳12实现空间隔离，从而能够保证屏蔽外界的振动和热传递对内部器件的影响，最大限度的减小外界环境的干扰，提高器件的环境适应性和工作模式的稳定性。
本发明一优选实施例中，隔离器10固定在管壳12的出光孔处，并与尾纤11采用光纤熔接技术实现低损耗尾纤输出。为了进一步提高光纤透镜与光栅集成器件7和隔离器10的耦合效率，可以在光纤透镜与光栅集成器件7的尾端和隔离器10之间加一个透镜，对光束进行整形，进一步降低光传输损耗，提高耦合效率。
综上所述，本实施例提出的一种基于光纤透镜与光栅集成的窄线宽外腔激光器结构，利用光刻工艺将脊型波导与垂直方向弯曲一定的角度，从而有效抑制了腔面剩余反射率产生的噪声。通过将光纤透镜与光栅集成器件的尾端与管壳实现空间隔离，从而能够减小外界的振动和热传递对内部器件的影响，提高器件的环境适应性和工作模式的稳定性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光纤透镜与光栅集成的窄线宽外腔激光器结构，包括：
一制冷器；
一热沉，其制作在制冷器的上面；
一过渡热沉，其制作在热沉上面的一侧；
一激光器管芯，其为器件的光源，其制作在过渡热沉上面的中间；
一热敏电阻，其制作在过渡热沉上面，并位于激光器管芯的一侧；
一垫块，为矩形，其上面纵向开有一V型槽；
一光栅集成器件，其位于垫块上面的V型槽内；
上述部件均容置在一管壳内；
一隔离器，其安装在管壳的外壁面，并与管壳内的光栅集成器件相对；
一尾纤，其与隔离器连接。
2.根据权利要求1所述的基于光纤透镜与光栅集成的窄线宽外腔激光器结构，其中激光器管芯采用倾斜角度的脊波导结构，其弯曲角度为5°-10°，减小了前腔面的剩余反射率对输出光的影响。
3.根据权利要求2所述的基于光纤透镜与光栅集成的窄线宽外腔激光器结构，其中激光器管芯远离锥形透镜的后腔面镀高反膜，反射率为70％-99％，前腔面镀增透膜，实现剩余反射率小于10-4，最终实现激光器管芯的后腔面与光纤光栅构成谐振腔，实现窄线宽激光的输出。
4.根据权利要求1所述的基于光纤透镜与光栅集成的窄线宽外腔激光器结构，其中光栅集成器件包括一光纤光栅和与之连接的锥形透镜，该光栅集成器件的长度为10mm-20mm。
5.根据权利要求4所述的基于光纤透镜与光栅集成的窄线宽外腔激光器结构，其中锥形透镜的夹角为95-105度。
6.根据权利要求5所述的基于光纤透镜与光栅集成的窄线宽外腔激光器结构，其中锥形透镜的端部顶端为半球形，其曲率半径为4μm-9μm。
7.根据权利要求4所述的基于光纤透镜与光栅集成的窄线宽外腔激光器结构，其中光纤光栅的反射率为20％-60％，3dB带宽为0.1nm-0.5nm；且光纤光栅与锥形透镜的距离为4mm-14mm可调。
8.根据权利要求1所述的基于光纤透镜与光栅集成的窄线宽外腔激光器结构，其中尾纤是模场直径为5μm-10μm的单模光纤或保偏光纤。
9.根据权利要求1所述的基于光纤透镜与光栅集成的窄线宽外腔激光器结构，其中光栅集成器件的尾端与管壳相对隔断，屏蔽外界振动和热传递。
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