CN106207749A - 一种基于单波长窄带滤光组件选频的窄线宽半导体激光器 - Google Patents

一种基于单波长窄带滤光组件选频的窄线宽半导体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种窄线宽外腔半导体激光器,包括半导体放大器提供增益,梳状滤光器和带通滤光器组合形成单波长窄带滤光组件,部分反射片与半导体光放大器芯片后端面形成激光器谐振腔,隔离器、耦合透镜和输出光纤起到准直光束耦合输出的作用。其中,梳状滤光器和带通滤光器形成一个单通道的窄带滤光组件,其带宽足使得激光器单模激射,而其他模式受到有效抑制,通过调节激光器温度可以控制纵模在整个滤波带中的相对位置,从而控制激光器的输出波长和功率,使得激光器处于最佳工作状态。本发明优选采用标准具作为选频元件,容易实现窄线宽输出;采用商用DWDM滤光片作为波长粗选元件,提高了器件的波长灵活性,降低了成本。

Description

一种基于单波长窄带滤光组件选频的窄线宽半导体激光器
技术领域
本发明涉及一种激光器元件,尤其涉及一种基于单波长窄带滤光组件选频的窄线宽半导体激光器原理及结构,具体地说涉及一种利用梳状滤光器及带通滤光器作为选频元件的窄线宽半导体外腔激光器的结构和工作原理,该窄线宽半导体激光器可用于相干光通信和光纤传感系统,本发明属于通信和传感领域。
背景技术
窄线宽半导体激光器以其窄线宽、低噪声等优点广泛应用于光纤通信、光纤传感、光纤遥感及材料技术等领域。波长选择器件可以用来确定和调整其波长,限制增益谱内起振的纵模数,让满足特定条件的少数几个频率的激光起振,起到压窄线宽的作用;如果只让一个纵模振荡,则构成单频激光器,输出光具有极高的时间相干性,实用价值很高。
一般来说窄线宽半导体激光器大多采用外腔选频方案,通过窄带滤波器选频,长腔长压窄线宽方式实现激光器的窄线宽单频输出。具体的实现方式已有如下几种案例:
一种是使用布拉格波导光栅作为波长选择器件,例如美国专利US008885677B1“Semiconductor external cavity laser with integrated planar waveguide bragggrating and wide-bandwidth frequency modulation”,但是这种方法工艺难度高,耦合插损较大。
另一种是使用布拉格光纤光栅作为波长选择元件,例如美国专利US8018982B2“Sliced fiber bragg grating used as external cavity for semiconductor laserand solid state laser”,但是这种激光器结构对布拉格光纤光栅的封装方法提出了很高的要求,光栅容易受到环境因素的影响,不利于激光器的稳定工作。
还有一种就是使用体布拉格光栅作为激光器的外腔选频元件,具有耦合方便的优点,而且光栅材料比较坚固均匀,但是带宽很难做窄且价格昂贵,不宜生产。一个类似的例子如美国专利US9287681B2“Wavelength stabilized diode laser”,这篇专利描述了如何利用体布拉格光栅加标准具进行选频,实现单模输出。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术问题,通过一种梳状滤光器加带通滤光器的组合滤波器作为选频元件,采用半导体外腔结构,实现激光器输出稳定的窄线宽激光。
本发明提供了一种窄线宽外腔半导体激光器,包括半导体光放大器芯片、单波长窄带滤光组件、反射镜和准直光束耦合输出组件;
所述半导体光放大器芯片作为增益介质提供足够的增益从而实现激光输出;
所述反射镜与所述半导体光放大器芯片的一个端面形成激光器谐振腔的两个腔镜;
所述单波长窄带滤光组件设置在所述两个腔镜之间,使得激光器单模激射,而其他模式受到有效抑制。
在上述技术方案中,所述单波长窄带滤光组件包括梳状滤光器和带通滤光器。
在上述技术方案中,所述准直光束耦合输出组件包括隔离器、耦合透镜和输出光纤。
在上述技术方案中,所述梳状滤光器是标准具、微环或其他可以产生梳状滤光效果的元件,所述带通滤光器是DWDM滤光片或AWG等可以产生带通滤光效果的滤光器。
在上述技术方案中,所述反射镜为部分反射镜,所述单波长窄带滤光组件、部分反射镜和准直光束耦合输出组件位于所述半导体光放大器芯片的同一侧,并依次连接。
在上述技术方案中,所述半导体光放大器芯片的前端面镀有增透膜,后端面镀有高反膜;所述半导体光放大器芯片输出光信号经过准直后进入所述梳状滤光器形成梳状滤光谱,再经过所述带通滤光器选择一个需要的波长,之后被所述部分反射镜反射一部分光回到所述半导体光放大器形成激光反馈谐振,而另一部分光从所述部分反射镜透射输出,经过所述隔离器、耦合透镜和输出光纤形成输出激光。
在上述技术方案中,所述反射镜为全反射镜,所述单波长窄带滤光组件和全反射镜以及所述准直光束耦合输出组件分别位于所述半导体光放大器芯片的不同侧。
在上述技术方案中,所述半导体光放大器芯片的后端面镀有增透膜,前端面镀有部分反射膜;所述半导体光放大器芯片输出光信号经过准直后进入所述梳状滤光器形成梳状滤光谱,再经过所述带通滤光片选择一个需要的波长,之后被所述全反射镜反射回到所述半导体光放大器形成激光反馈谐振,而另一部分光从所述半导体光放大器芯片的前端面透射输出,经过准直进入所述隔离器、耦合透镜和输出光纤形成输出激光。
在上述技术方案中,所述半导体光放大器芯片、单波长窄带滤光组件、反射镜和准直光束耦合输出组件被承载在一刚性平板上,所述刚性平板还具有包括控温系统。
在上述技术方案中,通过所述温控系统调节激光器温度以控制纵模在整个滤波带中的相对位置,达到控制激光器的输出波长和功率,使得激光器处于最佳工作状态。
本发明取得了以下技术效果:
1、本发明采用自由空间光学光路,具有耦合方便结构简单的优点。
2、本发明采用梳状滤光器作为选频元件,容易实现窄线宽输出。
3、本发明采用商用带通滤光器作为波长粗选元件,提高了器件的波长灵活性,降低了成本。
附图说明
图1、本发明基于标准具选频的窄线宽激光器光路示意图;
图2、标准具透射谱与群延时曲线图;
图3、标准具透射谱与带通滤光片透射谱相对关系图;
图4、温度对标准具透射谱和激光器波长的影响;
图5、激光器波长随温度变化规律;
图6、激光器功率随温度变化规律;
图7、激光器线宽测试结果图;
图8、激光器频率噪声测试结果图;
图9、本发明结构的第二个实施例光路示意图。
图中标记:
1—半导体光放大器芯片;
1A—后端面;
1B—前端面;
2—准直透镜;
3—标准具;
4—带通滤光片;
5—部分反射镜;
6—隔离器;
7—耦合透镜;
8—输出光纤;
9—外腔准直器透镜;
10—全反射镜。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明,下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
本发明提供了一种基于体布拉格光栅的窄线宽外腔半导体激光器结构,其采用了梳状滤光器和一个带通滤光片组合作为窄带选频元件,采用半导体外腔激光器的结构实现窄线宽单频输出,其中梳状滤光器可以是标准具、微环或其他可以产生梳状滤光效果的元件,带通滤光片可以是DWDM滤光片或AWG等类型可以产生带通滤光效果的元件,下面以标准具和DWDM滤光片为例阐述本发明的工作原理。
本发明提供的一种基于单波长窄带滤光组件的窄线宽外腔半导体激光器结构,其中一个实施例如图1所示,该半导体激光器包括半导体光放大器芯片1、准直透镜2、标准具3、DWDM滤光片4、部分反射镜5、隔离器6、耦合透镜7、输出光纤8,上述器件依次排列。其中半导体光放大器芯片1的前端面1B镀有增透膜,后端面1A镀有高反膜,标准具3的两个端面都镀有部分反射膜,DWDM滤光片4一般采用通信波段的DWDM滤光片,增加激光器输出波长的灵活性,部分反射镜5的反射率可以有不同选择,隔离器6一般采用双级隔离器,可以有效防止反射光进入激光器谐振腔,耦合透镜7和输出光纤8构成了整个激光器的耦合输出系统。半导体光放大器芯片1输出光信号经过准直透镜2准直,进入标准具3,形成梳状滤光谱,再经过带通滤光片4选择一个需要的波长,之后被部分反射镜5反射一部分光回到半导体光放大器1形成激光反馈谐振,而另一部分光从部分反射镜5透射输出,经过隔离器6、耦合透镜7和输出光纤8形成输出激光。隔离器6、耦合透镜7和输出光纤8起到准直光束耦合输出的作用。
上述整个光学系统可以封装到一个14PIN的标准蝶形封装里面,或者更小的TOSA封装里面,一般来说上述光学系统会由一整个刚性平板来承载,这个刚性平板应当具有良好的导热性和较低的热膨胀系数,比如铜板或陶瓷板等。一般来说承载光学系统的刚性平板下面还会安装一个半导体制冷器(TEC),刚性平板上面安放一个热敏电阻,与TEC一起形成一个控温系统,这样保证激光器稳定工作。
本发明上述实施例中核心组成部件的作用具体如下:
半导体光放大器芯片1作为增益介质为激光器提供足够的增益从而实现激光输出。后端面1A镀有高反模,可作为激光器谐振腔的后反射面,前端面1B镀有增透膜,可以尽量减小管芯自身的FP效应。半导体光放大器芯片1被设计为低的色散增益,以控制激光边模以达到降低谐振腔内噪声的目的。另外半导体光放大器芯片1被设计为P偏振态高消光比出光,以保证激光器模式纯净。
标准具3和DWDM滤光片4组合形成单波长窄带滤光组件,其中,标准具3两个端面镀有部分反射膜,在正入射情况下根据标准具的透射公式1-1和1-2。
δ γ = c 2 n d - - - 1 - 1
Δ γ = 4 arcsin [ ( 1 - R ) 2 R ] - - - 1 - 2
可以看到自由光谱范围δγ与材料折射率n和标准具3的厚度d相关,透射峰的带宽Δγ与两个端面部分反射膜的反射率相关,反射率越高,透射峰带宽越窄,且对比度越高,窄带宽和高对比度有助于抑制边模和降低腔内噪声,所以设计标准具3时一般会将两个端面的反射率做的比较高。
标准具3的透射谱如图2所示。在标准具3的透射峰内,相对群延时大的位置更容易得到窄线宽输出,这是因为此时的有效光程较大,标准具3的群延时曲线参见图2。
本发明中的DWDM滤光片4的透射谱可以选择高斯型也可以选择平顶型,但是其透射峰都要与标准具3被选择的透射峰对准,而且DWDM滤光片4的20dB带宽内不能出现标准具3的其他透射峰,这就需要合理选择标准具3的自由光谱范围和带通滤光片4的20dB带宽。另外考虑到标准具3的温度敏感性一般比DWDM滤光片4强,所以为了保证整个滤波系统的插损,一般选择平顶型的DWDM滤光片4。两个元件的滤波带关系可以参见图3。标准具3设计有适当的带宽与自由光谱范围,DWDM滤光片4设计为平顶或高斯型的滤波带形状,二者结合形成一个单通道的窄带滤光组件,其带宽足使得激光器单模激射,而其他模式受到有效抑制。
部分反射镜5与半导体光放大器芯片1的后端面1A形成激光器谐振腔的两个腔镜,这两个面之间的光学距离决定了整个激光器的纵模间隔,两个面的光学距离越长,纵模间隔越短,单个纵模的线宽就越窄,所以设计窄线宽激光器要适当增加这两个反射面之间的距离。另外要实现激光器单纵模输出,那么标准具3的带宽内要含有尽量少的纵模数,这样有助于抑制激光器边模,降低激光器噪声,那么说明如果这两个反射面之间的距离太长反而不利于激光器边模的抑制,所以激光器的腔长(即部分反射镜5与半导体光放大器芯片1的后端面1A这两个反射面之间的光学距离)与标准具3的带宽之间需要达到平衡以使得激光器工作在最佳状态。
当标准具3的滤波带内一个纵模距离透射峰最近获得增益优势可以激射,从而形成激光输出,而其他相邻纵模则因为模式竞争以及滤波带插损而被抑制。通过改变激光器的工作温度可以控制激光激射模式在标准具3的透射谱中的相对位置,从而影响激光器的输出特性,另外也考虑到激光器温度变化时标准具3的透射峰与激光器纵模沿同方向移动,但是激光器纵模的移动速度较快。
图4中实线表示纵模初始波长λ1和标准具3透射峰在激光器温度为T1时的相对位置,虚线表示纵模移动至λ2和标准具3透射峰在激光器温度为T2时的相对位置,可以看到两个温度下能够激射的纵模所处的波长和插损都发生了变化,就会导致最终激光输出波长和功率的变化。图5为激光器温度升温过程和降温过程对应的波长变化规律,图6为激光器温度升温过程和降温过程对应的输出功率变化规律,从图中可以看到升温和降温曲线是不完全重合的,这是因为激光器的模式竞争导致的跳模迟滞效应导致的。
由此,通过调节激光器温度可以控制纵模在整个滤波带中的相对位置,达到控制激光器的输出波长和功率,以使得激光器处于最佳工作状态。
在本发明中采用了自由空间的外腔结构,在满足器件自身体积要求下尽量增长了激光器的有效腔长。另外在本发明中的选频元件标准具3和DWDM滤光片4设计方面遵循两个原则,一个是尽量小的插入损耗,一个是适当窄的带宽,小的插入损耗,有助于降低激光器的阈值,从而压窄线宽,另一方面压窄带宽可以有效地抑制边摸起振,达到了降低噪声的目的。例如,本案中设计的窄线宽激光器线宽测试结果如图7所示,噪声测试结果如图8所示。
本发明提供的窄线宽外腔半导体激光器结构的第二个实施例如图9所示,将外腔部分和耦合输出部分别放在半导体放大器芯片1的两侧,半导体光放大器芯片1的后端面(即外腔端)1A镀有增透膜,前端面(即输出端)1B镀有部分反射膜作为输出腔镜。标准具3和带通滤光片4置于外腔准直透镜7后作为频率选择元件,全反射镜5作为腔镜使用。本结构的窄线宽激光器输出部分由输出端透镜2、隔离器6和尾纤耦合系统组成。
虽然本发明已经详细地示出并描述了相关的特定的实施例参考,但本领域的技术人员应该能够理解,在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种窄线宽外腔半导体激光器,其特征在于:包括半导体光放大器芯片、单波长窄带滤光组件、反射镜和准直光束耦合输出组件;
所述半导体光放大器芯片作为增益介质提供足够的增益从而实现激光输出;
所述反射镜与所述半导体光放大器芯片的一个端面形成激光器谐振腔的两个腔镜;
所述单波长窄带滤光组件设置在所述两个腔镜之间,使得激光器单模激射,而其他模式受到有效抑制。
2.如权利要求1所述的一种窄线宽外腔半导体激光器,其特征在于:所述单波长窄带滤光组件包括梳状滤光器和带通滤光器。
3.如权利要求2所述的一种窄线宽外腔半导体激光器,其特征在于:所述准直光束耦合输出组件包括隔离器、耦合透镜和输出光纤。
4.如权利要求2-3中任一项所述的一种窄线宽外腔半导体激光器,其特征在于:所述梳状滤光器是标准具、微环或其他可以产生梳状滤光效果的元件,所述带通滤光器是DWDM滤光片或AWG等可以产生带通滤光效果的滤光器。
5.如权利要求3-4中任一项所述的一种窄线宽外腔半导体激光器,其特征在于:所述反射镜为部分反射镜,所述单波长窄带滤光组件、部分反射镜和准直光束耦合输出组件位于所述半导体光放大器芯片的同一侧,并依次连接。
6.如权利要求5所述的一种窄线宽外腔半导体激光器,其特征在于:所述半导体光放大器芯片的前端面镀有增透膜,后端面镀有高反膜;所述半导体光放大器芯片输出光信号经过准直后进入所述梳状滤光器形成梳状滤光谱,再经过所述带通滤光器选择一个需要的波长,之后被所述部分反射镜反射一部分光回到所述半导体光放大器形成激光反馈谐振,而另一部分光从所述部分反射镜透射输出,经过所述隔离器、耦合透镜和输出光纤形成输出激光。
7.如权利要求3-4中任一项所述的一种窄线宽外腔半导体激光器,其特征在于:所述反射镜为全反射镜,所述单波长窄带滤光组件和全反射镜以及所述准直光束耦合输出组件分别位于所述半导体光放大器芯片的不同侧。
8.如权利要求7所述的一种窄线宽外腔半导体激光器,其特征在于:所述半导体光放大器芯片的后端面镀有增透膜,前端面镀有部分反射膜;所述半导体光放大器芯片输出光信号经过准直后进入所述梳状滤光器形成梳状滤光谱,再经过所述带通滤光片选择一个需要的波长,之后被所述全反射镜反射回到所述半导体光放大器形成激光反馈谐振,而另一部分光从所述半导体光放大器芯片的前端面透射输出,经过准直进入所述隔离器、耦合透镜和输出光纤形成输出激光。
9.如权利要求1-8中任一项所述的一种窄线宽外腔半导体激光器,其特征在于:所述半导体光放大器芯片、单波长窄带滤光组件、反射镜和准直光束耦合输出组件被承载在一刚性平板上,所述刚性平板还具有包括控温系统。
10.如权利要求9所述的一种窄线宽外腔半导体激光器,其特征在于:通过所述温控系统调节激光器温度以控制纵模在整个滤波带中的相对位置,达到控制激光器的输出波长和功率,使得激光器处于最佳工作状态。
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