CN107305267A - 一种能产生超模的脊形波导耦合阵列 - Google Patents

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陈付志
马梓阳
李力
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
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Abstract

本发明公开了一种能产生超模的脊形波导耦合阵列，包括至少两个波导单元，相邻的两个波导单元通过过渡块相连，相邻波导单元之间通过相互耦合产生超模光场。所述波导单元包括芯层、上包层和衬底，芯层位于上包层和衬底之间。所述波导单元的芯层为脊形结构，所述过渡块位于上包层和衬底之间。本发明由多个脊形波导单元构成的耦合阵列，每个波导单元都可产生单模光场；推广到脊形波导阵列，在波导单元相互耦合的条件下，可以产生具有超大模场面积的光场超模，同时调整单元波导直接的耦合可获得近高斯分布的远场光束质量，其远场分布具有近高斯特性。本发明可应用于大功率固体激光器和放大器领域。

Description

一种能产生超模的脊形波导耦合阵列
技术领域
本发明属于集成光学和光波导技术，涉及一种能产生超模的脊形波导耦合阵列。
背景技术
脊形光波导元件在集成光学中运用广泛，通过脊形波导设计可以实现大模场的单模光束。它的基本理论方法是基于单模条件，通过合理的几何形状和尺寸设计，增大有效模场面积，获得高光束质量的单模光场。
为进一步获得更大光场面积，可设计能产生超模的脊形波导耦合阵列，它在大功率固体激光器或放大器应用中具有明显优势：通过多个脊形光波导的耦合形成超模输出，在其模场面积扩大的同时，保持优秀的光束质量，使其更利于耦合到其它集成光学的波导原件中。固体激光器系统按照其光增益介质的几何性质传统上可分为圆棒、盘片和板条等基本类型，由于传统的单个增益波导中存在着单模模场较小或者多模光束质量较差的问题，一般在高功率输出的条件下难以保持较好的光束质量；本发明设计的脊形波导耦合阵列应用于固体激光器系统中，不仅可获得大功率激光输出，而且有利于获得更好的光束质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能产生超模的脊形波导耦合阵列，能产生超模光场，其远场具有近高斯分布特性。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种能产生超模的脊形波导耦合阵列，包括至少两个波导单元和位于相邻的两个波导单元之间的过渡块，相邻的波导单元之间通过相互耦合产生超模光场。
所述波导单元包括芯层、上包层和衬底，芯层位于上包层和衬底之间。
所述波导单元的芯层为脊形结构，采用稀土金属离子掺杂晶体材料。
所述过渡块位于上包层和衬底之间，且一侧与一个波导单元的芯层连接，另一侧与另一个波导单元的芯层连接，采用未掺杂晶体材料。
所述过渡块的折射率介于芯层折射率和上包层折射率之间。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）从结构上看，每个脊形波导单元通过适当的几何形状和尺寸设计，都可以独立产生具有较大模场面积的单模光场。
（2）通过相邻波导单元之间的耦合，多个具有较大模场面积的单模脊形波导场阵列可以耦合产生光场超模，其远场呈近高斯分布特性。
（3）通过调整相邻波导单元间隔宽度及间隔材料的光学特性，可以实现对光场超模特性的调制，产生较好的光束质量。
（4）从材料上看，构造脊形波导阵列的材料选择具有较大的选择范围，包括各种类型的稀土金属离子掺杂晶体材料。
附图说明
图1为本发明的能产生超模的脊形波导耦合阵列的局部截面示意图。
图2为本发明的能产生超模的脊形波导耦合阵列的实施例1的零阶超模的电场分量强度分布仿真模拟图。
图3为图2中的能产生超模的脊形波导耦合阵列的实施例1的远场光强分布计算图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，一种能产生超模的脊形波导耦合阵列，包括至少两个波导单元，相邻的两个波导单元通过过渡块2相连，相邻波导单元之间通过相互耦合产生超模光场。
进一步地，所述波导单元包括芯层3、上包层1和衬底4，芯层3位于上包层1和衬底4之间。
进一步地，所述波导单元的芯层3为脊形结构，采用稀土金属离子掺杂晶体材料。衬底4和上包层1的折射率可以相同，也可以不同。
芯层的厚度自脊顶至芯层底部为1-10微米，脊高、脊宽、脊间距、上包层厚度和宽度、衬底厚度和宽度可以分别是数微米到数十微米，具体数值由具体应用条件确定。
进一步地，所述过渡块2位于上包层1和衬底4之间，且一侧与一个波导单元的芯层3连接，另一侧与另一个波导单元的芯层3连接采用为掺杂晶体材料。
进一步地，所述过渡块2的折射率介于芯层3折射率和上包层1折射率之间。
进一步地，能产生超模的脊形波导耦合阵列的波导单元数目及其总长度根据不同使用领域具体设置。
实施例1
结合图1，一种能产生超模的脊形波导耦合阵列，以三个波导单元为例，包括上包层1、两个过渡块2、芯层3和衬底4。芯层3为脊形结构，间隔设置在衬底4上，相邻的两个芯层3之间通过过渡块2连接，上包层1位于芯层3和过渡块2的顶部，完整覆盖芯层3和过渡块2。所述三个波导单元中芯层3采用稀土金属离子掺杂晶体。
过渡块2 采用与芯层3相同的材料，但过渡块2的折射率介于芯层3折射率和上包层1折射率之间。
本发明为多个脊形波导单元构成的耦合阵列，每个波导单元都可产生单模光场；推广到脊形波导阵列，在波导单元相互耦合的条件下，可以产生具有超大模场面积的光场超模，同时调整单元波导直接的耦合可获得近高斯分布的远场光束质量，其远场分布具有近高斯特性。本发明可应用于大功率固体激光器或放大器领域。
结合图2和图3，可知由于各个波导单元在过渡块2处发生光场的耦合，从而产生一种大模场的超模光场。
本发明能在增大光场的面积同时，提高光束质量及与其它集成光学器件的耦合特性，适合大功率固体激光器和放大器领域。

Claims (5)

1.一种能产生超模的脊形波导耦合阵列，其特征在于：包括至少两个波导单元和位于相邻的两个波导单元之间的过渡块（2），相邻的波导单元之间通过相互耦合产生超模光场。
2.根据权利要求1所述的能产生超模的脊形波导耦合阵列，其特征在于：所述波导单元包括芯层（3）、上包层（1）和衬底（4），芯层（3）位于上包层（1）和衬底（4）之间。
3.根据权利要求2所述的能产生超模的脊形波导耦合阵列，其特征在于：所述波导单元的芯层（3）为脊形结构，采用稀土金属离子掺杂晶体。
4.根据权利要求2所述的能产生超模的脊形波导耦合阵列，其特征在于：所述过渡块（2）位于上包层（1）和衬底（4）之间，且一侧与一个波导单元的芯层（3）连接，另一侧与另一个波导单元的芯层（3）连接，采用未掺杂晶体材料。
5.根据权利要求2所述的能产生超模的脊形波导耦合阵列，其特征在于：所述过渡块（2）的折射率介于芯层（3）折射率和上包层（1）折射率之间。
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