CN108075354A - 窄线宽激光器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种窄线宽激光器，包括：无源环形波导；无源的第一输入输出波导，与所述无源环形波导耦合；增益选波单元，用于为整个激光器提供增益，且被设置为可使得选定波长的光波耦合进所述无源环形波导；无源的第二输入输出波导，与所述无源环形波导耦合，以供激光器输出激射光。本发明提出的窄线宽半导体激光器结构简单，不存在增益区和波导区的对接耦合损耗，且为整体成型半导体工艺，器件的成本低，稳定性和可靠性更高，不存在对接耦合导致的窄线宽限制，耐恶劣环境性高。

Description

窄线宽激光器
技术领域
本申请涉及一种激光器，特别是涉及一种窄线宽激光器。
背景技术
窄线宽激光器由于其极佳的相干性成为信息通信(传感)的高质量光源，因此极具应用价值。不仅可应用于高精度光谱测量、量子(原子)频标等前沿科学研究，还可应用于激光测距、激光雷达、光电对抗、激光通信等国防安全领域；更是相干光通信、分布式光纤传感的核心元器件，广泛应用于物联网和高速通信领域。
鉴于其广泛诱人的应用前景，众多科研人员和投资机构投入研究窄线宽激光器。先后经历了：
(1)半导体增益区+体式波长选择和线宽压窄结构(专利申请号：CN86202829U、200320130968.3、200810082028.9、200910235585.4、201210258846.6、201310395264.7、201310535501.5、201310728387.8、201410482266.4、US408739、201410602303.0、US549347；
(2)半导体增益区+光纤结构(专利申请号：200510079902、200910050715.7、201410386617.1、201220642467.2、US368,654)；
(3)半导体激光器泵浦的全光纤激光器结构(201120374776.1、201210535987.8、201410271316.4、201320784023.7、201420684717.8)、DFB或者DBR半导体激光器(专利申请号：201310019361.6、201310211088.7、86113437.7、88306703.5、US10/064,002、US12/751,900)；
(4)波导外腔半导体激光器结构(专利申请号：12006832.5、US276763、US09/741/790、US13/249,753)。
相较于前面其他混合型窄线宽激光器，纯粹的半导体激光器由于结构紧凑、体积小、重量轻、能耗低、可靠性高、寿命长等优点受到各个应用领域的青睐。但是传统的DFB、DBR激光器由于其腔长有限，尽管采用复杂的光栅结构选择波长，也难以获得极窄线宽，直接制约其在上述领域的应用。
2001年，美国提出弱耦合环外腔半导体激光器实现窄线宽，但是由于环内损耗太大，使得单环外腔激光器一直没有实现(Appl.Phys.Lett.，79(22)3561，(2001)。IEEEJ.Quantum.Electron.，39(7)，859，(2003))。此后，诸多研究机构将该思想进行变通，实现了窄线宽半导体激光器(OSA/OFC/NFOEC2010/OThQ5，Proc.ofSPIE Vol.7943，79431G,(2011)，Appl.Phys.Express，5，082701，(2012)，J.Lightwave Tech.3(6)1241，(2015)，Jap.J.Appl.Phys.53，04EG04，(2014)，IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron，21(6)，1501909，(2015)，Optics Lett.，40(7)1504，(2015))。
虽然上述激光器由于充分利用环形谐振腔延展腔长，使得激光器线宽相较于DFB、DBR有很大改观，但是这里所有结构不仅都是基于Si基光子集成回路充当线宽压窄单元，III-V SOA充当增益区，二者混合集成构成窄线宽半导体激光器，而且Si基光子集成回路非常复杂，这使得器件的成品率降低，且对接混合集成材质不同，由此不可避免的引入耦合损耗、偏振损耗直接制约线宽压窄，该种损耗随环境的变化直接导致其可靠性稳定性变差，耐恶劣环境能力差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种窄线宽激光器，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请实施例公开一种窄线宽激光器，该激光器单片集成，包括：
无源环形波导；
无源的第一输入输出波导，与所述无源环形波导耦合；
增益选波单元，用于为整个激光器提供增益，且被设置为可使得选定波长的光波耦合进所述无源环形波导；
无源的第二输入输出波导，与所述无源环形波导耦合，以供激光器输出激射光。
一实施例中，所述增益选波单元包括用于为激光器提供增益的增益波导，所述增益波导与所述第一输入输出波导耦合以进行选波。
一实施例中，所述增益选波单元包括用于为激光器提供增益的增益波导、部分第一输入输出波导以及与所述第一输入输出波导配合以进行选波的第一光栅。
一实施例中，所述增益波导与所述第一输入输出波导垂直耦合或者侧向耦合，所述增益波导覆盖于所述第一输入输出波导的部分表面或者位于第一输入输出波导的侧面，优选的，所述增益波导设置于所述第一输入输出波导的一端；所述第一输入输出波导的另一端集成有第一吸收体，以消除杂散光和背反射噪声。
一实施例中，所述激光器包括与所述无源环形波导耦合实现集成的第一有源波导，所述第一有源波导用于补偿所述无源环形波导的谐振腔损耗，优选的，所述第一有源波导与所述无源环形波导垂直耦合或者侧向耦合，所述第一有源波导覆盖于所述无源环形波导的至少部分表面或者位于所述无源环形波导的至少部分侧面。
一实施例中，所述激光器还包括第二有源波导，所述第二有源波导与所述第二输入输出波导耦合以形成光放大器，通过耦合放大所述第二输入输出波导的输出激射光以提高功率和压窄线宽。
一实施例中，所述第二有源波导与第二输入输出波导垂直耦合或者侧向耦合，所述第二有源波导覆盖于所述第二输入输出波导的部分表面或者位于第二输入输出波导的部分侧面，优选的，所述第二有源波导设置于所述第二输入输出波导的一端；所述第二输入输出波导的另一端集成有第二吸收体，以消除杂散光和背反射噪声。
一实施例中，所述第二有源波导和/或第二输入输出波导的端面蒸镀有用于降低残余反射光的增透膜；和/或所述增益波导、第一有源波导、第二有源波导通过材料生长或者晶片键合方式与对应的第一输入输出波导、无源环形波导、第二输入输出波导实现单片集成或者片上集成。
一实施例中，所述增益波导、第一输入输出波导、无源环形波导、第一有源波导、第二输入输出波导、以及第二有源波导的材料选自其所在衬底材料对应体系的半导体或者介质，优选的，所述衬底材料选自Si、GaAs、InP、SOI或GaN。
一实施例中，所述增益波导和/或第一输入输出波导的端面蒸镀有用于减少腔面损耗的高反射膜；和/或所述无源环形波导、第一输入输出波导、以及第二输入输出波导由同种材料制得且形成于同一衬底上；和/或所述第二输入输出波导上还设置有与所述第二有源波导对应的第二光栅。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明提出的窄线宽半导体激光器结构简单，不存在增益区和波导区的对接耦合损耗，且为整体成型半导体工艺，不存在对接损耗导致的窄线宽限制，器件的成本低，稳定性和可靠性更高，线宽更窄，耐恶劣环境性更强。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明具体实施例中窄线宽半导体激光器结构的俯视图；
图2所示为本发明具体实施例中窄线宽半导体激光器的材料结构示意图；
图3所示为本发明具体实施例中窄线宽半导体激光器的立体结构示意图；
图4a所示为本发明具体实施例中第一次光刻后输入输出波导和环形腔的结构示意图；
图4b所示为本发明具体实施例中第二次光刻后输入输出波导、环形腔、半导体光放大器、吸收体的结构示意图；
图5a所示为单片集成窄线宽半导体激光器线宽和第一有源波导长度和注入载流子浓度的变化关系曲线图；
图5b所示为单片集成窄线宽半导体激光器边模抑制比随环形腔中第一有源波导长度和注入载流子浓度的变化关系曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1至图3所示，本申请实施例公开了一种窄线宽激光器，该激光器可以例如是单片集成，包括无源环形波导1、无源的第一输入输出波导2、增益选波单元以及无源的第二输入输出波导5。
其中，第一输入输出波导2可以例如是与所述无源环形波导1侧向耦合；增益选波单元用于为整个激光器提供增益，且被设置为可使得耦合进入第一输入输出波导2的特定波长的光波获得增益，进而这些光波被耦合进所述无源环形波导1；第二输入输出波导5可以例如是与无源环形波导1侧向耦合，以供激光器输出激射光。在本实施例中，无源环形波导1分别与第一输入输出波导2和第二输入输出波导5弱耦合以提高其品质因子，压窄激光器输出激光的线宽。
一实施例中，增益选波单元包括用于为激光器提供增益波导3，具体地，该增益波导3通过与第一输入输出波导2之间耦合以提供激光器的增益；同时，该增益波导3在与第一输入输出波导2耦合的过程中实现选波功能，以控制最终可以在第一输入输出波导2中获得增益的波长。
一实施例中，增益选波单元还可以包括与第一输入输出波导配合以进一步进行选波的第一光栅91，以进一步优化选波的功能。
在上述的实施例中，通过增益波导3与第一输入输出波导2的耦合、以及第一光栅91设置，可以例如实现单模激光器的功能配置。
一实施例中，激光器还包括与无源环形波导1耦合实现集成的第一有源波导4，该第一有源波导4用于补偿无源环形波导1的谐振腔损耗，提高其品质因子。
第一有源波导4可以是内嵌于无源环形波导1，与无源环形波导1之间垂直耦合以补偿环形谐振腔损耗。其中，第一有源波导4覆盖于所述无源环形波导1的至少部分表面，该有源波导4通过补偿光波在无源环形波导1中传播时的传输损耗，以使得无源环形谐振腔获得高的品质因子，有效压窄激光器线宽，保证从第二输入输出波导5耦合出的光波具有较佳的窄线宽效果。
无源环形波导1的数量可以设置为一个，也可以设置为两个或以上，每个无源环形波导1上可以设置一个第一有源波导4，也可以垂直耦合有多个。
上述激光器中，光波自第一输入输出波导2耦合进入无源环形波导1，并自第二输入输出波导5耦合出去。
优选的，第一输入输出波导2和第二输入输出波导5分别位于无源环形波导1的两侧，更优选的，第一输入输出波导2和第二输入输出波导5长度相同且平行设置。
该技术方案中，当第一输入输出波导2中传播的特定波长范围的光，到达第一输入输出波导2和无源环形波导1耦合位置时，经弱耦合，部分光被耦合到无源环形波导1内，基于无源环形波导1的高品质因子有效延展光学路径，激射光谱宽被大幅度压窄，并经第二输入输出波导5中输出，获得窄线宽输出。
增益波导3可以是与第一输入输出波导2垂直耦合或者侧向耦合。一实施例中，增益波导3覆盖于第一输入输出波导2的部分表面以与其垂直耦合，并且优选的，所述增益波导3形成于所述第一输入输出波导2的一端。
第一输入输出波导2的另一端集成有消除杂散光和背反射噪声的第一吸收体6。该第一吸收器6集成在第一输入输出波导2的输出背向端，用以吸收背向反射噪声。
一实施例中，激光器还包括第二有源波导7，该第二有源波导7与第二输入输出波导5耦合以形成光放大器，通过耦合放大第二输入输出波导5的输出激射光以提高功率和进一步压窄激光器线宽。具体地，第二有源波导7可以是与第二输入输出波导5垂直耦合或者侧向耦合。一实施例中，第二有源波导7覆盖于所述第二输入输出波导5的部分表面以与其垂直耦合。优选的，所述第二有源波导7形成于所述第二输入输出波导5的一端。
第二输入输出波导5的另一端形成有消除杂散光和背反射噪声的第二吸收体8。该第二吸收体8集成在第二输入输出波导5的输出背向端，用以吸收背向反射噪声。
需要说明的是，本实施例中，第二有源波导7和增益波导3需要都位于无源环形波导1的同侧位置，相应的，第一吸收体6和第二吸收体8也都位于无源环形波导1对应的另一侧位置。
一实施例中，增益波导3和/或第一输入输出波导2的端面蒸镀有用于减少腔面损耗的高反射膜，第二有源波导7和/或第二输入输出波导5的端面蒸镀有用于降低残余反射光的增透膜，进而减少对激光器线宽等动态性能的影响。
一实施例中，第二输入输出波导5上还可以设置有与第二有源波导7对应的第二光栅92，以进一步使得第二有源波导7放大输出光，提高输出功率，进一步压窄线宽。
一实施例中，增益波导3、第一有源波导4或第二有源波导7包括依次叠加的隔离层104、有源增益层105、包覆层106和接触层107。
优选的，所述隔离层104的材质为InP，所述有源增益层105的材质为InGa(Al)As(P)/InGa(Al)As(P)量子阱或者体材料，所述包覆层106的材质为InP，所述接触层107的材质为InGaAs。
进一步地，所述无源环形波导1、第一输入输出波导2和第二输入输出波导5由同种材料制得且集成于同一衬底101上，该衬底101表面可以依次形成有缓冲层102、无源波导层103。
衬底101的材料可以选自Si、SOI、GaAs、InP、或GaN，增益波导3、第一输入输出波导2、无源环形波导1、第一有源波导4、第二输入输出波导5、以及第二有源波导7的材料选自其所形成的衬底101的衬底材料对应体系的半导体或者介质材料，例如，衬底材料为Si时(SOI衬底)，其上的各波导层可以采用SiN或者Si材料制得；衬底材料为GaN时，其上的各波导层可以采用InGaN材料制得；衬底材料为InP时，其上的各波导层可以采用InGaAsP或InGaAlAs材料制得。以上示出的衬底材料于对应的波导层材料组合仅仅是示范性的，而非限制。
优选的，无源环形波导1、第一输入输出波导2和第二输入输出波导5的材质为InGaAs(P)。
本申请中，增益波导、第二有源波导与输入输出波导的耦合可以是平面耦合，也可以是垂直耦合，也可以是对接耦合，只要上述区域能够为经过输入输出的光提供增益(或者吸收)，且满足激光器需求即可。所述的激光器可以为片上集成结构或者单片集成结构，并根据集成结构的不同对应选择组成激光器各部分结构的合适材质。
以垂直耦合为例，上述窄线宽半导体激光器结构的制作流程如下。
(1)在衬底上依次生长缓冲层、有源垂直耦合结构、表面包层以及接触层；
在衬底上生长缓冲层、有源垂直耦合结构、表面包层以及接触层，需根据材料生长技术和所选有源垂直耦合结构体系来选择衬底及生长相应的缓冲层，可以是Si衬底、GaAs衬底、InP甚至是GaN衬底，缓冲层以确保上面结构获得高的晶体质量为主；其中有源垂直耦合结构包括用于提供增益的有源层、中间隔离层和用于提供信号传输的无源波导层，具体材料组分、厚度和掺杂情况需根据所选择的材料体系来定，(比如，有源区是波长为1.55微米的InGaAsP层、隔离层为InP层、无源波导层为波长为1.2微米的InGaAsP层，厚度以保证满足需要的消逝波耦合为主)。
(2)在该生长好的结构表面光刻出环形腔、输入输出耦合波导、增益区和输出放大区以及吸收区；
在该生长好的结构表面光刻出环形腔和输入输出耦合波导、增益区、输出放大区以及吸收区，其中光刻办法包括普通紫外光刻，也包括电子束曝光、投影式光刻，或者几种方法兼顾，总之，以形成满足条件的环形腔和输入输出波导图形为主。环形腔图案可以是圆形、跑道型、矩形或者其他任何闭合波导图案；输入输出波导可以是直波导、弯曲波导等。环形腔个数可以是1个也可以是数个，以获得满足器件指标要求为主。
(3)将光刻图案转移到III-V半导体，获得基于有源垂直耦合结构的环形腔、输入输出波导、增益区和输出放大区和吸收区；
将光刻图案转移到III-V半导体，获得基于有源垂直耦合结构的环形腔、输入输出波导以及增益区；其中转移方式可以是干法腐蚀，也可以是湿法腐蚀，或者二者兼用。蚀刻深度依据环形腔、耦合波导、增益区等的要求确定。蚀刻粗糙度依据特定用途需求确定。
第一次光刻后，输入输出波导和环形腔的结构示意图如图4a所示。
(4)结合图4b所示，在已形成的波导结构上二次光刻，暴露出输入输出波导区和无源环形腔区域；
(5)将上述暴露区域的接触层、表面包层以及有源增益层刻蚀掉，形成相应的无源波导区和不同区域的增益区和吸收区；
利用蚀刻技术将上述暴露区域的接触层、表面包层以及有源增益层和部分中间隔离层去除，形成无源波导区，其中蚀刻办法可以是干法刻蚀，也可以是湿法腐蚀，或者二者兼用；蚀刻深度需依据无源波导模式需求确定，但必须保证将有源增益层及以上部分完全去除。
(6)按照半导体光电子器件的常规工艺钝化波导区、开电极窗口、蒸镀P面电极和N面电极；
按照半导体光电子器件的常规工艺钝化波导区、开电极窗口、蒸镀P型电极和N型电极；其中，开电极窗口包括环内内嵌的有源垂直耦合结构、输入输出端用于提供增益的有源垂直耦合结构均需要蒸镀电极，开电极窗口；但是输出背向端的有源垂直耦合结构不需要开电极窗口；蒸镀P面电极和N面电极，其中，P型电极和N型电极可以位于衬底同侧，形成共面电极，也可以位于衬底异侧，形成双面电极。
(7)、解理、压焊制备出该单片集成窄线宽半导体激光器，参图3。
图5a所示为单片集成窄线宽半导体激光器线宽和第一有源波导长度和注入载流子浓度的变化关系曲线图；图5b所示为单片集成窄线宽半导体激光器边模抑制比随第一有源波导长度和注入载流子浓度的变化关系曲线图。
由图可以看出，随着第一有源波导长度的增加，和其上载流子注入浓度增加，单片集成激光器的线宽逐渐变小，甚至可达到亚KHz量级，而边模抑制比逐渐增加，甚至可达到60dB,完全满足激光器现行相干通信和检测使用，是该领域的理想光源。
本发明的窄线宽半导体激光器将有源耦合结构应用于环形谐振腔补偿环内损耗，利用该结构的有源区不仅可以为整个激光器提供增益，而且将该结构内嵌入环形谐振腔，补偿环内损耗，使得环形谐振腔能够充分延展光学路径，压窄线宽。
相对于DFB(或者DBR)激光器，本申请提供的激光器属于外腔半导体激光器，可获得更窄线宽和更高稳定可靠性；相对于其他波导外腔半导体激光器，该激光器是单片集成结构或片上集成结构，一实施例中，特别是在基于该单片集成结构时，具有如下优点：
1、可极大地消除外腔与增益区的对接耦合损耗，可有效降低阈值，压窄线宽；
2、同类材质，热学和机械性能一致，因此，器件稳定可靠性好，耐恶劣环境能力强；
3、统一设计制备，器件一致性好，成本低。
综上所述，本发明在窄线宽激光器中首次采用增益补偿损耗的耦合结构，使得环内损耗得以补偿，由此可以有效压窄线宽，实现窄线宽半导体激光器；并针对该类弱耦合环形谐振腔激光器输出功率低、背向反射噪声大的特点，在输出端集成了半导体光学放大器，放大激射光，提高出光功率，并进一步压窄线宽；同时在输出背向端集成吸收体，吸收背向反射噪声，由此进一步提高器件性能，并且由于不存在增益区和波导区的对接耦合损耗，且为整体成型半导体工艺，器件的成本低，稳定性和可靠性更高，不存在对接耦合导致的窄线宽限制，耐恶劣环境性高。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种窄线宽激光器，其特征在于，所述激光器包括：
无源环形波导；
无源的第一输入输出波导，与所述无源环形波导耦合；
增益选波单元，用于为整个激光器提供增益，且被设置为可使得选定波长的光波耦合进所述无源环形波导；
无源的第二输入输出波导，与所述无源环形波导耦合，以供激光器输出激射光。
2.根据权利要求1所述的窄线宽激光器，其特征在于：所述增益选波单元包括用于为激光器提供增益的增益波导，所述增益波导与所述第一输入输出波导耦合以进行选波。
3.根据权利要求1或2所述的窄线宽激光器，其特征在于：所述增益选波单元包括与所述第一输入输出波导配合以进行选波的第一光栅。
4.根据权利要求2所述的窄线宽激光器，其特征在于：所述增益波导与所述第一输入输出波导垂直耦合或者侧向耦合，所述增益波导覆盖于所述第一输入输出波导的部分表面或者位于第一输入输出波导的侧面，优选的，所述增益波导设置于所述第一输入输出波导的一端；所述第一输入输出波导的另一端集成有第一吸收体，以消除杂散光和背反射噪声。
5.根据权利要求2所述的窄线宽激光器，其特征在于：所述激光器包括与所述无源环形波导耦合实现集成的第一有源波导，所述第一有源波导用于补偿所述无源环形波导的谐振腔损耗，优选的，所述第一有源波导与所述无源环形波导垂直耦合或者侧向耦合，所述第一有源波导覆盖于所述无源环形波导的至少部分表面或者侧面。
6.根据权利要求5所述的窄线宽激光器，其特征在于：所述激光器还包括第二有源波导，所述第二有源波导与所述第二输入输出波导耦合以形成光放大器，通过耦合放大所述第二输入输出波导的输出激射光以提高功率和压窄线宽。
7.根据权利要求6所述的窄线宽激光器，其特征在于：所述第二有源波导与第二输入输出波导垂直耦合或者侧向耦合，所述第二有源波导覆盖于所述第二输入输出波导的部分表面或者位于第二输入输出波导的侧面，优选的，所述第二有源波导设置于所述第二输入输出波导的一端；所述第二输入输出波导的另一端集成有第二吸收体，以消除杂散光和背反射噪声。
8.根据权利要求7所述的窄线宽激光器，其特征在于：所述第二有源波导和/或第二输入输出波导的端面蒸镀有用于降低残余反射光的增透膜；和/或所述增益波导、第一有源波导、第二有源波导通过材料生长或者晶片键合方式与对应的第一输入输出波导、无源环形波导、第二输入输出波导实现单片集成或者片上集成。
9.根据权利要求6所述的窄线宽激光器，其特征在于：所述增益波导、第一输入输出波导、无源环形波导、第一有源波导、第二输入输出波导、以及第二有源波导的材料选自其所在衬底材料对应体系的半导体或者介质，优选的，所述衬底材料选自Si、GaAs、InP、SOI或GaN。
10.根据权利要求2所述的窄线宽激光器，其特征在于：所述增益波导和/或第一输入输出波导的端面蒸镀有用于减少腔面损耗的高反射膜；和/或所述无源环形波导、第一输入输出波导、以及第二输入输出波导由同种材料或结构制得且形成于同一衬底上；和/或所述第二输入输出波导上还设置有与所述第二有源波导对应的第二光栅。
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