CN108963751B - 注入锁定半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种注入锁定半导体激光器，包括：主激光器、第一准直透镜、全反镜、半反半透镜、第二准直透镜、从激光器、聚焦透镜和光纤；主激光器发出的激光经过第一准直透镜整形为第一平行光束，第一平行光束通过全反镜入射到半反半透镜上，半反半透镜的反射光经过第二准直透镜注入锁定至从激光器内部，注入锁定后的从激光器激光经过第二准直透镜整形为第二平行光束，第二平行光束经过半反半透镜后的透过光经过聚焦透镜耦合进光纤中，并通过光纤输出。本发明更加集成化、小型化，更具备工程化应用价值；本发明通过空间光学元件进行耦合，可以高度保持激光器本身的偏振态，以及固定的主从激光器的光程差，激光器的输出更加稳定。

Description

注入锁定半导体激光器
技术领域
本发明属于半导体激光器制造技术领域，特别是一种注入锁定半导体激光器。
背景技术
目前工程化的量子保密通信网络中多采用弱相干光源进行量子密钥分发系统构建，这些弱相干光源工作在增益开关模式下，经由窄脉冲电信号进行驱动，输出激光，再经衰减器等将光能量衰减至单光子水平。这类光源虽然不是理想的单光子源，但是其高效实用，适合目前量子保密通信工程化发展需求。
目前适用于量子保密通信网络的增益开关半导体激光器多基于高速DFB激光器。对此类激光器的性能要求之一就是激光时间脉冲的抖动小。但一般单个DFB激光器的时间脉冲抖动约为十几个皮秒，通常利用外部光注入方式，也就是采用主、从两个激光器，通过主激光器的受激辐射抑制从激光器的自发辐射，从而降低从激光器由自发辐射引起的非相关时间抖动。这种注入锁定方式实现的激光器时间脉冲抖动约为几个皮秒，脉冲抖动的减小有利于提升量子保密通信系统的最远通信距离和成码率。
现有的注入锁定半导体激光器是基于两个DFB激光器，主从激光器之间为单向注入，利用环形器进行连接才能实现。这样就涉及三个器件的连接使用，不利于集成化、小型化的工程化应用需求。
发明内容
本发明提供一种注入锁定半导体激光器，与现有的基于分立器件的注入锁定增益开关半导体激光器相比，更加集成化、小型化，更具备工程化应用价值；本发明中主从激光器是通过空间光学元件进行耦合，可以高度保持激光器本身的偏振态，以及固定的主从激光器的光程差，激光器的输出更加稳定。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种注入锁定半导体激光器，包括主激光器、第一准直透镜、全反镜、半反半透镜、第二准直透镜、从激光器、聚焦透镜和光纤，所述第一准直透镜和全反镜位于第一激光的光路上，所述第二准直透镜、半反半透镜、聚焦透镜和光纤位于第二激光的光路上；7
主激光器发出的激光经过第一准直透镜整形为第一平行光束，第一平行光束通过全反镜入射到半反半透镜上，半反半透镜的反射光经过第二准直透镜注入锁定至从激光器内部，注入锁定后的从激光器激光经过第二准直透镜整形为第二平行光束，所述第二平行光束经过半反半透镜后的透过光经过聚焦透镜耦合进光纤中，并通过光纤输出。
本发明与现有的基于分立器件的注入锁定增益开关半导体激光器相比，更加集成化、小型化，更具备工程化应用价值；本发明中主从激光器是通过空间光学元件进行耦合，可以高度保持激光器本身的偏振态，以及固定的主从激光器的光程差，激光器的输出更加稳定。
在另一种可选的实现方式中，所述注入锁定半导体激光器还包括第一光隔离器和第二光隔离器，所述第一光隔离器位于第一准直透镜与全反镜之间，所述第二光隔离器位于半反半透镜与聚焦透镜之间。
在另一种可选的实现方式中，所述注入锁定半导体激光器还包括外壳，所述主激光器、第一准直透镜、全反镜、半反半透镜、第二准直透镜、从激光器、聚焦透镜和光纤被封装于所述外壳内，所述外壳设有两个SMP高频电接口，分别通过两根共面的微带线加载至主激光器和从激光器上。
在另一种可选的实现方式中，所述主激光器采用高速DFB激光器芯片、波长可调谐的高速DFB激光器芯片或连续工作的窄线宽半导体激光器。
在另一种可选的实现方式中，所述光纤采用保偏光纤或单模光纤。
由于采用上述方案，本发明提供一种注入锁定半导体激光器，与现有的基于分立器件的注入锁定增益开关半导体激光器相比，更加集成化、小型化，更具备工程化应用价值；本发明中主从激光器是通过空间光学元件进行耦合，可以高度保持激光器本身的偏振态，以及固定的主从激光器的光程差，激光器的输出更加稳定。
附图说明
图1是注入锁定半导体激光器光路原理图；
图2是注入锁定半导体激光器结构示意图(省略外壳盖)。
图中：1、主激光器；2、第一准直透镜；3、全反镜；4、半反半透镜；5、第二准直透镜；6、从激光器；7、聚焦透镜；8、光纤；9、第一光隔离器；10、第二光隔离器；11、外壳；12、SMP高频电接口；13、微带线。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1和2所示，根据本发明实施例的第一方面，提供一种注入锁定半导体激光器，包括主激光器1、第一准直透镜2、全反镜3、半反半透镜4、第二准直透镜5、从激光器6、聚焦透镜7和光纤8，所述第一准直透镜2和全反镜3位于第一激光的光路上，所述第二准直透镜5、半反半透镜4、聚焦透镜7和光纤8位于第二激光的光路上；
主激光器1发出的激光经过第一准直透镜2整形为第一平行光束，第一平行光束通过全反镜3入射到半反半透镜4上，半反半透镜4的反射光经过第二准直透镜5注入锁定至从激光器6内部，注入锁定后的从激光器6激光经过第二准直透镜5整形为第二平行光束，所述第二平行光束经过半反半透镜4后的透过光经过聚焦透镜7耦合进光纤8中，并通过光纤8输出。
本发明主要通过调节半反半透镜4的角度实现主从激光器6的光路耦合。主激光器1和从激光器6的波长满足：
Figure BDA0001734632730000041
其中，c为光速，μg为群速度折射率，L为腔长，Pi为主激光器1注入到从激光器6的注入功率，P为从激光器6的输出功率，α为线宽展宽因子，v＝ωi-ω0，其中ωi为主激光器1频率，ω0为从激光器6频率。
从注入锁定锁频范围可以看出，增大相对注入功率、增加线宽展宽因子、减小激光器腔长等都可以扩大锁频范围。
本发明中，半反半透镜4可以采用不同反射/透过比例的半反半透镜4。
全反镜3也可以采用半反半透镜4。
本发明与现有的基于分立器件的注入锁定增益开关半导体激光器相比，更加集成化、小型化，更具备工程化应用价值；本发明中主从激光器6是通过空间光学元件进行耦合，可以高度保持激光器本身的偏振态，以及固定的主从激光器6的光程差，激光器的输出更加稳定。
注入锁定的效果同主从激光器6的偏振匹配、时间匹配均有关系。当主从激光器6均工作在脉冲调制下时，主激光器1激光注入到从激光器6的时间应同从激光器6的驱动电流有最优注入时间窗口，在这一时间窗口内注入时，从激光器6的自发辐射能更好地被抑制，从而降低光脉冲时间抖动。相对于光纤8介质等，空间光注入的光程差更加稳定，受环境影响小，有利于稳定激光器的输出性能。
如图1所示，所述注入锁定半导体激光器还包括第一光隔离器9和第二光隔离器10，所述第一光隔离器9位于第一准直透镜2与全反镜3之间，所述第二光隔离器10位于半反半透镜4与聚焦透镜7之间。
主激光器1发出的激光经过第一准直透镜2整形为第一平行光束后，第一平行光束先通过第一光隔离器9，再通过全反镜3入射到半反半透镜4上。
所述第二平行光束经过半反半透镜4后的透过光先通过第二光隔离器10，再经过聚焦透镜7耦合进光纤8中，并通过光纤8输出。
注入锁定后的从激光器6激光经过第二准直透镜5整形为第二平行光束，所述第二平行光束经过半反半透镜4后的反射光经全反镜3反射后，最终被第一光隔离器9阻挡，防止反向注入到主激光器1中。
如图2所示，所述注入锁定半导体激光器还包括金属外壳11，所述主激光器1、第一准直透镜2、全反镜3、半反半透镜4、第二准直透镜5、从激光器6、聚焦透镜7和光纤8被封装于所述外壳11内，所述外壳11设有两个SMP高频电接口12，分别通过两根共面的微带线13加载至主激光器1和从激光器6上。
调制电信号分别经过主激光器1和从激光器6的SMP高频电接口12输入，经由共面微带线13分别加载至主激光器1和从激光器6上。主激光器1发出的激光经过第一准直透镜2整形为平行光束，通过第一光隔离器9，再通过全反镜3入射到半反半透镜4。半反半透镜4的反射光，经过第二准直透镜5聚焦至从激光器6内部，从而实现注入锁定。注入锁定后的从激光器6激光经过第二准直透镜5整形为平行光束，该平行光束经过半反半透镜4后的透过光，经过第二光隔离器10、聚焦透镜7耦合进光纤8中，实现输出。
高频电接口可以采用SMA、SMP、GPO等高速电接口，也可以不采用任何电接口，直接用金属引线注入高速电信号。
主激光器1和从激光器6可以置于同一致冷器上，也可以分别置于不同的致冷器上。
作为具体实施例，所述主激光器1采用高速DFB激光器芯片、波长可调谐的高速DFB激光器芯片或连续工作的窄线宽半导体激光器。
作为具体实施例，所述光纤8采用保偏光纤8或单模光纤8。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (3)

1.注入锁定半导体激光器，其特征在于，包括：
主激光器、第一准直透镜、全反镜、半反半透镜、第二准直透镜、从激光器、聚焦透镜和光纤，所述第一准直透镜和全反镜位于第一激光的光路上，所述第二准直透镜、半反半透镜、聚焦透镜和光纤位于第二激光的光路上；
主激光器发出的激光经过第一准直透镜整形为第一平行光束，第一平行光束通过全反镜入射到半反半透镜上，半反半透镜的反射光经过第二准直透镜注入锁定至从激光器内部，注入锁定后的从激光器激光经过第二准直透镜整形为第二平行光束，所述第二平行光束经过半反半透镜后的透过光经过聚焦透镜耦合进光纤中，并通过光纤输出；
所述注入锁定半导体激光器还包括外壳，所述主激光器、第一准直透镜、全反镜、半反半透镜、第二准直透镜、从激光器、聚焦透镜和光纤被封装于所述外壳内，所述外壳设有两个SMP高频电接口，分别通过两根共面的微带线加载至主激光器和从激光器上；
所述主激光器采用高速DFB激光器芯片；
主激光器和从激光器的波长满足：
Figure FDA0002421032210000011
其中，c为光速，μg为群速度折射率，L为腔长，Pi为主激光器1注入到从激光器的注入功率，P为从激光器的输出功率，α为线宽展宽因子，ν＝ωi-ω0，其中ωi为主激光器1频率，ω0为从激光器频率。
2.如权利要求1所述的注入锁定半导体激光器，其特征在于，所述注入锁定半导体激光器还包括第一光隔离器和第二光隔离器，所述第一光隔离器位于第一准直透镜与全反镜之间，所述第二光隔离器位于半反半透镜与聚焦透镜之间。
3.如权利要求1所述的注入锁定半导体激光器，其特征在于，所述光纤采用保偏光纤或单模光纤。
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