CN109768471A - 一种基于氮化硅的激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于氮化硅的激光器，包括：沿着光路方向上依次设置的泵浦源、反射镜面、增益介质、用于产生激光的生成器及与所述的生成器相连接的控制器，所述的反射镜面用于将来自泵浦源的激光进行反射，所述的增益介质用于将反射过来的激光进行放大，所述的生成器为氮化硅器件。本发明的一种基于氮化硅的激光器,运用氮化硅芯片，可以极大的简化激光的系统复杂程度并且降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光器，特别涉及一种基于氮化硅的激光器。
背景技术
半导体激光器是目前光通信系统中最为重要的光源，在通信中现有的半导体激光器一般为DFB激光器(Distributed Feedback Laser，分布式反馈激光器)或FP激光器(Fabry-perot激光器)，DFB激光器和FP激光器成本较低，体积较小、能耗低，但是DFB激光器和FP激光器的调谐较复杂，在下一代无源光网络(NG-PON2)和5G移动无线接入系统的光承载网中需要用到大量的低成本连续可调激光器，市场需求量非常大。
目前，传统的技术方案结构复杂、成本高，尚不能满足要求。此外DFB激光器的线宽一般在MHz及以上，FP激光器的线宽更宽，使其不能满足于自动驾驶技术核心部件激光雷达LIDAR等应用的需要，并且最终会制约通信的数据量。而且，现有技术中的窄线宽可调的激光器都是基于外腔的激光器，基于外腔的激光器一般体积都较大，且售价很贵，约为一万美元以上，所以尽管新兴产业中对激光器的需求很大，但成本问题大大制约了激光器的普及，及相关应用产业的发展。
发明内容
为了解决现有技术中激光器体积大、成本高的不足，本发明提供一种基于氮化硅的激光器。
本发明公开了一种基于氮化硅的激光器，包括：沿着光路方向上依次设置的泵浦源、反射镜面、增益介质、用于产生激光的生成器及与所述的生成器相连接的控制器，所述的反射镜面用于将来自泵浦源的激光进行反射，所述的增益介质用于将反射过来的激光进行放大，所述的生成器为氮化硅器件。
进一步地，所述的生成器包括光波导、环形谐振腔、谐振器及激光输出接口，所述的光波导用于将放大过的激光导入到所述的环形谐振腔进行谐振，再将谐振后的激光导出到激光输出接口以输出激光，所述的谐振器控制谐振频率。
进一步地，所述的反射镜面具有高反射镀层，至少镀在相对于所述的增益介质的一端。
进一步地，所述的增益介质采用三五族增益介质。
进一步地，所述的反射镜面和增益介质通过边缘耦合在第一芯片上，所述的控制器和生成器通过边缘耦合在第二芯片上。
进一步地，所述的反射镜面和增益介质通过微棱镜耦合在第一芯片上，所述的控制器和生成器通过微棱镜耦合在第二芯片上。
进一步地，所述的谐振器包括以下功能模块：
频率接收模块，用于接收用户需要的谐振频率数值；
微处理模块，用于根据所述的谐振频率数值向谐振电机驱动模块发出指令；
谐振电机驱动模块，用于根据所述的指令驱动谐振电机的运转；
谐振电机，用于按所述的谐振频率数值实现环形谐振腔的物理谐振运动。
进一步地，所述的环形谐振腔为内壁具有反射镜面的氮化硅微腔。
进一步地，所述的控制器包括波长调节单元，用于调节激光的光波的波长。
进一步地，所述的控制器集成了所述的谐振器。
实施本发明的一种基于氮化硅的激光器，具有以下有益的技术效果：
区别于现有技术中激光器体积较大、成本较高的不足，本技术方案中的基于氮化硅的激光器中的生成器为氮化硅器件，氮化硅具有很宽透射光谱，并且可以做到超低损耗，氮化硅在中远红外光谱具有更长波长的透射性，氮化硅对于光也有更好的约束性，同样的光学器件可以做到更小的尺寸，并且可以做成集成芯片更符合于光电子与微电子等领域的应用，运用氮化硅芯片，可以极大简化激光器的系统复杂程度并且降低成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种基于氮化硅的激光器的模块功能图；
图2为图1中生成器的结构示意图；
图3增益介质与光芯片光学显微镜图；
图4环形谐振腔发射率测量图；
图5激光器输出图；
图6激光器波长调节输出图；
图7激光器线宽测量实验原理图；
图8激光器线宽测量结果图。
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清楚、完整地描述，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作出创造性劳动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。
请参阅图1、图2，本发明的实施例，一种基于氮化硅的激光器1，包括：沿着光路方向上依次设置的泵浦源10、反射镜面20、增益介质30、用于产生激光的生成器40及与生成器40相连接的控制器50。
生成器40可通过SPI接口连接控制器50。
反射镜面20用于将来自泵浦源10的激光进行反射，增益介质30用于将反射过来的激光进行放大，生成器40为氮化硅器件。
泵浦源10将基态电子直接泵浦到激光发射能级以产生泵浦光源，包括泵浦二极管、温度控制器、直流驱动电源，其中：泵浦二极管在直流驱动电流的驱动下产生泵浦光；温度控制器用于控制泵浦二极管的温度。
反射镜面20具有高反射镀层，至少镀在相对于增益介质30的一端。
反射镜面20包括基板及涂在基板上的高反射镀层，高反射镀层至少镀在相对于增益介质30的一端。高反射镀层可以是金属镀层，如镀银、镀锌层等，也可以是玻璃微层，基底可以是不锈钢、铝板等金属板。
增益介质30为三五族增益介质，较佳地采用InP(磷化铟)器件、InGaAs器件等，其中，磷化铟是一种化学物质，是沥青光泽的深灰色晶体。InP(磷化铟)器件具有半导体的特性。由金属铟和赤磷在石英管中加热反应制得。
特别地，在激光器中，如用InGaAs等不同的增益器件代替InP(磷化铟)器件，可改变激光器的输出波长范围，可以覆盖紫外、可见光、近红外及中远红外等波长范围。
反射镜面20和增益介质30通过边缘耦合在第一芯片上，控制器50和生成器40通过边缘耦合在第二芯片上，或，反射镜面20和增益介质30通过微棱镜耦合在第一芯片上，控制器50和生成器40通过微棱镜耦合在第二芯片上。
请参阅图2，生成器40包括光波导41(氮化硅材质)、环形谐振腔42(氮化硅材质)、谐振器43(氮化硅材质)及激光输出接口44(氮化硅材质)，光波导41用于将反射放大的激光导入到环形谐振腔42进行谐振，再将谐振后的激光导出到激光输出接口44以输出激光，谐振器43控制谐振频率。
谐振器43包括以下功能模块：
频率接收模块，用于接收用户需要的谐振频率数值；
微处理模块，用于根据所述的谐振频率数值向谐振电机驱动模块发出指令；
谐振电机驱动模块，用于根据所述的指令驱动谐振电机的运转；
谐振电机，用于按所述的谐振频率数值实现环形谐振腔的物理谐振运动。
在本技术方案中，频率接收模块包括按键及内存，用户通过按键输入谐振频率数值，内存保存谐振频率数值，以供微处理模块调用。
微处理模块可采用型号为：AD9833 DDS的可编程微处理器模块。
谐振电机驱动模块可采用型号为：L298N的电机驱动板模块。
环形谐振腔为内壁具有反射镜面的氮化硅微腔。
控制器50包括波长调节单元，用于调节激光的光波的波长。
实践证实，激光器的注入电流的增加，引起结温升高，从而引起波长的变化，可通过调节传递给环形谐振腔42的温度引起波长的变化，如在环形谐振腔42左右两侧设置与可变电阻相连接的加热板。
波长调节单元实现方式可为：微处理器(型号：STM32F103C8T6微控制器)、与微处理器相连接的多个功能按键或功能按钮(包括：波长调节按钮)，如“启动”按键按下去(相当于实现与微处理器的通电回路)，微处理器启动波长调节单元；“停止”按键按下去(相当于实现与微处理器的断电回路)，微处理器休眠波长调节单元；“波长调节”旋钮转动不同的角度(可利用与微处理器相连接的可变电阻来实现，旋钮不同的位置对应于不同的电阻阻值，从而加热产生的热量不同导致整个激光器的温度不同)，微处理器可调节激光的光波的波长。
在另一实施例中，控制器50集成了谐振器43，还可以集成泵浦源10的温度控制器、直流驱动电源等等。
本技术方案中，增益介质30的产品型号可为：SAFC-1550-20-HR(光放大器)。
氮化硅材料具备许多优异的性能，如高熔点、高硬度、强稳定性、低膨胀系数、良导热性、强抗热震性及优良的光学性能等，氮化硅块体材料及其薄膜能广泛应用于光电子、微电子、机械加工、化学工业、太阳能电池、航空航天及集成电路等行业。
在光学性能方面，氮化硅具有很宽透射光谱，并且可以做到超低损耗，氮化硅在中远红外光谱具有更长波长的透射性，氮化硅对于光也有更好的约束性，同样的光学器件可以做到更小的尺寸，并且可以做成集成芯片更符合于光电子与微电子等领域的应用，运用氮化硅芯片，可以极大的简化激光器的系统复杂程度并且降低成本。在本发明中，使用氮化硅做成的器件作为生成器40的材质是较佳的选择。
下面更进一步地详细介绍如下：
本发明提供了一种基于氮化硅的新型激光器，经过改进与设计，只需要放大芯片及氮化硅微腔即可形成激光器，该激光器的线宽仅为十几kHz且波长可调，与传统激光器相比结构简单，开辟了新的应用领域。
或者说，本发明属于光学、半导体和光电子器件领域，主要涉及一种新型激光器，所得到的新型激光器线宽窄，波长可调，可以用于光通信、数据中心，自动驾驶等领域。
本发明提出的一种新型激光器，基于低损耗氮化硅的激光器不仅具有窄线宽，而且具有波长可调性，与外腔激光器相比，体积非常小，并大幅降低成本的同时显著提高性能。
本发明的激光器包括反射镜面、增益介质和一个光芯片(生成器40)组成，该光芯片主要由环形谐振腔和光波导组成，环形谐振腔不仅提供反射，而且为激光器提供窄线宽和波长可调的特性。与外腔激光器相比，此新型激光器结构简单，体积小，成本低，该光芯片可以由硅、氮化硅、二氧化硅等材料制造，可以根据应用端不同的需求选取不同材料，易于集成，可以用于光通信、数据中心，自动驾驶等领域。
本发明的激光器1的实验效果为：
步骤(1)：取反射镜面、增益介质、光芯片及控制器进行耦合，形成新型激光器，如图3所示。
步骤(2)：激发泵浦源；
步骤(3)：将获得的激光器进行测量，首先进行环形谐振腔反射率测量，如图4得到20％的反射率；
接下来用光谱分析仪进行测量，如图5及图6所示，得到激光器波长为1550nm，对其他模式的选择达到了41dB，调整集成电路(控制器50)，通过热光效应对激光器波长进行调节，如图6所示，波长调节范围超过100nm。
实践证实：获得超窄线宽激光的主要手段是利用高细度、超低损耗的光腔，本技术方案中，采用氮化硅的光腔，通过图7所示的线宽测量原理图，对激光器线宽进行了测量，结果如图8所示，得到的线宽为13kHz。
实施本发明的一种基于氮化硅的激光器，具有以下有益的技术效果：
区别于现有技术中功耗大、成本较高的不足，本技术方案中的基于氮化硅的激光器中的生成器为氮化硅器件，氮化硅具有很宽透射光谱，并且可以做到超低损耗，氮化硅在中远红外光谱具有更长波长的透射性，氮化硅对于光也有更好的约束性，同样的光学器件可以做到更小的尺寸，并且可以做成集成芯片更符合于光电子与微电子等领域的应用，运用氮化硅芯片，可以极大的简化激光的系统复杂程度并且降低成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于氮化硅的激光器，包括：沿着光路方向上依次设置的泵浦源、反射镜面、增益介质、用于产生激光的生成器及与所述的生成器相连接的控制器，所述的反射镜面用于将来自泵浦源的激光进行反射，所述的增益介质用于将反射过来的激光进行放大，其特征在于，所述的生成器为氮化硅器件。
2.根据权利要求1所述的基于氮化硅的激光器，其特征在于，所述的生成器包括光波导、环形谐振腔、谐振器及激光输出接口，所述的光波导用于将放大过的激光导入到所述的环形谐振腔进行谐振，再将谐振后的激光导出到激光输出接口以输出激光，所述的谐振器控制谐振频率。
3.根据权利要求1所述的基于氮化硅的激光器，其特征在于，所述的反射镜面具有高反射镀层，至少镀在相对于所述的增益介质的一端。
4.根据权利要求1所述的基于氮化硅的激光器，其特征在于，所述的增益介质采用三五族增益介质。
5.根据权利要求1所述的基于氮化硅的激光器，其特征在于，所述的反射镜面和增益介质通过边缘耦合在第一芯片上，所述的控制器和生成器通过边缘耦合在第二芯片上。
6.根据权利要求1所述的基于氮化硅的激光器，其特征在于，所述的反射镜面和增益介质通过微棱镜耦合在第一芯片上，所述的控制器和生成器通过微棱镜耦合在第二芯片上。
7.根据权利要求2所述的基于氮化硅的激光器，其特征在于，所述的谐振器包括以下功能模块：
频率接收模块，用于接收用户需要的谐振频率数值；
微处理模块，用于根据所述的谐振频率数值向谐振电机驱动模块发出指令；
谐振电机驱动模块，用于根据所述的指令驱动谐振电机的运转；
谐振电机，用于按所述的谐振频率数值实现环形谐振腔的物理谐振运动。
8.根据权利要求2所述的基于氮化硅的激光器，其特征在于，所述的环形谐振腔为内壁具有反射镜面的氮化硅微腔。
9.根据权利要求1所述的基于氮化硅的激光器，其特征在于，所述的控制器包括波长调节单元，用于调节激光的光波的波长。
10.根据权利要求2所述的基于氮化硅的激光器，其特征在于，所述的控制器集成了所述的谐振器。
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