CN109863655B - 基于布拉格光栅的超低噪声、高稳定单模工作、高功率半导体激光器 - Google Patents

基于布拉格光栅的超低噪声、高稳定单模工作、高功率半导体激光器 Download PDF

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Abstract

一种激光器，包括：增益芯片；包含布拉格光栅的外腔；及基片；其中所述增益芯片的第一端具有形成激光腔的第一端的高反射率面；所述增益芯片的第二端具有低反射率端面；所述外腔的第二部分包括由基片所支撑的布拉格光栅，所述基片的温度通过反馈回路维持；其中所述外腔的光学长度至少比增益芯片的光学长度大一个数量级；其中所述布拉格光栅的物理长度很长且占外腔长度的大部分，并且进行了切趾以控制光栅反射的边模。

Description

基于布拉格光栅的超低噪声、高稳定单模工作、高功率半导体 激光器
相关申请的交叉引用
本申请是2017年8月22日提交的美国专利申请15/683,380的延续案，本申请要求上述申请的优先权，并要求2016年8月22日提交的美国临时专利申请62/377,760的权益。上述两份文件通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明一般而言涉及半导体激光器，更具体地涉及超低噪声、窄线宽、高度稳定的单纵模工作、高功率、基于布拉格光栅的半导体激光器。
背景技术
包括窄线宽工作模式的超低噪声的激光器，例如约1kHz到低至1Hz线宽的激光器，通常需要用来支持高性能光通信系统和传感系统，以及支持低相对强度噪声(RIN)的操作，例如，<-155dB/Hz。在高性能的没有光放大的系统中或放大器的放大比较有限的情况下也同样需要高功率，这些系统所需的功率水平从例如50mW至200mW不等，工作波长可以覆盖非常宽的范围，从例如250nm的紫外线(UV)波段到例如>10微米的微米级范围。
现有的低噪声、窄线宽激光器，例如固态激光器和光纤激光器，尺寸大、成本高、工作波长范围有限、并且它们通常不可靠并且不适合于大规模商业部署。由于利用了半导体制造工艺的优势，半导体激光器已证实是大规模商业部署的最佳解决方案。现有的基于半导体的激光系统不能充分支持有上述所有要求的高性能系统。因此，仍然需要一种超低噪声、高稳定性的单模工作并且功率高的半导体激光器来满足这种长期的需求。
根据本发明实施例的以下新构思提供了一种超低噪声、高度稳定的单模工作、高功率、基于半导体的外腔激光器(ECL)。单模工作具体指单纵模的工作方式或单频工作方式，这与窄线宽激光器一致。这些构思既适用于应用基于布拉格光栅的反射器和独立增益芯片的混合集成方案，也适用于集成激光器(单片或异构集成)。
发明内容
为了制造特征在于非常窄的线宽以及非常低的低频相位(频率)噪声的超低相位(或频率)噪声激光器，激光腔应具有非常长的光子寿命；也就是说，要有长的激光腔以及与离开激光腔的光子数相比所存储的光子数的数量要足够大。因此，根据一个实施例的该超低噪声激光器的基本设计中使用的第一个构思是使用长外腔来减少噪声、线宽等。参考文献[1]-[3]中描述了在激光器中使用长外腔的效果。
使用具有长外腔的宽带反射器产生窄线宽激光，然而，激光器不稳定并且不可能单模工作，并且通常会在可能的不同激光腔谐振模式之间发生模式跳跃，这些模式之间只有很小的增益差异；上述是许多其他研究人员所采用的方法。为了提供单模操作，可以使用布拉格光纤光栅(FBG)等光栅来提供反馈；FBG提供窄反射带宽，并提供模式控制，以实现单模工作。
由于α因子的作用，半导体激光器的线宽增加，α因子也称为线宽增强因子，它将Schawlow Townes线宽增加到(1+α2)倍，因此低α因子将减少这种激光器的线宽(见参考文献[1]和[2])。
减小激光线宽的一个重要构思是在光栅反射器的高斜率长波长侧操作。这利用了参考文献[3]-[5]中描述的效应，通常称为“失谐负载(Detuned Loading)”，如那些参考文献；使用与频率相关的损耗机制(例如色散损耗)以及激光的α因子(线宽增强因子)，以在增加激光器的调制带宽的同时减少啁啾和噪声。光栅的长波斜率具有正确的机制，以与α因子一起产生作用，以降低噪声，使激光稳定。在光栅的短波长侧情况相反。频率相关的损耗(较高斜率)的增加值对降低噪声具有很强的影响，使得可以设计出同时具有非常高的斜率和非常窄的带宽的长光栅。在根据一个实施例的混合集成激光器的设计中，同时达到所有的设计要求；通过非常仔细地设计光栅和激光腔，得到长腔长、失谐负载和出色的模式选择性。通过设计激光器以扩展单模工作范围工作，通过控制激光腔的相位，可以将激射模设置在光栅的长波长斜率上；单模范围越大，波长距激光器的长波长侧越远，就越是能够提供更低的线宽输出。
使用上述实施例中描述的设计构思，可以同时设计出包括高功率增益芯片(即，更长的增益芯片，例如1-3mm长)和FBG外腔式的激光腔，并且将高耦合效率的光纤聚焦镜置于靠近FBG处，以有效地将增益芯片出射的光耦合到FBG。
本发明的一个实施例提供一种激光器，包括：半导体增益芯片；外腔；和第一导热基片；其中增益芯片的第一端具有形成激光腔的第一端的高反射率端面；增益芯片的第二端具有低反射率端面，允许从增益芯片产生的光与外腔的第一端耦合；外腔的第二部分包括形成激光腔的第二端的布拉格光栅，由第一导热基片支撑着的拉格光栅的温度通过反馈回路维持，该反馈回路包括第一热电冷却器(TEC)和附接到第一导热基片的第一热敏电阻；其中外腔的光学长度至少比增益芯片的光学长度大一个数量级；其中布拉格光栅占外腔长度的大部分；并且其中布拉格光栅进行切趾以控制光栅反射的边模。
附图说明
图1是根据本发明实施例的超低噪声激光器设计的示意图；
图2示出了根据本发明实施例的超低噪声激光器设计的侧视图；
图3示出了根据本发明另一实施例的超低噪声激光器设计；
图4示出了根据本发明另一实施例的超低噪声激光器设计；
图5示出了根据本发明一个实施例的具有高斯幅度切趾的40mm布拉格光纤光栅(FBG)的功率反射光谱，以及具有增加的正弦啁啾的高斯幅度切趾的40mm FBG的功率反射光谱；
图6示出了根据本发明一个实施例的超低噪声激光器的测量特性。
具体实施方式
请结合附图阅读根据本发明原理的说明性实施例的描述，所述附图被视为是整个书面文件的一部分。在本文所公开的发明创造的实施方案的描述中，对方向或方位的任何提及仅仅是为了便于描述而不旨在以任何方式限制本发明范围。表示相对性的术语，如“下”、“上”、“水平的”、“垂直的”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”以及其所衍生的术语，(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应解释为指代所描述的或如所讨论的图中所示的方向。除非明确指出，否则这些相对性术语仅出于便于描述而不是要求该装置需要以特定的方向构造或操作。除非另外明确地描述，否则，诸如“附接的”、“附加的”、“连接的”、“耦合的”、“互连的”等术语是指，其中结构通过中间结构直接或间接地彼此相互固定或附接、还可以是可移动的或刚性的连接或关系。此外，通过引用示例性实施例来说明本发明的特征和益处。因此，本发明明显地不应限于这样的示例性实施例：该实施例对可单独存在或与其他特征进行组合的方式存在的一些可能的非限制性特征组合；本发明的范围由所附权利要求限定。
本文描述了目前所预期的实施本发明的一种或多种最佳模式。本说明书并非旨在以限制意义进行理解，而是提供本发明的示例，其仅出于说明性目的、通过参考附图来向本领域普通技术人员建议本发明的优点和构造。在附图的各个视图中，相同的附图标记表示相同或相似的部件。
图1是ECL的示意图，其包括增益芯片和外光纤谐振腔，其中布拉格光纤光栅(FBG)位于光纤谐振腔中。TEC置于基片下以控制温度，基片上放置增益芯片和FBG。如图1所示，根据本发明实施例的外腔激光器包括半导体增益元件，或增益芯片110，其耦合到外腔140，包括提供激光谐振腔的另一端面的FBG180。激光辐射170通过包含FBG的光纤输出。增益芯片110具有组成激光腔其中一端的高反射率(HR)端面120和抑制反射的低反射端面130，以将增益芯片内的光耦合进外腔。低反射率端面可以通过抗反射(AR)涂层技术或倾斜波导端面技术或上述两者的技术方案的组合来实现。光耦合进外腔，外腔可以在光纤中，如图1所示，或者可以在波导中(例如二氧化硅波导、硅波导或氮化硅波导)，光纤的末端可以带有透镜和AR涂层150、或置于光纤/波导和增益芯片之间的透镜、或改进的增益芯片，以直接提供高外腔耦合效率。增益芯片与外腔之间需要高耦合效率以产生高功率激光，这需要一些透镜方案或带扩束器的增益芯片，以获得至少60％的外腔耦合效率。增益芯片和FBG下方的基片或散热器160通过热电冷却器(TEC)进行温度控制，并使用温度传感器来反馈温度，例如紧靠增益芯片放置的热敏电阻。本领域技术人员理解，“热敏电阻”代表许多可用于监测温度以控制温度的装置，例如双金属热电偶、半导体二极管结或负温度依赖性的(NTD)装置。
布拉格光栅180可以直接刻入光纤，如布拉格光纤光栅(FBG)那样刻入，这可利用工业过程以极高的精度完成，以制造具有极好受控反射特性的FBG，例如极窄的反射带宽、光栅切趾(控制边模)及受控的光栅啁啾。FBG是开发超低噪声ECL的优选方法，由于极好的受控性，用其制造出来的这些装置，将得到极窄的反射带宽和非常锐利的滤波特性。使用超低κ光栅设计，也可能在氮化硅基波导、二氧化硅波导和其他低损耗波导中获得类似的光栅，这些光栅也可用于这些超低噪声激光器。
为了提供具有超低线宽的非常稳定的单模工作装置，在激光腔中应用长光栅或FBG，来提供长腔长及非常窄的反射带宽。在极端情况下，如在此构思中的那样，FBG本身构成了激光腔的很大一部分，至少达75％，这可以实现出色的模式控制，并确保只激射一种模式的激光。FBG的带宽随着其长度的增加而变窄，这抵消了长激光腔中较窄的模式间隔的影响，这样FBG内的激光腔长度占比将增大。按照理论，需要使光栅长度占整个腔长度足够大，以确保激光器大部分的工作范围是单模工作的，例如，对于物理长度在600微米到1毫米或更大(相当于空气中的光学长度约2毫米到3.5毫米)范围内的高功率增益芯片，FBG物理长度应该明显更长，例如，≥40毫米(相当于空气中光学长度≥60毫米)，即在这种情况下，FBG的长度是增益芯片光学长度的大约20倍，以确保大的单模工作范围。光栅的起始点必须靠近增益芯片，即外部空腔的长区域应包含有光栅。将光栅制得更长，例如50毫米或100毫米，光栅部分占整个腔体的百分比增加，使得激光器的单模工作范围更大。或者，更长的光栅能支持更长的增益芯片(更高功率)或支持更长的增益芯片加上没有光栅区的激光腔的技术方案。增加光栅长度占激光腔的百分比，并制作尽可能窄带宽的光栅，为激光器大工作范围创造条件，即对于不同的激光腔相位，装置只激发一种可能的激射模并具有非常稳定的单模工作，提供大的单模工作范围。
提供宽单模工作范围的最佳设计是，使得光纤聚焦镜位于FBG的边缘或靠近FBG。实际上，这可以通过将FBG光纤于非常靠近FBG的末端处增加透镜来实现。带透镜的光纤端提供高功率激光器工作所需的高耦合效率。光纤聚焦镜也采用AR涂层，以减少激光腔内不必要的光反射，若出现这些不必要的光反射将显著增加激光器的噪声并降低单模工作范围。
如上在激光腔中使用长光栅或FBG的主要问题是，更长的FBG(或集成布拉格光栅)的反射特性对于沿布拉格光栅的长度内的局部光栅部分的变化更敏感，特别是当FBG长度显著增加以提供非常窄的带宽的同时还提供大的单模工作范围时。FBG越长，其带宽越窄，因此对沿FBG长度上所出现的温度或应力变化而可能引起的局部变化就越敏感。当FBG的一端在增益芯片附近与其形成机械连接及热交换时，沿着长FBG长度方向上的温度变化是不可避免的，因为增益芯片本身就是热源，随着电流偏置的增加，其所产生的热量也会增加。对于这种新型激光器设计，假设长FBG的长度为，例如，≥40毫米，即使温度变化小，例如十分之一度，沿FBG长度的反射峰值波长也会改变，这样就会使其带宽变大；这将降低激光器的单模工作范围。出于这个原因，其他研究人员在设计包含布拉格反射器的激光器时，会限制布拉格反射器的长度。为了克服该限制，提出了根据本发明实施例的以下创新构思，并针对更长的FBG长度，在更宽的范围内允许更干净的单模工作，从而得到具有更窄线宽的激光器。
如图2所示，根据本发明的实施例的第一构思，将FBG和增益芯片结合在同一片长导热基片上。子基片220上的增益芯片在靠近基片210内的窄沟槽230处附接到基片210，FBG位于基片右侧的长槽内。可以使用一个或多个TEC来控制基片的温度。光纤聚焦镜靠近沟槽的右侧。在此构思中，在增益芯片的所选偏置点处，沿着基片的长度上将产生温度变化，此变化与增益芯片所产生的热、基片的热导率及几何形状相关。在一个实施例中，通过基片几何形状(包括沟槽)来优化沿FBG(由增益芯片产生的热提供)的温度分布，使得温度变化量对应于到沟槽右侧的距离变化量是线性减小的。FBG的线性温度变化可通过FBG中的线性波长啁啾来抵消，因此整体效果是得到非啁啾的FBG。更普遍地，可以计算(和测量)沿FBG长度预期的温度分布，然后FBG可以设计为包括沿其长度(波长啁啾)的光栅间距上的变化，该变化将抵消增益芯片所产生的温度分布。此外，可以对沿FBG的温度变化进行更详细的计算，并且FBG可以沿着其长度以更为复杂的波长(和/或振幅)变化来刻蚀，以使得在激光的工作点处(已知增益芯片偏置和温度分布)，FBG表现出设计所预期的反射响应特性，还可以更为复杂以改善激光器的性能(幅度和/或相位/波长变化)。
根据本发明实施例的第二设计构思是将增益芯片和FBG置于相互独立的基片(或散热器)310和基片340上，如图3所示，使得增益芯片基片310可以保持在相同的温度下(通过在反馈回路内应用TEC和热敏电阻)，同时FBG基片340的温度是独立控制的(使用第二TEC及第二热敏电阻)，图3显示了封装内的光纤和光纤附件。如果在FBG周围放置高热导率的FBG支架，那么此支架350范围内沿FBG的温度可保持恒定，即非常小的温度变化，这支持具有非常窄的带宽的长FBG。为了获得从光纤聚焦镜到增益芯片的高耦合效率，光纤聚焦镜必须靠近增益芯片，例如，如果使用了激光熔接来封装器件，则可以在与增益芯片同一块基片310上应用熔接夹320，以便稳定该对准。这使得靠近光纤透镜的FBG末端的温度随增益芯片的温度而变化。在标准激光器封装中，靠近增益芯片的热敏电阻带反馈回路来保持此所要测的这一处的温度恒定，例如：在25℃。在本发明的一个实施例中，热敏电阻330靠近熔接夹320或光纤夹持结构，熔接夹320或光纤夹持结构夹持FBG的透镜端，反馈回路用于保持该温度恒定(不是增益芯片的温度)。FBG的这一端的温度保持恒定，FBG的其余部分(在其独立的基片340上)也设定为同一温度，在这种情况下，FBG的整个长度保持同一的恒定温度。采用这中双基片方法，将FBG的透镜端的温度固定在与基片相同的温度，由于长FBG封装在FBG支架中，因此FBG的整个长度保持在相同的温度，同时FBG几乎构成除增益芯片本身以外的所有腔体部分，这样就得到大单模工作范围、非常窄的线宽激光器。这种方法可以支持很长的FBG长度，例如：长达100毫米或更长。
使用如上的两块独立的基片，并且将FBG的长度延长至≥40mm，可以得到良好的单模工作范围，即使在光纤聚焦镜之间的光纤激光腔的部分太短，并且光栅的起点由非光栅光纤构成的情况下。此没有光栅的短光纤部分可以延长，至激光单模范围大为缩窄；FBG越长，光纤的非光栅部分就越长。如图4所示，通过增加FBG长度，可以延长非光栅光纤410长度，使得其从光纤透镜端穿过第二基片，并进入FBG支架420。这可以通过机械/热设计实现，使FBG透镜端的固定结构尽可能靠近第二基片上FBG支架的受控温度区域。当FBG 430完全夹持在FBG支架420中时，并且其中FBG支架420的温度受控并具有高导热率，例如，由铜-钨合金或氮化铝制成，则其可以调节FBG的温度，并将整段FBG保持在同一温度。这提供了一种调整激光波长的方法，并同时保留了该激光器优异的窄线宽特性。增加FBG的长度(并保持光纤的非光栅部分的长度固定)，这种方法效果更好，因而可以更容易地在工作波长范围内调谐具有较窄固有线宽的较长的FBG装置。FBG的温度可以在很宽的温度范围内进行调节，例如：从0℃至80℃，以调谐激光波长；波长可调性由FBG的变化指数对应于温度的对应关系来定义。反过来，使用类似的设计，FBG完全夹持在高导热的支架内，保持温度沿其长度不变，FBG温度随激光器的封装体的温度变化而变化，即没有TEC或控制回路，该装置也能提供所需的优异性能特征：其波长跟随FBG的温度变化而变化。在此实施例中，FBG不需要TEC或热控制回路，从而降低了该方法的成本以及模块的功耗，其中FBG以“非冷却”的方式工作。
为了扩展激光器的单模工作范围，需要考虑FBG光栅的边模效应。均匀的40mm长的FBG的提供了在该光栅长度下最窄的反射光谱带宽，但是，其边模很大，这影响了激光器的单模工作范围，及其噪声表现。与光栅的长波长侧最接近的边模波长接近于该激光器的激射波长，特别是当激射模位于光栅反射光谱的长波长侧时，为了减小激光器的线宽，以扩展激光器的单模工作范围，必须限制光栅反射所形成的边模。实现这一目的的一种方法是对光栅进行切趾，即沿光栅进行腔强度切趾，例如：高斯分布的切趾。使用高斯强度分布切趾的40mm的FBG的功率反射光谱520如图5所示。光栅也可以其相位或波长进行切趾，以沿光栅提供波长的啁啾，如在上面讨论的实施例中所使用的那样，以抵消沿光栅的温度变化。根据本发明实施例的构思是修改FBG的切趾形状，以消除光栅反射长波长侧的第一边模或削弱其大小。这是通过对光栅应用正弦啁啾来实现的，其效果是消除/削弱第一长波长边模，同时增大短波长边模的大小。该设计的反射光谱510——具有高斯振幅分布的40mmFBG叠加增加的正弦啁啾的发射光谱也示出在图5中。消除/削弱第一长波长边模，使得激射模更容易移动到更长的波长而不与这种相距较近的模式之间发生相互作用，并且还降低了相对强度噪声(RIN)，其出现在激射模与第一长波长边模之间相互作用时。
为了控制激射模处于FBG反射光谱的位置，以使其置于单模稳定性和最佳噪声性能(窄线宽和低RIN)的最佳位置，即使其置于长波长侧的反射峰处，引入反馈控制回路来测量激光器工作的某些特性并使用该信息来控制模式的位置将是有用的。该反馈回路将在激光器的寿命期限内提供连续的单模激光工作模式。另一种方法是在投入工作时就将激光器设置在正确的工作模式位置，并优化激光器的设计和元件可靠性，以在组件的整个寿命期限内，抑制激射模移离FBG光谱上的正确位置。
FBG的非常窄的光学滤波特性和新颖的激光腔设计，确保了激光器只激发一种模式的激光，如果该模式锁定在FBG反射光谱的特定位置上，则通过应用电子反馈回路，激光器将在组件的整个寿命期限内始终保持同一单模。根据本发明实施例的反馈机制，使用通过FBG(窄滤波器)后的激光器光输出功率，以及后端面监视(BFM)电流这两个参数，BFM电流测量的是激光器另一端面处的增益芯片的HR端面(无滤波器)出射的光。取BFM值与输出功率之间的比值，这个比值是锁定激光器的标志参数；将该比率值进行固定，将使得激光器的激发波长设置在FBG光谱的特定位置。因为在这两个信号中均含有光强变化，因此比较BFM和输出功率信号可以抵消反馈标志参数中的激光强度变化。示出在图6中的是，根据本发明的一个实施例中的一个超低噪声激光器中，输入到增益芯片的电流发生变化时，相应地测出的单模功率(SM)620、多模功率(MM)630、BFM输出610和BFM/SM比640。SM 620和MM 630两条曲线显示了外腔激光器的光与电流特性之间的关系，随着电流的增加，增益芯片中的热量增加，从而改变了激光腔的相位，随着相位的不断变化，激光器从单模工作区移动到多模工作区，再移动到另一个单模工作区。图6中的BFM/SM的比值640清楚地表明，该比值对激光器的每个单模状态的变化特征是类似重复的，并且通过选择适当的BFM/SM比率，激光器可以锁定到FBG光谱的特定部分，例如要选择FBG光谱的长波长侧的位置时，此时对应的BFM/SM比为0.4。
使用快速反馈回路将激光器锁定到BFM/SM的特定值，该反馈环路在FBG光谱的长波长侧应用大斜率的FBG滤波器作为鉴频器，来将激光器输出频率变化转换为幅度变化，同时也将降低激光器在反馈环路带宽内的频率噪声。降低激光器的低频相位/频率噪声对于许多传感应用和相干混合应用来说非常重要。
注意，在图1中，根据一个实施例中的从外腔的输出表面190输出的激光输出170得以示出。在图1所示的激光器的另一个实施例中，输出功率可从增益芯片110的第一端/高反射率面120输出，而不是从包含FBG 180的光纤140输出。
参考文献
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Ref[5]:A Yariv,R.Nabiev,K.Vahala,'Self-quenching of fundamental phaseand amplitude noise in semiconductor lasers with dispersive loss',OpticsLetters,15,pl359(1990)
尽管已经相对于所描述的若干实施例以一定篇幅和某些特定性描述了本发明，但是并不旨在将本发明限于任何这样的特例或实施例或任何特定实施例，而是具体实施方式应参考所附权利要求来解释，以便借鉴现有技术提供对这些权利要求的尽可能广泛的解释，并且因此有效地包含本发明的预期范围。此外，前文根据发明人所能预见的实施例描述了本发明，对于该实施例，可获得有利的描述，本发明的非实质性改进，尽管目前还未能预见到，仍然可以代表其等同物。

Claims (67)

1.一种激光器，包括：
半导体增益芯片(110)；
外腔(140)；和
第一导热基片(160)；
其中，所述增益芯片的第一端具有形成激光腔的第一端的高反射率端面(120)；所述增益芯片的第二端具有低反射率端面(130)，使得所述增益芯片产生的光与所述外腔的第一端耦合；所述外腔的第二部分包括形成所述激光腔的第二端的布拉格光栅(180)；
其中，包括所述布拉格光栅的外腔由所述第一导热基片支承；
其中，所述外腔的光学长度至少比所述增益芯片的光学长度大一个数量级；
其中，所述布拉格光栅的物理长度大于20mm，并占所述外腔的物理长度的至少75％；以及
其中，对所述布拉格光栅进行切趾以控制光栅反射的边模。
2.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述外腔包括光纤。
3.根据权利要求2所述的激光器，其中，所述布拉格光栅为所述光纤内的布拉格光纤光栅(FBG)。
4.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述外腔包括波导。
5.根据权利要求4所述激光器，其中，所述布拉格光栅位于所述波导内。
6.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述外腔的光学长度是所述增益芯片的光学长度的二十倍或更长。
7.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述增益芯片的物理长度在500μm至3mm的范围内，并且所述外腔的物理长度大于40mm。
8.根据权利要求3所述的激光器，其中，耦合到所述增益芯片的光纤的末端带透镜并具有抗反射涂层，以增加所述增益芯片和外腔之间的耦合效率。
9.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述增益芯片和外腔之间设有透镜，以增加所述增益芯片和外腔之间的耦合效率。
10.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述增益芯片被修改为包括扩束器，以增加所述增益芯片和外腔之间的耦合效率。
11.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述增益芯片附接至邻近所述基片中的沟槽(230)的第一侧的第一导热基片，而所述布拉格光栅位于所述沟槽的第二侧上的凹槽内；
其中，第一导热基片的温度通过反馈回路得以保持，所述反馈回路包括第一热电冷却器(TEC)和附接至第一导热基片的第一温度传感器；
其中，所述增益芯片产生的热量沿第一导热基片的长度方向生成温度变化；以及
其中，所述布拉格光栅包括沿其长度方向的光栅间距变化，以抵消由所述增益芯片生成的温度变化，从而使得所述布拉格光栅的期望的反射响应得以保持。
12.根据权利要求11所述的激光器，其中，所述第一导热基片的几何形状被优化为使得温度对应于沟槽的第二侧上的距离线性地减小，并且所述布拉格光栅的线性温度变化被所述布拉格光栅中的线性波长啁啾所抵消，使得整体效果为所述布拉格光栅的期望的反射响应。
13.根据权利要求8所述的激光器，还包括：
至少一块第二导热基片(310)，其上安装有所述增益芯片，其中所述光纤的透镜端安装在第二导热基片上并与所述增益芯片的第二端相邻；以及
至少一个第二温度传感器(330)，其位于所述光纤的透镜端附近；
其中，第二温度传感器向附接至第二导热基片的第二热电冷却器(TEC)提供反馈，使得所述光纤的透镜端和所述光纤的其余部分均保持在相同的温度上。
14.根据权利要求8所述的激光器，还包括：
至少一块第二导热基片(310)，其上安装有所述增益芯片，其中所述光纤的透镜端安装在第二导热基片上并与增益芯片的第二端相邻；
其中所述光纤包括从第一导热基片内的一位置延伸到所述光纤的透镜端处的非光栅部分(410)。
15.根据权利要求14所述的激光器，其中，通过调节第一导热基片内的布拉格光栅的温度来调谐所述激光器的波长。
16.根据权利要求14所述的激光器，其中，所述第一导热基片的温度非主动控制，而是让其随包含所述激光器的外部封装的温度而变化。
17.根据权利要求1所述的激光器，其中，使用高斯幅度分布对所述布拉格光栅进行切趾。
18.根据权利要求17所述的激光器，其中，还向所述布拉格光栅施加正弦啁啾。
19.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述激光器的输出功率取自所述增益芯片的第一端。
20.根据权利要求1所述的激光器，还包括：第一监控器，其被配置为测量所述激光器的输出功率；以及第二监控器，其被配置为测量表示来自增益芯片的高反射率端面的光强度的背向面监视器(BFM)电流，其中，使用背向面监视器(BFM)值与输出功率的比值提供反馈信号，用于将所述激光器锁定在布拉格光栅光谱上的一特定位置上。
21.根据权利要求20所述的激光器，其中，使用一快速反馈回路降低所述激光器的低频相位噪声，所述快速反馈回路采用所述背向面监视器(BFM)值与输出功率的比值。
22.一种激光器，包括：
用于产生光的半导体增益元件；
带集成布拉格光栅的外腔，所述布拉格光栅与所述增益元件单片集成；
其中，所述增益元件的第一端具有高反射率，形成激光腔的第一端；所述增益元件的第二端具有低反射率，允许所述增益元件产生的光与所述外腔的第一端耦合，以及所述布拉格光栅形成所述激光腔的第二端；
其中，所述布拉格光栅的物理长度大于20mm并占所述外腔的物理长度的至少75％。
23.根据权利要求22所述的激光器，其中，对所述布拉格光栅进行切趾以控制光栅反射的边模。
24.根据权利要求22所述的激光器，其中，所述布拉格光栅的物理长度大于40mm并且占所述外腔的物理长度的至少75％。
25.根据权利要求22所述的激光器，其中所述外腔的光学长度至少比所述增益元件的光学长度大一个数量级。
26.根据权利要求22所述的激光器，其中所述外腔包括低损耗波导材料。
27.根据权利要求26所述的激光器，还包括半导体材料的单片激光器的基片。
28.根据权利要求22所述的激光器，其中，所述增益元件的物理长度在500μm至3mm的范围内，并且所述外腔的物理长度大于40mm。
29.根据权利要求22所述的激光器，其中，对增益元件与外腔之间的耦合进行优化，以增加所述增益元件与外腔之间的耦合效率的同时还减少光学反射。
30.根据权利要求22所述的激光器，其中，所述增益元件被修改为包括扩束器，以增加所述增益元件和外腔之间的耦合效率。
31.根据权利要求22所述的激光器，其中，所述增益元件附接到靠近第一导热基片中的沟槽的第一侧的所述第一导热基片，而所述布拉格光栅位于所述沟槽的第二侧上；
其中，所述第一导热基片的温度通过反馈回路得以保持，所述反馈回路包括第一热电冷却器(TEC)和附接到所述第一导热基片的第一温度传感器；
其中，所述增益元件产生的热量产生沿所述第一导热基片的长度的温度变化；以及
其中，所述布拉格光栅包括沿其长度的光栅间距的变化，以抵消所述增益元件产生的温度变化，从而对来自所述布拉格光栅的反射光谱中的第一长波长边模保持抑制。
32.根据权利要求31所述的激光器，其中，所述第一导热基片具有一几何形状，使得温度对应于所述沟槽的第二侧上的距离线性地减小，以及使得所述布拉格光栅的线性温度变化被所述布拉格光栅中的线性波长啁啾抵消，以使得整体效果为抑制来自布拉格光栅的反射光谱中的第一长波长边模。
33.根据权利要求22所述的激光器，其中使用高斯幅度分布对所述布拉格光栅进行切趾。
34.一种激光器，包括：
产生光的半导体增益芯片；以及
波导外腔，其具有第一端和第二端，并包括集成的布拉格光栅以反射至少一部分光，
其中，所述增益芯片的第一端具有形成激光腔的第一端的高反射率端面；所述增益芯片的第二端具有低反射率端面，以允许从增益芯片产生的光耦合到所述波导外腔的第一端，
其中，所述布拉格光栅的物理长度大于20mm并占所述波导外腔的物理长度的至少75％。
35.根据权利要求34所述的激光器，其中，对所述布拉格光栅进行切趾以控制光栅反射的边模。
36.根据权利要求34所述的激光器，其中，所述布拉格光栅的物理长度大于40mm并占所述外腔的物理长度的至少75％。
37.根据权利要求34所述的激光器，其中，所述外腔的光学长度至少比所述增益芯片的光学长度大一个数量级。
38.根据权利要求34所述的激光器，其中，所述外腔的光学长度是所述增益芯片的光学长度的至少二十倍。
39.根据权利要求34所述的激光器，其中，所述增益芯片的物理长度在500μm至3mm的范围内，并且所述波导外腔的物理长度大于40mm。
40.根据权利要求34所述的激光器，其中，波导由硅，或氮化硅，或二氧化硅，或其他低损耗波导材料制成。
41.根据权利要求34所述的激光器，还包括置于所述增益芯片和波导之间的透镜，以增加所述增益芯片和外腔之间的耦合效率。
42.根据权利要求34所述的激光器，其中，所述增益芯片被修改为包括扩束器，以增加所述增益芯片和波导之间的耦合效率。
43.根据权利要求34所述的激光器，其中，所述增益芯片附接到靠近基片中的沟槽的第一侧的第一导热基片，而所述布拉格光栅位于所述沟槽的第二侧上；
其中，所述第一导热基片的温度通过反馈回路得以保持，所述反馈回路包括第一热电冷却器(TEC)和附接到第一导热基片的第一温度传感器；
其中，所述增益芯片产生的热量生成沿第一导热基片的长度的温度变化；并且
其中，所述布拉格光栅包括沿其长度的光栅间距的变化，以抵消所述增益芯片产生的温度变化，从而对来自所述布拉格光栅的反射光谱中的第一长波长边模保持抑制。
44.根据权利要求43所述的激光器，其中，所述第一导热基片具有一几何形状，使得温度对应于所述沟槽的第二侧上的距离线性地减小，并且使得所述布拉格光栅的线性温度变化被所述布拉格光栅中的线性波长啁啾抵消，以使得整体效果为抑制来自布拉格光栅的反射光谱中的第一长波长边模。
45.根据权利要求43所述的激光器，还包括：
至少一块第二导热基片，其上装有所述增益芯片，其中外腔波导端安装在所述第二导热基片上并与所述增益芯片的第二端相邻；以及
至少一个第二温度传感器，其位于外腔波导端附近；
其中，所述第二温度传感器向附接到所述第二导热基片的第二热电冷却器(TEC)提供反馈，使得所述外腔波导端和外腔波导的其余部分都保持相同的温度。
46.根据权利要求43所述的激光器，还包括：
至少一块第二导热基片，其上装有所述增益芯片，其中外腔波导端安装在所述第二导热基片上并与所述增益芯片的第二端相邻；
其中外腔波导包括从所述第一导热基片内的一位置延伸到所述外腔波导端的非光栅部分。
47.根据权利要求46所述的激光器，其中，通过调节所述第一导热基片上的布拉格光栅的温度来调谐激光的波长。
48.根据权利要求46所述的激光器，其中，不主动控制所述第一导热基片的温度，而是使其随包含激光器的外部封装的温度而变化。
49.根据权利要求34所述的激光器，其中，使用高斯幅度分布对所述布拉格光栅进行切趾。
50.根据权利要求49所述的激光器，其中，还向所述布拉格光栅施加正弦啁啾。
51.根据权利要求34所述的激光器，其中，所述激光器的输出功率取自所述增益芯片的第一端。
52.根据权利要求34所述的激光器，还包括：第一监视器，其被配置为测量作为所述激光器的输出功率的光强度；以及第二监视器，其被配置为测量表示来自所述增益芯片的高反射率端面的光强度的背向面监视器(BFM)电流，其中使用背向面监视器(BFM)值与输出功率的比值以提供反馈信号，用于将所述激光器锁定在所述布拉格光栅光谱上的一特定位置。
53.根据权利要求52所述的激光器，其中，使用一快速反馈回路用于降低激光器的低频相位噪声，其中所述快速反馈回路使用所述背向面监视器(BFM)值与输出功率的比值。
54.一种激光器，包括：
半导体增益芯片；以及
外腔；
其中，所述增益芯片的第一端具有形成激光腔的第一端的高反射率端面；所述增益芯片的第二端具有低反射率端面，允许从所述增益芯片所产生的光与外腔的第一端耦合；所述外腔的第二部分包括形成所述激光腔的第二端的布拉格光纤光栅；
其中所述布拉格光纤光栅的物理长度大于20mm并占所述外腔的物理长度的至少75％。
55.根据权利要求54所述的激光器，其中，所述外腔的光学长度至少比所述增益芯片的光学长度大一个数量级。
56.根据权利要求54所述的激光器，其中，所述外腔的光学长度是所述增益芯片的光学长度的至少二十倍。
57.根据权利要求54所述的激光器，其中，所述增益芯片的物理长度在500μm 至3mm的范围内，并且所述外腔的物理长度大于40mm。
58.根据权利要求54所述的激光器，其中，对所述布拉格光纤光栅进行切趾以控制光栅反射的边模。
59.根据权利要求56所述的激光器，其中，连接到所述增益芯片的光纤的一端带透镜并具有抗反射涂层，以增加所述增益芯片和外腔之间的耦合效率。
60.根据权利要求54所述的激光器，其中，所述增益芯片和外腔之间设有透镜，以增加所述增益芯片和外腔之间的耦合效率。
61.根据权利要求54所述的激光器，其中，所述增益芯片被修改为包括扩束器，以增加所述增益芯片和外腔之间的耦合效率。
62.根据权利要求54所述的激光器，其中，所述增益芯片附接到靠近基片中的沟槽的第一侧的第一导热基片，而所述布拉格光纤光栅位于所述沟槽的第二侧上的凹槽内；
其中，所述第一导热基片的温度通过反馈回路得以保持，该反馈回路包括第一热电冷却器(TEC)和附接到所述第一导热基片的第一温度传感器；
其中，所述增益芯片产生的热量生成沿第一导热基片的长度的温度变化；并且
其中，所述布拉格光纤光栅包括沿其长度的光栅间距、幅度或相位的变化，以抵消由所述增益芯片所产生的温度变化，从而保持所述布拉格光纤光栅产生的反射响应。
63.根据权利要求54所述的激光器，其中，包括所述布拉格光纤光栅的外腔由第一导热基片支承；并且
至少一块第二导热基片，其上安装有所述增益芯片，其中光纤的透镜端安装在第二导热基片上并与所述增益芯片的第二端相邻；并且
至少一个第二温度传感器，其位于所述光纤的透镜端附近；
其中，所述第二温度传感器向附接到所述第二导热基片的第二热电冷却器(TEC)提供反馈，使得所述光纤的透镜端和光纤的其余部分均保持相同的温度。
64.根据权利要求63所述的激光器，其中，所述光纤包括从第一导热基片内的一位置延伸到所述光纤的透镜端的非光栅部分。
65.根据权利要求63所述的激光器，其中，通过调节所述第一导热基片内的布拉格光栅的温度来调谐激光的波长。
66.根据权利要求63所述的激光器，其中，不主动控制所述第一导热基片的温度，使其随包含激光器的外部封装的温度而变化。
67.根据权利要求54所述的激光器，还包括：
至少一块第二导热基片，其上安装有所述增益芯片，其中光纤的透镜端安装在第二导热基片上并与所述增益芯片的第二端相邻；以及
至少一个第二温度传感器，其位于所述第二导热基片上；
其中，所述第二温度传感器向附接到第二导热基片的第二热电冷却器(TEC)提供反馈，使得第一导热基片的温度和第二导热基片的温度分别由第一热电冷却器(TEC)和第二热电冷却器(TEC)独立控制。
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