CN109950791A - 基于微环谐振腔的负反馈窄线宽半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
一种基于微环谐振腔的负反馈窄线宽半导体激光器，包括封装在激光器壳体里面的半导体分布反馈激光器、集成化的微环谐振腔、发射功率监控探测器、激光器输出耦合单元、输出光纤、热电制冷器和温度探测单元，其中集成化的微环谐振腔的耦合波导两端分别镀有增透膜和高反射膜。本发明利用微环谐振腔的滤波功能，对分布反馈激光器的发射频率进行反馈控制，从而提升发射激光的频率稳定性，达到降低激光器线宽的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器，具体涉及一种基于微环谐振腔的负反馈窄线宽半导体激光器。
背景技术
半导体激光器被广泛应用于光通信与光传感领域，然而由于线宽问题的存在，其在光通信与光传感上的使用均受到了限制。窄的线宽可以提高光通信系统中的传输长度，传输容量，也可以提高光探测的能力。
在光探测领域，这些年来高性能的光纤光反馈探测技术得到了长足的发展，然而随着探测技术由航空、石油探测等领域逐渐拓展到其他对价格更为敏感的领域，寻找一种低价，可靠的替代品也就成了当务之急。在探测系统中，光源是主要部分，因而，解决该问题的关键正是寻找一种高性能，高可靠性的廉价光源。
外腔半导体激光器无疑是一种优良的解决思路。比起分布式反馈激光器(DFB)，它能提供更窄的线宽，更低的相位噪声。与光纤激光器相比，外腔半导体激光器价格低廉，尺寸较小，可靠性高且对环境的抗干扰能力强。正是由于窄线宽半导体激光器有着广泛的应用前景，人们目前已对其进行了广泛的研究。
目前应用最为广泛的方案是使用光纤光栅的方法构建外腔，从而降低激光器的相位噪声，压低激光器的线宽。由于光纤的引入，不利于提升激光器的稳定性和可靠性，并且此类激光器的制作难度较大，不易于实现批量化生产，因此亟需研究低成本且易于批量化加工的窄线宽激光器产品。
发明内容
面向光通信技术和相干激光探测等领域对窄线宽激光器的需求，针对实现集成化窄线宽激光器的技术难题，本发明提供了一种基于微环谐振腔的负反馈窄线宽半导体激光器，该激光器具有和分布反馈式半导体激光器相同的发光效率，并且结构简单、稳定可靠、成本低廉及易于大规模生产等优点。
本发明的技术方案是：
一种基于微环谐振腔的负反馈窄线宽半导体激光器，其特殊之处是，包括激光器壳体、半导体制冷器、温度传感器、微环谐振腔、半导体激光器、光电探测器、耦合单元及输出光纤；
半导体制冷器由导热胶贴装在激光器壳体的内表面；
温度传感器、微环谐振腔、光电探测器、半导体激光器、耦合单元及输出光纤由导热胶及导热垫片固定在半导体制冷器表面；
半导体激光器、光电探测器、半导体制冷器、温度传感器通过金属线与激光器壳体的对应引脚相连接；
微环谐振腔的两个端面分别镀有增透膜和高反射膜；
半导体激光器位于微环谐振腔镀有增透膜的一侧并且和微环谐振腔采用端面耦合的方式进行耦合，光电探测器位于微环谐振腔镀有高反射膜的一侧；
半导体激光器发出经微环谐振腔反馈压窄后的激光经耦合单元、输出光纤后射出；
温度传感器用于检测监控半导体激光器的工作温度，且贴近微环谐振腔设置。
进一步地，上述微环谐振腔为直通型的微环谐振腔或者为上下话路型微环谐振腔，其品质因子大于1×105，自由光谱范围为1GHz～2THz。
进一步地，上述半导体激光器为分布反馈式半导体激光器，其发光波长由半导体制冷器和工作电流进行调节。
进一步地，上述半导体激光器的发光波长位于微环谐振腔谐振峰的上升沿位置。
进一步地，上述微环谐振腔中增透膜的透过率大于98％；高反射膜的反射率在60％～99％范围内。
进一步地，上述耦合单元包括沿着半导体激光器激光出射方向依次设置的准直透镜、空间光隔离器和耦合透镜。
进一步地，上述输出光纤为保偏单模光纤或者单模光纤。
进一步地，上述温度传感器可采用热敏电阻代替。
进一步地，光电探测器为低噪声的PIN型光电探测器。
进一步地，上述的激光器壳体为14引脚蝶形封装壳体。
本发明的优点如下：
1、本发明采用个半导体激光器作为发光器件，微环谐振腔为光反馈器件构建了一套结构简单、成本低廉并且具有较高的发光效率和产品可靠性的窄线宽激光器产品。
2、本发明所采用的微环谐振腔由CMOS兼容工艺制作，有利于批量化制作。
3、本发明的核心器件(半导体激光器和微环谐振腔)都具有较小的体积，可以实现超小体积封装，具备应用于光通信器件中的潜力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明工作原理示意图；
图3为本发明提供的基于微环谐振腔的负反馈窄线宽半导体激光器的光谱图；
图4为半导体激光器自由运行时的线宽测试图；
图5为半导体激光器经微环谐振腔负反馈线宽压窄后的线宽测试图；
图6为本发明提供的基于微环谐振腔的负反馈窄线宽半导体激光器的P-I曲线。
附图标记如下：
1-半导体制冷器；2-温度传感器；3-输出光纤；4-微环谐振腔；41-增透膜；42-微环谐振腔芯片；43-环形波导；44-微环谐振腔的耦合波导；45-高反射膜；5-光电探测器；6-半导体激光器；7-耦合单元；71-准直透镜；72-可见光隔离器；73-耦合透镜、8-激光器壳体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
如图1所示，本发明所提供的基于微环谐振腔的负反馈窄线宽半导体激光器包括激光器壳体8、半导体制冷器1、温度传感器2、微环谐振腔4、光电探测器5、半导体激光器6、耦合单元7及激光器输出光纤3。
半导体制冷器1由导热胶贴装在激光器壳体8的内表面；温度传感器2、微环谐振腔4、光电探测器5、半导体激光器6、耦合单元7及输出光纤3由导热胶及导热垫片固定在半导体制冷器1表面；
半导体激光器6、半导体制冷器1、温度传感器2及光电探测器5通过金属线与激光器壳体8的对应引脚相连接；
微环谐振腔4的两个端面分别镀有增透膜41和高反射膜45；半导体激光器6位于微环谐振腔镀4有增透膜41的一侧并且和微环谐振腔4采用端面耦合的方式进行耦合，光电探测器5位于微环谐振腔4镀有高反射膜45的一侧；半导体激光器6发出经微环谐振腔4反馈压窄后的激光经耦合单元7、输出光纤3后射出；温度传感器2用于检测监控半导体激光器6的工作温度，且贴近微环谐振腔4设置。
其中：
本示例中半导体激光器6为一个分布反馈式半导体激光器，作为整个窄线宽激光器的发光器件；本示例的半导体激光器发射波长在1554nm附近，其线宽约为1MHz；
本示例中微环谐振腔4采用高折射率差光子集成平台制作而成，采用直通型的结构形式，其自由光谱范围为50GHz，品质因子为1×106；在本发明提供的窄线宽激光器中，微环谐振腔4为核心的反馈器件，将半导体激光器6的频率变化转换为反馈光信号的强度变化；微环谐振腔4包括微环谐振腔基片42，增透膜41、环形波导43、耦合波导44以及高反射膜45；微环谐振腔基片42的两个端面上分别镀设有增透膜41和高反射膜45；微环谐振腔基片42上生长有环形波导43和耦合波导44。增透膜41用于增加半导体激光器6和耦合波导44的耦合效率；高反射膜45用于发射部分光信号会半导体激光器6；
耦合单元7用于实现半导体激光器和输出光纤的对准耦合，耦合单元7包括沿着半导体激光器6激光出射方向依次设置的准直透镜71、空间光隔离器72和耦合透镜73。其中空间光隔离器72用于防止外部反射光对激光器工作状态产生影响；
下面结合图2对本示例窄线宽半导体激光器的工作原理进行详细说明：
通过调节半导体激光器6的工作电流和工作温度，使半导体激光器6的发射波长位于微环谐振腔4的谐振峰上升沿处，如图2的工作点。
由于微环谐振腔4的滤波作用，半导体激光器6的频率变化转化为反馈强度的变化，并将强度变化的光信号反馈到半导体激光器6内；
具体是：
当半导体激光器6的频率向高频(低频)方向变化时，由于微环谐振腔4的滤波作用，反馈到半导体激光器6的光场强度增加(减小)；半导体激光器6激光腔内的光子数增多(减小)，受激辐射将消耗更多(少)的载流子，因此腔内的载流子浓度减小(增大)；由于等离子体效应，DFB腔波导的折射率增加(减小)；DFB激光器的发射频率被拉向相反的方向，即向低频(高频)方向漂移，抵消了原激光腔频率的变化，从而实现激光器线宽的压窄。
由于本示例的半导体激光器6的工作波长为1554nm，其发射光谱如图3所示。采用延时自外差法对半导体激光器的线宽进行测试，延时光纤为25km，图4为半导体激光器6自由运行时的线宽测试结果，其线宽约为1MHz；经过微环谐振腔4的负反馈压窄后，其线宽缩小为5.5kHz，线宽测试结果如图4所示。测试结果表明采用本发明的方案，可以有效地将激光器线宽压窄两个数量级，对激光器的线宽控制有明显的有益效果。
激光器的发光效率的P-I曲线如图5所示，发光效率为0.07mW/mA，与半导体激光器6自由运行时的发光效率近似相同。这主要得益于本发明所采用的背向光反馈的方案，对激光器的发光效率几乎没有影响，因此，本发明提供的窄线宽激光器的发光效率只取决于半导体激光器6。通过选择半导体激光器6，本发明提供的窄线宽激光器可以适应多种应用场景。
总之，该激光器具有结构简单、体积小、成本低、易于批量加工生产及可靠性高等优点，为超高精度激光雷达、船舶水听器、航天器对接、卫星间通信，激光成像、激光测风雷达以及相干光通信技术领域提供了一种可靠的低成本窄线宽半导体激光光源。
Claims (10)
1.一种基于微环谐振腔的负反馈窄线宽半导体激光器，其特征在于：包括激光器壳体(8)、半导体制冷器(1)、温度传感器(2)、微环谐振腔(4)、半导体激光器(6)、光电探测器(5)、耦合单元(7)及输出光纤(3)；
半导体制冷器(1)由导热胶贴装在激光器壳体(8)的内表面；
温度传感器(2)、微环谐振腔(4)、光电探测器(5)、半导体激光器(6)、耦合单元(7)及输出光纤(3)由导热胶及导热垫片固定在半导体制冷器(1)表面；
半导体激光器(6)、光电探测器(5)、半导体制冷器(1)、温度传感器(2)通过金属线与激光器壳体(8)的对应引脚相连接；
微环谐振腔(4)的两个端面分别镀有增透膜(41)和高反射膜(45)；
半导体激光器(6)位于微环谐振腔(4)镀有增透膜(41)的一侧并且和微环谐振腔(4)采用端面耦合的方式进行耦合，光电探测器(5)位于微环谐振腔(4)镀有高反射膜(45)的一侧；
半导体激光器(6)发出经微环谐振腔(4)反馈压窄后的激光经耦合单元(7)、输出光纤(3)后射出；
温度传感器(2)用于检测监控半导体激光器(6)的工作温度，且贴近微环谐振腔(4)设置。
2.根据权利要求1所述的基于微环谐振腔的负反馈窄线宽半导体激光器，其特征在于：所述微环谐振腔(4)为直通型的微环谐振腔或者为上下话路型微环谐振腔，其品质因子大于1×105，自由光谱范围为1GHz～2THz。
3.根据权利要求2所述的基于微环谐振腔的负反馈窄线宽半导体激光器，其特征在于：所述半导体激光器(6)为分布反馈式半导体激光器，其发光波长由半导体制冷器和工作电流进行调节。
4.根据权利要求3所述的基于微环谐振腔的负反馈窄线宽半导体激光器，其特征在于：所述半导体激光器(6)的发光波长位于微环谐振腔(4)谐振峰的上升沿位置。
5.根据权利要求4所述的基于微环谐振腔的负反馈窄线宽半导体激光器，其特征在于：所述微环谐振腔(4)中增透膜(41)的透过率大于98％；高反射膜(45)的反射率在60％～99％范围内。
6.根据权利要求5所述的基于微环谐振腔的负反馈窄线宽半导体激光器，其特征在于：所述耦合单元(7)包括沿着半导体激光器(6)激光出射方向依次设置的准直透镜(71)、空间光隔离器(72)和耦合透镜(73)。
7.根据权利要求6所述的基于微环谐振腔的负反馈窄线宽半导体激光器，其特征在于：所述输出光纤(3)为保偏单模光纤或者单模光纤。
8.根据权利要求7所述的基于微环谐振腔的负反馈窄线宽半导体激光器，其特征在于：所述温度传感器(2)可采用热敏电阻代替。
9.根据权利要求8所述的基于微环谐振腔的负反馈窄线宽半导体激光器，其特征在于：所述光电探测器(5)为低噪声的P I N型光电探测器。
10.根据权利要求9所述的基于微环谐振腔的负反馈窄线宽半导体激光器，其特征在于：所述激光器壳体(8)为14引脚蝶形封装壳体。
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