CN111077614A - 微光学集成的光发射模块及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了微光学集成的光发射模块及其应用，包括集成在一起的一个主、从激光器及一个耦合器；所述主、从激光器分别与耦合器的第一、第二端口连接，主、从激光器与耦合器之间通过微光学集成方式耦合通光。不仅解决了光发射单元体积庞大的缺点，同时也提高了光发射单元的可靠性，简化了系统的设计复杂度，同时也有利于降低成本。

Description

微光学集成的光发射模块及其应用

技术领域

本发明属于量子保密通信领域，尤其涉及微光学集成的注入锁定激光器。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前信息加密通常采用的技术标准是20世纪70年代诞生的RSA算法，即利用大数的质因子分解难以计算来保证密钥的安全性，但这种安全性是基于攻击者计算能力有限得到的结果，无法从根本上保证信息的无条件安全。

量子密钥分发(QKD)是基于量子力学和密码学而产生的，它的安全性由量子力学基本原理—海森堡测不准原理和量子不可克隆定理保证，能够确保密钥分发和传输的安全性。使用QKD系统产生的安全密钥，结合“一次一密”的加密方法，可以实现无条件安全的保密通信。自1984年诞生以来，BB84协议作为目前量子密钥分发领域最为成熟和效率最高的协议，已经发展出基于光子的相位和偏振等基本性质的编码方案，如：相位编码，偏振编码，时间比特-相位编码等。

在这些方案的工程实践上，由于器件的性能的不完美，使得系统的缺陷被放大，最终影响数据信息的安全性。例如：对于偏振编码系统，光子偏振态对光纤扰动敏感，这直接影响系统误码率；同样对于相位编码和时间比特-相位编码系统，均需要采用基于等臂干涉仪原理的器件进行系统搭建，温度和应力等因素极易影响光脉冲的相位，从而影响等臂干涉仪的干涉效果，最终时间和相位基矢的稳定性和系统成码率变差。如果在以上系统中采用注入锁定技术的光源，不仅可以使得光脉冲单色性更好，从而提高偏振编码态的干涉性能，最终提高成码性能；而且可以提高Z基矢编码时的消光比，同时还可以提供相位关系稳定的X基矢中的两个连续脉冲，最终使得系统成码率和稳定性大幅提升，具体参见中国专利CN107317636A-一种用于量子通信系统的光源及编码装置。

发明人在研究中发现，在以上系统中，采用注入锁定技术的光源需要用到多个激光器，同时对于每个激光器需要单独设计相应的驱动电路，而且还需要用到环形器或者干涉仪这样复杂而且体积较大的器件，导致光发射单元体积庞大，且光纤器件性能易受环境振动、温度等因素的扰动，从而导致光发射单元的可靠性不高的问题。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了微光学集成的注入锁定激光器，不仅解决了光发射单元体积庞大的缺点，同时也提高了光发射单元的可靠性，简化了系统的设计复杂度，同时也有利于降低成本。

本发明的第一个方面，为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一种微光学集成的光发射模块，包括集成在一起的一个主、从激光器及一个耦合器；

所述主、从激光器分别与耦合器的第一、第二端口连接，主、从激光器与耦合器之间通过微光学集成方式耦合通光。

进一步的技术方案，所述主激光器的光从耦合器的第一端口进入，第二端口出来，最终注入从激光器中，同时还有一部分光从耦合器的第三端口引出，以检测主激光器的出口光强。

进一步的技术方案，所述主激光器的光注入从激光器后，当从激光器上电情况下，注入电流受激辐射出与注入光脉冲相位、波长一致的注入锁定光脉冲，注入锁定光脉冲从耦合器第二端口进入，从耦合器的第四端口输出。

进一步的技术方案，所述耦合器包括第一分光棱镜、第二分光棱镜、旋光组件及光纤；

所述主激光器发出光脉冲经过第一分光棱镜，发生90度偏折传播的光遇到第二分光棱镜，再次发生90度偏折，并通过旋光组件，随后注入至从激光器的谐振腔中，没有发生偏折的主激光器光脉冲则从光纤一端口中输出，从该端口检测主激光器的光强。

进一步的技术方案，所述从激光器受激辐射发出光脉冲后，依次通过旋光组件、第二分光棱镜，最后从光纤二端口中输出。

进一步的技术方案，所述旋光组件由1/2λ石英波片和法拉第旋转片构成，所述主激光器发出光脉冲经过1/2λ石英波片时，1/2λ石英波片用于调整该光脉冲的偏振方向，使其与从激光器输出光的本征偏振方向一致。

进一步的技术方案，所述集成在一起的一个主、从激光器及一个耦合器采用矩形管壳的方式集成，管壳采用下沉式，管壳的封盖用胶封装。

进一步的技术方案，所述主、从激光器使用DML封装结构单独封装，采用TEC来实现温控，采用负温度系数热敏电阻反馈温度。

进一步的技术方案，所述光发射模块还包括与所述主、从激光器相应的激光器驱动电路。

本发明的第二个方面，本公开的实施例还公开了一种采用上述微光学集成的光发射模块检测主激光器的光强的方法，包括：

主激光器发出的一束光透射穿过第一分光棱镜耦合进入一个保偏准直器中，转动准直器轴线，使得保偏准直器的主轴和透射偏振光的振动方向重合，得到最大光强，可以用来检测主激光器的输出频率和模式。

本发明的第三个方面，本公开的实施例还公开了一种上述微光学集成的光发射模块的工作方法，包括：

主激光器发出的光束经过第一分光棱镜透射的一束用来检测主激光器的输出频率和模式，另一束经过第一分光棱镜折射后进入第二分光棱镜进行偏振分光，其中，P分量的光束透过第二分光棱镜，离开主光路，s分量的光束经第二分光棱镜折射后，经过旋光组件，光束不发生任何旋转，注入从激光器中；

从激光器收到主激光器的注入光后被激发出一束偏振光，从激光器的偏振光振动方向和注入光相同，为s分量的光束，沿与注入光相反的方向经过旋光组件后，旋转变成P分量的光束，透过第二分光棱镜后，耦合到对应的一个光纤准直器中；

上述光纤准直器为保偏准直器，转动该准直器轴线，使得该保偏准直器的主轴和透射偏振光的振动方向重合并输出。

进一步的技术方案，所述主激光器发出的光束注入从激光器时，调整注入光的偏振方向，使其与从激光器输出光的本征偏振方向一致，保证注入锁定最高效率的实现。

本发明的第四个方面，本公开的实施例还公开了一种微光学集成的注入锁定激光器，包括上述本发明的第一个方面所提供的任意一种微光学集成的光发射模块。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明针对采用注入锁定技术的光发射模块中的光发射单元(激光器)和调控单元(驱动电路)分立的情况下同时还需采用光环行器这样体积较大的光学器件的问题，在技术方案上，将激光器驱动和多个激光器光发射芯片集成在一起，通过设计注入锁定光路，多个激光器光发射芯片之间通过微光学集成方式耦合通光，然后封装在一个模块里，这样不仅解决了光发射单元体积庞大的缺点，同时也提高了光发射单元的可靠性，简化了系统的设计复杂度，同时也有利于降低成本。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例注入锁定光源的光路图；

图2为本发明实施例注入锁定光源主激光器出光图；

图3为本发明实施例注入锁定光源从激光器出光图；

图4(a)-图4(b)为本发明实施例PBS棱镜工作原理图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提出的总体思路：

针对采用注入锁定技术的光发射模块中的光发射单元(激光器)和调控单元(驱动电路)分立的情况下同时还需采用光环行器这样体积较大的光学器件的问题，采用：将激光器驱动和多个激光器光发射芯片集成在一起，通过设计注入锁定光路，多个激光器光发射芯片之间通过微光学集成方式耦合通光，然后封装在一个模块里。

实施例一

本实施例公开了一种微光学集成的光发射模块，为发送端注入锁定光源，参见附图1所示，包括主、从激光器及耦合器。

具体实施例中，光纤一端口相当于耦合器的3端口；光纤二端口相当于耦合器的4端口。

主、从激光器分别与耦合器的1、2端口连接，主激光器Master-LD的光可以从耦合器的1端口进入，2端口出来，最终注入从激光器Slave-LD中，同时还有一部分光可以从耦合器的3端口引出，以检测主激光器的出口光强。主激光器注入从激光器后，当从激光器上电情况下，注入电流受激辐射出与注入光脉冲相位、波长一致的注入锁定光脉冲，注入锁定光脉冲从耦合器2端口进入，而只能从耦合器的4端口输出。

更为具体的实施例，注入锁定光源主激光器出光图如图2所示，主激光器发出光脉冲经过分光棱镜一，发生90度偏折传播的光遇到分光棱镜二，再次发生90度偏折，并通过旋光组件，随后注入至从激光器的谐振腔中，而没有发生偏折的主激光器光脉冲则从光纤一端口中输出，从这个端口可以检测主激光器的光强。

从激光器受激辐射发出光脉冲后，依次通过旋光组件、分光棱镜二，最后从光纤二端口中输出，如图3所示。

下面对整体光路做一个说明：

本公开的该实施例中，基于微光学集成的光发射模块，能够实现检测主激光器的光强，具体方法为：主激光器发出的光束(偏振光)经非偏振分光棱镜(NPBS棱镜)分光(分束比50:50)后，其中一束透射穿过NPBS棱镜耦合进入一个保偏准直器中，再通过光纤尾纤从光纤一端口中输出。转动准直器轴线，使得保偏准直器的主轴和透射偏振光的振动方向重合，得到最大光强，可以用来检测主激光器的输出频率和模式。

微光学集成的光发射模块具体工作时，还包括：另一束光经NPBS棱镜90°折射后进入偏振分光棱镜(PBS棱镜)进行偏振分光。其中P分量的光束透过PBS棱镜，离开主光路；s分量的光束经PBS棱镜折射后，再经过由1/2λ石英波片和法拉第旋转片构成的“旋光组件”，第一次经过“旋光组件”时，光束不发生任何旋转，还是以s波的方式注入从激光器中。注入光路中1/2λ波片的作用是为了调整注入光的偏振方向，使它与从激光器输出光的本征偏振方向一致，保证注入锁定最高效率的实现。

从激光器收到主激光器的注入光后被激发出一束偏振光，从激光器的偏振光振动方向和注入光相同(都是s波)，沿与注入光相反的方向经过“旋光组件”，第二次经过“旋光组件”时旋转90°变成了p波，透过PBS棱镜后，耦合到第二个光纤准直器中，再通过光纤尾纤从光纤二端口中输出。PBS棱镜的工作原理见图4(a)、4(b)。

第二个光纤准直器也是保偏准直器，需要转动准直器轴线，使得保偏准直器的主轴和透射偏振光的振动方向重合。整个无源部分光路采用光路无胶的工艺，可以承受500～1000毫瓦的光功率。

在一实施例中，散热部分：主、从激光器使用成熟的直接调制激光器(DML)封装结构单独封装，采用TEC来实现温控，采用负温度系数热敏电阻反馈温度。

在一实施例中，管壳为矩形，设计采用下沉式，以容置所述光发射模块，封盖用胶封装。考虑到器件整体散热问题，管壳采用可伐合金材料，管壳整体镀镍防锈。

在一实施例中，光纤尾纤pigtail适配器组件，满足标准光纤尾纤pigtail适配器协议和相关技术要求。光纤尾纤通过适配器组件延伸至管壳外，与光纤一端口和光纤二端口相对应，采用双孔固定方式，将适配器组件与管壳进行封装。

在一实施例中，所述微光学集成的光发射模块还包括与所述主、从激光器相应的激光器驱动电路。

本公开的上述实施例将激光器驱动和多个激光器光发射芯片集成在一起，通过设计注入锁定光路，多个激光器光发射芯片之间通过微光学集成方式耦合通光，然后封装在一个模块里，这样不仅解决了光发射单元体积庞大的缺点，同时也提高了光发射单元的可靠性，简化了系统的设计复杂度，同时也有利于降低成本。

实施例二

本实施例的目的是提供微光学集成的注入锁定激光器，包括上述实施例一中的任意一种微光学集成的光发射模块。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (13)

1.一种微光学集成的光发射模块，其特征是，包括集成在一起的一个主、从激光器及一个耦合器；

所述主、从激光器分别与耦合器的第一、第二端口连接，主、从激光器与耦合器之间通过微光学集成方式耦合通光。

2.如权利要求1所述的一种微光学集成的光发射模块，其特征是，所述主激光器的光从耦合器的第一端口进入，第二端口出来，最终注入从激光器中，同时还有一部分光从耦合器的第三端口引出，以检测主激光器的出口光强。

3.如权利要求2所述的一种微光学集成的光发射模块，其特征是，所述主激光器的光注入从激光器后，当从激光器上电情况下，注入电流受激辐射出与注入光脉冲相位、波长一致的注入锁定光脉冲，注入锁定光脉冲从耦合器第二端口进入，从耦合器的第四端口输出。

4.如权利要求1所述的一种微光学集成的光发射模块，其特征是，所述耦合器包括第一分光棱镜、第二分光棱镜、旋光组件及光纤；

所述主激光器发出光脉冲经过第一分光棱镜，发生90度偏折传播的光遇到第二分光棱镜，再次发生90度偏折，并通过旋光组件，随后注入至从激光器的谐振腔中，没有发生偏折的主激光器光脉冲则从光纤一端口中输出，从该端口检测主激光器的光强。

5.如权利要求4所述的一种微光学集成的光发射模块，其特征是，所述从激光器受激辐射发出光脉冲后，依次通过旋光组件、第二分光棱镜，最后从光纤二端口中输出。

6.如权利要求5所述的一种微光学集成的光发射模块，其特征是，所述旋光组件由1/2λ石英波片和法拉第旋转片构成，所述主激光器发出光脉冲经过1/2λ石英波片时，1/2λ石英波片用于调整该光脉冲的偏振方向，使其与从激光器输出光的本征偏振方向一致。

7.如权利要求1所述的一种微光学集成的光发射模块，其特征是，所述集成在一起的一个主、从激光器及一个耦合器采用矩形管壳的方式集成，管壳采用下沉式，管壳的封盖用胶封装。

8.如权利要求1所述的一种微光学集成的光发射模块，其特征是，所述主、从激光器使用DML封装结构单独封装，采用TEC来实现温控，采用负温度系数热敏电阻反馈温度。

9.如权利要求1至8任意一项所述的一种微光学集成的光发射模块，其特征是，所述光发射模块还包括与所述主、从激光器相应的激光器驱动电路。

10.一种采用如权利要求4至6任意一项所述的微光学集成的光发射模块检测主激光器的光强的方法，其特征是，包括：

主激光器发出的一束光透射穿过第一分光棱镜耦合进入一个保偏准直器中，转动准直器轴线，使得保偏准直器的主轴和透射偏振光的振动方向重合，得到最大光强。

11.一种如权利要求4至6任意一项所述的微光学集成的光发射模块的工作方法，其特征是，包括：

主激光器发出的光束经过第一分光棱镜透射的一束用来检测主激光器的输出频率和模式，另一束经过第一分光棱镜折射后进入第二分光棱镜进行偏振分光，其中，P分量的光束透过第二分光棱镜，离开主光路，s分量的光束经第二分光棱镜折射后，经过旋光组件，光束不发生任何旋转，注入从激光器中；

从激光器收到主激光器的注入光后被激发出一束偏振光，从激光器的偏振光振动方向和注入光相同，为s分量的光束，沿与注入光相反的方向经过旋光组件后，旋转变成P分量的光束，透过第二分光棱镜后，耦合到对应的一个光纤准直器中；

所述光纤准直器为保偏准直器，转动该准直器轴线，使得该保偏准直器的主轴和透射偏振光的振动方向重合并输出。

12.如权利要求11所述的工作方法，其特征是，所述主激光器发出的光束注入从激光器时，调整注入光的偏振方向，使其与从激光器输出光的本征偏振方向一致。

13.一种微光学集成的注入锁定激光器，其特征是，包括如权利要求1至9任意一项所述的光发射模块。

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