CN111580216A - 一种平面光波导芯片及波导型单模光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光技术领域，尤其为一种平面光波导芯片及波导型单模光纤激光器，其包括平面光波导芯片主体，所述平面光波导芯片主体用于对接耦合半导体激光器发射的激光，所述平面光波导芯片主体包括入光端和出光端，从所述入光端至所述出光端，波导宽度呈梯度减小，从所述入光端至所述出光端，波导厚度不变，所述出光端的波导厚度和波导宽度相等，本发明有别于传统型光纤激光器的复杂的光学元器件的构成，本单模光纤激光器通过平面光波导芯片这个简单的光学器件可以把大功率半导体激光器所发射的多模激光无损耗地耦合进入纤芯芯径较小的单模光纤中，从而实现大功率激光直接通过单模光纤输出。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种平面光波导芯片及波导型单模光纤激光器。
背景技术
近年来，光纤激光器技术发展迅猛，由于使用光纤进行激光输出，光纤激光器具有很多便利性能。但行业的其他公司及研究单位大多注重于光纤激光器绝对功率的提升：大多采用多模光纤（如图1）作为出光光纤，而很少有厂家做到纯单模光纤（如图2）的高功率（>1W）激光输出。
究其原因，在于传统型光纤激光器（如图3）中，多模激光输出光纤具有较大尺寸的芯径，满足公式d>2.405*l/(p*NA)，其中，d为光纤芯径，l为光纤传输波长，NA为光纤数值孔径。多模光纤由于稀土离子掺杂区纤芯直径较大，易于实现激光泵浦光源的耦合及在较短长度内的有源区光纤的离子激发，从而实现大功率激光输出；而单模光纤芯径较小：满足公式d<2.405*l/(p*NA)。
对于传统型光纤激光器来说，由于单模光纤芯径小，有源区光纤对泵浦光吸收效率很低，需要很长的有源区光纤进行泵浦光吸收，故目前流行的传统光纤激光器很难把大功率激光耦合进入单模光纤中并发射出去。
单模光纤激光器比多模光纤激光器具备明显的优势：单模光纤激光器由于经单模光纤输出类高斯型激光光束，光束质量很好，M^2因子很小，M^2<1.05，接近于理想高斯光束，输出后的单模激光在空间衍化规律符合高斯型激光传输公式，易于集成和扩束等变换，可以实现精确的激光加工。而多模光纤激光器输出光束为多模光，是一种混合模式激光，M^2因子较大，输出光纤后的光束在空间衍化无规律，不易集成和扩束，不能进行精确激光加工。另外，由于单模激光光束质量好，光学参量积小，可以实现精确定位，用于精细激光加工领域；多模光纤由于光束质量差，不可以用于精细激光加工领域。
为解决上述问题，本申请中提出一种平面光波导芯片及波导型单模光纤激光器。
发明内容
为解决上述背景技术中提出的问题。本发明提供了一种平面光波导芯片及波导型单模光纤激光器，具有可以把大功率半导体激光器所发射的多模激光无损耗地耦合进入纤芯芯径较小的单模光纤中，从而实现大功率激光直接通过单模光纤输出的特点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种平面光波导芯片，其包括平面光波导芯片主体，所述平面光波导芯片主体用于对接耦合半导体激光器发射的激光，所述平面光波导芯片主体包括入光端和出光端，从所述入光端至所述出光端，波导宽度呈梯度减小。
作为本发明一种平面光波导芯片优选的，从所述入光端至所述出光端，波导厚度不变。
作为本发明一种平面光波导芯片优选的，所述出光端的波导厚度和波导宽度相等。
作为本发明一种平面光波导芯片优选的，所述入光端为比半导体发光腔面的发射区稍大的长条矩形。
作为本发明一种平面光波导芯片优选的，所述激光从所述入光端至所述出光端，由多模波导衍射为单模波导。
作为本发明一种平面光波导芯片优选的，所述平面光波导芯片主体采用石英玻璃材质制作而成。
作为本发明一种平面光波导芯片优选的，所述入光端的端面和/或所述出光端的端面镀有增透膜。
作为本发明一种平面光波导芯片优选的，所述入光端的端面和/或所述出光端的端面为平面，所述入光端的端面和侧面、所述出光端的端面和侧面与所述平面光波导芯片主体的底面间互为直角。
作为本发明一种平面光波导芯片优选的，所述入光端的宽度为100微米，所述出光端的宽度为3微米，所述波导厚度为3微米。
本发明还提供如下技术方案：一种波导型单模光纤激光器，包括半导体激光器、单模光纤接头和平面光波导芯片主体，所述平面光波导芯片主体为上述一种平面光波导芯片任意一项所述的平面光波导芯片主体。
与现有技术相比，本发明有别于传统型光纤激光器的复杂的光学元器件的构成，本单模光纤激光器通过平面光波导芯片这个简单的光学器件可以把大功率半导体激光器所发射的多模激光无损耗地耦合进入纤芯芯径较小的单模光纤中，从而实现大功率激光直接通过单模光纤输出。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为典型多模光纤结构示意图；
图2为典型单模光纤结构示意图；
图3为传统光纤激光器原理图；
图4为本发明中平面光波导芯片主体的结构示意图；
图5为本发明半导体激光器发光原理示意图；
图6为本发明波导型单模光纤激光器原理示意图；
图7为典型的激光光束质量分析仪显示图像。
图中：1、平面光波导芯片主体；10、出光端；11、入光端；12、波导宽度；13、波导厚度；2、半导体激光器；20、有源区；21、光场受限区；22、金属膜；23、多形接触面；24、绝缘层；25、慢轴发散角；26、快轴发散角；27、发射区；28、激光发光腔面；3、淡漠光纤接头；4、反射镜；5、有源光纤包层；6、有源光纤纤芯；7、泵浦激光；8、发射输出激光。
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做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。
实施例1
如图1-图5、图7所示，本发明提供的一种平面光波导芯片，包括平面光波导芯片主体1，平面光波导芯片主体1用于对接耦合半导体激光器2发射的激光，平面光波导芯片主体1包括入光端11和出光端10，从入光端11至出光端10，波导宽度12呈梯度减小。
具体的，从入光端11至出光端10，波导厚度13不变。
具体的，出光端10的波导厚度13和波导宽度12相等。
具体的，入光端11为比半导体发光腔面28的发射区27稍大的长条矩形。
具体的，激光从入光端11至出光端10，由多模波导衍射为单模波导。
具体的，平面光波导芯片主体1采用石英玻璃材质制作而成。
具体的，入光端11的端面和/或出光端10的端面镀有增透膜。
具体的，入光端11的端面和/或出光端10的端面为平面，入光端11的端面和侧面、出光端10的端面和侧面与平面光波导芯片主体1的底面间互为直角。
具体的，入光端11的宽度为100微米，出光端10的宽度为3微米，波导厚度13为3微米。
本实施例中，平面光波导芯片主体1的入光端11和出光端10为非对称形状，从而可以把半导体激光器2所发出的带状激光全部耦合进入平面光波导的具备相似形状和尺寸的入光端11中，经由平面光波导的逐渐变窄的波导向前传输，在平面光波导的出光端10衍化成纯单模激光，并经单模光纤接头3传输出去。
本技术方案的理论基础来源于一份专利文件申请号201711471552.0，本技术方案经实践检验，与理论高度一致。
由于半导体激光器2图5的激光发光腔面28的发射区27为一长条状的发光带：发光快轴竖直轴和发光慢轴水平轴的发光尺寸不同，发光快轴长度很短约1微米，而发光慢轴的长度相对较长约100微米；同时，快轴发散角26较大大于30°，慢轴发散角25较小约8°。所以，一般情况下，通常把半导体激光器2的激光耦合进入芯径较大约100微米的多模光纤中，作为传统光纤激光器的泵浦激光源来使用；而不能直接耦合进入芯径较小小于10微米的单模光纤中，如果直接与单模光纤进行耦合对接，将损失大部分激光能量，这些损耗的激光能量会造成光纤耦合对接端面处的局部发热，使器件可靠性降低，缩减器件的使用寿命甚至不能使用。
鉴于半导体激光器2的发光特点，本发明设计了一款新的平面光波导芯片图4来对接耦合半导体激光器所发射激光：本芯片整体结构为扁平状非对称结构，入光端11为长条形多模波导口如：宽度100微米，厚度5微米，从波导芯片的入光端11到出光端10，波导宽度12呈梯度减小，而波导厚度13不变，至出光端10处衍化为单模波导。一般地，出光端波导厚度和宽度相等。
本发明所使用平面光波导芯片，其入光端11由于是比半导体发光腔面的发射区稍大的长条矩形，故可以使半导体激光器2所发射的全部激光耦合进入平面光波导的入光端，不会有光损耗。随后激光在平面光波导中传输，而由于平面光波导为缓慢变窄的结构，变化平缓，故在平面光波导内部不会造成激光的损耗，随着入射激光在波导内的向前传输，传输的激光由于受到波导折射率的缓慢调制，开始由多模向单模逐步衍化，直到在平面光波导输出端完全衍化为单模激光，然后，再与后面的单模光纤接头耦合输出。
由以上激光耦合和传输过程可看出，本发明的整体结构不存在激光损耗点，半导体激光器所发射的全部激光都可以耦合进入平面光波导芯片，经此芯片后由多模激光逐渐衍化为单模激光，并由单模光纤接头耦合输出，达到了半导体激光的高效利用。
本发明易于实现，人员操作简单，易于实现大规模生产，将大大提高目前单模激光输出功率通常为毫瓦级，克服目前单模激光功率强度小的缺点，易于获得瓦级或数十瓦级的单模激光器件，而获得的这些高功率的单模激光，由于光束质量好，可以使用它们进行集成合束，获得更高功率的单模激光。
本发明的成功研制，可取代目前流行的传统型光纤激光器，大大减少光纤激光器的光学元件数量，大大提高激光利用效率。并且，本发明可摈弃传统光纤激光器中的有源光纤区的复杂的光纤光栅刻蚀，稀土离子掺杂等工艺；另外传统光纤激光器的泵浦光激发利用效率低，激发后的出射激光波长比泵浦光长，激光能量损耗高。而本发明可直接使任何波长和强度的半导体激光器所发射激光完全转化为单模激光，不受泵浦激光波长的限制，可得到超短或超长波段的单模大功率激光。
另外，由于发明适用于所有波段的半导体激光器所发射激光，没有波长限制。故只需根据所使用波长设计合适的波导宽度和选择合适芯径的单模光纤接头即可，可以很轻易地保证输出激光的单模性能。
实施例2
如图1-7所示，976nm单模光纤激光器制作：
半导体激光光源图5的准备：本半导体激光光源采购自国内某研究所，为目前国内具备较高输出功率的半导体光源器件：发光波长976nm，单管输出功率10W，发光端面慢轴长度即发光区域的宽度90微米，快轴长度为1微米即发光区域的高度；
平面光波导芯片图4的准备：本平面光波导芯片采用石英玻璃材质制作而成，具体制作工艺为目前流行的半导体光刻工艺。本平面光波导芯片的入光端宽度为100微米，波导厚度为3微米并处处保持不变，出光端宽度为3微米。本平面光波导芯片两端面经研磨抛光、镀976nm增透膜后使用，本波导两端面为平面，端面、侧面与底面间互为直角。
单模光纤接头的准备：本实施例所用单模光纤接头为普通光通信平面光波导分路器所用的单模光纤接头，单模光纤纤芯直径为4微米，数值孔径为0.15.本单模光纤接头端面经研磨抛光、镀976nm增透膜后使用，本接头端面为平面，端面、侧面与底面间互为直角。
其他辅材及设备准备：一对六维精密调整架，光波导芯片专用固定夹具，激光光束质量分析仪，光功率计，镊子等。
半导体激光光源与平面光波导芯片间的对接耦合图6：由于本实施例所采用平面光波导芯片入光端波导端面为矩形，此矩形面积比半导体激光光源发光端面尺寸稍大，故本实施例所使用的半导体激光光源所发射激光可以较容易地耦合进入本平面光波导芯片入光端波导：1、把半导体激光光源水平放置在左手边的六维精密调整架的调整平台上，发光端面朝向右方；2、在上述六维调整架的右边放置光波导芯片专用固定夹具，小心地用镊子把平面光波导芯片按图6所示的方向放置在此夹具上并拧紧夹具螺丝，固定；3、在平面光波导芯片的出光端放置激光光束质量分析仪，此分析仪探头可探测平面光波导芯片出射光的光束质量；4、通电启动半导体激光光源，为了不至于产生大量的热量，使其发光功率较小稍微大于激光器阈值即可。调整左手边的六维调整架的高度和角度，同时观察激光光束质量分析仪所显示的功率和光束质量，使激光最大限度地耦合进入平面光波导芯片中，一个典型的激光光束分析仪所显示图像如图7所示，上述图像显示的波导芯片出光端出射激光模场直径较大是因为激光在空气里传输了一段距离的因素，不影响整体评价。
平面光波导芯片与单模光纤接头的耦合对接：5、半导体激光光源与平面光波导芯片耦合对接完成后，撤去激光光束质量分析仪，安装上右手边的六维调整架，把单模光纤接头平置在此六维调整架的调整平台上，使单模光纤接头的端面水平向左；6、把单模光纤接头的末端与光功率计相连7、调整右手边六维调整架的位置，使单模光纤接头端面与平面光波导的出光端面对接耦合，同时观察光功率计的数值，使其最优化；
器件整体封装：8、步骤7完成后，用高质量的紫外胶对各连接处进行粘接封装，同时观察光功率计数值，使其在封装过程中保持稳定。封装完成后把器件从六维调整架上拆下，整个器件制作过程完成。
如图1-7所示，基于上述实施例中提供的平面光波导芯片，本发明还提供了一种波导型单模光纤激光器，包括半导体激光器2、单模光纤接头3和平面光波导芯片主体1，平面光波导芯片主体1为上述实施例中任意一项的平面光波导芯片主体1。
本实施例中，本波导型单模光纤激光器如图6基于大功率半导体激光器的发光特点为近似线型的激光发光腔面而设计的整体扁平状的平面光波导结构如图4。由激光耦合和传输过程可看出，本波导型单模光纤激光器的整体结构不存在激光损耗点，半导体激光器所发射的全部激光都可以耦合进入平面光波导芯片，经此芯片后由多模激光逐渐衍化为单模激光，并由单模光纤接头3耦合输出，达到了半导体激光的高效利用。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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)
1.一种平面光波导芯片，其特征在于：包括平面光波导芯片主体（1），所述平面光波导芯片主体（1）用于对接耦合半导体激光器（2）发射的激光，所述平面光波导芯片主体（1）包括入光端（11）和出光端（10），从所述入光端（11）至所述出光端（10），波导宽度（12）呈梯度减小。
2.根据权利要求1所述的平面光波导芯片，其特征在于：从所述入光端（11）至所述出光端（10），波导厚度（13）不变。
3.根据权利要求1所述的平面光波导芯片，其特征在于：所述出光端（10）的波导厚度（13）和波导宽度（12）相等。
4.根据权利要求1所述的平面光波导芯片，其特征在于：所述入光端（11）为比半导体发光腔面（28）的发射区（27）稍大的长条矩形。
5.根据权利要求1所述的平面光波导芯片，其特征在于：所述激光从所述入光端（11）至所述出光端（10），由多模波导衍化为单模波导。
6.根据权利要求1所述的平面光波导芯片，其特征在于：所述平面光波导芯片主体（1）采用石英玻璃材质制作而成。
7.根据权利要求1所述的平面光波导芯片，其特征在于：所述入光端（11）的端面和/或所述出光端（10）的端面镀有增透膜。
8.根据权利要求1所述的平面光波导芯片，其特征在于：所述入光端（11）的端面和/或所述出光端（10）的端面为平面，所述入光端（11）的端面和侧面、所述出光端（10）的端面和侧面与所述平面光波导芯片主体（1）的底面间互为直角。
9.根据权利要求1所述的平面光波导芯片，其特征在于：所述入光端（11）的宽度为100微米，所述出光端（10）的宽度为3微米，所述波导厚度（13）为3微米。
10.一种波导型单模光纤激光器，其特征在于：包括半导体激光器（2）、单模光纤接头（3）和平面光波导芯片主体（1），所述平面光波导芯片主体（1）为上述1-9中任意一项所述的平面光波导芯片主体（1）。
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