CN112186502A - 一种窄线宽半导体外腔激光器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种窄线宽半导体外腔激光器及其制作方法，激光器包括半导体集成芯片和带有耦合结构的光纤光栅，半导体集成芯片上设有取样光栅区；取样光栅区和光纤光栅为激光器中的模式选择滤波器，取样光栅区具有周期性梳状反射光谱，光纤光栅具有单峰反射光谱，模式选择滤波器合成光谱由取样光栅区反射光谱中一个反射峰的上升沿与光纤光栅单峰反射光谱的下降沿通过游标效应形成，或者由光纤光栅单峰反射光谱的上升沿与取样光栅区反射光谱中一个反射峰的下降沿通过游标效应形成。通过采用取样光栅和光纤光栅组合滤波，更容易实现窄带宽的模式选择滤波器，对布拉格光纤光栅带宽要求更低，制作简单、成本低，稳定性好。

Description

一种窄线宽半导体外腔激光器及其制作方法
【技术领域】
本发明涉及光通信和光传感技术领域，具体涉及一种窄线宽半导体外腔激光器及其制作方法。
【背景技术】
窄线宽激光光源具有超长相干长度和超低噪声，在超高精度相干激光雷达、船舶光纤水听器、周界安防及精密光纤传感、航天器对接、卫星间通信及光纤相干通信领域都具有极其广泛的应用。目前国内外市场上成熟的窄线宽单频激光器的激光器产品主要有两种：窄线宽光纤激光器和窄线宽半导体外腔激光器，两种方案的窄线宽激光器在性能都有各自的优劣势。具体如下：窄线宽光纤激光器相对于窄线宽半导体外腔激光器容易获得更大的出光功率和更低的低频相位噪声，但环境适应性和性能稳定性却不及窄线宽半导体外腔激光器，大部分商用的窄线宽光纤激光器工作温度仅限于0～50℃。另外，窄线宽光纤激光器的输出激光包含明显的弛豫振荡峰，因此低频范围内强度噪声较为明显，光传感和光通讯领域迫切要求降低窄线宽光纤激光器的低频强度噪声。窄线宽半导体外腔激光器则以其出色的环境适应性、超低的低频相对强度噪声、较低的相位噪声和较小的外形尺寸等特征，市场应用更为广泛。
窄线宽半导体外腔激光器纵模间距小，核心技术之一是设计稳定可靠的超窄光学滤波器作为外腔内选频元件，限制增益谱内谐振的纵模数，从而实现单一纵模振荡。目前市面上的窄线宽半导体外腔激光器，多采用布拉格光栅作为外腔内光学滤波选频的反射元件，与半导体增益芯片构成外腔半导体激光器，如美国RIO公司的专利20100303121A1“Achieving low phase noise in external cavity laser implemented using planarlightwave circuit technology”公开了一种使用布拉格硅基平面波导光栅和半导体增益芯片直接对接耦合的低噪声外腔激光器，但这种激光器耦合难度高、外腔耦合插损大，且布拉格硅基平面波导光栅的制作工艺复杂，成本较高。
另外一种窄线宽半导体外腔激光器采用光纤布拉格光栅作为斜边负反馈元件，基于这种激光器结构实现超窄线宽激光输出要求布拉格光纤光栅具有较高的反射率和足够窄的反射光谱带宽。布拉格光纤光栅的反射率和反射光谱带宽均与光栅的长度息息相关，反射率越高，反射光谱带宽越窄，光栅的长度就越长。例如，如果要设计一种反射光谱3dB带宽为0.1nm的布拉格光纤光栅，反射率为10％，光纤光栅需达到的长度为7mm；反射率为20％，光纤光栅需达到的长度为10mm。如果要设计一种反射光谱3dB带宽为0.07nm的布拉格光纤光栅，反射率为20％，光纤光栅的长达需要为15mm。布拉格光纤光栅长度直接决定了激光器外腔腔长和纵模间距，布拉格光纤光栅越长，外腔纵模间距越小，因此要求布拉格光纤光栅的反射光谱带宽越窄。如美国专利US8018982B2“Sliced fiber bragg grating usedas external cavity for semiconductor laser and solid state laser”所述的窄线宽激光器，需用到反射光谱带宽较窄和反射率较高的布拉格光纤光栅，其光纤光栅的长度较长，激光器纵模间距小，容易受到环境因素的影响，不利于激光器的稳定输出。
总体来看，目前市面上的窄线宽半导体外腔激光器在使用时对布拉格光纤光栅的带宽要求比较严格，制作复杂、成本较高，而且容易受到环境因素的影响，稳定性较差。因此需要设计一种低成本、稳定性好的窄线宽半导体外腔激光器，克服上述现有技术所存在的缺陷。
【发明内容】
针对目前市面上的窄线宽半导体外腔激光器在使用时对布拉格光纤光栅的带宽要求比较严格，制作复杂、成本较高，而且容易受到环境因素的影响，稳定性较差等技术问题，本发明提供了一种低成本、稳定性好的窄线宽半导体外腔激光器，目的在于解决上述技术问题。
本发明通过如下技术方案达到上述目的：
第一方面，本发明提供了一种窄线宽半导体外腔激光器，包括半导体集成芯片1和带有耦合结构的光纤光栅2，所述半导体集成芯片1上远离所述光纤光栅2的一端设有取样光栅区1-1；
所述取样光栅区1-1和所述光纤光栅2为激光器中的模式选择滤波器，所述取样光栅区1-1具有周期性梳状反射光谱，所述光纤光栅2具有单峰反射光谱，所述模式选择滤波器的合成光谱由所述取样光栅区1-1反射光谱中一个反射峰的上升沿与所述光纤光栅2单峰反射光谱的下降沿通过游标效应形成，或者由所述光纤光栅2单峰反射光谱的上升沿与所述取样光栅区1-1反射光谱中一个反射峰的下降沿通过游标效应形成。
优选地，所述取样光栅区1-1设置有第一加热电极，用于调整所述取样光栅区1-1的温度来调谐所述取样光栅区1-1反射光谱的峰值波长位置，进而获得不同光谱带宽的模式选择滤波器。
优选地，所述半导体集成芯片1上还设有调相区1-2和增益有源区1-3；
其中，所述调相区1-2处于所述半导体集成芯片1的中间区域，用于激光器的相位调控；所述增益有源区1-3设置在所述半导体集成芯片1上靠近所述光纤光栅2的一端，以便与所述光纤光栅2耦合。
优选地，所述调相区1-2设置有第二加热电极，用于对所述调相区1-2进行电流或电压注入，通过调整所述调相区1-2的温度来调谐激光器的腔模。
优选地，所述光纤光栅2上靠近耦合端面的位置设有光纤布拉格光栅区，通过调节所述光纤布拉格光栅区在所述光纤光栅2上的位置，实现激光器腔长的调节。
优选地，还包括光纤夹持器3，所述光纤夹持器3的内部设有光纤孔，以便将所述光纤光栅2上的光纤布拉格光栅区设置在所述光纤孔内。
优选地，所述光纤夹持器3采用硅材料制作。
优选地，所述光纤光栅2的耦合端面制作成锥形、楔形或半球形。
优选地，所述取样光栅区1-1是通过在均匀波导光栅中周期性去除部分区域而构成的一种周期性光栅结构。
第二方面，本发明还提供了一种窄线宽半导体外腔激光器的制作方法，其特征在于，用于制作第一方面所述的窄线宽半导体外腔激光器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的激光器包括半导体集成芯片和光纤光栅，半导体集成芯片集成有取样光栅区，取样光栅和光纤光栅为模式选择滤波器，其中取样光栅具有周期性梳状的反射光谱，光纤光栅具有单峰反射光谱，分别构成外腔激光器的两个外腔反射镜，模式选择滤波器合成光谱由取样光栅区反射光谱中一个反射峰的上升沿与光纤光栅单峰反射光谱的下降沿通过游标效应形成，或者由光纤光栅单峰反射光谱的上升沿与取样光栅区反射光谱中一个反射峰的下降沿通过游标效应形成。通过采用取样光栅和光纤光栅组合滤波，更容易实现窄带宽的模式选择滤波器，对布拉格光纤光栅带宽要求更低，制作简单、成本低，稳定性好。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述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为本发明实施例提供的一种窄线宽半导体外腔激光器的结构图；
图2为本发明实施例提供的一种光纤夹持器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种组合滤波实例中模式选择滤波器的合成光谱示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种组合滤波实例中模式选择滤波器的合成光谱示意图；
其中，附图标记如下：1-半导体集成芯片；2-光纤光栅；3-光纤夹持器；1-1-取样光栅区；1-2-调相区；1-3-增益有源区。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
在本发明各实施例中，符号“/”表示同时具有两种功能的含义，而对于符号“A和/或B”则表明由该符号连接的前后对象之间的组合包括“A”、“B”、“A和B”三种情况。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本发明。
实施例1：
为解决传统窄线宽半导体外腔激光器在使用时对布拉格光纤光栅的带宽要求比较严格，制作复杂、成本较高等技术问题，本发明实施例提供了一种窄线宽半导体外腔激光器，如图1所示，主要包括固定在控温基板上的半导体集成芯片1和带有耦合结构的光纤光栅2，所述半导体集成芯片1上远离所述光纤光栅2的一端设有取样光栅区1-1。
所述取样光栅区1-1和所述光纤光栅2为激光器中的模式选择滤波器，所述取样光栅区1-1具有周期性梳状反射光谱，所述光纤光栅2具有较宽(即宽于取样光栅区的反射光谱带宽)的单峰反射光谱，取样光栅和光纤光栅2分别构成激光器的两个外腔反射镜，所述模式选择滤波器的合成光谱由两个光谱的交叠部分形成，具体为：所述模式选择滤波器的合成光谱由所述取样光栅区1-1反射光谱中一个反射峰的上升沿与所述光纤光栅2单峰反射光谱的下降沿通过游标效应形成，或者由所述光纤光栅2单峰反射光谱的上升沿与所述取样光栅区1-1反射光谱中一个反射峰的下降沿通过游标效应形成。通过采用取样光栅和光纤光栅组合滤波，更容易实现窄带宽的模式选择滤波器，对布拉格光纤光栅带宽要求更低，制作简单、成本低，稳定性好。
下面结合附图，对各部分结构进行具体介绍：
结合图1，所述半导体集成芯片1上共设有三个功能区，依次为取样光栅区1-1、调相区1-2和增益有源区1-3，且三个功能区均布有电极。其中，所述取样光栅区1-1位于所述半导体集成芯片1上远离所述光纤光栅2的一端(即图中最左端)；所述调相区1-2处于所述半导体集成芯片1的中间区域，用于激光器的相位调控；所述增益有源区1-3设置在所述半导体集成芯片1上靠近所述光纤光栅2的一端(即图中最右端)，以便与所述光纤光栅2耦合。
所述取样光栅区1-1是通过在均匀波导光栅中周期性去除部分区域而构成的一种特殊周期性光栅结构，这种周期性光栅结构就导致所述取样光栅区1-1具有周期性梳状的反射光谱。其中，所述取样光栅区1-1的周期性光谱是为了与不同峰值波长的光纤光栅2组合，这样使用同一种有源芯片可以制作不同输出波长的激光器。
另外，所述取样光栅区1-1设置有第一加热电极，用于调整所述取样光栅区1-1的温度来调谐所述取样光栅区1-1反射光谱的峰值波长位置，进而获得不同光谱带宽的模式选择滤波器。具体地，通过所述第一加热电极对所述取样光栅区1-1进行电流注入，可以利用热效应改变所述取样光栅区1-1的有效折射率和光栅长度周期，进而调谐所述取样光栅区1-1梳状反射光谱的峰值波长位置。
所述调相区1-2设置有第二加热电极，用于对所述调相区1-2进行电流或电压注入，通过调整所述调相区1-2的温度来调谐激光器的腔模。具体地，通过所述第二加热电极对所述调相区1-2进行电流或电压注入，可以利用热效应改变无源波导的有效折射率和所述调相区1-2的物理长度，调节激光器谐振腔的腔长，从而实现激光器腔模的调谐。
其中，所述半导体集成芯片1具体可采用III-V族半导体材料制作，III-V族半导体是指由IIIA族元素硼、铝、镓、铟、铊和VA族元素氮、磷、砷、锑、铋组成的化合物，成分化学比都是1:1。例如砷化镉、砷化铝、碳化硅、砷化镓等。
继续参考图1，所述光纤光栅2上靠近耦合端面(即图中左端)的位置设有较短的光纤布拉格光栅区。所述光纤布拉格光栅区具有较宽的单峰反射光谱，当波长为布拉格波长时，光栅对光场的反射越强，波长偏离布拉格波长越远。具体实施例中，所述单峰反射光谱具有陡峭的上升沿和下降沿，相对于常规技术(长的光纤布拉格光栅区)，此处的布拉格峰值波长附近具有更为平坦的反射带。所述光纤光栅2与所述增益有源区1-3的波导直接耦合，为了提高耦合效率、降低外腔耦合损耗，可将所述光纤光栅2的耦合端面制作成锥形、楔形或半球形等耦合结构。
其中，这里“较短的光纤布拉格光栅区”是相对于常规光纤光栅较短。常规的光纤布拉格光栅区一般选择带宽为0.1nm，反射率为10％～20％的布拉格光纤光栅，光纤布拉格光栅区的长达需要为7～10mm。本发明实施例可以选用带宽0.2nm，反射率为10％～20％的布拉格光纤光栅，因此光纤布拉格光栅区的长度可以减至5～6mm。“较短的光纤布拉格光栅区”使得所述光纤光栅2具有较宽的单峰光谱。
进一步地，激光器还包括光纤夹持器3，如图2所示，所述光纤夹持器3的内部设有光纤孔，以便将所述光纤光栅2上的光纤布拉格光栅区设置在所述光纤孔内。所述光纤夹持器3优选采用高导热率的硅材料制作，通过导热胶粘接在控温基板上，由于硅材料具有很高的导热率，因此可为其内部的光纤布拉格光栅区提供较为恒定的温度条件，降低波长的温度漂移。
在本发明实施例中，所述光纤光栅2和所述取样光栅区1-1可视为激光器的两个外腔反射镜。这两个镜面的光学长度决定了整个激光器的纵模间隔，两个镜面的光学长度越长，纵模间隔越短，单个纵模的线宽就越窄。通过调节所述光纤布拉格光栅区在所述光纤光栅2上的位置，即调节所述光纤布拉格光栅区与所述光纤光栅2的耦合端面的距离，可实现激光器腔长的合理调节，进而得到窄线宽。
在本发明实施例中，所述光纤光栅2和所述取样光栅区1-1为外腔激光器中的模式选择滤波器。所述模式选择滤波器的合成光谱由所述取样光栅区1-1反射光谱中一个反射峰的上升沿与所述光纤光栅2单峰反射光谱的下降沿通过游标效应形成，或者由所述光纤光栅2单峰反射光谱的上升沿与所述取样光栅区1-1反射光谱中一个反射峰的下降沿通过游标效应形成。通过调整所述第一加热电极区的注入电流或电压可改变所述取样光栅区1-1的温度，调谐所述取样光栅区1-1反射光谱的峰值波长位置，从而获得不同光谱带宽的模式选择滤波器。
其中，基于光栅的高斯型光谱特性，所述取样光栅区1-1和所述光纤光栅2的反射光谱反射峰均具有陡峭的上升和下降沿；因此，本发明采用取样光栅和光纤光栅组合滤波，更容易实现带宽更窄的模式选择滤波器。需要说明的是，由于本发明实施例中的所述光纤布拉格光栅区具有较宽的单峰反射光谱，即较为平坦的波长反射带；因此，通过加热调整所述取样光栅区1-1的反射光谱峰值波长与所述光纤布拉格光栅区光谱进行游标操作，来调整所述模式选择滤波器的合成光谱的带宽，最终合成光谱的峰值插损并不会有很明显的变化，稳定性较好。
下面采用具体的实例对上述的组合滤波原理进行描述：
参考图3，在一个具体的实施例中，曲线3-1为所述光纤光栅2的单峰反射光谱示意图，曲线3-2为所述取样光栅区1-1周期性梳状的反射光谱示意图，曲线3-1和曲线3-2的交叠部分(即图3中斜线填充表示的部分)即为该组合滤波模式下所述模式选择滤波器的合成光谱，由曲线3-1中单反射峰的上升沿和曲线3-2其中一个反射峰的下降沿组成。
参考图4，在另一个具体的实施例中，曲线4-1为所述光纤光栅2的单峰反射光谱示意图，曲线4-2为所述取样光栅区1-1周期性梳状的反射光谱示意图。曲线4-1和曲线4-2的交叠部分(即图4中斜线填充表示的部分)即为该组合滤波模式下所述模式选择滤波器的合成光谱，由曲线4-1中单反射峰的下降沿和曲线4-2其中一个反射峰的上升沿组成。
其中，利用所述调相区1-2注入电流或电压的改变，对外腔激光器腔模进行调谐。只有与模式选择滤波器的合成光谱峰值波长处对准的腔模光场能得到最大反射，从而在激光器的谐振腔中形成来回振荡，最终得到激射，产生单模激光输出。
综上所述，本发明实施例提供的窄线宽半导体外腔激光器具有以下有益效果：
包括半导体集成芯片和光纤光栅，半导体集成芯片集成有取样光栅区，取样光栅和光纤光栅为模式选择滤波器，其中取样光栅具有周期性梳状的反射光谱，光纤光栅具有单峰反射光谱，分别构成外腔激光器的两个外腔反射镜，模式选择滤波器合成光谱由取样光栅区反射光谱中一个反射峰的上升沿与光纤光栅单峰反射光谱的下降沿通过游标效应形成，或者由光纤光栅单峰反射光谱的上升沿与取样光栅区反射光谱中一个反射峰的下降沿通过游标效应形成。通过采用取样光栅和光纤光栅组合滤波，更容易实现窄带宽的模式选择滤波器，对布拉格光纤光栅带宽要求更低，制作简单、成本低，稳定性好。
实施例2：
在上述实施例1的基础上，本发明实施例还提供了一种窄线宽半导体外腔激光器的制作方法，用于制作实施例1中所述的窄线宽半导体外腔激光器。制作过程如下：
第一步，制备如图1所示的半导体集成芯片1、光纤光栅2和光纤夹持器3。其中，所述光纤夹持器内光纤孔的尺寸、形状需要与所述光纤光栅2的尺寸、形状相耦合。
第二步，在所述光纤光栅2上靠近耦合端面的位置设置光纤布拉格光栅区；在所述半导体集成芯片1上依次划分出如图1所示的三个功能区，即取样光栅区1-1、调相区1-2和增益有源区1-3，并在各功能区内设置加热电极。其中，所述取样光栅区1-1通过在均匀波导光栅中周期性去除部分区域来进行制作。
第三步，将所述光纤光栅2穿过光纤夹持器3上的光纤孔固定在所述光纤夹持器内部，需要保证所述光纤光栅2上的光纤布拉格光栅区位于所述光纤孔内。
第四步，调整所述半导体集成芯片1与所述光纤夹持器3的相对位置，使得所述半导体集成芯片1与所述光纤光栅2满足耦合条件，调整完成后进行位置固定。
通过上述方法，即可得到实施例1中所述的窄线宽半导体外腔激光器，各部分的具体结构要求可参考实施例1中的相关介绍，在此不做赘述。
本领域普通技术人员可以理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，包括半导体集成芯片(1)和带有耦合结构的光纤光栅(2)，所述半导体集成芯片(1)上远离所述光纤光栅(2)的一端设有取样光栅区(1-1)；
所述取样光栅区(1-1)和所述光纤光栅(2)为激光器中的模式选择滤波器，所述取样光栅区(1-1)具有周期性梳状反射光谱，所述光纤光栅(2)具有单峰反射光谱，所述模式选择滤波器的合成光谱由所述取样光栅区(1-1)反射光谱中一个反射峰的上升沿与所述光纤光栅(2)单峰反射光谱的下降沿通过游标效应形成，或者由所述光纤光栅(2)单峰反射光谱的上升沿与所述取样光栅区(1-1)反射光谱中一个反射峰的下降沿通过游标效应形成。
2.根据权利要求1所述的窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，所述取样光栅区(1-1)设置有第一加热电极，用于调整所述取样光栅区(1-1)的温度来调谐所述取样光栅区(1-1)反射光谱的峰值波长位置，进而获得不同光谱带宽的模式选择滤波器。
3.根据权利要求1所述的窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，所述半导体集成芯片(1)上还设有调相区(1-2)和增益有源区(1-3)；
其中，所述调相区(1-2)处于所述半导体集成芯片(1)的中间区域，用于激光器的相位调控；所述增益有源区(1-3)设置在所述半导体集成芯片(1)上靠近所述光纤光栅(2)的一端，以便与所述光纤光栅(2)耦合。
4.根据权利要求3所述的窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，所述调相区(1-2)设置有第二加热电极，用于对所述调相区(1-2)进行电流或电压注入，通过调整所述调相区(1-2)的温度来调谐激光器的腔模。
5.根据权利要求1所述的窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，所述光纤光栅(2)上靠近耦合端面的位置设有光纤布拉格光栅区，通过调节所述光纤布拉格光栅区在所述光纤光栅(2)上的位置，实现激光器腔长的调节。
6.根据权利要求5所述的窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，还包括光纤夹持器(3)，所述光纤夹持器(3)的内部设有光纤孔，以便将所述光纤光栅(2)上的光纤布拉格光栅区设置在所述光纤孔内。
7.根据权利要求6所述的窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，所述光纤夹持器(3)采用硅材料制作。
8.根据权利要求1-7任一所述的窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，所述光纤光栅(2)的耦合端面制作成锥形、楔形或半球形。
9.根据权利要求1-7任一所述的窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，所述取样光栅区(1-1)是通过在均匀波导光栅中周期性去除部分区域而构成的一种周期性光栅结构。
10.一种窄线宽半导体外腔激光器的制作方法，其特征在于，用于制作权利要求1-9任一所述的窄线宽半导体外腔激光器。
CN202011064014.1A 2020-09-30 2020-09-30 一种窄线宽半导体外腔激光器及其制作方法 Pending CN112186502A (zh)

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