CN112563883A - 一种集成化外腔式单频线偏振半导体激光器 - Google Patents

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武春风
李强
姜永亮
刘厚康
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戴玉芬
王光斗
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Abstract

本发明的一种集成化外腔式单频线偏振半导体激光器，包括InGaAs半导体芯片、LiNbO3晶体衬底、LiNbO3波导结构、LiNbO3波导光栅和热电制冷器TEC；LiNbO3波导结构、LiNbO3波导光栅制作于LiNbO3晶体衬底上；LiNbO3波导光栅是所述LiNbO3波导结构的一部分刻蚀周期性结构而形成；LiNbO3波导光栅的周期性结构包括一半低折射率长度部分和一半高折射率长度部分，共同构成一个周期长度L。本发明将InGaAs多量子阱材料作为激光的增益介质，输出波长范围可覆盖1000nm到1100nm，实现了InGaAs半导体芯片高TE模式占比激发，提高输出激光的消光比；采用短直线型谐振腔结构，通过InGaAs半导体芯片与LiNbO3波导光栅直接键合集成方式，提升了对准精度，增加了激光耦合效率，改善光束质量，降低耦合损耗，提高了激光器单纵模稳定性。

Description

一种集成化外腔式单频线偏振半导体激光器
技术领域
本发明涉及线偏振单频激光器领域，具体是一种集成化外腔式单频线偏振半导体激光器。
背景技术
单频半导体激光器是激光器发展的一个重要分支，具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、可直接电流驱动、光谱线宽窄、相干性好等优势，是窄线宽光纤激光器、全固态激光雷达、相干光通信等应用的理想光源。单频半导体激光器通常在谐振腔中集成频率选择结构或者在激光腔外部与选模器件进行耦合，从而控制不同波长的增益损耗，来实现压缩其光谱线宽的目的。半导体激光器压窄线宽的方法主要分为两类：一是内腔反馈法，典型的代表为分布式反馈半导体激光器(Distributed Feedback，DFB)；二是外腔光反馈法，主要包括体全息光栅(Volume holographic grating,VHG)、光纤光栅(FiberBragg grating，FBG)半导体激光器等。在窄线宽光纤激光器、激光雷达、非线性频率转换等应用领域对激光器的光谱线宽极窄、线偏振运转、高可靠提出了高的要求，外腔式单频半导体激光器输出线宽比DFB半导体激光器线宽更窄(小2-3个数量级)，应用优势明显。
目前研究报道的外腔式单频半导体激光器，一般采用光纤光栅、体光栅等作为波长选择器件。由于其输出谐振腔腔长较长，激光器纵模间隔较小，很容易实现单纵模输出，输出功率也容易达到几十mW量级，同时线宽可以做到10kHz以下。但由于空间结构的谐振腔结构，空间耦合导致激光器单模稳定性、线偏振特性(约15dB)、噪声特性均较差，严重限制了极窄单频半导体激光器的应用。因此，迫切需要发展一种集成化的线宽极窄线偏振输出的半导体激光器，实现线宽10kHz量级、消光比超过50dB的单频线偏振激光的稳定输出。
发明内容
本发明目的在于克服现有外腔式半导体激光器的不足，提出了一种基于LiNbO3晶体集成化的单频线偏振激光器。采用在LiNbO3晶体作为衬底，通过光刻(采用退火质子交换工艺)形成直波导结构，形成波导光栅集成化外腔式波长选择器件，充分利用LiNbO3晶体良好的双折射特性，提升单频激光偏振消光比；与半导体激光芯片对准键合，实现单频激光芯片与LiNbO3晶体波导光栅高度耦合，提升单频激光的单纵模稳定性并减小噪声，最终实现线宽10kHz量级、消光比超过50dB的单频线偏振激光的稳定输出。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种集成化外腔式单频线偏振半导体激光器，其特征在于包括InGaAs半导体芯片、LiNbO3晶体衬底、LiNbO3波导结构、LiNbO3波导光栅和热电制冷器TEC；
所述LiNbO3波导结构、LiNbO3波导光栅制作于所述LiNbO3晶体衬底上；所述LiNbO3波导光栅是所述LiNbO3波导结构的一部分刻蚀周期性结构而形成；
所述LiNbO3波导光栅的周期性结构包括一半低折射率长度部分和一半高折射率长度部分，共同构成一个周期长度L；
所述InGaAs半导体芯片与LiNbO3波导直接键合集成，所述InGaAs半导体芯片和所述LiNbO3波导结构的一部分刻蚀成的周期性结构的LiNbO3波导光栅构成短直线型谐振腔结构；所述InGaAs半导体芯片出射的激光入射至LiNbO3波导结构后再入射至LiNbO3波导光栅，最后再入射至LiNbO3波导结构后输出单频线偏振激光，所述LiNbO3波导光栅位于其所述前后两部分LiNbO3波导结构的中间；
或者，所述InGaAs半导体芯片与LiNbO3波导光栅直接键合集成，所述InGaAs半导体芯片与LiNbO3波导光栅构成短直线型谐振腔结构；所述InGaAs半导体芯片出射的激光入射至LiNbO3波导光栅，再入射至LiNbO3波导结构后输出单频线偏振激光；
所述InGaAs半导体芯片出射的激光为TE模式高占比激光，入射至所述LiNbO3波导光栅，通过所述LiNbO3波导光栅压缩其光谱线宽，输出窄线宽激光；
所述InGaAs半导体芯片、LiNbO3晶体衬底、LiNbO3波导结构和LiNbO3波导光栅安装在所述热电制冷器TEC上。
进一步地，所述InGaAs半导体芯片采用多量子阱外延结构与窄脊柱型增益结构，所述InGaAs半导体芯片一端面镀1000nm-1100nm的增透膜，所述此一端面与LiNbO3波导直接键合，另一端面镀1000nm-1100nm的高反膜。
进一步地，所述LiNbO3波导光栅的周期性结构中一半低折射率长度部分的低折射率具体为1.3-1.4，一半高折射率长度部分的高折射率具体为1.5-1.8，所述周期性结构的一个周期长度L为100μm-200μm。
进一步地，所述LiNbO3晶体衬底的两个端面涂镀有吸光材料，覆盖住除LiNbO3波导以外的端面。以尽量吸收波导外的辐射光。
具体地，所述LiNbO3波导结构为直波导结构或者含直波导结构的Y型波导结构。
具体地，所述LiNbO3波导结构采用退火质子交换工艺制作，具体为选用苯甲酸(C6H5COOH)作为质子源，将LiNbO3晶体浸入120-150摄氏度的苯甲酸溶液中，发生Li+到H+交换，在晶体表面形成HxLi1-xNbO3高折射率层，进而LiNbO3衬底上形成直波导结构或含直波导结构的Y型波导结构。
优选的，还包括聚焦透镜和保偏光纤，所述LiNbO3波导结构、聚焦透镜、保偏光纤顺次光路连接，所述保偏光纤靠近聚焦透镜的一端抛光后镀有1000nm-1100nm波段增透膜。所述LiNbO3波导结构内的TE模式激光通过聚焦透镜耦合到PM980保偏光纤中，提高了输出激光的偏振消光比。
可选的，还包括保偏光纤，所述保偏光纤熔接在所述LiNbO3波导结构的输出端面。所述LiNbO3波导结构内的TE模式激光直接耦合到PM980保偏光纤中，增加了激光耦合效率，降低了耦合损耗。
优选的，所述LiNbO3晶体衬底上还添加有电极，在所述LiNbO3波导光栅后面的LiNbO3波导结构对输出激光加载微波信号进行相位调制，实现输出光束线宽可调。
具体地，所述LiNbO3晶体衬底为X-Y切的LiNbO3晶片，所述X的方向为晶体的出光方向，即是激光的出射方向，所述Y的方向通过右手定则所确定。
优选的，所述保偏光纤一端抛光后镀有1000nm-1100nm波段增透膜，提高了耦合效率。
优选的，本发明所述的一种集成化外腔式单频线偏振半导体激光器通过标准14-pin蝶形封装工艺封装，可以获得稳定可靠的单频半导体激光输出。
具体地，所述LiNbO3波导结构的一部分刻蚀周期性结构而形成，具体采用飞秒激光直写或聚焦离子束刻蚀方式，形成LiNbO3波导光栅，形成线偏振激光TE的振荡与激射。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、将InGaAs多量子阱材料作为激光的增益介质，输出波长范围可覆盖1000nm到1100nm，实现了InGaAs半导体芯片高TE模式占比激发，高TE模式占比可以提高输出激光的消光比；
2、采用短直线型谐振腔结构，通过InGaAs半导体芯片与LiNbO3波导光栅直接键合集成方式，提升了对准精度，增加了激光耦合效率，改善光束质量，降低耦合损耗，提高了激光器单纵模稳定性并降低了激光器因耦合引起的噪声；
3、利用LiNbO3晶体的优良双折射特性，在X-Y切LiNbO3晶体衬底上采用退火质子交换方式形成直型波导结构，并采用飞秒激光直写或聚焦离子束刻蚀周期性结构方式，形成LiNbO3波导光栅，形成线偏振激光TE的振荡与激射；
4、通过在LiNbO3晶体衬底两端面镀吸光材料方式，吸收波导外的辐射TM模式激光，进一步保证输出激光中TE模式激光的高占比，最终实现线宽kHz量级、消光比超过50dB的单频线偏振激光的稳定输出。
附图说明
图1为本发明实施例1的集成化外腔式单频线偏振半导体激光器的原理示意图。
图2为LiNbO3波导偏振消光示意图。
图3为LiNbO3晶体端面吸光材料涂覆示意图。
图4为LiNbO3晶体上折射率周期性分布结构图。
图5为本发明实施例2的集成化外腔式单频线偏振半导体激光器的原理示意图。
其中：1-InGaAs半导体芯片，2-吸光材料薄膜(与7-吸光材料薄膜相同)，3-LiNbO3晶体波导(与6-LiNbO3晶体波导相比，除所在的空间位置和长度不同其余全部相同)，4-LiNbO3晶体衬底，5-LiNbO3波导光栅，6-LiNbO3晶体波导(与3-LiNbO3晶体波导相比，除所在的空间位置和长度不同其余全部相同)，7-吸光材料薄膜(与2-吸光材料薄膜相同)，8-聚焦透镜，9-保偏光纤，10-非常光，11-热沉。
图4中：n1-低折射率，其值1.3-1.4；n2-高折射率，其值1.5-1.8；L是一个周期长度100μm-200μm；周期结构长度的起始点从折射率为n1的部分开始或者的从折射率为n2的部分开始都是可以的。
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
一种集成化外腔式单频线偏振半导体激光器，包括InGaAs半导体芯片、LiNbO3晶体衬底、LiNbO3波导结构、LiNbO3波导光栅和热电制冷器TEC；
所述LiNbO3波导结构、LiNbO3波导光栅制作于所述LiNbO3晶体衬底上；所述LiNbO3波导光栅是所述LiNbO3波导结构的一部分刻蚀周期性结构而形成；
所述LiNbO3波导光栅的周期性结构包括一半低折射率长度部分和一半高折射率长度部分，共同构成一个周期长度L；
所述LiNbO3波导光栅的周期性结构中一半低折射率长度部分的低折射率n1具体为1.3-1.4，一半高折射率长度部分的高折射率n2具体为1.5-1.8，所述周期性结构的一个周期长度为100-200μm；本实施例中n1为1.35，n2为1.7；另一个实施例中为n1为1.3，n2为1.5；再另一个实施例中为n1为1.4，n2为1.8；
所述周期性结构的一个周期长度为100-200μm，本实施例中一个周期长度为150μm。另一个实施例中为100μm；再另一个实施例中为200μm；
所述InGaAs半导体芯片与LiNbO3波导直接键合集成，所述InGaAs半导体芯片和所述LiNbO3波导结构的一部分刻蚀成的周期性结构的LiNbO3波导光栅构成短直线型谐振腔结构；
所述InGaAs半导体芯片出射的激光入射至LiNbO3波导结构后再入射至LiNbO3波导光栅，最后再入射至LiNbO3波导结构后输出单频线偏振激光，所述LiNbO3波导光栅位于其所述前后两部分LiNbO3波导结构的中间；
所述InGaAs半导体芯片出射的激光为TE模式高占比激光，入射至所述LiNbO3波导光栅，通过所述LiNbO3波导光栅压缩其光谱线宽，输出窄线宽激光；
所述InGaAs半导体芯片、LiNbO3晶体衬底、LiNbO3波导结构和LiNbO3波导光栅安装在所述热电制冷器TEC上。
所述InGaAs半导体芯片采用多量子阱外延结构与窄脊柱型增益结构，所述InGaAs半导体芯片一端面镀1000nm-1100nm的增透膜，所述此一端面与LiNbO3波导直接键合，另一端面镀1000nm-1100nm的高反膜；通过金属有机气相沉积技术外延生长超低缺陷密度外延材料，调节各组分和材料结构，调节光限制因子，提高输出功率，并调整自发反射光谱，使得芯片激发波长覆盖1000nm到1100nm；所述InGaAs半导体芯片出射的激光入射至LiNbO3波导结构，通过所述LiNbO3波导结构的选择，输出非常光对应的TE模式激光；
所述TE模式激光入射至所述LiNbO3波导光栅，通过所述LiNbO3波导光栅压缩其光谱线宽，输出窄线宽激光；
所述LiNbO3晶体衬底采用X-Y切的LiNbO3晶片，所述X的方向为晶体的出光方向，即是激光的出射方向，所述Y的方向通过右手定则所确定；所述LiNbO3波导结构制作于所述LiNbO3晶体衬底上，制备LiNbO3波导结构的过程通过退火质子交换工艺来实现，具体为选用苯甲酸(C6H5COOH)作为质子源，将LiNbO3晶体浸入120-150摄氏度的苯甲酸溶液中，发生Li+到H+交换，在晶体表面形成HxLi1-xNbO3高折射率层，进而LiNbO3衬底上形成直波导结构或含直波导结构的Y型波导结构，质子交换过程可用平衡方程描述：
LiNbO3+(C6H5OOH)x＝Li1-xHxNbO3+(C6H5OOLi)x
质子交换后，形成折射率差Δn≈0.15的直波导结构，为满足半导体芯片输出光束模场与LiNbO3波导模场匹配，采用退火工艺可以改变折射率分布，调整波导深度，降低传输损耗，同时调节光束模场与LiNbO3波导模场匹配，提高耦合效率。本实施例中，采用退火自主交换工艺条件制作的所述LiNbO3波导结构只传输非常光对应的TE模式激光，而寻常光对应的TM模式激光会辐射入所述LiNbO3晶体衬底，如图2所示，即所述LiNbO3波导能够偏振消光和单偏振传输的功能。
本实例中将抛光的LiNbO3晶体端面采用铝、钛或者其它的吸光材料进行选择性涂镀，覆盖住除波导以外的绝大部分端面，以尽量吸收波导外的辐射TM模式激光，涂覆形状如图3所示。
本实例中所述InGaAs半导体芯片和所述LiNbO3波导结构的一部分刻蚀成的周期性结构的LiNbO3波导光栅构成短直线型谐振腔结构，利用外腔LiNbO3波导光栅形成外腔光反馈，则修正的Schawlow-Townes线宽公式：
Figure BDA0002755693960000081
其中，为v1半导体芯片区群速度，为Γ半导体芯片的光限制因子，gth为阈值增益，N为腔内光子密度，V为光子腔体积，nsp为粒子翻转因子，α为激光线宽展宽因子，n1和L1为半导体芯片区折射率和腔长，n2和L2为LiNbO3波导光栅区折射率和腔长。通过修正后的线宽公式，可以使用COMSOL多物理场仿真软件和FDTD有限元分析软件仿真分析LiNbO3波导折射率、腔长、光栅特性等对激光线宽、噪声的影响，依据此可以优化出LiNbO3波导光栅的参数。
所述LiNbO3波导光栅采用飞秒激光直写或聚焦离子束刻蚀的方式在LiNbO3直波导上刻蚀周期性结构形成，位于所述LiNbO3波导结构的中间；通过控制波导光栅上的周期性结构的长度和折射率分布来压缩到10kHz，周期性结构起到可以将激光线宽压缩到10KHZ级别的作用。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：
所述LiNbO3晶体的另一端同样采用铝、钛或者其它的吸光材料进行选择性涂镀，覆盖住除波导以外的绝大部分端面，以尽量放置波导内的TE模式激光通过聚焦透镜耦合到PM980保偏光纤中，提高输出激光的偏振消光比。
还包括聚焦透镜和和保偏光纤，所述LiNbO3波导结构、聚焦透镜、保偏光纤顺次光路连接，所述保偏光纤为PM980保偏增益光纤，所述LiNbO3波导结构内的TE模式激光通过聚焦透镜耦合到PM980保偏增益光纤中，提高了输出激光的偏振消光比，可达50dB。
所述保偏光纤靠近聚焦透镜的一端抛光后还镀有1000nm-1100nm波段增透膜，能够提高激光通过聚焦透镜耦合到PM980保偏光纤中的耦合效率。
所述LiNbO3晶体衬底上还添加有电极，可在所述LiNbO3波导光栅后面的LiNbO3波导结构对输出激光加载微波信号进行相位调制，实现输出光束线宽可调。
其余内容与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于：
所述LiNbO3晶体衬底的两个端面涂镀有钛，覆盖住除波导以外的端面，以尽量吸收波导外的辐射光。
还包括保偏光纤，所述保偏光纤为PM980保偏增益光纤，PM980保偏增益光纤进行抛光后处理后，采用CO2熔接机，将PM980保偏增益光纤直接熔接到所述LiNbO3波导结构的端面耦合输出，增加了激光耦合效率，降低了耦合损耗。
本实例中的集成化外腔式单频线偏振半导体激光器可通过标准14-pin蝶形封装工艺获得稳定可靠的单频半导体激光输出。
本实例中的整个光路和所有光路的光器件固定在一个金属材质的热沉之中，提高半导体激光器散热性能。
其余内容与实施例1相同。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于：
所述InGaAs半导体芯片与LiNbO3波导光栅直接键合集成，所述InGaAs半导体芯片与LiNbO3波导光栅构成短直线型谐振腔结构；所述InGaAs半导体芯片出射的激光入射至LiNbO3波导光栅，再入射至LiNbO3波导结构后输出单频线偏振激光。
其余内容与实施例1相同。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种集成化外腔式单频线偏振半导体激光器，其特征在于包括InGaAs半导体芯片、LiNbO3晶体衬底、LiNbO3波导结构、LiNbO3波导光栅和热电制冷器TEC；
所述LiNbO3波导结构、LiNbO3波导光栅制作于所述LiNbO3晶体衬底上；所述LiNbO3波导光栅是所述LiNbO3波导结构的一部分刻蚀周期性结构而形成；所述LiNbO3波导光栅的周期性结构包括一半低折射率长度部分和一半高折射率长度部分，共同构成一个周期长度L；
所述InGaAs半导体芯片与LiNbO3波导直接键合集成，所述InGaAs半导体芯片和所述LiNbO3波导结构的一部分刻蚀成的周期性结构的LiNbO3波导光栅构成短直线型谐振腔结构；所述InGaAs半导体芯片出射的激光入射至LiNbO3波导结构后再入射至LiNbO3波导光栅，最后再入射至LiNbO3波导结构后输出单频线偏振激光，所述LiNbO3波导光栅位于其所述前后两部分LiNbO3波导结构的中间；
所述InGaAs半导体芯片、LiNbO3晶体衬底、LiNbO3波导结构和LiNbO3波导光栅安装在所述热电制冷器TEC上。
2.根据权利要求1所述的一种集成化外腔式单频线偏振半导体激光器，其特征在于：所述InGaAs半导体芯片采用多量子阱外延结构与窄脊柱型增益结构，所述InGaAs半导体芯片一端面镀1000nm-1100nm的增透膜，所述此一端面与LiNbO3波导直接键合，另一端面镀1000nm-1100nm的高反膜。
3.根据权利要求1或2所述的一种集成化外腔式单频线偏振半导体激光器，其特征在于：所述LiNbO3波导光栅的周期性结构中一半低折射率长度部分的低折射率具体为1.3-1.4，一半高折射率长度部分的高折射率具体为1.5-1.8，所述周期性结构的一个周期长度L为100μm-200μm。
4.根据权利要求3所述的一种集成化外腔式单频线偏振半导体激光器，其特征在于：所述LiNbO3晶体衬底的两个端面涂镀有吸光材料，覆盖住除LiNbO3波导以外的端面。
5.根据权利要求1所述的一种集成化外腔式单频线偏振半导体激光器，其特征在于：所述LiNbO3波导结构为直波导结构或者含直波导结构的Y型波导结构。
6.根据权利要求5所述的一种集成化外腔式单频线偏振半导体激光器，其特征在于：所述LiNbO3波导结构采用退火质子交换工艺制作，具体为选用苯甲酸作为质子源，将LiNbO3晶体浸入120-150摄氏度的苯甲酸溶液中，发生Li+到H+交换，在晶体表面形成HxLi1-xNbO3高折射率层，进而LiNbO3衬底上形成直波导结构或含直波导结构的Y型波导结构。
7.根据权利要求1所述的一种集成化外腔式单频线偏振半导体激光器，其特征在于：还包括聚焦透镜和保偏光纤，所述LiNbO3波导结构、聚焦透镜、保偏光纤顺次光路连接，所述保偏光纤靠近聚焦透镜的一端抛光后镀有1000nm-1100nm波段增透膜。
8.根据权利要求1所述的一种集成化外腔式单频线偏振半导体激光器，其特征在于：还包括保偏光纤，所述保偏光纤熔接在所述LiNbO3波导结构的输出端面。
9.根据权利要求7或8所述的一种集成化外腔式单频线偏振半导体激光器，其特征在于：所述LiNbO3晶体衬底上还添加有电极，在所述LiNbO3波导光栅后面的LiNbO3波导结构对输出激光加载微波信号进行相位调制，实现输出光束线宽可调。
10.根据权利要求1所述的一种集成化外腔式单频线偏振半导体激光器，其特征在于：所述LiNbO3晶体衬底为X-Y切的LiNbO3晶片，所述X的方向为晶体的出光方向，所述Y的方向通过右手定则所确定。
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