CN113675716A - Led泵浦多波长波导激光器及多波长波导激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了LED泵浦多波长波导激光器及多波长波导激光器，包括：光学基体、LED泵浦光源、弯曲波导、第一增透膜、第一高反膜、第二高反膜、第三高反膜和滤光膜；其中，光学基体的一端面与LED泵浦光源的输出端相对；弯曲波导为多根且间隔掩埋设置在光学基体内，其两端分别延伸至光学基体两侧；第一增透膜设置在光学基体与LED泵浦光源输出端相对的端面上；第一高反膜设置在光学基体远离第一增透膜的端面；第二高反膜和第三高反膜均为多片且与弯曲波导一一对应并分别与弯曲波导的两端相对；滤光膜为多片且与多根弯曲波导一一对应并与弯曲波导的输出端相对；本方案体积小、加工可靠灵活、成本低且可实现多波长激光输出和易于与其他光电设备进行集成。
Description
技术领域
本发明涉及波导激光器结构技术领域，尤其涉及LED泵浦多波长波导激光器及多波长波导激光器。
背景技术
近年来，在光通信、光电集成等领域，稀土离子掺杂的波导激光器的研制被研究人员关注，掺杂稀土离子的光波导做为增益介质，利用LD耦合光纤进行一维轴向泵浦，再利用分布式反馈(DFB)或者分布式布拉格反射镜(DBR)构建谐振腔，实现波导激光器。尽管这样的结构制备使得激光器在转换效率和激光振荡等性能方面有很大的优势，但是整体设备体积大、制作成本高，激光光源端射光纤耦合一维轴向泵浦只能泵浦一根波导，而且只能在单片激光器上实现单波长的输出和调谐。而基于稀土离子掺杂的波导激光器以其体积小、易于与其他光电设备集成的优势而被广泛关注，其在平面光子集成领域有巨大的发展前景。目前已有的波导激光器使用的是端射技术，用价格昂贵的半导体激光器(LD)做为泵浦光源，通过光纤端面耦合进入波导中，进行一维轴向泵浦；但是对于具有宽吸收带和高吸收截面的稀土离子，可以使用廉价的LED做为光源泵浦，而不需要高价的激光。不同的是，用LED光源放置在波导顶端进行顶泵浦，较用LD耦合光纤再耦合波导的一维轴向泵浦，减少了耦合损耗，且极大程度上提高了三维空间利用率，节约空间成本的同时也降低了泵浦成本。除此之外，现有的波导激光器多利用外部的反射镜或布拉格光栅做为谐振腔，其存在设备复杂，制造成本高等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种体积小、加工可靠灵活、成本低且可实现多波长激光输出和易于与其他光电设备进行集成的LED泵浦多波长波导激光器及多波长波导激光器。
为了实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案为：
一种LED泵浦多波长波导激光器，其包括：
光学基体；
LED泵浦光源，用于提供预设波长的激光泵浦，所述光学基体的一端面与该LED泵浦光源的输出端相对；
弯曲波导，为多根，且间隔掩埋设置在光学基体内，多根弯曲波导的一端延伸至光学基体一侧，多根弯曲波导的另一端延伸至光学基体另一侧；
第一增透膜，设置在光学基体与LED泵浦光源输出端相对的一端面上；
第一高反膜，设置在光学基体远离第一增透膜的端面上；
第二高反膜，为多片且与多根弯曲波导一一对应并与对应弯曲波导的一端相对；
第三高反膜，为多片且与多根弯曲波导一一对应并与对应弯曲波导的另一端相对；
滤光膜，为多片且与多根弯曲波导一一对应并设置在对应弯曲波导端部相对的第二高反膜或第三高反膜远离弯曲波导的一侧，且弯曲波导朝向滤光膜的端部设为输出端。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述光学基体为掺杂铒镱稀土离子玻璃或掺杂钕稀土离子玻璃。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述第一增透膜的透射率大于95％，所述第一高反膜的反射率大于95％，所述第二高反膜或第三高反膜的反射率均大于95％，且所述滤光膜为设置在第二高反膜远离弯曲波导的一侧时，第二高反膜的反射率小于100％，所述滤光膜为设置在第三高反膜远离弯曲波导的一侧时，第三高反膜的反射率小于100％。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述第二高反膜为设置在对应弯曲波导的一端正对的光学基体侧面上；所述第三高反膜为设置在对应弯曲波导的另一端正对的光学基体侧面上；所述的滤光膜为设置在第二高反膜或第三高反膜远离对应弯曲波导的侧面上。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述第一增透膜对应透射的工作波长和第一高反膜对应反射的工作波长与LED泵浦光源的工作波长相适应。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述LED泵浦光源的工作波长为275nm、405nm、488nm、581nm或800nm。
作为一种可能的实施方式，进一步，多片第二高反膜对应反射的工作波长不完全相同，多片第三高反膜对应反射的工作波长不完全相同，且同一弯曲波导两端分别设置的第二高反膜和第三高反膜对应反射的工作波长一致；所述滤光膜的工作波长与和其对应的弯曲波导端部相对的第二高反膜和第三高反膜对应反射的工作波长一致。
作为一种较优的实施选择，优选的，所述弯曲波导的数量为1根以上，且至少包括用于输出激光波长为980nm、1064nm、1330nm或1550nm的弯曲波导。
基于上述方案，本发明还提供一种LED顶泵浦多波长波导激光器，其包括上述所述的LED泵浦多波长波导激光器，其中，所述光学基体的上端面与LED泵浦光源的输出端相对。
基于上述的技术方案，本发明还提供一种多波长波导激光器，其包括多个上述所述的LED泵浦多波长波导激光器；
其中，多个LED泵浦多波长波导激光器通过一衬底相对固定。
另外，多个LED泵浦多波长波导激光器均包括与其一一对应的LED泵浦光源或多个LED泵浦多波长波导激光器均共用同一LED泵浦光源。
本方案波导激光器可以根据所需要的激光波长，选择发射光谱对应该波长发射峰的稀土离子进行掺杂，使用玻璃做为光学基体，在玻璃材质的光学基体上制作稀土离子掺杂的掩埋型弯曲光波导做为增益介质，以令其提供足够的净增益。
而本方案的泵浦波导的光源(即LED泵浦光源)可以根据所掺杂稀土离子的吸收光谱及吸收峰选择对应波长的LED，为了提高泵浦效率，在玻璃顶面镀对应泵浦光波长的增透膜，减少玻璃表面泵浦光的反射同时滤除其他环境光，透射率越大，泵浦光进入波导的能量越多，泵浦效率越高；在玻璃的底面镀对应泵浦光波长的高反膜，反射率越大，泵浦光经其反射后二次进入波导的能量越多，泵浦效率越高。在波导前后两端镀对应输出激光波长的高反膜，这样形成内部的谐振腔，将所需波长激光能量集中在波导范围内，形成正反馈，提高光学增益。在波导输出端镀只透过输出激光波长的滤光膜，滤除其他波长的光，形成所需特定波长激光的输出。
根据单纵模选模原理，纵模间隔大于增益谱宽，即
式中C为真空中光速，n为波导群折射率，Δλ0为增益谱线宽，λ为中心波长，L为谐振腔腔长。
腔长若太长，激光能量不集中，容易形成多模输出；腔长若太短，波导不够长，增益不足，激光输出功率低。
本发明考虑到LD端射技术使用泵浦源昂贵，提出用LED进行顶泵浦制作波导激光器，可以同时泵浦多根波导；为了支持顶泵浦方式，在上下两端面镀膜提高泵浦效率；利用弯曲波导较直波导受LED泵浦光照射面积大，提供足够的净增益，且整个波导长度做为谐振腔腔长在制作上较直波导限制少；因此可以在单片上集成多个谐振腔，再利用波导两端镀膜以及上下两面镀膜可以实现单片上多种波长激光的输出。
在顶泵浦的方式下，可以根据所需要的激光波长，定制该激光器，选择发射光谱对应该波长发射峰的稀土离子进行掺杂，制作弯曲波导，选择对应稀土离子吸收峰的LED进行泵浦，且由于LED是三维空间泵浦，可同时泵浦多种不同稀土离子制作的多个波导，实现跨越大波段的多个波长的激光发射。
在顶泵浦的方式下，通过上下两面镀膜提高泵浦效率。通过两端镀膜的方式，避免使用片外的透射镜和反射镜，减少设备元件体积，降低制造成本。制作弯曲波导做为增益介质，提供合适的谐振腔长度，使腔长不限制于基体长度，获得足够的净增益。
本发明可作为片上集成器件，适用于所有种类稀土离子，可把多种稀土离子制作的波导集成在同一基底上，在同一个LED泵浦下实现多波长同步光放大，补偿分立或集成器件的光损耗。同时，本发明也可作为激光光源，实现同一LED泵浦光源下的多波长片上光源。
采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：本方案通过使用LED泵浦光源，进行三维空间上的泵浦，使得只需在光学基体内掩埋制作足够长的弯曲波导作为增益介质，而LED泵浦光源作为顶泵浦光源在光学基体上方进行泵浦能量供应时，为支持顶泵浦方式，在光学基体上下两面镀膜(上端面镀设增透膜和下端面镀设高反膜)提高泵浦效率，并且在光学基体的前后两侧面镀膜形成整个几百微米增益介质的谐振腔长。除此之外，由于稀土离子具有多个发射峰，在同一个光学基体上，可以集成不同长度的波导，根据掺杂的稀土离子吸收光谱及吸收峰选择特定波长范围的LED，让LED在三维空间里同时顶泵浦多个波导，可以同时出射跨越大波段的多个波长的激光，实现单片上用单个LED泵浦下多种激光光源的集成。
本方案波导激光器的光学基体可根据需求掺杂不同的稀土离子，以低成本的方式在小体积的单片波导激光器上，实现多种波长激光的同时输出，满足多种激光光源的同时集成，且易于与其他光电设备集成；另外，本方案还具有如下优点：
1、本方案将LED泵浦的方式应用在激光器中，相较于用激光光源泵浦成本更低，且LED顶泵浦是三维空间的泵浦，比LD耦合光纤的一维轴向泵浦，光耦合点更少，耦合损耗更低，此外还可以同时泵浦多条波导；
2、本方案可以根据不同掺杂稀土离子的吸收光谱及其吸收峰来制备光学基体，选择其吸收峰波长范围的LED进行顶泵浦，令其能量适配于稀土离子的能级跃迁，且在上下两面镀对应LED波长的光学薄膜，提高LED泵浦的泵浦效率，降低泵浦阈值；
3、本方案可以根据光学基体内不同掺杂稀土离子的发射光谱及其发射峰选择输出激光波长，可利用单纵模选模原理设计谐振腔腔长，且因使用弯曲波导做为整个谐振腔，同时，腔长不受光学基体限制，且在波导前后两端镀对应输出激光波长的光学薄膜，形成谐振腔；
4、本方案激光器结构的光学基体适用于所有稀土离子，可根据掺杂稀土离子的情况，选择不同波长的LED做为泵浦光源，根据所需要的输出激光波长设计谐振腔，泵浦LED可选择性大，激光波长可选择性大，激光器结构适配性好；
5、本方案激光器结构中可以制作多个波导阵列，因为很多稀土离子具有相近的能级和相同波段的吸收峰，而且每种稀土离子都具有多个发射峰，使用一个LED可以同时泵浦多个不同波导，同时输出多个波长跨度大的激光，且可以用于各光电领域所需波段激光光源。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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是本发明实施例1的简要实施结构示意图；
图2是基于本发明实施例1的简要应用实施结构示意图；
图3是本发明实施例2的简要实施结构示意图；
图4是本发明实施例3的简要实施结构示意图；
图5是基于本发明实施例3的简要应用实施结构示意图；
图6是本发明方案光学基体吸收泵浦光后，发生能量跃迁的简要原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例一种LED泵浦多波长波导激光器，其包括：光学基体1、LED泵浦光源2、弯曲波导3第一增透膜4、第一高反膜5、第二高反膜6、第三高反膜7和滤光膜8。
其中，LED泵浦光源2用于提供预设波长的激光泵浦，所述光学基体1的一端面与该LED泵浦光源2的输出端相对，本实施例方案中，所述光学基体1的上端面与LED泵浦光源2的输出端相对；
弯曲波导3为多根，且间隔掩埋设置在光学基体1内，多根弯曲波导3的一端延伸至光学基体1一侧，多根弯曲波导3的另一端延伸至光学基体1另一侧；
第一增透膜4设置在光学基体1与LED泵浦光源2输出端相对的一端面上；
第一高反膜5设置在光学基体1远离第一增透膜4的端面上；
第二高反膜6，为多片且与多根弯曲波导3一一对应并与对应弯曲波导3的一端相对；
第三高反膜7，为多片且与多根弯曲波导3一一对应并与对应弯曲波导3的另一端相对；
滤光膜8，为多片且与多根弯曲波导3一一对应并设置在对应弯曲波导3端部相对的第三高反膜7远离弯曲波导3的一侧，且弯曲波导3朝向滤光膜8的端部设为输出端。
本实施例中，所述光学基体1为掺杂铒镱稀土离子玻璃。
其中，本实施例所述第二高反膜6为设置在对应弯曲波导3的一端正对的光学基体1侧面上；所述第三高反膜7为设置在对应弯曲波导3的另一端正对的光学基体1侧面上；所述的滤光膜8为设置在第三高反膜7远离对应弯曲波导3的侧面上。
在图1所示的结构基础上，具体参加图2，其示出了基于本实施例1的简要应用实施结构示意图；本实施例制作980nm/1064nm/1550nm共射波导激光器，选择铒镱稀土离子共掺的玻璃制作掩埋型弯曲波导，根据掺杂铒镱稀土离子玻璃的吸收光谱及吸收峰，可选275nm、405nm或488nm LED做为顶泵浦光源，在玻璃材质的光学基体顶面对应镀275nm、405nm或488nm的增透膜(即第一增透膜)，该增透膜透射率大于95％；在玻璃的光学基体底面对应镀275nm、405nm或488nm的高反膜(即，第一高反膜)，其反射率大于95％。
本实施例制作三个弯曲波导，其分别用于输出980nm、1064nm、1550nm激光，在弯曲波导的前后两端对应镀980nm、1064nm或1550nm的高反膜(即，第二高反膜、第三高反膜)，且使其反射率大于95％，其中，作为输出端的高反膜反射率小于100％，同时，在弯曲波导输出端对应镀设只透过980nm、1064nm或1550nm的滤光膜。
本方案所选铒镱共掺玻璃波导群折射率为n＝1.557，增益谱线宽为Δλ0＝1nm，根据单纵模选模原理，制作的弯曲波导长度即谐振腔腔长，对应λ＝980nm激光的谐振腔腔长可选为L＝300μm，对应λ＝1064nm激光的谐振腔腔长可选为L＝350μm，对应λ＝1550nm激光的谐振腔腔长可选为L＝620μm。
同时，可选用的玻璃基体尺寸为长200μm，宽200μm，高30μm。
实施例2
如图3所示，本实施例的光学基体1、LED泵浦光源2、弯曲波导3、第一增透膜4、第一高反膜5、第二高反膜6、第三高反膜7和滤光膜8的结构形式均与实施例1大致相同，其不同之处在于，本实施弯曲波导3的数量为2根，且本实施例波导激光器用于输出1064nm、1330nm激光。
本实施例制作1064nm、1330nm共射波导激光器，选择稀土钕离子掺杂的玻璃制作掩埋型弯曲波导，根据掺杂钕稀土离子玻璃的吸收光谱及吸收峰，可选405nm、581nm或800nmLED做为顶泵浦光源，在玻璃顶面镀405nm、581nm或800nm的增透膜(即第一增透膜)，其透射率大于95％；在玻璃底面镀405nm、581nm或800nm的高反膜(即，第一高反膜)，其反射率大于95％。
本实施例制作两个波导，其中一波导输出1064nm激光，在其前后两端镀1064nm的高反膜(即，第二高反膜、第三高反膜)，反射率大于95％，其中，作为输出端的高反膜反射率小于100％，同时，在其输出端镀只透过1064nm的滤光膜；另一波导用于输出1330nm激光，在其前后两端镀1330nm的高反膜，反射率大于95％，作为输出端的高反膜反射率小于100％，同时，在其输出端镀只透过1330nm的滤光膜。
本实施例所制作的弯曲波导长度，也可通过单纵模选模原理确定谐振腔腔长，进而确定其波导长度。所选用的玻璃基体尺寸可容纳所制作的波导及各种光学薄膜即可。
实施例3
本实施例在实施例1、实施例2的基础上，对二者进行结合，其包括两个LED泵浦多波长波导激光器1，且通过一衬底2相对固定。
本方案，两个LED泵浦多波长波导激光器1共用同一LED泵浦光源3。
本方案制作980nm、1064nm、1330nm、1550nm共射波导激光器。其中一激光器使用铒镱稀土离子掺杂的玻璃作为光学基体制作两条掩埋型弯曲波导，其中一波导用于输出980nm激光，在其前后两端镀980nm的高反膜，反射率大于95％，作为输出端的高反膜反射率小于100％，在其输出端镀只透过980nm的滤光膜；另一波导用于输出1550nm激光，在其前后两端镀1550nm的高反膜，反射率大于95％，作为输出端的高反膜反射率小于100％，在其输出端镀只透过1550nm的滤光膜。
同时，另一激光器使用钕掺杂的玻璃作为光学基体制作两条掩埋型弯曲波导，其中一波导用于输出1064nm激光，在其前后两端镀1064nm的高反膜，反射率大于95％，作为输出端的高反膜反射率小于100％，在其输出端镀只透过1064nm的滤光膜；另一波导用于输出1330nm激光，在其前后两端镀1330nm的高反膜，反射率大于95％，作为输出端的高反膜反射率小于100％，在其输出端镀只透过1330nm的滤光膜。
本方案选用405nm LED泵浦光源作为顶泵浦LED，在两块制作好波导的玻璃顶面镀405nm的增透膜，透射率大于95％；在玻璃底面镀405nm的高反膜，反射率大于95％。
本实施例所制作的弯曲波导长度，也可通过单纵模选模原理确定谐振腔腔长，进而确定其波导长度。所选用的玻璃基体尺寸可容纳所制作的波导及各种光学薄膜即可。
不仅如此，本实施例可以将两块波导激光器组合集成在单片上，使用405nmLED做为顶泵浦光源，也可以同时泵浦两玻璃上一共四个不同的波导，同时输出980nm/1064nm/1330nm/1550nm四种不同的激光。
除此之外，还可分别拆开使用，其一输出980nm/1550nm两种激光，另一输出1064nm/1330nm两种激光。
需要说明的是，本发明方案的光学基体在掺杂有稀土离子后，具有高能级的稀土离子吸收高能量短波长的泵浦光，经过非辐射跃迁之后，稀土离子到达稳定的激发态，当聚集足够的稀土离子后，会发生辐射跃迁发出对应波长的光，其简要能量跃迁原理如图6所示。
以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种LED泵浦多波长波导激光器，其特征在于，其包括：
光学基体；
LED泵浦光源，用于提供预设波长的激光泵浦，所述光学基体的一端面与该LED泵浦光源的输出端相对；
弯曲波导，为多根，且间隔掩埋设置在光学基体内，多根弯曲波导的一端延伸至光学基体一侧，多根弯曲波导的另一端延伸至光学基体另一侧；
第一增透膜，设置在光学基体与LED泵浦光源输出端相对的一端面上；
第一高反膜，设置在光学基体远离第一增透膜的端面上；
第二高反膜，为多片且与多根弯曲波导一一对应并与对应弯曲波导的一端相对；
第三高反膜，为多片且与多根弯曲波导一一对应并与对应弯曲波导的另一端相对；
滤光膜，为多片且与多根弯曲波导一一对应并设置在对应弯曲波导端部相对的第二高反膜或第三高反膜远离弯曲波导的一侧，且弯曲波导朝向滤光膜的端部设为输出端。
2.如权利要求1所述的LED泵浦多波长波导激光器，其特征在于，所述光学基体为掺杂铒镱稀土离子玻璃或掺杂钕稀土离子玻璃。
3.如权利要求1所述的LED泵浦多波长波导激光器，其特征在于，所述第一增透膜的透射率大于95％，所述第一高反膜的反射率大于95％，所述第二高反膜或第三高反膜的反射率均大于95％，且所述滤光膜为设置在第二高反膜远离弯曲波导的一侧时，第二高反膜的反射率小于100％，所述滤光膜为设置在第三高反膜远离弯曲波导的一侧时，第三高反膜的反射率小于100％。
4.如权利要求1所述的LED泵浦多波长波导激光器，其特征在于，所述第二高反膜为设置在对应弯曲波导的一端正对的光学基体侧面上；所述第三高反膜为设置在对应弯曲波导的另一端正对的光学基体侧面上；所述的滤光膜为设置在第二高反膜或第三高反膜远离对应弯曲波导的侧面上。
5.如权利要求1所述的LED泵浦多波长波导激光器，其特征在于，所述第一增透膜对应透射的工作波长和第一高反膜对应反射的工作波长与LED泵浦光源的工作波长相适应。
6.如权利要求5所述的LED泵浦多波长波导激光器，其特征在于，所述LED泵浦光源的工作波长为275nm、405nm、488nm、581nm或800nm。
7.如权利要求1至6之一所述的LED泵浦多波长波导激光器，其特征在于，多片第二高反膜对应反射的工作波长不完全相同，多片第三高反膜对应反射的工作波长不完全相同，且同一弯曲波导两端分别设置的第二高反膜和第三高反膜对应反射的工作波长一致；所述滤光膜的工作波长与和其对应的弯曲波导端部相对的第二高反膜和第三高反膜对应反射的工作波长一致。
8.如权利要求7所述的LED泵浦多波长波导激光器，其特征在于，所述弯曲波导的数量为1根以上，且至少包括用于输出激光波长为980nm、1064nm、1330nm或1550nm的弯曲波导。
9.一种LED顶泵浦多波长波导激光器，其特征在于，其包括权利要求1至7之一所述的LED泵浦多波长波导激光器，其中，所述光学基体的上端面与LED泵浦光源的输出端相对。
10.一种多波长波导激光器，其特征在于，其包括多个权利要求1至7之一所述的LED泵浦多波长波导激光器；
其中，多个LED泵浦多波长波导激光器通过一衬底相对固定。
另外，多个LED泵浦多波长波导激光器均包括与其一一对应的LED泵浦光源或多个LED泵浦多波长波导激光器均共用同一LED泵浦光源。
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