CN113794097B - 波长切换式半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种波长切换式半导体激光器，包括增益芯片、外腔选频器件和波片，外腔选频器件与增益芯片之间构成F‑P谐振腔，外腔选频器件的结构为平面波导光栅，基于平面波导光栅的双折射效应，使得外腔选频器件反射的TE模式和TM模式分裂；波片设置在F‑P谐振腔内，通过旋转波片调整F‑P谐振腔内TE模式和TM模式的损耗和增益，实现F‑P谐振腔内TE模式和/或TM模式的激射切换。本发明具有高紧凑度、高集成化的特点，能够实现蝶形封装的模块化，实现器件的小型化；同时关键元器件的制备工艺简单，仅需要一个掩模版制备的单一选频器件就能实现两个模式的选择，进一步降低了成本。

Description

波长切换式半导体激光器

技术领域

本发明涉及光电子器件技术领域，特别涉及一种波长切换式半导体激光器。

背景技术

双波长窄线宽半导体激光器呈现的双频率、高相干性、低相位噪声和高频率稳定性等特点，使其在波分复用系统、相干光通信、激光相干探测、光纤水听探测和微波光子学等领域展现了显著优势和应用价值。特别是对于超高速光通信系统面临的传输速率和带宽限制问题，对该问题的潜在解决方案是采用毫米波甚至太赫兹波通信体制，而高相干性的双波长窄线宽激光器是通过非线性差频产生窄频带、高纯度、高相干性的毫米波或者太赫兹波信号的理想光源。该方法是将双波长激光耦合进高速光电探测器或光电混频器拍频，产生的电学信号频率等于两个激光波长的频率差，其呈现的相位噪声波动归因于激光器的线宽和相对频率波动。因此，为获得高相干性、窄频带的太赫兹载波信号，差频激光器即双波长窄线宽激光器在偏振、相位和相干性等方面需要高度匹配，并且对激光线宽、相位/频率噪声和频率差等性能的要求也极为苛刻。

目前常用的双波长窄线宽激光器包括以下几种方案：

1、以掺铒/掺镱光纤放大器作为有源部分，在光纤回路中引入两个不同波长的光纤光栅，光栅作为选频器件选出两个不同波长的窄带宽纵模，并利用注入锁定效应将所选纵模锁定到有源部分的增益峰谱上，形成双波长的激射，由于光栅的窄带滤波作用，这两个不同波长的激射模式都是有窄线宽特性的。

2、以掺铒/掺镱光纤放大器作为有源部分，利用环形器集成多个不同自由光谱范围(FSR)的光纤环形腔，利用多环腔的游标效应，同样可以选出两个不同波长的窄线宽模式出来。

3、以半导体光放大器作为有源部分，使用光纤光栅或者光纤环腔作为外腔选频器件。

以上三种常用的方案都是以光纤回路作为选频器件，提供两个窄带模式注入锁定到有源区的增益峰上，以实现双波长窄线宽的输出，但是基于光纤回路的器件尺寸通常较大，特别是环形腔系统，每个环腔往往都是几十厘米甚至几米的长度，非常不利于实现高紧凑度、高集成性的器件；而对于光纤光栅的方案，往往需要两个不同周期的光栅刻写在光纤纤芯之中，这需要多个掩模版，增加了成本制备也比较复杂。在另一方面，实现波长切换操作的时候，光纤回路是使用在纤偏振控制器(Polarization Controller，PC)，这进一步增加了激光器结构的复杂程度。

发明内容

本发明的目的是为了提出一种波长切换式半导体激光器，以克服现有技术的双波长窄线宽激光器存在紧凑度和集成度不够高以及制作成本高且制作工艺复杂的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供的波长切换式半导体激光器，包括增益芯片、外腔选频器件和波片，外腔选频器件与增益芯片之间构成F-P谐振腔，外腔选频器件的结构为平面波导光栅，基于平面波导光栅的双折射效应，使得外腔选频器件反射的TE模式和TM模式分裂；波片设置在F-P谐振腔内，通过旋转波片调整F-P谐振腔内TE模式和TM模式的损耗和增益，实现F-P谐振腔内TE模式和/或TM模式的激射切换。

优选地，波长切换式半导体激光器还包括位于波片两侧的两个透镜，两个透镜分别为准直透镜或耦合透镜。

优选地，将外腔选频器件作为波长切换式半导体激光器的高反端，将增益芯片作为波长切换式半导体激光器的出射端；在增益芯片朝向外腔选频器件的一端镀有增透膜，在增益芯片背离外腔选频器件的一端镀有低反膜；在外腔选频器件的两端分别镀有增透膜。

优选地，在增益芯片上镀制的增透膜与竖直平面形成预设反射角度。

优选地，外腔选频器件的两端形成与竖直平面呈预设角度的斜面。

优选地，波长切换式半导体激光器还包括布置在F-P谐振腔的出射端的输出方向上的透镜组。

优选地，透镜组包括一个包括一个隔离器和一个准直透镜，所述隔离器用于降低外部的反馈，所述准直透镜用于对所述波长切换式半导体激光器的出射端输出的激光进行准直。

优选地，波长切换式半导体激光器还包括沿波长切换式半导体激光器的出射端的输出方向上依次布置的透镜组和保偏光纤，透镜组包括一个隔离器和两个准直透镜，隔离器位于两个准直透镜之间，隔离器用于降低外部的反馈，两个准直透镜用于将波长切换式半导体激光器的出射端输出的激光准直并聚焦后耦合入所述保偏光纤。

优选地，波长切换式半导体激光器还包括沿波长切换式半导体激光器的出射端的输出方向上依次布置的透镜组和保偏光纤，透镜组包括一个隔离器和一个耦合透镜，隔离器用于降低外部的反馈，耦合透镜用于将波长切换式半导体激光器的出射端输出的激光耦合入保偏光纤。

优选地，当TE模式的增益等于或大于损耗，且TM模式的增益小于损耗时，F-P谐振腔切换为TE模式的单波长激射；当TM模式的增益等于或大于损耗，且TE模式的增益小于损耗时，F-P谐振腔切换为TM模式的单波长激射；当TM模式和TE模式各自的增益同时等于或大于各自的损耗时，F-P谐振腔切换为TM模式和TE模式的双波长激射。

本发明能够取得以下技术效果：

1、波长切换式半导体激光器中的各个元器件的尺寸非常小，使结构更加紧凑，具有高紧凑度，高集成化的特点，能够实现蝶形封装的模块化，实现了器件的小型化。

2、外腔选频器件为平面波导光栅，利用平面波导光栅的双折射效应，实现TM模式和TE模式的分裂，TM模式和TE模式之间的中心波长不相同，因此无需在波导内刻写两个不同周期的光栅，与现有的光纤光栅的方案相比，只需要一个掩模版就能实现双波长的输出，降低了制作成本和制作工艺的难度。

3、通过波片调整F-P谐振腔内TM模式和TE模式的损耗和增益，使波长切换式半导体激光器以单波长激射或双波长激射，实现单/双波长的切换。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的波长切换式半导体激光器的结构示意图；

图2是根据本发明实施例提供的波长切换式半导体激光器的原理示意图；

图3是根据本发明实施例提供的波长切换式半导体激光器的单/双波长的工作状态示意图。

其中的附图标记包括：增益芯片1、外腔选频器件2、波片3、第一透镜组4、夹具5、第二透镜组6、L型支架7、保偏光纤8、金属支架9、衬底10。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

为了解决现有技术的双波长窄线宽激光器存在紧凑度和集成度不够高以及制作成本高且制作工艺复杂的问题，本发明采用基于平面光波导(Planar Lightwave Circuit，PLC)的外腔选频器件，其基本结构为平面波导光栅结构，是在PLC材料上制作光栅形成平面波导光栅，尺寸结构一般都在毫米量级，增益芯片的长度一般小于1毫米，因此增益芯片与外腔选频器件的耦合集成很容易实现蝶形封装，形成模块化高集成度的激光器。

由于PLC材料本身具有高应力双折射特性，而平面波导光栅进一步引入形状双折射调制。基于双折射效应，使得线性外腔选频器件反射的窄带宽的TE(TransverseElectric，横向电场)模式和TM(Transverse Magnetic，横向磁场)模式发生分裂，由于TE模式与TM模式之间的中心波长本身就不相同，因此不需要在平面波导内刻写两个不同周期的光栅，仅通过一个掩模版就可以实现两个不同波长的输出，从而降低制作成本和制作工艺的难度。本发明通过在F-P谐振腔中内置一个波片来调整F-P谐振腔内TE模式与TM模式的损耗和增益，以此来达到双波长激射的目的；同时，通过波片的调整也可以实现单、双波长的切换。

图1示出了本发明实施例提供的波长切换式半导体激光器的结构。

如图1所示，本发明实施例提供的波长切换式半导体激光器，包括增益芯片1、外腔选频器件2和波片3，增益芯片1、外腔选频器件2和波片3分别固定在衬底10上，增益芯片1与外腔选频器件2之间构成法布里-珀罗(Fabry-Pérot，F-P)谐振腔，实现激光的激射，波片3置于F-P谐振腔内，用于实现激光单/双波长的切换。

增益芯片1选用具有高增益、低线宽展宽因子的增益芯片，其可以是量子阱结构也可以是量子点结构。该增益芯片具有宽放大自发辐射(Amplified spontaneous emission，ASE)谱的输出，作为波长切换式半导体激光器的有源区，提供一个低噪声、高增益、低线宽展宽因子的有源部分。增益芯片1的中心波长在1550nm左右，为波长切换式半导体激光器的宽ASE谱的光源。

在增益芯片1的一端镀制有增透膜，以降低不必要的腔面反射带来额外的F-P效应，进一步地，此端也可以镀制与竖直平面形成预设反射角度的增透膜，或者以弯曲波导结构/倾斜波导结构进一步抑制增益芯片1本身的F-P效应，该端与外腔选频器件2进行耦合；在增益芯片的另一端镀制低反膜，作为波长切换式半导体激光器的出射端，与外腔选频器件形成等效的F-P谐振腔，实现激光的激射。

外腔选频器件2为PLC线性外腔选频器件，其基本结构三层矩形波导，在芯层的表面刻有光栅结构形成平面波导光栅，提供窄带滤波模式。PLC材料本身有着很高的应力双折射效应，而平面波导光栅的引入进一步提高了芯层与上包层之间的应力差，同时平面波导光栅也因改变芯层的形状引入了形状双折射的调制，所以双折射效应会使外腔选频器件2反射的TE模式和TM模式发生分裂。

如图2所示，通过旋转波片，调节F-P谐振腔内TE模式和TM模式的损耗，当TE模式或TM模式的增益占优时，实现单波长激射(TE模式激射或TM模式激射)，当TE模式和TM模式增益的相同，实现双波长激射(TE模式和TM模式的同时激射)。

如图3所示，图3中的(a)为TE模式激射，TM模式被抑制；图3中的(b)为TM模式激射，TE模式被抑制；图3中的(c)为TE模式和TM模式同时激射。

因此，仅仅需要一个周期的光栅，也就是说仅仅需要一个掩模版就能实现双周期光栅的效果，使本发明提供的波长切换式半导体激光器兼具低成本和简单工艺的优点。

由于TE模式和TM模式的带宽都很窄，因此注入锁定到增益芯片1的增益峰上时，这个TE模式和TM模式的激射均为窄线宽的输出。

外腔选频器件2中的平面波导光栅反射率在90％以上以提供一个比较强的反馈，作为波长切换式半导体激光器的高反端，在外腔选频器件2的两端均镀有增透膜，以降低端面的反馈。

在本发明的一个优选实施方式中，为了降低外腔选频器件2两个端面不必要的反射，避免产生不必要的F-P腔效应，对外腔选频器件2的两端进行研磨抛光，呈现出与竖直平面呈预设角度的斜面，例如斜面与竖直平面呈8°。

波片3设置在增益芯片1与外腔选频器件2之间，波片3固定在夹具上，而夹具5固定在衬底10上，通过旋转波片3调整F-P谐振腔内TE模式和TM模式的损耗和增益，实现F-P谐振腔内TE模式和/或TM模式的激射切换。

当TE模式的增益等于或大于损耗，且TM模式的增益小于损耗时，实现TE模式的激射，波长切换式半导体激光器输出对应于TE模式的单波长激光。

当TM模式的增益等于或大于损耗，且TE模式的增益小于损耗时，实现TM模式的激射，波长切换式半导体激光器输出对应于TM模式的单波长激光。

当TM模式的增益等于或大于损耗同时TE模式的增益等于或大于损耗时，实现TM模式和TE模式的同时激射，波长切换式半导体激光器输出双波长激光。

本发明实施例提供的波长切换式半导体激光器还包括第一透镜组4，第一透镜组4包括两个透镜，分别位于波片3的两侧并固定在夹具5上，两个透镜可以是耦合透镜，也可以是准直透镜，设置第一透镜组4的目的是为了提高增益芯片1与外腔选频器件2之间的耦合效率，以提高在纤输出功率。

在图1中，第一透镜组4的两个透镜为准直透镜，在这两个准直透镜之间形成准直光，便于波片3调节偏振态并且降低由波片3导致的插入损耗，两个准直透镜均固定夹具5上，且两个准直透镜之间预留出波片3的固定空间，波片3的两端固定在夹具上，可以在沿光路传输的方向上旋转波片3，以调整F-P谐振腔内TE模式和TM之间的损耗，以实现波长切换式半导体激光器的单/双波长激光的切换。

由于本发明实施例提供的波长切换式半导体激光器中各个元器件的尺寸较小，增益芯片1的长度小于1mm，外腔选频器件2的长度为4mm左右，波片3与第一透镜组4的长度小于3mm，波长切换式半导体激光器的总长度不会超过1cm，结构更加紧凑，因此可以很容易的蝶形封装到一个管壳之中形成模块化、高集成度的激光器。

本发明实施例提供的波长切换式半导体激光器进一步包括第二透镜组6，第二透镜组6通过L型支架7固定在衬底10上。

当波长切换式半导体激光器不需要在纤输出时，第二透镜组6包括一个准直透镜和一个隔离器，隔离器用于降低外部的反馈，以提高波长切换式半导体激光器的稳定性，实现更高的边模抑制比；准直透镜用于对F-P谐振腔出射的激光进行准直后输出。

当波长切换式半导体激光器需要在纤输出时，第二透镜组6包括两个准直透镜和一个隔离器，或者第二透镜组6包括一个耦合透镜和一个隔离器，两个准直透镜用于将F-P谐振腔出射的激光准直后耦合入保偏光纤，提高耦合效率；耦合透镜用于将F-P谐振腔出射的激光耦合入保偏光纤，提高耦合效率。

当波长切换式半导体激光器需要在纤输出时，波长切换式半导体激光器包括保偏光纤8，保偏光纤8为部分金属化的保偏光纤，通过金属支架9固定在衬底10上，金属支架9为半圆形金属支架，通过激光熔接将保偏光纤8的金属化部分固定在衬底10上。在保偏光纤8耦合时，需要调整至偏振消光比最大的位置后再通过金属支架9进行固定。

衬底10为金属衬底，优选为铜衬底，其后端通过热电控制器和热敏电阻来控制波长切换式半导体激光器的温度，同时在增益芯片1、外腔选频器件2、波片3、第一透镜组4、第二透镜组6、保偏光纤8找到最佳耦合位置之后，分别固定在铜衬底上，提高整个波长切换式半导体激光器的稳定性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“一个示例”、“另一个示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种波长切换式半导体激光器，其特征在于，包括增益芯片、外腔选频器件和波片，所述外腔选频器件与所述增益芯片之间构成F-P谐振腔，所述外腔选频器件的结构为平面波导光栅，基于所述平面波导光栅的双折射效应，使得所述外腔选频器件反射的TE模式和TM模式分裂；所述波片设置在所述F-P谐振腔内，通过旋转所述波片调整所述F-P谐振腔内TE模式和TM模式的损耗和增益，实现所述F-P谐振腔内TE模式和/或TM模式的激射切换；

当所述TE模式的增益等于或大于损耗，且所述TM模式的增益小于损耗时，所述F-P谐振腔切换为TE模式的单波长激射；

当所述TM模式的增益等于或大于损耗，且所述TE模式的增益小于损耗时，所述F-P谐振腔切换为TM模式的单波长激射；

当所述TM模式和所述TE模式各自的增益同时等于或大于各自的损耗时，所述F-P谐振腔切换为TM模式和TE模式的双波长激射。

2.如权利要求1所述的波长切换式半导体激光器，其特征在于，还包括位于所述波片两侧的两个透镜，两个透镜分别为准直透镜或耦合透镜。

3.如权利要求1或2所述的波长切换式半导体激光器，其特征在于，将所述外腔选频器件作为所述波长切换式半导体激光器的高反端，将所述增益芯片作为所述波长切换式半导体激光器的出射端；以及，在所述增益芯片朝向所述外腔选频器件的一端镀有增透膜，在所述增益芯片背离所述外腔选频器件的一端镀有低反膜；在所述外腔选频器件的两端分别镀有增透膜。

4.如权利要求3所述的波长切换式半导体激光器，其特征在于，在所述增益芯片上镀制的增透膜与竖直平面形成预设反射角度。

5.如权利要求4所述的波长切换式半导体激光器，其特征在于，所述外腔选频器件的两端形成与竖直平面呈预设角度的斜面。

6.如权利要求5所述的波长切换式半导体激光器，其特征在于，还包括布置在所述F-P谐振腔的出射端的输出方向上的透镜组。

7.如权利要求6所述的波长切换式半导体激光器，其特征在于，所述透镜组包括一个隔离器和一个准直透镜，所述隔离器用于降低外部的反馈，所述准直透镜用于对所述波长切换式半导体激光器的出射端输出的激光进行准直。

8.如权利要求5所述的波长切换式半导体激光器，其特征在于，还包括沿波长切换式半导体激光器的出射端的输出方向上依次布置的透镜组和保偏光纤，所述透镜组包括一个隔离器和两个准直透镜，所述隔离器位于两个准直透镜之间，所述隔离器用于降低外部的反馈，两个准直透镜用于将所述波长切换式半导体激光器的出射端输出的激光准直并聚焦后耦合入所述保偏光纤。

9.如权利要求5所述的波长切换式半导体激光器，其特征在于，还包括沿波长切换式半导体激光器的出射端的输出方向上依次布置的透镜组和保偏光纤，所述透镜组包括一个隔离器和一个耦合透镜，所述隔离器用于降低外部的反馈，所述耦合透镜用于将所述波长切换式半导体激光器的出射端输出的激光耦合入所述保偏光纤。

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