CN114024193B - 一种基于薄膜铌酸锂的高速线性调频外腔激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于薄膜铌酸锂的高速线性调频外腔激光器，属于外腔激光器领域，本发明提出了一种基于薄膜铌酸锂的高速线性调频外腔激光器，该外腔激光器包括半导体光放大器、窄带反射滤波芯片和输出光纤。半导体光放大器用于光放大；窄带反射滤波芯片基于薄膜铌酸锂材料构建，用于选出具有高边模抑制比的谐振峰；输出光纤用于输出激光。半导体光放大器和窄带反射滤波芯片组成光学谐振腔。本发明中的基于薄膜铌酸锂的高速线性调频外腔激光器不仅可实现高速线性调频激光可控输出，大幅度提高可调谐激光器的波长切换速率，而且结构简单紧凑，制备工艺简单，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及外腔激光器领域，更具体地，涉及一种基于薄膜铌酸锂的高速线性调频外腔激光器，尤其涉及一种可高速切换目标波长的高速线性调频外腔激光器。
背景技术
外腔可调谐激光器具有较窄的光谱线宽，成为应用于相干光通信系统的理想光源，且在相干光学传感、相干激光雷达、自由空间波束扫描等领域也有着广泛的应用。外腔半导体激光器结构一般由半导体光放大器和外部反馈腔两部分组成：半导体光放大器作为增益介质，外部反馈腔作为选频结构，对半导体光放大器输出的光进行选择性反馈，只有特定波长的光才能返回增益区。半导体光放大器的端面反射和外部反馈腔的反射构成光学谐振腔，当增益介质提供的光增益大于光学谐振腔的光损耗时即可形成激光出射。可调谐激光器的波长切换速度、单纵模出射、激光器的线宽和波长调谐范围等指标都和外部反馈腔的光学特性息息相关。
目前常用作为激光器外部谐振腔的单波长反馈元件有如下几种：衍射光栅、级联的法布里-泊罗标准具以及可调谐滤波器结构。由于外部反馈腔的峰值反射波长往往依赖机械转动或者热光效应来实现调谐，因此传统外腔可调谐激光器的波长调谐速率通常都在毫秒量级，无法满足下一代快速可重构光网络及光学相控阵雷达中对激光器波长切换速度的要求。因此研制可高速扫频的微光学滤波器将满足下一代快速可重构光网络和激光雷达等领域中对高速线性调频激光器的需求，具备重要的有重要的科学意义和广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于薄膜铌酸锂的高速线性调频外腔激光器，窄带反射滤波芯片在薄膜铌酸锂波导芯层上制备得到，优点在可实现激射波长的高速切换，从而解决现有技术中可调谐外腔激光器的波长调谐速率低的技术问题。
为达到以上目的，本发明提出了一种基于薄膜铌酸锂的线性调频外腔激光器，包括半导体光放大器和窄带反射滤波芯片；所述窄带反射滤波芯片谐振峰的3dB带宽低于100pm；
所述半导体光放大器与窄带反射滤波芯片组成线性调频外腔激光器的光学谐振腔；所述半导体光放大器用于增加光功率；与所述半导体光放大器连接的窄带反射滤波芯片包括自下而上的衬底支撑层、介质层、薄膜铌酸锂波导芯层和波导上包层；
所述窄带反射滤波芯片中的纵模相位调制区、微环谐振器和布拉格光栅在薄膜铌酸锂波导芯层上制备得到，所述纵模相位调制区基于薄膜铌酸锂的线性电光效应改变铌酸锂波导的折射率，也即改变了外腔激光器光学谐振腔的长度，从而调谐外腔激光器的激射波长；所述的微环谐振器的上方设置有热光调谐电极，使得通过热光效应改变铌酸锂波导的折射率，从而实现微环谐振器的工作波长能够调谐。
优选地，所述窄带反射滤波芯片作为线性调频外腔激光器的外部反馈腔，所述外部反馈腔包括：
与所述半导体光放大器连接的输入端波导；
与所述输入端波导连接的纵模相位调制区；
与所述纵模相位调制区连接的第一级联波导；
与所述第一级联波导连接的微环谐振器；
与所述微环谐振器连接的第二级联波导；
与所述第二级联波导连接的布拉格光栅；
所述纵模相位调制区的波导两侧设置有行波电极。
优选地，所述线性调频外腔激光器还包括输出光纤；所述输出光纤与窄带反射滤波芯片中的输出端波导连接，用于输出激光。
优选地，所述输入端波导、纵模相位调制区、第一级联波导、微环谐振器、第二级联波导、布拉格光栅和输出端波导的波导横截面为凸字形或矩形。
优选地，所述薄膜铌酸锂波导芯层的厚度为100～2000nm。
优选地，所述介质层和波导上包层的折射率低于薄膜铌酸锂波导芯层。
优选地，所述半导体光放大器的增益带宽覆盖外腔激光器的调频范围，所述半导体光放大器与窄带反射滤波芯片耦合的一端镀增透膜以增加透过率，另一端镀增反膜以增加反射率。
优选地，所述光学谐振腔的反射镜由半导体光放大器镀增反膜的一端与窄带反射滤波芯片上的布拉格光栅组成。
优选地，所述布拉格光栅的光谱带宽小于两倍微环谐振器两个相邻谐振峰之间的波长差，使得当布拉格光栅的反射峰与微环谐振器的谐振峰重叠时，所述窄带反射滤波芯片在100nm波长范围内获得具有高于5dB边模抑制比的谐振峰。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
(1)本发明的创新点在于采用薄膜铌酸锂材料构建窄带反射滤波芯片，基于薄膜铌酸锂的热光效应可以调谐谐振峰，基于薄膜铌酸锂的线性电光效应可以获得超高的激光器输出波长调谐速率。本发明的这种基于薄膜铌酸锂的高速线性调频外腔激光器不仅可实现高速线性调频激光可控输出，大幅度提高可调谐激光器的波长切换速率，而且结构简单紧凑，制备工艺简单，成本低廉。
(2)本文提出由基于薄膜铌酸锂材料的窄带反射滤波芯片。铌酸锂是一种性能优良的电光材料，铌酸锂由于自发极化存在着固有电偶极矩，当对铌酸锂波导施加电场时，外电场使晶体中的固有偶极矩的取向倾向于一致或某种优势取向，因此铌酸锂波导的折射率发生改变。基于薄膜铌酸锂线性电光效应的波长切换速率为皮秒量级，远高于毫秒量级的热光调制速率，可满足高速切换波长的需求。基于热光效应，窄带反射滤波芯片的透过率仅在重叠共振峰处达到最大值。通过电光效应高速线性调谐光学谐振腔的长度，即可获得连续可调的激射波长输出。基于此种滤波器的外腔激光器具备高速扫频、窄线宽、波长调谐范围大、光路紧凑、可集成等优点。
(3)本发明中窄带反射滤波芯片基于新型的薄膜铌酸锂材料制备，通过热光调谐改变薄膜铌酸锂光波导的折射率，以确保在大波长范围内获得具有较高边模抑制比的谐振峰，并通过线性电光效应高速调谐光学谐振腔的长度来实现激射波长的高速切换，从而实现外腔激光器激射波长的高速扫频。窄带反射滤波芯片制备完成后再与半导体光放大器、输出光纤进行耦合封装，因此各部分器件可分别加工以达到性能最优，提高了外腔激光器可靠性的同时降低了制备成本。
(4)本发明中的纵模相位调制区基于薄膜铌酸锂制备，在纵模相位调制区波导的两侧制备一组行波电极。基于薄膜铌酸锂的线性电光效应改变铌酸锂波导的折射率，也即改变了外腔激光器光学谐振腔的长度，从而调谐外腔激光器的激射波长。
(5)本发明中的可调谐微环谐振器基于薄膜铌酸锂制备，在微环谐振器波上方的波导上包层表面制备热光调谐电极，通过热光效应改变铌酸锂光波导的折射率，从而实现微环谐振器的工作波长可调谐。
(6)本发明中外腔激光器的调频速率主要由光学谐振腔的腔长调谐速率来决定，薄膜铌酸锂的线性电光效应响应时间在皮秒量级，因此所述的纵模相位调制区基于薄膜铌酸锂的线性电光效应能够高速改变光学谐振腔的长度，以实现高速线性扫频的外腔激光器。
附图说明
图1为基于薄膜铌酸锂的高速线性调频外腔激光器结构示意图，其中：1-半导体光放大器、2-窄带反射滤波芯片、3-输入端波导、4-纵模相位调制区、5-行波电极、6-第一级联波导、7-微环谐振器、8-热光调谐电极、9-第二级联波导、10-布拉格光栅、11-输出端波导、12-输出光纤、13-衬底支撑层、14-介质层、15-薄膜铌酸锂波导芯层、16-波导上包层。
图2为薄膜铌酸锂的极化过程。
图3为基于薄膜铌酸锂的高速线性调频外腔激光器的原理图。
图4为窄带反射滤波芯片的测试光谱图。
图5为基于薄膜铌酸锂的高速线性调频外腔激光器的测试光谱图。
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。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。
本发明中铌酸锂是一种性能优良的电光材料，铌酸锂由于自发极化存在着固有电偶极矩，当对铌酸锂波导施加电场时，外电场使晶体中的固有偶极矩的取向倾向于一致或某种优势取向，因此铌酸锂波导的折射率发生改变，如图2所示。
本发明在具体实施示例中采用半导体光放大器1作为增益介质，具有反射回路结构的窄带反射滤波芯片2作为外腔激光器的外部反馈腔。如图1所示，一种基于薄膜铌酸锂的高速线性调频外腔激光器，包括：用于增加光功率的半导体光放大器1；采用薄膜铌酸锂材料制备的窄带反射滤波芯片2；用于输出激光的输出光纤12。半导体光放大器1与窄带反射滤波芯片2组成外腔激光器的光学谐振腔，一起构成激光器的三要素。
光学谐振腔包括：半导体光放大器1；与半导体光放大器1连接的输入端波导3；与输入端波导3连接的纵模相位调制区4；与纵模相位调制区4连接的第一级联波导6；与第一级联波导6连接的微环谐振器7；与微环谐振器7连接的第二级联波导9；与第二级联波导9连接的布拉格光栅10。
薄膜铌酸锂材料是一种三明治结构，自下而上依次为包含衬底支撑层13、介质层14、薄膜铌酸锂波导芯层15和波导上包层16，薄膜铌酸锂波导芯层15的厚度范围是100～2000nm。衬底支撑层13为硅、介质层14为二氧化硅、薄膜铌酸锂波导芯层15为薄膜铌酸锂和波导上包层16为二氧化硅，薄膜铌酸锂波导芯层15的厚度为500nm。
介质层14和波导上包层16的折射率低于薄膜铌酸锂波导芯层15，用于保护所述的薄膜铌酸锂波导芯层15。
半导体光放大器1的增益带宽为1510nm～1580nm，与窄带反射滤波芯片2耦合的一端镀增透膜以增加透过率，反射率为5×10-5；另一端镀增反膜以增加反射率，反射率为92％。
窄带反射滤波芯片2通过电子束曝光和干法刻蚀等微纳加工技术在薄膜铌酸锂材料上制备，在薄膜铌酸锂波导芯层15制备所述的输入端波导3、纵模相位调制区4、第一级联波导6、微环谐振器7、第二级联波导9、布拉格光栅10和输出端波导11。窄带反射滤波芯片2上的波导为脊形波导，脊形波导总高度为500nm，脊形波导的上脊宽度为1000nm，上脊高度为260nm。
光学谐振腔的反射镜由半导体光放大器1镀增反膜的一端与布拉格光栅10构成，半导体光放大器镀增反膜一端具有92％的高反射率，布拉格光栅具有70％的反射率，即外腔激光器中约30％的光强的激光被输出。
纵模相位调制区4的波导两侧制备行波电极5，行波电极5材料为金属金，电极厚度为800nm。通过控制加载在纵模相位调制区4行波电极上的电压值，即改变薄膜铌酸锂波导周围的电场强度，基于薄膜铌酸锂的线性电光效应可高速线性调谐铌酸锂波导的折射率，从而高速、精确地调谐激光器光学谐振腔的长度，最终实现激射波长无跳模的高速线性调频。
微环谐振器7基于薄膜铌酸锂制备，在微环谐振器7光波导上方的波导上包层16表面制备热光调谐电极8。热光调谐电极8的加热区选择具有高阻特性的金属钛，厚度为300nm；而金属导线及探针接触区则选择具有较低电阻的金属金，厚度为100nm。微环谐振器7利用热光效应改变铌酸锂波导的折射率来调谐传输光谱，使微环谐振器的其中一个谐振峰与布拉格光栅的反射峰重叠。
布拉格光栅10具有70％的反射率。布拉格光栅10反射光谱的3-dB带宽小于两倍微环谐振器8两个相邻谐振峰之间的波长差，且布拉格光栅10的边模抑制比足够大时，才能确保窄带反射滤波芯片2在大波长范围内只选出一个具有较高边模抑制比的谐振峰。
最终的激射要综合考虑光学谐振腔的模式和窄带反射滤波芯片2的传输光谱，如图3所示。图中标识了光学谐振腔的纵向模态和窄带反射滤波芯片的传输光谱。当窄带反射滤波芯片传输光谱的3-dB带宽小于两倍光学谐振腔两个相邻纵模之间的波长差时，才能获得单一激射波长。
外腔激光器的调频速率主要由光学谐振腔的腔长调谐速率决定，薄膜铌酸锂的线性电光效应响应时间在皮秒量级，因此纵模相位调制区4基于薄膜铌酸锂的线性电光效应能够高速线性调谐光学谐振腔的长度，以实现高速线性扫频的外腔激光器。
窄带反射滤波芯片2的测试光谱图如图4所示，可更为直观地观测窄带反射滤波芯片的性能。从测试结果可得，窄带反射芯片选出了具有较高边模抑制比的谐振峰。如图4所示，测得窄带反射滤波芯片的损耗为5.37dB，谐振峰的边摸抑制比为10.68dB。测得窄带反射滤波芯片谐振峰的1dB带宽为54.64pm，3dB带宽为94.32pm。
基于薄膜铌酸锂的高速线性调频外腔激光器的测试光谱图如图5所示，测得基于薄膜铌酸锂的高速线性调频外腔激光器在波长1500nm～1600nm范围内获得单一激射波长，边模抑制比高于40dB，表明该外腔激光器具有优良的性能。
本领域的技术人员容易理解，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 (7)
1.一种基于薄膜铌酸锂的线性调频外腔激光器，其特征在于，包括半导体光放大器(1)和窄带反射滤波芯片(2)；所述窄带反射滤波芯片(2)谐振峰的3dB带宽低于100pm；
所述半导体光放大器(1)与窄带反射滤波芯片(2)组成线性调频外腔激光器的光学谐振腔；所述半导体光放大器(1)用于增加光功率；与所述半导体光放大器(1)连接的窄带反射滤波芯片(2)包括自下而上的衬底支撑层(13)、介质层(14)、薄膜铌酸锂波导芯层(15)和波导上包层(16)；
所述窄带反射滤波芯片(2)中的纵模相位调制区(4)、微环谐振器(7)和布拉格光栅(10)在薄膜铌酸锂波导芯层(15)上制备得到；所述纵模相位调制区(4)基于薄膜铌酸锂的线性电光效应改变铌酸锂波导的折射率，也即改变了外腔激光器光学谐振腔的长度，从而调谐外腔激光器的激射波长；所述的微环谐振器(7)的上方设置有热光调谐电极(8)，使得通过热光效应改变铌酸锂波导的折射率，从而实现微环谐振器(7)的工作波长能够调谐；最终实现激射波长无调模的高速线性调频；
所述窄带反射滤波芯片(2)通过微纳加工技术在薄膜铌酸锂材料上制备得到铌酸锂光波导，输入端波导(3)、纵模相位调制区(4)、第一级联波导(6)、微环谐振器(7)、第二级联波导(9)、布拉格光栅(10)和输出端波导(11)的波导横截面为凸字形或矩形；
所述布拉格光栅的光谱带宽小于两倍微环谐振器两个相邻谐振峰之间的波长差，使得当布拉格光栅的反射峰与微环谐振器的谐振峰重叠时，所述窄带反射滤波芯片在100nm波长范围内获得具有高于5dB边模抑制比的谐振峰。
2.如权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂的线性调频外腔激光器，其特征在于，所述窄带反射滤波芯片(2)作为线性调频外腔激光器的外部反馈腔，所述外部反馈腔包括：
与所述半导体光放大器(1)连接的输入端波导(3)；
与所述输入端波导(3)连接的纵模相位调制区(4)；
与所述纵模相位调制区(4)连接的第一级联波导(6)；
与所述第一级联波导(6)连接的微环谐振器(7)；
与所述微环谐振器(7)连接的第二级联波导(9)；
与所述第二级联波导(9)连接的布拉格光栅(10)；
所述纵模相位调制区(4)的波导两侧设置有行波电极(5)。
3.如权利要求1或2所述的基于薄膜铌酸锂的线性调频外腔激光器，其特征在于，所述线性调频外腔激光器还包括输出光纤(12)；所述输出光纤(12)与窄带反射滤波芯片(2)中的输出端波导(11)连接，用于输出激光。
4.如权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂的线性调频外腔激光器，其特征在于，所述薄膜铌酸锂波导芯层(15)的厚度为100～2000nm。
5.如权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂的线性调频外腔激光器，其特征在于，所述介质层(14)和波导上包层(16)的折射率低于薄膜铌酸锂波导芯层(15)。
6.如权利要求1中所述的基于薄膜铌酸锂的线性调频外腔激光器，其特征在于，所述半导体光放大器(1)的增益带宽覆盖外腔激光器的调频范围，所述半导体光放大器(1)与窄带反射滤波芯片(2)耦合的一端镀增透膜以增加透过率，另一端镀增反膜以增加反射率。
7.如权利要求6中所述的基于薄膜铌酸锂的线性调频外腔激光器，其特征在于，所述光学谐振腔的反射镜由半导体光放大器(1)镀增反膜的一端与窄带反射滤波芯片(2)上的布拉格光栅(10)组成。
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