CN114336281A

CN114336281A - 抗反馈耦合腔半导体激光器

Info

Publication number: CN114336281A
Application number: CN202111636328.9A
Authority: CN
Inventors: 郝友增; 黄永箴; 沈征征; 绳梦伟; 杨跃德; 肖金龙
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本公开提供一种抗反馈耦合腔半导体激光器，属于光纤通信和半导体激光器技术领域，包括回音壁微腔(1)、FP腔(2)，所述FP腔(2)沿其长度方向依次形成有第一端和第二端，所述回音壁微腔(1)与所述FP腔(2)的第一端相连接，以共同形成一耦合腔结构，光从所述FP腔(2)的第二端入射后进入所述回音壁微腔(1)中，并在所述回音壁微腔(1)内经过若干次反射后反射回所述FP腔(2)中。本公开通过将具有高Q值高品质因子的回音壁微腔(1)与高输出效率的FP腔(2)耦合形成一种兼具高O值和高输出效率的耦合腔结构，在保证耦合腔激光器激光器具有较好的输出特性的同时具备抗反馈的特性。

Description

抗反馈耦合腔半导体激光器

技术领域

本公开涉及光纤通信和半导体激光器技术领域，特别涉及一种抗反馈耦合腔半导体激光器。

背景技术

半导体激光器是光通信体统中最重要的组成部分之一，其性能和稳定性对光通信系统有至关重要的作用，但半导体激光器在使用的过程中不可避免的会受到外部光反馈的影响。外部光反馈是指激光器出射的激光在光纤耦合或者空间光耦合、在光纤中传输时通过光纤连接器等都会出现一部分光被反射回来，这部分反射回来的光反馈回腔中会与激光器谐振腔中的模式发生相互作用，从而使激光器的工作状态发生改变，失去正常功能。

避免激光器进入相干坍塌区的方法主要有两个方向，一个方向是降低反馈光的强度或使反馈光不容易进入谐振腔，另一个方向是提高激光器本征的抗反馈干扰能力。

目前，比较成熟的方法是在封装激光器的过程中增加对光有单向传播限制的隔离透镜，这种方案可以在一定程度上避免激光器受反馈光的影响，是工业上普遍使用的方案，但是这种方案增加了激光器封装过程的复杂度，提高了封装成本。另一种方案是通过激光器端面镀膜的方式来减少反馈光进入谐振腔，但端面镀膜对激光器本身性能会产生一定的影响。通过在片上集成具有隔离器效果的器件来实现反馈不敏感是目前研究的一个方向，但片上集成的隔离器技术非常复杂，而且无法避免隔离器本身存在的反射。

在提升激光器本征抗反馈能力方面，降低材料线宽增强因子是一个研究广泛的方案，大量理论和实验结果表明，量子点材料由于其具有很小的线宽增强因子使量子点激光器在抗反馈干扰方面具有卓越的表现。但同时需要注意的是，量子点材料的模式增益相较于量子阱材料偏小，因此量子点激光器的性能还是略逊于量子阱激光器。近年来，通过提升激光器模式 Q值来提高其抗反馈能力得到了科研人员的广泛研究，理论和实验结果都表明，由于高Q值激光器腔内具有很高的光子数密度，以及反馈光不容易耦合进激光器的谐振模式，从而导致高Q值激光器具有较高的相干坍塌阈值。但是，对于传统结构的激光器，提高激光器Q值通常会降低激光器的输出功率，因此通过提高Q值改善激光器抗反馈特性的空间有限。因此，光通信领域迫切需求一种抗反馈、性能能够满足光通信需求的激光器设计方案。

公开内容

本公开的主要目的是提供一种抗反馈耦合腔半导体激光器，旨在保证耦合腔激光器激光器具有较好的输出特性的同时具备抗反馈的特性。

为实现上述目的，本公开提供一种抗反馈耦合腔半导体激光器，包括回音壁微腔(1)、FP腔(2)，所述FP腔(2)沿其长度方向依次形成有第一端和第二端，所述回音壁微腔(1)与所述FP腔(2)的第一端相连接，以共同形成一耦合腔结构，光从所述FP腔(2)的第二端入射后进入所述回音壁微腔(1)中，并在所述回音壁微腔(1)内经过若干次反射后反射回所述FP腔(2)中。

可选地，所述回音壁微腔(1)的形状为多边形或弧形。

可选地，所述FP腔(2)的第一端与所述回音壁微腔(1)连接，所述FP腔(2)的第二端的端面为解理面或端面镀膜结构。

可选地，所述耦合腔结构由高品质因子的所述回音壁微腔(1)构成，所述FP腔(2)中的光进入所述回音壁微腔(1)产生谐振，并长时间保存在所述回音壁微腔(1)中，高品质因子所述回音壁微腔(1)内可以存储大量的光子，其光子数密度高于所述FP腔(2)中的光子数密度。

可选地，在所述耦合腔结构中，所述回音壁微腔(1)作为所述FP腔 (2)的一个等效反射端面，从所述FP腔(2)进入所述回音壁微腔(1) 的光子，经过若干次反射后有一部分可以回到所述FP腔(2)中，通过所述回音壁微腔(1)使其具有一定的等效反射率，保证所述FP腔(2)的激射。

可选地，耦合腔中形成的耦合模可以通过所述FP(2)腔形成有效输出，使耦合腔具有较高的输出效率。

本公开提供的抗反馈耦合腔半导体激光器，包括回音壁微腔(1)、 FP腔(2)，所述FP腔(2)沿其长度方向依次形成有第一端和第二端，所述回音壁微腔(1)与所述FP腔(2)的第一端相连接，以共同形成一耦合腔结构，光从所述FP腔(2)的第二端入射后进入所述回音壁微腔(1) 中，并在所述回音壁微腔(1)内经过若干次反射后反射回所述FP腔(2) 中。本公开设计了一种耦合腔激光器可以实现对外部光反馈不敏感，保证激光器在无隔离封装的条件下可以正常工作。通过将高品质因子回音壁微腔(1)与高输出效率的FP腔(2)耦合形成一种兼具高Q值和高输出效率的耦合腔结构，在保证耦合腔激光器具有较好的输出特性的同时具备抗反馈的特性。该抗反馈耦合腔半导体激光器不需要使用光栅进行选模，器件真实尺寸更小，制作工艺简单，成本低、成品率和可靠性高、易于集成，克服现有商用激光器利用光栅进行选模所存在的制作精度要求高和封装中需要使用高隔离度的隔离透镜造成封装成本高的缺陷，在高速光纤通信等领域具有良好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本公开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公开的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本公开提供的抗反馈耦合腔半导体激光器一实施例的立体结构示意图；

图2为图1中耦合腔结构的模式场分布图；

图3为图1中两种尺寸的抗反馈耦合腔半导体激光器的PI曲线；

图4为图1中回音壁微腔边长为15μm时耦合腔半导体激光器在IFP ＝30mA时(激射峰在短波长)和IFP＝50mA时(激射峰在长波长)的光谱；

图5为图1中回音壁微腔边长为18μm时耦合腔半导体激光器在IFP ＝30mA时(激射峰在短波长)和IFP＝50mA(激射峰在长波长)时的光谱；

图6为反馈测试系统；

图7为回音壁微腔边长为15μm，注入电流ISQ＝20mA和IFP＝30 mA时输出光谱随外部光反馈强度变化示意图；

图8为回音壁微腔边长为18μm，注入电流ISQ＝20mA和IFP＝30 mA时输出光谱随外部光反馈强度变化示意图；

图9为回音壁微腔边长为15μm，注入电流ISQ＝20mA和IFP＝50 mA时输出光谱随外部光反馈强度变化示意图；

图10为回音壁微腔边长为18μm，注入电流ISQ＝20mA和IFP＝50 mA时输出光谱随外部光反馈强度变化示意图。

标号	名称	标号	名称
				1	回音壁微腔	5	FP腔P面电极
2	FP腔	6	N面电极
				3	电隔离槽	7	解理面
4	回音壁微腔P面电极

本公开目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，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他实施例，都属于本公开保护的范围。

需要说明，若本公开实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本公开实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该 “第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B” 为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。还有就是，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本公开要求的保护范围之内。

半导体激光器对外部光反馈是非常敏感的，通讯用半导体激光器往往要使用光隔离器以避免光反馈对器件性能的影响。高Q值半导体激光器由于腔内具有很高的光子数密度，以及反馈光不容易耦合进激光器的谐振模式，因而对外部光反馈不敏感。但对于传统结构的激光器，提高激光器Q 值通常会降低激光器的输出功率，因此仅通过提高Q值改善激光器抗反馈特性的空间有限。

回音壁微腔具有小体积，高Q值等优点，不同形状的回音壁微腔激光器可以实现单模或多模激射激射，但这些回音壁微腔激光器的输出功率只有几十到几百微瓦，不能满足通信系统的需求。

鉴于此，通过将回音壁微腔与FP腔耦合形成一种新型耦合腔激光器可以保证单模激射的前提下，显著提高激光器的输出功率，旨在保证耦合腔激光器激光器具有较好的输出特性的同时具备抗反馈的特性。

参见图1，抗反馈耦合腔半导体激光器包括回音壁微腔1和FP腔2， FP腔2在其长度方向的两端分别称之为第一端和第二端，回音壁微腔1 与FP腔2的第一端相连接，两者一体成型，共同形成一个耦合腔结构。光从FP腔2的第二端入射后进入回音壁微腔1中，并在回音壁微腔1内经过若干次反射后反射回所述FP腔2中。

其中，回音壁微腔1的形状不唯一，形状包括正方形、矩形、五边形等多边形和圆形、圆环、弧边等弧形。在本实施例提供的方案中回音壁微腔1的形状是正方形的。回音壁微腔1本身具有较高的品质因子。在形成耦合腔后，FP腔2中的光进入回音壁微腔产生谐振，高品质因子的回音壁微腔1内可以存储大量的光子，其光子数密度远高于FP腔2中的光子数密度。并且其内的光子具有较长的寿命，从而使耦合腔中光子的平均寿命增加，即耦合腔内模式具有高品质因子。

由于FP腔2具有较高的输出效率，耦合腔中形成的耦合模可以通过 FP腔2形成有效输出，使耦合腔具有较高的输出效率。与此同时，在耦合腔结构中，高品质因子的回音壁微腔1作为FP腔2的一个等效反射端面，具有足够高的反射率，保证FP腔2的激射。

在本实施例中的抗反馈耦合腔半导体激光器中，高Q的正方形的回音壁微腔1可以存储大量的光子，其光子密度可远高于FP腔2内的光子密度，模式光子数的增加使得光反馈对激光器的影响降低，同时可以保证由法珀腔解理端面输出足够高的光功率。

在这种耦合腔结构中，腔内的高Q值的回音壁模式与低Q值的FP模式耦合形成一种在两腔内场强非均匀分布的耦合模。回音壁微腔1中的模场强度要高于FP腔中的模场强度。

如图2所示，我们模拟计算了边长为15μm和18μm的正方形的回音壁微腔1与宽度和长度分别为2.5μm和300μm的FP腔2的形成的耦合腔结构的模式场分布，耦合模Q值分别为1.04E4和5.07E4，对应的正方形的回音壁微腔1内模式光子数比例分别为50.2％和89.5％。这就意味着对于输出功率接近的两种腔，后者的腔内平均光子数密度可以达到前者的4倍以上，更高的Q值和光子数密度可以大大降低激光器对外部光反馈的敏感度。

我们设计制作了上述两种尺寸的耦合腔激光器，其单模光纤耦合光功率和光谱特性如图3-图5所示，其中，固定ISQ＝20mA，图3为激光器 PI曲线，图4和图5是边长分别为a＝15μm和a＝18μm的耦合腔在IFP ＝30mA(激射峰在短波长)和IFP＝50mA(激射峰在长波长)时的光谱，两种尺寸的耦合腔激光器输出光功率和光谱特性都比较接近。

如图6所示的反馈测试系统，测试两种激光器受光反馈的影响。使用带有锥形透镜的单模光纤耦合激光器输出光，耦合到的光进入环形器II 端口，从环形器III端口输出，然后通过一个1∶1分束器，50％的光通过偏振控制器和可调谐衰减器进入环形器I端口，然后反馈回激光器谐振腔中，另外50％的用于检测激光器输出功率，光谱，线宽和相对强度噪声特性等。

如图7-图10为测试得到的这两种尺寸耦合腔激光器在不同电流下的输出光谱随外部光反馈强度的变化，图7～图10对应的激光器条件为：图 7为正方形边长a＝15m，注入电流ISQ＝20mA和IFP＝30mA；图8为正方形边长a＝18m，ISQ＝20mA和IFP＝30mA；图9为正方形边长a＝15 m，ISQ＝20mA和IFP＝50mA；图10中正方形边长a＝18m，ISQ＝20mA 和IFP＝50mA。

系统中反馈强度定义为反馈光功率与单模光纤耦合光功率之比，在低反馈强度下，耦合腔激光器保持单模激射状态，随着反馈强度的增加，激光器光谱会出现多峰等非线性状态，此时，激光器处于相干坍塌状态。继续增加反馈光强度，激光器光谱上的卫星峰消失，光谱展宽，激光器进入混沌状态。两种尺寸的耦合腔激光器进入相干坍塌状态的反馈强度不同，在FP腔注入电流为30mA时，正方形边长为15μm和18μm的耦合腔激光器分别在反馈强度达到-31 dB和-21dB时出现非线性状态。相较于a＝ 15μm的耦合腔激光器，a＝18μm的耦合腔激光器相干塌缩阈值提高了 10dB，主要原因是边长18μm的正方形具有更高的Q值，而且，耦合模在正方形微腔中的光子数占比更高。两种尺寸的激光器输出功率相差不大也就意味着FP腔中光子数密度很接近。

因此，a＝18μm正方形腔内的光子数要远高于a＝15μm正方形腔内的光子数，这也是导致a＝18μm的耦合腔具有更高抗反馈干扰能力的原因。相同FP腔尺寸的情况下，通过增大正方形回音壁微腔的尺寸可以提升耦合腔的抗反馈干扰特性，但过大的正方形微腔会使耦合模纵模间隔减小和高阶模Q值的提升，引起多模激射，从而导致抗反馈特性的恶化。

此外，进一步提高FP腔2注入电流到50mA，两种尺寸的耦合腔激光器在外部光反馈强度达到-27dB和-19dB时进入相干坍塌状态。与FP 腔2注入电流为30mA的情况相比，激光器进入相干坍塌状态的反馈强度有2～4dB的上升，主要原因是注入电流的增加提高了腔内光子数密度，使激光器抗反馈影响的能力增强。

实验结果表明高Q值耦合腔激光器的相干坍塌反馈强度阈值提高了近10dB，这与理论上高Q值激光器具有好的抗反馈特性是相符的。我们可以通过提高耦合腔结构中回音壁微腔的Q值来实现耦合腔激光器抗反馈特性的提升，同时，由于耦合腔的特殊结构可以保证激光器的有效输出，保证足够高的输出功率。在更大尺寸的正方形微腔与FP腔形成的耦合腔结构中，由于回音壁微腔中纵模间隔的减小和高阶横模Q值的提高，容易出现多模激射或边模抑制比降低等现象，其受外部光反馈的影响变得更加敏感，因此不能一味的增加回音壁微腔的尺寸。我们希望可以进一步优化结构实现免隔离器的量子阱耦合腔半导体激光器。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种抗反馈耦合腔半导体激光器，其特征在于，包括回音壁微腔(1)、FP腔(2)，所述FP腔(2)沿其长度方向依次形成有第一端和第二端，所述回音壁微腔(1)与所述FP腔(2)的第一端相连接，以共同形成一耦合腔结构，光从所述FP腔(2)的第二端入射后进入所述回音壁微腔(1)中，并在所述回音壁微腔(1)内经过若干次反射后反射回所述FP腔(2)中。

2.如权利要求1所述的抗反馈耦合腔半导体激光器，其特征在于，所述回音壁微腔(1)的形状为多边形或弧形。

3.如权利要求1所述的抗反馈耦合腔半导体激光器，其特征在于，所述FP腔(2)的第一端与回音壁微腔(1)连接，所述FP腔(2)的第二端的端面为解理面或端面镀膜结构。

4.如权利要求1所述的抗反馈耦合腔半导体激光器，其特征在于，所述耦合腔结构由高品质因子的所述回音壁微腔(1)构成，所述FP腔(2)中的光进入所述回音壁微腔(1)产生谐振，并长时间保存在所述回音壁微腔(1)中，高品质因子所述回音壁微腔(1)内可以存储大量的光子，其光子数密度高于所述FP腔(2)中的光子数密度。

5.如权利要求1所述的抗反馈耦合腔半导体激光器，其特征在于，在所述耦合腔结构中，所述回音壁微腔(1)作为所述FP腔(2)的一个等效反射端面，从所述FP腔(2)进入所述回音壁微腔(1)的光子，经过若干次反射后有一部分可以回到所述FP腔(2)中，通过所述回音壁微腔(1)使其具有一定的等效反射率，保证所述FP腔(2)的激射。

6.如权利要求1所述的抗反馈耦合腔半导体激光器，其特征在于，所述耦合腔中形成的耦合模可以通过所述FP腔(2)形成有效输出，使耦合腔具有较高的输出效率。