CN114552378B - 窄线宽激光器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种窄线宽激光器，包括一无源环形谐振腔、一FP谐振腔和第一增益区，所述无源环形谐振腔与FP谐振腔配合形成M‑Z(马赫‑曾德干涉结构)复合外腔结构，所述M‑Z复合外腔结构至少用于提供波长选择和压窄激光器线宽，所述第一增益区设置于M‑Z复合外腔结构外侧，并至少用于为整个激光器提供增益。本申请实施例提出的窄线宽激光器结构简单，边模抑制比高，线宽窄，输出功率高；通过进一步集成第三增益区，还可实现宽谱、低耗快速调谐，且调谐管理简单；如单片集成，还可进一步避免增益区和波导区的对接耦合损耗和由此导致的窄线宽限制，同时可以通过整体成型半导体工艺制作，器件的成本低，稳定性和可靠性更高，耐恶劣环境性更强。

Description

窄线宽激光器
技术领域
本申请涉及一种激光器，特别是涉及一种可调谐的窄线宽激光器。
背景技术
窄线宽激光器由于其极佳的相干性成为信息通信(传感)的高质量光源，因此极具应用价值。窄线宽激光器不仅可应用于高精度光谱测量、量子(原子)频标等前沿科学研究，更是相干光通信、分布式光纤传感的核心元器件，可广泛应用于大容量激光通信、光纤和高灵敏度相干检测等领域。宽谱可调谐的窄线宽激光器作为光源可以进一步增强其在上述应用领域的核心竞争力。
鉴于其广泛诱人的应用前景，众多科研人员和投资机构投入研究窄线宽激光器。先后经历了：(1)半导体增益区+体式波长选择和线宽压窄结构(CN86202829U、CN200320130968.3、CN200810082028.9、CN200910235585.4、CN201210258846.6、CN201310395264.7、CN201310535501.5、CN201310728387.8、CN201410482266.4、US408739、CN201410602303.0、US549347；(2)半导体增益区+光纤结构(CN200510079902、CN200910050715.7、CN201410386617.1、CN201220642467.2、US368,654；(3)半导体激光器泵浦的全光纤激光器结构(CN201120374776.1,CN201210535987.8,CN201410271316.4、CN201320784023.7、CN201420684717.8)；(4)波导外腔半导体激光器结构(US120068325、US276763、US09/741/790、US13/249,753等)。
相较于前述的其他混合型窄线宽激光器，纯粹的半导体激光器由于结构紧凑、体积小、重量轻、能耗低、可靠性高、寿命长等优点受到各个应用领域的青睐。但是传统的DFB、DBR激光器由于其腔长有限，尽管采用复杂的光栅结构选择波长，也难以获得极窄线宽调谐，直接制约其在上述领域的应用。
2001年，有研究人员提出弱耦合环外腔半导体激光器实现窄线宽，但是由于环内损耗太大，使得单环外腔激光器一直没有实现(Appl.Phys.Lett.,79(22)3561,(2001)。IEEE J. Quantum.Electron.,39(7),859,(2003))。此后，诸多研究机构将该思想进行变通，实现了波导外腔窄线宽半导体激光器(OSA/OFC/NFOEC2010/OThQ5,Proc.of SPIEVol.7943,79431G,(2011),Appl.Phys.Express,5,082701,(2012),J.Lightwave Tech. 3(6)1241,(2015),Jap.J.Appl.Phys.53,04EG04,(2014)，IEEE J.Sel.Top.QuantumElectron，21 (6)，1501909，(2015)，Optics Lett.,40(7)1504,(2015))，IEEE.P.J.,Vol.8,(6),1505111,(2016)，IEEE CLEO JTh5C.9,(2017)，Optics Lett.，Vol.42,(21),4541, (2017)，Appl.Phys.Exp.11,112703(2018)，Optics Exp.,Vol.26,(7),7920,(2018)，IEEE J. Lightw.Tech,Vol.36,(16),3269(2018)。虽然上述激光器实现了芯片级窄线宽性能，但是这里所有结构不仅都是基于介质光子集成回路充当线宽压窄单元和波长调谐单元，III-V SOA充当增益区，二者混合集成构成窄线宽可调谐半导体激光器，而且这些介质波导光子集成回路非常复杂，且激光器的波长选择、压窄和调谐单元都是基于介质光子集成回路实现，为了实现宽谱调谐窄线宽高边模抑制比输出，通常需要通过电热效应调节多个谐振腔的折射率，以获得最优效果，由此导致电热管理复杂，且调谐速度慢。
本申请人此前也曾提出过一种单片集成窄线宽激光器(PCT/CN2017/110792)，但是存在输出功率低、边模抑制比差等缺陷，直接阻碍其在相应信息系统中的应用。
发明内容
本申请的目的在于提供一种窄线宽激光器，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
本申请的一些实施例提供了一种窄线宽激光器，其包括一无源环形谐振腔、一FP谐振腔和第一增益区，所述无源环形谐振腔与FP谐振腔配合形成M-Z(马赫-曾德干涉结构)复合外腔结构，所述M-Z复合外腔结构至少用于提供波长选择和压窄激光器线宽，所述第一增益区设置于所述M-Z复合外腔结构外侧，并至少用于为整个激光器提供增益。
在一些实施方式中，所述无源环形谐振腔与FP谐振腔并联耦合形成所述M-Z复合外腔结构。
在一些实施方式中，所述无源环形谐振腔与FP谐振腔中任一者的波导的折射率可调，以实现波长调谐功能。
在一些实施方式中，所述窄线宽激光器还包括第二增益区，所述第二增益区设置于所述M-Z复合外腔结构外侧，并至少用于放大激射光、提高输出功率以及进一步压窄线宽和抑制噪声。
在一些实施方式中，所述窄线宽激光器还包括增设的PN结区，所述增设的PN结区嵌设于所述M-Z复合外腔结构内。
进一步的，所述增设的PN结区为增益区(此时可以定义其为第三增益区)，并至少用于补偿所述M-Z复合外腔结构损耗，由此延展光学腔长及压窄激光器线宽。
或者，进一步的，所述增设的PN结区对所激射激光透明，以及，在电注入或者反偏所述增设的PN结区时，所述增设的PN结区的折射率能够发生快速改变，从而实现激射波长快速低耗调谐。其中，通过对所述增设的PN结区进行电注入或者反偏，可以快速改变其折射率，从而改变M-Z干涉仪的干涉条件，实现激光器宽谱快速调谐功能。
在一些实施方式中，所述激光器为单片集成结构。
在一些实施方式中，所述激光器的结构包括异质集成结构、对接集成结构或微组装集成结构。
在一些实施方式中，所述第一增益区上还配合设置有光栅结构，使所述激光器为分布反馈(DFB)激光器或者分布布拉格(DBR)激光器。
在一些实施方式中，所述第一增益区包括半导体光学放大器、DFB激光器或者DBR激光器。
在一些实施方式中，所述第二增益区包括半导体光学放大器。
在一些实施方式中，所述增设的PN结区包括半导体光学放大器或者对激射光透明的波导。
在一些实施方式中，所述激光器的出光端设置有减反机构(例如减反膜)，非出光端设置有高反机构(例如高反膜)。
在一些实施方式中，所述激光器的结构包括异质集成、对接集成结构或微组装集成结构。
在一些实施方式中，所述激光器由半导体增益芯片以及FP谐振腔与无源环形谐振腔并联耦合构成的M-Z复合外腔结构组合而成。
进一步的，所述M-Z复合外腔结构为低损耗波导结构，所述低损耗波导结构包括由相对于增益材料透明的同一体系的材料构成的波导，例如SOI Si波导、SiN波导或SiNO波导结构等，但不限于此。
进一步的，所述M-Z复合外腔结构由相对于增益区而言透明的材料构成。
进一步的，其中的任一增益区为任意波长激光的增益区。
进一步的，其中的任一增益区包括半导体增益区、光纤增益区或者固体或气体增益区。
进一步的，其中采用的无源波导材料是相对于增益区低损耗的任意材料，所述相对于增益区低损耗的任意材料包括透明的半导体材料或介质膜材料。
本申请的一些实施例提供了一种制备所述窄线宽激光器的方法，其包括：
提供用于形成所述激光器的基础半导体结构；
在所述基础半导体结构上定义出有源增益区和无源波导区；
在所述基础半导体结构上加工出由无源环形谐振腔和FP谐振腔并联耦合构成的M－ Z复合外腔结构和有源增益区，形成有源波导及无源波导，所述有源增益区包括第一增益区；
对所述有源波导进行钝化处理，
制作与所述基础半导体结构配合的P面电极、N面电极。
在一些实施方式中，所述有源增益区包括第一增益区、第二增益区和/或第三增益区。
在一些实施方式中，所述的制备方法还包括：在衬底上定义出有源增益区和复合外腔区，并通过选择性外延或者量子阱混杂技术进一步获得有源增益区材料结构和透明复合外腔材料结构，然后进一步通过光刻定义出有源波导和复合外腔波导。
在一些实施方式中，所述的制备方法还包括：在所述有源波导上沉积介质膜，实现对所述有源波导的钝化处理。
在一些实施方式中，所述的制备方法还包括：分别在所述激光器的出光端、非出光端设置减反膜、高反膜。
与现有技术相比，本申请实施例提出的一种窄线宽激光器结构简单，可实现宽谱可调谐，边模抑制比高，线宽窄，输出功率高，调谐方式简单，调谐速度快，调谐能耗低。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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为本申请第一实施例中一种窄线宽激光器的结构示意图；
图2为本申请第二实施例中一种窄线宽激光器的结构示意图；
图3为本申请第三实施例中一种窄线宽激光器的结构示意图；
图4为本申请第四实施例中一种窄线宽激光器的结构示意图；
图5为本申请第五实施例中一种窄线宽激光器的结构示意图；
图6为本申请第六实施例中一种窄线宽激光器的结构示意图；
图7为本申请第七实施例中一种窄线宽激光器的结构示意图；
图8为本申请一实施例中一种单片集成的窄线宽激光器的材料结构示意图；
图9a为本申请一实施例中一种单片集成的窄线宽激光器的制作流程示意图；
图9b为本申请一实施例中通过工艺定义的有源无源结构示意图；
图10为本申请一实施例中一种单片集成的窄线宽激光器的光谱图；
图11为本申请一实施例中一种单片集成的窄线宽激光器的频率噪声谱图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1所示，在本申请的第一实施例中，一种窄线宽激光器包括一个第一增益区 SOA1、一个无源环形谐振腔和一个FP谐振腔，其中，
该第一增益区用于为整个激光器提供增益，该无源环形谐振腔与FP谐振腔形成M-Z复合外腔结构。进一步的，该M-Z复合外腔结构可以充当激光器的线宽压窄、波长调谐和选频单元。
相对于DFB或者DBR激光器，该窄线宽激光器属于外腔半导体激光器，相较于其他外腔结构，其原理在于：无源环形谐振腔和FP谐振腔可以提供不同自由谱范围的谐振峰位，由此利用二者的游标效应，可以实现波长选择，进而通过改变其中任何一个谐振腔波导的折射率，可以实现波长调谐功能；而二者并联耦合构成的M-Z干涉仪结构可以进一步实现波长选择，这些效应匹配，构成波长选择性反射镜，从而提高其边模抑制比，获得稳定激射输出，且环形谐振腔还可以延展光学路径，有效压窄线宽。
在本申请中，所述游标效应是指通过两个光学长度不同的谐振腔串联或者并联，使得整个复合腔的谐振频谱实现谐振峰强度调制，并通过改变其中任一谐振腔的折射率，实现宽谱可调谐的方法。
进一步的，请参阅图2所示，为进一步提高器件性能，在本申请的第二实施例中，还可以在M-Z复合外腔结构外侧进一步集成第二增益区SOA2，用于提高输出功率，进而压窄线宽和噪声。更具体地，通过在输出端集成第二增益区，一方面可以提高输出功率，另一方面还可以调节激光器增益区反馈强度，以实现激光器在强反馈下的窄线宽稳定输出。
进一步的，请参阅图3所示，在本申请的第三实施例中，还可以在无源环形谐振腔内内嵌一增设的PN结区，该增设的PN结区也为增益区，并可以命名为第三增益区SOA3，用于补偿外腔损耗，由此延展光学腔长，更有效地压窄激光器线宽。更具体的，通过在无源环形谐振腔腔内内嵌第三增益区，一方面可以补偿环内损耗，另一方面通过电流注入引入折射率变化，实现激光器激射波长相位匹配，以获得高边模抑制比和窄线宽，且折射率变化导致的游标效应使得激光器激射波长大范围快速可调。
进一步的，请参阅图4所示，在本申请的第四实施例中，还可以在M-Z复合外腔结构内内嵌第三增益区SOA3，其一方面用于补偿外腔损耗，延展光学腔长，压窄激光器线宽，另一方面，由于该第三增益区在该M-Z复合外腔结构的一个相干臂上，通过改变第三增益区电注入或者反偏，可以更改其折射率，基于游标效应和M－Z的干涉作用，导致激光器实现波长快速低耗调谐。
进一步的，请参阅图5所示，在本申请的第五实施例中，可以同时在FP谐振腔两侧分别集成第一增益区SOA1、第二增益区SOA2，以及在无源环形谐振腔内内嵌第三增益区SOA3，从而使激光器兼具前述第一实施例至第三实施例的优点。
进一步的，请参阅图6所示，在本申请的第六实施例中，可以同时在FP谐振腔两侧分别集成第一增益区SOA1、第二增益区SOA2，以及在M-Z复合外腔结构内内嵌第三增益区SOA3，从而使激光器兼具前述第一实施例至第三实施例的优点。
进一步的，请参阅图7所示，在本申请的第七实施例中，可以同时在FP谐振腔两侧分别集成第一增益区SOA1、第二增益区SOA2，以及在M-Z复合外腔结构内内嵌另一增设的PN结区SOA3’，该增设的PN结区SOA3’可以是通过将前述第三增益区SOA3进行修饰处理后形成，该增设的PN结区SOA3’对整个激光器激射波长透明，通过电注入或者反偏该增设的PN结区SOA3’，可以实现激光器快速低耗宽谱调谐窄线宽激光输出，并改善其调谐品质。
并且，对于前述第五、第六实施例及第七实施例的器件而言，在电管理下，可获得窄线宽宽谱可调谐高功率激光器。
前述第一实施例至第七实施例的器件都可以基于半导体光电子器件衬底及其上有源无源单片集成或者混合集成技术实现。例如，在一些实施方式中，参阅图9a所示，通过单片集成技术制作前述任一种窄线宽激光器的方法可以包括如下具体步骤：
S1.在GaAs、InP、GaN等衬底上生长激光器的基础半导体结构(例如外延结构)，如图8所示。
S2.在步骤S1所获材料结构表面光刻出半导体激光器基本结构图案，如图1-图6所示。
S3.基于不同的单片集成技术定义出有源增益区和无源波导区，其中所述单片集成技术包括但不限于双波导垂直耦合技术，量子阱混杂技术，butt-joint对接技术以及选区外延技术等，例如在掩模下通过介质膜刻蚀和半导体刻蚀定义出激光器整体波导。
S4.以介质膜(如氧化硅、氮化硅等材质)作为刻蚀掩模，通过光刻、介质膜刻蚀、半导体刻蚀等半导体加工工艺顺次完成定义所述激光器的有源无源波导结构，形成半导体增益区、环形谐振腔和FP谐振腔并联耦合形成的M-Z复合外腔波导结构。例如，通过二次光刻区分出有源增益区部分SOA1、SOA2、SOA3和无源波导部分，如图9b所示。
S5.在以上步骤所形成器件结构基础上，基于掩模，蚀刻出无源环形腔和FP谐振腔，并还可以进一步在增益区SOA1部分或者在输入输出波导部分制作光栅，以期形成DFB或者DBR激光器。
S6.在所有波导定义结束后，彻底去除前述刻蚀掩模，然后沉积SiN、SiO2等介质膜，钝化有源波导SOA1、SOA2、SOA3。
S7～S8.按照常规半导体光电子器件制备工艺，依次通过开介质膜窗口、刻蚀介质膜、开电极窗口、做P面电极、减薄、抛光、做N面电极、合金、解理等工序，完成相应有源区部分工艺。
作为进一步的方案，在前述制作方法中，还可以增加对前述第三增益区SOA3修饰处理的工序，使得其被转变而对器件的激射光透明，但可实现电注入或者反偏，获得图7所示的器件结构。
进一步的，在初测基础上，还可以在制作形成的芯片出光端镀减反膜以避免残余反射，以及在非出光端一侧镀高反膜以增强光反馈，从而进一步压窄线宽，抑制噪声。
与其他芯片级窄线宽半导体激光器相比，本申请实施例所提供的窄线宽激光器波导结构简单，调谐管理简单，且有望获得宽谱快速低耗调谐、高边模抑制比和窄线宽。
与其它工艺过程(例如在SOI衬底上形成M-Z复合外腔和半导体衬底上形成的半导体有源区对接耦合混合集成)相比，本发明实施例形成的单片集成结构窄线宽激光器，其至少具有如下优点：①可极大地消除外腔与增益区的耦合损耗，可有效降低阈值，压窄线宽；②同类材质，热学和机械性能一致，因此器件稳定可靠性好，耐恶劣环境能力强；③统一设计制备，器件一致性好，成本低；④有望实现电调谐，调谐速度快、调谐线性度高、调谐功耗低。
图10是结构如图3所示的一种激光器的光谱图，由此可以看出，该激光器具有高边模抑制比调谐功能。图11所示是该激光器的频率噪声谱图，根据该频率噪声谱图的7M-10M频率处的噪声，可以确定该激光器的洛伦茨线宽达到了kHz量级。
在另外的一些实施方式中，对于前述第一、第二实施例的激光器来说，其也可以通过对接集成、光学微组装集成等多种技术方案实现，而器件的基本结构将呈现为“半导体增益芯片+FP谐振腔”与环形谐振腔并联耦合构成的M-Z复合外腔结构，其中，器件的增益芯片可以是任何需要波长的增益单元，包括但不限于各种衬底和波长范围的半导体增益芯片、光纤增益单元、固体(气体)增益单元等，该M-Z复合外腔可以是SOI Si波导、SiN 波导、SiNO波导以及其他任何相对于增益单元而言透明低损耗的波导结构，由此可以保证窄线宽宽谱可调谐可以实现，其中增益区SOA1部分可以选择半导体光学放大器、DFB 激光器抑或者DBR激光器；SOA2和SOA3一般是用增益区充当半导体光学放大器。在一些情况下，SOA3亦可被替代为前述的SOA3’。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (14)

1.一种窄线宽激光器，其特征在于包括一无源环形谐振腔、一FP谐振腔和第一增益区，所述无源环形谐振腔与FP谐振腔配合形成M-Z复合外腔结构，所述M-Z复合外腔结构至少用于提供波长选择和压窄激光器线宽，所述第一增益区设置于所述M-Z复合外腔结构外侧，并至少用于为整个激光器提供增益。
2.根据权利要求1所述的窄线宽激光器，其特征在于：所述无源环形谐振腔与FP谐振腔并联耦合形成所述M-Z复合外腔结构。
3.根据权利要求1所述的窄线宽激光器，其特征在于：所述无源环形谐振腔与FP谐振腔中任一者的波导的折射率可调，以实现波长调谐功能。
4.根据权利要求1所述的窄线宽激光器，其特征在于还包括第二增益区，所述第二增益区设置于所述M-Z复合外腔结构外侧，并至少用于放大激射光、提高输出功率以及进一步压窄激光器线宽和抑制噪声。
5.根据权利要求4所述的窄线宽激光器，其特征在于：所述激光器为单片集成结构，其中所述第一增益区上还配合设置有光栅结构，使所述激光器为DFB激光器或者DBR激光器，所述第二增益区包括半导体光学放大器；或者，所述激光器的结构包括异质集成结构、对接集成结构或微组装集成结构，其中第一增益区包括半导体光学放大器、DFB激光器或者DBR激光器，第二增益区包括半导体光学放大器。
6.根据权利要求4所述的窄线宽激光器，其特征在于还包括增设的PN结区，所述增设的PN结区嵌设于所述M-Z复合外腔结构内；其中，所述增设的PN结区为增益区，并至少用于补偿所述M-Z复合外腔结构损耗，由此延展光学腔长及压窄激光器线宽；或者，所述增设的PN结区对所激射激光透明，以及，在电注入或者反偏所述增设的PN结区时，所述增设的PN结区的折射率能够发生快速改变，从而实现激射波长快速低耗调谐。
7.根据权利要求6所述的窄线宽激光器，其特征在于：所述激光器为单片集成结构，其中第一增益区上还配合设置有光栅结构，使所述激光器为DFB激光器或者DBR激光器，所述第二增益区包括半导体光学放大器，所述增设的PN结区包括半导体光学放大器或者对激射光透明的波导；或者，所述激光器的结构包括异质集成结构、对接集成结构或微组装集成结构，其中所述第一增益区包括半导体光学放大器、DFB激光器或者DBR激光器，所述第二增益区包括半导体光学放大器，所述增设的PN结区包括半导体光学放大器或者对激射光透明的波导。
8.根据权利要求5所述的窄线宽激光器，其特征在于：所述激光器由半导体增益芯片以及FP谐振腔与无源环形谐振腔并联耦合构成的M-Z复合外腔结构组合而成。
9.根据权利要求8所述的窄线宽激光器，其特征在于：所述M-Z复合外腔结构为低损耗波导结构，所述低损耗波导结构包括相对于增益材料透明的同一体系的材料构成的波导。
10.根据权利要求9所述的窄线宽激光器，其特征在于：所述低损耗波导结构包括SOISi波导、SiN波导、铌酸锂波导或SiNO波导结构。
11.根据权利要求1、2、3、4、7中任一项所述的窄线宽激光器，其特征在于：其中的任一增益区为任意波长激光的增益区。
12.根据权利要求1、2、3、4、7中任一项所述的窄线宽激光器，其特征在于：其中的任一增益区包括半导体增益区、光纤增益区或者固体或气体增益区。
13.根据权利要求1、2、3、4、7中任一项所述的窄线宽激光器，其特征在于：其中采用的无源波导材料是相对于增益区低损耗的任意材料，所述相对于增益区低损耗的任意材料包括透明的半导体材料或介质膜材料。
14.根据权利要求1、2、3、4、7中任一项所述的窄线宽激光器，其特征在于：所述激光器的出光端设置有减反机构，非出光端设置有高反机构。
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