CN115621839B - 一种激光装置及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光装置及其制作方法，属于光学芯片设计领域。激光装置包括依次耦合连接的激光器芯片、铌酸锂芯片以及光纤单元；所述激光器芯片包括第一发光管芯与第二发光管芯，所述铌酸锂芯片包括第一波导与第二波导，所述第一波导与所述第一发光管芯耦合，所述第二波导与第二发光管芯耦合，其中，所述第一波导的宽度大于第二波导的宽度；所述第一波导与第二波导的中部区域形成定向耦合部，所述铌酸锂芯片还包括设置于定向耦合部之间的推挽电极以及设置于第一波导上的光栅；所述光纤单元包括光纤阵列，所述光纤阵列与所述铌酸锂芯片的第一波导与第二波导光学耦合。本发明的激光装置实现起偏、滤波和波长可调谐等功能。

Description

一种激光装置及其制作方法

技术领域

本发明涉及光学芯片设计领域，特别涉及一种激光器装置。

背景技术

随着全球数据流量需求呈现持续性增长，而传统的单模光纤传输系统已达到其传输容量的极限，满足不了日益增长的数据流量交换。为了解决这个矛盾，需要不断提升单模光纤的传输容量，光通信网络也引入多种复用技术以缓解供需之间的压力，具有可重构信道、带宽和网络拓扑的动态波分复用技术有望满足通信网的总带宽和低延迟要求。可调谐波分复用器件可以通过外部热/电调节来实现模式的动态选择，是实现动态波分技术的关键器件之一。

目前可调谐激光器还存在以下方面需要提升：偏振消光比普遍为20dB以下、波长调谐范围窄、调谐速率慢，不能满足对偏振消光比要求高的长距离相干光传输系统。

发明内容

基于此，本发明提出了一种能够实现高偏振消光比、快速的波长调谐和较宽的波长调谐范围的激光装置及该激光装置的制作方法。

针对上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种激光装置，包括：依次耦合连接的激光器芯片、铌酸锂芯片以及光纤单元；所述激光器芯片包括第一发光管芯与第二发光管芯，所述铌酸锂芯片包括第一波导与第二波导，所述第一波导与所述第一发光管芯耦合，所述第二波导与第二发光管芯耦合，其中，所述第一波导的宽度大于第二波导的宽度；所述第一波导与第二波导的中部区域形成定向耦合部，所述铌酸锂芯片还包括设置于定向耦合部之间的推挽电极以及设置于第一波导上的光栅；所述光纤单元包括光纤阵列，所述光纤阵列与所述铌酸锂芯片的第一波导与第二波导光学耦合。

本发明的部分实施方式中，还包括用于支撑所述激光器芯片及所述铌酸锂芯片的载体。

本发明的部分实施方式中，所述激光器芯片为宽谱光源激光器芯片，所述光纤单元为保偏光纤。

本发明的部分实施方式中，第一波导的宽度为9-12μm，第二波导的宽度为5.5-6.5μm；第一波导的基模大于第二波导的基模，第二波导的基模大于第一波导的一阶模。

本发明的部分实施方式中，所述推挽电极包括第一电极、第二电极与第三电极，所述第一电极与第三电极的极性相同且分别设置在第一波导与第二波导的外侧，所述第二电极与第一电极的极性相反且位于第一波导与第二波导之间。

本发明的部分实施方式中，所述第二波导接近所述激光器芯片的端部形成非对称端面耦合部，所述非对称端面耦合部包括间隔设置的直波导以及宽度渐变的渐变波导。

本发明同时提供一种激光装置的制作方法，包括：

将激光器芯片固定于载体上形成第一组件；

将铌酸锂芯片的波导输出端通过光学耦合平台与光纤阵列进光学耦合固定，达到最大的尾纤偏振串音和最大的输出光功率后进行点胶固定形成第二组件；

将第一组件与第二组件进行空间耦合，达到最大耦合效率时将两者固定成一体。

本发明的部分实施方式中，所述铌酸锂芯片的波导输出端与所述光纤阵列进行光学耦合调节时，光纤阵列远离铌酸锂芯片的一端与消光比测试仪连接以监控尾纤偏振串音。

本发明的部分实施方式中，第一组件与第二组件进行空间耦合时，通过真空吸附装置对铌酸锂芯片进行吸附，然后移动至激光器芯片的前方，光纤阵列远离铌酸锂芯片的一端连接光功率计，所述光功率计输出值达到最大值时，将所述铌酸锂芯片点胶固定于载体上，进行紫外预固化，再进行高温老化固化。

本发明的部分实施方式中，采用光功率计进行空间耦合进一步包括：调节激光器芯片与铌酸锂芯片的相对位置，在显微镜下观察激光芯片与铌酸锂芯片的耦合位置，当光功率计的功率输出达到第二设定值时，粗调完成；

通过精细调节X/Y/Z轴和焦距对激光器芯片和铌酸锂芯片进行精细调节，当光功率计功率达到最大值时，将所述铌酸锂芯片点胶固定于载体上，再进行高温老化固化。

本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：

本发明提供的激光装置通过将铌酸锂芯片和激光器芯片进行集成，实现起偏、滤波和波长可调谐等功能，具有结构紧凑，功能多样化等特点。本发明选取退火质子交换的铌酸锂作为定向耦合部的制作材料，通过设计光栅和电极结构，实现激光器的高偏振消光比、快速的波长调谐和较宽的波长调谐范围。同时铌酸锂芯片设计为四端口器件，可以实现两个端口输出，满足多种应用需求。根据需要可以扩容多组结构，实现多路输出。

附图说明

下面将通过附图详细描述本发明中优选实施例，将有助于理解本发明的目的和优点，其中:

图1为本发明的激光装置的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明的激光装置的另一种具体实施方式的结构示意图；

图3a、图3b为本发明的激光装置的滤波特性原理图；

图4为采用本发明的激光装置的电光调谐输出传输谱特性。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1所示为本发明的激光装置的一种具体实施方式，该激光装置包括：依次耦合连接的激光器芯片1、铌酸锂芯片2以及光纤单元3；其中，所述激光器芯片1包括第一发光管芯L1与第二发光管芯L2，所述铌酸锂芯片2包括第一波导S1与第二波导S2，所述第一波导S1与所述第一发光管芯L1耦合，所述第二波导S2与第二发光管芯L2耦合，其中，所述第一波导S1的宽度大于第二波导S2的宽度；所述第一波导S1与第二波导S2的中部区域形成定向耦合部，所述铌酸锂芯片2还包括设置于定向耦合部之间的推挽电极D以及设置于第一波导S1上的光栅G；所述光纤单元3包括光纤阵列，所述光纤阵列与所述铌酸锂芯片2的第一波导S1与第二波导S2光学耦合。

通过将铌酸锂芯片2和激光器芯片1进行集成，实现起偏、滤波和波长可调谐等功能，具有结构紧凑，功能多样化的特点。本发明选取退火质子交换的铌酸锂作为定向耦合部的制作材料，通过设计光栅G和电极结构，实现激光器的高偏振消光比、快速的波长调谐和较宽的波长调谐范围。同时铌酸锂芯片2设计为四端口器件，可以实现两个端口输出，满足多种应用需求。根据需要可以扩容多组结构，实现多路输出。

具体地，一种可选的实施方式中，所述激光装置还包括用于支撑所述激光器芯片1及所述铌酸锂芯片2的载体4，所述载体4为金属座体，所述激光器芯片1及铌酸锂芯片2固定于其上表面，更具体地，由于铌酸锂芯片2的厚度较大，所述激光器芯片1的厚度较小，所述载体4的上表面则成型为与两者匹配的阶梯形。

具体地，一种可选的实施方式中，所述激光器芯片1为宽谱光源激光器芯片，所述光纤单元3为保偏光纤，更具体地，所述光纤单元3为熊猫形保偏光纤，其可以根据应用需求对猫眼（即光纤的应力区）进行旋转确定快/慢轴。

具体地，一种可选的实施方式中，所述铌酸锂芯片2的第一波导S1的宽度为9-12μm，第二波导S2的宽度为5.5-6.5μm；第一波导S1的基模大于第二波导S2的基模，第二波导S2的基模大于第一波导S1的一阶模；通过采用宽波导与窄波导形成非对称定向耦合部，同时，上述宽、窄波导的尺寸可以防止宽波导一阶模与窄波导基模发生耦合。

具体地，所述光栅G为长周期光栅，具体地，所述长周期光栅指周期大于1μm的光栅G，长周期光栅的引入可以补偿两基模的传播常数的差异，从而实现两个模式高效的基于相位匹配的耦合。

具体地，所述推挽电极D包括第一电极D1、第二电极D2与第三电极D3，所述第一电极D1与第三电极D3的极性相同（例如均为负极）且分别设置在第一波导S1与第二波导S2的外侧，所述第二电极D2与第一电极D1的极性相反（即第二电极D2为正极）且位于第一波导S1与第二波导S2之间。

具体地，一种可选的方式中，所述第二波导S2接近所述激光器芯片1的端部形成非对称端面耦合部S2O，所述非对称端面耦合部S2O包括间隔设置的直波导以及宽度渐变的渐变波导，采用上述结构的非对称端面耦合部S2O保证形成单模波导，同时扩大模场。避免单纯在第二波导S2的端部扩宽导致形成多模波导的问题。

上述激光装置的工作原理如图3a、图3b及图4所示。

第一种情况，如图3a所示，激光器芯片1的第一发光管芯L1发出的光进入第一波导S1，为了保证激发第一波导S1中的基模(TE0)，在耦合装配时，需要保证第一发光管芯L1发出的光在第一波导S1的中心入射，基模光在宽波导中传输时，在耦合区域，光栅G引入的微扰，会使宽波导中的基模与窄波导中的基模在特定波长发生耦合，在输出端A1’会观察在特定波长出现一个阻带，而在输出端A2’会观察在特定波长出现一个通带，实现了滤波的功能。

第二种情况：如图3b所示，激光器芯片1的第二发光管芯L2发出的光进入第二波导S2，为了提升耦合效率，第二波导S2设计了模斑转换结构，通过非对称波导结构设计，保证单模条件下，扩大模场尺寸，增加与激光器的耦合效率。在耦合区域，光栅G引入的微扰，会使第二波导S2中的基模与宽波导中的基模在特定波长发生耦合，在输出端A2’会观察在特定波长出现一个阻带，而在输出端A1’会观察在特定波长出现一个通带，实现了滤波的功能。

为了实现动态可调谐，布置于定向耦合部两波导的中间及两侧，这样的电极结构可以在宽波导与窄波导中实现相反的电场，从而实现推挽式调谐功能，降低调谐电压，提高调谐效率。铌酸锂是电光晶体，加电会引起折射率发生变化，由公式（1）可知，周期Λ固定条件下，从而引起特定波长λ的变化，实现多波长可调谐，如图4所示，根据实验结果，波长调谐范围可达到100nm。

（1）

其中，N1为第一波导S1的基模有效折射率，N2为第二波导S2的基模有效折射率；

基于以上，所述激光器芯片1种第一发光管芯L1/第二发光管芯L2发出的光进入铌酸锂芯片2输入端口A1和A2，通过定向耦合部，在光栅G耦合区域，特定波长下，宽/窄波导中的光耦合进入窄/宽波导，从而输出端A1’/A2’会出现相应的阻带/通带，实现滤波及波长选择功能。为了实现动态可调滤光，通过设置推挽电极D在耦合区域，实现电压可调动态滤波。另外，退火质子交换铌酸锂波导具有起偏的功能，光源输入的消偏光进入铌酸锂波导后，TM模式的光会泄露到衬底散色出去，因此输出为TE模式的光，偏振消光比可以达到-60dB左右，因此输出的光具有非常好的单偏振特性，满足某些对偏振态有需要的应用场景。

本发明同时提供一种制作上述激光装置方法，包括如下步骤：

S1.将激光器芯片1固定于载体4上形成第一组件；

具体地，通过焊料将激光器芯片1焊接固定于载体4上。

S2.将铌酸锂芯片2的波导输出端通过光学耦合平台与光纤阵列进光学耦合固定，达到最大的尾纤偏振串音和最大的输出光功率后进行点胶固定形成第二组件；

具体地，所述铌酸锂芯片2的波导输出端与所述光纤阵列进行光学耦合调节时，光纤阵列远离铌酸锂芯片2的一端（即光纤的输出尾纤的B端）与消光比测试仪连接以监控尾纤偏振串音；更具体地，通过调整夹持光纤输出尾纤A端的六维调节架的倾斜角对应的轴，观察消光比测试仪的尾纤偏振串音值，达到最大时说明偏振轴已经对准，不再调节倾斜角对应的轴，调节其它几个轴，直至达到光功率输出最大。

S3.将第一组件与第二组件进行空间耦合，达到最大耦合效率时将两者固定成一体。

具体地，上述第一组件与第二组件进行空间耦合时，首先通过真空吸附装置对铌酸锂芯片2进行吸附，然后将铌酸锂芯片2移动至激光器芯片1的前方，光纤阵列远离铌酸锂芯片2的一端（即光纤的输出尾纤的B端）连接光功率计，所述光功率计输出至达到最大值时，将所述铌酸锂芯片2点胶固定于载体4上，进行紫外预固化，然后进行高温老化固化。

更具体地，采用光功率计进行空间耦合进一步包括：调节激光器芯片1与铌酸锂芯片2的相对位置，在显微镜下观察激光芯片与铌酸锂芯片2的耦合位置，当光功率计的功率输出达到第二设定值，例如光功率计的功率输出值达到1-5μW时，粗调完成；

通过精细调节X/Y/Z轴和焦距对激光器芯片1和铌酸锂芯片2进行精细调节，当光功率计功率达到最大值时，将所述铌酸锂芯片2点胶固定于载体4上，进行紫外预固化，再进行高温老化固化。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种激光装置，其特征在于，包括：

依次耦合连接的激光器芯片、铌酸锂芯片以及光纤单元；

所述激光器芯片包括第一发光管芯与第二发光管芯，所述铌酸锂芯片包括第一波导与第二波导，所述第一波导与所述第一发光管芯耦合，所述第二波导与第二发光管芯耦合，其中，所述第一波导的宽度大于第二波导的宽度；

所述第一波导与第二波导的中部区域形成定向耦合部，所述铌酸锂芯片还包括设置于定向耦合部之间的推挽电极以及设置于第一波导上的光栅；

所述光纤单元包括光纤阵列，所述光纤阵列与所述铌酸锂芯片的第一波导与第二波导光学耦合。

2.根据权利要求1所述的一种激光装置，其特征在于，还包括用于支撑所述激光器芯片及所述铌酸锂芯片的载体。

3.根据权利要求1或2所述的一种激光装置，其特征在于，所述激光器芯片为宽谱光源激光器芯片，所述光纤单元为保偏光纤。

4.根据权利要求1或2所述的一种激光装置，其特征在于，第一波导的宽度为9-12μm，第二波导的宽度为5.5-6.5μm；第一波导的基模大于第二波导的基模，第二波导的基模大于第一波导的一阶模。

5.根据权利要求1或2所述的一种激光装置，其特征在于，所述推挽电极包括第一电极、第二电极与第三电极，所述第一电极与第三电极的极性相同且分别设置在第一波导与第二波导的外侧，所述第二电极与第一电极的极性相反且位于第一波导与第二波导之间。

6.根据权利要求1或2所述的一种激光装置，其特征在于，所述第二波导接近所述激光器芯片的端部形成非对称端面耦合部，所述非对称端面耦合部包括间隔设置的直波导以及宽度渐变的渐变波导。

Images