CN115764541A - 一种基于光学相控阵阵列的量子级联激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于光学相控阵阵列的量子级联激光器，所述量子级联激光器包括：基片，在所述基片上集成种子激光器和光学相控阵阵列，所述光学相控阵阵列，将所述种子激光器发出的激光分成多路激光；所述光学相控阵阵列的前端设置可调相光放大器，对多路激光单独进行调相。本发明能够通过阵列结构放大种子激光器输出功率，并且改善光束质量。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，特别是涉及一种基于光学相控阵阵列的量子级联激光器。
背景技术
自上世纪六十年代激光诞生以来，由于其所具有高单色性，高亮度和高方向性，使得其迅速成为生产生活中重要的工具。其中，中长波红外激光是重要的激光波段之一，该波段区域包含许多化学品的指纹吸收特征和两个大气传输窗口。量子级联激光器(QCL)由于其紧凑的结构、在室温下工作的能力以及高波长可调谐性，已成为中长波红外领域的主要激光源。量子级联激光器(QCL)利用量子能带工程调节导带子带间的能级结构，通过电子而不依靠空穴，在子带间的传输跃迁来实现辐射发光，打破了了半导体激光器向红外波段扩展的桎梏。
随着量子级联激光器(QCL)材料和器件技术的发展，国内外研究机构针对量子级联激光器(QCL)在物质成分的激光光谱探测、自由空间光通信、定向红外对抗等领域的应用上进行了大量的研究，在部分细分领域已经实现了量子级联激光器(QCL)的实用化。在军事领域中，主要应用在定向红外对抗、红外激光制导、激光雷达等领域。在民用领域中，主要应用有危化品检测、气体传感器、医学方面的呼吸气体检测。此外，设计量子级联激光器(QCL)的波段正好位于大气窗口内，能够很好的避免光传播过程中的损耗问题，利用量子级联激光器(QCL)作为光源进行自由空间光通信，大大增加通讯距离。
随着器件在室温下运行的输出功率越来越高、单频特性越来越好、输出波长不断拓展，量子级联激光器(QCL)在很多领域中的应用也越来越广泛，其面临的不断提高的技术指标要求也牵引着量子级联激光器(QCL)技术的进步。高亮度的量子级联激光器是迫切的需求，即高光功率和良好光束质量的结合。各大研究团队通过在能带设计、器件结构和工艺等方面对量子级联激光器(QCL)进行改进，提升其输出功率。通常单纯为了提高光输出功率，增大有源区面积是最常见的方法，然后该方法引起散热困难、光束质量差等问题。而随着条形激光器及光波导理论与技术的发展，有研究学者把大量单个性能好的条形激光器单片集成，使各个激光器之间实现有效耦合，实现多路激光的相干输出，出现了相干阵列半导体激光器。最有代表的相干阵列激光器是由美国施乐(Xerox)公司和光谱物理公司(Spectra Physics)联合创建的光谱二极管实验室(Spectra Diode Lab)先发展起来的，他们发展了一系列大功率的半导体相干阵列激光器。相干阵列半导体激光器的出现，极大提升了半导体激光器的性能，并且得到了快速的发展。
经历25年的发展，量子级联激光器已经实现3.4～17um的室温连续工作，在某些波段功率达到瓦级。目前各大研究机构及学者团队，都在不断探索提升激光器性能的方法。目前世界上最高输出功率的单管基横模量子级联激光器(QCL)，激射波长为4.6um，室温下连续波输出功率为5.1W，脉冲工作模式下电光转化效率高达27％。在器件结构上对量子级联激光器(QCL)进行改进的，国外有哈弗大学Capasso团队，在2007年首次展示了，在一个芯片上用32个DFB QCL阵列实现了多波长切换。所有的阵列元件都能够单模操作，波长调谐为8.71～9.47μm。在2012年采用锥形波导结构，减轻量子级联激光器(QCL)材料中的增益饱和效应，实现了在4.5um下工作超过4.5W的连续波输出功率。M.Razeghi团队，在2018年研究了基于多模干涉耦合器MMI的锁相量子级联激光器(QCL)阵列，多模干涉耦合器MMI效率估计为94％，并且从一个激光阵列获得高达15W的输出功率。此团队同年提出了单模、高功率、中红外、量子级联激光相控阵，获得了高达30w的单模峰值输出功率。国内主要由中国科学院及长春理工大学等研究机构对量子级联激光器进行研究，2013年，首次实现脊型面发射量子级联激光器室温连续工作。2020年，采用半绝缘掩埋异质结构，使器件输出功率较传统结构提升85％，室温最大功率从280mW提高到520mW。他们与阵列有关的工作还有，在2019年，优化了单管器件结构，制备了国际上第一个室温连续宽广谱中红外量子级联超辐射发光二极管阵列，室温连续电流注入下的输出功率达到2.4mW，对应的光谱宽度约200cm-1，输出光束质量优异。
量子级联激光器(QCL)阵列结构有了一定的发展，DFB型QCL作为多波长阵列组件适用于功率要求宽松的光谱学系统，但它们作为阵列元件的选择限制了这种阵列的峰值输出功率。为了针对像延迟检测这样的应用，需要一个可靠地以良好的波束质量提供高输出功率的单模QCL设备作为阵列元件。所有阵列元件在面正态方向上的单瓣远场强度分布是许多光谱学和传感应用的关键要求，并结合对灵敏和可靠检测的严格功率要求。这可以通过使用MOPA型QCL作为阵列组件来解决，主振功率放大器(MOPA)工作基于在一个低功率激光器件中产生一个单一的纵向和横向模式，并将该模式耦合到一个单通放大器中，在那里它被放大，同时保持其光谱纯度和模式轮廓。
对于DFB型QCL阵列和MOPA型QCL，工作在更高占空比，都具有挑战性，随着技术的不断发展，需要一种新型的QCL阵列原件，来提供更高效的工作。
通过量子级联激光器阵列结构实现高亮度光束被证明是很有效的方法，但是当前报道的结构中每一路的相位不可调控，难以满足因工艺误差、结构误差引起的相位波动，以及因为散热、工艺等因素限制了阵列间距，导致合束之后的光束质量难以达到理想要求，合束之后的栅瓣和旁瓣难以消除。
发明内容
为了解决现有技术中光学相控阵阵列的量子级联激光器合束之后的光束质量难以达到理想要求，合束之后的栅瓣和旁瓣难以消除的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种基于光学相控阵阵列的量子级联激光器，所述量子级联激光器包括：
基片，在所述基片上集成种子激光器和光学相控阵阵列，所述光学相控阵阵列，将所述种子激光器发出的激光分成多路激光；
所述光学相控阵阵列的前端设置可调相光放大器，对多路激光单独进行调相。
进一步地，所述种子激光器的耦合强度应当满足：
其中，∧为光栅的周期，Δn为折射率阶跃，neff为有效折射率。
进一步地，所述种子激光器的长度L与耦合强度k的乘积为：kL＝5。
进一步地，所述光学相控阵阵列为树状MMI分束器。
本发明提供的一种基于光学相控阵阵列的量子级联激光器，针对量子级联激光器存在功率较低和光束质量较差的问题，将种子激光器经过光学相控阵阵列分成多路激光，每一路经过可调相的光放大器进行光放大和相位锁定，即实现相控阵激光相干合束。通过设计单模输出种子激光器与相控阵阵列相结合的结构，解决单一激光器结构输出功率小，光束质量差的问题。
本发明提供的一种基于光学相控阵阵列的量子级联激光器，首先对种子DFB激光器部分进行设计，采用光栅结构进行单模输出，其次对相控阵阵列部分进行设计，实现阵列单元的相互锁定，使其能够相干输出。最后将种子激光器与阵列结构结合起来。较以往的单一激光器结构，采用这种阵列结合的结构，能够更好的实现功率放大和光束质量改善，为研制大功率、高性能、波束可扫描的量子级联激光器打下基础。
本发明提供的一种基于光学相控阵阵列的量子级联激光器，基于量子级联激光器阵列发展现状，结合光学相控阵(OPA，Optical Phase Array)技术，设计种子激光器与光学相控阵(OPA)结合的量子级联激光器(QCL)，实现激光器输出功率的放大、高效合束与光束质量的改善。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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示意性示出了本发明一个实施例中一种基于光学相控阵阵列的量子级联激光器的结构示意图。
图2示出了本发明一个实施例中种子激光器的结构示意图。
图3示出了本发明一个实施例中多模干涉耦合器的结构示意图。
图4示出了本发明一个实施例中可调相光发达器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。
为了解决现有技术中量子级联激光器存在功率较低和光束质量较差的技术问题，提出一种基于光学相控阵阵列的量子级联激光器。
原理说明
虽然量子级联激光器与通常的半导体激光器在工作原理上有所不同，但相干阵列的半导体激光器也为量子级联激光器的发展提供了一种新的思路。本发明从器件结构着手，通过设计种子激光器与光学相控阵阵列结构结合的结构，来提升量子级联激光器的输出功率和改善光束质量。
光学相控阵正在成为非机械式光束控制的重要光源。在过去几年中，学者对近红外光学相控阵(OPA)进行了广泛的研究，其主要动机是光探测和测距(LIDAR)。光学相控阵(OPA)是一个由排列分布的相干光发射器(又称移相器)组成的相互离散的阵列系统。在各路光信号不存在相位差的前提下，光到达等相位面处的时间相同，光向前传播，不会出现干涉现象。对于中红外(3–12μm)光谱区域，光学相控阵(OPA)的演示有限，这对于化学和生物传感、自由空间通信和红外对抗应用至关重要。对于所有这些应用，光束可控和高功率激光源是非常理想的。
相干阵列激光器进行结构设计和制作的主要目标是实现器件大功率输出的同时，能够实现阵列单元之间的相位锁定，从而得到基横模激射。相干合束采取树形结构合束，种子激光锁定丛激光阵列的相位，实现相干合束和功率放大。相干激光阵列输出功率随阵列中激光器的数量而变化。相邻的条形激光器，当器件的空间间距较小(3～6um)时，激光器波导中的光场会产生重叠，这种消失场的重叠导致了波导间光场的相互耦合，从而决定了相邻激光器各个器件间的位相依赖关系，即实现位相锁定，这样导致了从各个分立条形激光器输出的激光的相干。尽管在阵列中有多个激光器，它们仍可以以相同的波长振荡。总输出的光场分布在近场是均匀的，远场由其位相关系决定，在平行与结平面方向上仍有较好的光束方向性。对于非相干激光阵列，从阵列的多个面发射的激光束很难进行合束，导致实际阵列光束的亮度甚至比单束激光的亮度还要低。
锁相激光阵列是相控阵雷达的光学对应物。高光束质量可以通过高填充系数阵列或使用外部光学，如微透镜来实现。本发明通过主动控制阵列内激光器的相位关系来实现单片波束合成与转向。
结构设计
如图1所示本发明一个实施例中一种基于光学相控阵阵列的量子级联激光器的结构示意图，根据本发明的实施例，一种基于光学相控阵阵列的量子级联激光器，包括：基片100，在基片100上集成种子激光器101和光学相控阵阵列102。光学相控阵阵列102，将种子激光器101发出的单一激光分成多路激光。
种子激光器选择
在选择种子激光器时，具有窄带宽或单模的激光器更具有优势，本发明的实施例采用DFB激光器作为种子激光器101。在一些实施例中可以选择SGDFB激光器作为种子激光器101，以实现宽调谐。
图2示出了本发明一个实施例中种子激光器的结构示意图，种子激光器101设计需要考虑总体激光器长度L，光栅的周期∧，耦合强度k。
种子激光器101的耦合强度应当满足：
其中，∧为光栅的周期，Δn为折射率阶跃，neff为有效折射率。种子激光器101的长度L与耦合强度k的乘积为：kL＝5，能够实现良好输出功率。
光学相控阵阵列设计
为了将种子激光器101的输出分割成大格式阵列，需要一组低损耗的分束器和弯曲波导。在单模装置中，多模干涉耦合器(MMI)是一个很好的分束选择，它在中红外激光器(MIR)区已被证明具有高达94％的分束效率。
本发明利用树状MMI分束器作为光学相控阵列102，多模干涉耦合器(MMI)103和可调相光放大器阵列的片上集成，来实现单模16/32通道3-5um的量子级联激光器(QCL)的光学相控阵(OPA)阵列。
为实现较小损耗，需要设计多模干涉耦合器(MMI)的宽度和长度。如图3所示本发明一个实施例中多模干涉耦合器的结构示意图，确多模干涉耦合器(MMI)103宽度后，考虑到横向模式穿透周围的包层，需要计算有效宽度值(Weff)W，基于有效宽度值(Weff)W，可计算得出的最佳多模干涉耦合器(MMI)长度数值H。
其次，需要考虑多模干涉耦合器(MMI)103输入输出侧锥形角度，设置合适角度值抑制异相超模的全反射。为了优化阵列间距，提高阵列的散热效率，可采用有限元方法模拟激光核心温度随间距宽度的变化规律。
可调相光放大器
窄脊激光阵列的锁相技术正在得到广泛的发展，以实现光束质量的相干输出。通过树形阵列分支耦合方法实现连续运行被认为是一种较好的替代方案，其中单元间距足够便于热管理，且所有的激光波导元件都是窄宽度。由于Y分支耦合激光阵列在同相和反相超模之间存在模竞争，导致功率性能较差(亮度较低)。远场分布是同相和反相模式的混合。虽然通过增加反相模式的损耗可以缓解模式竞争，但是对于Y分支，这需要一个狭窄的耦合节点，这也会增加同相模式的损耗。
如图4所示本发明一个实施例中可调相光发达器的结构示意图，光学相控阵阵列102通过多个支路104将种子激光器101的单一激光分成多路激光。光学相控阵阵列102的前端设置可调相光放大器105，对光学相控阵阵列102的多个支路104的多路激光单独进行调相(图4中示意性的示出了可调相光放大器105对四个支路104分别单独进行调相)。
本发明采用多模干涉耦合器(MMI)103替代Y分支耦合，光学相控阵阵列102的前端设置可调相光放大器105，可实现1x16、1x32阵列的相干激光器阵列。
在光束组合的反向过程中，将种子激光器101的输出分割成激光阵列，形成光学相控阵，可用于增加功率输出，并可以实现非机械光束扫描。同时为了补偿工艺误差，方便进行阵列合成的调节，结构设计上设计可调相光放大器105进行热调谐，对每一支路104可以单独进行调相，可调相光放大器105的加热材料选择TiN。
反射途层设计
为了实现种子激光器101单模发射，需要抑制光学相控阵阵列102的自激激光，这就要求种子激光器101前端面具有超低的反射率。减反射涂层通常是通过沉积四分之一波长的介质膜，在一个优选的实施例中，种子激光器101前端面沉积四分之一波长的介质膜Y2O3。
本发明提供的一种基于光学相控阵阵列的量子级联激光器，结构设计采用埋设脊波导、增大阵列间距、电镀金冷却等方法，优化用于连续波工作的MMI耦合相控阵激光阵列结构，具体的光学相控阵阵列102设计参数，可根据器件的相关设计参数，进行计算。本发明能够通过阵列结构放大种子激光器输出功率，并且改善光束质量。
本发明提供的一种基于光学相控阵阵列的量子级联激光器，单片波束控制可以通过单个阵列输出的有源(电)相位控制来实现，阵列的输出可以耦合到硅光子芯片，用于被动光束控制或组合，为中红外光子学开辟新的可能性。
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。
Claims (4)
1.一种基于光学相控阵阵列的量子级联激光器，其特征在于，所述量子级联激光器包括：
基片，在所述基片上集成种子激光器和光学相控阵阵列，所述光学相控阵阵列，将所述种子激光器发出的激光分成多路激光；
所述光学相控阵阵列的前端设置可调相光放大器，对多路激光单独进行调相。
2.根据权利要求1所述的量子级联激光器，其特征在于，所述种子激光器的耦合强度应当满足：
其中，∧为光栅的周期，Δn为折射率阶跃，neff为有效折射率。
3.根据权利要求2所述的量子级联激光器，其特征在于，所述种子激光器的长度L与耦合强度k的乘积为：kL＝5。
4.根据权利要求1所述的量子级联激光器，其特征在于，所述光学相控阵阵列为树状MMI分束器。
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