CN115799982A - 一种基于耦合微环滤波器外腔的窄线宽半导体激光器 - Google Patents

Abstract

一种基于耦合微环滤波器外腔的窄线宽半导体激光器，包括增益芯片、耦合微环滤波器一、耦合微环滤波器二、波导反射镜、导线金属和热阻金属。增益芯片和耦合微环滤波器一进行耦合。耦合微环滤波器一和耦合微环滤波器二分别包括若干个依次耦合的微环谐振腔，且均具有高消光比平顶带通滤波器的传输特性。当两者的自由光谱范围存在一定的差异，将它们依次串联可基于游标效应获得更大的自由光谱范围，同时在谐振峰附近的失谐位置具有超高的透过率滚降系数。进一步结合波导反射镜组成激光器，一方面可得到具有大范围波长调谐能力的单纵模激光，另一方面利用超高滚降系数增强串联微环的激光频率稳定效果，从而大幅压缩激光线宽。本发明具有尺寸小、易集成等优点。

Description

一种基于耦合微环滤波器外腔的窄线宽半导体激光器

技术领域

本发明涉及集成光学领域，尤其涉及一种基于耦合微环滤波器外腔的窄线宽半导体激光器。

背景技术

窄线宽激光器在相干通信、长距离传感、精密光谱测量等方面具有广泛的应用。目前商用的窄线宽激光器大多数基于固态激光器和光纤激光器实现，因此体积相对较大，价格较高，且无法大规模生产。而半导体激光器体积紧凑、易于集成、能够大规模生产，但本征线宽达到百kHz到MHz量级，不能直接应用于需要窄线宽的场景。为此，可通过将一个无源外腔和半导体激光器耦合，进行输出激光线宽的压缩。该无源外腔通常从两个方面对线宽压缩产生贡献。一方面是通过延长激光器的等效腔长，减小有源增益区在整个激光腔中的比例，抑制非相干的自发辐射从而抑制光谱噪声。另一方面是通过波长敏感的等效激光腔镜反射率建立激光频率变化的负反馈过程，使有源增益区载流子浓度波动引起的等效腔长波动能够尽可能被抵消。

传统的窄线宽半导体激光器通常使用光纤布拉格光栅、空间闪耀光栅、高品质因子谐振腔等结构作为激光器外腔，不可避免地增加了整个激光腔的体积。近年来，随着微纳加工工艺和集成光电子技术的发展，研发人员通过异质集成或混合集成的方式将增益芯片和无源外腔耦合到片上，实现了片上集成的窄线宽半导体激光器，具有高紧凑、高效率等显著优势。其中无源外腔经常使用基于集成光波导的微环谐振腔来进行激光线宽压缩，这是由于微环谐振腔天然地具有波长敏感的透过特性。一般而言，透过/反射率随波长变化越剧烈，能够为稳定激光频率提供的负反馈作用越强，因此要求微环谐振腔的光谱精细度越高越好。然而，这受到了微环大小以及品质因子的制约。同时，视应用场景还需要优化外腔反射谱线的边模抑制比和自由光谱范围，以实现波长可调谐的单纵模激光输出。可见，如何基于微环谐振腔构建窄线宽半导体激光外腔还有较大的优化设计空间。

发明内容

为克服上述问题，本发明提供一种基于耦合微环滤波器外腔的窄线宽半导体激光器，具有尺寸小、易集成、线宽压缩效果强的特点。

本发明采用的技术方案是：一种基于耦合微环滤波器外腔的窄线宽半导体激光器，包括增益芯片、耦合微环滤波器一、耦合微环滤波器二、波导反射镜、导线金属、热阻金属；

所述增益芯片与耦合微环滤波器一进行耦合，耦合微环滤波器一的输出波导与耦合微环滤波器二的输入波导相互连接，使得耦合微环滤波器一与耦合微环滤波器二串联；

所述耦合微环滤波器一包括若干个依次耦合的微环谐振腔一，耦合微环滤波器二包括若干个依次耦合的微环谐振腔二，耦合微环滤波器一和耦合微环滤波器二均具有高消光比平顶带通滤波器的传输特性，且耦合微环滤波器一的自由光谱范围与耦合微环滤波器二的耦合微环滤波器二存在一定差异；

所述耦合微环滤波器二的输出端口与波导反射镜的入射端口相连，所述波导反射镜作为所述激光器一端的激光腔镜，并根据增益芯片非耦合端的反射率相应地调节自身的反射率；

所述耦合微环滤波器一、耦合微环滤波器二的波导上沉积了热阻金属，热阻金属与导线金属相连；导线金属用于施加电压，使得所述的热阻金属发热，对波导进行加热，从而实现热调制。

进一步，所述耦合微环滤波器一和耦合微环滤波器二具有高消光比平顶带通滤波器传输特性，使得通带边缘的透过率具有很大的滚降系数，即非常陡峭的通带-禁带过渡区。

进一步，所述耦合微环滤波器一和耦合微环滤波器二的微环半径不同，微环滤波器一和耦合微环滤波器二串联之后的透过光谱具有更大的自由光谱范围，并由以下公式确定：

其中FSR₁和FSR₂分别为耦合微环滤波器一和耦合微环滤波器二的自由光谱范围。

进一步，所述增益芯片为半导体光放大波导增益芯片或分布式反馈型激光芯片。

进一步，所述耦合微环滤波器一、耦合微环滤波器二和波导反射镜剖面结构优选为脊型或条形波导结构。

进一步，所述脊型或条形波导结构的材料为硅、氮化硅或铌酸锂。

进一步，所述耦合微环滤波器一、耦合微环滤波器二中的微环谐振腔均为支持光波沿特定路径环行谐振的闭合波导回路结构，

进一步，所述闭合波导回路结构为圆环型或跑道型。

进一步，所述耦合微环滤波器一、耦合微环滤波器二均由N个微环谐振腔组成，N＝2、3、4……。

进一步，所述波导反射镜将耦合微环滤波器的透过谱转变为反射谱，波导反射镜为反射率可调的Sagnec结构波导反射镜。

本发明的有益效果是：

1.所述的耦合微环滤波器一和耦合微环滤波器二中的多个耦合微环事实上显著增加了整个激光器的等效腔长。而等效腔长和群延时

成正比，根据外腔半导体激光器的线宽压缩系数

F²＝(1+A+B)²

中A项的表达式

可以发现，所述耦合微环滤波器的形式可对线宽压缩产生直接贡献。

2.根据线宽压缩系数中B项的表达式

可以发现，所述的耦合微环滤波器一和耦合微环滤波器二的大滚降系数使外腔等效反射光谱r_eff相对光频ω具有更大的变化率，从而增加B的大小并进一步提高外腔的线宽压缩能力。

3.所述的耦合微环滤波器一和耦合微环滤波器二串联后得到更大的自由光谱范围，有助于实现大范围的激光输出波长调谐。

4.通过优化所述的耦合微环滤波器一和耦合微环滤波器二各自的自由光谱范围，可以在透射/反射光谱中得到足够的边模抑制比，有助于实现单纵模的激光输出。

附图说明

图1是本发明的基于耦合微环滤波器外腔的窄线宽半导体激光器的整体示意图，图中虚线框仅用于示意，不属于发明内容。

图2是实施例一的基于耦合微环滤波器外腔的窄线宽半导体激光器的整体示意图。

图3(a)是实施例一的耦合微环滤波器整体示意图。

图3(b)是实施例一中耦合微环滤波器的反射谱示意图。

图4是实施例二的基于耦合微环滤波器外腔的窄线宽半导体激光器的整体示意图。

图5(a)是实施例二的耦合微环滤波器整体示意图。

图5(b)是实施例二中耦合微环滤波器的反射谱示意图。

附图标记说明：100、增益芯片；200、耦合微环滤波器一；300、耦合微环滤波器二；400、波导反射镜；500、导线金属；600、热阻金属。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明专利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，如出现术语“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，如出现术语“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，如出现术语“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；可以是机械连接，也可以是电连接；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。

如图1所示，本发明的基于耦合微环滤波器的窄线宽半导体激光器，包括增益芯片100、耦合微环滤波器一200、耦合微环滤波器二300、波导反射镜400、导线金属500、热阻金属600。图中从左到右，所述的增益芯片和耦合微环滤波器一进行耦合，使自发辐射或经过增益放大的光子进入后续滤波器光路；所述的耦合微环滤波器一与耦合微环滤波器二通过波导相互连接，使两个滤波器实现串联；所述的耦合微环滤波器二与波导反射镜相连。所述的耦合微环滤波器的微环波导上沉积了热阻金属，热阻金属与导线金属相连。

耦合微环滤波器一和耦合微环滤波器二是由若干个微环谐振腔依次相互耦合组成(图1中省略号表示)，通过总线波导实现输入输出。微环波导和微环波导之间的耦合间距以及微环波导与总线波导之间的耦合间距通过特殊的设计。具体而言，是参考Butterworth、Chebyshev等类型的滤波器数学模型，先计算出微环之间以及微环和波导之间的耦合系数，使其具有高消光比、通带平坦、大滚降系数的滤波特性，然后根据耦合系数通过仿真计算出各部分的耦合间距。耦合微环滤波器一和耦合微环滤波器二的微环半径大小不同，使两个耦合微环滤波器各自的自由光谱范围存在一定差异，由于游标效应的作用，从而使两者串联之后的透过光谱具有更大的自由光谱范围，并由以下公式确定。

其中FSR₁和FSR₂分别为耦合微环滤波器一和耦合微环滤波器二的自由光谱范围。

当增益芯片的左端面是高反射端面时，波导反射镜被设计成非高反射类型，此时增益芯片产生的光经过耦合微环滤波器一和耦合微环滤波器二的作用线宽被极大压缩，通过右边的波导反射镜一部分光直接从右边输出，另一部分光再次进入耦合微环滤波器，然后重新进入增益芯片提供反馈。当增益芯片的左端面是部分反射端面时，波导反射镜被设计成高反射类型，此时增益芯片产生的光一部分通过左端面直接输出，另一部分通过右端面耦合进入耦合微环滤波器使线宽被极大压缩，该部分光最后通过波导反射镜的高反射再次进入到增益芯片中提供反馈。

当所述的窄线宽激光器工作在某个波长处时，可以通过导线金属的电极施加电压，使热阻金属发热，通过加热的方式对波导有效折射率进行改变，进而改变耦合微环滤波器谐振波长，最后使激光器的工作波长发生改变。

下面给出本发明的多个实施例。

实施例一

基于耦合微环滤波器的窄线宽半导体激光器，增益芯片100采用三五族材料的半导体光放大波导增益芯片，耦合微环滤波器一200、耦合微环滤波器二300和反射率可调的Sagnec结构波导反射镜400采用绝缘体上薄膜铌酸锂脊型波导结构。采用X切Z轴传输的薄膜铌酸锂，脊型波导厚度为400nm，刻蚀深度为200nm，波导倾角为60°，上下包层均为二氧化硅。导线金属500为铝材料，热阻金属600为氮化钛材料。

如图2所示，增益芯片与耦合微环滤波器芯片通过混合集成方式实现光耦合，增益芯片的左边端面设计成部分反射端面，增益芯片的右边波导端面与耦合微环滤波器一的输入端面进行对准耦合。耦合微环滤波器一的微环半径为100μm，波导宽度为0.9μm，从上到下总线波导与微环之间201、202、203、204(见图3(a))的耦合系数依次为0.1182、0.002、0.002、0.1182。耦合微环滤波器二的微环半径为102μm，波导宽度为0.9μm，从上到下总线波导与微环之间依次为0.1182、0.002、0.002、0.1182。两个耦合微环滤波器通过上面的波导连接。反射率可调的Sagnec结构波导反射镜的输入端口与耦合微环滤波器二的输出端口连接。反射镜中的马赫曾德干涉仪的下臂波导上沉积了热阻金属，形成了一个相移臂，可以对反射镜的反射率进行调节。耦合微环滤波器一和耦合微环滤波器二的微环波导上都沉积了热阻金属，热阻金属与导线金属连接，可以通过电极施加电压实现滤波器的谐振波长调节。

图3(a)为本实施例中的耦合微环滤波器一、耦合微环滤波器二和Sagnec结构波导反射镜没有沉积热阻金属和导线金属时的整体结构示意图，这三部分组成的滤波器结构对增益芯片发出的光进行线宽压缩。当光从白色箭头方向入射时，光输入到耦合微环滤波器一中，然后输入到耦合微环滤波器二中，最后输入到Sagnec结构波导反射镜中被反射，重新进入耦合微环滤波器二中，接着进入耦合微环滤波器一中，从黑色箭头方向出射，计算的反射谱如图3(b)所示(波导反射镜的反射率设置为1)。可以看出，滤波器在1550波长附近的自由光谱范围为96.91nm，边模抑制比约为10dB，插入损耗为0.07dB。根据该反射谱，计算得到基于本实施例的耦合微环滤波器的外腔半导体激光器的线宽压缩系数为8121.61。考虑到常规DFB激光器线宽约为1MHz，因此该实施例中得到的最终线宽仅为123Hz。

实施例二

基于耦合微环滤波器的窄线宽半导体激光器，增益芯片100采用三五族材料的半导体光放大波导增益芯片，耦合微环滤波器一200、耦合微环滤波器二300和多模干涉仪结构的3dB耦合器400采用绝缘体上薄膜铌酸锂脊型波导结构。采用X切Z轴传输的薄膜铌酸锂，脊型波导厚度为400nm，刻蚀深度为200nm，波导倾角为60°，上下包层均为二氧化硅。导线金属500为铝材料，热阻金属600为氮化钛材料。

如图4所示，增益芯片与耦合微环滤波器芯片通过混合集成方式实现光耦合，增益芯片的下边端面设计成部分反射端面。耦合微环滤波器一的微环半径为100μm，波导宽度为0.9μm，从上到下总线波导与微环之间201、202、203、204(见图5(a))的耦合系数依次为0.1182、0.002、0.002、0.1182。耦合微环滤波器二的微环半径为102μm，波导宽度为0.9μm，从上到下总线波导与微环之间依次为0.1182、0.002、0.002、0.1182。两个耦合微环滤波器通过上面的波导连接。增益芯片的上边波导端面、耦合微环滤波器一的输入端口和耦合微环滤波器二的输出端口分别与多模干涉仪结构的3dB耦合器的下边一个端口和上边左右端口相连，形成闭合环路。耦合微环滤波器一和耦合微环滤波器二的微环波导上都沉积了热阻金属，热阻金属与导线金属连接，可以通过电极施加电压实现滤波器的谐振波长调节。

图5(a)为本实施例中的耦合微环滤波器一、耦合微环滤波器二和多模干涉仪结构的3dB耦合器在没有沉积热阻金属和导线金属时的整体结构示意图，这三部分组成的滤波器结构对增益芯片发出的光进行线宽压缩。当光从白色箭头方向入射进入3dB耦合器时，光被等功率的分成两束，一束光从3dB耦合器上边左测端口输入到耦合微环滤波器一中，接着耦合进入耦合微环滤波器二中，另一束光从3dB耦合器上边右测端口输入到耦合微环滤波器二中，接着进入耦合微环滤波器一中。最后两束光分别从3dB耦合器上边端口输入到3dB耦合器中进行干涉，从黑色箭头方向出射，计算的反射谱如图5(b)所示。可以看出，滤波器在1550波长附近的自由光谱范围为96.91nm，边模抑制比约为5dB，插入损耗为0.03dB。根据该反射谱，计算得到基于本实施例的耦合微环滤波器的外腔半导体激光器的线宽压缩系数为2075.7。考虑到常规DFB激光器线宽约为1MHz，因此该实施例中得到的最终线宽为481.8Hz。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.一种基于耦合微环滤波器外腔的窄线宽半导体激光器，其特征在于：包括增益芯片(100)、耦合微环滤波器一(200)、耦合微环滤波器二(300)、波导反射镜(400)、导线金属(500)、热阻金属(600)；

所述增益芯片(100)与耦合微环滤波器一(200)进行耦合，耦合微环滤波器一(200)的输出波导与耦合微环滤波器二(300)的输入波导相互连接，使得耦合微环滤波器一(200)与耦合微环滤波器二(300)串联；

所述耦合微环滤波器一(200)包括若干个依次耦合的微环谐振腔一，耦合微环滤波器二(300)包括若干个依次耦合的微环谐振腔二，耦合微环滤波器一(200)和耦合微环滤波器二(300)均具有高消光比平顶带通滤波器的传输特性，且耦合微环滤波器一(200)的自由光谱范围与耦合微环滤波器二(300)的耦合微环滤波器二(300)存在一定差异；

所述耦合微环滤波器二(300)的输出端口与波导反射镜(400)的入射端口相连，所述波导反射镜(400)作为所述激光器一端的激光腔镜，并根据增益芯片非耦合端的反射率相应地调节自身的反射率；

所述耦合微环滤波器一(200)、耦合微环滤波器二(300)的波导上沉积了热阻金属(600)，热阻金属(600)与导线金属(500)相连；导线金属(500)用于施加电压，使得所述的热阻金属(600)发热，对波导进行加热，从而实现热调制。

2.如权利要求1所述的一种基于耦合微环滤波器外腔的窄线宽半导体激光器，其特征在于：所述耦合微环滤波器一和耦合微环滤波器二具有高消光比平顶带通滤波器传输特性，使得通带边缘的透过率具有很大的滚降系数，即非常陡峭的通带-禁带过渡区。

3.如权利要求1所述的一种基于耦合微环滤波器外腔的窄线宽半导体激光器，其特征在于：所述耦合微环滤波器一和耦合微环滤波器二的微环半径不同，微环滤波器一和耦合微环滤波器二串联之后的透过光谱具有更大的自由光谱范围，并由以下公式确定：

其中FSR₁和FSR₂分别为耦合微环滤波器一和耦合微环滤波器二的自由光谱范围。

4.如权利要求1所述的一种基于耦合微环滤波器外腔的窄线宽半导体激光器，其特征在于：所述增益芯片为半导体光放大波导增益芯片或分布式反馈型激光芯片。

5.如权利要求1所述的一种基于耦合微环滤波器外腔的窄线宽半导体激光器，其特征在于：所述耦合微环滤波器一、耦合微环滤波器二和波导反射镜剖面结构优选为脊型或条形波导结构。

6.如权利要求5所述的一种基于耦合微环滤波器外腔的窄线宽半导体激光器，其特征在于：所述脊型或条形波导结构的材料为硅、氮化硅或铌酸锂。

7.如权利要求1所述的一种基于耦合微环滤波器外腔的窄线宽半导体激光器，其特征在于：所述耦合微环滤波器一、耦合微环滤波器二中的微环谐振腔均为支持光波沿特定路径环行谐振的闭合波导回路结构。

8.如权利要求7所述的一种基于耦合微环滤波器外腔的窄线宽半导体激光器，其特征在于：所述闭合波导回路结构为圆环型或跑道型。

9.如权利要求1所述的一种基于耦合微环滤波器外腔的窄线宽半导体激光器，其特征在于：所述耦合微环滤波器一、耦合微环滤波器二均由N个微环谐振腔组成，N＝2、3、4……。

10.如权利要求1所述的一种基于耦合微环滤波器外腔的窄线宽半导体激光器，其特征在于：所述波导反射镜将耦合微环滤波器的透过谱转变为反射谱，波导反射镜为反射率可调的Sagnec结构波导反射镜。

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