CN116247511A - 一种基于异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器 - Google Patents

一种基于异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器，属于激光器的制备技术领域。本发明基于InP基/GaAs基增益芯片、玻璃基光波导芯片实现窄线宽半导体激光器及其放大，利用玻璃基光波导芯片上的布拉格光栅与增益芯片之间构成激光谐振，通过拉长腔长压缩激光线宽，随后利用无源玻璃基光波导集成的掺铒光波导放大器对线宽压缩后的激光信号进行放大，实现基于两种材料体系芯片异构集成的高功率窄线宽半导体激光器，为实现窄线宽激光器的高功率输出提供一种集成度高且成本低廉的解决方案。

Description

一种基于异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器
技术领域
本发明属于激光器的制备技术领域，涉及一种基于异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器。
背景技术
高功率窄线宽半导体激光器在相干光通信、精密测量、光纤传感等领域具有广泛的应用前景。在相干光通信系统中，为了满足高阶调制格式的严格相位噪声容限，半导体激光器作为相干光通信系统中的信号源，不仅需要具备较窄的线宽来满足高阶调制的相位噪声容限，还要求较高的输出功率。传统的结构是采用外接EDFA来放大光功率以满足长距离传输需求，整体结构较为复杂，体积较大。将增益芯片与硅基外腔芯片混合集成是目前用于实现窄线宽半导体激光器较为常用的方法之一。然而，根据目前硅光代工厂提供的参数，硅波导在1550nm波段的传输损耗在2～3dB/cm，导致外腔半导体激光器内损耗较大，难以实现高功率输出。虽然可以采用传输损耗在0.1～0.2dB/cm的Si3N4波导代替硅波导，并将硅基外腔半导体激光器与半导体激光放大器(SOA)耦合来实现对激光输出功率的放大，但是由于硅材料是间接带隙材料，难以在硅波导上直接集成有源放大结构，因此基于硅基外腔的半导体激光器直接集成有源放大结构较为困难。例如，现有技术存在以下研究进展：新飞通光电公司的发明专利：硅光子外腔可调谐激光器的波长控制方法(申请公布号CN113557643A)，通过在输出端耦合SOA芯片来补偿光波在硅波导环形谐振器中多次循环的损耗，该结构涉及到三个芯片的集成，包括增益芯片、硅基外腔芯片以及SOA芯片；美国Morton公司的发明专利(专利号US10193306B2)利用增益芯片与光纤布拉格光栅外腔混合集成来实现窄线宽输出。
因此为了克服上述现有技术的不足，需要研究一种异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器，使其不仅能够解决现有技术中窄线宽半导体激光器输出功率低的问题，还具有较高的集成度且成本较低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1.一种基于异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器，所述高功率窄线宽半导体激光器包括增益芯片(GC)和玻璃基光波导芯片(GS)；
所述玻璃基光波导芯片(GS)包括直接相连的布拉格光栅(BG)和掺铒光波导放大器(EDWA)；
所述布拉格光栅(BG)另一端与所述增益芯片(GC)相连。
优选的，所述增益芯片(GC)与玻璃基光波导芯片(GS)之间通过光栅耦合或者借助模斑转换器进行端面耦合。
优选的，所述增益芯片(GC)为基于Ⅲ-Ⅴ族材料的增益芯片、单波长半导体激光器芯片或多波长半导体激光器阵列芯片中的任意一种；
所述单波长半导体激光器芯片包括FP半导体激光器芯片、DFB半导体激光器芯片或DBR半导体激光器芯片；
所述多波长半导体激光器阵列芯片包括多波长DFB半导体激光器阵列芯片或多波长DBR半导体激光器阵列芯片。
优选的，所述玻璃基光波导芯片(GS)的玻璃基底为易于掺杂Er3+的玻璃材料；
所述易于掺杂Er3+的玻璃材料包括磷酸盐玻璃或硅酸盐玻璃。
优选的，所述玻璃基光波导芯片(GS)中光波导结构通过离子交换法、离子注入法或飞秒激光直写法制备得到。
优选的，所述玻璃基光波导芯片(GS)中的波导排布方式为单个波导或具有不同有效折射率的多个波导。
优选的，所述布拉格光栅(BG)位于玻璃基底的上表面或玻璃基底内部的光波导上。
优选的，所述掺铒光波导放大器(EDWA)中的增益介质通过在玻璃基光波导中掺入Er3+得到；
所述掺铒光波导放大器(EDWA)中还可以掺杂Yb3+。
进一步优选的，所述掺铒光波导放大器(EDWA)中的Er3+通过以下任意一种方法进行掺入：(一)在玻璃基质上掺入Er3+；(二)首先制备掺入Er3+的玻璃，再将其压在通过离子交换法制备的无源波导上，形成复合掺入Er3+的波导；(三)利用溶胶-凝胶法在通过离子交换法制备的无源波导上沉积Er3+薄膜形成掺入Er3+的波导。
本发明的有益效果在于：本发明公开了一种基于异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器，可以解决现有窄线宽半导体激光器芯片输出功率低的问题。现有高功率窄线宽半导体激光器通过将硅基外腔半导体激光器与SOA混合集成来实现，硅波导传输损耗较高，不利于实现高功率输出，而且硅材料是间接带隙材料，难以在硅波导上直接集成有源放大结构，因此基于硅基外腔的半导体激光器难以直接集成有源放大结构。在常见的集成光学材料中，玻璃可以实现低损耗的波导，通过离子交换制得的磷酸盐玻璃波导的传输损耗在0.05dB/cm左右，而且玻璃波导与光纤具有良好的兼容性，还能进一步降低耦合损耗；更重要的是，借助于目前EDWA成熟的技术水平，发展片上的掺铒光波导放大器，可以将玻璃基光反馈结构和掺杂玻璃基光放大器集成在一个芯片上，能进一步提升集成度；而且制备玻璃基波导成本较低，适合量产，能进一步扩展高功率窄线宽半导体激光器的应用。因此本发明基于InP基/GaAs基增益芯片、玻璃基光波导芯片实现窄线宽半导体激光器及其放大，利用玻璃基光波导芯片上的布拉格光栅与增益芯片之间构成激光谐振，通过拉长腔长压缩激光线宽，随后利用无源玻璃基光波导集成的掺铒光波导放大器对线宽压缩后的激光信号进行放大，实现基于两种材料体系芯片异构集成的高功率窄线宽半导体激光器，为实现窄线宽激光器的高功率输出提供一种集成度高且成本低廉的解决方案。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为实施例1中基于异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器的平面结构图；
图2为玻璃基光波导芯片(GS)的侧视图；
图3为布拉格光栅的透射谱和反射谱；
图4为掺铒光波导放大器在不同泵浦功率下波导增益与波导长度的关系。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
一种基于异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器，其平面结构图如图1所示，包括增益芯片(GC)和玻璃基光波导芯片(GS)，其中玻璃基光波导芯片(GS)包括直接相连的布拉格光栅(BG)和掺铒光波导放大器(EDWA)，而布拉格光栅(BG)另一端与所述增益芯片(GC)相连。
上述增益芯片(GC)与玻璃基光波导芯片(GS)之间通过光栅耦合或者借助模斑转换器进行端面耦合，增益芯片(GC)为基于Ⅲ-Ⅴ族材料的增益芯片、单波长半导体激光器芯片或多波长半导体激光器阵列芯片中的任意一种；其中单波长半导体激光器芯片包括FP半导体激光器芯片、DFB半导体激光器芯片或DBR半导体激光器芯片，多波长半导体激光器阵列芯片包括多波长DFB半导体激光器阵列芯片或多波长DBR半导体激光器阵列芯片。
上述玻璃基光波导芯片(GS)中的光波导结构通过离子交换法、离子注入法或飞秒激光直写法制备得到，其中玻璃基光波导芯片(GS)中的波导排布方式为单个波导或具有不同有效折射率的多个波导，布拉格光栅(BG)位于玻璃基底的上表面或玻璃基底内部的光波导上；另外掺铒光波导放大器(EDWA)中的增益介质通过在玻璃基光波导中掺入Er3+得到掺铒光波导放大器(EDWA)中的Er3+通过以下任意一种方法进行掺入：(一)在玻璃基质上掺入Er3+；(二)首先制备掺入Er3+的玻璃，在将其压在通过离子交换法制备的无源波导上，形成复合掺入Er3+的波导；(三)利用溶胶-凝胶法在通过离子交换法制备的无源波导上沉积Er3+薄膜形成掺入Er3+的波导)。
增益芯片GC和玻璃基光波导芯片GS两个芯片，其中玻璃基光波导芯片包含两个功能结构，一个是布拉格光栅BG，另一个是掺铒光波导放大器EDWA。GC发出的激光通过直接对准与玻璃基光波导芯片GS耦合。在玻璃基光波导芯片GS的靠近增益芯片部分表面刻有布拉格光栅BG，布拉格光栅BG会将波长满足布拉格条件的光反射回到增益芯片GC，构成外腔反馈，实现窄线宽输出。在玻璃基光波导芯片的后部分制备有掺铒光波导放大器EDWA，用来对线宽窄化后的激光进行光放大，最终实现窄线宽高功率输出。
在上述基于异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器中，从增益芯片(GC)出来的通过端面耦合进玻璃基光波导芯片(GS)。选用磷酸盐玻璃作为玻璃光波导芯片(GS)的基底材料，磷酸盐玻璃基底的高度为5μm、宽度为6μm。Er3+在磷酸盐玻璃中具有较高的溶解度，是目前制备掺铒光波导放大器的首选玻璃材料。玻璃基光波导芯片(GS)中的光波导通过制作相对简单的离子交换方法制备，用Ag+、K+置换玻璃基底部分区域中的Na+，使得该区域的折射率提高，能产生的最大折射率差约为0.1，形成光波导结构。其中离子交换窗口宽度一般在1.0～7.0μm之间，扩散深度一般在1.0～10.0μm之间。
玻璃基光波导芯片(GS)的侧视图如图2所示。玻璃基光波导芯片(GS)上制备有布拉格光栅(BG)和掺铒光波导放大器(EDWA)两个功能器件。在玻璃基光波导芯片(GS)靠近增益芯片(GC)端制备有表面布拉格光栅(BG)，布拉格光栅(BG)与增益芯片(GC)构成激光谐振，通过拉长腔长实现窄线宽输出。布拉格光栅的刻蚀深度约为0.3μm，根据布拉格条件(λB＝2neffΛ，其中λB为布拉格波长，neff为波导的有效折射率，Λ为布拉格光栅周期)，推导出在1550nm波段，玻璃基光波导芯片的布拉格光栅(BG)的周期约为522nm。
根据外腔半导体激光器的线宽公式(
Figure BDA0004022633070000051
其中，Δν为激光器的原始线宽、α为线宽增强因子、X为外腔反馈系数，与外腔光强反射率有关、/>
Figure BDA0004022633070000052
为激光在外腔中往返一周累积的相位，与外腔长度有关)可以看出，布拉格光栅(BG)的长度和反射率决定了激光器线宽的压缩效果，布拉格光栅的反射率会随着光栅长度和折射率改变量的增加而增加(布拉格光栅的透射谱和反射谱如图3所示)。可以利用Lumerical公司MODE软件中的EME solver对布拉格光栅(BG)的结构参数：布拉格光栅周期、布拉格光栅长度、刻蚀深度等参数进行优化，用于实现kHz窄线宽输出的布拉格光栅的反射率需要在0.9左右，光栅带宽约在0.1nm，布拉格光栅的长度在5.5cm左右。
在玻璃基光波导芯片(GS)的后端，制备有掺铒光波导放大器(EDWA)。从布拉格光栅(BG)输出的光经过玻璃基光波导传导至掺铒光波导放大器(EDWA)。通过在磷酸盐玻璃基光波导中掺入Er3+制得掺铒光波导。在泵浦光为980nm泵浦条件下，掺铒光波导放大器(EDWA)的波导增益受到Er3+浓度、泵浦功率、波导长度等参数的影响。不同泵浦功率下波导增益与波导长度的关系如图4所示，一般情况下，对特定的掺铒浓度和泵浦功率，存在一个最佳的波导长度。当掺铒浓度为1.51026/m3、泵浦功率为80mW时，最佳波导长度为2.5cm左右，可以得到超过11dB的波导增益。
另外，掺铒光波导放大器(EDWA)中还可以掺杂Yb3+。
综上所述，本发明公开了一种基于异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器，可以解决现有窄线宽半导体激光器芯片输出功率低的问题。现有高功率窄线宽半导体激光器通过将硅基外腔半导体激光器与SOA混合集成来实现，硅波导传输损耗较高，不利于实现高功率输出，而且硅材料是间接带隙材料，难以在硅波导上直接集成有源放大结构，因此基于硅基外腔的半导体激光器难以直接集成有源放大结构。在常见的集成光学材料中，玻璃可以实现低损耗的波导，通过离子交换制得的磷酸盐玻璃波导的传输损耗在0.05dB/cm左右，而且玻璃波导与光纤具有良好的兼容性，还能进一步降低耦合损耗；更重要的是，借助于目前EDWA成熟的技术水平，发展片上的掺铒光波导放大器，可以将玻璃基光反馈结构和掺杂玻璃基光放大器集成在一个芯片上，能进一步提升集成度；而且制备玻璃基波导成本较低，适合量产，能进一步扩展高功率窄线宽半导体激光器的应用。因此本发明基于InP基/GaAs基增益芯片、玻璃基光波导芯片实现窄线宽半导体激光器及其放大，利用玻璃基光波导芯片上的布拉格光栅与增益芯片之间构成激光谐振，通过拉长腔长压缩激光线宽，随后利用无源玻璃基光波导集成的掺铒光波导放大器对线宽压缩后的激光信号进行放大，实现基于两种材料体系芯片异构集成的高功率窄线宽半导体激光器，为实现窄线宽激光器的高功率输出提供一种集成度高且成本低廉的解决方案。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述高功率窄线宽半导体激光器包括增益芯片和玻璃基光波导芯片；
所述玻璃基光波导芯片包括直接相连的布拉格光栅和掺铒光波导放大器；
所述布拉格光栅另一端与所述增益芯片相连。
2.根据权利要求1所述的高功率窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述增益芯片与玻璃基光波导芯片之间通过光栅耦合或者借助模斑转换器进行端面耦合。
3.根据权利要求1所述的高功率窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述增益芯片为基于Ⅲ-Ⅴ族材料的增益芯片、单波长半导体激光器芯片或多波长半导体激光器阵列芯片中的任意一种；
所述单波长半导体激光器芯片包括FP半导体激光器芯片、DFB半导体激光器芯片或DBR半导体激光器芯片；
所述多波长半导体激光器阵列芯片包括多波长DFB半导体激光器阵列芯片或多波长DBR半导体激光器阵列芯片。
4.根据权利要求1所述的高功率窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述玻璃基光波导芯片的玻璃基底为易于掺杂Er3+的玻璃材料；
所述易于掺杂Er3+的玻璃材料包括磷酸盐玻璃或硅酸盐玻璃。
5.根据权利要求1所述的高功率窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述玻璃基光波导芯片中光波导结构通过离子交换法、离子注入法或飞秒激光直写法制备得到。
6.根据权利要求1所述的高功率窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述玻璃基光波导芯片中的波导排布方式为单个波导或具有不同有效折射率的多个波导。
7.根据权利要求1所述的高功率窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述布拉格光栅位于玻璃基底的上表面或玻璃基底内部的光波导上。
8.根据权利要求1所述的高功率窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述掺铒光波导放大器中的增益介质通过在玻璃基光波导中掺入Er3+得到；
所述掺铒光波导放大器中还可以掺杂Yb3+。
9.根据权利要求8所述的高功率窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述掺铒光波导放大器中的Er3+通过以下任意一种方法进行掺入：(一)在玻璃基质上掺入Er3+；(二)首先制备掺入Er3+的玻璃，再将其压在通过离子交换法制备的无源波导上，形成复合掺入Er3+的波导；(三)利用溶胶-凝胶法在通过离子交换法制备的无源波导上沉积Er3+薄膜形成掺入Er3+的波导。
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