CN116995526A - 一种空间耦合窄线宽半导体外腔激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间耦合窄线宽半导体外腔激光器，包括：反射型半导体增益芯片和硅光芯片；所述反射型半导体增益芯片，两端面分别镀有高反射膜与增透膜，高反射膜一侧接收外界光线，增透膜一侧发出经过增益后的光线；所述硅光芯片，所述硅光芯片位于反射型半导体增益芯片增透膜一侧，其一侧镀有高反射膜，所述硅光芯片一方面用于光学滤波，另一方面选择性的将部分光反射回反射型半导体增益芯片，并将部分光透过高反射膜照射出去，所述硅光芯片未镀膜一侧光路与所述反射型半导体增益芯片光路相耦合。以解决现有窄线宽半导体外腔激光器制作工艺复杂、制作成本较高且容易受到环境的影响,稳定性较差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体外腔激光器,属于光通信技术领域,具体涉及一种空间耦合窄线宽半导体外腔激光器。
背景技术
随着光电子技术的快速发展,半导体激光器在航空航天、材料加工、军事、医疗等领域具有广泛的应用。而窄线宽半导体激光器因其具有窄线宽、低噪声、高稳定性、高相干性和良好的动态单模特性,成为远距离空间光通信、高灵敏度光学传感以及能源探测等领域的核心光源器件,在高精度相干激光雷达、精密光纤传感器、卫星间通信及光纤相干通信领域有着极其广泛的应用。
当前国内外市场成熟的窄线宽激光器主要有两种:窄线宽光纤激光器和窄线宽半导体外腔激光器,其中窄线宽半导体外腔激光器具有更加出色的环境适应性、超低的低频相对强度噪声、较低的相位噪声和较小的外形尺寸等优点,市场应用更加广泛。窄线宽半导体外腔激光器的核心技术之一是设计稳定可靠的光学滤波器作为外腔的选频元件,限制增益谱内谐振的纵模数,从而实现单一纵模震荡。目前市面上的窄线宽半导体外腔激光器,多采用布拉格光栅作为外腔中光学滤波选频的元件,与半导体增益芯片构成外腔半导体激光器。采用布拉格光栅作为激光器的波长选频元件对布拉格光栅的带宽要求比较严格,并且布拉格光栅的制作工艺复杂、制作成本较高且容易受到环境的影响,稳定性较差。因此需要设计一种低成本、稳定性好的窄线宽半导体外腔激光器,克服上述现有技术存在的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空间耦合窄线宽半导体外腔激光器，以解决现有窄线宽半导体外腔激光器制作工艺复杂、制作成本较高且容易受到环境的影响,稳定性较差的问题。
本发明公开了一种空间耦合窄线宽半导体外腔激光器，包括：
反射型半导体增益芯片和硅光芯片；
所述反射型半导体增益芯片，两端面分别镀有高反射膜与增透膜，高反射膜一侧接收外界光线，增透膜一侧发出经过增益后的光线；
所述硅光芯片，所述硅光芯片位于反射型半导体增益芯片增透膜一侧，其一侧镀有高反射膜，所述硅光芯片一方面用于光学滤波，另一方面选择性的将部分光反射回反射型半导体增益芯片，并将部分光透过高反射膜照射出去，所述硅光芯片未镀膜一侧光路与所述反射型半导体增益芯片光路相耦合。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述硅光芯片包括两个或两个以上的环形谐振器，所述环形谐振器共同组成了光学滤波器，用于过滤出目标波长，抑制其他波段的光。
所述硅光芯片还包括两个或两个以上的模斑变换器，作为硅光芯片的光学接口，用于有效耦合芯片波导和外界光路，解决硅光芯片波导和外界光路光斑不匹配问题。
所述硅光芯片还包括一个或一个以上的螺线型波导。用于吸收余光,减小干扰。
所述硅光芯片的环形谐振器和部分波导上附有热电极，通过调节电流大小控制所述热电极发热，控制光学滤波器输出光的波长和输出光的相位。
所述反射型半导体增益芯片和硅光芯片之间设置有第一光学透镜，用于协助耦合所述反射型半导体增益芯片及硅光芯片之间的光路。
还包括第二光学透镜、光隔离器、第三光学透镜和输出光纤，所述第二光学透镜设置于硅光芯片与光隔离器之间，用于耦合硅光芯片与光隔离器的光路；光隔离器位于硅光芯片镀有高反射膜一侧，用于抑制来自输出光纤中的反射光；所述第三光学透镜位于光隔离器与所述输出光纤之间，用于耦合所述光隔离器与所述输出光纤的光路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的空间耦合窄线宽半导体外腔激光器，采用硅光芯片作为外腔的选频原件,该硅光芯片包含环形谐振器、螺线型波导和模斑变换器,多个环谐振器相互配合实现了激光输出波长的选择,螺线型波导用于吸收杂光,模斑变换器用于耦合外界光路和硅光芯片波导,几者相互配合共同保证了窄线宽半导体外腔激光器长期、稳定的单频运转;通过调节电流大小控制加热电极发热,影响芯片的波导率,一方面控制光学滤波器输出光的波长,另一方面控制输出光的相位,实现窄线宽半导体外腔激光器输出光波长的自主调节。
反射型增益芯片、用于选频的硅光芯片和用于协助光路耦合的透镜共同组成了光学谐振腔,保证了激光器低成本、稳定性好、相位噪声较低的特性,可以满足当前高精度相干激光雷达、精密光纤传感器、卫星间通信及光纤相干通信等领域的大部分应用要求。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明硅光芯片结构示意图。
附图说明：1、反射型半导体增益芯片；2、第一光学透镜；3、硅光芯片；4、第二光学透镜；5、光隔离器；6、第三光学透镜；7、输出光纤；31、第一环形谐振器；32、第二环形谐振器；33、第一模斑变换器；34、第二模斑变换器；35、螺线型波导；36、第一热电极；37、第二热电极。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”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”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”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，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。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
如图1所示，本实施例的空间耦合窄线宽半导体外腔激光器，包括：
反射型半导体增益芯片1，用于提供增益，两端面分别镀有高反射膜与增透膜，高反射膜一侧接收外界光线，增透膜一侧发出经过增益后的光线。
硅光芯片3，硅光芯片3位于反射型半导体增益芯片1增透膜一侧，其一侧镀有高反射膜，硅光芯片3一方面用于光学滤波，另一方面选择性的将部分光反射回反射型半导体增益芯片1，并将部分光透过高反射膜照射出去，硅光芯片3未镀膜一侧光路与反射型半导体增益芯片1光路相耦合。
第一光学透镜2，设置于反射型半导体增益芯片1和硅光芯片3之间，用于协助耦合反射型半导体增益芯片1及硅光芯片3之间的光路。
光隔离器5，位于硅光芯片3镀有高反射膜的一侧，用于抑制来于光纤的反射光，降低干扰。
第二光学透镜4和第三光学透镜6用于协助耦合光路。
输出光纤7，用于输出激光。
如图2所示，硅光芯片3包括：
第一环形谐振器31和第二环形谐振器32，环形谐振器共同组成了光学滤波器，用于过滤出目标波长，抑制其他波段的光；
第一模斑变换器33和第二模斑变换器34，作为硅光芯片3的光学接口，用于有效耦合芯片波导和外界光路，解决硅光芯片波导和外界光路光斑不匹配问题；
四个螺线型波导35，用来吸收没有耦合进环形谐振器的光，减小干扰；
附在螺线型波导波导35上的第一热电极36和第二热电极37，通过调节电流大小控制热电极发热，控制光学滤波器输出光的波长和输出光的相位。
本发明实施例所用的光学滤波器由两个环形谐振器组成,每一个环形谐振器都由一个光路封闭的环形波导以及光线的输入输出端组成。当符合共振条件的光线从输入端波导进入后,经过环形波导,在环形波导里由于干涉而增强,最终在输出端波导输出,由于只有特定波长的光才能在环形波导中发生共振,整个环形谐振器可以被视为一个滤波器。具体原理如下:
对于单个环形谐振器有如下公式:
其中OPD是光程差，r是环形波导的半径，n是波导材质的等效折射率。
同时为了产生共振，需要满足共振条件：
是共振波长，m代表谐振器的第几个模态，为正整数。这个公式表明,当光线在环里产生干涉时，环的圆周长是所发生干涉光线波长的整数倍。也就是当有多个波长的光线进入谐振器时，只有共振波长的光线可以通过谐振器,通过使用多个光学谐振器就能够筛选出它们相同的共振波长，进而组成了光学滤波器。
反射型半导体增益芯片1、第一光学透镜2、硅光芯片3组成该激光器的光学外腔。反射型半导体增益芯片1经增透膜输出的光束通过第一光学透镜2汇集进入到硅光芯片3之中去,通过硅光芯片3中的光学滤波器滤波后,部分光被硅光芯片3外侧镀有的高反射膜反射回反射型半导体增益芯片1的高反射膜,如此来回多次谐振、滤波。当光线到达硅光芯片3的高反射膜时,部分光通过硅光芯片3的高反射膜,依次经过第二光学透镜4、光隔离器5、第三光学透镜6,最终汇聚到输出光纤7中,输出目标波长的激光。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (7)
1.一种空间耦合窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，包括：
反射型半导体增益芯片(1)和硅光芯片(3)；
所述反射型半导体增益芯片(1)，两端面分别镀有高反射膜与增透膜，高反射膜一侧接收外界光线，增透膜一侧发出经过增益后的光线；
所述硅光芯片(3)，所述硅光芯片(3)位于反射型半导体增益芯片(1)增透膜一侧，其一侧镀有高反射膜，所述硅光芯片(3)一方面用于光学滤波，另一方面选择性的将部分光反射回反射型半导体增益芯片(1),并将部分光透过高反射膜照射出去，所述硅光芯片(3)未镀膜一侧光路与所述反射型半导体增益芯片(1)光路相耦合。
2.根据权利要求1所述的空间耦合窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，所述硅光芯片(3)包括两个或两个以上的环形谐振器，所述环形谐振器共同组成了光学滤波器，用于过滤出目标波长，抑制其他波段的光。
3.根据权利要求2所述的空间耦合窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，所述硅光芯片(3)还包括两个或两个以上的模斑变换器，作为硅光芯片(3)的光学接口，用于有效耦合芯片波导和外界光路。
4.根据权利要求3所述的空间耦合窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，所述硅光芯片(3)还包括一个或一个以上的螺线型波导。
5.根据权利要求4所述的空间耦合窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，所述硅光芯片(3)的环形谐振器和部分波导上附有热电极,通过调节电流大小控制所述热电极发热，控制光学滤波器输出光的波长和输出光的相位。
6.根据权利要求5所述的空间耦合窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，所述反射型半导体增益芯片(1)和硅光芯片(3)之间设置有第一光学透镜(2)，用于协助耦合所述反射型半导体增益芯片(1)及硅光芯片(3)之间的光路。
7.根据权利要求6所述的空间耦合窄线宽半导体外腔激光器，其特征在于，还包括第二光学透镜(4)、光隔离器(5)、第三光学透镜(6)和输出光纤(7)，所述第二光学透镜(4)设置于硅光芯片(3)与光隔离器(5)之间，用于耦合硅光芯片(3)与光隔离器(5)的光路；光隔离器(5)位于硅光芯片(3)镀有高反射膜一侧，用于抑制来自输出光纤(7)中的反射光；所述第三光学透镜(6)位于光隔离器(5)与所述输出光纤(7)之间,用于耦合所述光隔离器(5)与所述输出光纤(7)的光路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CB02 | Change of applicant information |
Country or region after: China Address after: 071800 Room 102, No. 26 Jingwu Road (Science and Technology Innovation Center Pilot Base), Xiong'an District, China (Hebei) Free Trade Zone, Baoding City, Hebei Province (self declared) Applicant after: Xinlianxin (Hebei Xiong'an) Technology Co.,Ltd. Address before: Room 102, No. 3, No. 26 Jingwu Road (Science and Technology Innovation Center Pilot Base), Xiong'an New District, Baoding City, Hebei Province, 071800 Applicant before: Xinlianxin (Hebei Xiong'an) Technology Co.,Ltd. Country or region before: China |
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| CB02 | Change of applicant information |