CN117039614A - 一种基于二氧化硅波导的窄线宽外腔激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于二氧化硅波导的窄线宽外腔激光器,包括增益芯片和外腔芯片,外腔芯片包括耦合器、分束器、第一微环谐振腔和第二微环谐振腔;增益芯片自第一输出端输出的激光通过耦合器耦合进入到第一直波导,经分束器、第一弯曲波导、微环耦合结构进入第一微环谐振腔和第二微环谐振腔;第一微环谐振腔和第二微环谐振腔为半径不相等的环形结构,用于谐振部分激光并将其返回到增益芯片内,当返回激光的频率满足锁定条件时,形成自注入锁定。本发明中外腔芯片采用二氧化硅工艺平台,传输损耗低,易于制备高Q值微环,以达到压缩线宽的作用;本发明采用双微环谐振腔,利用游标卡尺效应,增大外腔自由光谱范围,实现宽波段范围的窄线宽激光输出。
Description
技术领域
本发明属于激光器技术领域,特别涉及一种基于二氧化硅波导的窄线宽外腔激光器。
背景技术
在高速星载激光通信系统中,激光器是核心的光电器件,用于提供稳定的单模输出,而且随着通信速度和通信容量的提高,相干通信和高阶调制技术逐渐应用到星间激光通信中,而相干技术和高阶调制对激光器的线宽和相位噪声提出了更高的要求,通常需要激光器线宽小于几十KHz量级,这就需要激光器不仅具有单模输出并且需要窄线宽。同时受限于星上资源紧张的特点,对激光器的小型化、集成化也提出了新的需求。
为了实现单模激光输出,通常选用分布式布拉格反射激光器和分布式反馈激光器,这两种方案均是利用光栅反射选模来实现特定波长的单模输出,其区别仅在于光栅是否在有源区,其工艺相对较为复杂,需要二次外延等半导体工艺,同时这两种激光器受频率噪声影响大,较难实现窄线宽线性调频。光纤激光器线宽很窄但强度噪声较大,而且体积一般较大,不适合用于星载激光通信的应用场景。
发明内容
为了克服现有技术中的不足,本发明人进行了锐意研究,提供了一种基于二氧化硅波导的窄线宽外腔激光器,外腔激光器具有单模输出、窄线宽、小型化、集成化的特点。
本发明提供的技术方案如下:
一种基于二氧化硅波导的窄线宽外腔激光器,包括增益芯片和外腔芯片,外腔芯片包括耦合器、分束器、第一微环谐振腔和第二微环谐振腔;所述增益芯片朝向外腔芯片的第一输出端镀有抗反膜,相反侧的第二输出端镀有反射膜;所述分束器的合束端通过第一直波导与耦合器相连,分束端连接两路第一弯曲波导,第一弯曲波导末端连接的第二直波导与第一微环谐振腔和第二微环谐振腔上的第三直波导形成微环耦合结构;增益芯片自第一输出端输出的激光通过耦合器耦合进入到第一直波导,经分束器、第一弯曲波导、微环耦合结构进入第一微环谐振腔和第二微环谐振腔;
所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔为半径不相等的环形结构,两微环谐振腔上的另外两个第三直波导分别与第二弯曲波导两端连接的第四直波导耦合,用于谐振部分激光并将其经分束器和耦合器返回到增益芯片内,当返回激光的频率满足锁定条件时,形成自注入锁定。
根据本发明提供的一种基于二氧化硅波导的窄线宽外腔激光器,具有以下
有益效果:
本发明提供的一种基于二氧化硅波导的窄线宽外腔激光器,通过硅衬底或石英衬底的SiO2材料工艺平台实现外腔芯片的片上集成,达到优良的机械性能和抗振性能,同时实现窄线宽外腔激光器的小型化和低成本的技术效果;
通过微环谐振腔上环形电极的热调谐使得第一微环谐振腔和第二微环谐振腔的自由光谱范围移动来选择输出激光波长,达到宽波长调谐范围的技术效果;通过合理控制微环耦合结构输出高Q值,以达到窄线宽输出的技术效果。
附图说明
图1为本发明提供的窄线宽外腔激光器实施例的结构示意图;
图2为图1中外腔芯片内器件连接示意图;
图3为图1中微环谐振腔与直波导耦合比控制示意图;
图4为图1中用于分束和合束的多模干涉器的结构示意图;
图5为外腔芯片的反射及投射谱图。
附图标号说明
100-增益芯片;101-反射膜;102-抗反膜;200-外腔芯片;201-耦合器;202-分束器;203-第一微环谐振腔;204-第二微环谐振腔;205-微环耦合结构;301-第一直波导;302-第一弯曲波导;303-第二直波导;304-第三直波导;305-第二弯曲波导;306-第四直波导。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明,本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
本发明提供了一种基于二氧化硅波导的窄线宽外腔激光器,如图1~3所示,包括增益芯片100和外腔芯片200,外腔芯片200包括耦合器201、分束器202、第一微环谐振腔203和第二微环谐振腔204;所述增益芯片100与外腔芯片200为端面耦合(间隙设置);增益芯片100的第一输出端镀有抗反膜102,第二输出端镀有反射膜101;所述分束器202的合束端通过第一直波导301与耦合器201相连,分束端连接两路第一弯曲波导302,第一弯曲波导302末端连接的第二直波导303与第一微环谐振腔203和第二微环谐振腔204上的第三直波导304形成微环耦合结构205;增益芯片100自第一输出端输出的激光通过耦合器201耦合进入到第一直波导301,经分束器202、第一弯曲波导302、微环耦合结构205进入第一微环谐振腔203和第二微环谐振腔204;
所述第一微环谐振腔203和第二微环谐振腔204为半径不相等的环形结构,两微环谐振腔上的另外两个第三直波导304分别与第二弯曲波导305两端连接的第四直波导306耦合,用于谐振部分激光并将其经分束器202和耦合器201返回到增益芯片100内,当返回激光的频率满足锁定条件时,形成自注入锁定,实现选模的技术效果,最终稳定输出窄线宽激光。所述第一微环谐振腔203和第二微环谐振腔204均可通过热调谐方式改变其谐振频率。
在本发明中,增益芯片100为半导体光放大器SOA或激光二极管芯片。
增益芯片100采用半导体光放大器SOA时,增益芯片100的第二输出端连接直波导,第一输出端为弯曲波导,波导弯曲10~30°。SOA波导弯曲的目的在于降低端面反射的影响。在装调增益芯片100和外腔芯片200时,将增益芯片100相较于外腔芯片200倾斜设置,使增益芯片100第一输出端输出激光方向与耦合器201端面法线呈0~8°。
增益芯片100采用激光二极管芯片时,将增益芯片100相较于外腔芯片200倾斜设置,使激光二极管芯片第一输出端输出激光方向与耦合器201端面法线呈7-9°如8°;或者,采用在所述外腔芯片200上刻蚀偏转7-9°如8°的耦合器201方式,达到与激光二极管芯片的第一输出端输出激光方向偏转7-9°如8°,从而降低端面反射的影响。
在本发明中,增益芯片100的反射膜101的反射率不低于10%,抗反膜102的反射率小于0.01%。增益芯片100与外腔芯片200耦合方式为端面耦合,包括直接耦合或透镜耦合。
在本发明中,耦合器201为倒锥型模斑转换结构。
在本发明中,分束器202为1×2多模干涉仪结构或Y分支波导结构。
在本发明中,外腔芯片200为硅衬底或石英衬底的二氧化硅材料,所述第一微环谐振腔203和第二微环谐振腔204为二氧化硅微环,二氧化硅波导折射率差为0.45%~2.5%。
在本发明中,外腔芯片200均通过热效应进行热光调谐;具体地,所述第一微环谐振腔203和第二微环谐振腔204上连接有热电极,用于微调微环谐振腔芯层折射率。
第一微环谐振腔203和第二微环谐振腔204谐振的自由光谱范围为:
其中,λ为微环谐振腔的谐振波长,Δλ为微环谐振腔相邻谐振峰的波长间隔,ng为微环谐振腔波导群折射率(与温度相关),L为微环谐振腔周长。
第一微环谐振腔203和第二微环谐振腔204的游标效应采用共振波长,并通过热调谐使得第一微环谐振腔203和第二微环谐振腔204的自由光谱范围移动,用以选择激光输出波长;同时有:
其中,FSRfilter为外腔芯片输出的自由光谱范围(外腔芯片等效FSR);FSR1和FSR2分别为第一微环谐振腔和第二微环谐振腔的自由光谱范围。
在本发明中,基于二氧化硅波导的微环外腔200传输损耗低,通过合理控制微环耦合结构205,可以获得较高的Q值,以保证窄线宽激光输出。如微环耦合结构205中第三直波导长度为10μm至50μm,耦合间距为5μm至10μm。
本发明提供的外腔芯片,不仅可实现选模的作用,而且由于微环谐振腔具有较高的Q值,还具有压缩线宽的作用,而且通过热调谐可以调整微环芯层折射率的微弱变化,导致微环谐振峰移动,从而在多个谐振模式中进行选模。
外腔激光器最大波长调谐范围取决于微环谐振腔的结构和微环谐振腔的自由光谱范围,使得光进入微环的上下话路时,等效微环谐振腔的Q值较高,以保证窄线宽输出。
本发明中基于二氧化硅波导的窄线宽外腔激光器的加工方法,包括如下步骤:
S1.预先准备增益芯片100;
S2.在石英或硅衬底上沉积波导的下包层,约1至4μm;
S3.在下包层上沉积一层二氧化硅波导芯层;
S4.准备预先制备的掩膜板,掩膜板上图形包含外腔芯片上的所有结构,例如耦合器、分束器、直波导、弯曲波导、微环等;
S5.利用光刻、刻蚀等工艺将掩膜板上的结构转移至石英衬底或硅衬底的下包层上;
S6.制备二氧化硅上包层,至此完成外腔芯片的制备。
实施例
窄线宽外腔激光器,如图1~4所示,增益芯片100为半导体光放大器SOA,增益芯片100相较于外腔芯片200倾斜设置,使增益芯片100第一输出端输出激光方向与耦合器201端面法线呈0°,其发射光谱为1500nm至1600nm。增益芯片100的反射膜101的反射率为10%,抗反膜102的反射率小于0.01%。
外腔芯片200为石英衬底的二氧化硅波导,所述耦合器201为模斑转换器,所述分束器为1×2多模干涉器,第一微环谐振腔203和第二微环谐振腔204为折射率差0.75%的二氧化硅波导,第一微环谐振腔203和第二微环谐振腔204上连接有热电极,用于微调微环谐振腔芯层折射率。
第一微环谐振腔203和第二微环谐振腔204的半径不相等,分别为2500μm和2520μm。微环耦合结构205中直波导长度为20μm,耦合间距为5μm。
图5给出了FSR为16nm的外腔芯片反射谱和投射谱示意图,其可实现1534nm至1560nm的窄线宽激光输出。在使用外腔芯片前,增益芯片输出波长范围为1500nm至1600nm的宽谱激光输出,经过本专利发明的外腔芯片后,输出激光波长为1534nm至1560nm范围内的窄线宽激光输出,线宽小于10kHz。
需要说明的是,术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明,不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解,在不偏离本发明精神和范围的情况下,可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进,这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种基于二氧化硅波导的窄线宽外腔激光器,其特征在于,包括增益芯片(100)和外腔芯片(200),外腔芯片(200)包括耦合器(201)、分束器(202)、第一微环谐振腔(203)和第二微环谐振腔(204);所述增益芯片(100)朝向外腔芯片(200)的第一输出端镀有抗反膜(102),相反侧的第二输出端镀有反射膜(101);所述分束器(202)的合束端通过第一直波导(301)与耦合器(201)相连,分束端连接两路第一弯曲波导(302),第一弯曲波导(302)末端连接的第二直波导(303)与第一微环谐振腔(203)和第二微环谐振腔(204)上的第三直波导(304)形成微环耦合结构(205);增益芯片(100)自第一输出端输出的激光通过耦合器(201)耦合进入到第一直波导(301),经分束器(202)、第一弯曲波导(302)、微环耦合结构(205)进入第一微环谐振腔(203)和第二微环谐振腔(204);
所述第一微环谐振腔(203)和第二微环谐振腔(204)为半径不相等的环形结构,两微环谐振腔上的另外两个第三直波导(304)分别与第二弯曲波导(305)两端连接的第四直波导(306)耦合,用于谐振部分激光并将其经分束器(202)和耦合器(201)返回到增益芯片(100)内,当返回激光的频率满足锁定条件时,形成自注入锁定。
2.根据权利要求1所述的基于二氧化硅波导的窄线宽外腔激光器,其特征在于,所述增益芯片(100)为半导体光放大器SOA或激光二极管芯片。
3.根据权利要求2所述的基于二氧化硅波导的窄线宽外腔激光器,其特征在于,所述增益芯片(100)采用半导体光放大器SOA时,增益芯片(100)相较于外腔芯片(200)倾斜设置,使增益芯片(100)第一输出端输出激光方向与耦合器(201)端面法线呈0~8°。
4.根据权利要求2所述的基于二氧化硅波导的窄线宽外腔激光器,其特征在于,所述增益芯片(100)采用激光二极管芯片时,增益芯片(100)相较于外腔芯片(200)倾斜设置,使激光二极管芯片第一输出端输出激光方向与耦合器(201)端面法线呈7-9°;或者,在所述外腔芯片(200)上刻蚀偏转7-9°的耦合器(201),使耦合器(201)与激光二极管芯片的第一输出端输出激光方向上偏转7-9°。
5.根据权利要求1所述的基于二氧化硅波导的窄线宽外腔激光器,其特征在于,所述增益芯片(100)的反射膜(101)的反射率不低于10%,抗反膜(102)的反射率小于0.01%。
6.根据权利要求1所述的基于二氧化硅波导的窄线宽外腔激光器,其特征在于,所述增益芯片(100)与外腔芯片(200)为端面耦合,包括直接耦合或透镜耦合。
7.根据权利要求1所述的基于二氧化硅波导的窄线宽外腔激光器,其特征在于,所述耦合器(201)为倒锥型模斑转换结构。
8.根据权利要求1所述的基于二氧化硅波导的窄线宽外腔激光器,其特征在于,所述分束器(202)为1×2多模干涉仪结构或Y分支波导结构。
9.根据权利要求1所述的基于二氧化硅波导的窄线宽外腔激光器,其特征在于,所述外腔芯片(200)为硅衬底或石英衬底的二氧化硅材料;
所述第一微环谐振腔(203)和第二微环谐振腔(204)为二氧化硅微环,二氧化硅波导折射率差为0.45%~2.5%。
10.根据权利要求1所述的基于二氧化硅波导的窄线宽外腔激光器,其特征在于,所述第一微环谐振腔(203)和第二微环谐振腔(204)上连接有热电极,用于微调微环谐振腔芯层折射率。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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