一種高功率可調諧窄線寬外腔半導體激光器制造技術

一種高功率可調諧窄線寬外腔半導體激光器屬于半導體激光器技術領域，目的在于解決單一激光器難以滿足在模式特性、光束質量、線寬、相干性、可調諧的綜合要求。其由增益芯片、可調諧外腔、帶有彎曲波導的傾斜功率放大器通過端面直接耦合構成。增益芯片實現單模寬光譜的激光輸出。可調諧外腔采用SOI材料，通過增加腔長和激光諧振腔品質因數Q方式窄化線寬，采用熱調制材料折射率實現可調諧。帶有彎曲波導的傾斜功率放大器，在保證增益芯片和可調諧外腔穩定性下，實現高功率、高光束質量的激光輸出。本發明專利技術實現單模、高功率、高光束質量、窄線寬、高相干、波長可調諧等集于一體的新型半導體激光器，在空間激光通信、激光雷達等領域有重要應用前景。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于半導體激光器
，具體涉及一種高功率可調諧窄線寬外腔半導體激光器。
技術介紹
在光通信、光信息存儲、3D激光打印、光學測量、固體激光器泵浦源、激光分子光譜學等領域，傳統半導體激光器被廣泛應用。但是，由于單一激光器在線寬、光束質量、亮度、調諧能力等特征，不能同時滿足在高速、高精度遠距離的空間激光通信、堿性原子鐘、激光雷達、量子信息科學、精密光譜測量等領域應用。因此，為了滿足上述應用，需要制備單模、高功率、高光束質量、窄線寬、高相干、波長可調諧集為一體的新型半導體激光器。目前，常用窄線寬半導體激光器有光纖激光器、分布反饋布拉格半導體激光器(DFB激光器)、分布布拉格反射激光器(DBR激光器)、外腔半導體激光器。DFB和DBR激光器的線寬為MHz級別，溫度穩定性差、相位噪聲高；光纖激光器，制作成本高、可靠性差、抗空間干擾能力差；然而，外腔半導體激光器的優勢：線寬為百KHz量級、穩定性高、相位噪聲小、成本低廉、抗空間干擾能力強等。外腔激光器可分為兩種類型：增益芯片與外腔集成型、增益芯片與外腔分離獨立型。增益芯片和外腔分離獨立型優勢：提供更窄線寬、激光器模式穩定等。然而，由于增益芯片和外腔部分獨立設計，在端面耦合部分將會引入較大的耦合損耗，導致輸出功率下降；可通過增加增益芯片的長度從而增加輸出功率，但劣化閾值電流等指標。更重要的是，在外腔中光子能量過高，導致外腔模式不穩定，引起模式的跳躍和額外的模式。增益芯片的腔面的能量過大將會導致自聚焦效應、燈絲效應、空間燒孔等影響光束質量現象。
技術實現思路
為了解決現有技術中存在的問題，本專利技術提供了一種高功率可調諧窄線寬外腔半導體激光器，該激光器解決現有激光器難以滿足單模、高功率、高光束質量、窄線寬、高相干、波長可調諧的問題。本專利技術解決技術問題所采用的技術方案如下：一種高功率可調諧窄線寬外腔半導體激光器，該激光器包括：增益芯片、可調諧外腔和帶有彎曲波導的傾斜功率放大器；可調諧外腔的兩端分別于增益芯片和帶有彎曲波導的傾斜功率放大器相連。本專利技術的有益效果是：1、線寬更窄：相比較普通外腔半導體激光器結構，本專利技術在可調諧外腔采用三條脊形平面波導通過兩個圓環耦合連接結構，此結構增加外腔長度。進一步，兩個圓環結構提高激光諧振腔的品質因數Q值(>2000)。根據肖洛-湯斯線寬公式:ΔνST＝(hν/P0)(πnspη0)(ΔνC)2其中ΔνC是除去增益介質及損耗之后諧振腔本身的固有激光線寬，hν是光子能量，P0是輸出功率，nsp是粒子數反轉因子，η0是輸出功率耦合效率。增加腔長可有效減少激光器固有線寬，實現激光線寬變窄；進一步，外腔具有高激光諧振腔品質因數Q值，激光介質增益將會在極短時間內遠超過閾值，極其快速產生振蕩，光子以極高速率增長，實現窄線寬激光輸出。通過增加諧振腔腔長和激光諧振腔品質因數Q值的方式，使輸出激光線寬變得更窄。2、波長可調諧：可調諧外腔部分，采用高熱光系數材料(～10-4)，在圓環部分采用熱方式改變材料折射率，改變外腔的模式分布，從而改變激光器的模式分布，實現對輸出波長的調諧。3、功率高、光束質量高、穩定性好：經過帶有彎曲波導的傾斜功率放大器，在不產生其他光學模式的情況下，實現高功率輸出(>1W)。采用錐形放大器，避免了由于端面的能量密度過大，引發的自聚焦、燈絲效應等影響，改善快慢軸發散角，實現高光束質量(M2<3)激光輸出。彎曲波導傾斜放大器設計，避免放大器輸出腔面高能量的反饋對增益芯片和可調諧區域的擾動，減少負反饋，保證窄線寬、可調諧部分的穩定性。進一步，彎曲波導可過濾高階模式，保證在功率放大器僅對單模放大。4、可調諧外腔不容易出現非線性效應：可調諧外腔采用SOI(silicon-on-insulator)材料，在光子能量較大的情況下，SOI波導易發生非線性效應，將會對可調諧外腔穩定性產生影響。本專利技術帶有彎曲波導的傾斜功率放大器在可調諧外腔后，在增大輸出功率的同時避免了非線性效應的出現，從而實現了在窄線寬，可調諧的情況下的高功率激光輸出。5、耦合效率高(>50％)，易于單片集成：SOI材料體系折射率與增益芯片及放大器的折射率較為接近，將會引起較小的耦合損耗，實現高耦合效率。進一步，SOI材料體系與增益芯片和放大器易于實現單片集成。6、抗空間輻射能力強：SOI體系材料抗空間輻射能力較強，保證本專利技術在外太空及特殊環境下的工作穩定性。附圖說明圖1本專利技術一種高功率可調諧窄線寬外腔半導體激光器的立體圖圖2本專利技術一種高功率可調諧窄線寬外腔半導體激光器可調諧外腔俯視圖。圖3本專利技術一種高功率可調諧窄線寬外腔半導體激光器帶有彎曲波導的傾斜功率放大器。圖中：1、增益芯片，2、可調諧外腔，3、帶有彎曲波導的傾斜功率放大器，4、脊形波導，5、圓環，6、熱調制器，7、彎曲波導和8、傾斜功率放大器。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術做進一步詳細說明。如圖1所示，一種高功率可調諧窄線寬外腔半導體激光器包括：增益芯片1、可調諧外腔2、帶有彎曲波導的傾斜功率放大器3；通過直接耦合對準使增益芯片1、可調諧外腔2和帶有彎曲波導的傾斜功率放大器3構成完整光路系統。所述的增益芯片1，作用是產生單模寬光譜的光源。為實現窄線寬激光輸出，增益芯片的脊形波導4必須采用單模波導或近似單模波導。因此，本專利技術中增益芯片的脊形波導4采用窄脊型半導體折射率波導。如圖2所示，所述的可調諧外腔2，作用是壓縮激光器固有線寬和波長可調諧。材料是SOI，結構是三條可調諧外腔的脊形波導通過兩個圓環5耦合連接，通過在圓環5上制備熱調制器6實現波長可調諧。增益芯片1和三條脊形波導和2個圓環5構成的可調諧外腔2形成新的激光諧振腔。可調諧外腔的脊形波導的結構是與增益芯片的脊形波導4的尺寸相同的單模脊形波導。可調諧外腔的脊形波導和圓環5通過耦合實現光傳輸。熱調制器6通過加熱方式改變半導體材料的折射率，根據游標效應實現波長調制。如圖3所示，所述的帶有彎曲波導的傾斜功率放大器3，作用是在不產生其他光學模式的情況下放大輸出功率。帶有彎曲波導的傾斜功率放大器3的脊形波導和彎曲波導7，采用與增益芯片1相同材料。帶有彎曲波導的傾斜功率放大器3的脊形波導的結構尺寸與可調諧外腔的脊形波導相同。彎曲波導7，結構采用半徑在1-4mm的角度為3-10°圓弧形狀的脊形波導，避免<本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高功率可調諧窄線寬外腔半導體激光器，其特征在于，該激光器包括：增益芯片、可調諧外腔和帶有彎曲波導的傾斜功率放大器；可調諧外腔的兩端分別于增益芯片和帶有彎曲波導的傾斜功率放大器相連。

【技術特征摘要】
1.一種高功率可調諧窄線寬外腔半導體激光器，其特征在于，該激光器
包括：增益芯片、可調諧外腔和帶有彎曲波導的傾斜功率放大器；可調諧外
腔的兩端分別于增益芯片和帶有彎曲波導的傾斜功率放大器相連。
2.根據權利要求1所述的一種高功率可調諧窄線寬外腔半導體激光器，
其特征在于，該激光器還包括集成在所述增益芯片、可調諧外腔和帶有彎曲
波導的傾斜功率放大器下面的熱沉。
3.根據權利要求1所述的一種高功率可調諧窄線寬外腔半導體激光器，
其特征在于，所述增益芯片為在半導體芯片上制作采用窄脊形半導體折射率
波導的脊形波導。
4.根據權利要求1所述的一種高功率可調諧窄線寬外腔半導體激光器，
其特征在于，所述可調諧外腔為在SOI上制作三條或五條可調諧外腔的脊形
波導...

【專利技術屬性】
技術研發人員：秦莉，高峰，陳泳屹，寧永強，
申請(專利權)人：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，
類型：發明
國別省市：吉林;22