一种窄线宽固定波长激光器及光模块的制作方法

[0001]
本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种窄线宽固定波长激光器及光模块。


背景技术：

[0002]
相干光通信是解决光通信领域中长距离传输时存在色散问题的重要技术，波长可调谐激光器是相干光发射机的核心器件，特别是可调谐外腔激光器具有窄线宽特性，很好地解决了长距传输中的色散问题。
[0003]
小型化封装一直是可调激光器的发展趋势，要求其可适用于各种不同封装形式的光模块。中国专利申请《小型封装的可调谐激光器组件》(申请号：201410059069.1)公开了一种小型化的可调谐激光器，具有体积小于0.6立方厘米的外壳，壳体内依次设有可调谐半导体激光器、分束器、光学隔离器、光电二极管和耦合光学系统。其中，可调谐半导体激光器包括增益芯片、两个滤波器组成的游标调谐机构和腔长致动器。随着设备集成度越来越高，要求光模块具有更小的体积，因而作为相干光模块核心器件的激光器必然也要求其体积越来越小。上述专利申请公开的可调谐激光器组件虽然具有较小的体积，但是在一些更小型化的光模块中，显然还有更小的体积要求。


技术实现要素：

[0004]
本申请的目的在于提供一种窄线宽固定波长激光器及光模块，具有封装尺寸小、外腔插损小、激光线宽窄等优点。
[0005]
为了实现上述目的之一，本申请提供了一种窄线宽固定波长激光器，包括壳体，所述壳体设有光学接口和电学接口；还包括设于所述壳体内的外部谐振腔和设于所述外部谐振腔内的增益芯片和滤波元件；
[0006]
所述滤波元件用于选择所需要的特定波长；
[0007]
所述电学接口用于传输电学信号，所述电学信号包括驱动信号；
[0008]
所述驱动信号驱动所述增益芯片发出光束，所述光束在所述外部谐振腔内谐振产生激光模式，所述滤波元件从所述激光模式中选择所需要的波长在所述外部谐振腔内振荡，以输出特定波长的激光束。
[0009]
作为实施方式的进一步改进，所述电学接口传输的电学信号还包括一微调信号，所述微调信号用于微调所述外部谐振腔的激光模式，使所述激光模式与所述特定波长对齐。
[0010]
作为实施方式的进一步改进，所述微调信号施加在所述增益芯片上，用于改变所述增益芯片的折射率和/或温度，以微调外部谐振腔的激光模式。
[0011]
作为实施方式的进一步改进，所述微调信号包括叠加在所述增益芯片的偏置电流上的微调电流。
[0012]
作为实施方式的进一步改进，所述壳体内设有tec，所述增益芯片设置于所述tec上；所述微调信号通过调节所述tec的温度来调整外部谐振腔的激光模式。
[0013]
作为实施方式的进一步改进，所述激光器还包括一致动器，所述外部谐振腔的一个腔面设置于所述致动器上，所述微调信号通过调整所述致动器上的外部谐振腔的腔面位置来调整外部谐振腔的激光模式。
[0014]
作为实施方式的进一步改进，所述滤波元件的3db带宽小于或等于1倍的所述激光模式的自由光谱范围。
[0015]
作为实施方式的进一步改进，所述滤波元件包括两个叠加的截止滤波器。
[0016]
作为实施方式的进一步改进，所述两个叠加的截止滤波器分别设于一透明平板相对的两个平面上。
[0017]
作为实施方式的进一步改进，所述滤波元件包括一个带通滤波器。
[0018]
作为实施方式的进一步改进，所述固定波长激光器还包括一位于所述外部谐振腔内的透明平板，所述透明平板包括相对的两个平面，所述带通滤波器设于所述透明平板靠近所述增益芯片的一个平面上；所述外部谐振腔的一个腔面设于所述透明平板的另一个平面上。
[0019]
作为实施方式的进一步改进，所述壳体内还设有耦合透镜，所述耦合透镜位于所述外部谐振腔的输出光路上；所述耦合透镜包括靠近所述外部谐振腔的平面和远离所述外部谐振腔的球面或非球面；所述外部谐振腔的输出腔面设于所述耦合透镜的所述平面上。
[0020]
作为实施方式的进一步改进，所述壳体内还设有隔离器，所述隔离器位于所述外部谐振腔的输出光路上；所述外部谐振腔的输出腔面设于所述隔离器靠近所述外部谐振腔的平面上。
[0021]
作为实施方式的进一步改进，所述壳体为长方体，所述长方体的体积小于或等于0.3立方厘米。
[0022]
作为实施方式的进一步改进，所述固定波长激光还包括一光纤，所述光纤包括光纤头和尾纤，所述光纤头包括固定套管，所述固定套管内设有毛细管，所述尾纤的一端设于所述毛细管内；所述光纤头的固定套管设于所述壳体的光学接口内。
[0023]
本申请还提供了一种光模块，包括上述任一实施方式所述的固定波长激光器。
[0024]
本申请的有益效果：采用固定波长的外腔结构，减少了外腔内的元件数量，一方面可大大较小封装尺寸，具有更小的体积；另一方面，可有效减少外腔插损，进而减少插损对激光功率和线宽的影响，配合可微调的激光模式，输出更稳定更窄线宽的激光。
附图说明
[0025]
图1为本申请窄线宽固定波长激光器封装示意图；
[0026]
图2为本申请固定波长激光器实施例1中外腔激光器组件示意图；
[0027]
图3为本申请激光模式与滤波元件光谱特性曲线叠加示意图；
[0028]
图4为两个截止滤波器光谱特性曲线叠加示意图；
[0029]
图5为本申请固定波长激光器实施例2中外腔激光器组件示意图；
[0030]
图6为本申请固定波长激光器实施例3中外腔激光器组件示意图；
[0031]
图7本申请窄线宽固定波长激光器的另一种封装示意图；
[0032]
图8为本申请光模块结构示意图。
具体实施方式
[0033]
以下将结合附图所示的具体实施方式对本申请进行详细描述。但这些实施方式并不限制本申请，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。
[0034]
在本申请的各个图示中，为了便于图示，结构或部分的某些尺寸会相对于其它结构或部分夸大，因此，仅用于图示本申请的主题的基本结构。
[0035]
另外，本文使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。当元件或层被称为在另一部件或层“上”、与另一部件或层“连接”时，其可以直接在该另一部件或层上、连接到该另一部件或层，或者可以存在中间元件或层。
[0036]
本申请提供一种窄线宽固定波长激光器，具有小型化的封装尺寸。如图1和2所示，该固定波长激光器包括壳体100和设于壳体100内的外腔激光器组件，该外腔激光器组件包括外部谐振腔和设于该外部谐振腔内的增益芯片310和滤波元件320。其中，壳体100设有光学接口110和电学接口120，光学接口110用于传输光信号，电学接口120用于传输电学信号。该电学信号包括驱动信号，如增益芯片310的偏置电流等。滤波元件320用于选择所需要的特定波长，例如在光通信中，用于选择光通信所需要的某个itu(international telecommunication union)标准波长。工作时，上述驱动信号驱动增益芯片310发出光束，该光束在外部谐振腔内谐振产生激光模式，上述滤波元件320从激光模式中选择所需要的波长使其在外部谐振腔内振荡，以输出特定波长的激光束。
[0037]
上述电学接口120传输的电学信号还包括一微调信号，用于微调外部谐振腔的激光模式，使激光模式中所需要的波长与上述特定波长对齐。具体的，如图3所示，曲线a为外部谐振腔内振荡的激光模式，即谐振腔的腔膜，曲线b为滤波元件320的光谱特性曲线。这里，滤波元件320采用的是一窄带的带通滤波器，其透射光谱的3db带宽小于或等于1倍的上述激光模式的自由光谱范围(free spectrum range，fsr)，可有效抑制边模，与外部谐振腔的激光模式叠加，通过外部谐振腔中的模式竞争，可获得边模抑制比很好的窄线宽的单模输出。在其它实施例中，滤波元件320也可以是两个截止滤波器叠加而成，如图4所示为两个截止滤波器谱线的叠加，如一个高通滤波器和一个低通滤波器叠加，可以容易地实现窄线宽的滤波特性，而且具有更好的边模抑制比，与激光模式叠加之后，可以获得边模抑制比更好的单模输出。
[0038]
上述固定波长激光器采用的外腔结构，减少了外腔内的元件数量，一方面可大大较小封装尺寸，具有更小的体积；另一方面，可有效减少外腔插损，进而减少插损对激光功率和线宽的影响，配合可微调的激光模式，输出更稳定更窄线宽的激光。下面的实施例将结合附图详细阐述壳体内的外腔激光器组件的具体结构。
[0039]
实施例1
[0040]
如图1和2所示，设于壳体100内的外腔激光器组件包括外部谐振腔和设于该外部
谐振腔内的增益芯片310和滤波元件320，壳体100内还设有耦合透镜330和隔离器340，壳体100的光学接口110连接有光纤200，外腔激光器输出的激光经耦合透镜330耦合到光纤200内，由该光纤200传输到壳体100外。上述光纤200包括光纤头210和尾纤220，其中，光纤头210包括固定套管，比如玻璃套管，该固定套管内设有毛细管，尾纤220的一端设于毛细管内；光纤头210的固定套管设于壳体100的光学接口110内。该光纤头省略了陶瓷插芯，直接采用玻璃套管固定尾纤，缩短了光纤头的长度，减小了器件的整体尺寸。当然，在其它实施例中，壳体100的光学接口110也可以连接可插拔的连接器，不一定连接光纤。
[0041]
该实施例中，壳体100内还设有tec(thermo electric cooler，半导体致冷器)360，上述增益芯片310、滤波元件320和耦合透镜330设于该tec 360上，隔离器340设于壳体100的光学接口110内。增益芯片310远离滤波元件320的第一端面311上镀高反射膜，第一端面311作为外部谐振腔的反射腔面。增益芯片310靠近滤波元件320的第二端面312镀增透膜。耦合透镜330包括位于光路上的第一平面331和凸面332，第一平面331靠近滤波元件320，镀部分反射膜，作为外部谐振腔的输出腔面，凸面332为球面或非球面，镀增透膜。即增益芯片310的第一端面311和耦合透镜330的平面331形成外部谐振腔的两个腔面。该实施例中，在增益芯片310与滤波元件320之间还设有准直透镜350，将增益芯片310发射的光束准直入射到滤波元件320上，经滤波元件320选择所需要的波长，以使所需的波长光通过外部谐振腔内的模式竞争，在腔内谐振产生激光，最终经上述输出腔面输出窄线宽的单模激光，并由耦合透镜330将输出的激光聚焦耦合到光纤200内，经由光纤200输出。设于光学接口110内的隔离器340将光纤端面及外部光路上各端面反射的返回光隔离，避免返回光返回到谐振腔内，影响输出激光的稳定性。
[0042]
该结构将外部谐振腔的两个腔面分别集成到增益芯片的一端和耦合透镜的一端，有效减少了腔内的光学元件，既降低了腔内的光学插损，进而减少插损对激光功率和线宽的影响，又有效缩短了外腔的腔长。腔长越短，腔内谐振的激光模式(腔膜)的自由光谱范围(fsr)就越大，输出激光就越稳定，不容易跳模，滤波元件的3db带宽也可以较宽(不大于激光模式的fsr)，对滤波元件的工艺要求也相对降低，较容易加工。另外，腔长越短，激光器封装可以做得更小，再将隔离器集成到壳体的光学接口(或光窗)内，也可以集成到上述光纤的光纤头内，壳体内的元件更少，壳体可以做得更小。该实施例中，壳体可以做到小于或等于3立方厘米，例如可以做到长10mm、宽5.8mm、高4.4mm的长方体壳体内，或者更小。
[0043]
该实施例中的滤波元件320可以采用前述的带通滤波器或者两个截止滤波器的叠加。滤波元件320可以是一透明平板，如玻璃平板，在透明平板的平面上镀膜形成带通滤波器，或者在透明平板位于光路上的相对的两个平面上分别镀膜形成两个截止滤波器，两个截止滤波器叠加形成窄带宽的滤波元件。
[0044]
该实施例中，上述用于微调外部谐振腔的激光模式的微调信号施加在增益芯片310上，用于改变增益芯片的折射率和/或温度，以微调外部谐振腔的激光模式，使激光模式中所需要的波长与上述特定波长对齐。例如，微调信号可以是叠加在增益芯片310的偏置电流上的微调电流，通过微调增益芯片310的偏置电流改变增益芯片310的折射率和温度，从而改变外部谐振腔的光学腔长(腔内的光程长度)，达到微调腔内激光模式的目的。或者，也可以将微调信号施加在tec 360上，通过调节tec 360的温度来改变增益芯片310的温度，以达到微调腔内激光模式的目的。上述增益芯片310通过一芯片基板370设置在tec 360上，芯
片基板370上设有热敏电阻380，用于反馈增益芯片310的温度，与tec 360一起形成一个闭环反馈系统，用来控制增益芯片310的温度。
[0045]
或者，在其它实施例中，外腔激光器组件也可以包括一致动器，外部谐振腔的一个腔面设置于该致动器上，上述微调信号通过调整该致动器上的外部谐振腔的腔面位置来调整外部谐振腔的激光模式。这里，致动器可以是压电元件、声光元件、电光元件、液晶组件、mems或其他线性电机等。例如，将耦合透镜设置在一压电元件(如pzt)上，微调信号施加在压电元件上，通过控制压电元件的形变来调节设于耦合透镜上的输出腔面的位置，以微调外部谐振腔的激光模式。也可以如图2所示，在增益芯片310下面增加一压电陶瓷(pzt)390，增益芯片310和准直透镜350都放置在压电陶瓷390上，压电陶瓷390再放置在tec 360上，微调信号施加在压电陶瓷390上，通过控制压电陶瓷390的形变来调节设于增益芯片310上的腔面的位置，以微调外部谐振腔的激光模式。
[0046]
在其它实施例中，耦合透镜和隔离器的位置也可以互换，将耦合透镜设置在壳体的光学接口内，隔离器设在tec上，隔离器上靠近外部谐振腔的平面镀部分反射膜，作为外部谐振腔的输出腔面。
[0047]
实施例2
[0048]
如图5所示，与实施例1不同的是，该实施例中，外部谐振腔的腔面不在耦合透镜或隔离器上，而是设在滤波元件上。该实施例中，滤波元件320采用的是带通滤波器。固定波长激光器还包括一位于外部谐振腔内的透明平板，该透明平板包括相对的两个平面：第二平面321和第三平面322。带通滤波器设于该透明平板靠近增益芯片310的第二平面321上，外部谐振腔的输出腔面设在透明平板的远离增益芯片310的第三平面322上。这样的设计进一步缩短了外部谐振腔的腔长，极限情况下可以将腔长(腔内光程长度)缩短到5mm，那么就可以得到fsr在30ghz附近的激光模式(腔膜)，激光模式间隔大，不容易跳模。同时也减少了腔内的光学平面，进一步减少了腔内插损。
[0049]
与实施例1中一样，微调信号可以是施加在增益芯片上，也可以施加在tec上，用于改变增益芯片的折射率和/或温度，以微调外部谐振腔的激光模式，使激光模式中所需要的波长与上述特定波长对齐。或者也可以在增益芯片下增加压电陶瓷，微调信号通过改变压电陶瓷的形变来调节设于增益芯片上的腔面的位置，以微调外部谐振腔的激光模式，使激光模式中所需要的波长与上述特定波长对齐。或者是在滤波元件下面增加致动器，微调信号通过控制致动器来调节设于滤波元件上的腔面的位置，以微调外部谐振腔的激光模式，使激光模式中所需要的波长与上述特定波长对齐。
[0050]
实施例3
[0051]
如图6所示，与实施例1和2不同的是，该实施例中，在增益芯片310远离滤波元件320的第一端面311镀部分反射膜，作为外部谐振腔的输出腔面，在滤波元件320远离增益芯片310的第三平面322镀高反射膜，作为外部谐振腔的反射腔面。上述耦合透镜330、隔离器340和壳体的光学接口110位于增益芯片310输出腔面输出的光路上。增益芯片310发射的光束在第一端面311和第三平面322之间谐振产生激光模式，通过微调信号微调外部谐振腔使激光模式与滤波元件320的波长对齐，并从增益芯片310的第一端面311输出所需波长的激光，输出的激光经耦合透镜330耦合到光纤内。该实施例中，隔离器340设于壳体100的光学接口110内，缩短了壳体的长度。在其它实施例中，也可以将隔离器340和耦合透镜330的位
置互换。在增益芯片310与滤波元件320之间还可以设有准直透镜350，以将增益芯片310发射的光束准直入射到滤波元件320上。
[0052]
为了避免增益芯片端面的反射影响腔内激光的稳定性，该实施例中将增益芯片与谐振腔主光轴成一小角度设置，因此从增益芯片的第一端面输出的激光也与谐振腔的主光轴存在一小角度的夹角，这里在增益芯片与耦合透镜之间增加了一个转向元件，如转向棱镜等，以矫正输出激光的角度，使入射到耦合透镜的激光回归到主光轴方向上。
[0053]
与实施例1和2中一样，微调信号可以是施加在增益芯片上，也可以施加在tec上，用于改变增益芯片的折射率和/或温度，以微调外部谐振腔的激光模式，使激光模式中所需要的波长与上述特定波长对齐。或者也可以在增益芯片下增加压电陶瓷，微调信号通过改变压电陶瓷的形变来调节设于增益芯片上的腔面的位置，以微调外部谐振腔的激光模式，使激光模式中所需要的波长与上述特定波长对齐。或者是在滤波元件下面增加致动器，微调信号通过控制致动器来调节设于滤波元件上的腔面的位置，以微调外部谐振腔的激光模式，使激光模式中所需要的波长与上述特定波长对齐。
[0054]
如图1所示，上述各实施例中，壳体100的电学接口120可以设于壳体100上与其光学接口110相对的端面上，也可以如图7所示，将电学接口120设置在壳体100的侧面。电学接口120设在密封壳体100的侧面，可省略密封壳体内的走线，减少密封壳体内走线的空间，可进一步缩小密封壳体的体积。外部谐振腔的腔面也可以是独立的全反射腔镜和/或部分反射腔镜，分别设于增益芯片远离滤波元件的一侧，以及滤波元件远离增益芯片的一侧。
[0055]
实施例4
[0056]
如图8所示，该实施例4提供一种光模块，其包括模块外壳500、电路板600、硅光芯片400和窄线宽激光器。这里，窄线宽激光器可以采用上述任一实施例的窄线宽固定波长激光器，在硅光芯片400上还集成了该窄线宽固定波长激光器的反馈组件，反馈组件包括分光元件和光探测器(mpd)，用于反馈固定波长激光器输出的光功率和中心波长。当然，在其它实施例中，反馈组件也可以采用分光探测器或其它形式的分光元件与mpd的组合。该光模块采用的本申请的小型化的窄线宽固定波长激光器，模块的尺寸可以做得更小，集成度更高，而且具有更稳定的窄线宽单模激光输出。
[0057]
在其它实施例中，光模块的壳体也可以采用其它结构的封装壳体，不局限于图8所示的壳体结构。该实施例中，光调制器和光接收机等器件集成在硅光芯片上，在其它实施例中，光调制器和/或光接收机也可以采用自由空间的独立器件。
[0058]
本申请的窄线宽固定波长激光器可以为相干光模块提供大功率窄线宽的光源，输出光功率可高于12dbm，线宽可小于或等于100khz，功率比dfb激光器高，线宽比dfb激光器窄，特别适用于硅光调制的光模块中，当然也适用于其它光模块中。
[0059]
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本申请的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本申请的保护范围，凡未脱离本申请技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本申请的保护范围之内。