一种高功率可调谐窄线宽外腔半导体激光器的制造方法

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一种高功率可调谐窄线宽外腔半导体激光器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体激光器技术领域,具体涉及一种高功率可调谐窄线宽外腔半导体激光器。
【背景技术】
[0002]在光通信、光信息存储、3D激光打印、光学测量、固体激光器栗浦源、激光分子光谱学等领域,传统半导体激光器被广泛应用。但是,由于单一激光器在线宽、光束质量、亮度、调谐能力等特征,不能同时满足在高速、高精度远距离的空间激光通信、碱性原子钟、激光雷达、量子信息科学、精密光谱测量等领域应用。因此,为了满足上述应用,需要制备单模、高功率、高光束质量、窄线宽、高相干、波长可调谐集为一体的新型半导体激光器。
[0003]目前,常用窄线宽半导体激光器有光纤激光器、分布反馈布拉格半导体激光器(DFB激光器)、分布布拉格反射激光器(DBR激光器)、外腔半导体激光器。DFB和DBR激光器的线宽为MHz级别,温度稳定性差、相位噪声高;光纤激光器,制作成本高、可靠性差、抗空间干扰能力差;然而,外腔半导体激光器的优势:线宽为百KHz量级、稳定性高、相位噪声小、成本低廉、抗空间干扰能力强等。
[0004]外腔激光器可分为两种类型:增益芯片与外腔集成型、增益芯片与外腔分离独立型。增益芯片和外腔分离独立型优势:提供更窄线宽、激光器模式稳定等。然而,由于增益芯片和外腔部分独立设计,在端面耦合部分将会引入较大的耦合损耗,导致输出功率下降;可通过增加增益芯片的长度从而增加输出功率,但劣化阈值电流等指标。更重要的是,在外腔中光子能量过高,导致外腔模式不稳定,引起模式的跳跃和额外的模式。增益芯片的腔面的能量过大将会导致自聚焦效应、灯丝效应、空间烧孔等影响光束质量现象。

【发明内容】

[0005]为了解决现有技术中存在的问题,本发明提供了一种高功率可调谐窄线宽外腔半导体激光器,该激光器解决现有激光器难以满足单模、高功率、高光束质量、窄线宽、高相干、波长可调谐的问题。
[0006]本发明解决技术问题所采用的技术方案如下:
[0007]—种高功率可调谐窄线宽外腔半导体激光器,该激光器包括:增益芯片、可调谐外腔和带有弯曲波导的倾斜功率放大器;可调谐外腔的两端分别于增益芯片和带有弯曲波导的倾斜功率放大器相连。
[0008]本发明的有益效果是:
[0009]1、线宽更窄:相比较普通外腔半导体激光器结构,本发明在可调谐外腔采用三条脊形平面波导通过两个圆环耦合连接结构,此结构增加外腔长度。进一步,两个圆环结构提高激光谐振腔的品质因数Q值(>2000)。
[0010]根据肖洛-汤斯线宽公式:
[0011 ] Δ Vst= (hv/P0) (πη8Ρηο) ( A vC)2
[0012]其中Avc是除去增益介质及损耗之后谐振腔本身的固有激光线宽,hv是光子能量,Po是输出功率,nsp是粒子数反转因子,no是输出功率耦合效率。
[0013]增加腔长可有效减少激光器固有线宽,实现激光线宽变窄;进一步,外腔具有高激光谐振腔品质因数Q值,激光介质增益将会在极短时间内远超过阈值,极其快速产生振荡,光子以极高速率增长,实现窄线宽激光输出。通过增加谐振腔腔长和激光谐振腔品质因数Q值的方式,使输出激光线宽变得更窄。
[0014]2、波长可调谐:可调谐外腔部分,采用高热光系数材料(?10—4),在圆环部分采用热方式改变材料折射率,改变外腔的模式分布,从而改变激光器的模式分布,实现对输出波长的调谐。
[0015]3、功率高、光束质量高、稳定性好:经过带有弯曲波导的倾斜功率放大器,在不产生其他光学模式的情况下,实现高功率输出(>1W)。采用锥形放大器,避免了由于端面的能量密度过大,引发的自聚焦、灯丝效应等影响,改善快慢轴发散角,实现高光束质量(M2〈3)激光输出。弯曲波导倾斜放大器设计,避免放大器输出腔面高能量的反馈对增益芯片和可调谐区域的扰动,减少负反馈,保证窄线宽、可调谐部分的稳定性。进一步,弯曲波导可过滤高阶模式,保证在功率放大器仅对单模放大。
[0016]4、可调谐外腔不容易出现非线性效应:可调谐外腔采用SOI (sil icon-on-1nsulator)材料,在光子能量较大的情况下,SOI波导易发生非线性效应,将会对可调谐外腔稳定性产生影响。本发明带有弯曲波导的倾斜功率放大器在可调谐外腔后,在增大输出功率的同时避免了非线性效应的出现,从而实现了在窄线宽,可调谐的情况下的高功率激光输出。
[0017]5、耦合效率高(>50%),易于单片集成:SOI材料体系折射率与增益芯片及放大器的折射率较为接近,将会引起较小的耦合损耗,实现高耦合效率。进一步,SOI材料体系与增益芯片和放大器易于实现单片集成。
[00? 8] 6、抗空间福射能力强:SOI体系材料抗空间福射能力$父强,保证本发明在外太空及特殊环境下的工作稳定性。
【附图说明】
[0019]图1本发明一种高功率可调谐窄线宽外腔半导体激光器的立体图
[0020]图2本发明一种高功率可调谐窄线宽外腔半导体激光器可调谐外腔俯视图。
[0021]图3本发明一种高功率可调谐窄线宽外腔半导体激光器带有弯曲波导的倾斜功率放大器。
[0022]图中:1、增益芯片,2、可调谐外腔,3、带有弯曲波导的倾斜功率放大器,4、脊形波导,5、圆环,6、热调制器,7、弯曲波导和8、倾斜功率放大器。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
[0024]如图1所示,一种高功率可调谐窄线宽外腔半导体激光器包括:增益芯片1、可调谐外腔2、带有弯曲波导的倾斜功率放大器3;通过直接耦合对准使增益芯片1、可调谐外腔2和带有弯曲波导的倾斜功率放大器3构成完整光路系统。
[0025]所述的增益芯片I,作用是产生单模宽光谱的光源。为实现窄线宽激光输出,增益芯片的脊形波导4必须采用单模波导或近似单模波导。因此,本发明中增益芯片的脊形波导4采用窄脊型半导体折射率波导。
[0026]如图2所示,所述的可调谐外腔2,作用是压缩激光器固有线宽和波长可调谐。材料是S0I,结构是三条可调谐外腔的脊形波导通过两个圆环5耦合连接,通过在圆环5上制备热调制器6实现波长可调谐。增益芯片I和三条脊形波导和2个圆环5构成的可
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