一种基于体布拉格光栅的窄线宽半导体激光器的制作方法

本发明涉及通信和传感领域，尤其涉及一种基于体布拉格光栅的窄线宽半导体激光器。

背景技术：

窄线宽半导体激光器以其窄线宽、低噪声等优点广泛应用于光纤通信、光纤传感、光纤遥感及材料技术等领域。波长选择器件用来确定和调整其波长，限制增益谱内起振的纵模数，让满足特定条件的少数几个频率的激光起振，起到压窄线宽的作用；如果只让一个纵模振荡，则构成单频激光器，输出光具有极高的时间相干性，实用价值很高。

实现窄线宽半导体激光器单纵模输出，波长选择器件是关键，其中布拉格光栅较为常见。一种是使用布拉格波导光栅作为波长选择器件，例如美国专利US008885677B1“Semiconductor external cavity laser with integrated planar waveguide bragg grating and wide-bandwidth frequency modulation”，但是这种方法工艺难度高，耦合插损较大。另一种是使用布拉格光纤光栅作为波长选择元件，例如美国专利US8018982B2“Sliced fiber bragg grating used as external cavity for semiconductor laser and solid state laser”，但是这种激光器结构对布拉格光纤光栅的封装方法提出了很高的要求，光栅容易受到环境因素的影响，不利于激光器的稳定工作。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于体布拉格光栅的窄线宽半导体激光器，是一种利用体布拉格光栅与半导体光放大器芯片组成的外腔窄线宽半导体激光器，通过体布拉格光栅作为窄线宽半导体激光器的选频元件，使得激光器输出稳定的窄线宽激光，使用体布拉格光栅作为激光器的外腔选频元件具有结构简单，耦合方便的优点，而且光栅材料比较坚固均匀，不易受环境因素干扰。

为了实现本发明的目的，采用的技术方案如下：

一种基于体布拉格光栅的窄线宽半导体激光器，包括半导体光放大器芯片、体布拉格光栅，所述半导体光放大器芯片、体布拉格光栅形成谐振腔，其中，所述体布拉格光栅作为窄线宽半导体激光器的外腔选频元件，所述半导体光放大器芯片提供增益，且所述体布拉格光栅为高衍射效率、窄带宽的布拉格光栅以使激光器输出窄线宽激光。

其中，还包括用于补偿温度变化导致谐振腔长偏移的相位补偿片，所述相位补偿片位于半导体光放大器芯片与体布拉格光栅光路之间。

其中，所述半导体光放大器芯片后端面镀有高反膜作为激光器谐振腔的后腔镜，所述半导体光放大器芯片前端面镀有增透膜，所述体布拉格光栅作为激光器谐振腔的前腔镜，所述半导体光放大器芯片前端面输出光信号经过相位补偿片后进入体布拉格光栅，一部分衍射光经滤波后反射回半导体光放大器芯片形成激光谐振，另一部分光作为激光输出。

其中，还包括输出准直透镜、光隔离器，所述半导体光放大器芯片、输出准直透镜、相位补偿片、体布拉格光栅、光隔离器依次排列，所述半导体光放大器芯片前端面输出光信号经过输出准直透镜准直以及相位补偿片后，进入体布拉格光栅，一部分衍射光经滤波后反射回半导体光放大器芯片形成激光谐振，另一部分光通过光隔离器作为激光输出。

其中，所述体布拉格光栅的衍射效率不低于50％，带宽不高于0.1nm。

其中，所述体布拉格光栅作为激光器谐振腔的后腔镜，所述半导体光放大器芯片后端面镀有增透膜，所述半导体光放大器芯片前端面镀有部分反射膜作为激光器谐振腔的前腔镜，所述体布拉格光栅的衍射光经相位补偿片后进入所述半导体光放大器芯片，经所述半导体光放大器芯片前端面将一部分光反射回体布拉格光栅，另一部分光从所述半导体光放大器芯片前端面输出。

其中，还包括输出准直透镜、光隔离器及外腔准直器透镜，所述体布拉格光栅、相位补偿片、外腔准直器透镜、半导体光放大器芯片、输出准直透镜、光隔离器依次排列，其中，所述体布拉格光栅、相位补偿片、外腔准直器透镜、半导体光放大器芯片构成外腔部分，所述输出准直透镜、光隔离器构成耦合输出部分，所述体布拉格光栅的衍射光经相位补偿片、外腔准直器透镜后进入所述半导体光放大器芯片，经所述半导体光放大器芯片前端面将一部分光反射回体布拉格光栅，另一部分光从所述半导体光放大器芯片前端面出射后经过输出准直透镜、光隔离器输出激光。

其中，所述体布拉格光栅的衍射效率不低于95％，带宽不高于0.1nm。

其中，所述相位补偿片是正温度系数或者负温度系数的透光材料；

如果激光谐振腔是随环境温度的升高而缩短，则选用正温度系数的相位补偿片，如果激光谐振腔随环境温度的升高而增长，则选用负温度系数的相位补偿片。

本发明具有以下优点和积极效果：

1、本发明采用自由空间光学光路，具有耦合方便、结构简单的优点。

2、本发明采用体布拉格光栅作为腔镜和选频元件，实现了一个光学元件两种功能，减少了激光器腔内损耗。

3、本发明采用腔内相位补偿片，可以有效的对冲环境温度变化对整个激光谐振腔的影响。

附图说明

图1、本发明提出的一种基于体布拉格光栅的窄线宽半导体激光器光路示意图；

图2、本发明提出的又一种基于体布拉格光栅的窄线宽半导体激光器光路示意图；

图3、激光器纵模与体布拉格光栅反射谱的相对关系图；

图4、激光器变温过程对应的波长变化规律图；

图5、激光器变温过程对应的功率变化规律图；

图6、激光器设置温度与激光器线宽的关系图；

图7、激光器的注入电流与线宽的关系图；

其中：

1—半导体光放大器芯片；

1A—后端面；

1B—前端面；

2—输出准直透镜；

3—相位补偿片；

4—体布拉格光栅；

5—光隔离器；

6—外腔准直器透镜；

4A—体布拉格光栅反射谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。

实施例1

图1为本发明提出的一种基于体布拉格光栅的窄线宽半导体激光器光路示意图，如图1所示，系统由半导体光放大器芯片1、输出准直透镜2，体布拉格光栅4，光隔离器5依次排列。其中，半导体光放大器芯片1的前端面1B镀有增透膜，半导体光放大器芯片1的后端面1A镀有高反膜，作为激光器谐振腔的后腔镜，所述体布拉格光栅4作为激光器谐振腔的前腔镜，半导体光放大器芯片1输出光信号经过输出准直透镜2准直，进入体布拉格光栅4，一部分衍射光经滤波后反射回半导体光放大器芯片1形成激光谐振，另一部分光通过光隔离器5作为激光透过外界透镜耦合进入光纤输出。图1中也可以加入一个相位补偿片3，其位置在输出准直透镜2与体布拉格光栅4之间，起到被动相位补偿的作用。

在本实施例中，所述体布拉格光栅4起到选频及输出腔镜的作用。所述输出准直透镜2与光隔离器5起到准直光束耦合输出的作用。所述体布拉格光栅4为高衍射效率、窄带宽的布拉格光栅以使激光器输出窄线宽激光。

优选地，所述体布拉格光栅4的衍射效率不低于50％，带宽不高于0.1nm。

本发明实施例中核心组成部件的作用具体如下：

所述半导体光放大器芯片1作为增益介质为激光器提供足够的增益从而实现激光输出。所述半导体光放大器芯片1后端面1A镀有高反模，可作为激光器谐振腔的后反射面，所述半导体光放大器芯片1前端面1B镀有增透膜，可以尽量减小管芯自身的FP效应。

所述相位补偿片3可以是正温度系数或者负温度系数的透光材料。具体是使用正温度还是负温度系数材料取决于整个激光器谐振腔的光学长度是随环境温度升高而增长还是随环境温度升高而缩短。如果激光谐振腔是随环境温度的升高而缩短，则选用正温度系数的相位补偿片3，反之如果激光谐振腔随环境温度的升高而增长，则选用负温度系数的相位补偿片3。这样当环境温度变化时，相位补偿片3刚好可以补偿谐振腔的腔长变化，从而保证激光器输出频率的稳定。

所述体布拉格光栅4的滤波带足够窄以至于在滤波带内只有一个纵模可以激射，激光器纵模与体布拉格光栅反射谱4A的相对关系如图3所示，可以看到只有距离反射峰最近的纵模才能获得更大的增益，从而形成激光输出，而其他相邻纵模则因为模式竞争而被抑制。通过改变激光器的工作温度可以控制激光激射模式在体布拉格光栅反射谱4A中的相对位置，从而影响激光器的输出特性，图3中实线纵模表示在激光器温度为T1时的位置，虚线纵模表示激光器温度为T2时的位置，可以看到两个温度下能够激射的纵模所处的波长和插损都发生了变化，这就会导致最终激光输出波长和功率的变化。图4为激光器温度升温过程和降温过程对应的波长变化规律，图5为激光器温度升温过程和降温过程对应的输出功率变化规律，从图中可以看到升温和降温曲线是不完全重合的，这是因为激光器的模式竞争导致的跳模迟滞效应导致的。

如何压窄激光器的输出线宽描述如下：

激光器的线宽表达式如下：

式中，Δv_FW表示激光器线宽，P₀表示激光器输出功率，Γ表示激光器限制因子，v_g表示激光频段，g_th表示激光器阈值，η₀表示光子密度，n_sp表示光子数量，h表示普朗克常数，v表示激光频率，α线宽放大因子。从公式中可以看出，激光器的线宽Δv_FW与功率P₀成反比，与阈值g_th、激光器限制因子Γ和光子密度η₀成正比。增加输出腔镜的反射率可以有效降低激光器阈值g_th，另外降低激光器的工作温度也可以降低阈值g_th。压窄选频元件的带宽和增加激光器的光学腔长可以降低激光器的限制因子Γ，从而有利于压窄线宽。增加注入电流可以直接增加激光器的光子密度η₀和功率P₀，从而直接压窄线宽。在本发明中采用了自由空间的外腔结构，在满足器件自身体积要求下尽量增长了激光器的有效腔长。另外在本案中的选频元件体布拉格光栅4设计方面遵循两个原则，一个是适当增加衍射效率，一个是适当压窄体布拉格光栅4的带宽。增加衍射效率相当于增加了输出镜的反射率，有助于降低激光器的阈值，从而压窄线宽，另一方面压窄体布拉格光栅4的带宽可以有效地降低激光器的限制因子，达到了降低线宽的目的。

图6为激光器设置温度与激光器线宽的关系，与图5对比可以看出激光器的输出功率越高线宽越窄，理论上激光器的设置温度越低则阈值越低，而阈值越低激光器的线宽越窄，这与图6显示的结果是一致的。图7所示激光器的注入电流与线宽的关系，从图中可以看到，激光器的电流越高则线宽越窄，这是因为注入电流增加的时候，光子密度也同样增加，输出功率变大，所以线宽变窄。

实施例2

需要说明的是，本实施例2与上述实施例1结构不同，本发明实施例中核心组成部件的作用与在实施例1中所起的作用基本相同，在此不再赘述，体布拉格光栅4在本实施例中不再是输出腔镜而是激光器谐振腔的后腔镜。图2是本发明提出的又一种基于体布拉格光栅的窄线宽半导体激光器光路示意图，如图2所示，该系统包括体布拉格光栅4、外腔准直器透镜6、半导体光放大器芯片1、输出准直透镜2、光隔离器5，依次排列。其中，所述体布拉格光栅4、外腔准直器透镜6、半导体光放大器芯片1构成外腔部分，所述输出准直透镜2、光隔离器5构成耦合输出部分，实施例中将外腔部分和耦合输出部分别放在半导体光放大器芯片1的两侧，所述体布拉格光栅4作为激光器谐振腔的后腔镜，半导体光放大器芯片1的后端面1A镀有增透膜，所述半导体光放大器芯片1前端面1B镀有部分反射膜作为激光器谐振腔的前腔镜，也就是输出腔镜。体布拉格光栅4置于外腔准直器透镜6后作为频率选择原件和腔镜使用。此处的体布拉格光栅4具有较高的衍射效率，较窄的带宽以保证激光器实现单频谐振。本结构的窄线宽激光器输出部分由输出准直透镜2、光隔离器5和尾纤耦合系统组成。同样的，可以在外腔准直器透镜6与体布拉格光栅4之间插入一个相位补偿片3作为补偿温度导致的光学腔长变化。所述体布拉格光栅4的衍射光经相位补偿片3、外腔准直器透镜6后进入所述半导体光放大器芯片1，经所述半导体光放大器芯片1前端面将一部分光反射回体布拉格光栅4，另一部分光从所述半导体光放大器芯片1前端面出射后经过输出准直透镜2、光隔离器5输出激光。

在本实施例中，所述体布拉格光栅4起到选频及腔镜的作用。所述输出准直透镜2、外腔准直器透镜6与光隔离器5起到准直光束耦合输出的作用。所述体布拉格光栅4为高衍射效率、窄带宽的布拉格光栅以使激光器输出窄线宽激光。

优选地，所述体布拉格光栅4的衍射效率不低于95％，带宽不高于0.1nm。

虽然本发明已经详细地示出并描述了相关的特定的实施例参考，但本领域的技术人员应该能够理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。