用于集成光子器件的电压可控的激光输出耦合器的制作方法

本发明涉及一种用于集成光子器件的电压可控的激光输出耦合器。

背景技术：

集成光子器件(或集成光子电路)是在透明介电材料内制造的小型化光学系统，该光学系统用于以更小的尺寸和功率来生成、传输和/或处理光信号。集成光子器件具有大量的潜在商业应用，包括光探测和测距(lidar)、芯片实验室(lab-on-chip，loc)医疗诊断、环境感测、自由空间光(fso)通信、定向红外对抗(dircm)等等。

特别地，近来，波导激光器(或玻璃芯片激光器)在广泛的集成光子器件中引起了极大的关注，因其紧凑的尺寸、固有的鲁棒性和高峰值功率处理能力，使得它们非常适用于纳秒时间尺度(timescale)的脉冲调q(q-switch)或腔倒空(cavity-dump)操作。

在集成波导激光器在广泛商业化中充分发挥其潜力之前，必须要解决的关键挑战是开发紧凑、快速且主动可控的输出耦合器(或调制器)，该输出耦合器使得集成波导激光器能够进行主动调q和/或腔倒空，从而生成纳秒时间尺度的光脉冲。现有的声光或电光调制器(例如，普克尔斯盒)体积庞大，通常需要主动冷却并且需要射频电压(rf)电源或高压(hv)电源，因此不适合应用于集成波导激光器。

因此，需要另一种更适用于集成波导激光器的主动可控的输出耦合器。

技术实现要素：

根据本发明，提供了一种用于激光器的电压可控的输出耦合器，包括：

液晶盒(liquidcrystalcell)，该液晶盒响应于施加的电压提供双折射改变；以及

偏振器，该偏振器被相对于该液晶盒进行定向，以与该液晶盒共同形成用于该激光器的可变反射率镜；

其中，该激光器的输出耦合能够通过按照切换间隔向该液晶盒施加电压以将该可变反射率镜从高反射率切换到低反射率或将该可变反射率镜从低反射率切换到高反射率的方式进行控制，从而对该激光器进行主动调q或腔倒空。

该施加的电压可以小于约100v，例如，该施加的电压在约5v与约80v之间，例如，该施加的电压约为50v。

该切换间隔可以小于约5微秒，致使光脉冲宽度小于约100纳秒，例如，该光脉冲宽度小于约50纳秒。

该电压可以以切换间隔的脉冲的形式来被施加，该切换间隔的脉冲具有从约0.1khz至大于约50khz的重复频率。

该液晶盒可以包括变形螺旋铁电(dhf)液晶，该dhf液晶位于前玻璃基板与后玻璃基板之间，该后玻璃基板被涂覆以用作电极，其中，该后玻璃基板还用作镜面。该镜面可以包括金属层、布拉格反射器、棱镜、以及它们的组合。

该偏振器可以包括玻璃偏振器、薄膜偏振器、偏振分束器、偏振模式选择性波导、线栅偏振器、以及它们的组合。

该激光器可以包括凹陷型包层波导激光器，例如，光泵浦的稀土掺杂zblan(zrf4，baf2，laf3，alf3，naf)凹陷型包层芯片激光器。

该液晶盒、该偏振器和该波导激光器可以一起被集成在基板上，以形成集成光子器件。

可替换地，该激光器可以包括光纤激光器，例如，光泵浦的稀土掺杂光纤激光器。

本发明还提供了一种集成光子器件，包括波导激光器和上述的电压可控的输出耦合器。

该集成光子器件可以包括lidar器件、loc医疗诊断器件、传感器、fso通信器件、dircm器件、以及它们的组合。

本发明还提供了一种方法，包括：

提供液晶盒，该液晶盒响应于施加的电压提供双折射改变；

相对于该液晶盒对偏振器进行定向，以使该偏振器与该液晶盒共同形成用于激光器的可变反射率镜；

通过按照切换间隔向该液晶盒施加电压以将该可变反射率镜从高反射率切换到低反射率或将该可变反射率镜从低反射率切换到高反射率的方式控制该激光器的输出耦合，从而对该激光器进行主动调q或腔倒空。

该方法还可以包括：通过改变该可变反射率镜的该切换间隔、改变该液晶盒的组成、改变该液晶盒的厚度、改变该偏振器和该液晶盒的方向、改变施加到该液晶盒的电压、以及上述方式的组合对该激光器的输出耦合比进行优化。

该方法还可以包括：通过改变该可变反射率镜的该切换间隔、改变该液晶盒的组成、改变该液晶盒的厚度、改变该偏振器和该液晶盒的方向、改变施加到该液晶盒的电压、以及上述方式的组合对光脉冲宽度进行优化。

附图说明

将参考附图仅以举例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1和2是根据本发明实施例的用于波导激光器的电压可控的输出耦合器的示意图；

图3是根据本发明另一实施例的用于光纤激光器的电压可控的输出耦合器的示意图；

图4至图7是使用本发明实施例的电压可控的输出耦合器进行实验获得的激光调q性能的曲线图；以及

图8是使用散装(bulk)光学组件的电压可控的输出耦合器的原理论证示例的示意图。

具体实施方式

参照附图，根据本发明的实施例的用于激光腔12的电压可控的输出耦合器18通常可以包括液晶盒16和偏振器14。该液晶盒16可以响应于从可控电压源(未示出)施加的电压而改变该液晶盒16的双折射，以引起入射光场的可变偏振变化。该偏振器14可以被相对于该液晶盒16进行光学定向，以与该液晶盒16共同形成用于激光腔12的可变反射率镜。

在使用中，激光腔12的输出耦合可以通过按照切换间隔向液晶盒16施加电压以将可变反射率镜从高反射率切换到低反射率或者将可变反射率镜从低反射率切换到高反射率的方式来被主动控制，从而对激光腔12进行主动调q和/或腔倒空。

对于给定的激光腔12，输出耦合比(或输出耦合系数或因子)可以通过改变液晶盒16的组成、改变液晶盒16的厚度、改变偏振器14和液晶盒16的方向、改变施加到液晶盒16的电压、以及以上方式的组合来被优化，并因此切换性能可以被优化。例如，该输出耦合比可以通过改变液晶盒16的厚度以提供π或π的倍数的传播相变的方式来被优化。

对于给定的激光腔12，可变反射率镜的切换间隔(或者液晶盒16的响应时间)也可以通过改变液晶盒16的组成、改变液晶盒16的厚度、改变偏振器14和液晶盒16的方向、改变施加到液晶盒16的电压、以及以上方式的组合来被优化，并因此切换性能可以被优化。图4是在增加施加到液晶盒16的电压的基础上进行实验获得的激光调q性能的曲线图，该性能是关于调制深度和切换速度方面。从图4可以看出，施加的电压越高通常会导致输出耦合效率越高。因此，施加的电压可以根据所需的输出耦合效率或耦合因子被选择性地改变。

施加到液晶盒16的电压可以例如小于约100v，示例地，施加的电压在约5v与约80v之间，该电压例如约为50v。切换间隔以及伴随的液晶盒16的双折射调制的持续时间可以例如小于约5μs，致使光脉冲宽度小于约100纳秒，例如，光脉冲宽度小于约50纳秒。可以以切换间隔的脉冲的形式向液晶盒16施加电压，该切换间隔的脉冲具有例如约从0.1khz至大于约50khz的可调谐的重复频率。

偏振器14可以包括玻璃偏振器、薄膜偏振器、偏振分束器、偏振模式选择性波导、线栅偏振器、以及它们的组合。例如，图1和2分别示出了偏振器14可以包括薄膜偏振器或玻璃偏振器、以及偏振器14可以包括偏振分束器的实施例。图2中的偏振分束器14可以通过grin透镜20被光学耦合到波导激光腔12。

液晶盒16可以包括dhf液晶，该dhf液晶位于前玻璃基板与后玻璃基板之间，该后玻璃基板被涂覆以用作电极(例如，氧化铟锡(ito))，其中，该后玻璃基板还用作镜面。该后玻璃基板可以涂覆有银/金层，以为信号光提供反射。该前玻璃基板和该后玻璃基板可以用ito涂覆，其中，ito是(光学透明的)电极材料。ito不是金属，而是陶瓷或合金。金/银可以被另外沉积在两个ito电极中的一个电极上，或者能够代替两个ito电极中的一个电极，但其中一个电极必须是透明的。商业方面，适用的dhf液晶盒16可从zedelef私人有限公司(zedelefptyltd)获得，并且其被记载于us2014/0354263，以及，qguo,zbrozeli,eppozhidaev,ffan,vgchigrinov,hskwok,lsilvestri,fladouceur,opticsletters卷37,第12期(2012)中，这两篇文献的全部内容通过引用合并与此。应当注意的是，由于液晶盒的响应时间较慢(通常大于向列相液晶的亚毫秒)，所以液晶盒先前尚未在主动可控的激光输出耦合器中被使用以进行调q和/或腔倒空。此外，上述文献提出在传感应用中使用dhf液晶作为无源传感器。现在申请人已惊奇地发现，dhf液晶可以另外用作主动可控的电光调制器，以用于激光器的调q和/或腔倒空。

激光腔12可以包括凹陷型包层波导激光器，例如，稀土掺杂zblan凹陷型包层芯片激光器。适用的zblan凹陷型包层芯片激光器12记载于us8837534，以及，gpalmer，s.gross，afuerbach，d.lancaster，mwithford，opt.express卷21,17413-17420(2013)中，这两篇文献的全部内容通过引用合并与此。

参考图1和图2，液晶盒16、偏振器14和波导激光腔12可以一起被集成在基板上，以形成集成光子器件，该基板例如为玻璃芯片或晶体芯片。集成波导激光腔12可以包括能够对激光腔12进行光泵浦的入耦合(in-coupling)二向色镜10。示例地，集成光子器件可以包括lidar器件、loc医疗诊断器件、传感器、fso通信器件、dircm器件、以及它们的组合。

尽管主要是用于集成波导激光腔，但本发明的实施例可以另外应用于光纤激光腔，如，使用稀土掺杂光纤的光纤激光腔。图3示出了本发明的使用光纤腔12和作为入耦合镜的布拉格光栅10的示例实施方式。

现在，将参考以下示例对本发明进行更详细的描述，该描述仅仅是通过举例说明。在整个说明书中，该示例旨在用于对本发明进行示例性说明，并且不应该被理解为对说明书的公开内容的通用性进行限制。

示例

使用图8中所示的散装光学元件进行原理论证实验。电压可控的输出耦合器18包括偏振分束器14、两个波片15.1、15.2和dhf液晶盒16(zedelef)，其中，该两个波片15.1、15.2与偏振分束器14相结合，dhf液晶盒16位于该两个波片15.1、15.2的后方。激光器12包括二极管泵浦的掺镱zblan凹陷型包层芯片激光器12。

首先，使用厚度为3.2μm的dhf液晶盒16，并且该dhf液晶盒16通过10v的低电压驱动。在该原理论证设置中，在5khz的重复频率下，激光器12展现出1.4％的斜率效率。如图5所示，当施加的电压增加到30v时，使用厚度为3.2μm的液晶盒16获得的斜率效率为2.1％。

之后，选择厚度为9.0μm的液晶盒16并使用28v的电压。这使得在5khz的重复频率下，斜率效率达到4.2％。如图6所示，在将电压增加到84v后，在相同的重复频率下，斜率效率达到7.9％。图7示出了在使用厚度为9.0μm的液晶盒16时，激光器达到的平均输出功率随重复频率的变化。输出功率(相当于每个脉冲的恒定能量)随重复频率线性增加，直至在10khz以上开始饱和。因此，实验表明，斜率效率在较高频率下增加，在20khz时斜率效率高达22％，其中，吸收泵浦功率的与频率无关的激光阈值为80mw。

在该示例中，当光学元件针对给定的激光系统被优化并集成在一起时，可以预期到利用该散装光学元件获得的斜率效率和调q性能被显著改善。

本发明的实施例提供主动的电压可控的输出耦合器，其可有效应用于对波导激光器或光纤激光器进行主动调q或腔倒空。本发明的实施例提供可调谐调制器技术作为小型化波导芯片激光器架构中的集成q开关。这提供了新的一类紧凑且鲁棒的短脉冲且全集成的激光传感器。该传感器可用作波导激光器中的快速、小型化且可电控的输出耦合器，因此可以应用于上述激光器中以实现调q和/或腔倒空。此外，在波导激光器中对输出耦合程度进行主动控制这一能力使得在各泵浦功率下的输出功率最大化成为可能。脉冲调制的小型化的芯片激光器可以有很多应用，尤其是，本发明并不局限于某种激光增益材料，因此，本发明在从可见光到中红外范围内的所有波长下均可被实施。与现有的声光调制器和电光调制器相比，本发明实施例的主动可控的输出耦合器具有若干显著的优点，例如，低驱动功率、低驱动电压、高切换速度和极紧凑的尺寸。集成的芯片-激光器架构的固有优势意味着该技术将导致系统的尺寸、重量和功率(swap)减小，并且与其他方式相比更高效、更坚固且更鲁棒。

对于本说明书而言，词语“包括”意味着“包括但不限于”，并且词语“包含”具有相应的含义。

以上实施例仅以举例方式进行描述，在所附权利要求的范围内进行修改是可能的。