一种垂直腔半导体光放大器及光放大系统的制作方法

本发明涉及光放大器技术领域，特别是涉及一种垂直腔半导体光放大器及一种垂直腔半导体光放大系统。

背景技术：

垂直腔半导体光放大器不仅具有传统边发射半导体光放大器体积小、重量轻等优点，而且还具有输出圆对称光斑易于光纤耦合等天然优势，具有很好的应用前景。但是在现有技术中，垂直腔半导体光放大器的饱和输出光功率仍相对较低，所以如何提高垂直腔半导体光放大器的饱和输出光功率是本领域技术人员急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种垂直腔半导体光放大器，具有较高的饱和输出光功率；本发明的另一目的在于提供一种垂直腔半导体光放大系统，具有较高的基模饱和输出光功率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种垂直腔半导体光放大器，包括光放大芯片、傅里叶变换透镜、衍射光学元件和顶腔镜；

所述光放大芯片包括有源区和位于所述有源区一侧表面的底腔镜；所述有源区背向所述底腔镜一侧沿远离所述底腔镜的方向依次设置有所述傅里叶变换透镜、所述衍射光学元件以及所述顶腔镜；

信号光束依次经过所述顶腔镜、所述衍射光学元件、所述傅里叶变换透镜和所述有源区照射至所述底腔镜，并在所述底腔镜与所述顶腔镜之间发生振荡；所述衍射光学元件用于将所述信号光束与呈角度分布的第一信号光束阵列相互转换；所述傅里叶变换透镜用于将所述第一信号光束阵列与呈位置分布的第二信号光束阵列相互转换。

可选的，所述信号光为单横模信号光。

可选的，所述顶腔镜朝向所述衍射光学元件一侧表面设置有反射膜。

可选的，所述顶腔镜朝向所述衍射光学元件一侧表面为凹面，所述衍射光学元件位于所述凹面球心所在横截面。

可选的，所述傅里叶变换透镜为平凸透镜或双凸透镜。

可选的，所述光放大芯片位于所述傅里叶变换透镜的后焦面。

可选的，所述光放大芯片还包括底热沉和第一缓冲区，所述底热沉与所述第一缓冲区固定连接；所述底腔镜位于所述第一缓冲区背向所述底热沉一侧表面；所述有源区位于所述底腔镜背向所述底热沉一侧表面。

可选的，所述光放大芯片还包括顶热沉和第二缓冲区；所述第二缓冲区位于所述有源区背向所述底腔镜一侧表面，所述顶热沉位于所述第二缓冲区背向所述有源区一侧表面。

本发明还提供了一种垂直腔半导体光放大系统，包括信号光源，泵浦光源以及如上述任一项所述的垂直腔半导体光放大器；所述信号光源用于产生所述信号光束，所述泵浦光源用于产生泵浦光并将所述泵浦光照射至所述有源区。

本发明所提供的一种垂直腔半导体光放大器，包括光放大芯片、傅里叶变换透镜、衍射光学元件和顶腔镜；光放大芯片包括有源区和位于有源区一侧表面的底腔镜；有源区背向底腔镜一侧沿远离底腔镜的方向依次设置有傅里叶变换透镜、衍射光学元件以及顶腔镜。

外界的泵浦光会照射至有源区，而外界的信号光在透过衍射光学元件时会转换成呈角度分布的第一信号光束阵列，该第一信号光束阵列在透过傅里叶变换透镜时会转换成呈位置分布的第二信号光束阵列，该第二信号光束阵列会在光放大芯片表面形成二维信号光点阵，极大的增加光放大芯片中信号光以及泵浦光的工作面积，有利于降低光放大芯片中光能量密度和发热密度，有利于信号光更加充分的抽取泵浦光功率；由底腔镜、顶腔镜及其中间结构构成增益谐振腔，信号光在增益谐振腔中会振荡放大，同时信号光在增益谐振腔内反复振荡过程中可以通过自适应效应建立稳定的相位分布，从而信号光在从傅里叶变换透镜传输并透过衍射光学元件时可以实现相干光束合成，从而产生一束高增益的信号光作为垂直腔半导体光放大器输出的最终信号光。该垂直腔半导体光放大器可以使信号光通过信号光点阵的形式更加充分的抽取泵浦光功率，并根据自适应效应通过相干光束合成最终输出一束高增益的信号光，从而可以在保证基模输出的前提下获得很高的信号光增益与饱和输出光功率，提高光放大器的光转换效率。

本发明还提供了一种垂直腔半导体光放大系统，同样具有上述有益效果，在此不再进行赘述。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种垂直腔半导体光放大器的结构框图；

图2为本发明实施例所提供的一种垂直腔半导体光放大器的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的一种具体的垂直腔半导体光放大器的结构示意图；

图4为本发明实施例所提供的一种具体的光放大芯片的结构示意图。

图中：1.顶腔镜、11.反射膜、2.衍射光学元件、3.傅里叶变换透镜、4.光放大芯片、41.有源区、42.底腔镜、43.底热沉、44.顶热沉、45.第一缓冲区、46.第二缓冲区。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种垂直腔半导体光放大器。在现有技术中，传统垂直腔半导体光放大器的增益谐振腔体长度很短，基模光斑尺寸也很小，因此光放大器内光损伤阈值低，发热密度高，这导致传统垂直腔半导体光放大器的基模饱和输出光功率很低。

而本发明所提供的一种垂直腔半导体光放大器，包括光放大芯片、傅里叶变换透镜、衍射光学元件和顶腔镜；光放大芯片包括有源区和位于有源区一侧表面的底腔镜；有源区背向底腔镜一侧沿远离底腔镜的方向依次设置有傅里叶变换透镜、衍射光学元件以及顶腔镜。

外界的泵浦光会照射至有源区，而外界的信号光在透过衍射光学元件时会转换成呈角度分布的第一信号光束阵列，该第一信号光束阵列在透过傅里叶变换透镜时会转换成呈位置分布的第二信号光束阵列，该第二信号光束阵列会在光放大芯片表面形成二维信号光点阵，极大的增加光放大芯片中信号光以及泵浦光的工作面积，有利于降低光放大芯片中光能量密度和发热密度，有利于信号光更加充分的抽取泵浦光功率；由底腔镜、顶腔镜及其中间结构构成增益谐振腔，信号光在增益谐振腔中会振荡放大，同时信号光在增益谐振腔内反复振荡过程中可以通过自适应效应建立稳定的相位分布，从而信号光在从傅里叶变换透镜传输并透过衍射光学元件时可以实现相干光束合成，从而产生一束高增益的信号光作为垂直腔半导体光放大器输出的最终信号光。该垂直腔半导体光放大器可以使信号光通过信号光点阵的形式更加充分的抽取泵浦光功率，并根据自适应效应通过相干光束合成最终输出一束高增益的信号光，从而可以在保证基模输出的前提下获得很高的信号光增益与饱和输出光功率，提高光放大器的光转换效率。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1以及图2，图1为本发明实施例所提供的一种垂直腔半导体光放大器的结构框图；图2为本发明实施例所提供的一种垂直腔半导体光放大器的结构示意图。

参见图1和图2，在本发明实施例中，垂直腔半导体光放大器包括光放大芯片4、傅里叶变换透镜3、衍射光学元件2和顶腔镜1；所述光放大芯片4包括有源区41和位于所述有源区41一侧表面的底腔镜42；所述有源区41背向所述底腔镜42一侧沿远离所述底腔镜42的方向依次设置有所述傅里叶变换透镜3、所述衍射光学元件2以及所述顶腔镜1；信号光束依次经过所述顶腔镜1、所述衍射光学元件2、所述傅里叶变换透镜3和所述有源区41照射至所述底腔镜42，并在所述底腔镜42与所述顶腔镜1之间发生振荡；所述衍射光学元件2用于将所述信号光束与呈角度分布的第一信号光束阵列相互转换；所述傅里叶变换透镜3用于将所述第一信号光束阵列与呈位置分布的第二信号光束阵列相互转换。

上述光放大芯片4为本发明实施例所提供的光放大器中主要用于对信号光进行光增益的器件，其中光放大芯片4包括的有源区41提供对外部信号光的光增益，外部输入的泵浦光以及信号光均会传输至有源区41，信号光在有源区41中可以抽取泵浦光的能量以对信号光实现光增益。上述有源区41的具体结构可以是量子阱等结构，有关有源区41的具体结构以及具体材料可以参考现有技术，在此不再进行赘述。

上述光放大芯片4还包括底腔镜42，该底腔镜42为本发明实施例所提供的光放大器中增益谐振腔的一个端部，上述底腔镜42位于有源区41的一侧表面。具体的，上述底腔镜42通常均为布拉格反射镜，即底腔镜42的结构通常为布拉格反射镜结构。有关布拉格反射镜的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。在本发明实施例中使用布拉格反射镜作为底腔镜42可以使得底腔镜42对光具有很高的反射率，同时便于将底腔镜42集成在光放大芯片4中。当然，在本发明实施例中底腔镜42还可以是其他结构，有关底腔镜42的具体结构在本发明实施例中不做具体限定。

上述有源区41背向底腔镜42一侧沿远离底腔镜42的方向依次设置有傅里叶变换透镜3、衍射光学元件2以及顶腔镜1。其中底腔镜42、顶腔镜1及中间的有源区41、傅里叶变换透镜3和衍射光学元件2构成增益谐振腔，外部输入的信号光束会在该增益谐振腔内振荡放大，该信号光束会依次经过顶腔镜1、衍射光学元件2、傅里叶变换透镜3和有源区41照射至底腔镜42，并在底腔镜42与顶腔镜1之间发生振荡。

具体的，信号光束会从顶腔镜1射入增益谐振腔，该信号光束在射入增益谐振腔之后首先经过衍射光学元件2。衍射光学元件2表面具有的特殊结构，可以将信号光束变换为呈角度分布的第一信号光束阵列，该第一信号光束阵列中包括呈角度分布的多道子光束。上述子光束的数量、空间排布以及角度间隔需要根据具体应用场景进行设计，在此不做具体限定。由于第一信号光束阵列中子光束的具体参数由衍射光学元件2表面的具体结构决定，相应的该衍射光学元件2表面的具体结构在本发明实施例中同样不作具体限定，视具体应用场景而定。该衍射光学元件2表面的具体结构在设计过程中需要尽可能提高衍射光学元件2的衍射效率。

上述呈角度分布的第一信号光束阵列会经过傅里叶变换透镜3，该傅里叶变换透镜3会将呈角度分布的第一信号光束阵列变换为呈位置分布的第二信号光束阵列，该第二信号光束阵列中包括呈位置分布的多道子光束。该第二信号光束阵列会照射至有源区41，从而在光放大芯片4表面形成二维平面分布的聚焦点阵，即二维信号光点阵。具体的，该二维信号光点阵的平面布局由衍射光学元件2的表面结构，即第一信号光束阵列中子光束空间排布决定，而二维信号光点阵的光点间距由第一信号光束阵列中子光束角度间隔以及傅里叶变换透镜3的焦距共同决定。需要说明的是，外界泵浦光在有源区41中照射面积通常需要覆盖上述二维信号光点阵，以便全部信号光可以抽取泵浦光的能量；在设计二维信号光点阵的形貌时通常会使二维信号光点阵大体呈圆形对称布局，以匹配通常情况下泵浦光的圆形光斑轮廓；此外，在设计二维信号光点阵时需要控制光点间距不宜过大，光点间距过大会降低信号光对泵浦光的整体抽取效率。

上述第二信号光束阵列在有源区41进行光增益后，会经底腔镜42沿原光路反射会顶腔镜1，以完成一次振荡放大。信号光在从底腔镜42返回顶腔镜1的过程中，会在经过傅里叶变换透镜3时从呈位置分布的第二信号光束阵列转换为呈角度分布的第一信号光束阵列。上述信号光在增益谐振腔内振荡放大时，通过自适应效应可以建立稳定的相位分布，当信号光建立稳定的相位分布时，当第一信号光束阵列透过衍射光学元件2时会合成一束高增益的信号光束。同时当信号光在增益谐振腔内进行多次振荡放大时，可以使得信号光更加充分的抽取泵浦光的光功率。

需要说明的是，外界的泵浦光具体可以是通过背照式或透射式的泵浦方式照射至有源区41，也可以是通过反射式的泵浦方式照射至有源区41，在本发明实施例中不做具体限定。但是信号光需要透过顶腔镜1照射至有源区41。还需要说明的是，在本发明实施例中入射垂直腔半导体光放大器的信号光通常为单横模信号光。上述单横模信号光在经过衍射光学元件2所得到的第一信号光束阵列中的子光束，以及在经过傅里叶变换透镜3所得到的第二信号光束阵列中的子光束均为单横模的子光束，从而使得在最终合成一束输出光时，使得该输出光同样可以为单横模的输出光，即基模光。由于基模光具有近衍射极限光束质量，光束质量远高于多模光，本申请可以保证在输入的信号光为基模光时，输出光同样为基模光，从而使得本发明实施例所提供的一种垂直腔半导体光放大器具有较高的基模饱和输出光功率。

本发明实施例所提供的一种垂直腔半导体光放大器，包括光放大芯片4、傅里叶变换透镜3、衍射光学元件2和顶腔镜1；光放大芯片4包括有源区41和位于有源区41一侧表面的底腔镜42；有源区41背向底腔镜42一侧沿远离底腔镜42的方向依次设置有傅里叶变换透镜3、衍射光学元件2以及顶腔镜1。

外界的泵浦光会照射至有源区41，而外界的信号光在透过衍射光学元件2时会转换成呈角度分布的第一信号光束阵列，该第一信号光束阵列在透过傅里叶变换透镜3时会转换成呈位置分布的第二信号光束阵列，该第二信号光束阵列会在光放大芯片4表面形成二维信号光点阵，极大的增加光放大芯片4中信号光以及泵浦光的工作面积，有利于降低光放大芯片4中光能量密度和发热密度，有利于信号光更加充分的抽取泵浦光功率；由底腔镜42、顶腔镜1及其中间结构构成增益谐振腔，信号光在增益谐振腔中会振荡放大，同时信号光在增益谐振腔内反复振荡过程中可以通过自适应效应建立稳定的相位分布，从而信号光在从傅里叶变换透镜3传输并透过衍射光学元件2时可以实现相干光束合成，从而产生一束高增益的信号光作为垂直腔半导体光放大器输出的最终信号光。该垂直腔半导体光放大器可以使信号光通过信号光点阵的形式更加充分的抽取泵浦光功率，并根据自适应效应通过相干光束合成最终输出一束高增益的信号光，从而可以在保证基模输出的前提下获得很高的信号光增益与饱和输出光功率，提高光放大器的光转换效率。

有关本发明所提供的一种垂直腔半导体光放大器的具体结构将在下述发明实施例中做详细介绍。

请参考图3以及图4，图3为本发明实施例所提供的一种具体的垂直腔半导体光放大器的结构示意图；图4为本发明实施例所提供的一种具体的光放大芯片4的结构示意图。

区别于上述发明实施例，本发明实施例是在上述发明实施例的基础上，进一步的对垂直腔半导体光放大器的结构进行具体限定。其余内容已在上述发明实施例中进行了详细介绍，在此不再进行赘述。

参见图3，在本发明实施例中，所述顶腔镜1朝向所述衍射光学元件2一侧表面设置有反射膜11。由于信号光会在增益谐振腔内，即底腔镜42，以及顶腔镜1朝向有源区41一侧表面之间发生多次振荡。为了保证信号光可以在增益谐振腔内发生多次振荡，上述顶腔镜1朝向衍射光学元件2一侧表面需要设置有反射膜11，该反射膜11需要对信号光的波段具有高反射性。有关反射膜11的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。

具体的，上述顶腔镜1可以为平面透镜或者为平凹透镜。当顶腔镜1为平凹透镜时，该顶腔镜1的凹面通常需要朝向衍射光学元件2，同时衍射光学元件2通常需要位于顶腔镜1凹面球心所在横截面附近，以保证顶腔镜1可以实现谐振腔内信号光束尺寸保持不变的稳定腔面反馈。

具体的，上述傅里叶变换透镜3可以为平凸透镜或双凸透镜，以实现第一信号光束阵列与第二信号光束阵列之间相互转换。为了在光放大芯片4形成清晰的二维信号光点阵，上述光放大芯片4通常需要位于傅里叶变换透镜3的后焦面附近，具体是光放大芯片4中的有源区41通常需要位于傅里叶变换透镜3的后焦面附近，以在有源区41形成沿二维平面分布的信号光点阵。

参见图4，作为优选的，所述光放大芯片4还可以包括底热沉43和第一缓冲区45，所述底热沉43与所述第一缓冲区45固定连接；所述底腔镜42位于所述第一缓冲区45背向所述底热沉43一侧表面；所述有源区41位于所述底腔镜42背向所述底热沉43一侧表面。

上述底热沉43用于光放大芯片4的散热，该底热沉43可以将光放大芯片4工作时所产生的废热导出光放大芯片4，以保证光放大器工作在合适的温度范围内。有关底热沉43的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。在本发明实施例中，底腔镜42背向有源区41一侧表面设置有第一缓冲区45，该第一缓冲区45与底热沉43固定连接。该第一缓冲区45不仅可以用于保护有源区41和底腔镜42不易受到损坏以及氧化，还可以用于提供与底热沉43的连接界面。

具体的，当外界的泵浦光具体是通过背照式或透射式的泵浦方式照射至有源区41时，上述底热沉43通常需要具有一定的透光性，相应的上述底热沉43的材质通常选用如金刚石、氮化铝等高导热非金属材料，相应的上述底热沉43与第一缓冲区45之间会采用材料键合工艺固定连接。有关材料键合工艺的具体内容可以参考现有技术，在此不再进行赘述。需要说明的是，此时为了减少光放大芯片4内位错，便于底热沉43可以更好的将废热导出光放大芯片4，上述第一缓冲区45的晶格与底热沉43的晶格常数建议相互匹配。

当外界的泵浦光具体是通过反射式的泵浦方式照射至有源区41时，上述底热沉43的材质通常选用如钨铜、无氧铜等高导热金属材料以增加底热沉43的散热性，相应的上述底热沉43与第一缓冲区45之间会采用焊接工艺固定连接。有关焊接工艺的具体内容可以参考现有技术，在此不再进行赘述。

进一步的，上述光放大芯片4还可以包括顶热沉44和第二缓冲区46；所述第二缓冲区46位于所述有源区41背向所述底腔镜42一侧表面，所述顶热沉44位于所述第二缓冲区46背向所述有源区41一侧表面。与底热沉43相类似，上述顶热沉44用于光放大芯片4的散热，该顶热沉44可以将光放大芯片4工作时所产生的废热导出光放大芯片4，以保证光放大器工作在合适的温度范围内。有关顶热沉44的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。

在本发明实施例中，有源区41背向底腔镜42一侧表面设置有第二缓冲区46，该第二缓冲区46与顶热沉44固定连接。该第二缓冲区46不仅可以用于保护有源区41和底腔镜42不易受到损坏以及氧化，还可以用于提供与顶热沉44的连接界面。

具体的，由于在本发明实施例中信号光需要透过顶热沉44照射至有源区41，上述顶热沉44通常需要具有一定的透光性，相应的上述顶热沉44的材质通常选用如金刚石、氮化铝等高导热非金属材料，而顶热沉44与第二缓冲区46之间会采用材料键合工艺固定连接。

本发明实施例所提供的一种垂直腔半导体光放大器，通过在顶腔镜1朝向衍射光学元件2一侧表面设置反射膜11可以保证信号光在增益谐振腔内发生多次振荡；通过设置顶腔镜1以及底腔镜42可以将光放大芯片4工作时所产生的废热导出光放大芯片4，以保证光放大器工作在合适的温度范围内。

本发明还提供了一种垂直腔半导体光放大系统，包括信号光源，泵浦光源以及如上述任一发明实施例所提供的垂直腔半导体光放大器，其中，所述信号光源用于产生上述信号光束，所述泵浦光源用于产生泵浦光，并将产生的泵浦光照射至所述垂直腔半导体光放大器中的有源区41。有关垂直腔半导体光放大系统的其余结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。

由于上述发明实施例所提供的垂直腔半导体光放大器具有较高的饱和输出光功率，从而使得本发明实施例所提供的垂直腔半导体光放大系统同样具有较高的饱和输出光功率，有效增加垂直腔半导体光放大系统的工作效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种垂直腔半导体光放大器及一种垂直腔半导体光放大系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。