一种高功率可调谐窄线宽外腔半导体激光器制造技术

一种高功率可调谐窄线宽外腔半导体激光器属于半导体激光器技术领域，目的在于解决单一激光器难以满足在模式特性、光束质量、线宽、相干性、可调谐的综合要求。其由增益芯片、可调谐外腔、带有弯曲波导的倾斜功率放大器通过端面直接耦合构成。增益芯片实现单模宽光谱的激光输出。可调谐外腔采用SOI材料，通过增加腔长和激光谐振腔品质因数Q方式窄化线宽，采用热调制材料折射率实现可调谐。带有弯曲波导的倾斜功率放大器，在保证增益芯片和可调谐外腔稳定性下，实现高功率、高光束质量的激光输出。本发明专利技术实现单模、高功率、高光束质量、窄线宽、高相干、波长可调谐等集于一体的新型半导体激光器，在空间激光通信、激光雷达等领域有重要应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体激光器
，具体涉及一种高功率可调谐窄线宽外腔半导体激光器。
技术介绍
在光通信、光信息存储、3D激光打印、光学测量、固体激光器泵浦源、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。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。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。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术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。本专利技术解决技术问题所采用的技术方案如下：一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。本专利技术的有益效果是：1、线宽更窄：相比较普通外腔半导体激光器结构，本专利技术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)。根据肖洛-汤斯线宽公式:ΔνST＝(hν/P0)(πnspη0)(ΔνC)2其中ΔνC是除去增益介质及损耗之后谐振腔本身的固有激光线宽，hν是光子能量，P0是输出功率，nsp是粒子数反转因子，η0是输出功率耦合效率。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。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。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。4、可调谐外腔不容易出现非线性效应：可调谐外腔采用SOI(silicon-on-insulator)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。本专利技术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。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。6、抗空间辐射能力强：SOI体系材料抗空间辐射能力较强，保证本专利技术在外太空及特殊环境下的工作稳定性。附图说明图1本专利技术一种高功率可调谐窄线宽外腔半导体激光器的立体图图2本专利技术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。图3本专利技术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。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。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细说明。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。所述的增益芯片1，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，本专利技术中增益芯片的脊形波导4采用窄脊型半导体折射率波导。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SOI，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1和三条脊形波导和2个圆环5构成的可调谐外腔2形成新的激光谐振腔。可调谐外腔的脊形波导的结构是与增益芯片的脊形波导4的尺寸相同的单模脊形波导。可调谐外腔的脊形波导和圆环5通过耦合实现光传输。热调制器6通过加热方式改变半导体材料的折射率，根据游标效应实现波长调制。如图3所示，所述的带有弯曲波导的倾斜功率放大器3，作用是在不产生其他光学模式的情况下放大输出功率。带有弯曲波导的倾斜功率放大器3的脊形波导和弯曲波导7，采用与增益芯片1相同材料。带有弯曲波导的倾斜功率放大器3的脊形波导的结构尺寸与可调谐外腔的脊形波导相同。弯曲波导7，结构采用半径在1-4mm的角度为3-10°圆弧形状的脊形波导，避免<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高功率可调谐窄线宽外腔半导体激光器，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种高功率可调谐窄线宽外腔半导体激光器，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的一种高功率可调谐窄线宽外腔半导体激光器，
其特征在于，该激光器还包括集成在所述增益芯片、可调谐外腔和带有弯曲
波导的倾斜功率放大器下面的热沉。
3.根据权利要求1所述的一种高功率可调谐窄线宽外腔半导体激光器，
其特征在于，所述增益芯片为在半导体芯片上制作采用窄脊形半导体折射率
波导的脊形波导。
4.根据权利要求1所述的一种高功率可调谐窄线宽外腔半导体激光器，
其特征在于，所述可调谐外腔为在SOI上制作三条或五条可调谐外腔的脊形
波导...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦莉，高峰，陈泳屹，宁永强，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22