带有单片棱镜组件的外部腔体半导体激光器制造技术

一种小型外部腔体滤光片锁定的激光器，包括诸如二极管激光器的半导体光学放大器和位于外部共振腔体中的单片棱镜组件。单片棱镜组件包括一透明基板，其中装有倾斜的，即不是取向为激光束在外部腔体中传播路径的法向的薄膜法－珀干涉滤光片。这种光学器件的优点是能够经济地大批量地生产、尺寸小、重复产生的光谱性能特性可维持在严格的容限内。重要的有利的应用包括需要紧密隔开各通道的波长子范围的稠密波分复用系统。能够取得较高的相对温度和湿度变化的波长稳定性。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及含有诸如外部腔体二极管激光器的外部腔体半导体激光器的光学器件，其中，外部光学腔体在边缘发射半导体光学放大器的一面与外部反射器之间延伸。更具体地说，本专利技术涉及具有稳定发射波长的外部腔体半导体光学放大器。背景外部腔体半导体激光器是公知的，具有许多用途和应用，包括光纤通讯。在这种光学器件的典型的外部腔体二极管激光器中，光学腔体在边缘发射半导体二极管激光器的刻面与高反射率的外部反射器之间延伸。位于高反射率反射器与第一刻面之间的边缘发射半导体激光器的第二刻面上通常有抗反射涂层，允许光束以最小反射率从激光器芯片出射。半导体二极管激光器已经被广泛地用作光纤通讯的发射器。在一种常用的低成本实施方案中，将激光器芯片的两个相对端面的边缘劈开，形成共振反射表面，提供激光器操作所需的反馈。这种法布里-珀罗(FP)激光器通常以纵向多模方式发射，具有较大的输出带宽，如3nm至10nm。在另一种常用的复杂性略有增加的实施方案中，在法-珀激光器腔体的工作区中刻蚀一个布拉格光栅，形成分布反馈激光器(DFB)。分布反馈激光器的优点在于纵向单模发射，它提供十分窄的带宽，通常例如小于0.01nm。在第三种应用中，用分布布拉格反射器(DBR)激光器替代法-珀激光器一个被劈面的具有波长可选性的布拉格光栅。具有波长可选性的布拉格光栅的作用是产生纵向单模输出的激光器。由于在产生的特定波长上其稳定性和准确性不适当，这些以及其它二极管激光器的应用受到阻碍。具体说，例如，在将二极管激光器应用于稠密波分复用(DWDM)中一直经受这种困难。在这一先进的光纤通讯技术中，一根纤维或一束纤维同时传输许多密排的波长或通道。DWDM系统中的典型通道间隔在5nm至1nm甚至更小的范围。为了实现有效的DWDM系统，每个通道需要稳定和准确地传输预定波长。此外，需要用稳定而准确的具有波长可选性的接收器来有选择地去除或接收各个通道波长，很少或者没有来自其它通道的串话。因此，对于一个有效地工作的DWDM系统，必须以高准确度将给定通道的发射器和接收器调谐到相同波段。遗憾的是，目前已知的半导体二极管激光器(包括上述的FP激光器、DFB激光器和DBR激光器)所发射的波段随温度和其它因素而变化的程度大，不能接受。例如，在室温的工作温度下，FP激光器的中心波长随温度变化的依赖关系通常达到每摄氏度0.4nm。对于DFB激光器，相应偏差达到每摄氏度0.1nm。目前所知的半导体二极管激光器还有一个缺点是重复制造能力差，即当大批量商业化生产这种激光器时，难以以适当准确度获得预期的或规定的发射波长。这些不足之处使目前的半导体二极管激光器难以低成本地实现诸如DWDM系统的应用需求，在许多情况下，甚至完全不适用。众所周知，利用例如具有从温度传感器反馈的闭合回路的热电致冷器，将激光器的温度控制在极小的温度范围中，能够缓和各激光器与温度的依赖关系。这种控制既复杂又增加成本。在目前已知半导体二极管激光器的商业化制造中控制较大波长偏差(可能达到±5nm甚至±10nm这么大)的这个甚为棘手的问题通过挑选所需波长的激光器的生产批量已经部分得到解决。这种对各激光器波长测试的技术会对制造产额产生明显的不利影响，并相应地增加成本和复杂性。还有人提议采用另一种类型的半导体二极管激光器，是指外部腔体可调谐激光器。例如Day等人在宽调谐的外部腔体二极管激光器(SPIE,Vol.2378,P35-41)一文中建议的外部腔体可调谐激光器。在Day等人建议的二极管激光器件中，在二极管激光器芯片的一个刻面上设置一抗反射涂层。所发射的光被捕获在准直透镜中，利用衍射光栅选择或调谐激光器的波长。只要衍射光栅正在选择二极管的光谱增益区内的波长，通常就会出现激光行为。Mooradian的第5172390号美国专利也建议在外部腔体中设置一衍射光栅的二极管激光器。遗憾的是，设置在二极管激光器外部腔体中的衍射光栅会引起整个器件尺寸和体积显著增大。衍射光栅以及所需光栅准直系统的复杂性还会显著增加器件的成本。至于器件的尺寸和体积，根据已知的器件，在外部共振腔体中设置衍射光栅的二极管激光器的腔体长度通常为25mm至100mm，而以上讨论的FP激光器和DFB激光器的尺寸很小或较小，只有1mm。还发现，衍射光栅和光栅支座显示了与温度依赖关系。由于衍射光栅设定激光器的波长，衍射光栅以及光栅支座的这种与温度的依赖关系引起激光器发射波长的不希望有的不稳定性。此外，相信由于这种器件的衍射光栅和光栅支座方面的机械复杂性已经长期经受波长漂移问题。本专利技术的目的是提供一种具有良好波长稳定性和准确度的半导体激光器件。具体说，本专利技术的目的是提供这样一种具有可接受的制造成本，复杂性以及尺寸或体积特征的器件。从以下的公开内容以及对特定较佳实施例的详细描述中，本专利技术的另外一些目的是显见的。专利技术概要根据本专利技术第一方面，提供一种外部腔体半导体激光器，它包括与外部共振腔体光耦合的光学放大器以及位于外部共振腔体中的单片棱镜组件。根据特定的较佳实施例，光学放大器为诸如二极管激光器中使用的例如由InGaAsP形成的半导体光学放大器。其它合适的增益元件包括例如形成光纤的掺铒石英、锗或其它形成光纤的光学材料等。在这些实施例中，光学放大器为直接禁带光学发射器。单片棱镜组件包括一块透明基板，即一块对激光基本光学透明的基板并装有一法-珀窄带干涉滤光片，滤光片包括多个薄膜反射器，至少有一个薄膜腔体夹在它们之间。薄膜法-珀干涉滤光片设置在外部腔体中激光束的传播路径上。更具体地说，其取向与横平面呈一小角度。即装在透明基板的与横平面成非零度角度的表面(如以下讨论中所述的内表面或外表面)上。正如这里采用的，“横平面”是与外部腔体中激光束光路垂直或正交的虚平面。相应地，透明基板的横表面是位于(或近似位于)横平面中的表面。因此，薄膜法-珀干涉滤光片位于非横平面中，即与激光束穿过它的光路不垂直。而是与横平面成一锐角，通常小于45°并大于0°，1°至5°较好，1°至2°更好。根据本专利技术的一个方面，薄膜法-珀干涉滤光片是一种稳定的窄带干涉滤光片，在单片棱镜组件的透明光学基板的表面上设有涂层。而干涉滤光片较佳地在薄膜反射器层之间夹有至少一个薄膜腔体层，两至五个腔体的多腔滤光片则更好，两至三个腔体则最好。每个腔体的光学厚度(按照其实际物理厚度与腔体材料的折射率乘积计算)等于四分之一波长即QWOT的偶数倍。所述的波长通常是指通过滤光片发射的激光束的波段的中心波长。每个腔体层较佳地是由一至三层介质薄膜形成的，每个这种薄膜的光学厚度等于四分之一波长的偶数倍，对于每个这种介质薄膜的光学厚度总共为1至15个二分之一波长较好，5至10更好。将一个腔体层夹在它们当中的每个反射器层较佳地是由四分之一波长光学厚度的薄膜形成的，正如下面将作进一步描述的。更好地，滤光片是多腔薄膜法-珀窄带干涉滤光片，其中各个反射器腔体的薄膜结构是利用四分之一厚度光学耦合层相互相干耦合的。与单腔滤光片相比，在单片棱镜组件中采用多腔法-珀干涉滤光片可获得增大的光谱边缘的斜率以及更宽的传输区。正如以下将进一步讨论的，这两项作用可使这里所揭示的外部腔体激光器的性能特性比诸如标准具和衍射光栅的现有滤光片器件有较大提高。从以下的讨论中将会进一步明本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种外部腔体激光器，其特征在于它包括与外部共振腔体光学耦合的半导体光学放大器和位于外部共振腔体中的单片棱镜组件，外部共振腔体包括一块透明基板，在与该外部共振腔体横平面的锐角上有一薄膜法－珀窄带干涉滤光片。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：MA斯科比，
申请(专利权)人：美国光学有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]