光学系统及用于生产光学系统的方法技术方案

本发明专利技术涉及一种光学系统，该光学系统包括布拉格镜，该布拉格镜包括带状部(100)的具有折射指数n1的部分(110)、具有折射指数n3的波状部(112)以及将带状部(100)与波状部(112)分隔开并且具有折射指数n2的分隔层(111)，使得n2＜n3并且n2＜n1。本发明专利技术还涉及生产这种镜的方法，以及涉及包括这种镜作为输出镜的激光器。器。器。

Optical system and method for producing optical system

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光学系统及用于生产光学系统的方法


[0001]本专利技术涉及光电子学领域。本专利技术发现：例如对于LiDAR(“laser detection and ranging(激光检测和测距)”的首字母缩写词)遥感激光器或对于400G以太网类型的中距离数据通信激光器，半导体激光源的生产具有特别有利的应用。

技术介绍

[0002]布拉格镜(Bragg mirror)允许将垂直入射到该镜的光辐射进行反射，同时限制光学损耗。因此，对于给定波长λ的光辐射，它可以具有大于99％的反射率R。
[0003]因此布拉格镜特别有利于制造用于激光应用的光学腔，并且尤其是用于半导体激光源的光学腔。
[0004]已知的半导体激光源体系结构是如图1A、图1B所示的。这种体系结构通常包括：在两个横向布拉格镜11、12之间纵向延伸的带状引导件(ribbon guide)100；以及包括放大介质20的法布里
‑
珀罗型光学腔(Fabry
‑
P
é
rot type optical cavity)。本文中放大介质20是由III
‑
V族材料制成的渐晕部(vignette)，例如，由磷化铟InP制成，被转移到硅带状部100。实际上，布拉格镜是通过带状引导件100的波状部(corrugation)来生产的。因此，它们各自具有确定它们的反射率特性的波状部因子κ和长度L
g
。波状部因子κ可以被表示为：
[0005][0006]其中Ω是在带状部中传播的光模的截面(section)，n
inf
和n
sup
分别是与如图3B所示的带状部的低阶和高阶分别相对应的光模的有效折射指数(refractive index)，n
eff，g
＝(n
inf
‑
n
sup
)dΛ+n
sup
是由波状部形成的光栅的全局有效指数(与低阶和高阶相关的指数的加权平均值)，以及E是受波状部干扰的区域之外的光辐射的电场。
[0007]该激光源的工作原理如下：放大介质被电泵浦以便发射具有围绕波长λ为中心的发射谱的光辐射。根据被称为腔模或纵模的传播谐振模，该光辐射在光学腔内以引导方式传播，同时被布拉格镜反射若干次。在每次反射以后，光辐射被重新注入放大介质中以便激发发射。被称为限制镜(confinement mirror)的一个布拉格镜具有反射率R≥99％并且允许限制腔的光学损耗。被称为输出镜或提取镜的另一布拉格镜具有部分反射性(R≤50％)并且允许传输相干激光束。
[0008]在由光学腔和放大介质限定的波长下，该激光束通常具有发射谱，该发射谱包括围绕波长λ的一组离散的非常细的线。该激光发射谱是如图2所示的。该发射谱的不同线对应于激光束的纵模。线的宽度尤其地取决于光学腔的缺陷(imperfection)以及决于放大介质内生成的量子噪声。
[0009]纵模之间的波长间隔对应于光学腔的自由谱范围ISL
λ
(ISL的法文I
′
intervalle spectral libre，英文也称作FSR)，并且尤其是取决于光学腔的长度L：
[0010][0011]其中n
eff
为光学腔的平均有效指数。因此，通过增大腔长度，ISL
λ
减小，并且激光束的谱带(spectral band)潜在地包含更多的纵模。
[0012]激光束可以通过该激光束的谱纯度来表征，该谱纯度反映了该激光束的发射谱中纵模的数量。激光束的谱纯度随着发射谱中纵模的数量的减少而增大。谱纯度可以被表示为两条最强线的强度的比率。在电信中，如果强度的比率(也称为首字母缩写词SMSR(对于Side Mode Suppression Ratio，边模抑制比率))大于约30dB，则将激光束视为波长λ的单模激光束。
[0013]一种允许提高激光束的谱纯度的解决方案在于减小腔长度。这种类型的解决方案不适用于需要高光学功率的激光源，因为通过减小腔长度，激光束的光学功率会降低。
[0014]允许提高激光束的谱纯度的另一种解决方案在于对输出布拉格镜标注尺寸(dimensioning)以便对激光束进行谱滤波。
[0015]光学腔的布拉格镜各自具有以波长λ为中心的反射率峰值。
[0016]该反射率峰值具有一定的谱宽度δω
DBR
，该谱宽度限定布拉格镜的谱阻带或“阻带”。
[0017]该阻带宽度δω
DBR
(以nm为单位)尤其是取决于布拉格光栅的波状部因子κ(也被称为光栅强度)，以及取决于布拉格光栅的长度L
g
：
[0018][0019]其中v
g
是光辐射的群速度。
[0020]输出镜的足够低的阻带宽度δω
DBR
允许对激光束的发射谱进行滤波并且使该发射谱的宽度减小。因此，激光束的谱纯度随着输出镜的阻带变窄反而更好。
[0021]图3A示出了对于波长λ＝1547nm的光辐射，ISL
λ
＝0.32nm的光学腔的限制镜(L
g
＝500μm、R≈100％、δω
DBR2
≈2nm)和输出镜(L
g
＝100μm、R≈46％、δω
DBR
≈4nm)的阻带和反射率R。竖向线示出光束的不同纵模(由ISL
λ
分隔开)。
[0022]在本示例中，光学腔具有约1mm的长度L，并且限制镜和输出镜具有高度为t＝10nm的波状部。图3B以截面示出了长度为L
g
的布拉格镜，该布拉格镜在周期Λ内具有高度为t、长度为d的这种波状部。
[0023]这种类型的解决方案允许获得单模红外激光源(λ≈1550nm)，该单模红外激光源用于需要包括在介于5mW与20mW之间的光学功率的数据传输(datacoms)应用或电信(telecoms)应用。
[0024]另一方面，对于LiDAR(激光检测和测距)类型的应用或400G以太网类型的中距离数据传输应用，这种类型的解决方案不允许同时获得足够的功率(通常大于100mW)和单模激光束。
[0025]为了获得这些应用所需的光学功率，必须将放大介质的长度增大，因此必须将光学腔的长度L增大。具体地，光学腔的长度可以是前面示例的长度的至少三倍。这种腔长度
的增大成比例地引起自由谱范围ISL
λ
的减小。
[0026]先前示例的输出镜的特征不再允许为这种光学腔获得单模光束。具体地，输出镜的阻带宽度(δω
DBR
≈4nm)与这种光学腔的自由谱范围(ISL
λ
≈0.11nm)相比太大了。
[0027]因此，需要提出一种用于具有减小的阻带宽度的半导体激光器的输出布拉格镜。
[0028]本专利技术的一个目的是提供一种包括这种输出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光学系统，所述光学系统包括：
‑
带状部(100)，所述带状部(100)基于具有第一折射指数n1的第一材料，所述带状部(100)主要沿第一方向(x)延伸并且所述带状部(100)旨在沿所述第一方向(x)对波长λ的光辐射的传播进行引导，
‑
第一布拉格镜(11)，所述第一布拉格镜(11)由所述带状部(100)的第一部分形成，所述第一布拉格镜(11)还包括在所述带状部(100)的第一部分(110)的至少一个面(1100)处的波状部(112)，所述波状部(112)主要沿与所述第一方向(x)垂直的第二方向(y)延伸，并且所述波状部(112)沿第三方向(z)具有高度h3，所述第三方向(z)与所述第一方向(x)和所述第二方向(y)垂直，所述第一布拉格镜(11)的所述波状部(112)通过基于第二材料的分隔层(111)与所述带状部(100)的第一部分(110)的所述至少一个面(1100)分隔开，所述基于第二材料的分隔层(111)具有沿第三方向(z)的厚度e2并且具有第二折射指数n2，所述波状部(112)基于具有第三折射指数n3的第三材料，使得n2＜n3并且n2＜n1，
‑
第二布拉格镜(12)，所述第二布拉格镜(12)包括带状部(100)的第二部分，以及
‑
光学腔，所述光学腔位于所述第一布拉格镜(11)与所述第二布拉格镜(12)之间，所述光学腔包括所述带状部(100)的第三部分，以及
‑
放大介质，所述放大介质基于第四材料，所述放大介质在所述带状部(100)的所述第三部分处。2.根据前一权利要求所述的光学系统，其中，所述波状部(112)被封装在基于所述第二材料的封装层中。3.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述波状部的高度h3大于或等于5nm，以及/或者所述波状部的高度h3小于或等于30nm。4.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述分隔层(111)的厚度e2大于或等于10nm，以及/或者所述分隔层(111)的厚度e2小于或等于50nm。5.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述波状部具有绝热图案(30)，所述绝热图案(30)投影在由所述第一方向(x)和所述第二方向(y)形成的主要延伸平面(xy)中。6.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述高度h3和所述厚度e2被配置成：使得所述镜(11)具有小于或等于0.5nm的谱带宽δω
DBR
。7.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，所述第一折射指数n1大于或等于3，所述第二折射指数n2小于或等于2，以及所述第三折射指数n3大于或等于1.5。8.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述第一材料为硅，所述第二材料为氧化硅，所述第三材料取自氮化硅、氮化铝、氧化铝、氧化钽。9.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述光学腔沿所述第一方向(x)具有长度Lc，所述长度Lc大于或等于500μm，优...

【专利技术属性】
技术研发人员：科拉多，
申请(专利权)人：原子能与替代能源委员会，
类型：发明
国别省市：