一种基于异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器，属于激光器的制备技术领域。本发明专利技术基于InP基/GaAs基增益芯片、玻璃基光波导芯片实现窄线宽半导体激光器及其放大，利用玻璃基光波导芯片上的布拉格光栅与增益芯片之间构成激光谐振，通过拉长腔长压缩激光线宽，随后利用无源玻璃基光波导集成的掺铒光波导放大器对线宽压缩后的激光信号进行放大，实现基于两种材料体系芯片异构集成的高功率窄线宽半导体激光器，为实现窄线宽激光器的高功率输出提供一种集成度高且成本低廉的解决方案。解决方案。解决方案。

【技术实现步骤摘要】
一种基于异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器


[0001]本专利技术属于激光器的制备
，涉及一种基于异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器。

技术介绍

[0002]高功率窄线宽半导体激光器在相干光通信、精密测量、光纤传感等领域具有广泛的应用前景。在相干光通信系统中，为了满足高阶调制格式的严格相位噪声容限，半导体激光器作为相干光通信系统中的信号源，不仅需要具备较窄的线宽来满足高阶调制的相位噪声容限，还要求较高的输出功率。传统的结构是采用外接EDFA来放大光功率以满足长距离传输需求，整体结构较为复杂，体积较大。将增益芯片与硅基外腔芯片混合集成是目前用于实现窄线宽半导体激光器较为常用的方法之一。然而，根据目前硅光代工厂提供的参数，硅波导在1550nm波段的传输损耗在2～3dB/cm，导致外腔半导体激光器内损耗较大，难以实现高功率输出。虽然可以采用传输损耗在0.1～0.2dB/cm的Si3N4波导代替硅波导，并将硅基外腔半导体激光器与半导体激光放大器(SOA)耦合来实现对激光输出功率的放大，但是由于硅材料是间接带隙材料，难以在硅波导上直接集成有源放大结构，因此基于硅基外腔的半导体激光器直接集成有源放大结构较为困难。例如，现有技术存在以下研究进展：新飞通光电公司的专利技术专利：硅光子外腔可调谐激光器的波长控制方法(申请公布号CN 113557643A)，通过在输出端耦合SOA芯片来补偿光波在硅波导环形谐振器中多次循环的损耗，该结构涉及到三个芯片的集成，包括增益芯片、硅基外腔芯片以及SOA芯片；美国Morton公司的专利技术专利(专利号US10193306B2)利用增益芯片与光纤布拉格光栅外腔混合集成来实现窄线宽输出。
[0003]因此为了克服上述现有技术的不足，需要研究一种异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器，使其不仅能够解决现有技术中窄线宽半导体激光器输出功率低的问题，还具有较高的集成度且成本较低。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]1.一种基于异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器，所述高功率窄线宽半导体激光器包括增益芯片(GC)和玻璃基光波导芯片(GS)；
[0007]所述玻璃基光波导芯片(GS)包括直接相连的布拉格光栅(BG)和掺铒光波导放大器(EDWA)；
[0008]所述布拉格光栅(BG)另一端与所述增益芯片(GC)相连。
[0009]优选的，所述增益芯片(GC)与玻璃基光波导芯片(GS)之间通过光栅耦合或者借助模斑转换器进行端面耦合。
[0010]优选的，所述增益芯片(GC)为基于
Ⅲ‑Ⅴ
族材料的增益芯片、单波长半导体激光器芯片或多波长半导体激光器阵列芯片中的任意一种；
[0011]所述单波长半导体激光器芯片包括FP半导体激光器芯片、DFB半导体激光器芯片或DBR半导体激光器芯片；
[0012]所述多波长半导体激光器阵列芯片包括多波长DFB半导体激光器阵列芯片或多波长DBR半导体激光器阵列芯片。
[0013]优选的，所述玻璃基光波导芯片(GS)的玻璃基底为易于掺杂Er
3+
的玻璃材料；
[0014]所述易于掺杂Er
3+
的玻璃材料包括磷酸盐玻璃或硅酸盐玻璃。
[0015]优选的，所述玻璃基光波导芯片(GS)中光波导结构通过离子交换法、离子注入法或飞秒激光直写法制备得到。
[0016]优选的，所述玻璃基光波导芯片(GS)中的波导排布方式为单个波导或具有不同有效折射率的多个波导。
[0017]优选的，所述布拉格光栅(BG)位于玻璃基底的上表面或玻璃基底内部的光波导上。
[0018]优选的，所述掺铒光波导放大器(EDWA)中的增益介质通过在玻璃基光波导中掺入Er
3+
得到；
[0019]所述掺铒光波导放大器(EDWA)中还可以掺杂Yb
3+
。
[0020]进一步优选的，所述掺铒光波导放大器(EDWA)中的Er
3+
通过以下任意一种方法进行掺入：(一)在玻璃基质上掺入Er
3+
；(二)首先制备掺入Er
3+
的玻璃，再将其压在通过离子交换法制备的无源波导上，形成复合掺入Er
3+
的波导；(三)利用溶胶
‑
凝胶法在通过离子交换法制备的无源波导上沉积Er
3+
薄膜形成掺入Er
3+
的波导。
[0021]本专利技术的有益效果在于：本专利技术公开了一种基于异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器，可以解决现有窄线宽半导体激光器芯片输出功率低的问题。现有高功率窄线宽半导体激光器通过将硅基外腔半导体激光器与SOA混合集成来实现，硅波导传输损耗较高，不利于实现高功率输出，而且硅材料是间接带隙材料，难以在硅波导上直接集成有源放大结构，因此基于硅基外腔的半导体激光器难以直接集成有源放大结构。在常见的集成光学材料中，玻璃可以实现低损耗的波导，通过离子交换制得的磷酸盐玻璃波导的传输损耗在0.05dB/cm左右，而且玻璃波导与光纤具有良好的兼容性，还能进一步降低耦合损耗；更重要的是，借助于目前EDWA成熟的技术水平，发展片上的掺铒光波导放大器，可以将玻璃基光反馈结构和掺杂玻璃基光放大器集成在一个芯片上，能进一步提升集成度；而且制备玻璃基波导成本较低，适合量产，能进一步扩展高功率窄线宽半导体激光器的应用。因此本专利技术基于InP基/GaAs基增益芯片、玻璃基光波导芯片实现窄线宽半导体激光器及其放大，利用玻璃基光波导芯片上的布拉格光栅与增益芯片之间构成激光谐振，通过拉长腔长压缩激光线宽，随后利用无源玻璃基光波导集成的掺铒光波导放大器对线宽压缩后的激光信号进行放大，实现基于两种材料体系芯片异构集成的高功率窄线宽半导体激光器，为实现窄线宽激光器的高功率输出提供一种集成度高且成本低廉的解决方案。
[0022]本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和
获得。
附图说明
[0023]为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：
[0024]图1为实施例1中基于异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器的平面结构图；
[0025]图2为玻璃基光波导芯片(GS)的侧视图；
[0026]图3为布拉格光栅的透射谱和反射谱；
[0027]图4为掺铒光波导放大器在不同泵浦功率下波导增益与波导长度的关系。
具体实施方式
[0028]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于异构集成的玻璃基高功率窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述高功率窄线宽半导体激光器包括增益芯片和玻璃基光波导芯片；所述玻璃基光波导芯片包括直接相连的布拉格光栅和掺铒光波导放大器；所述布拉格光栅另一端与所述增益芯片相连。2.根据权利要求1所述的高功率窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述增益芯片与玻璃基光波导芯片之间通过光栅耦合或者借助模斑转换器进行端面耦合。3.根据权利要求1所述的高功率窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述增益芯片为基于
Ⅲ‑Ⅴ
族材料的增益芯片、单波长半导体激光器芯片或多波长半导体激光器阵列芯片中的任意一种；所述单波长半导体激光器芯片包括FP半导体激光器芯片、DFB半导体激光器芯片或DBR半导体激光器芯片；所述多波长半导体激光器阵列芯片包括多波长DFB半导体激光器阵列芯片或多波长DBR半导体激光器阵列芯片。4.根据权利要求1所述的高功率窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述玻璃基光波导芯片的玻璃基底为易于掺杂Er
3+
的玻璃材料；所述易于掺杂Er
3+
的玻璃材料包括磷酸盐玻璃或硅酸盐玻璃。5.根据权利要求1所述的高功率窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述玻璃基光波导芯片中光波导结构通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗晶，冯琛，郭洪，任涛，刘芯竹，段利华，张靖，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十四研究所，
类型：发明
国别省市：