线偏振窄线宽外腔型半导体激光器
阅读说明：本技术 线偏振窄线宽外腔型半导体激光器 (Linear polarization narrow linewidth external cavity type semiconductor laser ) 是由 陈超 罗曦晨 宁永强 张星 秦莉 王立军 于 2021-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种线偏振窄线宽外腔型半导体激光器,包括增益芯片和外腔选频器件,外腔选频器件的基本结构为硅基波导布拉格光栅,基于硅基波导布拉格光栅的双折射效应,使得外腔选频器件反射的TE模式和TM模式分裂,当TE模式和TM模式反射回增益芯片并注入到增益芯片的ASE谱上时,TE模式与TM模式之间形成增益差,并且TM模式和TM模式的增益受到抑制,使线偏振窄线宽外腔型半导体激光器以线偏振模式输出。本发明无需偏振控制器就可以输出线偏振的激光,从而简化外腔半导体激光器的结构并降低外腔半导体激光器中各元器件之间的损耗。(The invention provides a linear polarization narrow linewidth external cavity type semiconductor laser, which comprises a gain chip and an external cavity frequency selection device, wherein the basic structure of the external cavity frequency selection device is a silicon-based waveguide Bragg grating, and the TE mode and the TM mode reflected by the external cavity frequency selection device are split based on the birefringence effect of the silicon-based waveguide Bragg grating. The invention can output the linearly polarized laser without a polarization controller, thereby simplifying the structure of the external cavity semiconductor laser and reducing the loss among all components in the external cavity semiconductor laser.)
技术领域
本发明涉及光电子器件技术领域，特别涉及一种线偏振窄线宽外腔型半导体激光器。
背景技术
窄线宽半导体激光器有着频谱线宽窄、相干性能好、低相频噪声和低相对强度噪声(Relative intensity noise，RIN)的特点，在相干光通讯、光学传感、高分辨率光谱测量、激光雷达等领域有着广泛的应用，一般需要激光器的线宽水平能够达到kHz量级。目前常用的窄线宽半导体激光器通常采用单片集成的分布布拉格反射(Distributed Braggreflector，DBR)激光器和分布布拉格反馈(Distributed Bragg feedback，DFB)激光器，这两种激光器的腔长通常较短，决定了光子寿命较短，限制了线宽性能，这两种激光器的线宽一般处于MHz水平，难以满足高相干光通讯、低误码率信号传输的要求；此外制备DFB/DBR激光器一般需要二次外延，工艺复杂且对生产设备要求很高，大大提高了商业化的成本和难度。
外腔半导体激光器(External cavity laser，ECL)是目前最具潜力的一种窄线宽半导体激光器方案，将增益芯片与外腔选频器件耦合集成在一起，例如外腔选频器件选用法布里-珀罗(Fabry-Pérot，F-P)外腔选频器件、光纤布拉格光栅、波导布拉格光栅、微环谐振器等器件。基于光注入锁定效应，这些外腔选频器件都能够选出特定波长的单纵模注入到增益芯片内，从而在激光腔内形成激射，很容易实现几十kHz量级的线宽输出，如果优化外腔激光器的结构和性能，如提高选频器件的Q值、对激光器进行封装等甚至可以实现百Hz乃至Hz级别的线宽。
目前常用的外腔半导体激光器是基于硅基平面波导作为外腔选频器件，通过混合集成的方法易于实现一种准片上集成激光器，结构简单且紧凑度很高，线宽性能非常优异，但是目前的研究往往忽视了激光器的线偏振特性，而线偏振激光的输出需要在激光器后端添加偏振控制器件或偏振选择器件才能实现，使外腔半导体激光器的结构复杂化并增加外腔半导体激光器的内部损耗，限制了外腔半导体激光器在偏振相关的光学系统中的应用。
发明内容
本发明的目的是为了提出一种线偏振窄线宽外腔型半导体激光器，以克服现有技术中的线偏振窄线宽外腔型半导体激光器需额外添加偏振控制器才能实现线偏振激光输出的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供的线偏振窄线宽外腔型半导体激光器，包括增益芯片和外腔选频器件，外腔选频器件的基本结构为硅基波导布拉格光栅，基于硅基波导布拉格光栅的双折射效应，使得外腔选频器件反射的TE模式和TM模式分裂，当TE模式和TM模式反射回增益芯片并注入到增益芯片的ASE谱上时，TE模式与TM模式之间形成增益差，并且TM模式和TM模式的增益受到抑制，使线偏振窄线宽外腔型半导体激光器以线偏振模式输出。
优选地，外腔选频器件与增益芯片之间构成F-P谐振腔，硅基波导布拉格光栅的反射带隙与F-P谐振腔的谐振谱共同选出纵模，并注入到线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的增益峰谱上，实现线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的单纵模激射。
优选地，线偏振窄线宽外腔型半导体激光器还包括位于外腔选频器件与增益芯片之间的耦合透镜，用于匹配增益芯片和外腔选频器件的模场。
优选地，在外腔选频器件上集成有倒锥形的模斑转换器，用于匹配增益芯片和外腔选频器件的模场。
优选地，将增益芯片作为线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的高反端，将外腔选频器件作为线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的出射端；以及，在增益芯片背离外腔选频器件的一端镀有高反膜，在增益芯片朝向外腔选频器件的一端镀有增透膜；在外腔选频器件的两端分别镀有增透膜。
优选地，在增益芯片上镀制的增透膜与竖直平面形成预设反射角度。
优选地，将增益芯片作为线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的出射端，将外腔选频器件作为线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的高反端；以及，在增益芯片朝向外腔选频器件的一端镀有增透膜，在增益芯片的另一端镀有低反膜。
优选地，外腔选频器件的两端形成与竖直平面呈预设角度的斜面。
优选地，线偏振窄线宽外腔型半导体激光器还包括布置在线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的出射端的输出方向上的透镜组，透镜组包括隔离器和准直透镜，隔离器用于降低外部的反馈，准直透镜用于对线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的出射端输出的激光进行准直。
优选地，线偏振窄线宽外腔型半导体激光器还包括沿线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的出射端的输出方向上依次布置的透镜组和保偏光纤，透镜组包括隔离器和两个准直透镜，隔离器位于两个准直透镜之间，隔离器用于降低外部的反馈，两个准直透镜用于将线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的出射端输出的激光聚焦后耦合入保偏光纤。
与现有的外腔半导体激光器相比，本发明将具有偏振模式选择功能的外腔选频器件与增益芯片相集成，外腔选频器件与增益芯片之间构成F-P谐振腔，外腔选频器件的基本结构为硅基波导布拉格光栅，利用硅基波导布拉格光栅的偏振模式选择功能，使注入到增益芯片中的模式具有显著的线偏振特性，同时由于F-P谐振腔具备偏振模式选择功能，因此本发明无需偏振控制器就可以输出线偏振的激光，从而简化外腔半导体激光器的结构并降低外腔半导体激光器中各元器件之间的损耗。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的原理示意图；
图2是根据本发明实施例提供的线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的Matlab仿真模拟结果示意图；
图3是根据本发明实施例提供的线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的激射光谱图；
图4是根据本发明实施例提供的归一化功率随角度变化的示意图；
图5是根据本发明实施例提供的线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的噪声功率谱密度示意图和频率稳定阿伦方差示意图；
图6是根据本发明实施例提供的线偏振窄线宽外腔型半导体激光器在不同电流下的相对强度噪声谱示意图；
图7是根据本发明实施例1提供的线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的结构示意图；
图8是根据本发明实施例2提供的线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的结构示意图；
图9是根据本发明实施例3提供的线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的结构示意图。
实施例1的附图标记包括：增益芯片101、外腔选频器件102、耦合透镜103、透镜组104、L型支架105、保偏光纤106、金属支架107、衬底108；
实施例2的附图标记包括：增益芯片201、外腔选频器件202、透镜组203、L型支架204、保偏光纤205、金属支架206、衬底207；
实施例3的附图标记包括：增益芯片301、外腔选频器件302、模斑转换器303、透镜组304、L型支架305、保偏光纤306、金属支架307、衬底308。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明提供一种线偏振窄线宽外腔型半导体激光器，包括增益芯片和外腔选频器件两部分：
1、增益芯片
本发明中选用具有高增益、低线宽展宽因子的增益芯片，其可以是量子阱结构也可以是量子点结构。该增益芯片具有宽放大自发辐射(Amplified spontaneous emission，ASE)谱的输出，作为线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的有源区，提供一个低噪声、高增益、低线宽展宽因子的有源部分。在增益芯片的一端镀制有增透膜，以降低不必要的腔面反射带来额外的F-P谐振效应，进一步地，此端也可以镀制与竖直平面形成预设反射角度的增透膜，或者以弯曲波导结构/倾斜波导结构进一步消除F-P谐振效应；在增益芯片的另一端镀制有高反膜，以与外腔选频器件形成等效的F-P谐振腔。
2、外腔选频器件
本发明中外腔选频器件选用具有偏振模式选择功能的窄带外腔选频器件，其基本结构为具有高双折射效应的波导布拉格光栅(Waveguide Bragg grating，WBG)。高双折射效应的波导布拉格光栅是典型的三层平板波导结构，其材料为芯层掺杂的硅基二氧化硅结构，通过芯层掺杂进一步提高应力双折射效应，在其芯层表面刻有光栅，光栅则通过改变芯层的形状带来额外的形状双折射效应。高双折射效应会使窄带外腔选频器件反射的窄带宽的TE(Transverse Electric，横电场)模式和TM(Transverse Electric，横向电场)模式发生分裂，因此TE模式和TM(Transverse Magnetic，横向磁场)模式反射回增益芯片并注入锁定到增益芯片的ASE谱上时，TE模式和TM模式之间会因为模式分裂带来额外的增益差，并在一系列非线性过程之后导致TM模式和TM模式的增益受到更强的抑制，使线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的输出以高线偏振模式输出，即以TE模式输出。
增益芯片与窄带外腔选频器件通过端面耦合或者元件耦合集成在一起，这样波导布拉格光栅可以提供具有线偏振特性的模式反馈注入锁定到增益芯片的内部，与增益芯片之间将构成等效的F-P谐振腔，波导布拉格光栅反射带隙与F-P谐振腔的谐振谱共同选择出高Q值因子的纵模，并且注入锁定到线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的增益峰谱实现单纵模激射，利用绝热啁啾理论带来的负反馈效应实现线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的线宽压窄和窄线宽激光的输出。
本发明提供的线偏振窄线宽外腔型半导体激光器基于高双折射的外腔选频器件与增益芯片相结合，利用TE模式和TM模式的分裂特性，通过窄带偏振模式选择特性和偏振模式增益控制特性，实现线偏振和窄线宽激光的输出，其原理如图1所示：
增益芯片本身的放大自发发射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)的两个模式分别为TE-ASE和TM-ASE，其特点是：(1)TE偏振占优势，即TE-ASE增益大于TM-ASE增益；(2)TM-ASE谱峰向短波一侧远离TE-SAE谱峰。如图1中的(a)所示，对于无双折射的平面外腔选频器件来说，其反射注入到增益芯片内的TE模式和TM模式是重叠的；而对于本发明中的具有偏振模式选择功能的外腔选频器件来说，反射注入到增益芯片内的TE模式和TM模式形成模式分裂，且TM模式的谐振峰向长波一侧远离TE模式的谐振峰。如果是相同的增益芯片，在TE模式的增益占优势的基础上，模式分裂会进一步给TE模式和TM模式带来额外的增益差，在一系列非线性效应之后，TM模式的增益将得到显著抑制，使线偏振窄线宽外腔型半导体激光器在不需要偏振控制器的情况下，就可以实现高线偏振特性激光的输出，从而提高激光输出的偏振消光比。进一步，采用窄带宽偏振模式注入锁定，实现激光线宽的压窄，从而获得窄线宽激光的输出。
本发明基于绝热啁啾理论对波导光栅压窄线宽进行了模拟和计算，对于增益芯片外腔反馈体系来说，可以简化为双反射镜的等效F-P激光腔，背反射镜r1设为1，而出射端的反射率被等效替代为波长相关的复数反射率reff：
其中，φ1是激光腔的常相位；r0是增益芯片的前端反射率，由于增透膜的存在r0可设为0；rext是波导布拉格光栅反射到增益芯片中的光反馈，表示为：
rext＝rg*Ce (2)
Ce是波导布拉格光栅与增益芯片之间的耦合效率；rg是外腔部分与波长相关的复数场反射率，rg定义为：
μ＝(κ2+(iΔω/vg-α1/2)2)1/2 (4)
其中，κ是波导布拉格光栅的耦合系数；vg是光模式的群速度；α1是波导的损耗；ω是角频率；Δω是光场的角频率失谐量；i是虚数；m是与传播常数和耦合系数的相关量；绝热啁啾因子可以定义为：
F＝1+A+B (5)
F是绝热啁啾因子，由reff决定，而相应的洛伦兹线宽Δν会被压窄为：
其中，αH是线宽展宽因子；Δν0是增益芯片本征的洛伦兹线宽，设为4；τGC是光模式在增益芯片内部的单次环路时间，τGC＝2neffLa/c；neff是增益芯片内的模式有效折射率，对于InP基的增益芯片来说设为3.2；La和c分别代表增益芯片的长度和光速，计算得到的对应的环路时间为21.3ps。
参数A表示减少纵模限制对抑制线宽的影响，通常表示为外部有效长度与有源区长度的比值。参数B代表其实部变化的影响，随光场频率的变化而变化，其负反馈效应往往表现为：激光波长向短(或长)侧失谐，使reff振幅增大(或减小)；偏振模式外腔选频器件反射的光场增加(或减少)，因此腔中的光子密度增加(或减少)，而载流子密度则由于自发辐射增强而减少(或增加)，从而导致波长由于载流子的等离子体效应而向长(或短)波长侧偏移。在远离F-P谐振腔的最小损耗的位置也就是透射率相对较高的位置，参数B通常有一个较大的值。
图2示出了Matlab仿真的计算结果，波长的失谐范围为1.6nm(200Ghz)。对与窄带外腔选频器件来说，1.6nm比带宽大很多倍，因此如图2中的(a)所示，在这个范围内有着很多旁瓣峰。阻带中的F很低，因为反射率最高，这意味着产生最强的光学限制(A值较小)和最小的光学损耗/透射(B值较小)。在能隙周围，F显著增强。只考虑布拉格共振中心附近的波长，因为在其他位置很难发生激射。图2中的(b)示出了在0.08nm波长失谐范围对应长波长侧的模拟结果。最大F值出现在偏离波长中心的长波侧，最大线宽减小约为2000，预测输出为9dBm(8mW)时约为2kHz。因此，本发明的波导布拉格光栅是为高反射率而设计的，并且激光波长发生在峰值的较长一侧，远离波导布拉格光栅的带隙，如光谱所示，即F大幅度增强的区域，因此可以显著地抑制线宽。
下面将结合试验结果来说明本发明的优势：
如图3所示，边模抑制比达到了50.2dB，以良好的单纵模状态进行工作。
如图4所示，通过偏振消光比测试平台测试得到归一化功率随角度的变化，可以计算得到偏振消光比大于39.6dB。这说明线偏振窄线宽外腔型半导体激光器以TE模式工作，TM模式受到高度的抑制，处于良好的线偏振状态。
如图5所示，先看图5中的(a)，(a)中的灰点是根据β隔离线法计算得到的积分线宽，最小积分线宽达到了4.15kHz，线宽得到了极大的压窄，实现了良好的窄线宽输出；再看图5中的(b)，(b)中的灰点是计算得到的频率稳定阿伦方差，最小的阿伦方差达到了4.41×10-11，这是由于窄带外腔选频器件带来了负反馈效应，使线偏振窄线宽外腔型半导体激光器在高度频率稳定状态下工作。
如图6所示，测量得到的400mA电流下的RIN功率密度谱，最低的RIN在400mA时达到-155dBc/Hz以下，有着很低的相对强度噪声。
实施例1
本发明实施例1提供的线偏振窄线宽外腔型半导体激光器，包括增益芯片101、外腔选频器件102、耦合透镜103、透镜组104、L型支架105、保偏光纤106、金属支架107和衬底108，衬底108为金属衬底，增益芯片101、外腔选频器件102、耦合透镜103、透镜组104、L型支架105、保偏光纤106、金属支架107分别设置在衬底108上。
增益芯片101与外腔选频器件102之间构成F-P谐振腔，耦合透镜103位于增益芯片101与外腔选频器件102之间，用于匹配增益芯片和外腔选频器件的模场，提高增益芯片101与外腔选频器件102之间的耦合效率，从而提高线偏振窄线宽外腔型半导体激光器最终的输出功率。增益芯片101与外腔选频器件102的耦合方式为透镜耦合。
增益芯片101作为线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的宽ASE谱的有源介质，将增益芯片101作为线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的高反端，将外腔选频器件102作为线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的出射端。
在增益芯片101的高反端(即背离耦合透镜103的一端)上镀制有高反膜，以与外腔选频器件102形成等效的F-P谐振腔；在增益芯片101的耦合端(即朝向耦合透镜103的一端)镀制有增透膜，以降低不必要的腔面反射带来额外的F-P效应，该增透膜也可以是带有一定的反射角度，或者以带有一定角度的弯曲波导或倾斜波导进一步抑制增益芯片本身的F-P腔效应。
在外腔选频器件102的两个端面分别镀制增透膜，外腔选频器件102具有高双折射效应，能够提供窄带宽的偏振模式，反射并注入到增益芯片101的ASE谱上形成稳定的激射。对外腔选频器件102的两端进行研磨抛光，呈现出与竖直平面呈预设角度的斜面，例如斜面与竖直平面呈8°，以降低外腔选频器件102两个端面不必要的反射。
透镜组104和保偏光纤106沿线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的出射端的输出方向依次布置。透镜组104通过两个L型支架105固定在衬底108上，透镜组104用于将线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的出射端出射的激光耦合入保偏光纤106中，通过保偏光纤106进行输出。
保偏光纤106为部分金属化的保偏光纤，通过金属支架107固定在衬底108上，金属支架107为半圆形金属支架，通过激光熔接将保偏光纤106的金属化部分固定在衬底108上。在保偏光纤106耦合时，需要调整至偏振消光比最大的位置后再通过金属支架107进行固定。
透镜组104包括隔离器和两个准直透镜，隔离器位于两个准直透镜之间，隔离器用于降低外部的反馈，提高线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的稳定性，同时降低线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的噪声；两个准直透镜用于将线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的出射端输出的激光准直并聚焦后耦合入保偏光纤106，提高外腔选频器件102与保偏光纤106的耦合效率，最终提高在纤输出功率。
需要注意的是，如果线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的适用场合不需要经过保偏光纤106输出激光，透镜组104也可以只用一个准直透镜实现激光的输出。
衬底108优选为铜衬底，其后端通过热电控制器和热敏电阻来控制线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的温度，同时在增益芯片101、外腔选频器件102、耦合透镜103、透镜组104、保偏光纤106找到最佳耦合位置之后，分别固定在铜衬底上，提高整个线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的稳定性。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于：增益芯片201与外腔选频器件202的耦合方式由透镜耦合变为端面耦合。更为具体地，将增益芯片201和外腔选频器件202的位置与实施例1中增益芯片101和外腔选频器件102的位置对调，将增益芯片201作为线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的出射端，将外腔选频器件202作为线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的高反端，增益芯片201与外腔选频器件202之间直接通过端面耦合集成在一起。
在增益芯片201与外腔选频器件202耦合的端面镀制增透膜，在增益芯片201的另一端镀制低反膜，将此端作为线偏振窄线宽外腔型半导体激光器的出射端面。
实施例2中的透镜组203、L型支架204、保偏光纤205、金属支架206、衬底207的结构与位置均与实施例1中的透镜组104、L型支架105、保偏光纤106、金属支架107、衬底108相同。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于：将实施例1中的耦合透镜103替换为模斑转换器303，模斑转换器303集成在外腔选频器件302的前端，模斑转换器303的结构为一个倒锥形，与波导在同一层，厚度也与波导相同。模斑转换器303的功能与实施例1中的耦合透镜103的功能相同，用于匹配增益芯片301与外腔选频器件302之间的模场，提高增益芯片301与外腔选频器件302之间的耦合效率。
实施例3中的透镜组304、L型支架305、保偏光纤306、金属支架307、衬底308的结构与位置均与实施例1中的透镜组104、L型支架105、保偏光纤106、金属支架107、衬底108相同。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“一个示例”、“另一个示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。