[發明專利]一種窄線寬半導體外腔激光器及其制作方法

在審

• 申請號: 202011064014.1
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112186502A
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發明（設計）人: 湯學勝;程媛;黃麗艷;胡強高
• 申請（專利權）人: 武漢光迅科技股份有限公司
• 主分類號: H01S5/14
• 分類號: H01S5/14;H01S5/00
• 代理公司: 深圳市愛迪森知識產權代理事務所(普通合伙) 44341
• 代理人: 何婷

本發明提供了一種窄線寬半導體外腔激光器及其制作方法，激光器包括半導體集成芯片和帶有耦合結構的光纖光柵，半導體集成芯片上設有取樣光柵區；取樣光柵區和光纖光柵為激光器中的模式選擇濾波器，取樣光柵區具有周期性梳狀反射光譜，光纖光柵具有單峰反射光譜，模式選擇濾波器合成光譜由取樣光柵區反射光譜中一個反射峰的上升沿與光纖光柵單峰反射光譜的下降沿通過游標效應形成，或者由光纖光柵單峰反射光譜的上升沿與取樣光柵區反射光譜中一個反射峰的下降沿通過游標效應形成。通過采用取樣光柵和光纖光柵組合濾波，更容易實現窄帶寬的模式選擇濾波器，對布拉格光纖光柵帶寬要求更低，制作簡單、成本低，穩定性好。

【技術領域】

本發明涉及光通信和光傳感技術領域，具體涉及一種窄線寬半導體外腔激光器及其制作方法。

【背景技術】

窄線寬激光光源具有超長相干長度和超低噪聲，在超高精度相干激光雷達、船舶光纖水聽器、周界安防及精密光纖傳感、航天器對接、衛星間通信及光纖相干通信領域都具有極其廣泛的應用。目前國內外市場上成熟的窄線寬單頻激光器的激光器產品主要有兩種：窄線寬光纖激光器和窄線寬半導體外腔激光器，兩種方案的窄線寬激光器在性能都有各自的優劣勢。具體如下：窄線寬光纖激光器相對于窄線寬半導體外腔激光器容易獲得更大的出光功率和更低的低頻相位噪聲，但環境適應性和性能穩定性卻不及窄線寬半導體外腔激光器，大部分商用的窄線寬光纖激光器工作溫度僅限于0～50℃。另外，窄線寬光纖激光器的輸出激光包含明顯的弛豫振蕩峰，因此低頻范圍內強度噪聲較為明顯，光傳感和光通訊領域迫切要求降低窄線寬光纖激光器的低頻強度噪聲。窄線寬半導體外腔激光器則以其出色的環境適應性、超低的低頻相對強度噪聲、較低的相位噪聲和較小的外形尺寸等特征，市場應用更為廣泛。

窄線寬半導體外腔激光器縱模間距小，核心技術之一是設計穩定可靠的超窄光學濾波器作為外腔內選頻元件，限制增益譜內諧振的縱模數，從而實現單一縱模振蕩。目前市面上的窄線寬半導體外腔激光器，多采用布拉格光柵作為外腔內光學濾波選頻的反射元件，與半導體增益芯片構成外腔半導體激光器，如美國RIO公司的專利20100303121A1“Achieving low phase noise in external cavity laser implemented using planarlightwave circuit technology”公開了一種使用布拉格硅基平面波導光柵和半導體增益芯片直接對接耦合的低噪聲外腔激光器，但這種激光器耦合難度高、外腔耦合插損大，且布拉格硅基平面波導光柵的制作工藝復雜，成本較高。

另外一種窄線寬半導體外腔激光器采用光纖布拉格光柵作為斜邊負反饋元件，基于這種激光器結構實現超窄線寬激光輸出要求布拉格光纖光柵具有較高的反射率和足夠窄的反射光譜帶寬。布拉格光纖光柵的反射率和反射光譜帶寬均與光柵的長度息息相關，反射率越高，反射光譜帶寬越窄，光柵的長度就越長。例如，如果要設計一種反射光譜3dB帶寬為0.1nm的布拉格光纖光柵，反射率為10％，光纖光柵需達到的長度為7mm；反射率為20％，光纖光柵需達到的長度為10mm。如果要設計一種反射光譜3dB帶寬為0.07nm的布拉格光纖光柵，反射率為20％，光纖光柵的長達需要為15mm。布拉格光纖光柵長度直接決定了激光器外腔腔長和縱模間距，布拉格光纖光柵越長，外腔縱模間距越小，因此要求布拉格光纖光柵的反射光譜帶寬越窄。如美國專利US8018982B2“Sliced fiber bragg grating usedas external cavity for semiconductor laser and solid state laser”所述的窄線寬激光器，需用到反射光譜帶寬較窄和反射率較高的布拉格光纖光柵，其光纖光柵的長度較長，激光器縱模間距小，容易受到環境因素的影響，不利于激光器的穩定輸出。

總體來看，目前市面上的窄線寬半導體外腔激光器在使用時對布拉格光纖光柵的帶寬要求比較嚴格，制作復雜、成本較高，而且容易受到環境因素的影響，穩定性較差。因此需要設計一種低成本、穩定性好的窄線寬半導體外腔激光器，克服上述現有技術所存在的缺陷。

【發明內容】