本發(fā)明涉及通信和傳感領(lǐng)域，尤其涉及一種基于體布拉格光柵的窄線寬半導(dǎo)體激光器。

背景技術(shù)：

窄線寬半導(dǎo)體激光器以其窄線寬、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于光纖通信、光纖傳感、光纖遙感及材料技術(shù)等領(lǐng)域。波長(zhǎng)選擇器件用來確定和調(diào)整其波長(zhǎng)，限制增益譜內(nèi)起振的縱模數(shù)，讓滿足特定條件的少數(shù)幾個(gè)頻率的激光起振，起到壓窄線寬的作用；如果只讓一個(gè)縱模振蕩，則構(gòu)成單頻激光器，輸出光具有極高的時(shí)間相干性，實(shí)用價(jià)值很高。

實(shí)現(xiàn)窄線寬半導(dǎo)體激光器單縱模輸出，波長(zhǎng)選擇器件是關(guān)鍵，其中布拉格光柵較為常見。一種是使用布拉格波導(dǎo)光柵作為波長(zhǎng)選擇器件，例如美國專利US008885677B1“Semiconductor external cavity laser with integrated planar waveguide bragg grating and wide-bandwidth frequency modulation”，但是這種方法工藝難度高，耦合插損較大。另一種是使用布拉格光纖光柵作為波長(zhǎng)選擇元件，例如美國專利US8018982B2“Sliced fiber bragg grating used as external cavity for semiconductor laser and solid state laser”，但是這種激光器結(jié)構(gòu)對(duì)布拉格光纖光柵的封裝方法提出了很高的要求，光柵容易受到環(huán)境因素的影響，不利于激光器的穩(wěn)定工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種基于體布拉格光柵的窄線寬半導(dǎo)體激光器，是一種利用體布拉格光柵與半導(dǎo)體光放大器芯片組成的外腔窄線寬半導(dǎo)體激光器，通過體布拉格光柵作為窄線寬半導(dǎo)體激光器的選頻元件，使得激光器輸出穩(wěn)定的窄線寬激光，使用體布拉格光柵作為激光器的外腔選頻元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耦合方便的優(yōu)點(diǎn)，而且光柵材料比較堅(jiān)固均勻，不易受環(huán)境因素干擾。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，采用的技術(shù)方案如下：

一種基于體布拉格光柵的窄線寬半導(dǎo)體激光器，包括半導(dǎo)體光放大器芯片、體布拉格光柵，所述半導(dǎo)體光放大器芯片、體布拉格光柵形成諧振腔，其中，所述體布拉格光柵作為窄線寬半導(dǎo)體激光器的外腔選頻元件，所述半導(dǎo)體光放大器芯片提供增益，且所述體布拉格光柵為高衍射效率、窄帶寬的布拉格光柵以使激光器輸出窄線寬激光。

其中，還包括用于補(bǔ)償溫度變化導(dǎo)致諧振腔長(zhǎng)偏移的相位補(bǔ)償片，所述相位補(bǔ)償片位于半導(dǎo)體光放大器芯片與體布拉格光柵光路之間。

其中，所述半導(dǎo)體光放大器芯片后端面鍍有高反膜作為激光器諧振腔的后腔鏡，所述半導(dǎo)體光放大器芯片前端面鍍有增透膜，所述體布拉格光柵作為激光器諧振腔的前腔鏡，所述半導(dǎo)體光放大器芯片前端面輸出光信號(hào)經(jīng)過相位補(bǔ)償片后進(jìn)入體布拉格光柵，一部分衍射光經(jīng)濾波后反射回半導(dǎo)體光放大器芯片形成激光諧振，另一部分光作為激光輸出。

其中，還包括輸出準(zhǔn)直透鏡、光隔離器，所述半導(dǎo)體光放大器芯片、輸出準(zhǔn)直透鏡、相位補(bǔ)償片、體布拉格光柵、光隔離器依次排列，所述半導(dǎo)體光放大器芯片前端面輸出光信號(hào)經(jīng)過輸出準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直以及相位補(bǔ)償片后，進(jìn)入體布拉格光柵，一部分衍射光經(jīng)濾波后反射回半導(dǎo)體光放大器芯片形成激光諧振，另一部分光通過光隔離器作為激光輸出。

其中，所述體布拉格光柵的衍射效率不低于50％，帶寬不高于0.1nm。

其中，所述體布拉格光柵作為激光器諧振腔的后腔鏡，所述半導(dǎo)體光放大器芯片后端面鍍有增透膜，所述半導(dǎo)體光放大器芯片前端面鍍有部分反射膜作為激光器諧振腔的前腔鏡，所述體布拉格光柵的衍射光經(jīng)相位補(bǔ)償片后進(jìn)入所述半導(dǎo)體光放大器芯片，經(jīng)所述半導(dǎo)體光放大器芯片前端面將一部分光反射回體布拉格光柵，另一部分光從所述半導(dǎo)體光放大器芯片前端面輸出。

其中，還包括輸出準(zhǔn)直透鏡、光隔離器及外腔準(zhǔn)直器透鏡，所述體布拉格光柵、相位補(bǔ)償片、外腔準(zhǔn)直器透鏡、半導(dǎo)體光放大器芯片、輸出準(zhǔn)直透鏡、光隔離器依次排列，其中，所述體布拉格光柵、相位補(bǔ)償片、外腔準(zhǔn)直器透鏡、半導(dǎo)體光放大器芯片構(gòu)成外腔部分，所述輸出準(zhǔn)直透鏡、光隔離器構(gòu)成耦合輸出部分，所述體布拉格光柵的衍射光經(jīng)相位補(bǔ)償片、外腔準(zhǔn)直器透鏡后進(jìn)入所述半導(dǎo)體光放大器芯片，經(jīng)所述半導(dǎo)體光放大器芯片前端面將一部分光反射回體布拉格光柵，另一部分光從所述半導(dǎo)體光放大器芯片前端面出射后經(jīng)過輸出準(zhǔn)直透鏡、光隔離器輸出激光。

其中，所述體布拉格光柵的衍射效率不低于95％，帶寬不高于0.1nm。

其中，所述相位補(bǔ)償片是正溫度系數(shù)或者負(fù)溫度系數(shù)的透光材料；

如果激光諧振腔是隨環(huán)境溫度的升高而縮短，則選用正溫度系數(shù)的相位補(bǔ)償片，如果激光諧振腔隨環(huán)境溫度的升高而增長(zhǎng)，則選用負(fù)溫度系數(shù)的相位補(bǔ)償片。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果：

1、本發(fā)明采用自由空間光學(xué)光路，具有耦合方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

2、本發(fā)明采用體布拉格光柵作為腔鏡和選頻元件，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)光學(xué)元件兩種功能，減少了激光器腔內(nèi)損耗。

3、本發(fā)明采用腔內(nèi)相位補(bǔ)償片，可以有效的對(duì)沖環(huán)境溫度變化對(duì)整個(gè)激光諧振腔的影響。

附圖說明

圖1、本發(fā)明提出的一種基于體布拉格光柵的窄線寬半導(dǎo)體激光器光路示意圖；

圖2、本發(fā)明提出的又一種基于體布拉格光柵的窄線寬半導(dǎo)體激光器光路示意圖；

圖3、激光器縱模與體布拉格光柵反射譜的相對(duì)關(guān)系圖；

圖4、激光器變溫過程對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)變化規(guī)律圖；

圖5、激光器變溫過程對(duì)應(yīng)的功率變化規(guī)律圖；

圖6、激光器設(shè)置溫度與激光器線寬的關(guān)系圖；

圖7、激光器的注入電流與線寬的關(guān)系圖；

其中：

1—半導(dǎo)體光放大器芯片；

1A—后端面；

1B—前端面；

2—輸出準(zhǔn)直透鏡；

3—相位補(bǔ)償片；

4—體布拉格光柵；

5—光隔離器；

6—外腔準(zhǔn)直器透鏡；

4A—體布拉格光柵反射譜。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1

圖1為本發(fā)明提出的一種基于體布拉格光柵的窄線寬半導(dǎo)體激光器光路示意圖，如圖1所示，系統(tǒng)由半導(dǎo)體光放大器芯片1、輸出準(zhǔn)直透鏡2，體布拉格光柵4，光隔離器5依次排列。其中，半導(dǎo)體光放大器芯片1的前端面1B鍍有增透膜，半導(dǎo)體光放大器芯片1的后端面1A鍍有高反膜，作為激光器諧振腔的后腔鏡，所述體布拉格光柵4作為激光器諧振腔的前腔鏡，半導(dǎo)體光放大器芯片1輸出光信號(hào)經(jīng)過輸出準(zhǔn)直透鏡2準(zhǔn)直，進(jìn)入體布拉格光柵4，一部分衍射光經(jīng)濾波后反射回半導(dǎo)體光放大器芯片1形成激光諧振，另一部分光通過光隔離器5作為激光透過外界透鏡耦合進(jìn)入光纖輸出。圖1中也可以加入一個(gè)相位補(bǔ)償片3，其位置在輸出準(zhǔn)直透鏡2與體布拉格光柵4之間，起到被動(dòng)相位補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

在本實(shí)施例中，所述體布拉格光柵4起到選頻及輸出腔鏡的作用。所述輸出準(zhǔn)直透鏡2與光隔離器5起到準(zhǔn)直光束耦合輸出的作用。所述體布拉格光柵4為高衍射效率、窄帶寬的布拉格光柵以使激光器輸出窄線寬激光。

優(yōu)選地，所述體布拉格光柵4的衍射效率不低于50％，帶寬不高于0.1nm。

本發(fā)明實(shí)施例中核心組成部件的作用具體如下：

所述半導(dǎo)體光放大器芯片1作為增益介質(zhì)為激光器提供足夠的增益從而實(shí)現(xiàn)激光輸出。所述半導(dǎo)體光放大器芯片1后端面1A鍍有高反模，可作為激光器諧振腔的后反射面，所述半導(dǎo)體光放大器芯片1前端面1B鍍有增透膜，可以盡量減小管芯自身的FP效應(yīng)。

所述相位補(bǔ)償片3可以是正溫度系數(shù)或者負(fù)溫度系數(shù)的透光材料。具體是使用正溫度還是負(fù)溫度系數(shù)材料取決于整個(gè)激光器諧振腔的光學(xué)長(zhǎng)度是隨環(huán)境溫度升高而增長(zhǎng)還是隨環(huán)境溫度升高而縮短。如果激光諧振腔是隨環(huán)境溫度的升高而縮短，則選用正溫度系數(shù)的相位補(bǔ)償片3，反之如果激光諧振腔隨環(huán)境溫度的升高而增長(zhǎng)，則選用負(fù)溫度系數(shù)的相位補(bǔ)償片3。這樣當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，相位補(bǔ)償片3剛好可以補(bǔ)償諧振腔的腔長(zhǎng)變化，從而保證激光器輸出頻率的穩(wěn)定。

所述體布拉格光柵4的濾波帶足夠窄以至于在濾波帶內(nèi)只有一個(gè)縱模可以激射，激光器縱模與體布拉格光柵反射譜4A的相對(duì)關(guān)系如圖3所示，可以看到只有距離反射峰最近的縱模才能獲得更大的增益，從而形成激光輸出，而其他相鄰縱模則因?yàn)槟Ｊ礁?jìng)爭(zhēng)而被抑制。通過改變激光器的工作溫度可以控制激光激射模式在體布拉格光柵反射譜4A中的相對(duì)位置，從而影響激光器的輸出特性，圖3中實(shí)線縱模表示在激光器溫度為T1時(shí)的位置，虛線縱模表示激光器溫度為T2時(shí)的位置，可以看到兩個(gè)溫度下能夠激射的縱模所處的波長(zhǎng)和插損都發(fā)生了變化，這就會(huì)導(dǎo)致最終激光輸出波長(zhǎng)和功率的變化。圖4為激光器溫度升溫過程和降溫過程對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)變化規(guī)律，圖5為激光器溫度升溫過程和降溫過程對(duì)應(yīng)的輸出功率變化規(guī)律，從圖中可以看到升溫和降溫曲線是不完全重合的，這是因?yàn)榧す馄鞯哪Ｊ礁?jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的跳模遲滯效應(yīng)導(dǎo)致的。

如何壓窄激光器的輸出線寬描述如下：

激光器的線寬表達(dá)式如下：

式中，Δv_FW表示激光器線寬，P₀表示激光器輸出功率，Γ表示激光器限制因子，v_g表示激光頻段，g_th表示激光器閾值，η₀表示光子密度，n_sp表示光子數(shù)量，h表示普朗克常數(shù)，v表示激光頻率，α線寬放大因子。從公式中可以看出，激光器的線寬Δv_FW與功率P₀成反比，與閾值g_th、激光器限制因子Γ和光子密度η₀成正比。增加輸出腔鏡的反射率可以有效降低激光器閾值g_th，另外降低激光器的工作溫度也可以降低閾值g_th。壓窄選頻元件的帶寬和增加激光器的光學(xué)腔長(zhǎng)可以降低激光器的限制因子Γ，從而有利于壓窄線寬。增加注入電流可以直接增加激光器的光子密度η₀和功率P₀，從而直接壓窄線寬。在本發(fā)明中采用了自由空間的外腔結(jié)構(gòu)，在滿足器件自身體積要求下盡量增長(zhǎng)了激光器的有效腔長(zhǎng)。另外在本案中的選頻元件體布拉格光柵4設(shè)計(jì)方面遵循兩個(gè)原則，一個(gè)是適當(dāng)增加衍射效率，一個(gè)是適當(dāng)壓窄體布拉格光柵4的帶寬。增加衍射效率相當(dāng)于增加了輸出鏡的反射率，有助于降低激光器的閾值，從而壓窄線寬，另一方面壓窄體布拉格光柵4的帶寬可以有效地降低激光器的限制因子，達(dá)到了降低線寬的目的。

圖6為激光器設(shè)置溫度與激光器線寬的關(guān)系，與圖5對(duì)比可以看出激光器的輸出功率越高線寬越窄，理論上激光器的設(shè)置溫度越低則閾值越低，而閾值越低激光器的線寬越窄，這與圖6顯示的結(jié)果是一致的。圖7所示激光器的注入電流與線寬的關(guān)系，從圖中可以看到，激光器的電流越高則線寬越窄，這是因?yàn)樽⑷腚娏髟黾拥臅r(shí)候，光子密度也同樣增加，輸出功率變大，所以線寬變窄。

實(shí)施例2

需要說明的是，本實(shí)施例2與上述實(shí)施例1結(jié)構(gòu)不同，本發(fā)明實(shí)施例中核心組成部件的作用與在實(shí)施例1中所起的作用基本相同，在此不再贅述，體布拉格光柵4在本實(shí)施例中不再是輸出腔鏡而是激光器諧振腔的后腔鏡。圖2是本發(fā)明提出的又一種基于體布拉格光柵的窄線寬半導(dǎo)體激光器光路示意圖，如圖2所示，該系統(tǒng)包括體布拉格光柵4、外腔準(zhǔn)直器透鏡6、半導(dǎo)體光放大器芯片1、輸出準(zhǔn)直透鏡2、光隔離器5，依次排列。其中，所述體布拉格光柵4、外腔準(zhǔn)直器透鏡6、半導(dǎo)體光放大器芯片1構(gòu)成外腔部分，所述輸出準(zhǔn)直透鏡2、光隔離器5構(gòu)成耦合輸出部分，實(shí)施例中將外腔部分和耦合輸出部分別放在半導(dǎo)體光放大器芯片1的兩側(cè)，所述體布拉格光柵4作為激光器諧振腔的后腔鏡，半導(dǎo)體光放大器芯片1的后端面1A鍍有增透膜，所述半導(dǎo)體光放大器芯片1前端面1B鍍有部分反射膜作為激光器諧振腔的前腔鏡，也就是輸出腔鏡。體布拉格光柵4置于外腔準(zhǔn)直器透鏡6后作為頻率選擇原件和腔鏡使用。此處的體布拉格光柵4具有較高的衍射效率，較窄的帶寬以保證激光器實(shí)現(xiàn)單頻諧振。本結(jié)構(gòu)的窄線寬激光器輸出部分由輸出準(zhǔn)直透鏡2、光隔離器5和尾纖耦合系統(tǒng)組成。同樣的，可以在外腔準(zhǔn)直器透鏡6與體布拉格光柵4之間插入一個(gè)相位補(bǔ)償片3作為補(bǔ)償溫度導(dǎo)致的光學(xué)腔長(zhǎng)變化。所述體布拉格光柵4的衍射光經(jīng)相位補(bǔ)償片3、外腔準(zhǔn)直器透鏡6后進(jìn)入所述半導(dǎo)體光放大器芯片1，經(jīng)所述半導(dǎo)體光放大器芯片1前端面將一部分光反射回體布拉格光柵4，另一部分光從所述半導(dǎo)體光放大器芯片1前端面出射后經(jīng)過輸出準(zhǔn)直透鏡2、光隔離器5輸出激光。

在本實(shí)施例中，所述體布拉格光柵4起到選頻及腔鏡的作用。所述輸出準(zhǔn)直透鏡2、外腔準(zhǔn)直器透鏡6與光隔離器5起到準(zhǔn)直光束耦合輸出的作用。所述體布拉格光柵4為高衍射效率、窄帶寬的布拉格光柵以使激光器輸出窄線寬激光。

優(yōu)選地，所述體布拉格光柵4的衍射效率不低于95％，帶寬不高于0.1nm。

雖然本發(fā)明已經(jīng)詳細(xì)地示出并描述了相關(guān)的特定的實(shí)施例參考，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該能夠理解，在不背離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可以在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種改變。這些改變都將落入本發(fā)明的權(quán)利要求所要求的保護(hù)范圍。