可调谐的高稳频窄线宽半导体激光器

摘要

一种可调谐的高稳频窄线宽半导体激光器，包括：激光发生装置，用于产生单频连续激光输出；光耦合装置，设置于激光发生装置一侧，将激光发生装置的输出光耦合进反馈装置；反馈装置，包括具有不同圆环长度且依次串联耦合的sagnac环和至少一环形谐振器，其中，光耦合装置的输出光耦合入sagnac环和至少一环形谐振器后形成闭合环路，经sagnac环和至少一环形谐振器调谐的其中一部分光作为反馈光，在时域上以多周期点反馈的方式沿原路返回注入所述激光发生装置，另一部分光作为输出，实现输出光的线宽压窄和频率稳定。本发明实现了输出激光的线宽压窄和频率稳定，以及宽光谱范围的快速调谐。

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种可调谐的高稳频窄线宽半导体激光器。

背景技术

窄线宽半导体激光器是一种具有极低相位噪声和超长相干长度的优质光源，同时由于体积小，成熟的工艺以及低成本，其在诸多应用领域具有广阔的应用前景。窄线宽半导体激光器在空间光通信系统、相干检测系统以及高灵敏度传感系统中，承担着核心器件的重要地位；在国防安全应用领域，也可用于高精度激光雷达系统、船舶水听系统、激光卫星通信等；在前沿科学研究方面，也可用于高精度光谱测量以及量子-原子频标等方面。

目前，通过多种外腔设计，半导体激光器已经可以将线宽压窄至kHz量级。然而在实际应用方面，光谱线宽越窄的激光器输出光波长的稳定性越难以保持，而且窄线宽的特性使激光器无法实现宽带波长的连续调谐。因此在保证激光器光谱线宽窄的同时实现高稳频与可调谐具有重要的应用价值和学术意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种可调谐的高稳频窄线宽半导体激光器，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明提供了一种可调谐的高稳频窄线宽激光器，其包括激光发生装置、光耦合装置和反馈装置，其中：

激光发生装置，用于产生单频连续激光输出；

光耦合装置，设置于所述激光发生装置一侧，将所述激光发生装置的输出光耦合进反馈装置；

反馈装置，包括具有不同圆环长度且依次串联耦合的sagnac环和至少一环形谐振器，其中，所述光耦合装置的输出光耦合入所述sagnac环和至少一环形谐振器后形成闭合环路，经所述sagnac环和至少一环形谐振器调谐的其中一部分光作为反馈光，在时域上以多周期点反馈的方式沿原路返回注入所述激光发生装置，另一部分光作为输出，实现输出光的线宽压窄和频率稳定。

进一步的，所述激光发生装置包括DFB、DBR、VCSEL或FP等多种类型的激光器芯片。

进一步的，所述光耦合装置采用单枚透镜直接聚焦，多透镜组合聚焦或光纤连接等方式进行耦合。进一步的，所述反馈装置包括多个耦合器，分别用于光耦合装置与sagnac环之间、sagnac环与环形谐振器以及相邻环形谐振器之间的耦合。

进一步的，所述光耦合装置和sagnac环之间、以及sagnac环和环形谐振器之间的耦合器分光比为可以为1∶1、1∶9、0.5∶9.5等多种比例。

进一步的，所述反馈装置既存在时域上的周期性反馈，还存在非周期性反馈。

进一步的，所述反馈装置还包括有源结构，所述有源结构包括半导体光放大器等，耦合至所述环形谐振器。

进一步的，所述反馈装置为形成于基底上的波导结构或光纤连接结构，所述基底包括Si基或InP基等。

进一步的，所述激光发生装置、光耦合装置和反馈装置封装于一管壳内。

进一步的，所述激光器芯片连接至外部稳流源，所述外部稳流源向所述激光器芯片注入电流。

从上述设计方案可以看出，本发明提供的可调谐高稳频窄线宽半导体激光器的优点在于：

1、通过集成多周期点反馈装置，使激光器具有宽光谱范围调谐特性，实现输出光的线宽压窄和频率稳定，具体可将线宽压窄至10kHz；将频率稳定至10kHz/s。

2、使用外部稳流源对激光器芯片的相区结构注入电流，通过相区电流控制实现工作波长的调谐，使激光器模式选择和激光波长调谐与稳定机制在结构上进行分离，实现快速调谐。

附图说明

图1是本发明实施例可调谐的高稳频窄线宽半导体激光器的结构俯视图；

图2是本发明实施例可调谐的高稳频窄线宽半导体激光器的结构主视图；

图3是本发明实施例进行多周期点反馈的原理示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。只是需要注意的是，以下附图均为简化的示意图，附图中的组件数目、形状及尺寸可依实际实施状况而随意变更，且组件布局状态可更为复杂。

请参阅图1和图2所示，作为一示例性实施例，本发明提供了一种可调谐的高稳频窄线宽半导体激光器，包括激光发生装置1、光耦合装置2和反馈装置3，其中：

激光发生装置1，用于产生单频连续激光输出；

光耦合装置2，设置于所述激光器发生装置1一侧，将激光输出光耦合进反馈装置2；

反馈装置2，包括具有不同圆环长度且依次串联耦合的sagnac环和至少一环形谐振器，其中，光耦合装置2的输出光耦合入sagnac环31和至少一环形谐振器32后形成闭合环路，经sagnac环和至少一环形谐振器调谐的其中一部分光作为反馈光，可在时域上以多周期点反馈的方式沿原路返回注入激光发生装置1，另一部分光作为输出实现输出光的线宽压窄和频率稳定。

本实施例中，激光发生装置1、光耦合装置2和反馈装置3是封装于一管壳4内的，可以达到小型化、集成化的效果，具体可以以多种方式进行封装，例如TO封装，蝶形封装或BGA封装等。

本实施例中，激光发生装置1包括DFB、DBR、VCSEL或FP等多种类型的激光器芯片，该激光器芯片作为激光源，可以提供单频连续激光输出。本实施例中，由外部稳流源向激光器芯片相区结构注入电流，通过相区电流控制实现工作波长的调谐。

本实施例中，光耦合装置2，由一组同轴透镜组成，并封装在管壳4内，通过微调激光器芯片与光耦合装置2的角度，反馈光无法100％注入回激光发生装置1，达到隔离效果。在其他实施例中，光耦合装置2还可采用单枚透镜直接聚焦或光纤连接等多种方式进行耦合。

本实施例中，反馈装置3还包括多个耦合器，分别用于光耦合装置2与sagnac环31之间、sagnac环31与环形谐振器32之间以及相邻环形谐振器32之间的耦合，具体地，自光耦合装置1输出的激光首先进入第一个耦合器，光分两路同时进入sagnac环，之后经过第二个耦合器进入环形谐振器，以此类推，最后形成闭合环路。第一个耦合器的第四个端口为输出端。

本实施例以sagnac环和两个环形谐振器为例，如图3所示，圆环长度不同形成不同长度的延时腔，每一时刻的光会以多种周期多时间点的方式反馈注入激光器芯片中，具有宽光谱梳状滤波，实现对波长透明。

在不同的实施例中，反馈装置3中，光耦合装置2和sagnac环31之间、以及sagnac环31和环形谐振器32之间的耦合器分光比为可以为1∶1、1∶9、0.5；9.5等多种比例。环形谐振器32之间的耦合器的分光比可以为1∶1等，并无特别限制。可以理解，不同的耦合器分光比使得反馈注入回激光发生装置1的光功率不同，产生不同的线宽压窄效果。环形谐振器个数可以是例如1、2、3等多种结构。

本实施例中反馈装置3的周期性反馈达到压窄线宽和稳频的效果，而由于各环长度设计不同，在时域上会有非周期多点式反馈的情况。

在其他实施例中，反馈装置3既包括无源结构，还包括有源结构，如半导体光放大器(SOA放大装置)，其耦合至环形谐振器32，可以提供增益，补偿激光在传输过程中的损耗。

本实施例中，反馈装置3可以包括形成于Si基或InP基等多种基底的波导结构，或者也可以包括光纤连接结构。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。