混合集成窄線寬半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)220 mW功率輸出

高功率、窄線寬的混合集成外腔半導(dǎo)體激光器在空間相干激光通信、激光雷達(dá)、光學(xué)傳感等領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用。隨著相干激光通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，1.55 μm波段高功率窄線寬半導(dǎo)體激光器性能得到了非常明顯的提升。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了削弱波導(dǎo)模式的限制，改善芯片耦合效率，進(jìn)一步提升激光器的輸出功率和壓窄線寬，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、大連理工大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員聯(lián)合提出一種混合集成高功率窄線寬激光器方案并研制成功，實(shí)現(xiàn)了激光線寬小于8 kHz，調(diào)諧范圍為55 nm，保偏輸出功率為220 mW。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《中國(guó)激光》期刊。

該混合集成激光器由GaAs半導(dǎo)體光放大器（SOA）、InP增益芯片、Si3N4雙微環(huán)窄帶濾波芯片、準(zhǔn)直透鏡和保偏光纖準(zhǔn)直器構(gòu)成。增益芯片與Si3N4芯片采用端面耦合方式進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)以構(gòu)成外腔激光器，Si3N4芯片上設(shè)計(jì)模斑轉(zhuǎn)換器、雙微環(huán)濾波器、相位調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)四個(gè)部分，其中模斑轉(zhuǎn)換器用于匹配增益芯片的模場(chǎng)、增大耦合效率，高Q值雙微環(huán)濾波器用于實(shí)現(xiàn)激光器的選頻和線寬壓窄。

增益芯片的背向窄線寬激光被耦合到SOA芯片中進(jìn)行光功率放大，考慮到增益芯片與SOA模場(chǎng)尺寸的差別及熱串?dāng)_的影響，采用雙準(zhǔn)直透鏡結(jié)構(gòu)提高耦合效率。SOA放大后的激光被耦合到保偏光纖準(zhǔn)直器中，實(shí)現(xiàn)了高功率窄線寬的激光保偏輸出。增益芯片長(zhǎng)度為1 mm，前端面鍍有增透膜，反射率為0.01%。Si3N4波導(dǎo)損耗小于0.1 dB/cm。SOA芯片左右兩側(cè)均鍍有抗反射膜，最大工作電流為1.5 A，在光波長(zhǎng)為1550 nm、輸入光功率為10 mW時(shí)放大系數(shù)大于25 dB。

混合集成半導(dǎo)體激光器：（a）結(jié)構(gòu)示意圖；（b）蝶形封裝成品

研究人員對(duì)該激光器的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。在溫度為22.2℃時(shí)，分別在100、150、200 mA增益芯片電流下進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，當(dāng)SOA電流為1.2 A、增益芯片電流為200 mA時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)226.3 mW的光纖耦合功率輸出，耦合效率為90.34%。通過(guò)調(diào)節(jié)外腔芯片上的相位和微環(huán)上的電極功率，可以在1529~1584 nm范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)激光器調(diào)諧，該范圍覆蓋增益芯片的增益譜。該激光器在不同中心波長(zhǎng)下，實(shí)現(xiàn)了窄線寬激光輸出，激光線寬為2~8 kHz。

激光器性能測(cè)試結(jié)果：（a）功率-電流曲線；（b）波長(zhǎng)調(diào)諧曲線；（c）頻率噪聲曲線

研究人員稱，下一步工作將著力優(yōu)化激光器的驅(qū)動(dòng)控制電路，實(shí)現(xiàn)激光器波長(zhǎng)的精準(zhǔn)控制，改善SOA的工作效率，提高激光器的輸出功率。

審核編輯：劉清