专利名称：混合集成可调谐的激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及波长可调谐的激光器。
背景技术：
外腔可调谐激光器(ECL)可由有源增益元件、光耦合机构、波长可选光学元件以及光反馈元件构成，参见例如US 5，331，651。多个可调谐外腔可调谐激光器(ECL)使用光学衍射光栅作为结合的选择性波长和反馈元件，并且该光栅的机械位置用于控制发射激光的波长。通常需要对该光栅进行三轴控制来维持激光器波长和最佳的激光发射反馈条件。已知把薄膜滤光器合并到外腔内可允许在激光腔内选择多个纵向的激光器模式， 参见例如P. Zorabedian和W. R. Trutna, Jr在《光学快报》(1988)第13期第826页发表的“干涉滤波器调谐的、稳定对准的半导体外腔激光器”(“hterference-filter-timed， alignment-stabilized, semiconductor external-cavity laser"Opt.Lett. 13, P.拟6(1988))。
发明内容
本发明提供一种波长可调谐的单纵模外腔激光器装置，该装置包括基底材料、半导体光放大器增益介质、准直透镜以及相对于该增益介质设置以形成激光器空腔的反射元件，其中该装置进一步包括插入增益介质和反射元件之间的光路的单窄带薄膜涂覆滤光器，由此通过调整薄膜滤光器与所述光路的角度，使所述激光器的波长可调谐。因此，本发明至少在优选的实施例中提供一种波长可调谐的激光器，该激光器单纵模运转，并且通过空腔内窄带薄膜涂覆滤光器的单轴角度调谐来确定单模波长。在本发明的实施例中，仅单薄膜涂覆滤光器可插入增益介质和反射元件之间的光路中。激光器装置可包括用于机械调整所述薄膜滤光器与所述光路的角度的机构。比如，该机构可包括设置为调整薄膜滤光器与光路的角度的电动电机(尤其是压电微电机)。 调整机构可配置为在电机没有施加电功率的情况下保持所述滤光器与所述光路的角度位置。因此，根据本发明的实施例，可采用小型压电微电机来实现该滤光器的机械调谐，该小型压电微电机不需要施加任何的电功率来维持发射激光的波长。这种压电微电机容易获得，比如用于数码相机的调焦机构。薄膜滤光器可设置在与窄带薄膜涂层热配合的滤光器基底上。薄膜滤光器可设置在平面平行滤光器基底上。用基底材料来热补偿薄膜涂覆滤光器也使得激光器可以用变化的温度来维持波长。这些特征使得激光器在去除所有的电功率并重新施加电功率后，返回到先前设置的波长，这是先前的可调谐激光器设计中不可能具有的一个特征。通过将光刻限定的形成物定位在基底材料上，可将增益介质、准直透镜、反射元件和滤光器中的一个或多个机械定位在所述基底材料上。互补的定位形成物可形成在增益介质、反射元件和/或滤光器上。因此，在本发明的实施例中，通过被动对准技术来对准激光器的光学零件以大幅减少可调谐激光器的包装成本。在撤离放大器的输出面之前，可扩大半导体光放大器增益介质内的光模场。因此，本发明公开了一种波长可调谐的外腔激光器，该外腔激光器以半导体光放大器增益介质为特征，在该介质中，通过单薄膜涂覆滤光器来确定单纵模运转和波长。通过机械地角度调谐(angle-timing)该薄膜涂覆滤光器，可实现波长的调谐。在优选的设置中，即使从用于调整薄膜滤光器的角度的机构中去除电功率后，额定运转波长依然保持固定。通过用压电微电机机械地角度调谐该薄膜涂覆滤光器可实现波长的调谐。该薄膜涂覆滤光器可位于热配合的基底上以减少激光器波长随温度的变化。该薄膜涂覆滤光器可位于平面平行热配合的基底上以维持带角度的激光器空腔对准。光学元件可安装到光刻技术已经限定的精确位置，这些精确位置形成在合适的基底材料中，比如硅。通过改变滤光器入射的角度可补偿成熟薄膜涂覆滤光器的正常入射波长的变化。通过将电流小幅调整到半导体光放大器增益介质中，使得在限制的波长范围内调整激光器波长成为可能。在撤离放大器的输出面之前，扩大半导体光放大器内的模场。
参照附图，下文中进一步描述本发明的实施例，其中图1为根据本发明实施例显示外腔可调谐激光器的组成部件的示意图；图2为显示薄膜光学滤光器的中心波长随入射角变化的计算结果的图表；图3为显示用于通过滤光器角度调谐到不同波长的激光器的所测复合光谱的图表。
具体实施例方式如图1所示，根据本发明的实施例，激光器空腔形成在宽带半导体增益元件1的一个面和反射元件5之间。通过将薄膜涂层沉积在芯片面上来控制该半导体增益元件面的反射率值。通过采用光模扩张、与该面成角度的波导和薄膜涂层来最小化该半导体增益元件 1的另一面的反射率值。该增益元件1具有精密蚀刻的特征以使芯片被动对准到硅载体3。 在空腔另一端的反射元件5可合并薄膜涂层以控制反射率值。根据需要，该反射率也可为波长选择性的。通过硅载体3上的精密机械挡块对准该反射元件5。除了半导体增益元件1，该激光器空腔包含透镜2以将该增益元件1的输出光校准到外腔。该透镜2可为具有防反射涂层的精密尺寸的球透镜，适用于与硅刻蚀载体3被动组装。该准直光束穿过薄膜涂覆滤光器元件4，该滤光器元件4为放置在热配合基底 (光学玻璃F7)上的窄通带滤光器(FWHM-50GHZ)。滤光器4的带宽足够地窄，通常小于 0. 5nm (FffHM (半最大值全宽度)，单程)，以至于该激光器仅有几个纵模位于滤光器通带内， 并且因此偏向于激光器的单模运转。如图2所示，滤光器4的中心波长随着入射角而变化，并且滤光器角度用于调谐该激光器波长。从微电机6去除功率时，通过具有位置稳定性特征的小型的单轴压电微电机 6来机械地控制该滤光器元件的角度。因此，一旦已经设定滤光器角度以确定激光器的波长，可从微电机6去除功率，并且该激光器依然保持确定的波长，这样极大地减少了对于激光器的整个电功率需求。该滤光器基底是平行于滤光器相反边上的防反射涂层的平面。通过在外腔内维持光束的角对准，使得在激光器空腔内滤光器元件的对准简化。此外，通过把每个单独的激光器滤光器调谐到不同的角度，可抵消制作的薄膜滤光器元件的正常入射波长的任何微小的变化。薄膜滤光器波长制作精度的减小极大地增加了产量，并且因此减少了整个激光器组装的成本。对于一些应用来说，在系统中需要少量地调整激光器波长以使激光器精确地锁定到外部参考源中或者追踪其他波长敏感元件，在该实施例中可包含额外的微调方法。这种微调通常可通过对有源增益模块1进行偏置电流的小幅改变来实现。对于长度为2. 7mm 的基于磷化铟αηΡ)的反射半导体光放大器，偏置电流调整ImA即可将激光器频率改变 IOOMHz的级数。因此，一般地说，本发明公开的是一种混合集成可调谐的光学激光器装置，尤其是适用于在外腔内通过压电微电机控制的滤光器调谐到不同波长的激光器装置。一旦激光器固定在选定的波长上，则不需要在波长调谐元件施加功率以维持波长的稳定性。在电信和传感器中需要这些应用。通过单个滤光器使用压电微电机来控制激光器波长，以便一旦波长被设定后就可热稳定发射激光的波长以及实现低功率运转，本发明至少在优选的实施例中超过了现有的技术。在整个说明书的描述和权利要求中，词语“包括”和“包含”以及这两个单词的变型都意味着“包括但不限于”，并且其意图不在于(也不)排除其他的组件、整体或步骤。在整个说明书的描述和权利要求中，除非上下文另外要求，否则单数就包含了复数的意思。尤其是，在使用不定冠词的地方，除非上下文另外要求，否则该说明书应理解为同时考虑了复数以及单数。所描述的特征、整体、特点或者群组，连同本发明特定的方面、实施例或者实例，应理解为可应用于本发明中所描述的任何其他方面、实施例或者实例，除非彼此不相容。该说明书(包括任何所附的权利要求、摘要和附图)中所公开的所有特征，和/或这样公开的任何方法或工序的所有步骤，除了至少一些这样的特征和/或步骤互相排斥的组合，可结合成任何组合。本发明不限于任何前述实施例的具体描述。本发明的适用范围扩及到该说明书(包括任何所附的权利要求、摘要和附图)中公开的特征中的任一个新特征或者任何新特征的组合，或者扩及到所公开的任何方法或者工序的步骤的任一个新步骤或者任何新步骤的组合。
权利要求
1.一种波长可调谐的单纵模外腔激光器装置，其特征在于，包括基底材料、半导体光放大器增益介质、准直透镜以及相对于该增益介质设置以形成激光器空腔的反射元件，其中所述装置进一步包括插入所述增益介质和所述反射元件之间的光路的单窄带薄膜涂覆滤光器，由此通过调整薄膜滤光器与所述光路的角度，使所述激光器的波长可调谐。
2.根据权利要求1所述的激光器装置，其特征在于，所述激光器装置包括用于机械调整所述薄膜滤光器与所述光路的角度的机构。
3.根据权利要求2所述的激光器装置，其特征在于，所述激光器装置包括设置为调整所述薄膜滤光器与所述光路的角度的电机，尤其是压电微电机。
4.根据权利要求2或3所述的激光器装置，其特征在于，其中所述调整机构配置为在电机没有施加电功率的情况下保持所述滤光器与所述光路的角度位置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的激光器装置，其特征在于，通过将光刻限定的形成物定位在基底材料上，将所述增益介质、反射元件和滤光器中的一个或多个机械定位在所述基底材料上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的激光器装置，其特征在于，所述窄带薄膜滤光器设置在与薄膜滤光器涂层热配合的滤光器基底上。
7.根据权利要求6所述的激光器装置，其特征在于，所述薄膜滤光器设置在平面平行滤光器基底上。
8.根据前述权利要求中任一项所述的激光器装置，其特征在于，所述薄膜滤光器通带小于 0. 5nm FWHM。
9.根据前述权利要求中任一项所述的激光器装置，其特征在于，在撤离所述放大器的输出面之前，扩大所述半导体光放大器增益介质内的模场。
全文摘要
本发明提供一种混合集成可调谐的光学激光器装置，该装置适应于在外腔内通过压电微电机(6)控制的滤光器(4)调谐到不同波长。一旦所述激光器固定在选定的波长上，则不需要在波长调谐元件施加功率以维持波长的稳定性。
文档编号H01S5/028GK102356524SQ201080011662
公开日2012年2月15日 申请日期2010年3月12日 优先权日2009年3月12日
发明者戴维·威廉·史密斯, 格莱姆·道格拉斯·麦克斯韦, 理查德·怀亚特, 阿利斯泰尔·詹姆斯·波斯蒂 申请人:集成光子学中心有限公司