一种光泵浦的片上固体激光器

1.本发明涉及固体激光器技术领域，特别是涉及一种光泵浦的片上固体激光器。


背景技术：

2.固体激光器具有波长稳定、输出功率大、可靠性好等优点。目前，固体激光器的发展趋势之一就是单片集成(monolithic)。单片集成的固体激光器与分立元件式固体激光器相比，体积更小，集成度更高，光能量密度更大因而激光振荡阈值更低，谐振腔尺寸更小因而波长稳定性更高。单片集成固体激光器的一种类型是由单块晶体在自由空间中制成，典型例子如1984年斯坦福大学提出的基于非平面环形腔(npro)的单片集成掺钕yag(钇铝石榴石)固体激光器方案，该激光器的谐振腔包含于一整块掺钕yag晶体内，封装后的体积仅有38mm
×
13mm
×
3mm，具有频率稳定性良好的单模输出。单片集成固体激光器的另一种类型为片上集成的(on-chip)，片上集成固体激光器比自由空间型固体激光器的光模斑尺寸更小，激光阈值更低，且很方便与硅基光子学平台兼容集成封装。目前片上固体激光器的主流做法为利用飞秒激光直写、离子注入、离子交换等技术在激光晶体中制备光波导、谐振腔等光场限制结构，构建片上激光器。但这类技术主要通过激光或离子束能量注入增益材料内部诱导晶体折射率变化形成波导结构，因此波导与周围介质的折射率差较小，导致光模斑尺寸依然较大(几十至百微米量级)，这导致以下不足：一方面，激光阈值虽然相比自由空间激光器已降低很多，但依然受模斑尺寸限制；另一方面导致这种波导的弯曲半径很大，从而导致利用这种波导形成的谐振腔、分束器等器件的尺寸较大，影响集成度。因此目前迫切需要发展一种可以在激光晶体上构建具有更小模斑尺寸的波导结构的技术，并基于此构建尺寸更小、集成度更高、阈值更低、稳定性更高的片上固体激光器。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种光泵浦的片上固体激光器，以解决上述现有技术存在的问题，克服现有单片集成固体激光器方案光模斑尺寸较大、阈值不够低、集成度不够高等问题。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种光泵浦的片上固体激光器，包括：固体增益介质基片、激光构建结构，所述激光构建结构位于所述固体增益介质基片上方；所述激光构建结构包括谐振腔、泵浦光输入结构、信号光输出结构；所述谐振腔位于所述泵浦光输入结构和所述信号光输出结构之间，所述谐振腔与所述固体增益介质基片抵接或间隙配合。
5.优选的，所述谐振腔为介质谐振腔，所述谐振腔的介质材料与所述固体增益介质基片的材料不同，所述固体增益介质基片材料的折射率小于所述谐振腔的介质材料折射率；所述谐振腔的模场与所述固体增益介质基片有重叠；泵浦光通过所述泵浦光输入结构从外部输入到所述谐振腔中，所述谐振腔中的泵浦光光场分布与所述固体增益介质基片有重叠，从而在重叠区激励所述固体增益介质基片形成粒子数反转区；所述信号光在所述谐
振腔中光场分布与所述固体增益介质基片中的所述粒子数反转区有重叠，从而产生增益，损耗小于增益形成激光经所述信号光输出结构输出。
6.优选的，所述谐振腔是环形行波腔或回音廊腔。
7.优选的，所述谐振腔中产生的激光以倏逝波耦合的方式从所述谐振腔耦合到波导输出。
8.优选的，泵浦光以倏逝波耦合的方式从波导耦合进入所述谐振腔。
9.优选的，所述泵浦光从波导进入所述谐振腔的耦合器和信号光从所述谐振腔输出到波导的耦合器为同一个耦合器。
10.优选的，所述环形行波腔是交叉耦合型环形行波腔，所述交叉耦合型环形行波腔设置有交叉耦合器。
11.优选的，所述谐振腔中产生的激光从所述交叉耦合器的其中一条波导输出。
12.优选的，泵浦光从所述交叉耦合器的其中一条波导进入所述谐振腔。
13.优选的，泵浦光从所述交叉耦合器的其中一条波导进入所述谐振腔，同时所述谐振腔中产生的激光从同一条波导输出。
14.优选的，所述固体增益介质基片采用具有磁光效应的材料，通过施加磁场产生磁光效应使所述谐振腔的顺时针和逆时针模式简并消除，只有单个方向的光模式激射，单个方向为顺时针或逆时针。
15.优选的，所述谐振腔附近设有具有磁光效应的材料，通过施加磁场产生磁光效应使所述谐振腔的顺时针和逆时针模式简并消除，只有单个方向的光模式激射，单个方向为顺时针或逆时针。
16.优选的，所述谐振腔上方设置有永磁体，所述磁场由所述永磁体提供。
17.优选的，所述环形行波腔的波导模式为准横磁模式，所述永磁体为圆柱体型永磁体，轴向充磁，所述永磁体直径与所述环形行波腔的直径差异在0-10％，所述永磁体置于所述环形行波腔上方，且与所述环形行波腔同轴设置，所述环形行波腔模场处的静磁场的主要分量为径向分量。
18.优选的，所述谐振腔中只有单个方向的光模式激射，消除了空间烧孔，所述激光为单纵模激光。
19.优选的，所述谐振腔中产生的激光以倏逝波耦合的方式从所述谐振腔耦合到波导单方向输出。
20.优选的，所述波导为片上平面光波导或光纤。
21.优选的，所述谐振腔是f-p型驻波腔。
22.优选的，所述f-p型驻波腔的反射镜由波导端面镀膜或布拉格光栅形成。
23.优选的，泵浦光从其中一个所述反射镜入射。
24.优选的，激光从其中一个所述反射镜出射。
25.优选的，所述谐振腔被上盖层覆盖，所述上盖层的折射率小于所述谐振腔的介质材料的折射率。
26.优选的，所述固体增益介质基片为掺发光离子的固体激光器材料晶圆比如钇铝石榴石晶圆、蓝宝石晶圆、铌酸锂晶圆等。
27.本发明公开了以下技术效果：本发明提供的一种光泵浦的片上固体激光器，本发
明中谐振腔和波导等片上光场限制结构是由高折射率材料制备得到，与周围介质的折射率差较大，因此对光场的限制能力大幅增强，波导模斑尺寸大幅减小，波导弯曲半径大幅减小，谐振腔尺寸大幅减小；模斑尺寸和谐振腔尺寸的大幅减小进而带来激光阈值显著降低、器件集成度和稳定性大幅提高等多种益处。此外，本发明中谐振腔和波导等光学结构的制备可采用(但不限于)紫外光刻、电子束曝光、聚焦离子束刻蚀等各种成熟的微纳制备技术手段，制备手段灵活多样，适应性强。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明第一种实施方式(即谐振腔为环形行波腔)的一种实施例示意图；
30.图2为图1实施例之具体案例a中构成环形谐振腔的波导截面光模式场分布图，其中图2(a)为808nm泵浦光的光场分布图，图2(b)为1064nm信号光的光场分布图；
31.图3为图1实施例中永磁体施加于谐振腔处的磁场方向示意图；
32.图4为本发明第一种实施方式的一种优选方案(即谐振腔为交叉耦合型环形行波腔)的一种实施例示意图；
33.图5(a)和图5(b)分别为图4实施例中信号光和泵浦光所走的路径示意图；
34.图6为本发明第二种实施方式(即谐振腔为f-p型驻波腔)的一种实施例示意图，该实施例中f-p谐振腔的反射镜由端面镀膜形成；
35.图7为本发明第二种实施方式(即谐振腔为f-p型驻波腔)的另一种实施例示意图，该实施例中f-p谐振腔的反射镜为布拉格光栅。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
38.图1所示为本发明第一种实施方式(即谐振腔为环形行波腔)的一种实施例，主要包括入射波导101，耦合器102，环形谐振腔103，出射波导104，固体增益介质基片105，上盖层106，永磁体107。泵浦光通过拉锥光纤端面耦合、透镜端面耦合、拉锥光纤倏逝耦合或光栅耦合的方式输入入射波导101。泵浦光随后经过耦合器102，该耦合器为基于倏逝场耦合的定向耦合器，按照以下原则设计而成：泵浦光经过该耦合器102后耦合进入环形谐振腔103，而环形谐振腔103中产生的激光经过该耦合器102后则大部分回到环形谐振腔103中，只有小部分耦出作为激光输出。永磁体107为圆柱体，轴向充磁，直径与环形谐振腔103的直径差异在0-10％，置于上盖层106上，且与环形谐振腔103同轴设置。
39.图1实施例的一个具体案例记为a，固体增益介质基片105为掺钕yag晶圆，入射波导101、耦合器102、环形谐振腔103、出射波导104均由生长在yag晶圆上的氮化硅薄膜制备而成，上盖层106为二氧化硅层，在上盖层106表面对准环形谐振腔103的位置有一个圆柱体型永磁体107。构成环形谐振腔103的氮化硅波导截面如图2中环形谐振腔103所示，在钕离子的吸收峰808nm处和最强增益峰1064nm处的模式场分布分别如图2(a)和2(b)所示。从模式场分布可以看到：808nm泵浦光在环形谐振腔103中的光场分布与掺钕yag基片有重叠，从而在重叠区域激励yag中的钕离子形成粒子数反转区108；1064nm信号光在环形谐振腔103中的光场分布与掺钕yag基片中的所述粒子数反转区108也有重叠，从而产生增益，当增益大于损耗时形成激光激射并输出激光。环形谐振腔103的波导模式为准横磁模式，永磁体107为圆柱体型永磁体，轴向充磁，直径与环形谐振腔103的直径差异在0-10％，置于环形行波腔上方，且与环形行波腔同轴设置，使环形行波腔模场处的静磁场的主要分量为径向分量，如图3中箭头所示(朝外或朝内，图中仅示意朝外)。在该永磁体107提供的磁场下，掺钕yag基片中产生磁光效应，使得环形谐振腔103中的顺时针和逆时针模式简并消除，只有单个方向的光模式激射，单个方向为顺时针或逆时针。因此也消除了空间烧孔，激光为单纵模。通过控制永磁体107的南北极朝向(朝上或朝下)，可使得谐振腔环形谐振腔103中只有逆时针的光模式可以激射，并经耦合器102耦合至出射波导104，之后既可直接在片上使用，也可利用拉锥光纤/透镜端面耦合、拉锥光纤倏逝耦合或光栅耦合等方式输出到片外使用，还可接光纤放大器或直接集成片上光波导放大器进行进一步光放大。通过控制永磁体107的南北极朝向(朝上或朝下)，也可使得谐振腔103中只有顺时针的光模式可以激射，则入射波导101也作为激光输出波导使用。
40.图1实施例的另一个具体案例记为b，与案例a的不同之处是：固体增益介质基片105为掺钛蓝宝石晶圆，入射波导101、耦合器102、环形谐振腔103、出射波导104均由生长在掺钛蓝宝石晶圆上的氮化铝或氮化硅薄膜制备而成，上盖层106采用具有磁光效应的材料。
41.图1所示实施例的一般制备方法为：利用激光晶体作为固体增益介质基片105，在该基片上生长一层折射率高于基片折射率的介质材料，然后利用该介质材料制作形成入射波导101、耦合器102、环形谐振腔103、出射波导104。然后生长覆盖一层较低折射率介质上盖层106。在该上盖层106表面对准环形谐振腔103同轴设置一个永磁体107，该永磁体107为圆柱体，轴向充磁，直径与环形谐振腔103的直径差异在0-10％。另一种替换方法为：先在较低折射率介质层上利用折射率较高的介质材料制作形成入射波导101、耦合器102、环形谐振腔103、出射波导104。然后与固体增益介质基片105贴合。在介质层表面对准环形谐振腔103同轴设置一个永磁体107，该永磁体107为圆柱体，轴向充磁，直径与环形谐振腔103的直径差异在0-10％。案例a的一种具体制备方法为：利用掺钕yag晶圆作为固体增益介质基片105，在该掺钕yag基片上利用lpcvd(低压化学气相沉积)或icpcvd(感应耦合等离子体化学气相沉积)生长一层氮化硅薄膜，然后利用紫外光刻+icp(感应耦合等离子体)干法刻蚀技术刻蚀氮化硅薄膜形成入射波导101、耦合器102、环形谐振腔103、出射波导104，之后采用pecvd(等离子体增强化学气相沉积)生长一层二氧化硅上盖层106。在上盖层106表面对准环形谐振腔103同轴设置一个圆柱体型永磁体107。案例b的一种具体制备方法为：利用掺钛蓝宝石晶圆作为固体增益介质基片105，在该掺钛蓝宝石基片上利用磁控溅射生长一层氮化铝或氮化硅薄膜，然后利用紫外光刻+icp干法刻蚀技术刻蚀氮化铝或氮化硅薄膜形成入
射波导101、耦合器102、环形谐振腔103、出射波导104，之后溅射一层具有磁光效应的材料作为上盖层106。在上盖层106表面对准环形谐振腔103同轴设置一个圆柱体型永磁体107。
42.图4所示为本发明第一种实施方式的一种优选方案(即谐振腔为交叉耦合型环形行波腔)的一种实施例，主要包括入射波导401，交叉耦合器402，交叉耦合型环形谐振腔403，防反射结构404，出射耦合器405，出射波导406，固体增益介质基片407，上盖层408，永磁体409。永磁体409为圆柱体，轴向充磁，直径与交叉耦合型环形谐振腔403的直径差异在0-10％，置于上盖层408上，且与交叉耦合型环形谐振腔403同轴设置。本实施例的核心特征为，激光谐振腔为交叉耦合型环形谐振腔。不同于圆环形或跑道型等直通型(direct type)环形谐振腔，交叉耦合型(cross type)环形谐振腔中包含一个交叉耦合器402。该交叉耦合器为基于倏逝场耦合的定向耦合器，对不同波长的光具有不同的耦合系数：信号光波长较长，耦合系数较大，因此经过该交叉耦合器时绝大部分会从交叉耦合器的其中一条波导交叉耦合到另一条波导；而泵浦光波长较短，耦合系数较小，因此经过该交叉耦合器时只有少量会交叉耦合到另一条波导，大部分仍然沿原波导传输。因此，信号光在交叉耦合型环形谐振腔403中将按图5(a)中箭头所示路径形成逆时针谐振回路或按箭头所示路径的逆向路径形成顺时针谐振回路；而泵浦光则不形成谐振回路，而是按图5(b)中箭头所示路径，先从入射波导401输入谐振腔，环绕谐振腔一周后剩余的泵浦光离开谐振腔进入防反射结构404。
43.图4所示实施例的具体工作过程如下：泵浦光通过拉锥光纤/透镜端面耦合、拉锥光纤倏逝耦合或光栅耦合的方式输入入射波导401，然后按图5(b)中箭头所示路径，先从入射波导401输入交叉耦合型谐振腔403，环绕谐振腔一周后剩余的泵浦光离开谐振腔进入防反射结构404。由于泵浦光光场分布与固体增益介质基片有重叠从而在固体增益介质基片中产生粒子数反转；信号光光场分布与固体增益介质基片中的粒子数反转区也有重叠，从而产生增益。信号光在交叉耦合型谐振腔403中将按图5(a)中箭头所示路径形成逆时针谐振回路或按箭头所示路径的逆向路径形成顺时针谐振回路，当增益大于损耗时形成激光激射。交叉耦合型环形谐振腔403的波导模式为准横磁模式，永磁体409为圆柱体型永磁体，轴向充磁，直径与交叉耦合型环形谐振腔403的直径差异在0-10％以内，置于环形腔上方，且与环形腔同轴设置，使环形腔模场处的静磁场的主要分量为径向分量。在该永磁体409提供的磁场下，固体增益介质基片407和/或上盖层408中产生磁光效应：当固体增益介质基片407本身为磁光材料(如掺钕yag)时，则固体增益介质基片407中产生磁光效应；当上盖层408采用磁光材料时，则上盖层中产生磁光效应。磁光效应使交叉耦合型环形谐振腔403中的顺时针和逆时针模式简并消除，只有单个方向(顺时针或逆时针)的光模式激射。因此也消除了空间烧孔，激光为单纵模。在交叉耦合型环形谐振腔403的适当位置制备有一个出射耦合器405和一个双端口出射波导406(包括端口i和端口ii)。激光经由出射耦合器405耦合到出射波导406输出。通过控制永磁体409的南北极朝向(朝上或朝下)，可使得交叉耦合型环形谐振腔403中只有顺时针或逆时针光模式可以激射，若交叉耦合型环形谐振腔403中顺时针光模式激射，则激光耦合至出射波导406的端口i，若交叉耦合型环形谐振腔403中逆时针光模式激射，则激光耦合至出射波导406的端口ii。激光耦合至出射波导406后既可直接在片上使用，也可利用拉锥光纤/透镜端面耦合、拉锥光纤倏逝耦合、光栅耦合等方式输出到片外使用，还可接光纤放大器或直接集成片上光波导放大器进行进一步光放大。如果适当降低交叉耦合器402对信号光的交叉耦合系数，则交叉耦合器402也可作为激光输出耦合
器使用。
44.图4实施例的一个具体案例记为c，固体增益介质基片407为掺钕yag晶圆，入射波导401、交叉耦合器402、交叉耦合型环形谐振腔403、防反射结构404、出射耦合器405、出射波导406均由生长在yag晶圆上的氮化硅薄膜制备而成，上盖层408为二氧化硅层，在上盖层408表面对准交叉耦合型环形谐振腔403的位置有一个圆柱体型永磁体409。图4实施例的另一个具体案例记为d，与案例c的不同之处是：固体增益介质基片407为掺钛蓝宝石晶圆，入射波导401、交叉耦合器402、交叉耦合型环形谐振腔403、防反射结构404、出射耦合器405、出射波导406均由生长在掺钛蓝宝石晶圆上的氮化铝或氮化硅薄膜制备而成，上盖层408采用具有磁光效应的材料。
45.图4所示实施例的制备方法同图1所示实施例的制备方法。图4实施例之具体案例c的制备方法同图1实施例之具体案例a的制备方法。图4实施例之具体案例d的制备方法同图1实施例之具体案例b的制备方法。
46.图6所示为本发明第二种实施方式(即谐振腔为f-p型驻波腔)的一种实施例，主要包括入射波导端面601，f-p谐振腔602，出射波导端面603，固体增益介质基片604，上盖层605。入射波导端面601和出射波导端面603镀有高反膜，其中出射波导端面603的反射率低于入射波导端面601的反射率。入射波导端面601和出射波导端面603构成f-p谐振腔602的两个反射镜。
47.泵浦光从入射波导端面601输入f-p谐振腔602。由于泵浦光光场分布与固体增益介质基片604有重叠从而在固体增益介质基片中产生粒子数反转；信号光光场分布与固体增益介质基片604中的粒子数反转区也有重叠，从而产生增益。信号光在f-p谐振腔602的两个反射镜-即入射波导端面601和出射波导端面603之间来回反射，形成f-p谐振，当增益大于损耗时形成激光激射，并从出射波导端面603输出。输出后既可利用拉锥光纤/透镜端面耦合、拉锥光纤倏逝耦合、光栅耦合等方式输出到片外使用，也可接光纤放大器进行进一步光放大。
48.图6所示实施例的一般制备方法如下：利用激光晶体作为固体增益介质基片604，在该基片上利用折射率高于基片折射率的介质材料制备形成波导，并生长覆盖一层较低折射率介质上盖层605。裂片以后在波导的两个端面镀上高反膜，其中一个端面的反射率低于另一个端面的反射率。一个具体案例记为e：利用掺钕yag晶圆作为固体增益介质基片604，在该掺钕yag基片上利用lpcvd或icpcvd生长一层氮化硅薄膜，然后利用紫外光刻+icp干法刻蚀技术制备形成氮化硅波导，之后采用pecvd生长一层二氧化硅上盖层605。裂片以后在该波导的两个端面镀上高反膜，其中一个端面的反射率低于另一个端面的反射率。另一个具体案例记为f，与案例e的不同之处是：固体增益介质基片604为掺钛蓝宝石晶圆，波导由生长在掺钛蓝宝石晶圆上的氮化铝或氮化硅薄膜制备而成。
49.图7所示为本发明第二种实施方式(即谐振腔为f-p型驻波腔)的另一种实施例，主要包括入射光栅701，f-p谐振腔702，出射光栅703，固体增益介质基片704，上盖层705。出射光栅703的反射率低于入射光栅701的反射率，入射光栅701和出射光栅703构成f-p谐振腔702的两个反射镜。
50.泵浦光从入射光栅701输入f-p谐振腔702。由于泵浦光光场分布与固体增益介质基片704有重叠从而在固体增益介质基片中产生粒子数反转；信号光光场分布与固体增益
介质基片704中的粒子数反转区也有重叠，从而产生增益。信号光在f-p谐振腔的两个反射镜-即入射光栅701和出射光栅703之间来回反射，形成f-p谐振，当增益大于损耗时形成激光激射，并从出射光栅703输出。输出后既可直接在片上使用，也可利用拉锥光纤/透镜端面耦合、拉锥光纤倏逝耦合、光栅耦合等方式输出到片外使用，还可接光纤放大器或直接集成片上光波导放大器进行进一步光放大。
51.图7所示实施例的一般制备方法如下：利用激光晶体作为固体增益介质基片704，在该基片上利用折射率高于基片折射率的介质材料制备形成波导，在波导的两端部分制作形成布拉格光栅，其中一个光栅的反射率低于另一个光栅的反射率。最后生长覆盖一层较低折射率介质上盖层706。一个具体案例记为g：利用掺钕yag晶圆作为固体增益介质基片704，在该掺钕yag基片上利用lpcvd或icpcvd生长一层氮化硅薄膜，然后利用紫外光刻+icp干法刻蚀技术制备形成氮化硅波导，在波导两端部分利用电子束曝光印刷技术制作形成布拉格光栅，其中一个光栅的反射率低于另一个光栅的反射率。最后采用pecvd生长一层二氧化硅上盖层705。另一个具体案例记为h，与案例g的不同之处是：固体增益介质基片704为掺钛蓝宝石晶圆，波导由生长在掺钛蓝宝石晶圆上的氮化铝或氮化硅薄膜制备而成。
52.本发明提供的一种光泵浦的片上固体激光器，本发明中谐振腔和波导等片上光场限制结构是由高折射率材料制备得到，与周围介质的折射率差较大，因此对光场的限制能力大幅增强，波导模斑尺寸大幅减小，波导弯曲半径大幅减小，谐振腔尺寸大幅减小；模斑尺寸和谐振腔尺寸的大幅减小进而带来激光阈值显著降低、器件集成度和稳定性大幅提高等多种益处。此外，本发明中谐振腔和波导等光学结构的制备可采用(但不限于)紫外光刻、电子束曝光、聚焦离子束刻蚀等各种成熟的微纳制备技术手段，制备手段灵活多样，适应性强。
53.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
54.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。