用于外腔窄線寬激光器的微環反射結構及制備方法

1.本發明涉及光電子領域，尤其涉及一種用于外腔窄線寬激光器的微環反射結構及制備方法。


背景技術：

2.隨著科技發展，超窄線寬激光器需求廣泛，在高性能相干通信、高分辨率光傳感、高分辨光譜儀以及量子信息科學均有應用。
3.盡管，目前商用固態激光器和光纖激光器表現出高性能、窄線寬，但這些器件通常由具有大尺寸的分立元件組成，這對于與其他片上光學微系統集成是一個挑戰。因此，考慮到尺寸、重量和功率等關鍵工作參數，芯片級半導體激光器是更有利的選擇。然而由于半導體激光器的固有線寬最終受到激光腔的小尺寸限制，通常線寬在mhz范圍內，這并不能滿足前述應用的窄線寬要求。近年來，隨著工藝條件的提高，人們對基于微環的外腔半導體激光器產生了極大的興趣。這種方案對于實現緊湊型窄線寬激光器很有吸引力，因為基于微環的外腔結構具有濾波功能，其環形結構也增加了外腔的光學長度，同時片上微環也給外腔激光器芯片集成提供了方案。由于采用注入鎖定原理，需要對激光器芯片輸出的激光進行濾波，再反饋回到芯片之中，能夠誘導內部光場，使其鎖定到外部諧振腔模式中，實現整體光學品質因子的提高和激光線寬的壓窄。
4.現有技術中，基于微環的外腔窄線寬激光器主要分為兩種，基于組合微環的外腔窄線寬激光器和基于高q值(q值是衡量光學諧振腔的儲能和選擇頻率的能力)的外腔窄線寬激光器。但是，上述現有技術中基于微環的外腔窄線寬激光器通常存在輸入輸出耦合損耗較大、不利于壓窄激光線寬、結構復雜、體積大等問題。


技術實現要素：

5.有鑒于此，本發明的實施例提供了一種用于外腔窄線寬激光器的微環反射結構及制備方法，能夠有助于壓窄激光線寬、減小外腔窄線寬激光器的體積。
6.根據本發明的實施例，提供了一種用于外腔窄線寬激光器的微環反射結構，包括：微環波導，包括環形本體，所述環形本體上一體成型地設置有反射部；以及直波導，設置在所述微環波導的外部，以使在所述直波導內傳輸的輸入激光中具有預定波長的預定激光在所述直波導與所述微環波導最接近的部位耦合進入所述微環波導并傳輸到所述反射部，所述預定激光的一部分從所述反射部透射成為透射激光，另一部分從所述反射部反射成為反射激光，其中，所述透射激光在所述微環波導中繼續沿原方向傳播、耦合回到所述直波導，并沿與所述輸入激光輸入所述直波導的方向相同的方向從所述直波導中輸出；所述反射激光在所述微環波導中被反射沿反方向傳播、耦合回到所述直波導，并沿與所述輸入激光輸入所述直波導的方向相反的方向從所述直波導中輸出。
7.根據本發明的實施例，所述反射部設置在所述微環波導的與所述直波導相對的部位的中間位置，所述反射部在徑向方向上的高度大于所述微環波導在徑向方向上的高度。
8.根據本發明的實施例，所述反射部沿所述微環波導的周向方向的寬度為1.0μm-1.6μm，所述反射部沿所述微環波導的徑向方向的高度為1.0μm-2.2μm。
9.根據本發明的實施例，所述微環波導沿所述徑向方向的高度為0.5μm-1.5μm，所述微環波導和所述反射部沿所述微環波導的軸向方向的厚度為0.3μm-0.6μm，所述微環波導的半徑為200μm-400μm。
10.根據本發明的實施例，所述微環波導與所述直波導之間的耦合距離為0.7μm-0.9μm。
11.根據本發明的實施例，所述環形本體的外圓側壁上鍍有電極層，以調諧進入所述微環波導的預定激光的預定波長。
12.根據本發明的實施例，所述微環波導的材質為絕緣襯底上的硅或者氮化硅或者薄膜鈮酸鋰。
13.根據本發明的實施例，所述反射部具有在所述微環波導的徑向方向上局部變窄的收縮部或者所述反射部具有在所述微環波導的軸向方向上局部變厚的加厚部。
14.根據本發明的實施例，還提供了一種上述實施例的微環反射結構的制備方法，包括：制作具有所述微環波導的圖形和所述直波導的圖形的掩膜板；在基底表面涂覆光刻膠；將所述掩膜板放置在所述基底表面的光刻膠上，并通過曝光顯影，將所述光刻膠上未被所述掩膜板覆蓋的部分去除，以使留在所述基底上的所述光刻膠的形狀與所述掩膜板的圖形相同；移除所述掩膜板，刻蝕所述基底上未被所述光刻膠覆蓋的部分，并去除留在所述基底上的所述光刻膠。
15.根據本發明的實施例，上述實施例的微環反射結構的制備方法，還包括：在所述微環波導的外圓側壁上鍍電極層，以調諧進入所述微環波導的預定激光的預定波長。
16.根據本發明上述實施例的用于外腔窄線寬激光器的微環反射結構，通過在微環波導的微環本體上一體地設置有反射部，將直波導設置在微環波導的外部，以使得在直波導內傳輸的輸入激光中具有預定波長的預定激光在直波導與微環波導最接近的部位耦合進入微環波導并傳輸到反射部，預定激光的一部分從反射部透射成為透射激光，另一部分從反射部反射成為反射激光，透射激光在微環波導中繼續沿原方向傳播、耦合回到直波導，并沿與輸入激光輸入直波導的方向相同的方向從直波導中輸出；反射激光在微環波導中被反射沿反方向傳播、耦合回到直波導，并沿與輸入激光輸入直波導的方向相反的方向從直波導中輸出。由此，改變了激光在微環波導內部傳播的單向性，減小了輸入輸出耦合損耗、有利于壓窄激光線寬。
附圖說明
17.圖1是根據本發明的一種實施例的用于外腔窄線寬激光器的微環反射結構的平面示意圖；
18.圖2是圖1中m部分的放大示意圖；
19.圖3是圖1中m部分沿n-n線剖開的剖視圖；以及
20.圖4是根據本發明的另一種實施例的環形本體和反射部的放大示意圖。
21.圖中：
22.1-微環波導；11-環形本體；12，12
’?
反射部；
23.2-直波導。
具體實施方式
24.為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
25.根據本發明一個方面的發明構思，提供了一種用于外腔窄線寬激光器的微環反射結構，包括：微環波導，微環波導包括環形本體，環形本體上一體成型地設置有反射部；以及直波導，設置在微環波導的外部，以使在直波導內傳輸的輸入激光中具有預定波長的預定激光在直波導與微環波導最接近的部位耦合進入微環波導并傳輸到反射部，預定激光的一部分從反射部透射成為透射激光，另一部分從反射部反射成為反射激光，其中，透射激光在微環波導中繼續沿原方向傳播、耦合回到直波導，并沿與輸入激光輸入直波導的方向相同的方向從直波導中輸出；反射激光在微環波導中被反射沿反方向傳播、耦合回到直波導，并沿與輸入激光輸入直波導的方向相反的方向從直波導中輸出。
26.圖1是根據本發明的一種實施例的用于外腔窄線寬激光器的微環反射結構的平面示意圖；圖2是圖1中m部分的放大示意圖。
27.根據本發明的示例性實施例，請參照圖1-2，提供了一種用于外腔窄線寬激光器的微環反射結構，包括微環波導1以及直波導2。微環波導1包括環形本體11，環形本體11上一體成型地設置有反射部12。直波導2設置在微環波導1的外部，以使在直波導2內傳輸的輸入激光中具有預定波長的預定激光在直波導2與微環波導1最接近的部位耦合進入微環波導1并傳輸到反射部12，預定激光的一部分從反射部12透射成為透射激光，另一部分從反射部12反射成為反射激光。其中，透射激光在微環波導1中繼續沿原方向傳播、耦合回到直波導2，并沿與輸入激光輸入直波導2的方向相同的方向從直波導2中輸出；反射激光在微環波導1中被反射沿反方向傳播、耦合回到直波導2，并沿與輸入激光輸入直波導2的方向相反的方向從直波導2中輸出。
28.通過上述設置方式，環形本體11上一體成型設置的反射部12能夠改變微環本體11該位置處的局部折射率，改變了激光在微環波導1內傳播的單向性。以使在直波導2內傳輸的輸入激光中具有預定波長的預定激光在直波導2與微環波導1最接近的部位耦合進入微環波導1并沿圖1中箭頭a的方向傳輸到反射部12，預定激光的一部分從反射部12透射成為透射激光后，繼續沿圖1中箭頭a的方向傳播、耦合回到直波導2，并沿與輸入激光輸入直波導2的方向相同的方向從直波導2中輸出；另一部分從反射部12反射成為反射激光后，沿圖1中箭頭b的方向傳播、耦合回到直波導2，并沿與輸入激光輸入直波導2的方向相反的方向從直波導2中輸出。由于微環波導1的環形結構的周期性，即使單個反射很弱，這種微小的反射也會導致反射激光相干增強。因此，透射激光和反射激光相互耦合成兩個新的共振態，具有混合的反射激光/透射激光波性質。改變了激光在微環波導1中傳播的單向性，減小了輸入輸出耦合損耗、有利于壓窄激光線寬。
29.在一些示例性實施例中，參照圖1-2，反射部12設置在微環波導1的與直波導2相對的部位的中間位置，反射部12在徑向方向上的高度大于微環波導1在徑向方向上的高度。
30.在本實施例中，反射部12在徑向方向上的高度大于微環波導1在徑向方向上的高度，以使得反射部12具有在微環波導1的徑向方向上局部加高的加高部，以改變反射部12所
在位置的微環波導1的局部折射率，改變了激光在微環波導1中傳播的單向性，以使耦合進入微環波導1的輸入激光中具有預定波長的預定激光傳輸到反射部12，預定激光的一部分能夠從反射部12透射，繼續沿原方向傳播，另一部分能夠從反射部12反射，沿反方向傳播。
31.在一些示例性實施例中，參照圖1-2，反射部12沿微環波導1的周向方向的寬度為1.0μm-1.6μm，反射部12沿微環波導1的徑向方向的高度為1.0μm-2.2μm。
32.在本實施例中，反射部12沿微環波導1的周向方向的寬度優選為1.5μm，反射部12沿微環波導1的徑向方向的高度優選為1.8μm。
33.圖3是圖1中m部分沿n-n線剖開的剖視圖。
34.在一些示例性實施例中，參照圖1和圖3，微環波導1沿徑向方向的高度為0.5μm-1.5μm，微環波導1和反射部12沿微環波導1的軸向方向的厚度為0.3μm-0.6μm，微環波導1的半徑為200μm-400μm。
35.在本實施例中，微環波導1沿徑向方向的高度優選為1μm，微環波導1和反射部12沿微環波導1的軸向方向的厚度優選為0.45μm，微環波導1的半徑優選為300μm。
36.在一些示例性實施例中，參照圖1，微環波導1與直波導2之間的耦合距離為0.7μm-0.9μm。
37.在本實施例中，微環波導1與直波導2之間的耦合距離指的是微環波導1與直波導2之間的間距。
38.需要說明的是，根據倏逝波耦合理論，當微環波導1與直波導2之間的間距在一定范圍內，在直波導2內傳輸的輸入激光中具有預定波長的預定激光能夠在直波導2與微環波導1最接近的部位耦合進入微環波導1內，并在微環波導1內傳輸，當該激光再次傳輸到直波導2與微環波導1最接近的部位時，再次耦合進入直波導2內，并在直波導2內傳輸。
39.此外，通過調整微環波導1與直波導2之間的間距，當微環波導1與直波導2之間的間距調整到某一特定數值時，能夠使得在直波導2內傳輸的輸入激光中具有預定波長的預定激光能夠在直波導2與微環波導1最接近的部位全部耦合進入微環波導1內。
40.在一些示例性實施例中，環形本體11的外圓側壁上鍍有電極層(圖中未示出)，以調諧進入微環波導1的預定激光的預定波長。
41.基于微環波導1本身的特性，當微環波導1的半徑設定后，能夠耦合進入該微環波導1內的預定激光的波長則為固定的幾個波長值，也就是說，只有具有這幾種波長值的預定激光才能夠耦合進入微環波導1內，其他波長的激光則不能耦合進入微環波導1內。
42.由此，這就限制了直波導2與微環波導1之間的耦合傳輸，為了方便滿足其他波長的預定激光能夠耦合進入微環波導1內，且不需要變更微環波導1的半徑尺寸，在本實施例中，通過在微環波導1的環形本體11的外圓側壁上鍍電極層，以調諧進入微環波導1預定激光的預定波長，以滿足不同波長的預定激光能夠在直波導2與微環波導1之間耦合傳輸。
43.在一些示例性實施例中，微環波導1的材質為絕緣襯底上的硅或者氮化硅或者薄膜鈮酸鋰。
44.需要說明的是，基于微環波導1的材質不同，當選取絕緣襯底上的硅或者氮化硅作為微環波導1的材質時，在微環波導1的環形本體11的外圓側壁上鍍有電極層，能夠產生熱電效應，以調諧進入微環波導1預定激光的預定波長；當選取薄膜鈮酸鋰作為微環波導1的材質時，在微環波導1的環形本體11的外圓側壁上鍍有電極層，能夠產生光電效應，以調諧
進入微環波導1預定激光的預定波長。
45.在一些示例性實施例中，反射部12具有在微環波導1的徑向方向上局部變窄的收縮部或者反射部12具有在微環波導1的軸向方向上局部變厚的加厚部。圖1-3示出了反射部12具有在微環波導1的軸向方向上局部變厚的加厚部的實施例，其中反射部12的橫截面積相對于環形本體11的橫截面積變大。
46.圖4是根據本發明的另一種實施例的環形本體和反射部的放大示意圖。
47.在圖4所示的實施例中，反射部12’具有在微環波導1的徑向方向上局部變窄的收縮部，其中反射部12’的橫截面積相對于環形本體11的橫截面積變小。
48.在本實施例中，還可以將反射部12構造成具有在微環波導1的徑向方向上局部變窄的收縮部或者將反射部12構造成具有在微環波導1的軸向方向上局部變厚的加厚部，以改變反射部12所在位置的微環波導1的局部折射率，改變激光在微環波導1內部傳播的單向性，以使耦合進入微環波導1的輸入激光中具有預定波長的預定激光傳輸到反射部12，預定激光的一部分能夠從反射部12透射，繼續沿原方向傳播，另一部分能夠從反射部12反射，沿反方向傳播。
49.根據本發明的示例性實施例，提供了一種上述實施例的微環反射結構的制備方法，包括步驟一至步驟四。
50.步驟一，制作具有微環波導1的圖形和直波導2的圖形的掩膜板。
51.步驟二，在基底表面涂覆光刻膠。
52.步驟三，將掩膜板放置在基底表面的光刻膠上，并通過曝光顯影，將光刻膠上未被掩膜板覆蓋的部分去除，以使留在基底上的光刻膠的形狀與掩膜板的圖形相同。
53.步驟四，移除掩膜板，刻蝕基底上未被光刻膠覆蓋的部分，并去除留在基底上的光刻膠。
54.在一些示例性實施例中，上述實施例的微環反射結構的制備方法還包括在微環波導1的外圓側壁上鍍電極層，以調諧進入微環波導1的預定激光的預定波長。
55.以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。