多波长集成单模激光种子源的制作方法

1.本发明涉及光电子器件领域，尤其涉及一种拓展短波红外波段多波长集成单模激光种子源。


背景技术：

2.拓展短波红外波段存在多种气体分子的特征吸收峰，同时也是大气窗口波段和人眼安全波段，拓展短波红外波段的单模激光器在气体检测以及遥感大气污染物监测等领域有重要的应用。gasb材料体系相对较窄的带隙在红外波段具有先天的优势，然而普通的f
‑
p腔半导体激光器多模工作的特点难以适合高速、高精度的多种气体检测应用。
3.相较于常见的实现单纵模波长稳定的方法，如分布式反馈结构(dfb结构)和分布式布拉格反射结构(dbr结构)，光纤光栅外腔结构能够赋予激光器高功率和窄线宽，同时具有波长精准、光纤输出和温度稳定性好等优势，但相应的，光纤光栅几乎调谐范围极小，一支光纤光栅外腔激光器件通常只能实现单一波长的输出，这限制了其在实际复杂气体检测和环境多污染物检测中的应用。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.有鉴于此，为了能够解决一个器件输出多个拓展短波红外波段范围的波长的单模激光，实现对该波段多个气体检测关键波长的覆盖的技术问题，本发明提供了一种多波长集成单模激光种子源，其适用波段范围为拓展短波红外波段。
6.(二)技术方案
7.为了实现上述目的，本发明提供了一种多波长集成单模激光种子源，包括：一个集成温控的旋转平台；多个激光器管芯，多个激光器管芯具有不同的特定增益谱峰值；一个光纤分束器，包括：输入端的一支输入光纤和输出端的多支光纤光栅，其中，输入光纤固定于与激光器管芯耦合的最佳位置处，多支光纤光栅用于同时接收与输入光纤耦合的激光器管芯输出的激光，其中，每支光纤光栅分别具有与每个激光器管芯增益谱峰值对应的光栅反射谱，能够对相应的激光器管芯进行选模，实现特定波长的单模激光输出。
8.根据本发明的实施例，多波长集成单模激光种子源还包括：双透镜，包括准直透镜和聚焦透镜，设置于激光器管芯与输入光纤之间，形成一条耦合光路，实现每个激光器管芯与输入光纤的耦合，其中，多个激光器管芯共用一条耦合光路；两个探针，设置于旋转平台上，用于为激光器管芯通电产生激光。
9.根据本发明的实施例，其中，双透镜采用非球面透镜，双透镜的表面均增镀第一增透膜，第一增透膜在拓展短波红外波段范围的透射率低于1.5％。
10.根据本发明的实施例，其中，双透镜与输入光纤经过位置校准后固定于基座上；两个探针设置于旋转平台上的位置，以保证激光器管芯与双透镜、输入光纤共轴。
11.根据本发明的实施例，其中，增益谱峰值和光栅反射谱特定波长范围均为拓展短
波红外波段，拓展短波红外波段为1900nm～2400nm。
12.根据本发明的实施例，其中，多个激光器管芯设置于旋转平台上，旋转平台通过电极控制实现多个激光器管芯的位置切换；光纤分束器经过位置校准后固定于基座上。
13.根据本发明的实施例，其中，激光器管芯为gasb基量子阱激光器，激光器管芯为脊型波导结构，脊宽为4～10μm。
14.根据本发明的实施例，其中，激光器管芯的前腔面增镀增透膜，增透膜的反射率低于1％。
15.根据本发明的实施例，其中，激光器管芯的增益谱全宽为60～80nm；激光器管芯的工作温度为0～20℃；激光器管芯的注入电流为50～500ma。
16.根据本发明的实施例，其中，多个光纤光栅具有相同的峰值反射率和反射谱中心峰值带宽，峰值反射率为30％～50％，反射谱中心峰值带宽为0.02～0.1nm。
17.(三)有益效果
18.从以上技术方案可以看出，本发明提供的多波长集成单模激光种子源源具有以下有益效果：
19.(1)、本发明基于光纤光栅外腔半导体激光器实现单模激射，保证了高波长精准性和高输出功率，集成多支半导体激光器管芯扩展增益谱覆盖范围，可以实现1900～2400nm拓展短波红外波段的单纵模激光的光纤输出，从而实现拓展短波红外波段多个气体检测关键波长的覆盖。
20.(2)、本发明通过共用的耦合光路降低器件制备的难度和成本，光模块整体结构紧凑，器件特征尺寸减小，成本低，光纤或空间光输出使用灵活，同时具有良好的单模光学性能，非常适合作为种子源在气体检测和大气污染物检测等诸多方面得到应用。
附图说明
21.图1示意性示出了根据本发明实施例的多波长集成单模激光种子源的结构示意图；
22.图2示意性示出了根据本发明实施例的多波长集成单模激光种子源输出的1940nm单纵模光谱的模拟图；
23.图3示意性示出了根据本发明实施例的多波长集成单模激光种子源输出的2004nm单纵模光谱的模拟图；
24.图4示意性示出了根据本发明实施例的多波长集成单模激光种子源输出的2347nm单纵模光谱的模拟图。
25.【附图标记说明】
[0026]1‑
第一激光器管芯；2
‑
第二激光器管芯；3
‑
第三激光器管芯；4
‑
光纤分束器；5
‑
准直透镜；6
‑
聚焦透镜；7
‑
第一探针；8
‑
第二探针；9
‑
集成温控的旋转平台；10
‑
电机；11
‑
输入光纤；12
‑
第一光纤光栅；13
‑
第二光纤光栅；14
‑
第三光纤光栅；15
‑
第一尾纤；16
‑
第二尾纤；17
‑
第三尾纤；18
‑
基座。
具体实施方式
[0027]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照
附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0028]
光纤光栅外腔半导体激光器在光纤耦合输出的f
‑
p腔半导体激光器的基础上，管芯前腔面镀反射率低的增透膜，增加端面损耗抑制内腔模式，同时光纤内部通过紫外光刻写入周期折射率调制的布拉格光栅，与激光器后腔面组成谐振外腔，实现对激光纵模的筛选。
[0029]
基于上述发明构思，本发明提供了一种多波长集成单模激光种子源，其适用波段范围为拓展短波红外波段，以解决单个器件输出多个拓展短波红外波段范围的波长的单模激光，实现对该波段多个气体检测关键波长的覆盖的技术问题。
[0030]
本发明提出了一种多波长集成单模激光种子源，包括：一个集成温控的旋转平台，多个激光器管芯，一个光纤分束器，双透镜，两个探针。其中，
[0031]
一个集成温控的旋转平台，用于每个激光器管芯达到特定位置时通电工作。
[0032]
多个激光器管芯，设置于集成温控的旋转平台上，每个激光器管芯具有分别具有不同的增益谱峰值。
[0033]
一个光纤分束器，包括：输入端的一支输入光纤和输出端的多支光纤光栅，其中，输入光纤固定于与激光器管芯耦合的最佳位置处，多支光纤光栅用于同时接收与输入光纤耦合的激光器管芯输出的激光，
[0034]
其中，每支光纤光栅分别具有与每个激光器管芯增益谱峰值对应的光栅反射谱，能够对相应的激光器管芯进行选模，实现特定多波长的单模激光，通过每个光纤光栅的尾纤输出。
[0035]
双透镜，包括准直透镜和聚焦透镜，设置于激光器管芯与输入光纤之间，形成一条耦合光路，实现每个激光器管芯与输入光纤的耦合，其中，多个激光器管芯共用一条耦合光路。
[0036]
两个探针，设置于旋转平台上方，用于为激光器器管芯通电产生激光。
[0037]
根据本发明的实施例，基于光纤光栅外腔半导体激光器实现单模激射，集成多支半导体激光器管芯扩展增益谱覆盖范围，可以实现1900～2400nm拓展短波红外波段的单纵模激光的光纤输出，从而实现拓展短波红外波段多个气体检测关键波长的覆盖。
[0038]
下面示意性以三个激光器管芯举例说明该多波长集成单模激光种子源的结构，该三个激光器管芯分别具有不同增益谱峰值的波长，分别为1940nm、2004nm、2327nm。需要说明的是，该举例说明只是本发明的具体实施例，并不能限制本发明的保护范围，本发明中的多个激光器管芯的数量不作具体限制，其增益谱峰值的波长范围为1900～2400nm之间，即为拓展短波红外波段。同理，光纤光栅的数量和波长范围与激光器管芯相对应的，在此不再赘述。
[0039]
图1示意性示出了根据本发明实施例的多波长集成单模激光种子源的结构示意图。
[0040]
如图1所示，该多波长集成单模激光种子源包括：第一激光器管芯1，第二激光器管芯2，第三激光器管芯3，光纤分束器4，双透镜，双透镜包括准直透镜5，聚焦透镜6，两个探针，即第一探针7和第二探针8，集成温控的旋转平台9。下面详细说明该具体实施例中多波长集成单模激光种子源的结构。第一激光器管芯1，第二激光器管芯2，第三激光器管芯3均设置于集成温控的旋转平台9上，集成温控的旋转平台9通过电机10控制实现三个激光器管
芯的位置切换。
[0041]
根据本发明的实施例，三个激光器管芯分别进行cos(chip on submount)封装，再贴装于集成温控的高精度电控旋转平台9上的规定位置。
[0042]
根据本发明的实施例，温控精度为0.01℃，能够保持激光器管芯工作温度恒定，防止激光器管芯因热效应而产生的模式跳变；旋转平台9的位移精度达到0.001
°
，由电机10控制实现。
[0043]
根据本发明的实施例，三个激光器管芯均为gasb基量子阱激光器，采用脊形波导结构，脊宽度4～10μm。第一激光器管芯1具有特定增益谱峰值1940nm，第二激光器管芯2具有特定增益谱峰值2004nm，第三激光器管芯3具有特定增益谱峰值2327nm。
[0044]
根据本发明的实施例，激光器管芯的前腔面增镀增透膜，增透膜的反射率低于1％；激光器管芯的增益谱全宽为60～80nm；激光器管芯的工作温度为0～20℃；激光器管芯的注入电流为50～500ma。
[0045]
根据本发明的实施例，通过在激光器管芯前腔面增镀反射率低于1％的增透膜，从而可抑制激光器的内腔模式，使光纤光栅与激光器管芯后腔面组成谐振外腔。
[0046]
通过本发明的实施例，拓展短波红外波段gasb基半导体激光器的增益谱全宽范围通常在60～80nm，单个激光器管芯难以覆盖整个1900nm～2400nm的拓展短波红外波段范围，本发明通过一个器件集成多个有源激光管芯覆盖整个拓展短波红外波段，并配合光纤光栅实现多波长的单模输出，扩展了实用的范围。准直透镜5和聚焦透镜6组成双透镜，双透镜经过位置校准后固定于基座18上。
[0047]
根据本发明的实施例，双透镜采用非球面透镜，双透镜的表面均增镀第一增透膜，第一增透膜在拓展短波红外波段范围的透射率低于1.5％。
[0048]
光纤分束器4包括输入端的输入光纤11和输出端的第一光纤光栅12，第二光纤光栅13，第三光纤光栅14。光纤分束器4经过位置校准后固定于基座18上。
[0049]
根据本发明的实施例，双透镜和光纤分束器4分别通过紫外固化和激光焊接方法固定在基座18上，该基座18的高度精确校准，保证双透镜与输入光纤11的高度与旋转平台9上的三个激光器管芯高度相匹配，从而保证耦合效率长期稳定。根据本发明的实施例，输入光纤11位于双透镜一侧，与双透镜形成一条光纤耦合光路，实现激光器管芯与输入光纤的耦合。第一探针7和第二探针8设置于旋转平台9的位置以保证激光器管芯与双透镜、输入光纤11共轴，保证三个激光器管芯共用一条光纤耦合光路。输入光纤11经过位置校准后固定于基座18上。
[0050]
根据本发明的实施例，通过共用的耦合光路降低器件制备的难度和成本，通过光纤光栅选模保证了高波长精准性和高输出功率，光模块整体结构紧凑，器件特征尺寸减小，成本降低，光纤或空间光输出使用灵活，同时具有良好的单模光学性能。
[0051]
根据本发明的实施例，光纤光栅用于同时接收与输入光纤耦合的激光器管芯输出的激光，三个光纤光栅的光栅反射谱特定波长与三个激光器管芯的增益谱峰值相对应，使得能够对相应的激光器管芯进行选模，实现特定波长的单模激光。
[0052]
根据本发明的实施例，光纤光栅的光栅反射谱特定波长与激光器管芯的增益谱峰值均为拓展短波红外波段，拓展短波红外波段为1900nm～2400nm。
[0053]
根据本发明的实施例，第一光纤光栅12、第二光纤光栅13，第三光纤光栅14的光栅
反射谱特定波长分别对应第一激光器管芯1，第二激光器管芯2，第三激光器管芯3的增益谱峰值的波长。
[0054]
根据本发明的实施例，第一光纤光栅12的反射谱峰值为1940nm，第二光纤光栅13的反射谱峰值为2004nm，第三光纤光栅14的反射谱峰值为2327nm。三个光纤光栅具有相同的峰值反射率和反射谱中心峰值带宽，峰值反射率为30％～50％，反射谱中心峰值带宽为0.02～0.1nm。
[0055]
根据本发明的实施例，光纤分束器4接收来自其中一个激光器管芯输出的激光，按强度等比例分成三部分，分别进入三支光纤光栅，光纤光栅能够提供极窄光谱范围的光反馈，从而实现特定波长的单纵模激射。
[0056]
根据本发明的实施例，三支光纤光栅的反射率峰值位置各不相同，仅与激光器增益谱峰值对应的一支光纤光栅为激光器提供反馈，也仅该支光纤尾纤输出单模激光。
[0057]
根据本发明的实施例，三个光纤光栅的尾部均设置尾纤，分别为第一尾纤15，第二尾纤16，第三尾纤17，用于单模激光的输出。
[0058]
第一探针7和第二探针8精确固定于旋转平台9上，当旋转平台9旋转至与其完全对应的位置时，第一探针7和第二探针8下压通电激发激光器管芯发出激光。
[0059]
根据本发明的实施例，完全对应的位置可以为与cos封装的正负极对应，第一探针7和第二探针8才能下压通电，实现激光器管芯激光的发射。
[0060]
根据本发明的实施例，第一探针7和第二探针8位置精确校准，用于保证三个激光器管芯与双透镜和输入光纤11共轴，从而保证激光器管芯与输入光纤11的光纤耦合效率。
[0061]
根据本发明的实施例，通过给电机10输入程序控制实现在三个激光器管芯高精度和高重复性的切换，保证三个激光器管芯能够共用耦合光路，同时保证切换激光器管芯后仍能维持稳定的耦合效率。
[0062]
根据本发明的实施例，激光器管芯与输入光纤11的耦合采用双非球面透镜的耦合来实现，也就是，激光器管芯经过准直透镜5和聚焦透镜6后耦合进入输入光纤11。
[0063]
根据本发明的实施例，由于不同波段的激光器在发散角和光束质量因子等耦合关键参数上略有差异，在切换激光器后，使用透镜组耦合方案不仅能够实现较高的耦合效率，同时具有更大的对发散角和偏移的容差度。
[0064]
通过本发明的实施例，基于光纤光栅外腔半导体激光器实现单模激射，集成多支半导体激光器管芯扩展增益谱覆盖范围，实现1940nm、2004nm和2327nm的单纵模激光的光纤输出，单个器件覆盖h2o、co2和ch4等分子的特征吸收峰，实现拓展短波红外波段多个气体关键波长的检测。
[0065]
图2示意性示出了根据本发明实施例的多波长集成单模激光种子源输出的1940nm单纵模光谱的模拟图。根据本发明的实施例，例如，第一激光器管芯1的增益谱中心波长为1940nm，第一光纤光栅12的反射谱中心波长与之对应，也为1940nm，则旋转平台9置于第一激光器管芯1工作位置时，第一光纤光栅12对应的第一尾纤15输出中心波长为1940nm的单模激光。
[0066]
例如，如图2所示，从光谱中可以看出，该多波长集成单模激光种子源器件可以实现特定波长1940nm的单纵模激射，实现气体检测中特定波长1940关键波长的覆盖。
[0067]
图3示意性示出了根据本发明实施例的多波长集成单模激光种子源输出的2004nm
单纵模光谱的模拟图；图4示意性示出了根据本发明实施例的多波长集成单模激光种子源输出的2347nm单纵模光谱的模拟图。
[0068]
根据本发明的实施例，调节往返旋转平台9，使得第二激光器管芯2置于规定位置，通过探针发电实现第二激光器管芯2的激光激射。第二激光器管芯2的增益谱中心波长为2004nm，第二光纤光栅13的反射谱中心波长与之对应，也为2004nm，则旋转平台9置于第二激光器管芯2工作位置时，第二光纤光栅13对应的第二尾纤16输出中心波长为2004nm的单模激光。
[0069]
根据本发明的实施例，同样地，调节往返旋转平台9，使得第三激光器管芯3置于规定位置，通过探针发电实现第三激光器管芯3的激光激射。第三激光器管芯3的增益谱中心波长为2327nm，第三光纤光栅14的反射谱中心波长之对应，也为2327nm，则旋转平台6置于第三激光器管芯3工作位置时，第三光纤光栅14对应的第三尾纤17输出中心波长为2327nm的单模激光。
[0070]
例如，结合图3至图4所示，从光谱中可以看出，该多波长集成单模激光种子源器件可以实现特定波长2004nm、2327nm的单纵模激射，实现气体检测中特定波长2004nm、2327nm关键波长的覆盖。
[0071]
在实际应用中，光纤光栅尾纤输出的单模激光既可通过接头转接实现光纤应用，也可增加透镜作为发散、汇聚于某位置或准直的空间光使用。
[0072]
需要说明的是，上述光谱图只是举例说明的几个特定波长的单模激射，并不用于限制本发明，本发明适用于拓展短波外波段的波长，即1900nm～2400nm的波长范围内，都可以实现特定波长的单模激射，实现拓展短波红外波段的多个气体检测关键波长的覆盖。
[0073]
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。