用于外腔窄线宽激光器的微环反射结构及制备方法

1.本发明涉及光电子领域，尤其涉及一种用于外腔窄线宽激光器的微环反射结构及制备方法。


背景技术：

2.随着科技发展，超窄线宽激光器需求广泛，在高性能相干通信、高分辨率光传感、高分辨光谱仪以及量子信息科学均有应用。
3.尽管，目前商用固态激光器和光纤激光器表现出高性能、窄线宽，但这些器件通常由具有大尺寸的分立元件组成，这对于与其他片上光学微系统集成是一个挑战。因此，考虑到尺寸、重量和功率等关键工作参数，芯片级半导体激光器是更有利的选择。然而由于半导体激光器的固有线宽最终受到激光腔的小尺寸限制，通常线宽在mhz范围内，这并不能满足前述应用的窄线宽要求。近年来，随着工艺条件的提高，人们对基于微环的外腔半导体激光器产生了极大的兴趣。这种方案对于实现紧凑型窄线宽激光器很有吸引力，因为基于微环的外腔结构具有滤波功能，其环形结构也增加了外腔的光学长度，同时片上微环也给外腔激光器芯片集成提供了方案。由于采用注入锁定原理，需要对激光器芯片输出的激光进行滤波，再反馈回到芯片之中，能够诱导内部光场，使其锁定到外部谐振腔模式中，实现整体光学品质因子的提高和激光线宽的压窄。
4.现有技术中，基于微环的外腔窄线宽激光器主要分为两种，基于组合微环的外腔窄线宽激光器和基于高q值(q值是衡量光学谐振腔的储能和选择频率的能力)的外腔窄线宽激光器。但是，上述现有技术中基于微环的外腔窄线宽激光器通常存在输入输出耦合损耗较大、不利于压窄激光线宽、结构复杂、体积大等问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的实施例提供了一种用于外腔窄线宽激光器的微环反射结构及制备方法，能够有助于压窄激光线宽、减小外腔窄线宽激光器的体积。
6.根据本发明的实施例，提供了一种用于外腔窄线宽激光器的微环反射结构，包括：微环波导，包括环形本体，所述环形本体上一体成型地设置有反射部；以及直波导，设置在所述微环波导的外部，以使在所述直波导内传输的输入激光中具有预定波长的预定激光在所述直波导与所述微环波导最接近的部位耦合进入所述微环波导并传输到所述反射部，所述预定激光的一部分从所述反射部透射成为透射激光，另一部分从所述反射部反射成为反射激光，其中，所述透射激光在所述微环波导中继续沿原方向传播、耦合回到所述直波导，并沿与所述输入激光输入所述直波导的方向相同的方向从所述直波导中输出；所述反射激光在所述微环波导中被反射沿反方向传播、耦合回到所述直波导，并沿与所述输入激光输入所述直波导的方向相反的方向从所述直波导中输出。
7.根据本发明的实施例，所述反射部设置在所述微环波导的与所述直波导相对的部位的中间位置，所述反射部在径向方向上的高度大于所述微环波导在径向方向上的高度。
8.根据本发明的实施例，所述反射部沿所述微环波导的周向方向的宽度为1.0μm-1.6μm，所述反射部沿所述微环波导的径向方向的高度为1.0μm-2.2μm。
9.根据本发明的实施例，所述微环波导沿所述径向方向的高度为0.5μm-1.5μm，所述微环波导和所述反射部沿所述微环波导的轴向方向的厚度为0.3μm-0.6μm，所述微环波导的半径为200μm-400μm。
10.根据本发明的实施例，所述微环波导与所述直波导之间的耦合距离为0.7μm-0.9μm。
11.根据本发明的实施例，所述环形本体的外圆侧壁上镀有电极层，以调谐进入所述微环波导的预定激光的预定波长。
12.根据本发明的实施例，所述微环波导的材质为绝缘衬底上的硅或者氮化硅或者薄膜铌酸锂。
13.根据本发明的实施例，所述反射部具有在所述微环波导的径向方向上局部变窄的收缩部或者所述反射部具有在所述微环波导的轴向方向上局部变厚的加厚部。
14.根据本发明的实施例，还提供了一种上述实施例的微环反射结构的制备方法，包括：制作具有所述微环波导的图形和所述直波导的图形的掩膜板；在基底表面涂覆光刻胶；将所述掩膜板放置在所述基底表面的光刻胶上，并通过曝光显影，将所述光刻胶上未被所述掩膜板覆盖的部分去除，以使留在所述基底上的所述光刻胶的形状与所述掩膜板的图形相同；移除所述掩膜板，刻蚀所述基底上未被所述光刻胶覆盖的部分，并去除留在所述基底上的所述光刻胶。
15.根据本发明的实施例，上述实施例的微环反射结构的制备方法，还包括：在所述微环波导的外圆侧壁上镀电极层，以调谐进入所述微环波导的预定激光的预定波长。
16.根据本发明上述实施例的用于外腔窄线宽激光器的微环反射结构，通过在微环波导的微环本体上一体地设置有反射部，将直波导设置在微环波导的外部，以使得在直波导内传输的输入激光中具有预定波长的预定激光在直波导与微环波导最接近的部位耦合进入微环波导并传输到反射部，预定激光的一部分从反射部透射成为透射激光，另一部分从反射部反射成为反射激光，透射激光在微环波导中继续沿原方向传播、耦合回到直波导，并沿与输入激光输入直波导的方向相同的方向从直波导中输出；反射激光在微环波导中被反射沿反方向传播、耦合回到直波导，并沿与输入激光输入直波导的方向相反的方向从直波导中输出。由此，改变了激光在微环波导内部传播的单向性，减小了输入输出耦合损耗、有利于压窄激光线宽。
附图说明
17.图1是根据本发明的一种实施例的用于外腔窄线宽激光器的微环反射结构的平面示意图；
18.图2是图1中m部分的放大示意图；
19.图3是图1中m部分沿n-n线剖开的剖视图；以及
20.图4是根据本发明的另一种实施例的环形本体和反射部的放大示意图。
21.图中：
22.1-微环波导；11-环形本体；12，12
’‑
反射部；
23.2-直波导。
具体实施方式
24.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。
25.根据本发明一个方面的发明构思，提供了一种用于外腔窄线宽激光器的微环反射结构，包括：微环波导，微环波导包括环形本体，环形本体上一体成型地设置有反射部；以及直波导，设置在微环波导的外部，以使在直波导内传输的输入激光中具有预定波长的预定激光在直波导与微环波导最接近的部位耦合进入微环波导并传输到反射部，预定激光的一部分从反射部透射成为透射激光，另一部分从反射部反射成为反射激光，其中，透射激光在微环波导中继续沿原方向传播、耦合回到直波导，并沿与输入激光输入直波导的方向相同的方向从直波导中输出；反射激光在微环波导中被反射沿反方向传播、耦合回到直波导，并沿与输入激光输入直波导的方向相反的方向从直波导中输出。
26.图1是根据本发明的一种实施例的用于外腔窄线宽激光器的微环反射结构的平面示意图；图2是图1中m部分的放大示意图。
27.根据本发明的示例性实施例，请参照图1-2，提供了一种用于外腔窄线宽激光器的微环反射结构，包括微环波导1以及直波导2。微环波导1包括环形本体11，环形本体11上一体成型地设置有反射部12。直波导2设置在微环波导1的外部，以使在直波导2内传输的输入激光中具有预定波长的预定激光在直波导2与微环波导1最接近的部位耦合进入微环波导1并传输到反射部12，预定激光的一部分从反射部12透射成为透射激光，另一部分从反射部12反射成为反射激光。其中，透射激光在微环波导1中继续沿原方向传播、耦合回到直波导2，并沿与输入激光输入直波导2的方向相同的方向从直波导2中输出；反射激光在微环波导1中被反射沿反方向传播、耦合回到直波导2，并沿与输入激光输入直波导2的方向相反的方向从直波导2中输出。
28.通过上述设置方式，环形本体11上一体成型设置的反射部12能够改变微环本体11该位置处的局部折射率，改变了激光在微环波导1内传播的单向性。以使在直波导2内传输的输入激光中具有预定波长的预定激光在直波导2与微环波导1最接近的部位耦合进入微环波导1并沿图1中箭头a的方向传输到反射部12，预定激光的一部分从反射部12透射成为透射激光后，继续沿图1中箭头a的方向传播、耦合回到直波导2，并沿与输入激光输入直波导2的方向相同的方向从直波导2中输出；另一部分从反射部12反射成为反射激光后，沿图1中箭头b的方向传播、耦合回到直波导2，并沿与输入激光输入直波导2的方向相反的方向从直波导2中输出。由于微环波导1的环形结构的周期性，即使单个反射很弱，这种微小的反射也会导致反射激光相干增强。因此，透射激光和反射激光相互耦合成两个新的共振态，具有混合的反射激光/透射激光波性质。改变了激光在微环波导1中传播的单向性，减小了输入输出耦合损耗、有利于压窄激光线宽。
29.在一些示例性实施例中，参照图1-2，反射部12设置在微环波导1的与直波导2相对的部位的中间位置，反射部12在径向方向上的高度大于微环波导1在径向方向上的高度。
30.在本实施例中，反射部12在径向方向上的高度大于微环波导1在径向方向上的高度，以使得反射部12具有在微环波导1的径向方向上局部加高的加高部，以改变反射部12所
在位置的微环波导1的局部折射率，改变了激光在微环波导1中传播的单向性，以使耦合进入微环波导1的输入激光中具有预定波长的预定激光传输到反射部12，预定激光的一部分能够从反射部12透射，继续沿原方向传播，另一部分能够从反射部12反射，沿反方向传播。
31.在一些示例性实施例中，参照图1-2，反射部12沿微环波导1的周向方向的宽度为1.0μm-1.6μm，反射部12沿微环波导1的径向方向的高度为1.0μm-2.2μm。
32.在本实施例中，反射部12沿微环波导1的周向方向的宽度优选为1.5μm，反射部12沿微环波导1的径向方向的高度优选为1.8μm。
33.图3是图1中m部分沿n-n线剖开的剖视图。
34.在一些示例性实施例中，参照图1和图3，微环波导1沿径向方向的高度为0.5μm-1.5μm，微环波导1和反射部12沿微环波导1的轴向方向的厚度为0.3μm-0.6μm，微环波导1的半径为200μm-400μm。
35.在本实施例中，微环波导1沿径向方向的高度优选为1μm，微环波导1和反射部12沿微环波导1的轴向方向的厚度优选为0.45μm，微环波导1的半径优选为300μm。
36.在一些示例性实施例中，参照图1，微环波导1与直波导2之间的耦合距离为0.7μm-0.9μm。
37.在本实施例中，微环波导1与直波导2之间的耦合距离指的是微环波导1与直波导2之间的间距。
38.需要说明的是，根据倏逝波耦合理论，当微环波导1与直波导2之间的间距在一定范围内，在直波导2内传输的输入激光中具有预定波长的预定激光能够在直波导2与微环波导1最接近的部位耦合进入微环波导1内，并在微环波导1内传输，当该激光再次传输到直波导2与微环波导1最接近的部位时，再次耦合进入直波导2内，并在直波导2内传输。
39.此外，通过调整微环波导1与直波导2之间的间距，当微环波导1与直波导2之间的间距调整到某一特定数值时，能够使得在直波导2内传输的输入激光中具有预定波长的预定激光能够在直波导2与微环波导1最接近的部位全部耦合进入微环波导1内。
40.在一些示例性实施例中，环形本体11的外圆侧壁上镀有电极层(图中未示出)，以调谐进入微环波导1的预定激光的预定波长。
41.基于微环波导1本身的特性，当微环波导1的半径设定后，能够耦合进入该微环波导1内的预定激光的波长则为固定的几个波长值，也就是说，只有具有这几种波长值的预定激光才能够耦合进入微环波导1内，其他波长的激光则不能耦合进入微环波导1内。
42.由此，这就限制了直波导2与微环波导1之间的耦合传输，为了方便满足其他波长的预定激光能够耦合进入微环波导1内，且不需要变更微环波导1的半径尺寸，在本实施例中，通过在微环波导1的环形本体11的外圆侧壁上镀电极层，以调谐进入微环波导1预定激光的预定波长，以满足不同波长的预定激光能够在直波导2与微环波导1之间耦合传输。
43.在一些示例性实施例中，微环波导1的材质为绝缘衬底上的硅或者氮化硅或者薄膜铌酸锂。
44.需要说明的是，基于微环波导1的材质不同，当选取绝缘衬底上的硅或者氮化硅作为微环波导1的材质时，在微环波导1的环形本体11的外圆侧壁上镀有电极层，能够产生热电效应，以调谐进入微环波导1预定激光的预定波长；当选取薄膜铌酸锂作为微环波导1的材质时，在微环波导1的环形本体11的外圆侧壁上镀有电极层，能够产生光电效应，以调谐
进入微环波导1预定激光的预定波长。
45.在一些示例性实施例中，反射部12具有在微环波导1的径向方向上局部变窄的收缩部或者反射部12具有在微环波导1的轴向方向上局部变厚的加厚部。图1-3示出了反射部12具有在微环波导1的轴向方向上局部变厚的加厚部的实施例，其中反射部12的横截面积相对于环形本体11的横截面积变大。
46.图4是根据本发明的另一种实施例的环形本体和反射部的放大示意图。
47.在图4所示的实施例中，反射部12’具有在微环波导1的径向方向上局部变窄的收缩部，其中反射部12’的横截面积相对于环形本体11的横截面积变小。
48.在本实施例中，还可以将反射部12构造成具有在微环波导1的径向方向上局部变窄的收缩部或者将反射部12构造成具有在微环波导1的轴向方向上局部变厚的加厚部，以改变反射部12所在位置的微环波导1的局部折射率，改变激光在微环波导1内部传播的单向性，以使耦合进入微环波导1的输入激光中具有预定波长的预定激光传输到反射部12，预定激光的一部分能够从反射部12透射，继续沿原方向传播，另一部分能够从反射部12反射，沿反方向传播。
49.根据本发明的示例性实施例，提供了一种上述实施例的微环反射结构的制备方法，包括步骤一至步骤四。
50.步骤一，制作具有微环波导1的图形和直波导2的图形的掩膜板。
51.步骤二，在基底表面涂覆光刻胶。
52.步骤三，将掩膜板放置在基底表面的光刻胶上，并通过曝光显影，将光刻胶上未被掩膜板覆盖的部分去除，以使留在基底上的光刻胶的形状与掩膜板的图形相同。
53.步骤四，移除掩膜板，刻蚀基底上未被光刻胶覆盖的部分，并去除留在基底上的光刻胶。
54.在一些示例性实施例中，上述实施例的微环反射结构的制备方法还包括在微环波导1的外圆侧壁上镀电极层，以调谐进入微环波导1的预定激光的预定波长。
55.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。