高功率、窄線寬的混合集成外腔半導體激光器在空間相干激光通信、激光雷達、光學傳感等領域中有著廣泛應用。隨著相干激光通信技術的迅猛發(fā)展，1.55 μm波段高功率窄線寬半導體激光器性能得到了非常明顯的提升。

據麥姆斯咨詢報道，為了削弱波導模式的限制，改善芯片耦合效率，進一步提升激光器的輸出功率和壓窄線寬，中國科學院上海光學精密機械研究所、大連理工大學等機構的研究人員聯(lián)合提出一種混合集成高功率窄線寬激光器方案并研制成功，實現(xiàn)了激光線寬小于8 kHz，調諧范圍為55 nm，保偏輸出功率為220 mW。相關研究成果已發(fā)表于《中國激光》期刊。

該混合集成激光器由GaAs半導體光放大器（SOA）、InP增益芯片、Si3N4雙微環(huán)窄帶濾波芯片、準直透鏡和保偏光纖準直器構成。增益芯片與Si3N4芯片采用端面耦合方式進行對準以構成外腔激光器，Si3N4芯片上設計模斑轉換器、雙微環(huán)濾波器、相位調節(jié)和功率調節(jié)四個部分，其中模斑轉換器用于匹配增益芯片的模場、增大耦合效率，高Q值雙微環(huán)濾波器用于實現(xiàn)激光器的選頻和線寬壓窄。

增益芯片的背向窄線寬激光被耦合到SOA芯片中進行光功率放大，考慮到增益芯片與SOA模場尺寸的差別及熱串擾的影響，采用雙準直透鏡結構提高耦合效率。SOA放大后的激光被耦合到保偏光纖準直器中，實現(xiàn)了高功率窄線寬的激光保偏輸出。增益芯片長度為1 mm，前端面鍍有增透膜，反射率為0.01%。Si3N4波導損耗小于0.1 dB/cm。SOA芯片左右兩側均鍍有抗反射膜，最大工作電流為1.5 A，在光波長為1550 nm、輸入光功率為10 mW時放大系數(shù)大于25 dB。

混合集成半導體激光器：（a）結構示意圖；（b）蝶形封裝成品

研究人員對該激光器的性能進行了驗證。在溫度為22.2℃時，分別在100、150、200 mA增益芯片電流下進行了測試。結果表明，當SOA電流為1.2 A、增益芯片電流為200 mA時，可以實現(xiàn)226.3 mW的光纖耦合功率輸出，耦合效率為90.34%。通過調節(jié)外腔芯片上的相位和微環(huán)上的電極功率，可以在1529~1584 nm范圍內實現(xiàn)激光器調諧，該范圍覆蓋增益芯片的增益譜。該激光器在不同中心波長下，實現(xiàn)了窄線寬激光輸出，激光線寬為2~8 kHz。

激光器性能測試結果：（a）功率-電流曲線；（b）波長調諧曲線；（c）頻率噪聲曲線

研究人員稱，下一步工作將著力優(yōu)化激光器的驅動控制電路，實現(xiàn)激光器波長的精準控制，改善SOA的工作效率，提高激光器的輸出功率。

審核編輯：劉清