CN111313231B - 一种垂直腔面发射激光器及其控制方法与控制装置 - Google Patents

一种垂直腔面发射激光器及其控制方法与控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种垂直腔面发射激光器的控制方法，通过接收所述垂直腔面发射激光器的有源区的温度读数信号；根据所述温度读数信号，确定对应的腔长参数；依据所述腔长参数使所述垂直腔面发射激光器的外腔镜沿光路方向位移，从而对谐振腔模的腔长进行调节，使调节后的谐振腔驻波的波长与所述垂直腔面发射激光器的有源区增益谱峰值波长重合。本发明实现了在广温度范围内所述谐振腔驻波的波长与所述垂直腔面发射激光器的有源区增益谱峰值波长重合，在宽工作温度范围内实现面发射芯片有源区对谐振腔模的光增益最大化，提升输出光功率，降低了发射阈值。本发明同时还提供了一种具有上述有益效果的垂直腔面发射激光器的控制装置及垂直腔面发射激光器。

Description

一种垂直腔面发射激光器及其控制方法与控制装置
技术领域
本发明涉及新型半导体激光器技术领域，特别是涉及一种垂直腔面发射激光器及其控制方法与控制装置。
背景技术
垂直腔面发射激光器是发光方向垂直于芯片表面的一种半导体激光器，与传统边发射半导体激光器相比，具有超低电功率损耗、晶圆级直接检测、光纤耦合容易、单纵模激射以及可构建二维发光矩阵等天然优势。在垂直腔面发射激光器很具潜力的几个应用场景，比如原子钟、磁强计等传感应用，或者数据中心的高速数据传输应用等，通常要求光源具备高温工作能力。
而现有的相关商品及技术，通常采用通过在激光器设计中使腔模与有源区高温增益谱峰值波长重合，实现高温工作条件下依然保持高增益，但这样一来，反而使器件在常温条件或更宽的工作温度条件下的性能指标得不到优化，只要不在其器件预设的工作温度范围内，谐振腔驻波的波长便不能与有源区增益谱峰值波长重合，使光输出功率大幅下降。
因此，如何扩大垂直腔面发射激光器的工作温度范围，使其在较大的温度范围内均能实现高功率光输出，就成了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种垂直腔面发射激光器及其控制方法与控制装置，以解决现有技术中垂直腔面发射激光器能够保持高输出的工作温度范围过小，超出预设的范围后输出光功率迅速下降的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种垂直腔面发射激光器的控制方法，包括：
接收所述垂直腔面发射激光器的有源区的温度读数信号；
根据所述温度读数信号，确定对应的腔长参数；
依据所述腔长参数使所述垂直腔面发射激光器的外腔镜沿光路方向位移，从而对谐振腔模的腔长进行调节，使调节后的谐振腔的驻波的波长与所述垂直腔面发射激光器的有源区增益谱峰值波长重合。
可选地，在所述的垂直腔面发射激光器的控制方法中，在确定对应的腔长参数后，还包括：
根据所述确定对应的腔长参数，对所述谐振腔驻波的波腹的位置进行调节，使所述波腹与所述有源区的多量子阱位置重合。
一种垂直腔面发射激光器的控制装置，包括：
接收模块，用于接收所述垂直腔面发射激光器的有源区的温度读数信号；
确定模块，用于根据所述温度读数信号，确定对应的腔长参数；
调节模块，用于依据所述腔长参数使所述垂直腔面发射激光器的外腔镜沿光路方向位移，从而对谐振腔模的腔长进行调节，使调节后的谐振腔的驻波的波长与所述垂直腔面发射激光器的有源区增益谱峰值波长重合。
可选地，在所述的垂直腔面发射激光器的控制装置中，所述调节模块还包括：
波腹调节单元，用于根据所述确定对应的腔长参数，对所述谐振腔驻波的波腹的位置进行调节，使所述波腹与所述有源区的多量子阱位置重合。
一种垂直腔面发射激光器，包括面发射芯片、一个顶腔镜及一个底腔镜；
所述面发射芯片设置于所述顶腔镜及所述底腔镜之间；
所述顶腔镜及所述底腔镜中至少一个为外腔镜，所述外腔镜能延光路传播方向位移，实现对所述垂直腔面发射激光器的谐振腔腔长的调节。
可选地，在所述的垂直腔面发射激光器中，所述外腔镜为平凹透镜。
可选地，在所述的垂直腔面发射激光器中，所述平凹透镜的屈光面设置有宽带高反膜。
可选地，在所述的垂直腔面发射激光器中，与所述平凹透镜的屈光面相对的表面设置有宽带减反膜。
可选地，在所述的垂直腔面发射激光器中，所述面发射芯片的有源区为GaAs基有源区或InP基有源区或GaSb基有源区中任一个。
可选地，在所述的垂直腔面发射激光器中，所述垂直腔面发射激光器为长波长垂直腔面发射激光器；
所述顶腔镜及所述底腔镜均为外腔镜。
本发明所提供的垂直腔面发射激光器的控制方法，通过接收所述垂直腔面发射激光器的有源区的温度读数信号；根据所述温度读数信号，确定对应的腔长参数；依据所述腔长参数使所述垂直腔面发射激光器的外腔镜沿光路方向位移，从而对谐振腔模的腔长进行调节，使调节后的谐振腔的驻波的波长与所述垂直腔面发射激光器的有源区增益谱峰值波长重合。本发明根据所述有源区的温度，可得到在此温度下所述有源区的增益谱峰值波长，又由于所述谐振腔驻波的波长随着所述谐振腔的腔长进行改变，因此通过调节所述外腔镜的位置，即可实现对所述谐振腔腔长的改变，进而可对所述谐振腔驻波的进行调节，最终使所述谐振腔驻波的波长与所述垂直腔面发射激光器的有源区增益谱峰值波长重合，相比于现有技术的固定腔长的谐振腔，实现了在宽工作温度范围内实现面发射芯片有源区对谐振腔模的光增益最大化，提升输出光功率，降低了发射阈值。本发明同时还提供了一种具有上述有益效果的垂直腔面发射激光器的控制装置及垂直腔面发射激光器。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的垂直腔面发射激光器的控制方法的一种具体实施方式的流程示意图；
图2为本发明提供的垂直腔面发射激光器的控制方法的另一种具体实施方式的流程示意图；
图3为本发明提供的垂直腔面发射激光器的控制装置的一种具体实施方式的结构示意图；
图4为本发明提供的垂直腔面发射激光器的一种具体实施方式的结构示意图；
图5为本发明提供的垂直腔面发射激光器的另一种具体实施方式的结构示意图；
图6为本发明提供的垂直腔面发射激光器的又一种具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。
本发明的核心是提供一种垂直腔面发射激光器的控制方法，其一种具体实施方式的流程示意图如图1所示，称其为具体实施方式一，包括：
步骤S101：接收所述垂直腔面发射激光器的有源区的温度读数信号。
可预设采集所述温度读数信号的周期，即每隔一定时间采集一次所述有源区的温度，接收所述温度读数信号，也可采用人工指令的方式，即只有接受到人工发出的指令信号，才会采集所述有源区的温度，接收所述温度读数信号。
步骤S102：根据所述温度读数信号，确定对应的腔长参数。
***中可预存所述有源区在不同温度下对应的增益谱峰值波长，通过所述谐振腔的腔长与所述谐振腔驻波的波长的对应关系确定所述腔长参数。
步骤S103：依据所述腔长参数使所述垂直腔面发射激光器的外腔镜沿光路方向位移，从而对谐振腔模的腔长进行调节，使调节后的谐振腔的驻波的波长与所述垂直腔面发射激光器的有源区增益谱峰值波长重合。
本发明可实现在不停机的情况下对所述谐振腔的腔长进行调节。
本发明所提供的垂直腔面发射激光器的控制方法，通过接收所述垂直腔面发射激光器的有源区的温度读数信号；根据所述温度读数信号，确定对应的腔长参数；依据所述腔长参数使所述垂直腔面发射激光器的外腔镜沿光路方向位移，从而对谐振腔模的腔长进行调节，使调节后的谐振腔的驻波的波长与所述垂直腔面发射激光器的有源区增益谱峰值波长重合。本发明根据所述有源区的温度，可得到在此温度下所述有源区的增益谱峰值波长，又由于所述谐振腔驻波的波长随着所述谐振腔的腔长进行改变，因此通过调节所述外腔镜的位置，即可实现对所述谐振腔腔长的改变，进而可对所述谐振腔驻波的进行调节，最终使所述谐振腔驻波的波长与所述垂直腔面发射激光器的有源区增益谱峰值波长重合，相比于现有技术的固定腔长的谐振腔，实现了在宽工作温度范围内实现面发射芯片有源区对谐振腔模的光增益最大化，提升输出光功率，降低了发射阈值。
在具体实施方式一的基础上，进一步对所述谐振腔驻波的波腹的位置进行调节，得到具体实施方式二，其流程示意图如图2所示，包括：
步骤S201：接收所述垂直腔面发射激光器的有源区的温度读数信号。
步骤S202：根据所述温度读数信号，确定对应的腔长参数。
步骤S203：依据所述腔长参数使所述垂直腔面发射激光器的外腔镜沿光路方向位移，从而对谐振腔模的腔长进行调节，使调节后的谐振腔的驻波的波长与所述垂直腔面发射激光器的有源区增益谱峰值波长重合。
步骤S204：根据所述确定对应的腔长参数，对所述谐振腔驻波的波腹的位置进行调节，使所述波腹与所述有源区的多量子阱位置重合。
本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，本具体实施方式中进一步对所述谐振腔驻波的波腹的位置进行了调节，其余步骤均与上述具体实施方式相同，在此不再展开赘述。
本具体实施方式中，进一步对所述谐振腔驻波的波腹的位置进行了调节，由于所述谐振腔驻波为驻波，因此，通过在满足所述谐振腔驻波波长与所述有源区增益谱峰值波长重合的前提下，可通过调整所述有源区在所述谐振腔内的位置，实现谐振腔驻波的波腹位置的精密调节，这样每个量子阱的光增益可以有效耦合到腔模中，实现光增益的进一步最大化，提升输出光功率，降低发射阈值。
下面对本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的控制装置进行介绍，下文描述的垂直腔面发射激光器的控制装置与上文描述的垂直腔面发射激光器的控制方法可相互对应参照。
图3为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的控制装置的结构框图，参照图3垂直腔面发射激光器的控制装置可以包括：
接收模块100，用于接收所述垂直腔面发射激光器的有源区的温度读数信号；
确定模块200，用于根据所述温度读数信号，确定对应的腔长参数；
调节模块300，用于依据所述腔长参数使所述垂直腔面发射激光器的外腔镜沿光路方向位移，从而对谐振腔模的腔长进行调节，使调节后的谐振腔的驻波的波长与所述垂直腔面发射激光器的有源区增益谱峰值波长重合。
本发明所提供的垂直腔面发射激光器的控制装置，包括接收模块100，用于接收所述垂直腔面发射激光器的有源区的温度读数信号；确定模块200，用于根据所述温度读数信号，确定对应的腔长参数；调节模块300，用于依据所述腔长参数使所述垂直腔面发射激光器的外腔镜沿光路方向位移，从而对谐振腔模的腔长进行调节，使调节后的谐振腔的驻波的波长与所述垂直腔面发射激光器的有源区增益谱峰值波长重合。本发明根据所述有源区的温度，可得到在此温度下所述有源区的增益谱峰值波长，又由于所述谐振腔驻波的波长随着所述谐振腔的腔长进行改变，因此通过调节所述外腔镜的位置，即可实现对所述谐振腔腔长的改变，进而可对所述谐振腔驻波的进行调节，最终使所述谐振腔驻波的波长与所述垂直腔面发射激光器的有源区增益谱峰值波长重合，相比于现有技术的固定腔长的谐振腔，实现了在宽工作温度范围内实现面发射芯片有源区对谐振腔模的光增益最大化，提升输出光功率，降低了发射阈值。
作为一种优选的实施方式，所述调节模块300还包括：
波腹调节单元310，用于根据所述确定对应的腔长参数，对所述谐振腔驻波的波腹的位置进行调节，使所述波腹与所述有源区的多量子阱位置重合。
本实施例的垂直腔面发射激光器的控制装置用于实现前述的垂直腔面发射激光器的控制方法，因此垂直腔面发射激光器的控制装置中的具体实施方式可见前文中的垂直腔面发射激光器的控制方法的实施例部分，例如，接收模块100，确定模块200，调节模块300，分别用于实现上述垂直腔面发射激光器的控制方法中步骤S101，S102和S103，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。
本发明还提供了一种垂直腔面发射激光器，其一种具体实施方式的结构示意图如图4所示，包括面发射芯片、一个顶腔镜12及一个底腔镜13；
所述面发射芯片设置于所述顶腔镜12及所述底腔镜13之间；
所述顶腔镜12及所述底腔镜13中至少一个为外腔镜，所述外腔镜能延光路传播方向位移，实现对所述垂直腔面发射激光器的谐振腔腔长的调节。
本具体实施方式提供的垂直腔面发射激光器，除了用于实现上述垂直墙面发射机空气的控制方法外，通过设置外腔镜，大幅增加了所述谐振腔的腔长，有利于实现光谱线宽的压窄。
本发明提供的垂直腔面发射激光器的谐振腔由一对顶腔镜12及底腔镜13组成，其中，至少有一个腔镜为外腔镜，即存在三种情况，一是顶腔镜12为固定在所述面发射芯片上的外延结构，底腔镜13为外腔镜；二是底腔镜13为固定在所述面发射芯片上的外延结构，顶腔镜12为外腔镜；还有则是顶腔镜12与底腔镜13均为外腔镜。所述面发射芯片包括有源区11、顶出光口17，当所述底腔镜13为固定在所述面发射芯片上的外延结构时无底出光口15，其余情况下必有底出光口15。
如图4所示，图中的底腔镜13为外延结构的底腔镜13，顶腔镜12为外腔镜，当然，外延结构的腔镜也不一定要位于所述面发射芯片的最外层，也可如图5所示，位于所述面发射芯片的内部，图5中，顶腔镜12为位于所述面发射芯片内部外延结构，底腔镜13为外腔镜，当然，也可所述顶腔镜12与底腔镜13均为外腔镜，如图6所示。
所述有源区11作用是在电流注入条件下提供光增益，一般具有多量子阱结构；
所述顶出光口17位于所述有源区11的一侧，是所述面发射芯片的顶面输出光端口；
可能包括的所述底出光口15位于有源区11背向所述顶出光口17一侧，是所述面发射芯片的底面输出光端口；所述底出光口15通常设置有宽带减反镀膜，以减少辐射光在出光口端面的菲涅尔反射，提高增益谐振腔的光传输效率。图中位于所述底出光口15两侧凸起为底部电极14，位于所述顶出光口17两侧凸起为顶部电极16。
特别的，所述外腔镜为平凹透镜，放置时将屈光面朝向所述面发射芯片，并且调整位置使所述面发射芯片对应出光口位于对应的平凹透镜的球心附近，以实现稳定的光束反馈与谐振。此外，所述平凹透镜屈光面还可制备所述宽带高反膜，以提高反馈效率；另一侧平面还可制备所述宽带减反镀膜,以减少光功率损失。
作为一种优选方案，当所述垂直腔面发射激光器为长波长垂直腔面发射激光器时，所述顶腔镜12及所述底腔镜13均为外腔镜。因为对于长波长InP基或者GaSb基半导体材料体系，分布式布拉格反射镜(DBR)或者多层介质膜反射镜厚度都非常大，制备困难，并且引入的损耗会显著增大，将所述顶腔镜12及所述底腔镜13同时替换为外腔镜的光学元件，避免了上述缺点，进一步提升性能。
另外，所述面发射芯片的有源区11为GaAs基有源区11或InP基有源区11或GaSb基有源区11中任一个。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本发明所提供的垂直腔面发射激光器及其控制方法与控制装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种垂直腔面发射激光器的控制方法，其特征在于，包括：
接收所述垂直腔面发射激光器的有源区的温度读数信号；
根据所述温度读数信号，确定对应的腔长参数；
依据所述腔长参数使所述垂直腔面发射激光器的外腔镜沿光路方向位移，从而对谐振腔模的腔长进行调节，使调节后的谐振腔的驻波的波长与所述垂直腔面发射激光器的有源区增益谱峰值波长重合。
2.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器的控制方法，其特征在于，在确定对应的腔长参数后，还包括：
根据所述确定对应的腔长参数，对所述谐振腔驻波的波腹的位置进行调节，使所述波腹与所述有源区的多量子阱位置重合。
3.一种垂直腔面发射激光器的控制装置，其特征在于，包括：
接收模块，用于接收所述垂直腔面发射激光器的有源区的温度读数信号；
确定模块，用于根据所述温度读数信号，确定对应的腔长参数；
调节模块，用于依据所述腔长参数使所述垂直腔面发射激光器的外腔镜沿光路方向位移，从而对谐振腔模的腔长进行调节，使调节后的谐振腔的驻波的波长与所述垂直腔面发射激光器的有源区增益谱峰值波长重合。
4.如权利要求3所述的垂直腔面发射激光器的控制装置，其特征在于，所述调节模块还包括：
波腹调节单元，用于根据所述确定对应的腔长参数，对所述谐振腔驻波的波腹的位置进行调节，使所述波腹与所述有源区的多量子阱位置重合。
5.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括面发射芯片、一个顶腔镜及一个底腔镜；
所述面发射芯片设置于所述顶腔镜及所述底腔镜之间；
所述顶腔镜及所述底腔镜中至少一个为外腔镜，所述外腔镜能延光路传播方向位移，实现对所述垂直腔面发射激光器的谐振腔腔长的调节，使调节后的谐振腔的驻波的波长与所述垂直腔面发射激光器的有源区增益谱峰值波长重合。
6.如权利要求5所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述外腔镜为平凹透镜。
7.如权利要求6所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述平凹透镜的屈光面设置有宽带高反膜。
8.如权利要求6所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，与所述平凹透镜的屈光面相对的表面设置有宽带减反膜。
9.如权利要求5所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述面发射芯片的有源区为GaAs基有源区或InP基有源区或GaSb基有源区中任一个。
10.如权利要求5至9任一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器为长波长垂直腔面发射激光器；所述顶腔镜及所述底腔镜均为外腔镜。
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