CN114914788A - 基于量子点垂直腔面发射激光器的窄线宽集成光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于量子点垂直腔面发射激光器的窄线宽集成光源，包括量子点垂直腔面发射激光器、耦合透镜单元和量子点光放大器；量子点垂直腔面发射激光器贴装在用于翻转跳线的第一热沉基板上；量子点垂直腔面发射激光器与第一热沉基板固定于第二热沉基板上，量子点光放大器贴装于第二热沉基板上；耦合透镜单元设置于量子点垂直腔面发射激光器与量子点光放大器之间，且固定于第二热沉基板上；量子点垂直腔面发射激光器输出的激光通过耦合透镜单元耦合输入量子点光放大器，量子点光放大器对输入的窄线宽激光进行放大。本发明实现了量子点垂直腔面发射激光器光源和量子点光放大器的集成，光源的功率和线宽得到优化，适合未来的大规模集成应用。

Description

基于量子点垂直腔面发射激光器的窄线宽集成光源
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种基于量子点垂直腔面发射激光器的窄线宽集成光源。
背景技术
在光通信领域，更大的带宽、更长的传输距离、更高的接收灵敏度，始终是人们追求的目标。近期快速发展的相干光通信将大大提高光通信的容量和传输距离，从而成为未来的主流光纤通信技术。相干光通信主要是采用了相干调制和外差检测技术。所谓相干调制就是对光载波的频率、相位进行调制，这就需要光信号有确定的频率和相位，即需要优质的相干光源。激光的线宽实际上是相位噪声，对相位进行调制就需要窄线宽的激光光源。此外，在其他很多应用领域例如原子光钟、基于扫频光源的OCT等也需要窄线宽激光光源。
为了满足窄线宽激光光源的需求，科研工作者通常采用光谱压缩技术。主要有以下两种实现方法：
(1)注入锁模法，即利用一个工作频率稳定、谱线很窄的主激光器的激光输出注入到需要光谱宽度压缩的从激光器，从而使从激光器保持和主激光器一致的谱线宽度、单模特性及频率稳定度。
(2)外腔反馈法。外腔反馈是将激光器的输出通过光栅等色散元件反射回腔内，并用外腔的选模特性获得动态单模以及依靠外腔的高Q值压缩谱线宽度。
1260nm～1360nm波长范围即1.3微米波段的激光在光纤传输中具有最低的光纤色散、较低的传输损耗的特点(早期1.3微米波段的光纤传输损耗低于1.55微米波段)，因此人们将这一波段定义为早期的光纤通信波段，并命名为O-band(O波段)。O就是“Original(原始)”的意思。随着光纤制造技术的发展，在1.55微米波段即C波段获得了极低的传输损耗，C波段激光结合波分复用(WDM)技术成为了长距离大容量光纤骨干网的主要光源，尽管如此，目前O波段仍广泛用于光纤通信，主要是因为标准电信光纤(ITU-T G.652)在O波段中表现出零色散。O波段激光的主要应用包括：
(1)O波段广泛用于高速以太网传输，例如IEEE 100GBASE-LR4或400GBASE-LR8。O波段中的低光纤色散可实现高速光传输，无需色散补偿方案，例如色散补偿光纤和数字相干检测。无色散补偿方案的光通信***在初始投资(较低的收发器价格)和运营成本(较低的功耗)方面都具有优势；两者都是大量使用高速以太网的数据中心的关键要求；
(2)O波段通常在无源光网络(PON)***中用作上行波长。PON为最终客户提供宽带光网络接入，通常被称为互联网服务提供商(ISP)与其客户之间的最后一英里，由此可见其重要性和广泛性；
(3)在光纤通信以外，基于O波段光源的光学相干断层扫描(OCT)具有比传统的850nm附近以及1050nm附近光源技术更大的对比度和更深的亚表面成像效果。
综上所述，1.3微米波段即O波段的窄线宽激光光源在未来的以光通信为主的众多应用领域将有着广阔的应用前景和巨大的市场需求。
目前，用于光纤通信的1.3微米波段的激光器多采用InP基的AlGaInAs多量子阱有源区。InP基激光器的缺点在于制作成本较高，InP衬底材料很难达到4英寸，一般常用的仅为2英寸。GaAs衬底材料可以很容易达到6英寸，采用GaAs基的InAs/GaAs量子点的激光器多用于无制冷，高输出功率，高温工作等应用场景。虽然Si基材料上生长GaAs再生长InAs/GaAs量子点的激光器也有一些报道，但是还处于研究阶段。此外，GaAs基的InGaAsN量子阱也曾被用于实现1.3微米波段的激光输出以及高速调制，但因为InGaAsN量子阱存在波长稳定性较难控制等问题近年来越来越少地被继续研究。InP基的AlGaInAs多量子阱垂直腔面发射激光器是1.3微米波段的可选单频光源，但InP基材料只能采用键合工艺来实现DBR结构，因此进一步增加了InP基光器件的制作成本。与之相对应的GaAs基的InAs/GaAs量子点垂直腔面发射激光器是1.3微米波段的理想单频光源。
量子点材料的有源区具有对电子的三维限制，delta状的电子态密度，从而使激光器件有着极低的阈值电流密度、高特征温度、高增益、以及低线宽增强因子等优点。量子点垂直腔面发射激光器可以实现极低的阈值电流密度、非常好的温度特性、窄的激光谱线宽度，但由于量子点的增益长度太短，再加上量子点的光限制因子较低，小孔径的单模激光输出功率往往很低，通常不超过1mW，而在很多应用场景，实用化的光源需要提供数mW甚至数十mW的光功率。这使得此类激光器在O波段光纤通讯为主的应用中受到了很大的限制。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于量子点垂直腔面发射激光器的窄线宽集成光源，通过混合集成技术将量子点垂直腔面发射激光器输出的激光通过耦合透镜单元耦合入具有水平腔的量子点光放大器并对输入激光进行放大从而获得激光功率的倍增。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于量子点垂直腔面发射激光器的窄线宽集成光源，包括量子点垂直腔面发射激光器、耦合透镜单元和量子点光放大器；所述量子点垂直腔面发射激光器贴装在用于翻转跳线的第一热沉基板上，且量子点垂直腔面发射激光器的芯片电极与第一热沉基板的电极通过引线连接；量子点垂直腔面发射激光器与第一热沉基板又固定于第二热沉基板上，所述量子点光放大器贴装于第二热沉基板上，且量子点光放大器的芯片电极与第二热沉基板的电极通过引线连接；所述耦合透镜单元设置于量子点垂直腔面发射激光器与量子点光放大器之间，且其固定于第二热沉基板上；量子点垂直腔面发射激光器输出的激光通过耦合透镜单元耦合输入具有水平腔的量子点光放大器，量子点光放大器对输入的窄线宽激光进行放大。
进一步的，所述量子点垂直腔面发射激光器的出光高度与量子点光放大器的光波导高度一致。
进一步的，所述耦合透镜单元包括两个透镜，其中一个透镜为准直透镜，另一个透镜为聚焦透镜。
更进一步的，准直透镜接近于量子点垂直腔面发射激光器，通过该准直透镜后的出射光为水平的准直光。
更进一步的，聚焦透镜的位置根据进入量子点光放大器的激光的耦合效率进行调整，以获得最大的耦合效率。
进一步的，量子点光放大器输出的激光通过透镜光纤耦合输出。
本发明的有益效果是：
本发明在一个厘米级至亚厘米级尺度的高热导热沉基板(第二热沉基板)上实现基于量子点垂直腔面发射激光器与量子点光放大器的混合集成光源。量子点垂直腔面发射激光器输出的激光通过耦合透镜单元耦合入具有水平腔的量子点光放大器，对输入的窄线宽激光进行放大，从而实现激光功率的倍增。
本发明采用了固有光束质量优异且线宽窄的垂直腔面发射激光器作为激光发射光源，光束质量较高，无需复杂的光路就可以获得与量子点光放大器的高耦合效率。
本发明的窄线宽集成光源实现了量子点垂直腔面发射激光器光源和量子点光放大器的混合集成，具有结构紧凑、体积较小的优点，光源的功率和线宽得到优化，更加适合未来的大规模集成应用。
附图说明
图1为本发明基于量子点垂直腔面发射激光器的窄线宽集成光源的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1所示的一种基于量子点垂直腔面发射激光器的窄线宽集成光源的较佳实施例。该窄线宽集成光源包括量子点垂直腔面发射激光器1、耦合透镜单元和量子点光放大器3。所述量子点垂直腔面发射激光器1贴装在用于翻转跳线的第一热沉基板4上，且量子点垂直腔面发射激光器1的芯片电极与第一热沉基板4的电极通过引线连接；量子点垂直腔面发射激光器1与第一热沉基板4又固定于第二热沉基板5上。所述量子点光放大器3贴装于第二热沉基板5上，且量子点光放大器3的芯片电极与第二热沉基板5的电极通过引线连接。量子点垂直腔面发射激光器1的出光高度与量子点光放大器3的光波导高度一致。所述耦合透镜单元设置于量子点垂直腔面发射激光器1与量子点光放大器3之间，且其固定于第二热沉基板5上。
在本实施例中，如图1所示，耦合透镜单元包括两个透镜，其中一个透镜为准直透镜21，另一个透镜为聚焦透镜22；准直透镜21接近于量子点垂直腔面发射激光器，通过准直透镜21后的出射光为水平的准直光；在其他实施例中，为了简化光路，该耦合透镜单元也可以仅采用一个聚焦透镜。
量子点垂直腔面发射激光器1输出的激光通过准直透镜21成为准直光束，再通过聚焦透镜22耦合输入具有水平腔的量子点光放大器3，量子点光放大器3对输入的窄线宽激光进行放大。
为了更进一步满足应用需要，量子点光放大器3输出的激光可通过透镜光纤耦合输出，从而形成带尾纤的窄线宽集成光源。
所述量子点垂直腔面发射激光器1和量子点光放大器3可以通过在Si基衬底上直接外延生长GaAs材料系及生长InAs/GaAs量子点有源区获得。
该基于量子点垂直腔面发射激光器的窄线宽集成光源的具体制作过程为：
步骤一，制备具有窄线宽特性的量子点垂直腔面发射激光器1；为了后续的金丝引线跳线，通过共晶贴片工艺将量子点垂直腔面发射激光器1贴装于用于翻转跳线的第一热沉基板4上，并利用金丝引线对量子点垂直腔面发射激光器芯片电极和第一热沉基板的电极进行键合连接；
步骤二，将量子点垂直腔面发射激光器1与第一热沉基板4通过胶粘或激光焊接方式呈侧卧状态固定于具有高热导率的第二热沉基板5上；
步骤三，给量子点垂直腔面发射激光器1加电流，调节准直透镜21的位置，使得通过准直透镜21的出射光为平行于第二热沉基板5的水平准直光；通过胶粘或激光焊接的方式将位置调适后的准直透镜21固定在第二热沉基板5上；
步骤三，根据增益和饱和输出功率需求，制备所需的量子点光放大器3，将量子点光放大器3通过共晶贴片工艺贴装于第二热沉基板5上，并利用金丝引线对量子点光放大器芯片电极和第二热沉基板的电极进行键合连接；
步骤四，给量子点垂直腔面发射激光器1和量子点光放大器3加电流，调节聚焦透镜22的位置，以获得进入量子点光放大器3的激光的最大耦合效率，然后通过胶粘或激光焊接的方式将位置调适后的聚焦透镜22固定在第二热沉基板5上，制得该基于量子点垂直腔面发射激光器的窄线宽集成光源。
另外，可以根据具体应用需要，将量子点光放大器输出的激光通过透镜光纤耦合出，形成带尾纤的窄线宽集成光源。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于量子点垂直腔面发射激光器的窄线宽集成光源，其特征在于：包括量子点垂直腔面发射激光器、耦合透镜单元和量子点光放大器；所述量子点垂直腔面发射激光器贴装在用于翻转跳线的第一热沉基板上，且量子点垂直腔面发射激光器的芯片电极与第一热沉基板的电极通过引线连接；量子点垂直腔面发射激光器与第一热沉基板又固定于第二热沉基板上，所述量子点光放大器贴装于第二热沉基板上，且量子点光放大器的芯片电极与第二热沉基板的电极通过引线连接；所述耦合透镜单元设置于量子点垂直腔面发射激光器与量子点光放大器之间，且其固定于第二热沉基板上；量子点垂直腔面发射激光器输出的激光通过耦合透镜单元耦合输入具有水平腔的量子点光放大器，量子点光放大器对输入的窄线宽激光进行放大。
2.根据权利要求1所述的一种基于量子点垂直腔面发射激光器的窄线宽集成光源，其特征在于：所述量子点垂直腔面发射激光器的出光高度与量子点光放大器的光波导高度一致。
3.根据权利要求1所述的一种基于量子点垂直腔面发射激光器的窄线宽集成光源，其特征在于：所述耦合透镜单元包括两个透镜，其中一个透镜为准直透镜，另一个透镜为聚焦透镜。
4.根据权利要求3所述的一种基于量子点垂直腔面发射激光器的窄线宽集成光源，其特征在于：准直透镜接近于量子点垂直腔面发射激光器，通过该准直透镜后的出射光为水平的准直光。
5.根据权利要求4所述的一种基于量子点垂直腔面发射激光器的窄线宽集成光源，其特征在于：聚焦透镜的位置根据进入量子点光放大器的激光的耦合效率进行调整。
6.根据权利要求1所述的一种基于量子点垂直腔面发射激光器的窄线宽集成光源，其特征在于：量子点光放大器输出的激光通过透镜光纤耦合输出。
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