高功率半导体激光器线阵列的波长锁定技术

高功率半导体激光器光谱随温度和工作电流的变化比较大,光谱线宽比较宽,这些缺点直接限制了其实际应用。因此,高功率半导体激光器波长稳定技术的研究是激光领域的一个重要研究方向。对波长稳定技术进行研究。实验用体布拉格光栅(VBG)作为反馈元件与高功率半导体激光器线阵列,构成可以对其波长进行锁定的外腔激光器。分析了外腔激光器的波长锁定效果与高功率半导体激光器工作电流、冷却温度、工作电流的占空比和"smile"现象等因素的关系。研究结果表明,高功率半导体激光器的工作电流、冷却温度、工作电流的占空比会影响其激射波长,当激射波长与VBG的布拉格波长差值小于3.0nm时,可以得到较好的波长锁定效果,而阵列本身的"smile"现象对其波长锁定的影响不大。

LD热弛豫时间与泵浦光谱效率的改进

采用测试半导体激光器热弛豫时间的新方法,测量光信号脉冲内不同时刻的时间分辨光谱,测试了 TO 封装和 cm-Bar 列阵的 AIGaAs/GaAs 半导体激光器泵浦光源,得到其热弛豫时间分别为为66μs和96μs。在目前常用的方波驱动电流脉冲工作条件下,半导体激光器作为固体激光器泵浦源,如果热弛豫时间过长,单个脉冲内激射波长会偏离固体激光介质的吸收带,导致泵浦光波长利用率和有效泵浦能量降低。为克服现有技术的不足,文中提出了两种新型的驱动电流脉冲波形,通过优化电流波形参数可以将泵浦波长利用率提高30%左右,得到更大的有效泵浦能量。

Influence of intra-cavity loss on transmission characteristics of fiber Bragg grating Fabry–Perot cavity

A theoretical model of the fiber Bragg grating Fabry–Perot(FBG-FP) transmission spectrum considering loss of FBG and intra-cavity fiber is presented. Several types of FBG-FPs are inscribed experimentally, and their spectra are measured.The results confirm that weak intra-cavity loss is enhanced at the resonance transmission peak, that is, loss of transmission peaks is observably larger than other wavelengths. For FBG-FPs with multi resonance peaks, when the resonance peak wavelength is closer to the Bragg wavelength, the more significant loss effect of resonance transmission peak is exhibited.The measured spectra are fitted with the presented theoretical model. The fitted coefficient of determinations are near 1,which proves the validity of the theoretical model. This study can be applied to measure FBG loss more accurately, without a reference light. It can play an important role in FBG and FBG-FP writing process optimization and application parameter optimization.

混合集成窄线宽半导体激光器实现220 mW功率输出

高功率、窄线宽的混合集成外腔半导体激光器在空间相干激光通信、激光雷达、光学传感等领域中有着广泛应用。随着相干激光通信技术的迅猛发展,1.55μm波段高功率窄线宽半导体激光器性能得到了非常明显的提升。2020年,美国研究者报道了输出功率为150 mW、线宽为60 kHz的混合集成硅光子可调谐激光器;2022年,上海交通大学研究者报道了输出功率为26.7 mW、激光线宽为4 kHz的Si3N4外腔可调谐激光器。受芯片波导损耗、耦合方式、有源芯片增益的限制,同时实现高功率和窄线宽存在挑战。为了削弱波导模式的限制,改善芯片耦合效率,进一步提升激光器的输出功率和压窄线宽,中国科学院上海光学精密机械研究所联合大连理工大学提出了混合集成高功率窄线宽激光器方案并研制成功,实现了激光线宽<8 kHz.

光学滤波器用超窄带光纤光栅的光谱性能研究

超窄带光纤布拉格光栅作为一种重要的无源光纤器件,可以作为优良的光学滤波器。首先在理论分析的基础上,模拟在光纤布拉格光栅制备过程中引入不同的不均匀紫外辐照,分析不同紫外光辐照分布函数下的光栅光谱性能,并采用逐点扫描紫外辐照法在不同的辐照不均匀条件下刻写光纤布拉格光栅。结果表明:紫外辐照的不均匀会极大地影响光纤光栅的光谱性能(带宽、矩形度及边模抑制比等参数),紫外辐照越不均匀,光纤光栅的3 dB带宽和25 dB带宽都越大,光谱矩形度变差,边模抑制比降低,光学滤波器的性能也更差。提出通过对切趾函数进行修正来补偿辐照不均匀的影响。采用该方法能补偿紫外光斑以及光路调整等带来的刻写误差,使得光纤光栅的谱型得到优化,将光纤光栅的边模抑制比提高到30 dB以上,满足光学滤波器的应用需求。

可调谐自注入锁定窄线宽片上光源

窄线宽激光器在相干激光通信、相干探测激光雷达、高精度分布式光纤传感等领域有着重要而广泛的应用。高品质因子(Q值)氮化硅(Si_(3)N_(4))微环谐振腔可提供积累的离散分布光反馈,将其与分布式反馈(DFB)半导体激光器进行混合集成,可获得高集成度的片上窄线宽光源,有望应用于硅基光电子芯片的系统级集成。2021年,美国UCSB大学基于Q值为108的Si_(3)N_(4)微环谐振腔的背向瑞利散射实现了自注入锁定(SIL),获得Hz量级的本征线宽;2021年,清华大学在Q值为8×10^(5)的Si_(3)N_(4)微环谐振腔中制备孔缺陷,背向瑞利散射强度得到增强.

金属化光纤光栅内应力的分析和实验研究

通过化学镀的方法,在光纤光栅表面得到了不同厚度的均匀金属镍镀层。由于材料热膨胀系数的差异,金属镍镀层将会在光栅内部形成内应力,这种内应力将随着镀层厚度的改变而改变。理论上分析了金属镀层的厚度对光栅中心波长漂移的影响,获得相关的理论曲线;实验上通过对化学镀镍全过程光纤光栅反射光谱的在线监测,获得了不同镀镍层厚度的光纤光栅中心波长的改变量,实验数据与理论分析结果吻合较好。

体布拉格光栅外腔半导体激光器光谱特性研究

用体布拉格光栅(VBG)作为反馈元件与瓦级半导体激光器(LD)以及快轴准直柱透镜构成一个可以将半导体激光器的工作波长稳定在体布拉格光栅布拉格波长处的外腔激光器。测量了体布拉格光栅外腔激光器的波长稳定性与其工作电流、热汇温度、激光束准直装置等因素的关系。分析了波长稳定效果与半导体激光器增益谱特性、外腔结构参量等因素的关系。研究表明,在相同的工作电流、热汇温度下,当准直柱透镜直径为0.4 mm时的波长稳定效果较好;在此情况下,当热汇温度控制在30℃,工作电流从0.5 A增加到1.5 A的测量范围内,以及当工作电流固定在1.5 A,热汇温度从20℃增加到35℃时,测得的光谱特性表明,半导体激光器的工作波长可以很好地稳定在体布拉格光栅的布拉格波长处。与该激光器在同样条件下自由运转的光谱比较,可以看到,自由运转激射波长与体布拉格光栅的布拉格波长差值小于2.6 nm情况下,可以获得很好的波长稳定效果。实验也表明,当该值大于4.8 nm时波长稳定效果变差。

大功率半导体激光器二维阵列模块特性分析

根据固体激光器抽运的技术要求,设计了一种具有水冷装置的大功率半导体激光器二维阵列模块,并对半导体激光器热沉和致冷系统的热流进行了分析。在不同占空比下,对该模块进行了测试与分析。该模块的中心波长为810 nm,光谱半峰全宽(FWHM)为2.5 nm,工作电流为110 A(200μs,10%占空比),循环水温为15℃时输出峰值功率为280 W。结果表明,该封装结构在占空比小于5%时器件工作特性良好,在10%占空比下也可正常工作。利用该模块可以组合成多种几何结构、功率更高的半导体激光器组件。

高功率半导体激光器光束非相干合成技术进展

半导体激光器阵列的输出光功率密度较低、输出光束质量较差的缺点限制了它的广泛应用。介绍了提高输出光功率密度和输出光束质量的非相干技术波长合成技术、偏振合成技术和空间交叉合成技术的最新进展,对实现各种技术的结构和实验结果进行了综述报道。

大功率半导体激光器热弛豫时间的测量

根据脉冲工作状态下半导体激光器激射光谱随结温升高而发生红移的原理,提出了一种测试半导体激光器热弛豫时间的新方法——利用调节取样积分器(Boxcar)取样门,测量光信号脉冲内不同时刻的时间分辨光谱。采用此方法对TO封装和厘米-靶条(cm-Bar)阵列的AlGaAs/GaAs半导体激光器的动态热特性进行了测试,得到其热弛豫时间分别为66μs和96μs。

半导体激光器阵列横向波长分布与键合应力关系的研究

测试了半导体激光器阵列的横向波长分布。结果表明,多数阵列的波长分布出现了V型的"凹陷"。这一分布与器件工作温升引起的横向波长分布相反,根据半导体禁带宽度与应变关系的基本理论,说明这一波长分布反映了键合应力的状态。通过对键合应力产生机理的初步分析,提出了线性应力分布模型,很好地解释了现有的实验数据。实验和分析表明,激光器阵列横向波长分布的测量是键合应力探测的一个有用手段。

10．6GHz线宽保持随机光纤激光种子源

在基于主振荡放大结构的光纤放大器中,窄线宽、时域稳定的种子源对抑制非线性效应和获得数千瓦窄线宽的激光输出至关重要。随机光纤激光器基于瑞利散射和拉曼增益,在时域稳定性上独具优势,近年来得到了广泛研究。将基于自研光纤光栅搭建的1018nm光纤激光作为抽运源,采用半开放腔随机激光形式输出1067.6nm激光,并基于窄带光栅滤波和三级放大结构,实现了42.8 W、10.6GHz线宽的激光输出,线宽在放大过程中保持不变,此光源特别适合作为数千瓦级窄线宽光纤放大器的种子源。

半导体激光器阵列偏振特性及其与应力关系的实验研究

半导体激光器阵列(LDA)封装过程中引入的应力是影响器件阈值电流、光束特性和寿命的重要因素,需要一种简单有效的测试半导体激光器阵列应力的方法评估检测器件封装的质量。分析了应力改变电荧光偏振度(DOP)的一系列理论机制,并通过对条形激光器阵列在荧光条件下偏振特性的测量,研究了几种不同封装形式的条形激光器阵列的荧光偏振度随外加应力的变化性质。实验表明,半导体激光器阵列的偏振特性随驱动电流的增加变化明显,尤其是在阈值电流附近,偏振特性急剧变化。当有局部外力作用器件时,器件的荧光偏振度分布明显变化。通过对多个不同材料封装器件的荧光偏振度测试比较,发现不同的材料和封装形式对管芯引入的封装应力有明显的差别。

基于国产光栅的全光纤振荡器输出功率突破5.2kW

高功率光纤振荡器的结构简单、稳定性好,在工业加工领域有着广泛的应用。2014年以来,全光纤振荡器的输出功率从2 kW迅速提升到4 kW以上。2017年8月,日本滕仓公司报道了输出功率为4 kW的全光纤振荡器。2017年7月,国防科技大学利用全国产且纤芯、内包层直径分别为25μm和400μm的大模场光纤光栅,采用单端抽运方式实现了输出功率大于2.7 kW的全光纤振荡器。2018年1月,国防科技大学基于该光纤光栅,

高功率半导体激光器热阻测量的实验研究

根据目前多数高功率半导体激光器模块只适合工作在准连续(QCW)状态下的特点,提出了利用光谱方法测量半导体激光器温升进而计算得到热阻的计算方法。该方法具有简单、直观、快捷的特点,同时避开了常规计算热阻方法要求半导体激光器工作在连续状态的局限性。其中在不同占空比、同一工作电流下得到的热阻值一致性较好,更接近文献给出的数值,具有实际应用价值。

基于全光纤环形谐振腔的转移腔稳频技术研究

将保偏全光纤环形谐振腔作为转移腔,实现了1550 nm参考激光器到1572 nm从激光器的频率稳定度转移,并研究了温度对光纤谐振腔长期稳定性的影响。理论和实验表明,仅通过压电陶瓷调谐腔长不能很好地实现频率稳定度转移。因此,提出用压电陶瓷快反馈和温控实现环形腔的稳定度转移,可使从激光器的频率稳定度在积分时间为1 s时的阿伦方差为2×10^-12,在积分时间为1000 s时的阿伦方差为5×10^-12。

基于保偏光纤光栅的低噪声外腔半导体激光器

研制了1550nm波段的窄线宽、低噪声混合集成外腔半导体激光器,将保偏光纤布拉格光栅(FBG)作为反馈元件与半导体增益芯片进行耦合,并利用FBG斜边处的大群时延特性将半导体激光器的线宽压窄。所得到的蝶形封装激光器原型器件实现了稳定的单纵模、单偏振激光的保偏输出,在1kHz处积分线宽为15.9kHz的输出功率≥30mW,洛伦兹线宽为4.85kHz,本征线宽为4.06kHz,相对强度噪声≤-155dB·Hz^(-1)@1 MHz,偏振消光比>25dB,无跳模电流调谐范围≥8 GHz,无跳模温度调谐范围≥14 GHz,6h功率稳定度为1.7%,频率漂移量<50 MHz。

光纤布拉格光栅损耗特性的测量与分析

提出一种在线同步监测光纤布拉格光栅(FBG)损耗与折射率增长的方法,深入分析FBG的损耗特性在刻写时的演变过程,实验结果显示FBG的损耗系数α随耦合系数κ线性增长。为了优化FBG的损耗性能,采用损耗-耦合斜率系数α/κ衡量FBG损耗特性,结果表明:增加光纤与相位掩模板距离和使用0级衍射光衍射效率更强的相位掩模板均会使FBG的损耗-耦合斜率系数更大,这可能是与耦合系数无关的背景折射率增加所致;而且相比于载氢,采用载氘增敏方式可使FBG在1550nm附近的损耗-耦合斜率系数下降50%以上。

相位掩模板干涉场及其对光纤光栅损耗的影响

理论分析了紫外准分子激光相位掩模法刻写光纤布拉格光栅时相位掩模板干涉场的形式以及对比度特征,并结合干涉光场对比度与光纤光栅折射率调制度的关系,通过实验证明了随着光纤与相位掩模板距离的增加,相位掩模板形成的干涉光场对比度会越来越低,这种对比度的降低导致了光纤布拉格光栅损耗的增加。进一步的分析显示:非±1级衍射能量的增加、紫外光束斜入射角度增加、紫外激光时空相干性的恶化等因素也会导致干涉场对比度降低,因此实验上要尽量避免这些不利因素的影响。该研究结果对高功率FBG刻写装置的光源、相位掩模板的选择以及光路调试等具有重要的指导意义。