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高功率、窄線(xiàn)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(xué)傳感等領(lǐng)域中有著(zhù)廣泛應用。隨著(zhù)相干激光通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，1.55 μm波段高功率窄線(xiàn)寬半導體激光器性能得到了非常明顯的提升。

為了削弱波導模式的限制，改善芯片耦合效率，進(jìn)一步提升激光器的輸出功率和壓窄線(xiàn)寬，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所、大連理工大學(xué)等機構的研究人員聯(lián)合提出一種混合集成高功率窄線(xiàn)寬激光器方案并研制成功，實(shí)現了激光線(xiàn)寬小于8 kHz，調諧范圍為55 nm，保偏輸出功率為220 mW。相關(guān)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(jìn)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、相位調節和功率調節四個(gè)部分，其中模斑轉換器用于匹配增益芯片的模場(chǎng)、增大耦合效率，高Q值雙微環(huán)濾波器用于實(shí)現激光器的選頻和線(xiàn)寬壓窄。增益芯片的背向窄線(xiàn)寬激光被耦合到SOA芯片中進(jìn)行光功率放大，考慮到增益芯片與SOA模場(chǎng)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(shí)現了高功率窄線(xiàn)寬的激光保偏輸出。增益芯片長(cháng)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(cháng)為1550 nm、輸入光功率為10 mW時(shí)放大系數大于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(jìn)行了驗證。在溫度為22.2℃時(shí)，分別在100、150、200 mA增益芯片電流下進(jìn)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(shí)，可以實(shí)現226.3 mW的光纖耦合功率輸出，耦合效率為90.34%。通過(guò)調節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(shí)現激光器調諧，該范圍覆蓋增益芯片的增益譜。該激光器在不同中心波長(cháng)下，實(shí)現了窄線(xiàn)寬激光輸出，激光線(xiàn)寬為2~8 kHz。

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

研究人員稱(chēng)，下一步工作將著(zhù)力優(yōu)化激光器的驅動(dòng)控制電路，實(shí)現激光器波長(cháng)的精準控制，改善SOA的工作效率，提高激光器的輸出功率。