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，1.55 μm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。

据麦姆斯咨询报道，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、大连理工大学等机构的研究人员联合提出一种混合集成高功率窄线宽激光器方案并研制成功，实现了激光线宽小于8 kHz，调谐范围为55 nm，保偏输出功率为220 mW。相关研究成果已发表于《中国激光》期刊。

该混合集成激光器由GaAs半导体光放大器（SOA）、InP增益芯片、Si3N4双微环窄带滤波芯片、准直透镜和保偏光纤准直器构成。增益芯片与Si3N4芯片采用端面耦合方式进行对准以构成外腔激光器，Si3N4芯片上设计模斑转换器、双微环滤波器、相位调节和功率调节四个部分，其中模斑转换器用于匹配增益芯片的模场、增大耦合效率，高Q值双微环滤波器用于实现激光器的选频和线宽压窄。

增益芯片的背向窄线宽激光被耦合到SOA芯片中进行光功率放大，考虑到增益芯片与SOA模场尺寸的差别及热串扰的影响，采用双准直透镜结构提高耦合效率。SOA放大后的激光被耦合到保偏光纤准直器中，实现了高功率窄线宽的激光保偏输出。增益芯片长度为1 mm，前端面镀有增透膜，反射率为0.01%。Si3N4波导损耗小于0.1 dB/cm。SOA芯片左右两侧均镀有抗反射膜，最大工作电流为1.5 A，在光波长为1550 nm、输入光功率为10 mW时放大系数大于25 dB。

混合集成半导体激光器：（a）结构示意图；（b）蝶形封装成品

研究人员对该激光器的性能进行了验证。在温度为22.2℃时，分别在100、150、200 mA增益芯片电流下进行了测试。结果表明，当SOA电流为1.2 A、增益芯片电流为200 mA时，可以实现226.3 mW的光纤耦合功率输出，耦合效率为90.34%。通过调节外腔芯片上的相位和微环上的电极功率，可以在1529~1584 nm范围内实现激光器调谐，该范围覆盖增益芯片的增益谱。该激光器在不同中心波长下，实现了窄线宽激光输出，激光线宽为2~8 kHz。

激光器性能测试结果：（a）功率-电流曲线；（b）波长调谐曲线；（c）频率噪声曲线

研究人员称，下一步工作将着力优化激光器的驱动控制电路，实现激光器波长的精准控制，改善SOA的工作效率，提高激光器的输出功率。

审核编辑：刘清