[发明专利]基于硅基外腔自注入的窄线宽连续波调频激光器

说明书

本发明的提供一种连续可调谐的窄线宽激光器，包括硅基外腔(111)，所述硅基外腔(111)包括衬底层(101)，所述衬底层(101)上方为光波导层(104)；所述光波导层(104)构成自注入微环谐振腔获得可调频连续波激光，以及分布式反馈激光器(103)，所述分布式反馈激光器(103)与所述硅基外腔(111)端面耦合，将激光耦合到所述微环谐振器(110)中，通过所述硅基外腔(111)输出被调频的连续波激光。本发明的窄线宽激光器能够实现连续可调谐频率调制并且满足调频光源的应用，还能够达到设计尺寸和与激光器耦合的最优化。

技术领域

本发明属于调频激光器领域，特别涉及一种基于硅基外腔自注入的窄线宽连续波调频激光器。

背景技术

窄线宽即低噪声、低相对强度噪声(RIN)和大范围连续波调频波激光器在众多应用场景下有重要应用，例如相干光通信、激光雷达(LiDAR)和生物传感。同时较高的输出光功率避免了放大器的使用，使得大功率激光器在提升系统性能方面有着很大需求。

调频连续波(FMCW)激光雷达发射调频连续波信号并接受经物体反射的回波，通过解调发射波与接收到的反射波的相干信号来探测物体的距离、运动速度。其中最大探测距离受限于激光的相干长度，为了保证接收到信号良好的信噪比，一般要求相干长度大于探测距离两倍以上，因此需要调频连续波激光光源具有较低的光谱线宽。光源的调制带宽B与物体距离分辨率S_r对应,即S_r≥c/2B,c为光速，大范围的调谐范围成为调频光源重要指标。

一些激光器应用需要激光器线宽很窄，也就是窄光谱。窄线宽激光器都是指单频激光器，也就是激光器值存在一个谐振腔模式，相位噪声很低，因此光谱纯度很高。通常这类激光器强度噪声很低。

为了实现激光器具有很窄的辐射带宽(线宽)，在激光器设计时需要考虑以下因素：首先，需要实现单频工作。目标应该是长时间稳定的单频工作，不存在跳模。其次，需要最小化外界噪声的影响。电泵浦激光器需要采用低噪声的电流或者电压源，光学泵浦的激光器的泵浦光源则需要具有低的强度噪声。这在噪声频率高时很容易实现，但是当噪声频率低时，线宽来源主要是低频相位噪声(自发辐射)。第三，需要优化激光器设计使激光器相位噪声最小。最好采用高的腔内功率和长谐振腔，尽管在这种情况下稳定的单频工作更难实现。对系统优化需要了解不同噪声源的重要性，因为根据占据主要地位的噪声源的不同需要采用不同的测量方式。

窄线宽激光器一个很重要的应用是在传感领域，例如压力或者温度光纤传感器，各种干涉仪传感，利用不同的吸收雷达来探测追踪气体，采用多普勒激光雷达测量风速。有些光纤传感器需要激光器线宽为几kHz，而在雷达测量中，100kHz线宽就足够了。光学频率测量需要光源线宽非常窄，需要采用稳定技术来实现。光纤通信系统则对线宽的要求相对宽松，主要用于发射器或者用于探测或者测量。

连续可调谐的窄线宽激光器具有广泛的应用场景，例如相干光通信、激光雷达。宽带扫频激光器通常会受到模式跳变的影响，与外腔耦合的法布里-珀罗激光器(Fabry-perot FP激光器)通过游标效应(Vernier effect)利用外腔和FP内腔的FSR的不同，调整谐振波长位置可实现不同波长的激射。但是由于游标效应的存在，纵模不可能连续调谐，每个纵模间失去了相干性，因此扫频光源的应用受到了限制。更重要的是，对于连续调频激光雷达应用中，激光器必须实现连续可调谐频率调制。美国OEwaves公司提出了背向散射自注入的窄线宽调谐激光器，它是基于回音壁模谐振腔(Whispering Gallery Mode Resonator，WGMR)与半导体激光器耦合的方案。由于受限于WGMR体积和激光器耦合问题，该方案具有其局限性。

需要一种新型的连续可调谐的窄线宽激光器，能够实现连续可调谐频率调制并且满足调频光源的应用，还能够达到设计尺寸和与激光器耦合的最优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连续可调谐的窄线宽激光器，能够实现连续可调谐频率调制并且满足调频光源的应用，还能够达到设计尺寸和与激光器耦合的最优化。