CN108923250B - 片上集成傅里叶锁模激光器 - Google Patents

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Abstract

一种片上集成傅里叶锁模激光器，包括半导体光放大器、微波光子滤波器、分束器、光隔离器和片上集成光延时线，共同形成光学环路来产生光学谐振，其中，半导体光放大器在注入电流时自发辐射光场，在光隔离器的作用下在光学环路中单向传播，通过调节微波光子滤波器中两个微环上的相位调制器，基于游标效应实现快速滤波，片上集成光延时提供光学环路所需要的延时，以满足光信号在整个光学环路中传输一圈的时间等于微波光子滤波器的扫频周期，实现傅里叶域锁模，即可通过分束器输出在傅里叶域锁模的激光信号。本发明能够使傅里叶锁模激光器也达到GHz量级，并大大缩小了傅里叶锁模激光器的体积，提高了性能。

Description

片上集成傅里叶锁模激光器
技术领域
本发明涉及微波光子学技术领域，具体涉及一种片上集成傅里叶锁模激光器。
背景技术
傅里叶域锁模激光器由于其光谱的特性，具有很高的研究价值和实用价值，是光学相干层析成像(OCT)的光源，其在光谱学、光纤通信系统和传感技术方面也有广泛应用。傅里叶域OCT的核心技术是波长扫描光源，其成像的性能直接依赖于所用光源的性能。光源波长的扫描速度决定了成像速度。传统的傅里叶锁模激光器基于光纤制成，其体积庞大，且扫描频率最多达到几十MHz量级，而进一步提高其扫描频率对于生物OCT具有重大意义。
传统的傅里叶锁模激光器主要分为两类，一种是使用光放大器作为增益来源，通过快速调节腔内的可调F-P谐滤波器实现波长扫描的输出，但由于这种滤波器的扫描频率太低，无法和腔体的谐振频率匹配，所以每次扫描只能激活一个波长且每次都需重新建立振荡关系，所以这种只能到几十kHz量级的扫描频率；另一种是在环腔当中加入几公里的光纤延时线来降低激光器腔体的基频从而满足傅里叶锁模的条件，这种办法最多达到几十MHz量级的扫描频率。
综上，传统的傅里叶锁模激光器的体积较大，扫描频率比较低。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明的主要目的在于提供一种片上集成傅里叶锁模激光器，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种片上集成傅里叶锁模激光器，包括半导体光放大器、微波光子滤波器、分束器、光隔离器和片上集成光延时线，所述半导体光放大器、微波光子滤波器、分束器、光隔离器和片上集成光延时线共同形成光学环路来产生光学谐振，其中，
半导体光放大器，在注入电流时自发辐射光场；
微波光子滤波器，对所述半导体光放大器的输出光进行滤波，其包括相互串联的两个微环以及所述两个微环上的相位调制器，所述两个微环的半径不同以产生游标效应，所述相位调制器上加载有周期性驱动电流以实现扫频；
分束器，对所述光学环路中的光进行分光，其中一部分光作为扫频激光输出，另一部分光留在所述光学环路中提供激光器的反馈；
光隔离器，使所述光学环路中的光单向传播来保证形成光学谐振；
片上集成光延时线，提供所述光学环路所需要的延时，以满足光信号在整个光学环路中传输一圈的时间等于微波光子滤波器的扫频周期，从而实现傅里叶域锁模。
其中，所述两个微环的输入端与输出端分别设置有光耦合器，所述光耦合器具有分光作用。
其中，所述光耦合器为基于倏逝波耦合的定向耦合器或基于多模干涉效应的多模干涉耦合器。
其中，所述相位调制器的材料为基于载流子色散效应、热效应或量子斯塔克效应能改变有效折射率。
其中，每个微环上配置有两个相位调制器，以加宽谐振波长的调谐范围。
其中，所述两个微环中相位调制器的总长度和环长比例相等，来实现一个周期内谐振波长的准连续调节。
其中，所述光隔离器是基于铁磁材料或非线性效应的光学隔离器。
其中，所述片上集成光延时线采用二氧化硅、硅基和氮化硅材料制作。
其中，所述半导体光放大器、微波光子滤波器和分束器均集成于一芯片上，并通过波导连接。
其中，所述芯片、光隔离器和片上集成光延时线之间通过光纤柔性连接形成闭和的环路，并在连接处设置有模斑转换器进行光学耦合。
其中，所述模斑转换器具有楔形结构来减少损耗。
基于上述技术方案可知，本发明的片上集成傅里叶锁模激光器具有如下有益结果：
(1)通过非集成隔离器的加入解决了光单向传播的问题，首次实现了除隔离器外的所有器件集成，从而大大缩小了傅里叶锁模激光器的体积并提高了性能；
(2)傅里叶域锁模激光器的扫描频率直接和滤波器的调谐速率有关，本发明采用的基于双微环游标效应的高速调谐滤波器首次应用在傅里叶锁模激光器中，其调谐速度可达GHz量级，所以能够使傅里叶锁模激光器也达到GHz量级。
附图说明
图1是本发明一实施例的片上集成傅里叶锁模激光器的结构示意图；
图2(a)是本发明一实施例的双微环基于游标效应快速滤波的原理示意图；
图2(b)是本发明一实施例的双微环基于游标效应快速滤波的仿真示意图。
上述附图中，附图标记的含义如下：
1 半导体光放大器 2 光耦合器 3 微环
4 相位调制器 5 相位调制器 6 光耦合器
7 弯曲波导 8 光耦合器 9 微环
10 相位调制器 11 相位调制器 12 光耦合器
13 分束器 14 模斑转换器 15 模斑转换器
16 光纤 17 光纤 18 光隔离器
19 模斑转换器 20 光延时线 21 模斑转化器
22 光纤 23 模斑转换器
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明基于集成微波光子技术，将电流注入到半导体光放大器中，在光隔离器的作用下其自发辐射的光在光环路中沿着固定的一个方向传播。在传播的过程当中经过由双微环基于游标效应的快速滤波器，而在双微环的相位调制器上加载预设的驱动电流，可以使双微环组成的快速滤波器周期性扫描，设计使其扫描的周期和光在整个环路当中传播一周的时间相等。此时满足傅里叶域锁模的数学条件，耦合输出得到的是傅里叶域锁模的激光信号。由于本发明是基于片上集成器件制作而成，可以实现体积非常小和扫描频率非常高的傅里叶锁模激光器。
作为一示例性实施例，如图1所示，本发明片上集成傅里叶锁模激光器，除微型光隔离器外，所有器件均集成在片上，包括半导体光放大器1、微波光子滤波器、分束器13、光隔离器18、片上集成光延时线20，来形成光学环路以进行光学谐振，其中，
半导体光放大器1能够在电流驱动下产生自发辐射光并输出；
微波光子滤波器对半导体光放大器2的输出光进行滤波并输出，其包括相互串联并具有不同半径的两个微环3及9，两个微环3及9上分别设置有相位调制器，相位调制器上加载有周期性驱动电流以实现扫频；
分束器13对光学环路中的光进行分光，其中一部分光作为扫频激光输出，另一部分光留在光学环路中提供激光器的反馈；
光隔离器18使光学环路中的光单向传播来保证形成光学谐振；
片上集成光延时线20提供光学环路所需延时，以满足光信号在整个光学环路中传输一周的时间等于微波光子滤波器的扫频周期，从而实现傅里叶域锁模条件：
T＝Tr；
其中，T是微波光子滤波器的变化周期，Tr是信号在光学环路中传输一周的延时。
以下对各组成部件的结构作详细说明：
半导体光放大器1可在驱动电流的作用下发生自发辐射，其可为例如InP等材料制成的片上集成化器件，因具体结构为本领域技术人员所熟知，故在此不作赘述。
微波光子滤波器的两个微环3和9的输入端与输出端分别设置有光耦合器2、6、8及12，如图1中所示，光耦合器2和半导体光放大器之间通过波导连接，光耦合器8和9之间通过一段弯曲波导7连接，光耦合器12和分束器13之间通过波导连接，光耦合器2、6、8及12，例如可以是基于倏逝波耦合的定向耦合器或基于多模干涉效应的多模干涉耦合器等具有分光作用的耦合器。
微环3上有两个相位调制器4和5，微环9上有两个相位调制器10和11，可实现足够宽的波长调谐范围。相位调制器4、5、10及11例如可以是基于载流子色散效应或热效应或量子斯塔克效应等能够改变有效折射率的材料如绝缘体上硅、磷化铟制成的片上集成相位调制器。
当光场通过波导进入光耦合器2当中，光耦合器2把光耦合进微环3当中，光在微环3当中又会经过相位调制器4和相位调制器5的调制，同时被微环3的环腔选模，部分光从光耦合器6当中耦合出来，经过直波导和弯曲波导7传播之后，又经过光耦合器8耦合进入微环9当中，重复被相位调制器调制和选模的过程，由于两个微环半径不同，所以出现了游标效应，新出现的自由光谱范围大于微环3和微环9的原有光谱范围。
如图2(a)所示，两个半径不同的微环3和微环9具有不同的自由光谱范围，当光依次经过两个微环的时，由于两个微环的半径不同，其自由光谱范围不同，所以此时会出现游标效应，游标效应使得两个微环等效于一个具有大自由光谱范围的滤波器。微环中有相位调制器4、5、10及11，当相位调制器注入电流时，材料的有效折射率发生改变，导致光场的相位发生改变，最终引起微环的谐振波长移动，而单独每个环中相位调制器的总长度和环长比例相等，来实现一个周期内谐振波长的准连续调节。相位调制器上加载与扫描周期相等的周期性驱动电流，电流周期由扫描周期决定，而扫描周期由相位调制器的速度决定，该集成相位调制器的速度能够达到GHz，所以快速滤波器能够达到GHz量级。如图2(b)所示为快速滤波器一个扫描周期内的响应曲线。而当光在整个光回路中传播一个周期的时间刚好等于该滤波器扫描的时间，此时输出的激光在傅里叶域上实现锁模。
分束器13具有两个输出端，在第一输出端可设置模斑转换器15和光纤17，在第二输出端和光隔离器之间可设置模斑转换器14和光纤16，从耦合器12耦合出来的光场进入到分束器13当中，大部分光通过模斑转换器14耦合进入光纤16，然后输入光隔离器，另一部分光则通过模斑转换器15耦合入光纤17后作为扫频激光输出。
光隔离器18是基于铁磁材料，非线性效应或其它原理的微型光学隔离器，在光隔离器18和片上集成光延时线20之间可设置模斑转换器19，通过光隔离器18实现光的单向传输，然后通过模斑转换器19耦合进入片上集成光延时线20，片上集成光延时线20的设计应当匹配光延时。片上延时线的长度可采用不同材料如氮化硅、二氧化硅制作，材料不同，其光场折射率不同，所以长度也不同，需要满足的是光经过延时线和其它结构之后的总时间周期等于快速滤波器的扫描周期。
在片上集成光延时线20和半导体光放大器1之间通过光纤22进行柔性连接，作为优选，在光纤22和光延时线20之间以及光纤22和片上集成光延时线20之间分别设置有模斑转换器21和23，自片上集成光延时线20输出的光经由模斑转换器21，光纤22，模斑转换器23回到半导体光放大器当中进行放大，然后进行下一个周期的循环。
其中，模斑变换器14、14、21和23是具有楔形结构或其它完成模式匹配波导结构的减少损耗的结构。
至此，已对本实施例片上集成傅里叶锁模激光器说明完毕。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域的普通技术人员可对其结构进行简单地熟知地替换，如：光学环路中的各器件连接顺序并不局限于图1所示，只要保证光在形成的光学环路中能产生谐振即可；可将各处的模斑转换器去掉直接耦合；可去掉系统当中的光纤，从光纤的柔性连接变为芯片之间的直接耦合；可在光路中加入光放大器对信号进行放大。并且，所附的附图是简化过且作为例示用。附图中所示的器件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且器件的配置可能更为复杂。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种片上集成傅里叶锁模激光器，包括半导体光放大器、微波光子滤波器、分束器、光隔离器和片上集成光延时线，其中，所述半导体光放大器、微波光子滤波器、分束器、光隔离器和片上集成光延时线共同形成光学环路来产生光学谐振，其特征在于，
半导体光放大器，在注入电流时自发辐射光场；
微波光子滤波器，对所述半导体光放大器的输出光进行滤波，其包括相互串联的两个微环及位于所述两个微环上的相位调制器，两个微环的半径不同以产生游标效应，所述相位调制器上加载有周期性驱动电流以实现扫频；
分束器，对所述光学环路中的光进行分光，其中一部分光作为扫频激光输出，另一部分光留在所述光学环路中提供激光器的反馈；
光隔离器，使所述光学环路中的光单向传播来保证形成光学谐振；
片上集成光延时线，提供所述光学环路所需要的延时，以满足光信号在整个光学环路中传输一圈的时间等于微波光子滤波器的扫频周期，从而实现傅里叶域锁模。
2.根据权利要求1所述的片上集成傅里叶锁模激光器，其特征在于，所述两个微环的输入端与输出端分别设置有光耦合器，所述光耦合器具有分光作用。
3.根据权利要求2所述的片上集成傅里叶锁模激光器，其特征在于，所述光耦合器为基于倏逝波耦合的定向耦合器或基于多模干涉效应的多模干涉耦合器。
4.根据权利要求1所述的片上集成傅里叶锁模激光器，其特征在于：
所述相位调制器的材料为基于载流子色散效应、热效应或量子斯塔克效应能改变有效折射率；和/或
每个微环上配置有两个相位调制器，以加宽谐振波长的调谐范围。
5.根据权利要求1所述的片上集成傅里叶锁模激光器，其特征在于，所述两个微环中相位调制器的总长度和环长比例相等，来实现一个周期内谐振波长的准连续调节。
6.根据权利要求1所述的片上集成傅里叶锁模激光器，其特征在于，所述光隔离器是基于铁磁材料或非线性效应的光学隔离器。
7.根据权利要求1所述的片上集成傅里叶锁模激光器，其特征在于，所述片上集成光延时线采用二氧化硅、硅基和氮化硅材料制作。
8.根据权利要求1所述的片上集成傅里叶锁模激光器，其特征在于，所述半导体光放大器、微波光子滤波器和分束器均集成于一芯片上，并通过波导连接。
9.根据权利要求8所述的片上集成傅里叶锁模激光器，其特征在于，所述芯片、光隔离器和片上集成光延时线之间通过光纤柔性连接形成闭和的环路，并在连接处设置有模斑转换器进行光学耦合。
10.根据权利要求9所述的片上集成傅里叶锁模激光器，其特征在于，所述模斑转换器具有楔形结构来减少损耗。
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