CN101800393B - 一种基于衍射光栅的集成化阵列波导激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于衍射光栅的集成化阵列波导激光器。本发明的结构包括增益波导阵列，自由衍射区，衍射光栅区以及一条公用的输出波导以及反射面；衍射光栅区由两段不同周期以及不同闪耀角的衍射光栅相连构成，其中一个为反射用衍射光栅，另一个为输出用衍射光栅；从增益波导阵列任意一根波导出射的光，经过自由衍射区照射在反射用衍射光栅和输出用衍射光栅上，其中一部照射在反射用衍射光栅，光被反射回原增益波导，构成激光器的谐振腔；一部分光照射在输出用衍射光栅并且耦合入输出波导，构成激光器的输出。本发明集成程度高；总体尺寸较小；边模抑制能力较强；维护成本低；另外还可根据使用要求灵活设计增益波导数，以达到要求数量的信道。

Description

一种基于衍射光栅的集成化阵列波导激光器

技术领域

本发明涉及集成化阵列波导激光器，尤其涉及一种基于衍射光栅的集成化阵列波导激光器。

背景技术

20世纪70年代，光纤和激光器取得了重大的突破，几十年来经过各国研发人员的努力，光纤通信系统已经多次更新换代。特别是自20世纪90年代初以来，由于人类社会进人了一个信息交换量爆炸式急剧增长的时代，光纤通信技术以其巨大的宽带潜力和无与伦比的传输性能等优点在通信领域。尤其是在长距离大容量通信中占据了不可替代的重要位置。

波分复用技术(wavelength-division multiplexing，WDM)是目前大容量光纤通信网普遍采用的技术，特别是随着有线电视综合业务的开展，对网络带宽需求的日益增长，各类选择性服务的实施、网络升级改造经济费用的考虑等等，WDM的特点和优势在CATV传输系统中逐渐显现出来，表现出广阔的应用前景。

这项技术是将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输；在接收端再用某种方法，将各个不同波长的光信号分开的通信技术。这种技术可以同时在一根光纤上传输多路信号，每一路信号都由某种特定波长的光来传送，这就是一个波长信道。

可见波分复用技术是在同一根光纤上成倍提高传输容量，来实现光纤通信系统升级扩容并以较小的成本进一步提高通信容量。这其中一个关键技术就是光源，简单地说就是要求有一定数量的稳定的单色光源，并且能够快速地实现各个波长之间的转换，同时从产业化的角度，还要求低制造、维护成本以及承受高强度工作的能力。

目前市场上主要有两种光源的解决方案。一种是通过波长可调谐激光器来实现多波长的输出，图1列出了一种最为典型的采样布拉格光栅激光器，其中1号区域为增益区，2号为相位控制区，3、4号区域为光栅区，用作谐振腔的反射镜。其特点是通过对施加电流或者调节温度的方式，改变材料的折射率，进而改变光栅3、4的反射波长或者调节相位，以达到选模的效果。这种方案的缺点是制造精度要求高、调节机制复杂(需要高精度的电流源或者温控系统)以及更加严重的问题：一般来讲有源区是最容易损耗的部件，一旦出现故障，所有通信信道全部停止工作。

所以目前市场上运用的更多还是第二种解决方案：阵列激光器。简单的说就是排列若干个不同的固定工作波长激光器，通过选择对不同激光器施加电压得到不同的信道。这样的好处是固定波长激光器技术成熟且制造与工作机制简单，能够提供稳定的工作状态；通过切换激光器来实现切换信道能够简单的实现高速；当激光器出现故障时，受影响的仅仅是一个信道，其他信道照常工作。

其中一个具体的实施方案就是利用阵列波导光栅(Arrayed WaveguideGrating，缩写为“AWG”)，如图2所示。其原理是：光由一个增益波导阵列，经过一个多模干涉耦合器(Multimode Interference，缩写为“MMI”)被耦合入输出端口。这样的结构制造简单，但是存在功率较低的问题。因为MMI结构的特点，假设有N个增益波导与MMI相连，那么每根增益波导能够进入输出端口的功率仅为单根增益波导总功率的1/N，如果加入制作工艺等带来的其它损耗这种结构的输出功率将更低。由此可见，在同样的功耗下，实际输出的功率将随着信道数量增加而减少。

而另外一种具体的实施方案便是利用刻蚀衍射光栅(Etched DiffractionGrating，缩写为“EDG”)，如图3。这是基于Rowland圆的相关理论之上：图中光栅处于一个半径为R的大圆上，而输入输出点A、B均位于一个半径为R/2的小圆上，并且大小圆相切于O点。在A点入射的一个特定波长λ照射在光栅的多个齿面上，经过衍射全部被聚焦在B点处。这样的结构具有的特点是：不同频率的光从同一个输入波导进入衍射区，经光栅面反射后，在小圆上的不同位置汇聚输出，实现分光。

90年代初，英国的Soole提出了EDG与激光器阵列集成的波长可切换激光器(multistripe array grating integrated cavity，MAGIC Laser)。基于InP/InGaAsP有源半导体材料，将传统EDG中无源的输入输出波导改成有源的增益波导阵列。每根增益波导和一个公共输出波导及EDG自由衍射区共同构成激光器的FP腔，实现了1550波段8通道4nm间隔的激光输出，见图4。但芯片尺寸较大，性能无法满足商业化要求。

发明内容

针对背景技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于衍射光栅的集成化阵列波导激光器。

本发明采用的技术方案是：

本发明的结构包括增益波导阵列，自由衍射区，衍射光栅区以及一条公用的输出波导以及反射面；衍射光栅区由两段不同周期以及不同闪耀角的衍射光栅相连构成，其中一个为反射用衍射光栅，另一个为输出用衍射光栅，两者没有特定的次序关系；从增益波导阵列任意一根波导出射的光，经过自由衍射区照射在反射用衍射光栅和输出用衍射光栅上，其中一部照射在反射用衍射光栅，光被反射回原增益波导，构成激光器的谐振腔；一部分光照射在输出用衍射光栅并且耦合入输出波导，构成激光器的输出。

所述的谐振腔包括增益波导末端的反射面、增益波导阵列、自由衍射区和反射用衍射光栅；由增益波导阵列发出的一部分光经过自由衍射区被反射用衍射光栅反射回增益波导阵列中的原增益波导，同时在增益波导阵列的另一端为具有极高反射率的反射面，两者构成激光器的谐振腔。

所述的增益波导阵列通过对不同增益波导施加电压，使施加电压的增益波导工作，得到不同信道，通过温控设备，调节整体信道。

所述的所述的衍射区光栅通过注入电流或者加入反向偏压，调节整体信道。

所述的输出波导展宽，使其等于或大于增益波导阵列区的波导宽度。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

集成程度高；总体尺寸较小；边模抑制能力较强；维护成本低；另外还可根据使用要求灵活设计增益波导数，以达到要求数量的信道。

附图说明

图1是采样布拉格光栅激光器结构示意图。

图2是基于AWG的多波长光源结构示意图。

图3是EDG结构示意图。

图4是MAGIC Laser结构示意图。

图5是本发明结构示意图。

图6是100G间隔，10通道，中心波长1.55um的激光器结构中反射用衍射光栅闪耀面和非闪耀面的对应尺度。图表中横坐标为光栅齿数，纵坐标为长度单位，a线表示非闪耀面尺度，b线表示闪耀面尺度。

图7是100G间隔，10通道，中心波长1.55um的激光器结构中输出用衍射光栅闪耀面和非闪耀面的对应尺度。图表中横坐标为光栅齿数，纵坐标为长度单位，a线表示非闪耀面尺度，b线表示闪耀面尺度。

图8是传统EDG激光器谐振腔的结构。

图9是本发明中激光器谐振腔的结构。

图10是利用Matlab对于本发明结构的方针结果，考虑中心波长为1550nm的10个通道，间隔为200GHz。其中实心圆点为信道主模输出，星号为边模输出，空心原点为主模与边模输出之差。可以看到边模抑制比约为5～7dB。

图11是本发明中的激光器谐振腔结构示意图。

图12是输出波导的优化方案图。

具体实施方式

图5是本发明的一个实施方式，其结构包括增益波导阵列11，自由衍射区20，衍射光栅区30以及一条公用的输出波导12以及反射面13；其特征在于：衍射光栅区30由两段不同周期以及不同闪耀角的衍射光栅相连构成，其中一个为反射用衍射光栅31，另一个为输出用衍射光栅32，两者没有特定的次序关系；从增益波导阵列11任意一根波导出射的光，经过自由衍射区20照射在反射用衍射光栅和输出用衍射光栅上，其中一部照射在反射用衍射光栅31，光被反射回原增益波导，构成激光器的谐振腔；一部分光照射在输出用衍射光栅32并且耦合入输出波导12，构成激光器的输出。

阵列波导区10可分为3个部分：增益波导阵列11、输出波导12、反射面13。增益波导阵列11为有源区，生长有量子阱。工作的时候，在此区域注入电流将产生激光。反射面13具有极高反射率，一般通过在端面镀金属膜实现，所以当被激发的光照射在反射面13上，几乎全部能量都被反射回增益波导阵列11。

在增益波导阵列11的另一端是自由衍射区20，被反射的光经过这个区域进入衍射光栅区30。衍射光栅区30由两段不同的光栅相连而成，一个作反射用，另一个作输出用，为了叙述方便，我们确定反射用衍射光栅31、输出用衍射光栅32。根据两点法以及光栅不同的实际作用计算出两组光栅的周期、闪耀面以及非闪耀面的尺度。以100G间隔，10通道，中心波长1.55um的一个激光器为例，反射用衍射光栅31具有300个齿，闪耀级次为30，闪耀面在2～2.5微米，非闪耀面为7.2微米(如图6所示)；输出用衍射光栅32具有150个齿，闪耀级次为30，闪耀面7～9.5微米，非闪耀面为4.8微米(如图7所示)。

由增益波导阵列11发出的光经过自由衍射区20：一部分光照射到反射用衍射光栅31，这部分的光被原路反射回增益波导阵列11；另一部分光照射到输出用衍射光栅32，这部分的光被聚焦在输出波导12处，形成激光器的输出。

本发明的谐振腔包括增益波导末端的反射面13、增益波导阵列11、自由衍射区20和反射用衍射光栅31；由增益波导阵列11发出的一部分光经过自由衍射区20被反射用衍射光栅31反射回增益波导阵列11中的原增益波导，同时在增益波导阵列11的另一端为具有极高反射率的反射面13，两者构成激光器的谐振腔。

相比于传统的EDG光栅结构(如图8所示)，这样的设计将谐振腔长缩短了一半(如图9所示)，将有助于提高激光器的边模抑制能力。假设两个EDG色散能力相同，尺寸也相同，EDG的响应为高斯型：

$\exp [-{(\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{d\λ}}\mathrm{\Δ\λ}/\mathrm{\ω})}^2\]---\left(1\right)$

其中

是线色散系数，Δλ为相对中心波长的偏移，ω是高斯光束束腰宽度。在传统的EDG光栅结构中，因为光束两次通过EDG，因此滤波函数可以写为(1)式的平方：

$\exp [-2{(\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{d\λ}}\mathrm{\Δ\λ}/\mathrm{\ω})}^2]---\left(2\right)$

边模相对于主模的损耗差异可表示为：

$10\log \left\{\exp \right[-2{(\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{d\λ}}\mathrm{\Δ\λ}/\mathrm{\ω})}^2\left]\right\}=-4.34*2{(\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{d\λ}}\mathrm{\Δ\λ}/\mathrm{\ω})}^2---\left(3\right)$

而对于本发明中的结构，其腔长短一半，FP腔模间隔要大一倍，且仅通过一次EDG，因此边模相对于主模的损耗差异可表示为：

$10\log \left\{\exp \right[{-(\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{d\λ}}\mathrm{\Δ\λ}*2/\mathrm{\ω})}^2\left]\right\}=-4.34*4{(\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{d\λ}}\mathrm{\Δ\λ}/\mathrm{\ω})}^2---\left(4\right)$

由此可见，本发明结构的边模抑制能力在理论上可以达到传统EDG光栅结构的两倍。如图10所示，利用Matlab对此设计的仿真结果，可以达到约5～7dB的抑制比。

为了实现这一设计，我们还要求设计一个这样的光栅结构：对于每一个增益波导阵列11内的波导，一部分光被反射回原波导，另一部分光被聚焦到同一个输出波导12。如果用一个传统的EDG光栅结构难以实现多波导同时输出，因此我们利用啁啾衍射级次，即利用两个不同周期和闪耀角的EDG光栅结构分别实现功能：反射用衍射光栅31、输出用衍射光栅32。其中反射用衍射光栅31将大部分光返回到增益波导本身作为反馈，输出用衍射光栅32将剩下的小部分光反射到一根公共的输出波导12。整个EDG光栅(反射用衍射光栅31和输出用衍射光栅32的总和)尺寸的大小是由光束扩散范围决定的，因此这种设计不会增加额外的尺寸。相反，用两点法设计时，对于同样的色散，这样的设计可以减小增益波导阵列11中的波导间距，因此有利于EDG小型化，因为波导间距过大会导致非完善成像的波导像差增大，从而需要将光栅放得更远。

本发明的增益波导阵列11通过对不同增益波导施加电压，使施加电压的增益波导工作，得到不同信道，通过温控设备，调节整体信道。

增益波导阵列11为一系列长度不等，长有量子阱结构的有源波导阵列。如图11所示，由于激光器的谐振腔长度为：

$L_{{\mathrm{\λ}}_0}=2(l_{11{\mathrm{\λ}}_0}+l_{20}+l_{31})$

表示波长为λ₀的信道所对应的谐振腔长度；

表示在增益波导阵列11中，波长为λ₀的信道所对应的增益波导长度；l₂₀表示光在自由衍射区20所经过的距离；l₃₁表示光在衍射光栅区30中，照射到衍射光栅31所经过的距离。

对于任意波长，一旦波导位置确定，则l₂₀和l₃₁也确定了，我们通过设定合适的

得到合适的腔长，进而得到希望的波长λ₀。通过对特定的增益波导施加电压或者注入电流，使特定的谐振腔处于震荡状态，输出相应波长的激光，以此实现不同波长之间的切换。如图10所示，考虑以1550nm为中心波长的10个信道，信道间隔为200GHz。

通过以下两种方式实现工作信道的切换：

1，加电方式选择工作信道。在增益波导阵列11中的每个增益波导具有独立的控制电极，通过选择给不同的电极施加电压，使对应的增益波导工作，得到特定波长的输出。

2，调整工作环境温度。本发明的封装产品带有温控设备，以控制信道的工作温度。通过改变温度使器件的折射率变化，能够使输出波长向长波或者短波方向的偏移。由此可以调整器件的工作信道范围。这个方案具有更加重要的一个功能：当器件中最容易损坏的增益波导阵列11中的一条增益波导失效时，可以通过调节温度使损坏部分旁边的增益波导的输出波长偏移到该受损信道所对应的波长范围上来，由此降低器件失效带来的风险以及系统维护成本。

本发明的衍射区光栅30通过注入电流或者加入反向偏压，调节整体信道。

由于本发明的激光器谐振腔包含衍射区光栅30的一部分，因此也可以通过上包层对该区域注入电流或者加入反向偏压以改变折射率，进而改变谐振腔的光学长度，实现整体信道的调节。

本发明中的输出波导12展宽，使其等于或大于增益波导阵列11区的波导宽度。这样做的目的是根据需要对于输出波导12进行优化，以提高激光耦合输出效率。优化措施有两方面(如图12所示)：均匀加宽输出波导；在与自由衍射区20的连接处采用渐变宽度。

以上措施为描述性质的，任何与其精神相似的方案都属于专利的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于衍射光栅的集成化阵列波导激光器，其结构包括增益波导阵列(11)，自由衍射区(20)，衍射光栅区(30)以及一条公用的输出波导(12)以及反射面(13)；其特征在于：衍射光栅区(30)由两段不同周期以及不同闪耀角的衍射光栅相连构成，其中一个为反射用衍射光栅(31)，另一个为输出用衍射光栅(32)，两者没有特定的次序关系；从增益波导阵列(11)任意一根波导出射的光，经过自由衍射区(20)照射在反射用衍射光栅和输出用衍射光栅上，其中一部分光照射在反射用衍射光栅(31)，光被反射回原增益波导，构成激光器的谐振腔；一部分光照射在输出用衍射光栅(32)并且耦合入输出波导(12)，构成激光器的输出；

所述的谐振腔包括增益波导阵列(11)末端的反射面(13)、增益波导阵列(11)、自由衍射区(20)和反射用衍射光栅(31)；由增益波导阵列(11)发出的一部分光经过自由衍射区(20)被反射用衍射光栅(31)反射回增益波导阵列(11)中的原增益波导，同时增益波导阵列(11)末端为具有极高反射率的反射面(13)，增益波导阵列(11)末端的反射面(13)和反射用衍射光栅(31)构成激光器的谐振腔。

2.根据权利要求1所述的一种基于衍射光栅的集成化阵列波导激光器，其特征在于：所述的增益波导阵列(11)通过对不同增益波导施加电压，使施加电压的增益波导工作，得到不同信道，通过温控设备，调节整体信道。

3.根据权利要求1所述的一种基于衍射光栅的集成化阵列波导激光器，其特征在于：所述的衍射光栅区(30)通过注入电流或者加入反向偏压，调节整体信道。

4.根据权利要求1所述的一种基于衍射光栅的集成化阵列波导激光器，其特征在于：所述的输出波导(12)展宽，使其等于或大于增益波导阵列(11)区的波导宽度。

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