CN101908716A - 采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器 - Google Patents

Abstract

一种采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器，依次设置有单模光波导光栅阵列单元、第二光束准直透镜、微机电系统光反射镜、第一光束准直透镜、半导体光放大器、激光器输出组件和单模尾纤，单模光波导光栅阵列单元提供了多个特定波长的窄带高反射率端口；可转动的MEMS光反射镜用于选择连接半导体光放大器与特定波长的窄带高反射率端口间的光路，实现激光器输出组件在特定波长下的激射；半导体光放大器用于提供谐振腔增益；第一光束准直透镜和第二光束准直透镜用于实现腔内光束变换；激光器输出组件用于实现输出光反向隔离，输出光信号提取和耦合输出到尾纤。本发明可实现更窄的线宽更大的波长覆盖范围，及对腔长和中心波长的协同控制，实现多个谐振波长的选择。

Description

采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器

技术领域

本发明涉及一种可调激光器。特别是涉及一种可用于新一代可重构的多波长光通信网以及相干光通信的采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器。

背景技术

可调谐窄线宽激光器在光通信领域一直有广泛的应用，特别是近几年，随着市场对网络的灵活性和带宽需求的不断增强，光通信网的发展存在如下的趋势：在网络组网方面，发展具有动态、可重构功能的光网络渐渐成为主流；在光传输方面，相干光通信的兴起使得光传输技术正在进行新一轮的革命。而可调谐窄线宽激光器作为其中重要的使能器件，在可重构光网络和相干光通信技术中都有重大的应用：可以有效地减小光源的备货量，大大减少网络的整体投资；在相干光通信中，发送端的激光器和接收端用于相干解调的本振光源对激光器的线宽和波长稳定性都有较高的要求。因此，可调谐窄线宽激光器已经开始并将最终成为未来光通信光源的最佳选择。

如今，通过引入外腔的方式来实现窄线宽可调谐激光器的方法多种多样：

美国专利US7548567“Analog transmitter using an external cavity laser”提出了基于纵向周期光栅的窄线宽激光器结构，但其调谐范围很小；针对通信系统需要的多通道切换可调的要求，人们也提出了多种新的外腔结构，比如美国专利US6847661B2“Tunable laser with microactuator”的一种利用体光栅结合MEMS反射镜形式的外腔可调谐激光器结构，美国专利US6914916B2“Tunable controlled laser array”多个DFB激光器阵列和一个MEMS反射镜来实现外腔可调谐激光器的结构；美国专利US2005/0281289A1中用F-P激光器阵列和一组光纤光栅实现阵列多通道激光器组；美国专利US6687269B1“Spread spectrum dither for locking to transmission peak in tunable laser”使用一个DFB激光器芯片和F-P外腔来实现波长的可调谐。然而，在基于体光栅结合MEMS反射镜形式的外腔可调谐激光器体系中，因为体光栅分辨率的因素，在实现更窄线宽激光器方面受到一定的限制；而激光器阵列和MEMS反射镜以及激光器阵列和一组光纤光栅的技术显然采用了过多的DFB激光器，结构复杂且成本较高，如何既能实现大范围可调，又获得单通道的窄线宽和低噪声特性一直是业内专家们关心的话题。

图1为外腔式激光器的原理性示意图，包含有增益介质1，用于提供载流子复合场所；滤波单元3和反射光学部分2共同构成了激光器的外腔，用于提供增益和线宽的压缩；耦合光学部分4，用于增益介质和外腔之间光束的模斑变换。其中，增益介质可以是一个半导体光放大器芯片，但是管芯的一个端面镀有高反膜，另一端面镀有增透膜；半导体光放大器芯片和用于提供外部光反馈的外腔共同构成了激光器的谐振腔。滤波单元3可以是光栅或者其它用于波长选择的光学组件，耦合光学部分4一般为光学透镜，反射光学部分2可以是固定或者可以移动的反射镜。

用于实现外部光反馈的方式有多种：

在美国专利US7548567“Analog transmitter using an external cavity laser”中，提出了一种以半导体FP腔作为增益介质，光纤或者平面波导型Bragg光栅用于提供外部光反馈，构成一种外腔式窄线宽激光器。进一步的，通过增益芯片阵列和光栅阵列的结合，还可以实现多波长外腔式窄线宽激光器。

在美国专利文件US6847661B2“Tunable laser with microactuator”中，提出这样一种思路：同样使用半导体光放大器管芯作为增益介质，使用体光栅和MEMS反射镜作为波长选择单元，入射到体光栅光束被分为0级反射部分和1级折射，其中折射部分回到半导体光放大器产生谐振，起到产生光的激射并压缩线宽的作用，反射部分作为输出端口。MEMS反射镜的不同转角对应不同的激射波长，因此该激光器也可以实现波长的连续调谐。

在美国专利US6914916B2“Tunable controlled laser array”中，提出使用激光器阵列结合MEMS反射镜的形式来实现激光器波长的可调谐。在该专利中，，每组激光器可以由温度控制，其中心波长可以微调，MEMS技术用于从激光器阵列中选择合适的波长进行激射。

从以上分析看出，此前实现可调谐外腔式窄线宽激光器的方法无外乎采用：①单个增益芯片和滤波元件结合，构成谐振腔并通过合适的滤波波长选择机制来实现不同波长的激射；②采用激光器阵列，阵列中的每个激光器可以进行波长的细微调节，并采用MEMS转镜实现不同激光器之间的切换与选择。实际上还存在一种方式，即用单个增益芯片与波导光栅阵列通过MEMS反射镜的结合方式，增益芯片与某一特定中心波长的波导光栅耦合，便构成一个谐振腔，通过使增益芯片与不同的波导光栅耦合，实现激光器波长的变化，并且，采用这种波导光栅作为波长控制器件的优势还在于，能够通过增加周期数或光栅长度来实现激光器的窄线宽特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过尽可能简单的结构，实现既具有宽波长范围多通道调谐功能，同时又具有单通道光信号窄线宽和低的强度和相位噪声特性的采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器。

本发明所采用的技术方案是：一种采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器，包括有依次设置的：单模光波导光栅阵列单元、第二光束准直透镜、微机电系统光反射镜、第一光束准直透镜、半导体光放大器、激光器输出组件和单模尾纤，其中，所述的单模光波导光栅阵列单元提供了多个特定波长的窄带高反射率端口；可转动的MEMS光反射镜用于选择连接半导体光放大器与特定波长的窄带高反射率端口间的光路，实现激光器输出组件在特定波长下的激射；半导体光放大器用于提供谐振腔增益；第一光束准直透镜和第二光束准直透镜用于实现腔内光束变换；激光器输出组件用于实现输出光反向隔离，输出光信号提取和耦合输出到尾纤。

所述的单模光波导光栅阵列单元是由多条能够实现窄带光信号高反馈的纵向多周期的单模光波导光栅构成。

所述的单模光波导光栅阵列单元的光路端口设置有光可调相位补偿段。

所述的光可调相位补偿段是利用热光效应进行腔长及相位调谐的元件，或是利用压电效应进行腔长及相位调谐的元件。

所述的半导体光放大器位于单模光波导光栅阵列单元的端面镀有增透膜。

所述的激光器输出组件采用自由空间光隔离器。

所述的单模光波导光栅阵列单元、第二光束准直透镜第一光束准直透镜、半导体光放大器、激光器输出组件和单模尾纤可构建在一个完整的硅基底板上。

所述的单模光波导光栅阵列单元为双层结构，与该单模光波导光栅阵列单元相对应，所述的MEMS光反射镜采用双轴MEMS光反射镜实现外腔激光器多波长光信号的选择激射。

一种采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器，包括有单模光波导光栅阵列单元和依次设置的半导体光放大器、激光器输出组件和单模尾纤，所述的半导体光放大器与单模光波导光栅阵列单元之间的耦合是通过第一光束准直透镜和微机电系统光反射镜构成的反射式结构来实现的，其中，所述的单模光波导光栅阵列单元提供了多个特定波长的窄带高反射率端口；激光器输出组件用于实现输出光反向隔离，输出光信号的提取和耦合输出到尾纤。

一种采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器，包括有依次设置的半导体光放大器、第一光束准直透镜、微机电系统光反射镜、第二光束准直透镜、单模光波导光栅阵列单元、激光器输出组件和单模尾纤，其中，所述的半导体光放大器是一个反射型的芯片，位于第一光束准直透镜的一端面为高增透/低反射膜，远离第一光束准直透镜的一端面则镀有高反膜；所述的单模光波导光栅阵列单元提供了多个特定波长的窄带高反射率端口，所述的单模光波导光栅阵列单元的光路端口设置有多模干涉耦合器构成透射式，激射波长通过多模干涉耦合器后输出至激光器输出组件，激光器输出组件用于实现输出光反向隔离，输出光信号的提取和耦合输出到尾纤。

本发明的采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器，具有以下优点和积极效果：

1、相对于采用体光栅作为波长选择的可调谐激光器，多周期的波导光栅阵列具有通道带宽更窄，波长范围选择灵活的优点，具有实现更窄的线宽和更大的波长覆盖范围的优势；

2、整个器件的无源波导光栅部分可采用硅基等无源光波导，相对于使用多段集成式可调激光器(如SG-DBR激光器)的有源光子集成结构来说，具有工艺成熟，成本低廉的优点；

3、采用热光(但不仅限于热光)调节的原理，可以实现对腔长和中心波长的协同控制，实现良好的单纵模谐振和中心波长的稳定性；

4、采用MEMS反射镜实现多个谐振波长的选择，技术成熟，灵活性高。

附图说明

图1是外腔激光器的原理性示意图；

图2是本发明的阵列型外腔可调激光器第一实施例的结构示意图；

图3是本发明的阵列型外腔可调激光器第二实施例的结构示意图；

图4是本发明的阵列型外腔可调激光器第三实施例的结构示意图；

图5(a)是本发明的单层单模光波导光栅阵列单元的横截面图；

图5(b)是本发明的双层单模光波导光栅阵列单元的横截面图；

图6是本发明的使用双轴MEMS反射镜的外腔式窄线宽可调谐激光器的实施例。

其中：

1：半导体光放大器                2：微机电系统光反射镜

2′：双轴MEMS光反射镜            3：单模光波导光栅阵列单元

3.1：光可调相位补偿段            3.2：单模光波导光栅

3.3：多模干涉耦合器              4：第一光束准直透镜

5：第二光束准直透镜              6：激光器输出组件

7：尾纤

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器做出详细说明。

本发明的采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器中，采用普通的半导体光放大器芯片作为增益介质，并引入单模光波导光栅阵列提供了多个特定波长的窄带高反射率端口，通过MEMS转镜来实现半导体光放大器的输出与单模光波导光栅阵列中的不同光栅进行耦合，从而实现多个窄线宽激光输出。

如图2所示，采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器，包括有依次设置的：单模光波导光栅阵列单元3、第二光束准直透镜5、微机电系统(Micro Electro-Mechanical Systems，MEMS)光反射镜2、第一光束准直透镜4、半导体光放大器1、激光器输出组件6和单模尾纤7，其中，所述的单模光波导光栅阵列单元3提供了多个特定波长的窄带高反射率端口；可转动的MEMS光反射镜2用于选择连接半导体光放大器1与特定波长的窄带高反射率端口间的光路，实现激光器输出组件6在特定波长下的激射；半导体光放大器1用于提供谐振腔增益；第一光束准直透镜4和第二光束准直透镜5用于实现腔内光束变换；激光器输出组件6用于实现输出光反向隔离，输出光信号提取和耦合输出到尾纤7。所述的激光器输出组件6用于实现输出光反向隔离，因此可以用一个自由空间光隔离器实现。

所述的单模光波导光栅阵列单元3是由多条能够实现窄带光信号高反馈的纵向多周期的单模光波导光栅3.2构成，从而实现本激光器的窄线宽特性。

为了补偿在不同通道(波长)切换时引入的腔长的变化，所述的单模光波导光栅阵列单元3的光路端口设置有腔长及相位可调谐的光可调相位补偿段3.1，使得在通过MEMS光反射镜2转动进行通道切换的时候能始终保持激光器稳定的单模谐振条件。通过热光调节的原理对波导光栅部分3.2调整可以微调多波长光信号的中心频率，以适应系统应用对中心频率精度的要求；通过输出光反馈对MEMS光反射镜2进行微小调整以确保能保持最佳的光耦合效率。

所述的光可调相位补偿段3.1是利用热光效应进行腔长及相位调谐的元件，或是利用压电效应进行腔长及相位调谐的元件。更进一步的，为了维持激光器输出中心波长的精确性，这在相干光通信中尤其重要，在波导光栅的光路中可以利用热光(但不仅限于热光)效应对波导光栅进行微调，来维持相位差的恒定。

所述的半导体光放大器1的前端面(靠近无源波导光栅的端面)镀有增透膜。某种原因由于半导体光放大器1的后端面镀有部分反射膜，因此也是激光的输出端面。

除微机电系统(Micro Electro-Mechanical Systems，MEMS)光反射镜2以外，所述的单模光波导光栅阵列单元3、第二光束准直透镜5第一光束准直透镜4、半导体光放大器1、激光器输出组件6和单模尾纤7可构建在一个完整的硅基底板上。即在硅基底板上首先制作光可调相位补偿段3.1和波导光栅部分3.2，然后通过微贴装方式安装半导体光放大器1和激光器输出组件6，输出尾纤7可以安放在事先设计好的硅V型槽内，构成一个整体稳定而且紧凑的混合集成组件。

本发明的采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器的工作过程可描述如下：半导体光放大器1，MEMS光反射镜2，单模光波导光栅阵列单元3，第一光束准直透镜4和第二光束准直透镜5构成了整个谐振腔，那么半导体光放大器1的前端面(靠近无源波导光栅的端面)部分镀有增透膜。光波在半导体光放大器1、某一单模光波导光栅、MEMS光反射镜2以及第一光束准直透镜4和第二光束准直透镜5构成的谐振器中传播，当整个谐振腔的增益大于损耗时便产生了激射。

本发明的采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器中，单模光波导光栅阵列单元中的每一个波导光栅的作用相当于一个反射型窄带滤波器，用于选择某一特定波长，一般来讲，为了满足当今DWDM系统的需要，波长可设置成为ITU-T 50GHz标准波长。这种仅针对某一特定波长设计的波导光栅和增益介质(半导体光放大器)的组合构成一个外腔激光器，能够实现良好的窄线宽特性，单模光波导光栅阵列单元3和增益介质加上MEMS光反射镜2的组合相构成一个阵列式的外腔激光器结构，第一光束准直透镜4和第二光束准直透镜5用于谐振腔内的光束耦合，具体参数可根据腔长，半导体光放大器1的出射光斑以及单模光波导光栅的芯片尺寸进行设计。通过转动MEMS反射镜2的角度，可实现将增益介质发射的光束耦合至单模光波导光栅阵列单元3中的不同通道，即选择一个特定的波长激射。

如图3所示，本发明的采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器还可以采用如下的结构方式：包括有单模光波导光栅阵列单元3和依次设置的半导体光放大器1、激光器输出组件6和单模尾纤7，所述的半导体光放大器1与单模光波导光栅阵列单元3之间的耦合是通过第一光束准直透镜4和MEMS光反射镜2构成的反射式结构来实现的，从而减小了器件的体积，其中，所述的单模光波导光栅阵列单元3提供了多个特定波长的窄带高反射率端口；激光器输出组件6用于实现输出光反向隔离，输出光信号的提取和耦合输出到尾纤7。

也即，本实施例中，半导体光放大器1，MEMS光反射镜2，单模光波导光栅阵列单元3，第一光束准直透镜4构成了整个谐振腔。与第一实施例不同的是，这里将半导体光放大器1与单模光波导光栅阵列单元3之间的耦合设计成反射式的结构，即通过一个透镜来实现半导体光放大器1与单模光波导光栅阵列单元3之间的光束耦合，减小了器件的体积。与第一实施例相同的是，激光器输出组件6用于实现输出光反向隔离，输出光信号的提取和耦合输出到尾纤7。

如图4所示，本发明的采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器还可以采用如下的结构方式：包括有依次设置的半导体光放大器1、第一光束准直透镜4、MEMS光反射镜2、第二光束准直透镜5、单模光波导光栅阵列单元3、激光器输出组件6和单模尾纤7，其中，所述的半导体光放大器1是一个反射型的芯片，位于第一光束准直透镜4的一端面为高增透/低反射膜，远离第一光束准直透镜4的一端面则镀有高反膜；所述的单模光波导光栅阵列单元3提供了多个特定波长的窄带高反射率端口，所述的单模光波导光栅阵列单元3的光路端口设置有多模干涉(Multi-mode interference，MMI)耦合器3.3构成透射式，激射波长通过多模干涉耦合器3.3后输出至激光器输出组件6，激光器输出组件6用于实现输出光反向隔离，输出光信号的提取和耦合输出到尾纤7。

在本实施例中，其中半导体光放大器1，MEMS光反射镜2，单模光波导光栅阵列单元3，第一光束准直透镜4和第二光束准直透镜5构成了整个谐振腔。与第一、第二实施例不同的是，由于半导体光放大器1位于谐振腔的一端，其前端面(图中靠近MEMS反射镜的端面)为高增透/低反射膜，后端面则镀有高反膜。因此，本实施例中半导体光放大器1是一个反射型的芯片；与此同时，单模光波导光栅阵列单元3做成透射式，激射波长将通过基于多模干涉耦合器3.3后输出。同样地，从MMI(图4中的多模干涉耦合器3.3)的输出端要分出一部分的光功率用于对MEMS反射镜2转动角度的反馈控制，激光器输出组件6用于实现输出光反向隔离，输出光信号的提取和耦合输出到尾纤7。

一般来讲，半导体光放大器芯片的两个端面均为增透膜，在本专利的第一、第二实施例所对应的结构中，需要对其中的端面镀部分反射膜用于形成外腔，而在第三实施例所对应的结构中，需要在半导体光放大器芯片的一个端面镀高反膜，这样势必造成工艺难度的提高。因此，在实际使用中，可以通过在光路中加入镀有相应膜系的玻璃片来代替，例如在第一、第二实施例所对应的结构中，可以在隔离器组件6中加入镀有部分反射膜的玻璃片，在第三实施例所对应的结构中，可以在半导体光放大器芯片后端面处贴一块镀有高反膜的玻璃片。

图5(a)是第一、第二和第三实施例中单模光波导光栅阵列单元3的一个横截面图，例如图2中的A-A′处，表示的是阵列波导光栅断面结构。

为了实现更宽范围的可调，比如要同时实现C波段和L波段的波长可调谐，单模光波导光栅阵列单元3中的光栅数目会变得很多，那么如果将这些分立的无源波导光栅设计在一个平面中，会导致MEMS反射镜转动的角度超出其转动范围。这时可以将单模光波导光栅阵列单元3设计成双层的结构，即，所述的单模光波导光栅阵列单元3为双层结构，与该单模光波导光栅阵列单元3相对应，所述的MEMS光反射镜2采用双轴MEMS光反射镜实现外腔激光器多波长光信号的选择激射。

如图5(b)所示，比如将图5(b)中上层的无源波导光栅阵列设计为C波段的波长，而将下层的无源波导光栅阵列设计为L波段的波长。那么这时可以选择双轴MEMS反射镜2，通过一个轴的转动来实现C或L波段内不同通道的切换，通过另一个轴的转动来实现C波段和L波段的切换，如图-6所示。

Claims (10)

1.一种采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器，其特征在于：包括有依次设置的：单模光波导光栅阵列单元(3)、第二光束准直透镜(5)、微机电系统光反射镜(2)、第一光束准直透镜(4)、半导体光放大器(1)、激光器输出组件(6)和单模尾纤(7)，其中，所述的单模光波导光栅阵列单元(3)提供了多个特定波长的窄带高反射率端口；可转动的MEMS光反射镜(2)用于选择连接半导体光放大器(1)与特定波长的窄带高反射率端口间的光路，实现激光器输出组件(6)在特定波长下的激射；半导体光放大器(1)用于提供谐振腔增益；第一光束准直透镜(4)和第二光束准直透镜(5)用于实现腔内光束变换；激光器输出组件(6)用于实现输出光反向隔离，输出光信号提取和耦合输出到尾纤(7)。

2.根据权利要求1所述的采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器，其特征在于，所述的单模光波导光栅阵列单元(3)是由多条能够实现窄带光信号高反馈的纵向多周期的单模光波导光栅(3.2)构成。

3.根据权利要求1所述的采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器，其特征在于，所述的单模光波导光栅阵列单元(3)的光路端口设置有光可调相位补偿段(3.1)。

4.根据权利要求1所述的采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器，其特征在于，所述的光可调相位补偿段(3.1)是利用热光效应进行腔长及相位调谐的元件，或是利用压电效应进行腔长及相位调谐的元件。

5.根据权利要求1所述的采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器，其特征在于，所述的半导体光放大器(1)位于单模光波导光栅阵列单元(3)的端面镀有增透膜。

6.根据权利要求1所述的采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器，其特征在于，所述的激光器输出组件(6)采用自由空间光隔离器。

7.根据权利要求1所述的采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器，其特征在于，所述的单模光波导光栅阵列单元(3)、第二光束准直透镜(5)第一光束准直透镜(4)、半导体光放大器(1)、激光器输出组件(6)和单模尾纤(7)可构建在一个完整的硅基底板上。

8.根据权利要求1所述的采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器，其特征在于，所述的单模光波导光栅阵列单元(3)为双层结构，与该单模光波导光栅阵列单元(3)相对应，所述的MEMS光反射镜(2)采用双轴MEMS光反射镜实现外腔激光器多波长光信号的选择激射。

9.一种采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器，其特征在于：包括有单模光波导光栅阵列单元(3)和依次设置的半导体光放大器(1)、激光器输出组件(6)和单模尾纤(7)，所述的半导体光放大器(1)与单模光波导光栅阵列单元(3)之间的耦合是通过第一光束准直透镜(4)和微机电系统光反射镜(2)构成的反射式结构来实现的，其中，所述的单模光波导光栅阵列单元(3)提供了多个特定波长的窄带高反射率端口；激光器输出组件(6)用于实现输出光反向隔离，输出光信号的提取和耦合输出到尾纤(7)。

10.一种采用无源波导光栅的阵列型外腔可调激光器，其特征在于：包括有依次设置的半导体光放大器(1)、第一光束准直透镜(4)、微机电系统光反射镜(2)、第二光束准直透镜(5)、单模光波导光栅阵列单元(3)、激光器输出组件(6)和单模尾纤(7)，其中，所述的半导体光放大器(1)是一个反射型的芯片，位于第一光束准直透镜(4)的一端面为高增透/低反射膜，远离第一光束准直透镜(4)的一端面则镀有高反膜；所述的单模光波导光栅阵列单元(3)提供了多个特定波长的窄带高反射率端口，所述的单模光波导光栅阵列单元(3)的光路端口设置有多模干涉耦合器(3.3)构成透射式，激射波长通过多模干涉耦合器(3.3)后输出至激光器输出组件(6)，激光器输出组件(6)用于实现输出光反向隔离，输出光信号的提取和耦合输出到尾纤(7)。

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