CN102646926B - 基于复合mzi及反射光栅的波长可调谐激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于复合MZI及反射光栅的波长可调谐激光器，包括有源增益芯片、无源光子芯片，无源光子芯片内的波导包括输入波导、第一耦合器、第二耦合器、第一波导臂、第二波导臂和输出波导；输入波导上具有激光产生相位调节区段；第一波导臂上具有第一反射镜区段，第二波导臂上具有第二反射镜区段；第一耦合器与第一反射镜区段或第二反射镜区段之间设有激光耦合相位调节区段；第二耦合器与第一反射镜区段或第二反射镜区段之间设有激光功率相位调节区段；每个区段均设有电极；通过择一改变第一反射镜区段、或第二反射镜区段的波导折射率，并进一步调节激光产生相位调节区段，实现激光输出波长的步幅式调谐。本发明可以持续地或有选择地改变输出波长，并可覆盖很宽的波长范围。

Description

基于复合MZI及反射光栅的波长可调谐激光器

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器，特别涉及一种基于复合MZI及反射光栅的波长可调谐激光器。

背景技术

波分复用技术(WDM)在光纤光通讯系统中已广泛应用。波分复用的光电转调器包含一个激光器，一个调制器，一个接收器和相关的电子设备。波分复用转换器的运行可通过一个近红外波长在1550nm的固定波长激光器实现。由于很易于操作和高度可靠性，分布反馈式(DFB)激光器在波分复用传输系统广泛地应用。在DFB激光器中，提供光学反馈的衍射光栅位于整个增益共振腔的上方，这样激光会在固定波长下获得一个稳定的单模振荡。并且，在低数字速率的信息传输也可通过直接对DFB激光器调制实现。

波分多路系统的构成实施是通过在每个ITU(国际电信联盟)规定的每一波长通道格点上使用一个激光器。然而，DFB激光器不具有较宽的波长调谐范围，因此，必须对每个波长使用不同的激光器，这便导致了昂贵的波长管理的成本，同时要求很大的余料库存来随时解决激光器故障等问题。

为了克服现有DFB激光器的这一缺点同时获得大范围波长单模运行，可调谐激光器应运而生。可调谐激光器就是单个激光器的波长变化可覆盖很多ITU规定的波长通道，并在应用中根据需要可随时变化到所需波长通道。因此，一个可调谐激光器可以为很多波长通道做光源备份，需要作为WDM转换器库存备件的激光器会大量减少。可调谐激光器还可在波分复用的定位中提供灵活的方案，即可以根据需要将某些波长通道从光网中添补加或移除。相应地，可调谐激光器可以帮助运营商在整个光纤网络中有效地进行波长管理。

可调谐激光器可以被大致分为两大类：一类的调谐机制由激光器元件内部提供，另一类的调谐机制由激光器元件外提供。

传统的可调谐激光器方案的代表为DBR(分布布拉格反射镜)激光器，它的特点是产生增益的有源区和产生反射的DBR区在同一个激光元件中形成，但是它的可调谐范围不宽，一般不超过10nm。

此外，MZI(March-Zehnder Interferometer，马赫-曾德尔光学干涉仪)包括两个三分贝耦合器和两个波导臂，三分贝耦合器呈Y形，两波导臂的一端通过其中一个三分贝耦合器耦合连接，两波导臂的另一端通过另外一个三分贝耦合器耦合连接。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于复合MZI及反射光栅的波长可调谐激光器，可以持续地或有选择地改变输出波长，并可覆盖很宽的波长范围。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种基于复合MZI及反射光栅的波长可调谐激光器，包括用于产生宽带自发辐射光子的有源增益芯片，用于外腔反馈及产生可调谐波长的无源光子芯片，有源增益芯片和无源光子芯片内各具有波导，两个芯片经波导芯耦合对接，所述无源光子芯片内的波导包括输入波导、第一耦合器、第二耦合器、第一波导臂、第二波导臂和输出波导，所述输入波导的一端与有源增益芯片内的波导耦合对接，输入波导的另一端经第一耦合器耦合后分别连接第一波导臂和第二波导臂的一端，第一波导臂和第二波导臂的另一端经第二耦合器耦合后连接输出波导；

所述输入波导上具有激光产生相位调节区段；所述第一波导臂上具有第一反射镜区段，所述第二波导臂上具有第二反射镜区段；所述第一耦合器与第一反射镜区段或第二反射镜区段之间设有激光耦合相位调节区段；所述第二耦合器与第一反射镜区段或第二反射镜区段之间设有激光功率相位调节区段；每个区段均设有对应的用于改变波导折射率的电极；

通过择一改变第一反射镜区段、或第二反射镜区段的波导折射率，两个反射镜区段的反射峰分布中的波长位置随之改变；选择性地使两个反射镜区段反射峰分布中的某一波长处于重叠，再改变激光耦合相位调节区段的波导折射率，使光子在该重叠处波长获得相干相长的最大反射反馈，并进一步调节激光产生相位调节区段，以获得激光产生的位相条件，在该波长产生激光；

通过重复使第一反射镜区段和第二反射镜区段的其余反射峰的重叠，并相应调节激光耦合相位调节区段和激光产生相位调节区段，从而实现激光输出波长的选择性步幅式调谐；

再通过调节激光功率相位调节区段，从而调节输出激光的功率水平。

在上述某一波长处于重叠的基础上，再同步改变两个反射镜区段和激光耦合相位调节区段的波导折射率，使上述重叠处两个反射峰的波长位置同步移动，产生波峰重叠处波长的连续变化，并相应调节激光产生相位调节区段，以获得激光产生的位相条件，从而实现输出激光波长的连续式调谐。

本发明所述第一反射镜区段的反射镜选用一个取样光栅或一个超结构光栅；所述第二反射镜区段的反射镜由至少两个中心波长各不相同的波导布拉格光栅组合而成，第二反射镜区段的电极对应分设于每个波导布拉格光栅的波导上。

本发明所述第一反射镜区段的反射镜由至少两个中心波长各不相同的波导布拉格光栅组合而成，第一反射镜区段的电极对应分设于每个波导布拉格光栅的波导上；所述第二反射镜区段的反射镜选用一个取样光栅或一个超结构光栅。

本发明所述第一反射镜区段的反射镜和第二反射镜区段的反射镜均选用取样光栅或超结构光栅；第一反射镜区段的反射镜和第二反射镜区段的反射镜具有不同的梳状反射峰分布。

本发明所述第一反射镜区段的反射镜由至少两个中心波长各不相同的波导布拉格光栅组合而成，第一反射镜区段的电极对应分设于每个波导布拉格光栅的波导上；所述第二反射镜区段的反射镜也由至少两个中心波长各不相同的波导布拉格光栅组合而成，第二反射镜区段的电极对应分设于每个波导布拉格光栅的波导上；第一反射镜区段的反射镜和第二反射镜区段的反射镜具有不同的反射峰分布。

本发明所述第二耦合器与第一反射镜区段或第二反射镜区段之间设有激光功率相位调节区段，该相位调节区段设有对应的用于改变波导折射率的电极，通过对应电极调节激光功率相位调节区段，从而调节输出激光的功率水平。

本发明所述有源增益芯片与无源光子芯片的耦合端面镀有抗反射膜，有源增益芯片的另一端面镀有高反射膜。

本发明所述的各个电极设于相应波导芯的上包层的表面；或者设于相应波导芯两侧的波导包层表面。

本发明所述波导布拉格光栅的数量与取样光栅或超结构光栅的梳状分布中的反射峰数量匹配；各波导布拉格光栅组成的反射峰波长分布及反射强度均接近于取样光栅或超结构光栅的梳状反射峰。

与现有技术相比，该发明技术具有以下优点：

1)本发明的激光器可通过操作无源光子芯片上反射光栅之间的两个光谱响应来进行波长选择，实现了较大范围激光输出波长的分步或连续调谐；

2)通过光学调谐通过在芯片上电极的热或电效应来改变波导折射率，从而不需要机械变动，因此无移动元件；

3)本发明由于采用了外腔结构和较长的谐振腔，保证了该激光器的线宽大大窄于传统可调谐DFB或DBR激光器，窄线宽是下一代40G/100相干通信的一种关键指标；

4)本发明由于芯片的外腔结构，避免了传统的微光元器件和工艺复杂的组装过程，保证了该激光器可以采用微电子半导体工艺进行大规模生产，具有明显的性能和价格优势。

附图说明

图1为本发明具体实施方式一的俯视结构原理示意图；

图2为图1中第一反射镜区段的反射镜(实线)和第二反射镜区段的反射镜(虚线)反射峰的波谱示意图；

图3为经调谐图2中一个反射镜实现某一反射峰重叠后的波谱示意图；

图4为本发明具体实施方式二的俯视结构原理示意图；

图5为图4中第一反射镜区段的反射镜(实线)和第二反射镜区段的反射镜(虚线)反射峰的波谱示意图；

图6为经调谐后图5中其中一个反射峰发生重叠的波谱示意图；

图7为本发明具体实施方式三的俯视结构原理示意图；

图8为本发明具体实施方式四的俯视结构原理示意图；

图9为图8中第一反射镜区段的反射镜(连续线)和第二反射镜区段的反射镜(断续线)反射峰的波谱示意图；

图10为经调谐后图8中其中一个反射峰发生重叠的波谱示意图；

图11、图12为上述各实施例中无源光子芯片上电极位置横截面的结构原理示意图。

图中：1.抗反射膜；2.高反射膜；3.有源增益芯片；301.有源增益芯片内的波导；4.无源增益芯片；5.输入波导；502.激光产生相位调节区段；6.第一耦合器；7.第一波导臂；701.第一反射镜区段；702、802.激光耦合相位调节区段；703、803.激光功率相位调节区段；8.第二波导臂；801.第二反射镜区段；9.第二耦合器；10.输出波导；11、12、13、14、15.金属电极。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，本发明具体实施方式一的基于复合MZI及反射光栅的波长可调谐激光器的俯视结构原理示意图，它包含一个有源增益芯片3，用于产生宽带自发辐射光子，作为激发光源；一个无源光子芯片4，作为外腔提供波长可调谐反馈，产生可调谐波长的激光输出。有源增益芯片3和无源光子芯片4内各具有一个波导(光波导)，两个芯片经波导芯耦合对接；有源增益芯片3和无源光子芯片4的对接是通过将每个芯片上波导芯进行精确的光学对准达到最佳耦合来实现。

无源光子芯片4内的波导包括输入波导5、第一耦合器6、第二耦合器9、第一波导臂7、第二波导臂8和输出波导10，第一、第二耦合器均为三分贝(50％/50％)波导耦合器，耦合器呈Y形；输入波导5的一端与有源增益芯片内的波导301耦合对接，输入波导5的另一端经第一耦合器6耦合后分别连接第一波导臂7和第二波导臂8的一端，第一波导臂7和第二波导臂8的另一端经第二耦合器9耦合后连接输出波导10，无源光子芯片4内的波导连接构成马赫-曾德尔光学干涉仪，即MZI(March-Zehnder Interferometer)。

有源增益芯片3可由常用III-V化合物半导体材料InP或其它系列材料来制成。有源增益芯片光波导芯上可全部或部分覆盖有用于向有源区注入电子的金属电极，通过电子-光子转换在某一中心波长附近产生宽带自发辐射光子，通过有源增益芯片内的波导301耦合传输到作为反馈外腔的无源光子芯片4。

输入波导5上具有激光产生相位调节区段501；第一波导臂7上具有第一反射镜区段701，所述第二波导臂8上具有第二反射镜区段801；在第一耦合器6与第一反射镜区段701之间设有激光耦合相位调节区段702；在第二耦合器9与第一反射镜区段701之间设置激光功率相位调节区段703；输入波导、MZI、波导光栅、输出波导及各区段共同构成本发明可调谐激光器的外腔。

有源增益芯片3的左、右端面镀有高反射膜2和抗反射膜1，无源光子芯片内输入波导的输入端面及输出波导的输出端面均镀有抗反膜，激光将从无源光子芯片4的右端面即输出波导的输出端面输出，离开反馈外腔。在有源增益芯片3左端面镀膜改变为部分透射部分反射膜的情况下，也可以从有源增益芯片左面发出激光，但是第一、第二反射镜区段的反射镜的反射率需要加大。

无源光子芯片4上每个区段的波导上均带有局部对应的金属电极12、13、14、15；这些金属电极12、13、14、15用于改变其对应覆盖部分波导的折射率，可以通过金属电极发热改变温度，产生热-光效应而改变波导折射率；也可通过金属电极上注入电流的改变，产生电-光效应来进行改变波导折射率。本实施例中，无源光子芯片3内各区段波导上的金属电极12、13、14、15可对称设于该区段波导芯两侧的波导包层表面(如图11)；第二反射镜区段801上的金属电极131、132、133、134、135要根据第二反射镜区段内的反射镜组合来对应分设。另外，各金属电极12、13、14、15的放置位置也可以只设于波导芯的上包层的表面(如图12)。

无源光子芯片4上的激光产生相位调节区段501或激光耦合相位调节区段702或激光功率相位调节区段703是通过调节光子的光学路径的长度，即波导光的折射率和物理长度的乘积，提供相应的激光相位条件。激光耦合相位调节区段702的作用是保证经第一、第二反射镜区段反射的光束在第一耦合器6汇合时相干相长，或具有相同或360度的相位差；而激光功率相位调节区段703的作用是使穿过第一、第二反射镜区段反射的激光光束在第二耦合器9汇合时相干相长或相消；激光产生相位调节区段501的作用是提供在整个激光腔内激光形成的位相条件。因此，可以通过对应覆盖的金属电极11、14发热改变温度而改变激光产生相位调节区段501或相位耦合部分702或相位调节部分703的波导折射率，满足相位条件。另外上述波导折射率也可通过对应覆盖的金属电极利用电-光效应来进行改变。上述激光产生相位调节区段501也可以设于有源增益芯片内的波导301上，同样可提供激光所需的腔内相位条件。

上述第一反射镜区段701的反射镜采用取样光栅(SG)或超结构光栅(SSG)。取样光栅/超结构光栅的反射谱的特点是在较宽波长范围内有一个梳状的反射峰分布，相邻反射峰之间的波长间隔被称作自由光谱范围(FSR)。当对应覆盖的局部金属电极12通过热-光或电-光效应改变波导的光学折射率时，取样光栅/超结构光栅的反射波长将被调谐，即整个梳状反射光谱将相对于波长进行移动。取样光栅/超结构光栅具有合适的反射峰强度来给激光形成提供最佳反馈和适当的自由光谱范围以便它可以在波长调谐中完成。

上述第二反射镜区段801的反射镜采用若干个中心反射波长各不相同的波导布拉格光栅组合而成，波导布拉格光栅的数量至少两个，具体数量可以根据调谐的需要来设定，本实施例中的波导布拉格光栅数量为五个。通常一个波导布拉格光栅产生一个反射峰或两个反射峰，为利于更好的调谐，波导布拉格光栅的数量可以与取样光栅或超结构光栅的梳状分布中的反射峰数量匹配，两者数量上的匹配关系可以是一个波导布拉格光栅对应一个梳状分布中的反射峰，如有五个梳状分布中的反射峰，就需五个反射波长各不相同的波导布拉格光栅；对于反射峰调谐范围比较大的波导布拉格光栅，也可以不同的数量比例，如一个波导布拉格光栅反射峰调谐范围可以覆盖梳状分布中的两个反射峰，如有八个梳状分布中的反射峰，就需四个反射波长各不相同的波导布拉格光栅；反之亦然。另外，各波导布拉格光栅的反射峰波长分别接近于取样光栅或超结构光栅的梳状反射峰分布中相应反射峰的波长。

布拉格光栅状反射峰的波长由以下通用关系决定：

λ＝2·n_eff·Λ              (1)

其中λ是布拉格光栅反射峰的波长，n_eff是单模波导的有效折射率，Λ是布拉格反射光栅的周期。由式(1)可见，当波导折射率被改变时，布拉格光栅反射峰波长便可被调谐，因此，可以通过对应覆盖的金属电极131、132、133、134、135来改变波导折射率，使其反射峰波长得到调谐。本实施例中，第二反射镜区段801的反射镜采用具有各不相同中心波长的波导布拉格光栅组合而成，每个布拉格光栅的波导芯两侧各对称分设金属电极131、132、133、134、135。

无源光子芯片4内波导的材料应选用在折射率上具有较大热-光或电-光系数的材料，比如硅或聚合物材料等等，这样，可以对单模波导的折射率地进行有效的调谐。比如，利用绝缘体上硅结构(SOI)上的硅波导来实现调谐。无源光子芯片中各个反射光栅可以刻蚀在SOI波导芯上，然后覆盖包层。无源光子芯片4内的波导构成MZI，本身具有很简单的结构，很容易利用现有成熟的微电子半导体硅工艺来进行生产。由于绝缘体上硅结构波导的折射率对比很高，与有源增益芯片中的波导接近，因此，在两个芯片的对接处，也可以通过使它的波导光学模与增益芯片的波导光学模尽量匹配来获得最优的光学耦合。

如2所示，各波导布拉格光栅具有不同波长的反射峰20、22、24、26、28波长，且每个波导布拉格光栅反射波长都分别接近相应取样光栅/超结构光栅的梳状反射峰21、23、25、27、29的波长。同时，这些波导布拉格光栅的反射峰强度和相应取样光栅/超结构光栅的梳状反射峰强度也相接近。

由有源增益芯片3输出的光束进入输入波导5，再由第一耦合器6分束成两个相同的功率光束分别进入第一、第二波导臂，两光束分别被第一、第二反射镜区段的反射镜反射，并在第一耦合器6内相遇叠加，而透过第一、第二反射镜区段的激光束在第二耦合器9聚集汇合；通过改变波导的折射率，相位调节区段使光程发生变化，导致穿过第一、第二反射镜区段的光束在第二耦合器9聚集汇合时可相干相长或相消，最终导致由输出波导10的右端面输出的激光的强度可根据要求进行变化。

根据需要输出的波长，如选定的波导布拉格光栅一个反射峰26进行调谐，以实现反射峰26与取样光栅/超结构光栅的梳状反射中的相应反射峰27在波长上的重叠(如图3所示)，再通过调节激光耦合相位调节区段702来确保波导布拉格光栅反射峰26和相应的取样光栅/超结构光栅的梳状反射峰27的反射光在第一耦合器6汇合时相干相长地叠加在一起，保证了光子在该调谐波长具有最大反射，以使各反射镜在该重叠波长处给有源增益芯片3提供最强的反馈以产生激光。而第一反射镜区段701的取样光栅/超结构光栅的梳状反射谱中的其它反射峰21、23、25、29和第二反射镜中其它波导布拉格光栅的反射峰20、22、24、28由于强度不够会在激光过程竞争中被抑制不能产生激光。

接着调节激光产生相位调节区段501，为波长调谐激光的产生提供一个相干的腔内往返相位条件，在该重叠处波长产生激光，激光将从无源光子芯片的右端面输出。通过重复使第一反射镜区段和第二反射镜区段的其余不同波长处相应反射峰的重叠，如20和21；22和23；24和25；28和29；并相应调节各相位调节区段，可实现激光输出波长的步幅式调谐。

在上述波导布拉格光栅反射峰26和相应的取样光栅/超结构光栅的梳状反射峰27重叠的基础上，再同步改变两个反射镜区段和激光耦合相位调节区段的波导折射率，使上述重叠处两个反射峰的波长位置同步移动，产生波峰重叠处波长的连续调谐，由激光产生相位调节区段501为波长调谐激光的产生提供一个相干的腔内往返相位条件产生激光，从而实现输出激光波长的连续式调谐。

此外，通过激光功率相位调节区段703可改变来自两个波导臂7、8的激光的相关相位，这样激光将在第二耦合器9聚集汇合时激光产生相位调节区段实现破坏性或建设性的干涉，也即激光功率相位调节区段703用作可变光衰减器，以调节输出激光的功率水平。

在具体使用中，可以根据产生波长的需要，先选中一对波长相近的波导布拉格光栅反射峰和取样光栅/超结构光栅梳状谱中的反射峰并实现波长重叠，然后，它们朝长波长方向同步、连续地调谐，直到完成取样光栅或超结构光栅的一个自由光谱范围。然后，选下一对邻近的波导布拉格光栅和取样光栅/超结构光栅的梳状反射峰被选中并以相似的方式重复调谐过程，从而覆盖广泛的波长范围。

实施例二

如图4所示，本发明实施方式二的结构原理图，本实施方式结构和实施例一基本相同，不同之处在于：第二反射镜区段801的反射镜也是一个取样光栅或超结构光栅，第二反射镜区段801的波导芯两侧对称设有金属电极13。如图5所示，第二反射镜区段801与第一反射镜区段701的取样光栅或超结构光栅的自由光谱范围不相同但相接近；它们的对应梳状反射峰30、31；32、33；34、35；36、37；38、39有着相近的反射强度。激光耦合相位调节区段702设于第一耦合器6与第一反射镜区段701之间，激光激光功率相位调节区段703设于第二耦合器9与第二反射镜区段801之间。

本实施例中，从两个反射镜的梳状反射谱选中一对波长相近的反射峰34、35来进行调谐。首先，通过微调其中一个反射镜，来实现选中的一对梳状反射峰34、35的反射波长重叠(如图6)。然后，对激光耦合相位调节区段702进行调节以便使重叠的梳状反射峰的反射光在第一耦合器6汇合时相干相长地叠加在一起，保证了光子在该调谐波长具有最大反射，光子在该波长产生最大的反馈和最低的损耗，而来自其它梳状反射峰的反馈由于强度不足不能产生激光。接着通过同步调谐两个重叠的梳状反射峰的波长，并伴以相应的各个相位调节区段的相位调节，也可实现激光器的激光波长的分步或连续调谐，整个调谐过程和实施例一相同。

实施例三

如图7所示，本发明实施方式二的结构原理图，本实施方式结构和实施例一基本相同，不同之处在于：第一反射镜区段701的反射镜由波导布拉格光栅组合而成，波导布拉格光栅的数量至少两个，具体数量可以根据调谐的需要来设定，本实施例中的波导布拉格光栅数量为五个。第一反射镜区段的电极121、122、123、124、125对称分设于每个波导布拉格光栅的波导芯两侧；第二反射镜区段801的反射镜为一个取样光栅或一个超结构光栅；各波导布拉格光栅的反射峰波长分别接近于取样光栅或超结构光栅的梳状反射峰分布中相应反射峰的波长；第二反射镜区段801的波导芯两侧对称设有金属电极13；激光耦合相位调节区段802设于第一耦合器6与第二反射镜区段801之间，激光激光功率相位调节区段803设于第二耦合器9与第二反射镜区段801之间。本实施方式激光产生机制和调谐机制与实施例一相同。

实施例四

如图8所示，本发明实施方式四的结构原理图，本实施方式结构和实施例一基本相同，不同之处在于：第一反射镜区段701的反射镜由反射波长各不相同的波导布拉格光栅组合而成，第一反射镜区段701的电极121、122、123、124、125对称分设于每个波导布拉格光栅的波导芯两侧；第二反射镜区段801的反射镜由反射波长各不相同的波导布拉格光栅组合而成，第二反射镜区段的电极131、132、133、134、135对称分设于每个波导布拉格光栅的波导芯两侧；第一、第二反射镜区段的波导布拉格光栅的数量均至少两个，具体数量可以根据调谐的需要来设定，本实施例中的两反射镜区段的波导布拉格光栅数量均为五个。激光耦合相位调节区段702设于第一耦合器6与第一反射镜区段701之间，激光功率相位调节区段803设于第二耦合器9与第二反射镜区段801之间。如图9所示，第一反射镜区段各布拉格光栅的反射峰41、43、45、47、49波长分布与第二反射镜区段各布拉格光栅的反射峰40、42、44、46、48波长分布不同，但相接近；各对应反射峰40、41；42、43；44、45；46、47；48、49之间的强度相接近。

本实施例从两个反射镜的反射谱选中一对波长相近的反射峰42、43来进行调谐。首先，通过微调其中一个反射镜，来实现选中的一对反射峰42、43的反射波长重叠(如图10)。然后，对激光耦合相位调节区段702进行调节以便使重叠的反射峰的反射相干相长，光子在该波长产生最大的反馈和最低的损耗，而来自其它反射峰的反馈由于强度不足不能产生激光。接着通过同步调谐两个重叠的反射峰的波长，并伴以相应的各个相位调节区段的相位调节，也可实现激光器的激光波长的步幅式或连续式调谐，整个调谐过程和实施例一相同。

本发明的实施方式不限于此，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均可实现本发明目的。

Claims (12)

1.一种基于复合MZI及反射光栅的波长可调谐激光器，包括用于产生宽带自发辐射光子的有源增益芯片，用于外腔反馈及产生可调谐波长的无源光子芯片，有源增益芯片和无源光子芯片内各具有波导，两个芯片经波导芯耦合对接，其特征在于：所述无源光子芯片内的波导包括输入波导、第一耦合器、第二耦合器、第一波导臂、第二波导臂和输出波导，所述输入波导的一端与有源增益芯片内的波导耦合对接，输入波导的另一端经第一耦合器耦合后分别连接第一波导臂和第二波导臂的一端，第一波导臂和第二波导臂的另一端经第二耦合器耦合后连接输出波导；

所述输入波导上具有激光产生相位调节区段；所述第一波导臂上具有第一反射镜区段，所述第二波导臂上具有第二反射镜区段；所述第一耦合器与第一反射镜区段或第二反射镜区段之间设有激光耦合相位调节区段；所述第二耦合器与第一反射镜区段或第二反射镜区段之间设有激光功率相位调节区段；每个区段均设有对应的用于改变波导折射率的电极；

通过择一改变第一反射镜区段、或第二反射镜区段的波导折射率，两个反射镜区段的反射峰分布中的波长位置随之改变；选择性地使两个反射镜区段反射峰分布中的某一波长处于重叠，再改变激光耦合相位调节区段的波导折射率，使光子在该重叠处波长获得相干相长的最大反射反馈，并进一步调节激光产生相位调节区段，在该波长产生激光；

通过重复使第一反射镜区段和第二反射镜区段的其余反射峰的重叠，并相应调节激光耦合相位调节区段和激光产生相位调节区段，从而实现激光输出波长的选择性步幅式调谐；

再通过调节激光功率相位调节区段，从而调节输出激光的功率水平；

所述第一反射镜区段的反射镜选用一个取样光栅或一个超结构光栅；所述第二反射镜区段的反射镜由至少两个中心波长各不相同的波导布拉格光栅组合而成，第二反射镜区段的电极对应分设于每个波导布拉格光栅的波导上。

2.一种基于复合MZI及反射光栅的波长可调谐激光器，包括用于产生宽带自发辐射光子的有源增益芯片，用于外腔反馈及产生可调谐波长的无源光子芯片，有源增益芯片和无源光子芯片内各具有波导，两个芯片经波导芯耦合对接，其特征在于：所述无源光子芯片内的波导包括输入波导、第一耦合器、第二耦合器、第一波导臂、第二波导臂和输出波导，所述输入波导的一端与有源增益芯片内的波导耦合对接，输入波导的另一端经第一耦合器耦合后分别连接第一波导臂和第二波导臂的一端，第一波导臂和第二波导臂的另一端经第二耦合器耦合后连接输出波导；

所述输入波导上具有激光产生相位调节区段；所述第一波导臂上具有第一反射镜区段，所述第二波导臂上具有第二反射镜区段；所述第一耦合器与第一反射镜区段或第二反射镜区段之间设有激光耦合相位调节区段；所述第二耦合器与第一反射镜区段或第二反射镜区段之间设有激光功率相位调节区段；每个区段均设有对应的用于改变波导折射率的电极；

通过择一改变第一反射镜区段、或第二反射镜区段的波导折射率，两个反射镜区段的反射峰分布中的波长位置随之改变；选择性地使两个反射镜区段反射峰分布中的某一波长处于重叠，再改变激光耦合相位调节区段的波导折射率，使光子在该重叠处波长获得相干相长的最大反射反馈，并进一步调节激光产生相位调节区段，在该波长产生激光；

通过重复使第一反射镜区段和第二反射镜区段的其余反射峰的重叠，并相应调节激光耦合相位调节区段和激光产生相位调节区段，从而实现激光输出波长的选择性步幅式调谐；

再通过调节激光功率相位调节区段，从而调节输出激光的功率水平；

所述第一反射镜区段的反射镜由至少两个中心波长各不相同的波导布拉格光栅组合而成，第一反射镜区段的电极对应分设于每个波导布拉格光栅的波导上；所述第二反射镜区段的反射镜选用一个取样光栅或一个超结构光栅。

3.一种基于复合MZI及反射光栅的波长可调谐激光器，包括用于产生宽带自发辐射光子的有源增益芯片，用于外腔反馈及产生可调谐波长的无源光子芯片，有源增益芯片和无源光子芯片内各具有波导，两个芯片经波导芯耦合对接，其特征在于：所述无源光子芯片内的波导包括输入波导、第一耦合器、第二耦合器、第一波导臂、第二波导臂和输出波导，所述输入波导的一端与有源增益芯片内的波导耦合对接，输入波导的另一端经第一耦合器耦合后分别连接第一波导臂和第二波导臂的一端，第一波导臂和第二波导臂的另一端经第二耦合器耦合后连接输出波导；

所述输入波导上具有激光产生相位调节区段；所述第一波导臂上具有第一反射镜区段，所述第二波导臂上具有第二反射镜区段；所述第一耦合器与第一反射镜区段或第二反射镜区段之间设有激光耦合相位调节区段；所述第二耦合器与第一反射镜区段或第二反射镜区段之间设有激光功率相位调节区段；每个区段均设有对应的用于改变波导折射率的电极；

通过择一改变第一反射镜区段、或第二反射镜区段的波导折射率，两个反射镜区段的反射峰分布中的波长位置随之改变；选择性地使两个反射镜区段反射峰分布中的某一波长处于重叠，再改变激光耦合相位调节区段的波导折射率，使光子在该重叠处波长获得相干相长的最大反射反馈，并进一步调节激光产生相位调节区段，在该波长产生激光；

通过重复使第一反射镜区段和第二反射镜区段的其余反射峰的重叠，并相应调节激光耦合相位调节区段和激光产生相位调节区段，从而实现激光输出波长的选择性步幅式调谐；

再通过调节激光功率相位调节区段，从而调节输出激光的功率水平；

所述第一反射镜区段的反射镜和第二反射镜区段的反射镜均选用取样光栅或超结构光栅；第一反射镜区段的反射镜和第二反射镜区段的反射镜具有不同的梳状反射峰分布。

4.一种基于复合MZI及反射光栅的波长可调谐激光器，包括用于产生宽带自发辐射光子的有源增益芯片，用于外腔反馈及产生可调谐波长的无源光子芯片，有源增益芯片和无源光子芯片内各具有波导，两个芯片经波导芯耦合对接，其特征在于：所述无源光子芯片内的波导包括输入波导、第一耦合器、第二耦合器、第一波导臂、第二波导臂和输出波导，所述输入波导的一端与有源增益芯片内的波导耦合对接，输入波导的另一端经第一耦合器耦合后分别连接第一波导臂和第二波导臂的一端，第一波导臂和第二波导臂的另一端经第二耦合器耦合后连接输出波导；

所述输入波导上具有激光产生相位调节区段；所述第一波导臂上具有第一反射镜区段，所述第二波导臂上具有第二反射镜区段；所述第一耦合器与第一反射镜区段或第二反射镜区段之间设有激光耦合相位调节区段；所述第二耦合器与第一反射镜区段或第二反射镜区段之间设有激光功率相位调节区段；每个区段均设有对应的用于改变波导折射率的电极；

通过择一改变第一反射镜区段、或第二反射镜区段的波导折射率，两个反射镜区段的反射峰分布中的波长位置随之改变；选择性地使两个反射镜区段反射峰分布中的某一波长处于重叠，再改变激光耦合相位调节区段的波导折射率，使光子在该重叠处波长获得相干相长的最大反射反馈，并进一步调节激光产生相位调节区段，在该波长产生激光；

通过重复使第一反射镜区段和第二反射镜区段的其余反射峰的重叠，并相应调节激光耦合相位调节区段和激光产生相位调节区段，从而实现激光输出波长的选择性步幅式调谐；

再通过调节激光功率相位调节区段，从而调节输出激光的功率水平；

所述第一反射镜区段的反射镜由至少两个中心波长各不相同的波导布拉格光栅组合而成，第一反射镜区段的电极对应分设于每个波导布拉格光栅的波导上；所述第二反射镜区段的反射镜也由至少两个中心波长各不相同的波导布拉格光栅组合而成，第二反射镜区段的电极对应分设于每个波导布拉格光栅的波导上；第一反射镜区段的反射镜和第二反射镜区段的反射镜具有不同的反射峰分布。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于复合MZI及反射光栅的波长可调谐激光器，其特征在于：所述有源增益芯片与无源光子芯片的耦合端面镀有抗反射膜，有源增益芯片的另一端面镀有高反射膜。

6.根据权利要求1-4任一项所述的基于复合MZI及反射光栅的波长可调谐激光器，其特征在于：所述的各个电极设于相应波导芯的上包层的表面；或者设于相应波导芯两侧的波导包层表面。

7.根据权利要求1或2所述的基于复合MZI及反射光栅的波长可调谐激光器，其特征在于：所述波导布拉格光栅的数量与取样光栅或超结构光栅的梳状分布中的反射峰数量匹配；各波导布拉格光栅组成的反射峰波长分布及反射强度均接近于取样光栅或超结构光栅的梳状反射峰。

8.一种基于复合MZI及反射光栅的波长可调谐激光器，包括用于产生宽带自发辐射光子的有源增益芯片，用于外腔反馈及产生可调谐波长的无源光子芯片，有源增益芯片和无源光子芯片内各具有波导，两个芯片经波导芯耦合对接，其特征在于：所述无源光子芯片内的波导包括输入波导、第一耦合器、第二耦合器、第一波导臂、第二波导臂和输出波导，所述输入波导的一端与有源增益芯片内的波导耦合对接，输入波导的另一端经第一耦合器耦合后分别连接第一波导臂和第二波导臂的一端，第一波导臂和第二波导臂的另一端经第二耦合器耦合后连接输出波导；

所述输入波导上具有激光产生相位调节区段；所述第一波导臂上具有第一反射镜区段，所述第二波导臂上具有第二反射镜区段；所述第一耦合器与第一反射镜区段或第二反射镜区段之间设有激光耦合相位调节区段；所述第二耦合器与第一反射镜区段或第二反射镜区段之间设有激光功率相位调节区段；每个区段均设有对应的用于改变波导折射率的电极；

通过择一改变第一反射镜区段、或第二反射镜区段的波导折射率，两个反射镜区段的反射峰分布中的波长位置随之改变；选择性地使两个反射镜区段反射峰分布中的某一波长处于重叠，再改变激光耦合相位调节区段的波导折射率，使光子在该重叠处波长获得最大反射，并进一步调节激光产生相位调节区段，在该波长产生激光；

在上述某一波长处于重叠的基础上，再同步改变两个反射镜区段和激光耦合相位调节区段的波导折射率，使上述重叠处两个反射峰的波长位置同步移动，产生波峰重叠处波长的连续变化，并相应调节激光产生相位调节区段，从而实现输出激光波长的连续式调谐；

再通过调节激光功率相位调节区段，从而调节输出激光的功率水平；

所述第一反射镜区段的反射镜选用一个取样光栅或一个超结构光栅；所述第二反射镜区段的反射镜由至少两个中心波长各不相同的波导布拉格光栅组合而成，第二反射镜区段的电极对应分设于每个波导布拉格光栅的波导上。

9.一种基于复合MZI及反射光栅的波长可调谐激光器，包括用于产生宽带自发辐射光子的有源增益芯片，用于外腔反馈及产生可调谐波长的无源光子芯片，有源增益芯片和无源光子芯片内各具有波导，两个芯片经波导芯耦合对接，其特征在于：所述无源光子芯片内的波导包括输入波导、第一耦合器、第二耦合器、第一波导臂、第二波导臂和输出波导，所述输入波导的一端与有源增益芯片内的波导耦合对接，输入波导的另一端经第一耦合器耦合后分别连接第一波导臂和第二波导臂的一端，第一波导臂和第二波导臂的另一端经第二耦合器耦合后连接输出波导；

所述输入波导上具有激光产生相位调节区段；所述第一波导臂上具有第一反射镜区段，所述第二波导臂上具有第二反射镜区段；所述第一耦合器与第一反射镜区段或第二反射镜区段之间设有激光耦合相位调节区段；所述第二耦合器与第一反射镜区段或第二反射镜区段之间设有激光功率相位调节区段；每个区段均设有对应的用于改变波导折射率的电极；

通过择一改变第一反射镜区段、或第二反射镜区段的波导折射率，两个反射镜区段的反射峰分布中的波长位置随之改变；选择性地使两个反射镜区段反射峰分布中的某一波长处于重叠，再改变激光耦合相位调节区段的波导折射率，使光子在该重叠处波长获得最大反射，并进一步调节激光产生相位调节区段，在该波长产生激光；

在上述某一波长处于重叠的基础上，再同步改变两个反射镜区段和激光耦合相位调节区段的波导折射率，使上述重叠处两个反射峰的波长位置同步移动，产生波峰重叠处波长的连续变化，并相应调节激光产生相位调节区段，从而实现输出激光波长的连续式调谐；

再通过调节激光功率相位调节区段，从而调节输出激光的功率水平；

所述第一反射镜区段的反射镜由至少两个中心波长各不相同的波导布拉格光栅组合而成，第一反射镜区段的电极对应分设于每个波导布拉格光栅的波导上；所述第二反射镜区段的反射镜选用一个取样光栅或一个超结构光栅。

10.一种基于复合MZI及反射光栅的波长可调谐激光器，包括用于产生宽带自发辐射光子的有源增益芯片，用于外腔反馈及产生可调谐波长的无源光子芯片，有源增益芯片和无源光子芯片内各具有波导，两个芯片经波导芯耦合对接，其特征在于：所述无源光子芯片内的波导包括输入波导、第一耦合器、第二耦合器、第一波导臂、第二波导臂和输出波导，所述输入波导的一端与有源增益芯片内的波导耦合对接，输入波导的另一端经第一耦合器耦合后分别连接第一波导臂和第二波导臂的一端，第一波导臂和第二波导臂的另一端经第二耦合器耦合后连接输出波导；

所述输入波导上具有激光产生相位调节区段；所述第一波导臂上具有第一反射镜区段，所述第二波导臂上具有第二反射镜区段；所述第一耦合器与第一反射镜区段或第二反射镜区段之间设有激光耦合相位调节区段；所述第二耦合器与第一反射镜区段或第二反射镜区段之间设有激光功率相位调节区段；每个区段均设有对应的用于改变波导折射率的电极；

通过择一改变第一反射镜区段、或第二反射镜区段的波导折射率，两个反射镜区段的反射峰分布中的波长位置随之改变；选择性地使两个反射镜区段反射峰分布中的某一波长处于重叠，再改变激光耦合相位调节区段的波导折射率，使光子在该重叠处波长获得最大反射，并进一步调节激光产生相位调节区段，在该波长产生激光；

在上述某一波长处于重叠的基础上，再同步改变两个反射镜区段和激光耦合相位调节区段的波导折射率，使上述重叠处两个反射峰的波长位置同步移动，产生波峰重叠处波长的连续变化，并相应调节激光产生相位调节区段，从而实现输出激光波长的连续式调谐；

再通过调节激光功率相位调节区段，从而调节输出激光的功率水平；

所述第一反射镜区段的反射镜和第二反射镜区段的反射镜均选用取样光栅或超结构光栅；第一反射镜区段的反射镜和第二反射镜区段的反射镜具有不同的梳状反射峰分布。

11.一种基于复合MZI及反射光栅的波长可调谐激光器，包括用于产生宽带自发辐射光子的有源增益芯片，用于外腔反馈及产生可调谐波长的无源光子芯片，有源增益芯片和无源光子芯片内各具有波导，两个芯片经波导芯耦合对接，其特征在于：所述无源光子芯片内的波导包括输入波导、第一耦合器、第二耦合器、第一波导臂、第二波导臂和输出波导，所述输入波导的一端与有源增益芯片内的波导耦合对接，输入波导的另一端经第一耦合器耦合后分别连接第一波导臂和第二波导臂的一端，第一波导臂和第二波导臂的另一端经第二耦合器耦合后连接输出波导；

所述输入波导上具有激光产生相位调节区段；所述第一波导臂上具有第一反射镜区段，所述第二波导臂上具有第二反射镜区段；所述第一耦合器与第一反射镜区段或第二反射镜区段之间设有激光耦合相位调节区段；所述第二耦合器与第一反射镜区段或第二反射镜区段之间设有激光功率相位调节区段；每个区段均设有对应的用于改变波导折射率的电极；

通过择一改变第一反射镜区段、或第二反射镜区段的波导折射率，两个反射镜区段的反射峰分布中的波长位置随之改变；选择性地使两个反射镜区段反射峰分布中的某一波长处于重叠，再改变激光耦合相位调节区段的波导折射率，使光子在该重叠处波长获得最大反射，并进一步调节激光产生相位调节区段，在该波长产生激光；

在上述某一波长处于重叠的基础上，再同步改变两个反射镜区段和激光耦合相位调节区段的波导折射率，使上述重叠处两个反射峰的波长位置同步移动，产生波峰重叠处波长的连续变化，并相应调节激光产生相位调节区段，从而实现输出激光波长的连续式调谐；

再通过调节激光功率相位调节区段，从而调节输出激光的功率水平；

所述第一反射镜区段的反射镜由至少两个中心波长各不相同的波导布拉格光栅组合而成，第一反射镜区段的电极对应分设于每个波导布拉格光栅的波导上；所述第二反射镜区段的反射镜也由至少两个中心波长各不相同的波导布拉格光栅组合而成，第二反射镜区段的电极对应分设于每个波导布拉格光栅的波导上；第一反射镜区段的反射镜和第二反射镜区段的反射镜具有不同的反射峰分布。

12.根据权利要求8或9所述的基于复合MZI及反射光栅的波长可调谐激光器，其特征在于：所述波导布拉格光栅的数量与取样光栅或超结构光栅的梳状分布中的反射峰数量匹配；各波导布拉格光栅组成的反射峰波长分布及反射强度均接近于取样光栅或超结构光栅的梳状反射峰。

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