CN103219649A - 直接高速调制外腔式波长可调谐激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了直接高速调制外腔式波长可调谐激光器，包括FP激光器芯片，无源光子芯片，所述FP激光器芯片可对输出激光的工作速率进行直接高速调制，它发射输出的激光光谱呈梳状的发射峰分布；FP激光器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；所述波导反射镜部分具有梳状的反射峰分布，相邻反射峰的波长间隔与所述FP激光器芯片发射的相邻发射峰的波长间隔不同；通过择一改变波导反射镜部分的波导折射率，波导反射镜部分的反射峰分布的波长位置随之改变或调谐。本发明可输出单波长激光并持续地或有选择地改变输出激光的波长，还可大范围地调谐输出激光的波长，同时还可直接高速调制输出激光，实现宽带数据传输。

Description

直接高速调制外腔式波长可调谐激光器

技术领域

本发明涉及一种可调谐激光器，具体是直接高速调制外腔式波长可调谐激光器。

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。

传统的FP（Fabry-perot）激光器是指法布里-珀罗激光器，具有法布里-珀罗谐振腔，是发射多波长激光的多模激光器，即发射的激光的光谱在一定波长范围内的波长分布呈若干个峰，这些波长峰的位置分布和它们之间的间距(称自由光谱范围)由芯片的增益曲线、光学折射率及其长度来决定，并且这些波长峰的位置呈梳状分布，其缺点是：在一定波长范围内激光发射的频谱范围较宽。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直接高速调制外腔式波长可调谐激光器，可输出单波长激光并持续地或有选择地改变输出激光的波长，还可大范围地调谐输出激光的波长，同时还可直接高速调制输出激光，实现宽带数据传输。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种直接高速调制外腔式波长可调谐激光器，其特征在于包括用于产生激发光源、提供激光增益并可对输出激光的工作速率直接调制的半导体FP激光器芯片，用于外腔反馈及波长调谐的无源光子芯片，所述FP激光器芯片发射输出的激光光谱呈梳状的发射峰分布；所述FP激光器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；无源光子芯片的波导上具有由激光相位控制部分和波导反射镜部分组成的外腔反馈区，该外腔反馈区与FP激光器芯片构成激光共振腔，所述波导反射镜部分具有梳状的反射峰分布，相邻反射峰的波长间隔与所述FP激光器芯片发射的相邻发射峰的波长间隔不同；所述激光相位控制部分和波导反射镜部分均设有对应的通过加热或注入载流子来改变波导折射率的电极；

通过择一改变波导反射镜部分的波导折射率，波导反射镜部分的反射峰分布的波长位置随之改变或调谐；选择性地调谐波导反射镜部分使反射峰与FP激光器芯片的相应发射峰在某一波长处重叠，再改变激光相位控制部分的波导折射率来调节激光相位，光子在该波长重叠处获得最大反馈，并经激光共振腔多次反射从而产生激光；

通过重复使其余发射峰、反射峰的重叠，并相应调节激光相位控制部分，从而实现激光输出波长的步幅式调谐。

本发明可在所述FP激光器芯片的底部增加设置用于改变FP激光器芯片的波导折射率的加热器或制冷器；在上述某一波长处于重叠的基础上，再同步改变FP激光器芯片的波导和波导反射镜部分的波导的波导折射率，使上述重叠处的发射峰和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，从而实现输出激光波长的连续式调谐。

本发明所述FP激光器芯片的波导在导出激发光源的端口端面上镀有部分透射部分反射膜，FP激光器芯片的波导的另一端口端面上设有高反射膜；无源光子芯片的波导的两个端口端面均镀有抗反射膜；或者，所述无源光子芯片上靠近FP激光器芯片的波导一端端口端面镀有部分投射部分反射膜，无源光子芯片的波导的另一端端口端面镀有高反射膜。

本发明所述波导反射镜部分的反射镜采用取样光栅或超结构光栅。

本发明所述可调谐激光器还包括用于监控所述可调谐激光器的输出功率的光探测器，该光探测器设于具有高反射膜的波导端面的一侧。

本发明所述激光相位控制区段还可设于FP激光器芯片的波导上。

本发明所述可调谐激光器还包括用于所述可调谐激光器保持恒温工作环境的恒温装置，该恒温装置位于所述可调谐激光器的下方或外围。

本发明所述FP激光器芯片可通过高速驱动电流直接调制输出工作速率在2.5Gb/s-10Gb/s的激光信号。

与现有技术相比，该发明技术具有以下优点：

（1）本发明通过对发射峰和反射峰波长位置的调谐，可输出单波长激光并持续地或有选择地改变输出激光的波长，还可大范围地调谐输出激光的波长，解决了传统FP激光器在一定波长范围内激光发射的频谱范围较宽的缺陷；

（2）本发明由高调制速率FP激光器芯片和无源光子芯片构成，两个芯片构成了外腔激光器，无源波导芯片上可调谐反射光栅对FP发射的多激光模进行进一步滤波，保证了外腔激光器的单模输出，通过对FP激光器芯片的直接调制，实现新的外腔单波长可调谐激光器发射的信号高速调制，不需要外部加调制器即可实现波长可调的高速率数字信号传输，相比于多模FP激光器，本发明的单波长激光器由于不受色散影响，可以传输更长的距离；

（3）本发明通过在波导的热或电效应实现光学调谐，不需要机械变动,因此无移动元件；

（4）本发明可通过恒温装置、光探测器来保证激光输出的调谐精度。

附图说明

图1为本发明实施例一的俯视结构示意图；

图2为图1的主视图；

图3为本发明FP激光器芯片的发射光谱图（虚线）；

图4为本发明无源光子芯片的波导反射镜部分的反射光谱图（实线）；

图5为本发明调谐前波导反射镜部分的反射光谱和FP激光器芯片的发射光谱的示意图；

图6为本发明调谐后波导反射镜部分的反射光谱和FP激光器芯片的发射光谱的示意图；

图7为本发明实施例二的结构示意图。

图中：1、FP激光器芯片；11、FP激光器芯片的波导；2、无源光子芯片；21、无源光子芯片的波导；22、波导反射镜部分；221、取样光栅或超结构光栅；23、激光相位控制部分；24、波导反射镜部分对应的电极；25、激光相位控制部分对应的电极；3、恒温装置；4、光探测器；5、发射峰；6、反射峰；7、加热器或制冷器。

具体实施方式

实施例一

如图1、图2所示，一种直接信号调制外腔式波长可调谐激光器，它包括用于产生激发光源、提供激光增益并可对输出激光的工作速率直接高速调制的半导体FP激光器芯片1，用于外腔反馈及波长调谐的无源光子芯片2，FP激光器芯片1发射输出的激光光谱呈梳状的发射峰分布；FP激光器芯片1和无源光子芯片2内各具有波导，两个芯片经波导芯耦合对接；无源光子芯片的波导上具有由激光相位控制部分23和波导反射镜部分22组成的外腔反馈区，该外腔反馈区与FP激光器芯片1构成激光共振腔，波导反射镜部分22具有梳状的反射峰分布，相邻反射峰的波长间隔与FP激光器芯片发射的相邻发射峰的波长间隔不同；激光相位控制部分23和波导反射镜部分22均设有对应的通过加热或注入载流子来改变波导折射率的电极。另外，激光相位控制部分23也可设置在FP激光器芯片的波导11上，同样可起到相干相长产生激光的作用。

FP激光器芯片常用Ⅲ—Ⅴ化合物半导体材料InP系列制成，上面具有光波导，FP激光器芯片1的特点是它的激光光谱具有一个几乎等波长间距的梳状的发射峰分布，如图3、图5所示的虚线表示部分，相邻反射峰之间的波长间隔称为自由光谱范围(FSR)。本实施例的FP激光器芯片1采用可实现发射激光的高速信号调制的激光器芯片，其调制工作速率为2.5～10Gb/s，或采用更高调制工作速率的FP激光器。无源光子芯片上的波导反射镜部分22为反射光栅，可采用取样光栅或超结构光栅221，也可采用多个波导布拉格光栅排列组成，使波导反射镜部分22的光谱也具有几乎等波长间距的梳状的反射峰分布，如图4和图6所示的实线表示部分，相邻反射峰之间的波长间隔也被称作自由光谱范围(FSR)。

如图5、图6所示，在外腔激光器的共振腔内,FP激光器芯片1的和波导反射镜部分22提供了两种梳状谱。通过波导反射镜部分对应的电极24来改变波导反射镜部分的波导折射率，波导反射镜部分22的反射峰分布的波长位置随之改变或调谐；可以选择性地调谐波导反射镜部分22使其某一反射峰6与FP激光芯片1发射光源的某一发射峰5在某一波长处重叠。因为发射峰梳状分布和反射峰梳状分布的波长间隔不同，每次调谐只存在一个发射峰和反射峰在某一波长的重叠。再通过激光相位控制部分对应的电极25来调节激光相位控制部分23，使其满足在该波长产生激光的位相条件，相干相长，从而产生激光，实现外腔激光器在该波长的单波长激光输出。这样通过波导反射镜部分的波导折射率的改变，本外腔可调谐激光器在一定波长范围内可以选择性地在FP激光器芯片的任一发射峰波长处进行单模激光输出，也实现了激光输出波长的步幅式调谐。并且,相比于多模FP激光器，单波长激光器由于不受色散影响,可以传输更长的距离。

而布拉格反射光栅的反射波长由下式（1）的通用关系决定：

λ＝2·n_eff·Λ  （1）

式（1）中λ是布拉格反射光栅的最大反射波长，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。所以，当波导材料的折射率变化时，FP激光器芯片1发射峰波长位置、波导反射镜部分22的反射峰波长位置也会变化或被调谐。

由于波导的折射率可以通过热-光效应来改变，即通过对电极的加热来改变；或者可对电极应用电-光效应来进行改变，即通过对电极电流的载流子注入来改变。

无源光子芯片的波导21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，则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。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，在两个波导芯片的对接处，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。

当通过电极对波导的折射率进行改变时，波导反射镜部分的梳状反射峰的波长会被调谐，即整个梳状反射峰光谱会相对于波长做整体移动。当通过电极向FP激光器芯片1的有源波导注入电子通过电光转换在某一中心波长附近产生宽带光子自发辐射并可对FP激光器芯片1的发射的强度进行快速调制。对波导折射率的调节也调节了光子的光学路径行程长度，因为光学路径行程长度等于光波导的光学折射率和物理长度的乘积。

因此，通过电极对取样光栅或超结构光栅221进行微调，可选择性实现它的某一梳状反射峰6与半导体FP激光器的梳状的发射峰5在某一波长上的重叠；然后，通过对应电极调节激光相位控制部分23的波导反射率，来保证发射峰5和反射峰6在重叠的波长处相干相长，使得光子在该波长获得最大的反馈而产生激光。其余反射峰和其余发射峰由于反馈强度不足在激光竞争中被压制，不能产生激光。而且通过上述取样光栅或超结构光栅221的光谱与半导体FP激光器的梳状的发射峰光谱的耦合调谐，使输出的激光波长也能达到更加单一。

具体应用中，可以将半导体FP激光器芯片1的梳状的发射峰分布的波长位置和自由光谱范围与ITU（国际电信联盟）光网通讯对波长格点和间隔的要求兼容；由于选定后的半导体FP激光器芯片1的梳状的发射峰光谱分布的波长位置和自由光谱范围是保持不变的，激光共振腔中一次只存在一个反射峰与发射峰的重叠，所以，激光输出波长只能出现在半导体FP激光器芯片1的梳状的发射峰上。因此，只要通过取样光栅或超结构光栅221的调谐，就可以使激光器在一定波长范围内在任一ITU波长格点上产生激光，实现输出激光波长的步幅式调谐。本发明可调谐激光器的输出波长可实现与ITU兼容，在实际应用中无需外部的波长控制或波长参考标准。

FP激光器芯片的波导11在导出激发光源的端口端面（即右端面）上镀有部分透射部分反射膜，FP激光器芯片的波导11的另一端口端面（即左端面）上设有高反射膜；无源光子芯片的波导21的两个端口端面均镀有抗反射膜，在激光共振腔内多次反射产生的激光将在无光子芯片的波导21的右端面射出。

如图2所示，本可调谐激光器可以设置在一个恒温装置3的顶部，使本激光器的工作不受外界环境温度影响，该恒温装置3为现有常用的电热/制冷器，也可将恒温装置3设于本激光器的外围，即将本激光器置于恒温装置3内部。在FP激光器芯片1的左端面还可增加设置用于监控本可调谐激光器的输出功率的光探测器4。

实施例二

如图7所示为本发明的实施例二，本实施例二与实施例一构成激光共振腔及产生激光的过程都相同，与实施例一的不同之处在于：将FP激光器芯片置于加热器或制冷器7之上，通过加热器或制冷器7的温度变化可改变FP激光器芯片1的梳状的发射峰光谱。也可在FP激光器芯片的波导11上设置电极，通过加热电极或对电极注入载流子来改变FP激光器芯片的波导11的波导折射率。

先通过对应的电极改变无源光子芯片2的波导反射镜部分22的梳状反射峰分布的波长位置，或先改变FP激光器芯片1的梳状的发射峰分布的波长位置，使反射峰6与发射峰5在某一波长处重叠，如图6所示发射峰5和反射峰6的重叠，光子在该重叠处波长获得最大反馈，并经激光共振腔获得该重叠处波长的激光；

再同步改变波导反射镜部分的梳状反射峰分布和FP激光器芯片的梳状发射峰分布的波长位置，使上述重叠处的发射峰和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，这样激光共振腔输出的激光实现了连续式调谐。

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)

1.一种直接高速调制外腔式波长可调谐激光器，其特征在于包括用于产生激发光源、提供激光增益并可对输出激光的工作速率直接高速调制的半导体FP激光器芯片，用于外腔反馈及波长调谐的无源光子芯片，所述FP激光器芯片发射输出的激光光谱呈梳状的发射峰分布；所述FP激光器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；无源光子芯片的波导上具有由激光相位控制部分和波导反射镜部分组成的外腔反馈区，该外腔反馈区与FP激光器芯片构成激光共振腔，所述波导反射镜部分具有梳状的反射峰分布，相邻反射峰的波长间隔与所述FP激光器芯片发射的相邻发射峰的波长间隔不同；所述激光相位控制部分和波导反射镜部分均设有对应的通过加热或注入载流子来改变波导折射率的电极；

通过择一改变波导反射镜部分的波导折射率，波导反射镜部分的反射峰分布的波长位置随之改变或调谐；选择性地调谐波导反射镜部分使反射峰与FP激光器芯片的相应发射峰在某一波长处重叠，再改变激光相位控制部分的波导折射率来调节激光相位，光子在该波长重叠处获得最大反馈，并经激光共振腔多次反射从而产生激光，实现在该波长的单模激光输出；

通过重复使其余发射峰、反射峰的重叠，并相应调节激光相位控制部分，从而实现激光输出波长的步幅式调谐。

2.根据权利要求1所述的直接高速调制外腔式波长可调谐激光器，其特征在于：所述FP激光器芯片的波导在导出激发光源的端口端面上镀有部分透射部分反射膜，FP激光器芯片的波导的另一端口端面上设有高反射膜；无源光子芯片的波导的两个端口端面均镀有抗反射膜。

3.根据权利要求2所述的直接高速调制外腔式波长可调谐激光器，其特征在于：所述波导反射镜部分的反射镜采用取样光栅或超结构光栅。

4.根据权利要求3所述的直接高速调制外腔式波长可调谐激光器，其特征在于：所述可调谐激光器还包括用于监控所述可调谐激光器的输出功率的光探测器，该光探测器设于具有高反射膜的波导端面的一侧。

5.根据权利要求4所述的直接高速调制外腔式波长可调谐激光器，其特征在于：所述激光相位控制区段设于FP激光器芯片的波导上。

6.根据权利要求4或5所述的直接高速调制外腔式波长可调谐激光器，其特征在于：所述可调谐激光器还包括用于所述可调谐激光器保持恒温工作环境的恒温装置，该恒温装置位于所述可调谐激光器的下方或外围。

7.根据权利要求1所述的直接高速调制外腔式波长可调谐激光器，其特征在于：所述FP激光器芯片通过高速驱动电流直接调制输出工作速率在2.5Gb/s-10Gb/s的激光信号。

8.一种直接高速调制外腔式波长可调谐激光器，其特征在于包括用于产生激发光源、提供激光增益并可对输出激光的工作速率直接调制的半导体FP激光器芯片，用于外腔反馈及波长调谐的无源光子芯片，所述FP激光器芯片发射输出的激光光谱呈梳状的发射峰分布；所述FP激光器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；无源光子芯片的波导上具有由激光相位控制部分和波导反射镜部分组成的外腔反馈区，该外腔反馈区与FP激光器芯片构成激光共振腔，所述波导反射镜部分具有梳状的反射峰分布，相邻反射峰的波长间隔与所述FP激光器芯片发射的相邻发射峰的波长间隔不同；所述激光相位控制部分和波导反射镜部分均设有对应的通过加热或注入载流子来改变波导折射率的电极；所述FP激光器芯片的底部设有用于改变FP激光器芯片的波导折射率的加热器或制冷器；

通过择一改变波导反射镜部分的波导折射率，波导反射镜部分的反射峰分布的波长位置随之改变或调谐；选择性地调谐波导反射镜部分使反射峰与FP激光器芯片的相应发射峰在某一波长处重叠，再改变激光相位控制部分的波导折射率来调节激光相位，光子在该波长重叠处获得最大反馈，并经激光共振腔多次反射从而产生激光，实现在该波长的单模激光输出；

在上述某一波长处于重叠的基础上，再同步改变FP激光器芯片的波导和波导反射镜部分的波导的波导折射率，使上述重叠处的发射峰和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，从而实现输出激光波长的连续式调谐。

9.根据权利要求8所述的直接高速调制外腔式波长可调谐激光器，其特征在于：所述FP激光器芯片的波导在导出激发光源的端口端面上镀有部分透射部分反射膜，FP激光器芯片的波导的另一端口端面上设有高反射膜；无源光子芯片的波导的两个端口端面均镀有抗反射膜。

10.根据权利要求9所述的直接高速调制外腔式波长可调谐激光器，其特征在于：所述可调谐激光器还包括用于监控所述可调谐激光器的输出功率的光探测器，该光探测器设于具有高反射膜的波导端面的一侧。

11.根据权利要求10所述的直接高速调制外腔式波长可调谐激光器，其特征在于：所述激光相位控制区段设于FP激光器芯片的波导上。

12.根据权利要11所述的直接高速调制外腔式波长可调谐激光器，其特征在于：所述可调谐激光器还包括用于所述可调谐激光器保持恒温工作环境的恒温装置，该恒温装置位于所述可调谐激光器的下方或外围。

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