CN103457155A - 混合集成复合腔波长可调谐激光发射器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种混合集成复合腔波长可调谐激光发射器，无源光子芯片的光波导上依次包括相位控制区、第一反射光栅、相位耦合区、第二反射光栅，上述各部分组成可调谐激光外腔体；连接相位耦合区的光波导为具有两个非对称波导臂的Y-分支波导耦合器，所述第二反射光栅设在其中一个波导臂上，另一个波导臂上设有波导激光强度调制器；可调谐激光在复合反射镜的中间分光输出，再从设有波导激光强度调制器的波导臂端口以其激光强度调制的速率发射输出。本发明采用非对称Y-分支波导耦合器的两个波导臂上分别设有第二反射光栅区和波导激光强度调制器，减小了器件的尺寸；波导激光强度调制器可实现激光发射的高速率传输。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器，特别涉及一种混合集成复合腔波长可调谐激光发射器。
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(分布布拉格反射光栅)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。改进型的DBR激光器使用非均匀衍射光栅，它的特点是增益区位于前后两个DBR区之间,并且位于在同一个激光波导结构元件中位于前后的DBR区各产生若干反射峰，并且前后反射峰之间的间隔略微有所不同。但是，由于现有的方案中将可调谐激光器，放大器，强度调制器等生长结构截然不同的都在同一个芯片上实现；因此，在制作过程中要经过多次刻蚀和再生长,产品的良率和产出都收到了限制。另外，由于同一个波导器件上按顺序实现波长调谐，光放大，输出信号调制等功能，使得需要的波导较长，从而使整个器件的尺寸会较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合集成复合腔波长可调谐激光发射器，能够实现高速率数据传输，并且可大幅减小器件的尺寸。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种混合集成复合腔波长可调谐激光发射器，主要包括有源增益芯片及无源光子芯片，两个芯片经波导芯耦合对接；所述无源光子芯片上的光波导依次包括相位控制区、第一反射光栅、相位耦合区、第二反射光栅，所述相位控制区、第一反射光栅、相位耦合区和第二反射光栅均设有对应的用于改变波导折射率的电极，上述各部分组成可调谐激光外腔体；
其特征在于：连接相位耦合区的光波导为具有两个非对称波导臂的Y-分支波导耦合器，所述第二反射光栅设在其中一个波导臂上，用于激光波长调谐反馈，另一个波导臂上设有波导激光强度调制器，用于激光强度输出调制；可调谐激光外腔体产生的可调谐激光采取了腔内分光形式，在第一反射光栅和第二反射光栅之间由Y-分支波导耦合器分光输出，再从设有波导激光强度调制器的波导臂端口以其激光强度调制的速率发射输出。
本发明采用非对称Y-分支波导耦合器的两个波导臂上分别设有第二反射光栅区和波导激光强度调制器，来同时提供波长选择和输出激光强度调制，波导激光强度调制器可实现激光发射的高速率传输。由于反射反馈和波导激光强度调制器不在一个波导上实现，因此可以根据需要采用不同的波导结构，另外，反射反馈和波导激光强度调制器在非对称Y-分支波导耦合器的两个输出波导臂平行实现，因此减小了器件的尺寸。
本发明所述第一反射光栅和第二反射光栅分别采用取样光栅或超结构光栅。
本发明所述非对称Y-分支波导耦合器两个波导臂呈平行设置。
本发明所述非对称Y-分支波导耦合器两个波导臂具有完全不同的结构。
本发明所述相位控制区位于增益芯片和第一反射光栅之间。
本发明所述增益芯片与无源光子芯片的耦合端面镀有抗反射膜，增益芯片的另一端面镀有高反射膜。
本发明无源光子芯片上的相位控制区、第一反射光栅、相位耦合区及第二反射光栅的电极设于波导芯的上包层的表面；或者设于波导芯两侧的波导包层表面。
本发明所述相位控制区的相位电驱动采用一个低调频以提供相位抖动。
本发明在所述非对称Y-分支波导耦合器具有第二反射光栅的波导臂的端部设有用于对激光的功率和强度进行检测并提供控制反馈的光学探测器，所述光学探测器采用波导光电探测器，或者将一分立的波导光电探测器芯片面朝下安装在波导包层表面上，且光电探测器芯片的感光区域对准波导芯的V形槽。
本发明所述第二反射光栅反射强度接近100%。
与现有技术相比，该发明技术具有以下优点：
1)本发明采用非对称Y-分支波导耦合器可以对输出的激光进行强度调制，实现激光发射的高速率传输；同时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)本发明由于反射反馈和波导激光强度调制器不在一个波导上实现，因此可以根据需要采用不同的波导结构。
3)本发明由于反射反馈和波导激光强度调制器在Y-分支波导耦合器的两个输出波导臂平行实现，因此减小了器件的尺寸。
4)本发明在芯片上集成的激光功率探测器，可以提供激光输出的监测反馈。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明的俯视结构原理示意图；
图2为无源光子芯片上电极位置横截面的结构原理示意图之一（电极设于波导芯两侧的波导包层表面）；
图3为无源光子芯片上电极位置横截面的结构原理示意图之二（电极设于波导芯的上包层的表面）；
图4为无源光子芯片上光栅刻蚀处纵向剖视面的结构原理示意图；
图5为分立的光电探测器芯片安装在波导包层表面上结构示意图；
图6为第一反射光栅（实线）和第二反射光栅（虚线）反射峰的波谱示意图；
图7为经调谐后图6中其中一个反射峰重叠的波谱示意图。
具体实施方式
如图1所示，是本发明的俯视结构原理示意图，它包含一个有源增益芯片4，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24，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，激光强度的输出调制和激光输出功率的监测。
有源增益芯片4和无源光子芯片24的光波导上各具有一个波导芯3、17；有源增益芯片4和无源光子芯片24的对接是通过将每个芯片上波导芯3、17进行精确的光学对准达到最佳耦合来实现。有源增益芯片4的左、右端面镀有高反射膜1和抗反射膜2，无源光子芯片24光波导的两个端面22、23镀有抗反膜，激光将从无源光子芯片24的右端面23离开反馈外腔。
有源增益芯片4可由常用Ⅲ—Ⅴ化合物半导体材料InP系列来制成。有源增益芯片光波导芯上全部或部分覆盖有用于向有源区注入电子的金属电极5、6，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，通过波导芯3、17耦合传输到作为反馈外腔的无源光子芯片24。
无源光子芯片24上的光波导包括一个相位控制区36、第一反射光栅20、相位耦合区35及具有两个非对称波导臂的Y-分支波导耦合器，它们构成本发明可调谐激光器的外腔反馈和激光输出。相位控制区36位于增益芯片和第一反射光栅20之间；另外存在一个相位耦合区35位于第一反射光栅20和非对称Y-分支波导耦合器之间。非对称Y-分支波导耦合器的两个波导臂15、18由无源光子芯片的波导芯分支而成且两个波导臂呈平行设置，其中一个波导臂18上设有第二反射光栅19，用于激光波长调谐反馈；另一个波导臂15上设有波导激光强度调制器16，用于激光强度输出调制；第一反射光栅20和第二反射光栅19分别采用取样光栅或超结构光栅，上述相位控制区、第一反射光栅、相位耦合区和第二反射光栅的波导上均带有局部对应的金属电极，金属电极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电流的改变，产生电-光效应来进行改变波导折射率；波导折射率的改变用于实现激光的调谐。上述相位控制区36、第一反射光栅20、相位耦合区35、第二反射光栅19及其对应的金属电极组成可调谐激光外腔体，可调谐激光外腔体产生的可调谐激光采取了腔内分光形式，在第一反射光栅和第二反射光栅的之间分光输出到Y-分支波导耦合器的另一个波导臂上，再从设有波导激光强度调制器的波导臂端口以其激光强度调制的速率发射输出。
无源光子芯片24上的相位控制区36或相位耦合区35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，提供一个产生激光所需的相位条件。因此，可以通过对应覆盖的金属电极7、8、11、12发热改变温度而改变相位控制区36或相位耦合区35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。上述相位控制区36是用于提供一个产生激光所需的相位条件，它也可以设于有源增益芯片4内的波导上，也是可以达到同样的作用。
一个布拉格光栅的最大反射波长由以下通用关系决定：
λ＝2·neff·Λ (1)
其中λ是布拉格光栅反射峰的波长，neff是单模波导的有效折射率，Λ是布拉格反射光栅的周期。?由方程(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来改变波导折射率，使其反射峰波长得到调谐。对于取样光栅(SG)或超结构光栅(SSG)，它们的光谱表现为梳状分布的反射峰，当整个波导光栅被金属电极改变折射率时，所有梳状的反射峰的波长会按(1)同步变化或调谐。?
第一反射光栅20和第二反射光栅19采用取样光栅(SG)或超结构光栅(SSG)，但它们的自由光谱范围不相同可以相接近。当局部电极通过热-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改变，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。
如图2、4所示，无源光子芯片24中各部分波导上的金属电极对称设于该部分波导芯两侧的波导包层表面，在绝缘体28上设有硅结构27，而硅结构27上设有波导包层26，金属电极对称波导芯两侧25；相位控制区36的波导芯两侧对称设有金属电极7、8，第一反射光栅20的波导芯两侧对称设有金属电极9、10，相位耦合区35的波导芯两侧对称设有金属电极11、12，第二反射光栅19波导光栅附近设有的金属电极13、14。另外，如图3、4所示，各金属电极放置位置也可以只设于波导芯的上包层26的表面29上。
无源光子芯片24的波导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，绝缘体上硅结构(SOI)上的硅波导就是实现调谐的很好选择。无源光子芯片中各个反射光栅可以刻蚀在SOI波导心上，参见图2、3，然后覆盖包层。该波导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，另外，最近,硅光子技术最近取得了很大进展。通过局部电极实现热调谐的优势在于较快的调谐速度和较低的调谐成本。由于绝缘体上硅结构波导的折射率对比很高，与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。
从有源增益芯片波导抗反射镀膜端面2发射的光,对准耦合到光子集成(PIC)芯片即无源光子芯片的波导芯17中，第一个反射光栅是具有适当反射率的取样光栅(SG)或超结构光栅(SSG),行进中部分光子被第一个反射光栅的反射回到有源增益芯片，其余光子经非对称Y-分支波导耦合器分光到两个波导臂上，非对称Y-分支波导耦合器可以是3dB分光或其它的分光比。由于激光输出不是在激光谐振腔的端面反射镜处进行，而是采取了腔内分光形式，因此，位于非对称Y-分支波导耦合器的一个波导臂的第二反射光栅19具有很高(接近100%)的反射强度，来保证激光在Y-分支波导耦合器的另一个波导臂的有效输出和较小的腔内光学损失。
如图6、7所示，第一反射光栅或第二反射光栅的对应梳状反射峰50、51；52、53；54、55；56、57；58、59有着相近的波长位置。从两个反射光栅的梳状反射谱选中一对波长相近的反射峰54、55来进行调谐。首先，通过微调其中一个反射光栅的波导折射率，来实现选中的一对梳状反射峰54、55的反射波长重叠。然后，改变相位耦合区35的波导折射率以便使重叠的梳状反射峰的反射实现相干相长的叠加，光子在该波长产生最大的反馈和最低的损耗。并进一步调节相位控制区，满足在该波长产生激光的位相条件，实现在该波长的激光，该波长的激光在第一反射光栅和第二反射光栅之间由Y-分支波导耦合器分光输出到另一个波导臂上，再通过Y-分支波导耦合器的另一个波导臂上的波导激光强度调制器进行输出激光强度的高调制速率输出，这样激光将从无源光子芯片的右端面输出。来自取样光栅/超结构光栅的其它梳状反射峰由于强度不充分在激光产生过程竞争会被抑制不能产生激光。通过重复第一反射光栅和第二反射光栅的其余反射峰50、51；52、53；56、57；58、59的重叠,并相应调节相位耦合区和相位控制区,从而实现激光输出波长的步幅式调谐。
在上述两个反射光栅的相应反射峰的重叠基础上，再同步改变两个反射光栅和相位耦合区的波导折射率，使上述重叠处两个梳状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，由相位控制区36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，而实现输出激光波长的连续式调谐。
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。
位于非对称Y-分支波导耦合器的另一波导臂上设有激光强度调制器,可以对输出的激光进行强度调制，实现激光发射的高速率传输。由于反射反馈和调制器不在一个波导上实现,因此它们可以根据需要非对称Y-分支波导耦合器的两个波导臂上的波导结构可以不同，如在硅光子SOI的材料中采用PIN或MOS结构来制作高速率调制器，或III-V化合物半导体的情况下采用EA调制器结构。另外，反射反馈和调制器在Y-分支的两个输出波导臂平行实现，减小了器件长度。
在具体应用中，可以在相位控制区的相位电驱动引进一个低调频以提供相位抖动。另外，在Y-分支波导耦合器的第二反射光栅波导反射光栅的波导的右端制作一个光学探测器来对激光的功率和强度进行检测并提供控制反馈。该光电探测器可以是波导光电探测器。在无源外腔芯片是基于SOI的硅光子芯片的情况下,波导光电探测器也可以如下方式来实现，将一分立的光电探测器芯片21面朝下安装到SOI芯片焊盘31上,如图5所示，该光电探测器芯片21的安装方式可使感光区域对准波导芯一端的一个V型槽30。V型槽阱表面有反射光栅面。所以，从波导芯出射光将被反射到感光区域32，在那里，可将被检测到的光子转换成电子。
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 (10)
1.一种混合集成复合腔波长可调谐激光发射器，主要包括有源增益芯片及无源光子芯片，两个芯片经波导芯耦合对接混合集成；所述无源光子芯片的光波导上依次包括相位控制区、第一反射光栅、相位耦合区和第二反射光栅，所述相位控制区、第一反射光栅、相位耦合区和第二反射光栅均设有对应的用于改变波导折射率的电极，上述各部分组成可调谐激光外腔体；
其特征在于：连接相位耦合区的光波导为具有两个非对称波导臂的Y-分支波导耦合器，所述第二反射光栅设在其中一个波导臂上，用于激光波长调谐反馈，另一个波导臂上设有波导激光强度调制器，用于激光强度输出调制；可调谐激光外腔体产生的可调谐激光在第一反射光栅和第二反射光栅之间由Y-分支波导耦合器分光输出，再从设有波导激光强度调制器的波导臂端口以其激光强度调制的速率发射输出。
2.根据权利要求1所述的混合集成复合腔波长可调谐激光发射器，其特征在于：所述第一反射光栅和第二反射光栅分别采用取样光栅或超结构光栅。
3.根据权利要求1或2所述的混合集成复合腔波长可调谐激光发射器，其特征在于：所述非对称Y-分支波导耦合器两个波导臂呈平行设置。
4.根据权利要求3所述的混合集成复合腔波长可调谐激光发射器，其特征在于：所述非对称Y-分支波导耦合器两个波导臂具有完全不同的结构。
5.根据权利要求4所述的混合集成复合腔波长可调谐激光发射器，其特征在于：所述增益芯片与无源光子芯片的耦合端面镀有抗反射膜，增益芯片的另一端面镀有高反射膜。
6.根据权利要求5所述的混合集成复合腔波长可调谐激光发射器，其特征在于：无源光子芯片上的相位控制区、第一反射光栅、相位耦合区及第二反射光栅的电极设于波导芯的上包层的表面；或者设于波导芯两侧的波导包层表面。
7.根据权利要求6所述的混合集成复合腔波长可调谐激光发射器，其特征在于：所述相位控制区的相位电驱动采用一个低调频以提供相位抖动。
8.根据权利要求7所述的混合集成复合腔波长可调谐激光发射器，其特征在于：在所述具有第二反射光栅的波导臂的端部设有用于对激光的功率和强度进行检测并提供控制反馈的光学探测器。
9.根据权利要求8所述的混合集成复合腔波长可调谐激光发射器，其特征在于：所述光学探测器采用波导光电探测器，或者将一分立的波导光电探测器芯片面朝下安装在波导包层表面上，且光电探测器芯片的感光区域对准波导芯的V形槽。
10.根据权利要求1所述的混合集成复合腔波长可调谐激光发射器，其特征在于：所述第二反射光栅反射强度接近100%。
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