CN104081597A - 单向环形激光器 - Google Patents

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Abstract

激光器包括有源环、无源波导和反射器。有源环用于产生光。无源波导与有源环关联以捕获所产生的光。与无源波导关联的反射器使得来自波导的捕获光耦合进入有源环，以在有源环中触发单向激射的控制，从而产生光。

Description

单向环形激光器
背景技术
诸如环形激光器的行波谐振器激光器可与沿两个相反传播方向的双向激射关联。谐振器无论输入电流偏置水平如何，都不可预料地沿任一个或两个方向发射激光，由此减小了沿所需方向的激光发射效率。
附图说明
图1是根据示例的包括反射器的激光器的框图。
图2A-2E是根据示例的反射器的框图。
图3是根据示例的激光器的相位条件的曲线图。
图4是根据示例的包括反射器的激光器阵列的框图。
图5是根据示例的包括反射器的激光器的框图。
图6是根据示例的包括多个反射器的激光器阵列的框图。
图7是根据示例的包括反射器的激光器的框图。
图8是根据示例的包括多个反射器的激光器阵列的框图。
图9是根据示例的基于在有源环处产生光的流程图。
具体实施方式
激光器应用可包括光学互连，例如光子数据链路，其中可希望单向激射用于有效和加强的信号通信。甚至当利用下述激光腔时，单向激射都可以基于下述示例来实现，在该激光腔中由于激光腔的基本行波特性，激射能够沿两个相反传播方向同时或可替换地发生。示例性激光器系统基于与耦合到谐振器以发射光的波导关联的反射器，在行波谐振器(例如激光腔)中触发单向激射的控制。通过沿优选方向提供/建立激射以破坏激光器谐振腔中的对称/能量平衡，从而导致单向控制，反射器可激励和/或促进沿优选方向的单向激射控制。
单向激射的控制可与能量平衡的增益/损耗不平衡，或者其它不对称和/或操作相关联，该能量平衡与上述相反传播的方向关联。从而，通过利用谐振器中对于该激射方向可得到的能量，同时关闭沿另一方向的激射，单向激射的控制将有利于激射方向。示例性激光器可以基于除了微环以外的其它行波谐振器。从而，基于下述示例的系统可能够实现低功耗、高调制速度、小足迹(footprint)和灵活性，从而形成波分复用(WDM)光源。
在一示例中，激光器系统可包括有源环、无源波导和反射器。有源环将例如基于响应泵浦到有源环中的能量的增益介质而产生光。无源波导与有源环关联以捕获所产生的光。无源波导可以是总线波导，有源环可在无源波导上的耦合点处耦合到无源波导。与无源波导关联的反射器将使得来自波导的捕获光耦合进入有源环，以在有源环中触发单向激射的控制，从而产生光。在示例中，反射器可沿一个方向将来自波导的光发射反射回到有源环，以在有源环中触发沿另一方向的激射的控制。反射器可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的，并且可在环形激光器和/或其它元件的制造过程中形成，而不增加复杂性或成本(例如基于光刻)。激光器系统可具有非常小的足迹并能够实现密集的集成度。
图1是根据示例的包括反射器130的激光器100的框图。反射器130与波导120关联。波导120在耦合点122处耦合到有源环110。反射器130定位在离耦合点122的距离d 123处。
有源环110响应泵浦到有源环110中的能量而产生光。例如，有源环110可以是电驱动混合硅微环(例如具有结合到基底的III-V材料增益外延层的环形结构)，其具有电极以从诸如电流源的外部能量泵接收注入电流。在可替换示例中，有源环110基于从光学能量泵接收的能量产生光。有源环110可以双向，例如沿逆时针112和/或顺时针114方向产生光，并且由于诸如微环激光腔的行波谐振器的特性，光产生的方向性不可预料。
在激光谐振腔中，所产生光的强度与泵浦到环中的能量的功率级相关(例如注入电流的电平或泵浦光强度级)，从而所产生光的强度随着能量泵浦级增加而增加。然而，由于环形腔中光传播的双向特性，无论输入功率变化还是保持不变，有源环110中光产生的方向性可以开始为同时双向，然后切换到顺时针114(或逆时针112)，然后切换到逆时针112(或顺时针114)。受控的激射方向与载流子注入电平或其它泵浦入激光腔的能量相关，但是在破坏与两个激射方向关联的物理对称(例如相等增益和损耗)的步骤没有发生时可能是不可预料的。
激光器100用于向波导122的提供发射光126或从波导122提供发射光126。从而，希望触发与发射光126的所需方向一致的单向激射118的控制。反射器130可用于触发单向激射118的控制。顺时针114和逆时针112激射在相同或类似波长处发生。
来自顺时针114光产生的光可耦合到波导120，作为捕获光124，该耦合包括部分耦合。反射器130可反射捕获光124，作为反射光125，该反射包括部分反射。反射光125可耦合进入有源环110，作为耦合光116，并沿逆时针112方向行进，该耦合包括部分耦合。耦合光116用于使得有源环110中逆时针112和顺时针114光产生失去平衡，触发单向激射118的控制。单向激射118使得有源环110能够有效地将所接收的泵浦能量转换为发射光126。包括没有耦合进入有源环110的剩余的一部分的反射光125可保留在波导120中并加入输出耦合(outcoupled)的逆时针112发射(包括基于单向激射控制的发射)。加入的光可基于多种因素而具有相同或类似的波长，多种因素包括有源环110，外部能量泵，距离d，波导120，耦合点122，有源环110和波导120之间的距离，和其它因素。
尽管所示示例基于逆时针方向示出了单向激射和光发射，但是其它示例可以基于顺时针方向，并且诸如反射器的元件布置也相应地改变。
图2A-2E是根据示例的反射器232A-232E的框图。反射器可以添加到有源环和波导中而不必修改环形激光器(例如不必调节有源环的内部损耗)。反射器可以是无源的从而其运行无功耗，并且可基于对其加热或施加电流/电荷以调节反射带宽来进行调谐。
图2A示出了耦合到波导220A的面反射器232A。面反射器232A可包括反射涂层，诸如部分/低反射和全部/高反射涂层，并且可以是平滑的垂直面。面反射器232A可在激光器、环和/或波导支持的整个波长范围内，或波长的子集范围内运行。面反射器232A可提供紧凑的反射器结构，其可以与激光器系统的其它元件一起在芯片上进行制造。
图2B示出了经由y分支229B耦合到波导220B的泪珠状反射器232B。泪珠状反射器232B可基于y分支229B和泪珠状234B，将来自波导的光束相等地分离为两束光，并可使所分离的光束重新同时返回到相同的波导。尽管示例中示出利用了y分支，但是可以使用其它组合器来代替y分支，例如多模干涉仪(MMI)，定向耦合器，或其它连接器。泪珠状反射器232B可不均匀地分离光束，并且可支持整个波长范围或其子集。包括泪珠234B和y分支229B的泪珠状反射器232B可以在芯片上，诸如通过利用光刻的图案化来制造。
图2C示出了耦合到波导220C的无源环反射器232C。无源环反射器232C可包括无源环236C，y分支229C，上波导235C，和下波导237C。无源环反射器232C可包括与泪珠状反射器232B类似的功能。无源环反射器232C还可以作为波长选择增加/下降元件。无源环反射器232C可包括将被反射的谐振波长，并且可通过其它波长。例如，无源环反射器232C可以将其谐振波长与某些激射波长匹配，该激射波长为例如有源环的主要激射波长。从而，无源环反射器232C可仅反射主要波长λ0，并允许其它激射波长(λ1，λ2，λ3，……)从上波导235C和下波导237C的开放端口发射。甚至当有源环支持多个激射波长时，无源环反射器232C也可触发与无源环反射器232C关联的特定波长(λ0)处的单向激射的控制。因此，被反射且耦合回到有源环谐振腔中的光功率可触发单向激射的控制以及到激光器的所需输出端口的光发射，提供单波长单向受控激射。从而，无源环反射器232C可能够实现对于环形激光器的单波长输出，否则该环形激光器以多个波长发射激光，例如具有小自由频谱范围(FSR)的长腔环形激光器。无源环反射器232C的反射带宽可被选择为远远小于有源环激光器的一个FSR。
图2D示出了耦合到波导220D的无源环反射器232D，包括多个无源环236D，y分支229D(或其它组合器)，上波导235D，和下波导237D。环反射器232D可提供与上面关于无源环反射器232C所述的类似优点，附加特征在于使得多个特定波长能够通过多个无源环236D的每个被反射。与基于单个无源环的反射器相比，例如通过经由y分支229D在上波导235D和下波导237D之间垂直耦合无源环236D的阵列，环反射器232D的反射带宽可增加和/或变平。环反射器232D的大的发射带宽使得反射器能够对于耦合到波导220D的多个有源环触发单向受控激射。
图2E示出了耦合到波导220E的分布式布拉格反射器(DBR)232E。DBR 232E可提供与无源环反射器236C类似的单波长激射特征，包括对于具有小FSR且通常以多个波长发射激光的长腔环形激光器设计DBR 232E的反射带宽，诸如设计反射带宽远远小于环形激光器的一个FSR。通过对于DBR 232E利用短且高折射率对比的光栅结构，DBR 232E的反射带宽增加和/或变平，使得DBR 232E类似于泪珠状反射器234B运行。从而，类似于之前示出的其它反射器示例，单个DBR 232E可以在耦合到波导220E的一组有源环激光器中用于触发单向激射的控制。
图3是根据示例的激光器的相位条件340的曲线图。对于10微米(实线黑色曲线)和100微米(灰色曲线)的距离d 323，相位条件340关于波长342和强度344示出。距离d 323相应于沿着反射器和耦合点之间的波导的距离，例如如图1所示，关于反射器130和耦合点122之间的波导的距离。
图3中所示的性能可由于波导中的干涉而出现，其中所反射的逆时针光(例如图1中的125)例如在波导的耦合点处遇到顺时针光(例如图1中的112)。从而，干涉受到反射器和环-波导耦合点之间的光程，即d 323的影响。取决于与d 323和激光器波长342相关的相位条件，可发生相长干涉和/或相消干涉，如图3所示。
对于强度344的高值，诸如强度344大约等于1a.u.的峰值，相应于相长干涉。对于强度344的低值，诸如强度344大约等于0a.u.的谷值，相应于相消干涉。从而，距离d 323可以根据波长342进行选择以在所需波长342处得到峰值。例如，当d 323被选择为100μm时，与大约1540nm的单向激射控制关联的激射波长342可提供峰值强度344。
d 323的值还可以被选择以提供大的光学带宽。在上述例子中，其中d 323被选择为100μm，在大约1540nm处的峰值是锐利的并且在波长342从1540nm偏离时快速下降。因此，100μm的距离d 323的值可导致更短的带宽，其中强度344在波长342波动时下降。
与d 323的大数值，诸如100μm相比，d 323的较短的值可以提供较大的光学带宽，其对于激射波长342的波动的容许度更大。从而，相长干涉可在波长342的较大范围处保持，允许激射波长342波动同时仍然提供高强度344。例如，考虑d 323为10μm，波长342为1533nm，其中强度344大约为1。即使波长342波动大约±5nm，强度344仍然保持在大约0.8a.u.以上。在下面所述的示例中，对于共享反射器和/或波导的多个环，其中每个环在离共享反射器的不同距离处耦合，d可以变化。在下面所述的其它示例中，即使多个环耦合到相同的波导，通过调节相对于其关联环和/或侧波导的反射器位置，d也可以对于每个与其自己的反射器关联的环进行选择。
图4是根据示例的包括反射器430的激光器阵列400的框图。激光器阵列400包括耦合到波导420的多个n个有源环410。环410能够输出多个相应波长442。环410可共享一个波导420，并可基于一个反射器430触发单向激射的控制。
激光器阵列400可用于提供波分复用(WDM)光源，包括n个有源环410以输出n个波长。激光器阵列400能够避免不同波长之间的串扰，因为n个有源环410的每个由不同的波长来激发。环410可布置为使得根据对于该环的波长λn，对于该环的反射器430和耦合点422之间的距离dn提供所需相位条件(例如相长干涉)。在示例中，n个有源环410的布置可提供具有相长干涉的一些环和具有相消干涉的一些环。在示例中，任意数目的有源环可以添加到波导420中，例如以提供多通道WDM，并且一个反射器可以包括反射带宽以反射波长，使得能够控制在所有有源环中的单向激射。
图5是根据示例的包括反射器530的激光器500的框图。波导包括经由组合器529彼此耦合的主波导527和侧波导528。组合器529可以是y分支，多模干涉仪(MMI)，定向耦合器，或其它连接器。侧波导528被示出以一角度耦合到主波导527，并且可以以包括90度、锐角或钝角的任意角度耦合。反射器530与侧波导528关联。侧波导528在侧耦合点522处耦合到有源环510。反射器530定位在离侧耦合点522的距离d 523处。有源环510还可以经由主耦合点521耦合到主波导527。
基于与发射光526的所需方向一致的单向激射518的触发控制，激光器500用于从主波导527提供发射光526或提供发射光526到主波导527。反射器530和侧波导528可用于在有源环510中触发单向激射518的控制。
来自顺时针514光产生的光可耦合到侧波导528(和/或主波导527)，作为捕获光524。反射器530可反射捕获光524，作为反射光525。反射光525可耦合进入主波导527，并且可耦合进入有源环510，作为耦合光516。沿逆时针512方向行进的耦合光516用于在有源环510中触发单向激射518的控制。
图6是根据示例的包括多个反射器630的激光器阵列600的框图。激光器阵列600包括多个n个有源环610，其耦合到多个n个侧波导628。n个侧波导628各自在离相应的侧耦合点622的距离dn处耦合到n个反射器630的相应的一个。每个侧波导628经由组合器耦合到主波导627，该组合器在图6的示例中以y分支629示出(尽管其它组合器也可以使用)。y分支629能使得来自反射器的、没有耦合回到侧波导628中其相应的环中的反射光能够进入主波导627从而成为光输出的一部分。
环610能够输出多个相应波长642。基于相应的距离dn，每个环610可与其相应的反射器630关联，通过适应(tailor)根据对于该特定环610的波长、鉴于与该环610关联的距离d 623的相位条件，使得每个环610能够提供提高的效率。每个反射器可以提供在离耦合点较短的距离d 623处，使得每个环可在波长值/波动的宽带宽内提供具有相长干涉的光。
图7是根据示例的包括反射器730的激光器700的框图。波导包括彼此分离的主波导727和侧波导728。反射器730与侧波导728关联。侧波导728在侧耦合点722处耦合到有源环710。反射器730定位在离侧耦合点722的距离d 723处。有源环710还可以经由主耦合点721耦合到主波导727。
基于与发射光726的所需方向一致的单向激射718的触发控制，激光器700用于从主波导727提供发射光726或提供发射光726到主波导727。反射器730和侧波导728可用于在有源环710中触发单向激射718的控制。
来自顺时针714光产生的光可耦合到侧波导728(和/或主波导727)，作为捕获光724。反射器730可反射捕获光724，作为反射光725。反射光725可耦合进入有源环710，作为耦合光716。沿逆时针712方向行进的耦合光716用于在有源环710中触发单向激射718的控制。
图8是根据示例的包括多个反射器830的激光器阵列800的框图。激光器阵列800包括各自耦合到多个n个侧波导828的多个n个有源环810。n个侧波导828各自在离相应的侧耦合点822的距离dn处耦合到相应的反射器830。每个侧波导828与主波导827分离。
环810能够输出多个相应波长842。基于相应的距离dn，每个环810可与其相应的反射器830关联，通过适应(tailor)根据对于该特定环810的波长、鉴于与该环810关联的距离d 823的相位条件，使得每个环810能够提供提高的效率。
图9是根据示例的基于在有源环处产生光的流程图。在块910中，光在有源环处产生。例如，有源环可包括增益介质，其响应光泵浦和/或电泵浦(例如注入电流)。在块920中，所产生的光在与有源环关联的无源波导处被捕获。无源波导可在耦合点处耦合到有源环。无源波导可包括侧波导和主波导，并且无源波导可经由侧波导和/或主波导耦合到有源环。侧波导可以与主波导分离，和/或侧波导可以耦合到主波导(例如经由y分支)。
在块930中，基于与无源波导关联以将来自波导的捕获光耦合进入有源环的反射器，单向激射的控制在有源环中被触发以产生光。在示例中，反射器将来自非受控方向的波导中的光反射到受控方向，并且反射光耦合进入有源环以触发有源环中的单向激射。从而，由于受控方向的单向激射引起的在有源环中产生的光可以高强度耦合到无源波导并从无源波导输出。在块940中，反射器的反射带宽被调谐为相应于与有源环关联的激射波长。在示例中，反射器可包括可调谐无源环，其反射波长以触发有源环中单向激射的控制。在步骤950中，单向激射的控制在电流注入偏置水平的范围内保持。例如，有源环可以响应外部能量泵浦级的变化而单向激射。

Claims (15)

1.一种激光器，包括：
有源环，用于产生光；
无源波导，与所述有源环关联以捕获所产生的光；和
与所述无源波导关联的反射器，用于使得来自所述波导的捕获光耦合进入所述有源环，以在所述有源环中触发单向激射的控制，从而产生光。
2.根据权利要求1所述的激光器，其中所述无源波导包括在离所述反射器为距离d处、与基于d和激光器波长的相位条件关联的耦合点，以在大的光学带宽上提供具有高强度的相长干涉。
3.根据权利要求1所述的激光器，其中所述无源波导包括主波导和侧波导，其中所述反射器与所述侧波导关联，并且所述侧波导包括在离所述反射器为距离d处、与基于d和激光器波长的相位条件关联的侧耦合点，以在大的光学带宽上提供具有高强度的相长干涉。
4.根据权利要求3所述的激光器，其中所述侧波导经由组合器耦合到所述主波导。
5.根据权利要求1所述的激光器，其中所述有源环包括响应外部能量泵浦以产生光的增益介质。
6.根据权利要求1所述的激光器，其中所述反射器包括具有高反射涂层的垂直平滑波导面。
7.根据权利要求1所述的激光器，其中所述反射器包括泪珠状波导反射器。
8.根据权利要求1所述的激光器，其中所述反射器包括无源环波导反射器。
9.根据权利要求1所述的激光器，其中所述反射器包括分布式布拉格反射器(DBR)。
10.一种激光器，包括：
有源环，用于响应外部能量泵浦而产生光；
无源波导，与所述有源环关联以基于耦合点捕获所产生的光；和
在离所述耦合点为距离d处与所述无源波导关联的反射器，用于使得来自波导的捕获光耦合进入所述有源环，以在所述有源环中触发单向激射的控制，从而产生光。
11.根据权利要求10所述的激光器，进一步包括与所述无源波导关联的多个有源环，以产生包括多个波长的光。
12.根据权利要求11所述的激光器，进一步包括n个反射器，其中所述无源波导包括主波导和n个侧波导，其中每个反射器与相应的侧波导关联，并且每个侧波导包括在离相应反射器为距离dn处、与基于dn和激光器波长λn的相位条件关联的侧耦合点，其中激光器波长λn与每个有源环关联。
13.一种产生光的方法，包括：
在有源环处产生光；
在与所述有源环关联的无源波导处捕获所产生的光；和
基于与所述无源波导关联、将来自波导的捕获光耦合进入所述有源环的反射器，在所述有源环中触发单向激射的控制以产生光。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括将所述反射器的反射带宽调谐为相应于与所述有源环关联的激射波长。
15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括在外部能量泵浦级的范围内保持单向激射的控制。
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