CN105207057B - 波长快速调谐的单片集成外腔振荡激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波长快速调谐的单片集成外腔振荡激光器，激光器包含增益区、频率调谐区和谐振腔；增益区是一种光放大器，和频率调谐区的光耦合可以通过键合材料、光栅对准、模斑转换器或波导直接对准等方式实现；频率调谐区包含若干个微环和马赫一增德尔干涉结构，利用马赫一增德尔干涉结构的半导体材料的载流子色散效应或电光效应实现谐振频率的快速切换，同时利用微环的热光效应实现谐振频率的稳定；谐振腔由增益区的一端和频率调谐区共同构成。该设计方案相比以往的可调激光器，具有宽调谐范围和低于微秒级的频率切换时间，并且在结构上更加利于集成。

Description

波长快速调谐的单片集成外腔振荡激光器

技术领域

本发明属于光电子技术和平面光波导集成领域，涉及一种波长快速可调的外腔振荡激光器结构。

背景技术

近年来，为了突破“电子瓶颈”的局限，光子作为新的信息的载体得到了广泛的重视。在长距离通信领域，光通信以高带宽、低损耗等优势取得了巨大的成功；随着技术的发展，光通信将朝着更高的集成密度和更短传输距离发展，即光器件的规模化和单片集成化。由于硅材料具有大的晶圆面积、CMOS工艺兼容等优势，利用硅波导体系实现集成光学的方案受到了越来越广泛的关注。目前，在SOI(Silicon on Insulator)材料上已经实现了多种无源器件以及有源的调制器、光开关等，具有良好的发展前景。

可调谐的半导体激光器在数据交换和数据的复用上有着非常广泛的应用。如，可调谐激光器和波分复用器件组合使用可以构成波长路由单元；可调谐激光器还可实现信号的波分、时分复用。因而，在片上集成波长快速切换、工作稳定、能耗小的可调谐激光器是实现更高速、更清洁的光通信、光交换的一大需求。

可调谐激光器的实现方式有多种，相比于传统的DBR激光器，外腔振荡的可调谐激光器的可调谐带宽更宽(传统DBR激光器带宽仅10nm左右)，可达30nm～40nm；且外腔振荡的可调谐激光器便于集成，不但能直接在芯片上制作电光和热光的控制结构，而且容易和片上其他器件级联工作。在现有的单片集成波长可调外腔振荡激光器中，如文献“基于双微环谐振腔和倾斜多模干涉耦合器的单片集成可调激光器”(″Monolithically IntegratedTunable Laser Using Double-Ring Resonators With a Tilted MultimodeInterference Coupler″，PTL.21，P.851(2009))和“使用硅纳米线微环谐振腔制作的、低损耗的、紧凑的可调谐激光器”(″Compact，lower-power-consumption wavelength tunablelaser fabricated with silicon photonic-wire waveguide micro-ring resonators″，OE.17，P.14063(2009))中提出的激光器，均是基于材料的热光效应，波长切换速度较慢，切换时间均在微秒量级以上。

因此，本发明拟提出一种波长快速调谐的单片集成外腔振荡激光器，激光器的波长切换基于快速的载流子色散效应或电光效应，可以以低于微秒级的切换时间调谐波长，同时拥有大于30nm的调谐范围和良好的兼容性。

发明内容

鉴于此，本发明要解决传统可调激光器带宽窄、难以单片集成，现有的单片集成方案及调谐方式不能实现高速切换波长的问题，拟在激光器外腔振荡区组合微环和马赫-增德尔干涉结构，采用电光调谐，耦合输入增益区，提供一种波长快速调谐的单片集成外腔振荡激光器。

为实现上述目的，根据本发明，波长快速调谐的单片集成外腔振荡激光器，设计和制作基于平面光波导技术和半导体工艺。设计结构的示意图如附图1，激光器包含增益区、频率调谐区和谐振腔(图中谐振腔由反射镜和半导体光放大器SOA(SemiconductorOptical Amplifier)的一端组合构成)。

其中增益区是一种光放大器；增益区实现宽波段的光放大，通常是由InP等III-V族材料构成；频率调谐区和增益区的材料构成可以相同，也可以不同。若增益区和频率调谐区采用不同的半导体材料(例如：分别为InP和SOI)，需采用一些方法在不同材料或不同尺寸波导间耦合光场，这些方法可以是键合材料耦合、光栅耦合、模斑转换器耦合和波导直接对准耦合。

激光器的谐振腔由增益区的一端和频率调谐区共同构成；频率调谐区的反射结构，包含波导回路、反射光栅、波导端口镀反射膜等。如图2所示的结构，是由增益区的端面和外腔振荡部分中的环形反射镜构成的谐振腔；如图3所示结构，是由增益区的端面和整个外腔区波导行程的类似环形的光学路径共同构成的谐振腔。

激光器的输出端可以是增益区反射镜、频率调谐区反射结构、微环的端口或功率分流结构，输出端的位置取决于参数设计和结构设计。如附图2和附图3中所示均采用微环端口作为激光器的输出。

这种波长快速调谐的单片集成外腔振荡激光器，要实现快于微秒级的波长切换，在原理上，使用半导体材料的载流子色散效应或电光效应改变外腔的谐振频率；在结构上，频率调谐区是包含微环、马赫-增德尔干涉等光学结构的组合，光学结构组合交互、频谱叠加，实现选频功能。以图2和图3所示的两种外腔振荡部分为例，频率选择功能的实现是由一个热调节的微环和一个电调节的马赫-增德尔干涉结构组成；微环实现稳定频率的功能，保证通过的光波频率稳定在固定的一组值上；马赫-增德尔干涉结构通过电光调节，以PIN结中载流子的扩散，快速地改变干涉相长的峰值频率；热调节微环和电调节马赫-增德尔干涉结构的频谱叠加，选出不同的谐振频率。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供的这种波长快速调谐的单片集成外腔振荡激光器，相比于传统的DBR波长可调激光器，具有调谐范围宽的优点。本发明中激光器的调谐范围取决于外腔振荡选频的波长调谐范围，可达到30nm以上，覆盖C波段或L波段。

2.本发明提供的这种波长快速调谐的单片集成外腔振荡激光器，具有低于微秒级的频率切换时间。以往发表的单片集成外腔振荡激光器中，均使用热光效应切换谐振波长，切换时间较长；本发明中使用电光效应切换谐振波长，具有较快的频率切换速率。

3.本发明提供的这种波长快速调谐的单片集成外腔振荡激光器，使用外腔式振荡结构，便于集成，电光和热光的控制结构均可集成在片上，便于和片上其他器件级联工作。

附图说明

图1是本发明提供的波长快速调谐的单片集成外腔振荡激光器一种结构的示意图；

图2为本发明提供的波长快速调谐的单片集成外腔振荡激光器的一种外腔振荡结构的示意图1；

图3为本发明提供的波长快速调谐的单片集成外腔振荡激光器的一种外腔振荡结构的示意图2；

图4为本发明具体实施例的说明，即基于往返结构的单片集成波长快速调谐外腔振荡激光器；

图5为本发明具体实施例的说明，即基于循环结构的单片集成波长快速调谐外腔振荡激光器；

图6为具体实施例的仿真说明，即往返经过一次往返外腔结构的频率谱线；

图7为具体实施例的仿真说明，(1)为往返外腔结构随马赫-增德尔干涉臂长的改变参数的变化；(2)为循环外腔结构随马赫-增德尔干涉臂长的改变参数的变化。

附图标记说明：

1.半导体光放大器

2.覆盖氮氧化硅的倒锥形模斑变换器

3.覆盖氮化钛热电极的微环

4.电调马赫-增德尔干涉结构

5.环形的宽谱反射镜

6.半导体光放大器

7.覆盖氮氧化硅的倒锥形模斑变换器

8.覆盖氮化钛热电极的微环

9.电调马赫-增德尔干涉结构

101×2多模干涉耦合器

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。

具体实施例：单片集成波长快速调谐外腔振荡激光器

激光器由增益区和外腔振荡区构成，外腔振荡区由基于硅绝缘体材料(SOI)的硅纳米线器件构成，顶层硅厚度为340nm，材料折射率为3.4744；增益区是由III-V族材料制作成的半导体光放大器芯片，通过热压焊技术键合在SOI片上，再通过模斑变换器和硅波导相互耦合；半导体光放大器芯片远离模斑变换器的一端镀增反膜，作为谐振腔的反射镜之一使用，反射率大于99％。

如附图4和附图5分别是单片集成波长快速调谐外腔振荡激光器的两种示例结构，分别为“往返结构”和“循环结构”。下面将针对这两种构型的激光器进行分析：

1.往返结构

如附图4所示，图中1为半导体光放大器，2为覆盖氮氧化硅的倒锥形模斑变换器，用来在半导体光放大器波导和硅波导之间增加光场匹配程度，增强光场耦合。3为覆盖氮化钛热电极的微环，用作稳定频率。4是电调马赫-增德尔干涉结构，两臂的两侧分别做N型掺杂和P型掺杂，在臂上形成PIN结。5是环形的宽谱反射镜。

往返结构的工作原理为：光从1半导体光放大器经过2模斑变换器耦合进入硅波导，经过3微环的滤波，只有一系列等间隔的频率可以进入4电调马赫-增德尔干涉结构；这些等间隔的频率再次被电调马赫-增德尔干涉结构滤波，使马赫-增德尔相干相长的频率损耗最小；经过5宽谱反射镜，光将再次按序通过4、3、2，并回到1，经过半导体光放大器的后端面反射，形成振荡；微环谐振波长在直通端的透射率和耦合系数相关，设计耦合系数使谐振波长的透射率在1％～5％，可使激光从微环端口输出。

通过载流子色散效应调节马赫-增德尔干涉结构的频谱，调节加载在PIN结两端的电压，改变马赫-增德尔干涉结构两臂的离子注入浓度，从而引起波导有效折射率和损耗系数的变化。有效折射率和损耗随载流子浓度的变化关系可以写作：

Δn＝-[8.8×10^-22ΔN_e+8.5×10^-18(ΔN_h)^0.8]

Δα＝8.5×10^-18ΔN_e+6.0×10^-18ΔN_h

其中ΔN_e为电子注入浓度，ΔN_h为空穴注入浓度。

图6所示为往返经过一次外腔结构的频率谱线，两条曲线分别表示马赫-增德尔干涉结构臂上加载的两种电压，即载流子注入浓度分别为注入浓度1(1e16/cm^-3)和注入浓度2(1e18/cm^-3)时的情形。

2.循环结构

如附图5所示，图中6为半导体光放大器，7为覆盖氮氧化硅的倒锥形模斑变换器，用来在半导体光放大器波导和硅波导之间增加光场匹配程度，增强光场耦合。8为覆盖氮化钛热电极的微环，用作稳定频率。9是电调马赫-增德尔干涉结构，两臂的两侧分别做N型掺杂和P型掺杂，在臂上形成PIN结。10是1分2路的多模干涉结构耦合器MMI(Multimode-Interferometer)。

循环结构的工作原理为：光从6半导体光放大器经过7模斑变换器耦合进入硅波导，通过10MMI分成等功率的两束；一束经过10MMI左支依次通过8热调微环和9电调马赫-增德尔干涉结构的滤波，回到右支；另一束经过10MMI右支依次通过9电调马赫-增德尔干涉结构和8热调微环，回到左支；两支的光场通过10MMI耦合到一路上，再次回到6半导体光放大器进行光放大，并被6半导体光放大器的后端面反射，形成谐振回路；同样的，激光从微环端口输出。

附图7中，图(1)为往返结构中随马赫-增德尔干涉结构臂长的改变参数的变化；图(2)为循环结构中随马赫-增德尔干涉结构臂长的改变参数的变化。其中损耗1表示离子注入浓度为1e16/cm^-3时滤波器部分的损耗随调制臂长的变化；损耗2表示离子注入浓度为1e18/cm^-3时滤波器部分的损耗随调制臂长的变化；波长偏移表示在上述两注入浓度下马赫-增德尔相干相长波长位置的偏移。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种波长快速调谐的单片集成外腔振荡激光器，激光器包含增益区、频率调谐区和谐振腔，谐振腔由增益区的一端和频率调谐区共同构成；其特征在于，频率调谐区包含微环和马赫-增德尔干涉光学结构，其中微环实现稳定频率的功能，保证通过的光波频率稳定在固定的一组值上；马赫-增德尔干涉光学结构通过电光调节，以PIN结中载流子的扩散，快速地改变干涉相长的峰值频率；热调节微环和电调节马赫-增德尔干涉光学结构的频谱叠加，选出不同的谐振频率；

所述增益区和频率调谐区的材料构成相同或不同；

所述激光器的输出端是增益区反射镜、频率调谐区反射结构、微环的端口或功率分流结构，输出端的位置取决于激光器的参数设计和结构设计。

2.根据权利要求1中所述的波长快速调谐的单片集成外腔振荡激光器，其特征在于，激光器的增益区是光放大器，由III-V族材料构成。

3.根据权利要求1中所述的波长快速调谐的单片集成外腔振荡激光器，其特征在于，不同材料的增益区和频率调谐区分别为InP和SOI，光耦合方式是键合材料耦合、光栅耦合、模斑转换器耦合或波导直接对准耦合。

4.根据权利要求1中所述的波长快速调谐的单片集成外腔振荡激光器，其特征在于，频率调谐区的反射结构包含波导回路、反射光栅和波导端口镀反射膜。