CN105322438B - 一种基于硅基的窄线宽可调外腔激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于硅基的窄线宽可调外腔激光器，涉及光通信的集成光学领域。该激光器的光源通过硅基光耦合器与第一MMI相连；第一MMI分别与非对称马赫‑曾德干涉仪的2个臂的输入端相连，2个臂的输出端通过第二MMI与第三MMI相连；第三MMI分别与硅基微环滤波器上下话路的输入端相连；上下话路的输出端分别与第一光栅耦合器、第二光栅耦合器相连。硅基微环滤波器的自由光谱范围为5～50nm，非对称马赫‑曾德干涉仪的自由光谱范围为硅基微环滤波器的自由光谱范围的1～4倍。本发明能够增大宽波长的调谐范围，保证激光得到窄线宽；本发明为小型化腔激光器，不仅制造成本较低，而且易于集成，工艺容差较小，适于推广。
Description
技术领域
本发明涉及光通信的集成光学领域，具体涉及一种基于硅基的窄线宽可调外腔激光器。
背景技术
近年来，光通信系统中的谱效率不断增加，相干光传输系统被认为是一种非常好的解决谱效率增加的方案。窄线宽可调激光器是相干光传输系统中非常重要的元件。目前，现有的可调激光器一般为：(1)采用SGDBR(Sampled grating distributed braggreflector取样光栅分布布拉格反射)、DFB(Distributed Feed Back，分布反馈)阵列和Y波导等单片集成的可调谐激光器，单片集成的激光器需要高精度的光刻技术。(2)一种15kHz线宽的基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)的外腔可调谐激光器，该激光器的机械控制结构比较复杂。
近年来，硅光子技术由于其低成本、低功耗和小尺寸等特点受到了社会的极大关注。目前，市面上已报道了一种直接与SOA(Semiconductor Optical Amplifier，半导体光放大器)对接的混合集成型硅基双环激光器。
但是，混合集成型硅基双环激光器需要亚微米级超高精度的无源对准工艺；为了在混合集成型硅基双环激光器中实现窄线宽，通常采用较长的长腔结构。考虑到硅波导的传播损耗为2.4dB/cm，长的无源波导会在光路中引入更多的损耗；而在三五族增益芯片和硅基芯片间采用自由空间结构能够避免上述损耗高的问题，自由空间结构能够非常容易地调整腔长从而得到窄的线宽、且损耗很低。
窄线宽可调激光器除了对线宽的要求高，另外一个关键参数为波长的可调范围。光通讯系统中需要能覆盖C波段的波长，甚至更宽。但是采用单个硅基微环对工艺要求高，损耗较大，难以实现如此宽的调谐范围。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明解决的技术问题为：增大宽波长的调谐范围，保证激光得到窄线宽。本发明为小型化腔激光器，不仅制造成本较低，而且易于集成，工艺容差较小，适于推广。
为达到以上目的，本发明提供的基于硅基的窄线宽可调外腔激光器，包括光源、硅基光耦合器、硅基微环滤波器和2个光栅耦合器：第一光栅耦合器和第二光栅耦合器；所述可调外腔激光器还包括非对称马赫-曾德干涉仪、以及3个MMI：第一MMI、第二MMI和第三MMI；所述非对称马赫-曾德干涉仪上设置有2个不对称的臂，所述硅基微环滤波器采用上下话路型微环谐振腔，硅基微环滤波器设置有2个监测端口；
所述光源的输出端与硅基光耦合器的输入端相连，硅基光耦合器的输出端与第一MMI的输入端相连；第一MMI的输出端分别与非对称马赫-曾德干涉仪的2个臂的输入端相连，2个臂的输出端与第二MMI的输入端相连；第二MMI的输出端与第三MMI的输入端相连，第三MMI的输出端分别与硅基微环滤波器上下话路的输入端相连；上下话路的输出端分别与第一光栅耦合器、第二光栅耦合器相连；第一光栅耦合器和第二光栅耦合器分别位于硅基微环滤波器的2个监测端口；
所述硅基微环滤波器的自由光谱范围为5～50nm，所述非对称马赫-曾德干涉仪的自由光谱范围为硅基微环滤波器的自由光谱范围的1～4倍。
在上述技术方案的基础上，所述可调外腔激光器进行激光输出时，光源发出的激光经硅基光耦合器耦合进至第一MMI，第一MMI将耦合的光分为两路；两路光经非对称马赫-曾德干涉仪的2个臂传输后，通过第二MMI合波；合波后的光通过第三MMI分为2路，2路光分别经硅基微环滤波器的上下话路滤波，经上话路滤波得到的光输出至第一光栅耦合器监测激光输出，经下话路滤波得到的光输出至第二光栅耦合器监测激光输出。
在上述技术方案的基础上，所述硅基微环滤波器的自由光谱范围FSR微环的计算公式为：
上述计算公式中λ为硅基微环滤波器的波长，Δλ为硅基微环滤波器的相邻谐振峰的波长间隔，c为光速，ng为硅基微环滤波器的波导群折射率，π为圆周率，R为硅基微环滤波器的微环半径。
在上述技术方案的基础上，所述非对称马赫-曾德干涉仪的2个臂长差ΔL，与非对称马赫-曾德干涉仪的自由光谱范围FSR干涉的计算公式表示为：
上述计算公式中λ1为非对称马赫-曾德干涉仪的波长，Δλ1为非对称马赫-曾德干涉仪的相邻谐振峰的波长间隔，ng1为非对称马赫-曾德干涉仪的波导群折射率。
在上述技术方案的基础上，所述硅基微环滤波器和非对称马赫-曾德干涉仪上各加载有热电阻，通过热电阻调节谐振峰的位置以选择谐振波长。
在上述技术方案的基础上，所述非对称马赫-曾德干涉仪的自由光谱范围为硅基微环滤波器的自由光谱范围的2倍。
在上述技术方案的基础上，所述光源采用SOA芯片或LD芯片。
在上述技术方案的基础上，所述硅基光耦合器采用端面耦合器或光栅耦合器。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的硅基微环滤波器和非对称马赫-曾德干涉仪的自由光谱范围错开，用以选择波长。本发明输出激光时，两路光经非对称马赫-曾德干涉仪的2个臂传输时，非对称马赫-曾德干涉仪输出的光波为2个臂中光场相互叠加的结果，通过改变其中一个臂的折射率，可以在两个臂间引入一定的光程差，从而调节两束光之间的相位差，相位差决定了第二MMI干涉叠加之后的光场分布。因此，本发明的最大波长调谐范围取决于非对称马赫-曾德干涉仪的自由光谱范围。
有鉴于此，本发明的硅基微环滤波器的自由光谱范围为5～50nm，非对称马赫-曾德干涉仪的自由光谱范围为硅基微环滤波器的的自由光谱范围的1～4倍，不仅能够增大宽波长的调谐范围，而且使得光进入硅基微环滤波器的上下话路时，硅基微环滤波器的Q值较高，以保证激光得到窄线宽。
(2)本发明为小型化腔激光器，不仅制造成本较低，而且易于集成，工艺容差较小，适于推广。
附图说明
图1为本发明实施例中基于硅基的窄线宽可调外腔激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例中第一光栅耦合器监测的光谱图。
图中：101-光源，202-硅基光耦合器，103-第一MMI，104-非对称马赫-曾德干涉仪，105-第二MMI，106-第三MMI，107-硅基微环滤波器，108-第一光栅耦合器，109-第二光栅耦合器。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例中的基于硅基的窄线宽可调外腔激光器，包括光源101、硅基光耦合器102、非对称马赫-曾德干涉仪104、硅基微环滤波器107、3个MMI(1×2的多模干涉仪)：第一MMI103、第二MMI105和第三MMI106、以及2个光栅耦合器：第一光栅耦合器108和第二光栅耦合器109。光源101可以采用SOA芯片或LD(半导体激光器)芯片，硅基光耦合器102可以采用端面耦合器或光栅耦合器。
参见图1所示，非对称马赫-曾德干涉仪104上设置有2个不对称(即臂长不等)的波导(臂)，硅基微环滤波器107采用上下话路型微环谐振腔(Add-Drop型谐振腔，Add端和Drop端为滤波器的上下话路)，其设置有2个监测端口。硅基微环滤波器107的自由光谱范围为5～50nm，非对称马赫-曾德干涉仪104的自由光谱范围为硅基微环滤波器107的自由光谱范围的1～4倍。
参见图1所示，光源101的输出端通过硅波导与硅基光耦合器102的输入端相连，硅基光耦合器102的输出端通过硅波导与第一MMI103的输入端相连。第一MMI103的输出端分别通过硅波导与非对称马赫-曾德干涉仪104的2个臂的输入端相连，2个臂的输出端通过硅波导与第二MMI105的输入端相连。第二MMI105的输出端通过硅波导与第三MMI106的输入端相连，第三MMI106的输出端分别通过硅波导与硅基微环滤波器107上下话路的输入端相连。上下话路的输出端分别通过硅波导与第一光栅耦合器108、第二光栅耦合器109相连；第一光栅耦合器108和第二光栅耦合器109分别位于硅基微环滤波器107的2个监测端口。
参见图1所示，本发明实施例中的窄线宽可调外腔激光器进行激光输出时，光源101发出的激光经硅基光耦合器102耦合进至第一MMI103，第一MMI103将耦合的光分为两路。两路光经非对称马赫-曾德干涉仪104的2个臂传输后，通过第二MMI105合波。两路光经非对称马赫-曾德干涉仪104的2个臂传输时，非对称马赫-曾德干涉仪104输出的光波为2个臂中光场相互叠加的结果，通过改变其中一个臂的折射率，可以在两个臂间引入一定的光程差，从而调节两束光之间的相位差，相位差决定了第二MMI105干涉叠加之后的光场分布。
经第二MMI105合波后的光通过第三MMI106分为2路，2路光分别经硅基微环滤波器107的上下话路滤波(硅基微环滤波器107能够对2路光的波长进行选择，从多个波长中挑选所需波长，其他波长被阻挡)，经上话路滤波得到的光输出至第一光栅耦合器108监测激光输出，经下话路滤波得到的光输出至第二光栅耦合器109监测激光输出。
硅基微环滤波器107的微环传输谱中的谐振峰是周期性出现的，相邻谐振峰之间的波长差(即硅基微环滤波器107的自由光谱范围FSR微环)的计算公式可以表示为：
公式(1)中λ为硅基微环滤波器107的波长，Δλ为硅基微环滤波器107的相邻谐振峰的波长间隔，c为光速，ng为硅基微环滤波器107的波导群折射率，π为圆周率，R为硅基微环滤波器107的微环半径。
非对称马赫-曾德干涉仪104的2个臂长差ΔL，与非对称马赫-曾德干涉仪104的自由光谱范围FSR干涉的计算公式可以表示为：
公式(2)中λ1为非对称马赫-曾德干涉仪(104)的波长，Δλ1为非对称马赫-曾德干涉仪(104)的相邻谐振峰的波长间隔，ng1为非对称马赫-曾德干涉仪(104)的波导群折射率。
硅基微环滤波器107的品质因子Q的计算公式可以表示为：
其中neff为非对称马赫-曾德干涉仪104的2个臂的有效折射率，α为非对称马赫-曾德干涉仪104的2个臂损耗。
从公式(3)可以看出，非对称马赫-曾德干涉仪104的2个臂损耗决定了Q的大小，臂损耗小，则Q值越小。因此，非对称马赫-曾德干涉仪104适合粗选波长；即FSR干涉比FSR微环大。
本发明实施例中硅基微环滤波器107的微环半径R为4μm，根据计算公式计算可知：
理论FSR微环约为26nm(ng约3.6，λ取1550nm)。本实施例中非对称马赫-曾德干涉仪104的自由光谱范围FSR干涉为硅基微环滤波器107的FSR微环的2倍，即接近50nm。
图2为第一光栅耦合器108的监测的光谱，参见图2可以看出：实际的FSR干涉＝46nm，实际的FSR微环＝23nm。
本实施例中的硅基微环滤波器107和非对称马赫-曾德干涉仪104均配有热调谐，热调谐的调谐方式为在硅基微环滤波器107和非对称马赫-曾德干涉仪104上加载热电阻，通过热电阻调节谐振峰的位置，从而选择谐振波长。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种基于硅基的窄线宽可调外腔激光器，包括光源(101)、硅基光耦合器(102)、硅基微环滤波器(107)和2个光栅耦合器：第一光栅耦合器(108)和第二光栅耦合器(109)；其特征在于：所述可调外腔激光器还包括非对称马赫-曾德干涉仪(104)、以及3个多模干涉仪MMI：第一MMI(103)、第二MMI(105)和第三MMI(106)；所述非对称马赫-曾德干涉仪(104)上设置有2个不对称的臂，所述硅基微环滤波器(107)采用上下话路型微环谐振腔，硅基微环滤波器(107)设置有2个监测端口；
所述光源(101)的输出端与硅基光耦合器(102)的输入端相连，硅基光耦合器(102)的输出端与第一MMI(103)的输入端相连；第一MMI(103)的输出端分别与非对称马赫-曾德干涉仪(104)的2个臂的输入端相连，2个臂的输出端与第二MMI(105)的输入端相连；第二MMI(105)的输出端与第三MMI(106)的输入端相连，第三MMI(106)的输出端分别与硅基微环滤波器(107)上下话路的输入端相连；上下话路的输出端分别与第一光栅耦合器(108)、第二光栅耦合器(109)相连；第一光栅耦合器(108)和第二光栅耦合器(109)分别位于硅基微环滤波器(107)的2个监测端口；
所述硅基微环滤波器(107)的自由光谱范围为5～50nm，所述非对称马赫-曾德干涉仪(104)的自由光谱范围为硅基微环滤波器(107)的自由光谱范围的1～4倍。
2.如权利要求1所述的基于硅基的窄线宽可调外腔激光器，其特征在于：所述可调外腔激光器进行激光输出时，光源(101)发出的激光经硅基光耦合器(102)耦合进至第一MMI(103)，第一MMI(103)将耦合的光分为两路；两路光经非对称马赫-曾德干涉仪(104)的2个臂传输后，通过第二MMI(105)合波；合波后的光通过第三MMI(106)分为2路，2路光分别经硅基微环滤波器(107)的上下话路滤波，经上话路滤波得到的光输出至第一光栅耦合器(108)监测激光输出，经下话路滤波得到的光输出至第二光栅耦合器(109)监测激光输出。
3.如权利要求1所述的基于硅基的窄线宽可调外腔激光器，其特征在于：所述硅基微环滤波器(107)的自由光谱范围FSR微环的计算公式为：
上述计算公式中λ为硅基微环滤波器(107)的波长，△λ为硅基微环滤波器(107)的相邻谐振峰的波长间隔，c为光速，ng为硅基微环滤波器(107)的波导群折射率，π为圆周率，R为硅基微环滤波器(107)的微环半径。
4.如权利要求1所述的基于硅基的窄线宽可调外腔激光器，其特征在于：所述非对称马赫-曾德干涉仪(104)的2个臂长差△L，与非对称马赫-曾德干涉仪(104)的自由光谱范围FSR干涉的计算公式表示为：
上述计算公式中λ1为非对称马赫-曾德干涉仪(104)的波长，△λ1为非对称马赫-曾德干涉仪(104)的相邻谐振峰的波长间隔，ng1为非对称马赫-曾德干涉仪(104)的波导群折射率。
5.如权利要求1至4任一项所述的基于硅基的窄线宽可调外腔激光器，其特征在于：所述硅基微环滤波器(107)和非对称马赫-曾德干涉仪(104)上各加载有热电阻，通过热电阻调节谐振峰的位置以选择谐振波长。
6.如权利要求1至4任一项所述的基于硅基的窄线宽可调外腔激光器，其特征在于：所述非对称马赫-曾德干涉仪(104)的自由光谱范围为硅基微环滤波器(107)的自由光谱范围的2倍。
7.如权利要求1至4任一项所述的基于硅基的窄线宽可调外腔激光器，其特征在于：所述光源(101)采用SOA芯片或LD芯片。
8.如权利要求1至4任一项所述的基于硅基的窄线宽可调外腔激光器，其特征在于：所述硅基光耦合器(102)采用端面耦合器或光栅耦合器。
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| 硅光子器件及其集成技术的研究;蔡进 等;《光通信技术》;20120630(第6期);第4-6页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105322438A (zh) | 2016-02-10 |
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