CN106068586B - 可调谐soi激光器 - Google Patents

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Abstract

一种波长可调谐绝缘硅(SOI)激光器，包括：激光腔，包括：具有前端(21)和后端(22)的半导体增益介质(2)；以及耦合到半导体增益介质的前端的相位可调谐波导平台(3)；其中相位可调谐波导平台包括第一分布式布拉格反射器(31)和第二分布式布拉格反射器(32)；至少一个分布式布拉格反射器具有梳状反射谱；并且其中激光腔的反射镜(10)位于半导体增益介质的后端(22)处。耦合的腔允许经由游标效应改进模式选择性，并且光栅的电光调谐导致ECLD的更快波长调谐。另外的相位调谐元件(53)可以补偿激光器的热波长漂移。

Description

可调谐SOI激光器
技术领域
本发明涉及波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，具体地涉及具有带前端和后端的半导体增益介质和位于半导体增益介质的后端处的激光腔反射镜的波长可调谐SOI激光器。
背景技术
可调谐半导体激光器常常用于在其中要求对波长的偶尔但精确的调谐的应用。它们提供优良的波长稳定性并且典型地制造为诸如III-V半导体材料之类的增益介质中的单片光子集成电路。然而，作为需要多个外延再生长步骤的结果，它们制造起来是昂贵的。至今，已经证实调谐此是相对缓慢的，当前仅适用于在其中调谐的速度不是关键因素的应用中。
特别地，在其中激光器的精确波长不是那么重要的应用中，存在针对具有宽调谐范围(＞30nm)但是具有快速切换速度(小于100ns或者甚至更优选地小于10ns)的可调谐激光器的需要。此外，在涉及高数据速度和高设备分装密度的应用中，功率效率对于技术采用是关键的。
绝缘体上硅(SOI)激光器已经变得越来越流行，这是由于SOI为光学设备的构造和集成提供了实际的、且成本合算的平台。当然，针对SOI光子集成平台的主要挑战在于以下事实：硅不是光学增益介质并且因此不形成用于并入激光器的光子电路的理想介质。常见技术是向SOI光子集成电路引入诸如III-V增益材料之类的增益材料片段(通常称为增益芯片)。这样的激光器的示例可以在US 6,101,210中找到。在SOI PIC上构造的可调谐激光器在US 8,559,470中被公开。
这样的设计的一个缺点是高光学功率损耗，特别地由于从硅衬底形成的波导与放置在、生长到或以其它方式并入到平台中的任何光学设备中的波导之间的耦合。
因而，还存在针对具有改进的功率效率的SOI激光器的需要。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，包括：激光腔，包括：具有前端和后端的半导体增益介质；以及耦合到半导体增益介质的前端的相位可调谐波导平台；其中相位可调谐波导平台包括第一分布式布拉格反射器(DBR)和第二分布式布拉格反射器(DBR)；至少一个分布式布拉格反射器具有梳状反射谱；并且其中激光腔的反射镜位于半导体增益介质的后端处。
以此方式，仅存在一个增益介质-SOI波导界面(即，其位于增益介质的前端处)。作为结果，本发明的可调谐激光器具有改进的功率效率，因为与半导体增益介质与波导平台之间的耦合相关联的光学损耗被明显减少。此外，制造复杂性被降低，因为仅必要的是在制造期间(例如在倒装芯片过程中)对准增益介质的前端。
在反射镜位于增益介质的后刻面处的情况下，仅激光腔的一端(前反射镜)处于波导平台内使得增益介质充当反射半导体光学放大器(RSOA)。
具有梳状反射谱的分布式布拉格反射器应当理解为具有梳状波生成光栅的DBR。若干梳状波生成光栅是技术人员所已知的。例如，梳状波生成光栅可以是分段式光栅/取样光栅、相变光栅、二进制叠加光栅DBR或者本领域中已知的任何其它适当的光栅。
激光腔由半导体增益介质和SOI相位可调谐波导平台形成。
遍及本申请，对“光”的引用应当理解为包括红外和紫外波长以及可见频谱的电磁辐射。激光器的输出波长中的范围将取决于所使用的半导体增益介质，其可以落入0.4-20μm的范围内。考虑到SOI平台，可调谐SOI激光器的典型波长范围是1.1-1.7μm。
现在将阐述本发明的可选特征。这些是单独地或者以与本发明的任何方面的任何组合而适用的。
优选地，所述反射镜具有至少85％的反射率并且甚至更优选地，反射镜具有至少90％的反射率。
优选地，具有梳状反射谱的分布式布拉格反射器是分段式光栅分布式布拉格反射器(SG-DBR)。
优选地，第一分布式布拉格反射器和第二分布式布拉格反射器中的至少一个是相位可调谐分布式布拉格反射器。甚至更优选地，第一DBR和第二DBR二者是相位可调谐DBR。
相位可调谐分布式布拉格反射器优选地包括其载体密度可以通过电流或电压偏置的应用来操控的相位调谐区。取决于所选取的相位调谐区的性质，这可以是正向偏置或反向偏置。调节偏置将继而调节那个区的反射谱和透射谱的频率空间中的位置和相位。
相位调谐区可以是相位可调谐DBR的部分或全部。
相位可调谐分布式布拉格反射器可以包括相位调谐区，其包括电光介质。电光介质在应用偏置时将产生电光效应，其继而将调节反射/透射谱的相位。
可选地，相位调谐介质包括p-i-n结。
电光介质可以由SiGe块状材料中的p-i-n结制成。与诸如量子阱结构之类的更复杂结构相比，SiGe块状材料的使用较不昂贵，并且制造起来较不复杂。在块状材料中，电光效应是弗朗兹-凯尔迪什(FK)效应，在该情况下，反射谱或透射谱的相位(取决于DBR的类型)可以通过反向偏置跨p-i-n结的应用来调节。反向偏置引起SiGe块状材料中的电场，其根据FK效应而改变材料和DBR光栅的折射率，由此调节光栅的反射谱和透射谱的频率空间中的位置和相位。
该调谐机制不引入取决于调谐的损耗并且可以生成小于1ns的调制速度。此外，在反向偏置中操作是有利的，因为其要求较低的功耗。
可替换地，相位调谐区中的材料可以是量子阱材料。以此方式，电光效应将是量子束缚斯塔克效应(QCSE)。再次，经反射的频谱的相位可以通过反向偏置跨p-i-n结的应用来调节，并且量子阱材料的材料可以是SiGe。量子阱材料的使用可能导致甚至更快的调制速度以及更低的功耗。
SiGe可以使用本领域技术人员所已知的方法而并入到SOI波导中，并且本发明的实施例可以涉及首先将SiGe块或者QW材料并入在指定用于DBR光栅的区中，其中SiGe组分或QW层工程化为具有随最小吸收的增大而给出最强的折射率改变的右带边缘吸收，然后蚀刻SiGe中的DBR反射镜波纹和波导结构，并且包括类似于以上针对Si波导所述的波导的任一侧上的p掺杂区和n掺杂区以创建p-i-n结。
在相位调谐区掺杂成使得其包括p-i-n结的情况下，p-i-n结提供电气可调谐相位调谐区，借此DBR的反射谱或透射谱的相位可以通过应用正向或反向偏置而经由没有载体的等离子体扩散电光效应来调节。使用该效应以创建必要的波长调谐(～6nm)也引入损耗。因此，在该方案中，梳状波生成光栅(SG-DBR)的光栅长度必须保持为短以最小化针对高电流注入的损耗，然而短光栅要求较深的波纹蚀刻深度以维持反射镜反射率以及更宽的通带。对于物理上可实现的最短光栅长度(～100μm-500μm)，由等离子体扩散效应引入的损耗仍旧可能使激光器的功率效率降级。p掺杂区和n掺杂区优选地定位成解决调制速度与损耗之间的权衡。p和n型区之间的较小距离对于较高的速度是更好的，只要损耗保持为低。优选地，p型区从波导中心线(本征区的中心)起为至少0.1μm但是不大于15μm，并且优选地n型区从波导中心线起为至少0.1μm但是不大于15μm，甚至更优选地对于40Gb/s操作，n型和p型区从波导中心线起为至少0.1μm并且不大于0.5μm。
p和n掺杂区优选地定位成尽可能接近波导背脊中心(甚至与波导背脊边缘重叠)以便最大化调谐速度而不会由于与光学模式重叠而引入额外吸收损耗。
可选地，相位调谐区包括p-n结设备。以此方式，p-n结设备提供电气可调谐相位调谐区，借此DBR的反射谱或透射谱的相位可以通过应用变化的反向偏置而经由载体耗尽来调节。p-n结可以可选地是p+-p-n-n+或p++-p+-p-n-n+-n++结构。
在相位调谐区包括p-n结的情况下，结可以从波导中心线偏移。例如，其可以偏移高达0.5μm；甚至更优选地对于40Gb/s或更大的调谐速度，其可以偏移高达0.2μm。
优选地，第一分布式布拉格反射器和第二分布式布拉格反射器二者是相位可调谐分布式布拉格反射器。第一分布式布拉格反射器的相位调谐区可以包括以下中的任何一个：p-n结；p-i-n结或者另一电光介质；并且第二分布式布拉格反射器的相位调谐区可以包括以下中的任何一个：p-n结；p-i-n结或者不同的电光介质。第一分布式布拉格反射器的相位调谐区可以具有与第二分布式布拉格反射器的相位调谐区相同的类型和/或结构；可替换地，第一分布式布拉格反射器的相位调谐区可以具有与第二分布式布拉格反射器的相位调谐区不同的类型和/或与其不同。
可选地，第一分布式布拉格反射器是分段式光栅-分布式布拉格反射器(SG-DBR)；并且第二分布式布拉格反射器是分段式光栅-分布式布拉格反射器(SG-DBR)。
相位调谐波导平台可以包括分叉波导，分叉波导的每一个臂部包括一个分布式布拉格反射器。优选地，分叉波导的每一个臂部是SG-DBR并且可选地分叉波导平台可以是Y分支波导平台。
相位调谐波导平台可以包括MMI耦合器，其将光耦合到分叉波导并且其可以是可调谐的。可替换的分割器/耦合器包括定向耦合器或MZ耦合器。
可选地，第一分布式布拉格反射器是分段式光栅-分布式布拉格反射器(SG-DBR)；并且第二分布式布拉格反射器是数字超模-分布式布拉格反射器(DS-DBR)。在DBR以串行布置进行布置的情况下，第二DBR可以是最接近增益介质的DBR并且第一DBR是最远离增益介质的DBR。
优选地，DS-DBR是具有弯曲透射谱的相位可调谐透射DS-DBR，该弯曲透射谱优选地是半导体介质的弯曲功率增益谱的倒置。透射DS-DBR(TDS-DBR)的该弯曲响应可以以非线性啁啾光栅设计硬写到光栅响应中；或者经由应用到电极的小非线性模式的偏置电流而调谐到TDS-DBR的电极中。
波长可调谐激光器还可以包括与第一和第二分布式布拉格反射器分离的相位调谐区(即其不形成相位可调谐DBR的部分)。该相位调谐区优选地形成用于精细调谐激光频率的附加相位调谐设备。相位调谐设备可以包括：p-n结、p-i-n结或者另一电光介质。在相位可调谐波导平台分叉的情况下，可以存在平台的每一个臂部中的附加相位调谐设备。
所存在的每一个附加相位调谐区可以包括以下中的任何一个：p-n结；p-i-n结或者另一电光介质。每一个附加相位调谐区可以具有与第一和/或第二分布式布拉格反射器的相位调谐区和/或所存在的任何其它附加的相位调谐区相同的类型和/或结构。可替换地，附加相位调谐区的相位调谐区可以是与第一和第二分布式布拉格反射器的相位调谐区和所存在的任何其它附加相位调谐区不同的类型和/或结构。可选地，至少一个分布式布拉格反射器的波导背脊厚度与波导平台的接连波导的波导背脊厚度相同。
优选地，波导平台的硅叠层厚度大于或等于1μm并且小于或等于4μm。甚至更优选地，波导平台的硅叠层厚度大于或等于2.5μm并且小于或等于3.2μm。
优选地，波导平台的一个或多个波导的背脊宽度大于或等于1μm并且优选地小于或等于4μm。甚至更优选地，波导平台的一个或多个波导的背脊宽度大于或等于2.5μm并且小于或等于3.2μm。
位于半导体增益介质的后端处的所述反射镜可以是半导体增益介质的反射后刻面。半导体增益介质可以是增益芯片。
可选地，相位可调谐波导平台包括至少一个过渡区，在该过渡区处，第一高度(即第一背脊高度)的波导耦合到第二高度(即第二背脊高度)的波导；第二高度小于第一高度。在该情况下，第一和第二分布式布拉格反射器优选地位于第二高度的波导中。
以此方式，在分布式布拉格反射器包括相位调谐区的情况下，调谐速度较大，因为波导尺寸在该区处较小。第二高度波导是“高速高束缚”波导。然而，通过在相位调谐不发生的波导区中使用较大波导尺寸，与较小波导相关联的较高损耗可以减少。
可选地，相位调谐波导平台包括过渡区，在该过渡区处，第一宽度(即第一背脊宽度)的波导耦合到第二宽度(即第二背脊宽度)的波导；第二宽度小于第一宽度。在该情况下，第一和第二分布式布拉格反射器优选地位于所述第二宽度的波导中。
过渡区优选地是其中波导平台的高度和宽度二者改变的区。
具有第一高度的波长部分的硅叠层厚度可以是具有第二高度的波长部分的硅叠层厚度的18倍。用于波导平台的减少的“高度高束缚”波导部分的优选值包括波导平台的硅叠层厚度(T)，其大于或等于0.2μm并且小于或等于3.5μm(这与在波导平台中的其它地方大于或等于2.5μm并且小于或等于3.5μm的“标准”值形成对照)。甚至更优选地，波导平台的“高度高束缚”波导部分的硅叠层厚度大于或等于0.2μm并且小于或等于3.2μm。
第二宽度可以是第一宽度的14倍。用于波导平台的减少的“高速高束缚”波导部分的优选值包括背脊宽度(w)，其大于或等于0.3μm并且小于或等于1μm(这与在波导平台中的其它地方大于或等于1μm并且小于或等于4μm的“标准”值形成对照)。甚至更优选地，波导平台的“高速高束缚”波导部分的一个或多个波导的背脊宽度大于或等于0.45μm并且小于或等于0.9μm。
用于波导平台的减少的“高速高束缚”波导部分的优选值包括翼片高度(h)，其大于或等于0μm并且小于或等于0.4μm(这与在波导平台中的其它地方大于或等于0μm并且小于或等于1.8μm的“标准”值形成对照)。甚至更优选地，波导平台的“高速高束缚”波导部分的一个或多个波导的翼片高度大于或等于0.05μm并且小于或等于0.35μm。
过渡区可以包括锥体。在过渡区是不同高度的两个波导之间的过渡的情况下，锥体可以包括竖直锥体。因为竖直倾斜可能难以在波导平面上创建，所以该锥体事实上可以采取具有带横向变尖的壁的三个层/部分的多层肋状波导过渡，其具有以下效果：变尖以将较大高度和宽度的波导耦合到较小高度和宽度的波导。
在过渡区是不同宽度的两个波导之间的过渡的情况下，锥体将包括水平锥体。在过渡区是不同高度和宽度的两个波导之间的过渡的情况下，锥体将在水平和竖直维度二者上变尖。
在波导平台包括以串行布置的DBR的情况下，过渡优选地位于波导平台耦合到半导体增益介质的点与最接近的分布式布拉格反射器所位于的点之间。
以此方式，波导的高度(和/或宽度)优化用于低损耗并且模式匹配于到增益介质的界面处的第一高度(和/或宽度)处的增益介质，但是高度(和/或宽度)减少以便优化用于分布式布拉格反射器所位于的波导平台的部分处的第二高度(和/或宽度)处的速度和功率效率。
在波导平台分叉的情况下，过渡优选地位于波导平台耦合于半导体增益介质的点与分叉点之间。以此方式，波导的高度(和/或宽度)优化用于低损耗并且模式匹配于增益介质中的第一高度(和/或宽度)处的增益介质，但是高度(和/或宽度)减少以便优化用于分布式布拉格反射器所位于的分叉波导平台的每一个臂部处的第二高度(和/或宽度)处的速度和功率效率。可选地，附加过渡区可以位于激光腔的输出处使得形成输出反射镜的分布式布拉格反射器具有第二(较小)高度(和/或宽度)并且耦合到此的激光输出波导具有第一(较大)高度和/或宽度。过渡区还可以是模式变换器。
在可调谐激光腔中，调谐速度由两个参数指定：激光腔的调制频率和执行波长调谐功能的相位调谐器的调制速度。取决于物理调谐效应和二极管设计以及波导尺寸，相位调谐器调制速度的范围可以如以上所讨论的从10ps到100ns。如果相位调谐器调制足够快，则激光腔调制频率也必须最大化。
调制频率与激光腔寿命的倒数成比例以便最大化调制频率，腔光子寿命也必须最小化。
此外，对于可调谐激光器，期望让腔模式间隔足够宽以在调谐过程期间激光器的局部温度动态地改变几摄氏度时避免模式跳跃，以及避免多个腔模式能够在布拉格光栅通带内同时地发激光。出于这些原因，期望让模式间隔或者激光腔的自由频谱范围(FSR)大于30GHz并且甚至更优选地大于或等于40GHz。
优选地，激光腔的往返路径长度因此不大于1.5mm，甚至更优选地不大于1mm。
根据本发明的第二方面，提供一种波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，包括：激光腔，包括：半导体增益介质；以及耦合到半导体增益介质的相位可调谐波导平台；其中相位可调谐波导平台包括第一分布式布拉格反射器和第二分布式布拉格反射器；至少一个分布式布拉格反射器是分段式光栅-分布式布拉格反射器(SG-DBR)；并且其中相位可调谐波导平台包括至少一个过渡区，在该过渡区处，第一高度的波导耦合到第二高度的波导；第二高度小于第一高度。
在下文阐述本发明的另外的可选特征。
附图说明
现在将通过示例的方式参照附图描述本发明的实施例，其中：
图1示出根据本发明的第一实施例的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中(a)是顶部示意图；(b)是由(a)中的虚线框突显的部分的侧视图；(c)是(b)中所示的部分的一个示例的顶视图，其示出了p-i-n相位可调谐区的详细结构；(d)示出了还具有p-i-n可调谐区的突显部分的可替换示例；以及(d)示出了突显部分的另一可替换示例，此时具有p-n可调谐区(在该情况下，p+-p-n-n+结构)；
图2示出了针对图1中所示的示例中的任何一个的DBR光栅的反射谱和激光输出频谱的示例，其中(a)示出了第一DBR(在顶臂部中)的梳状频谱的示例；(b)示出了第二DBR(在底臂部中)的梳状频谱的示例；以及(c)示出了激光器的所得输出频谱；
图3示出了根据本发明的第二实施例的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器的顶部示意图；
图4示出了形成第二实施例的部分的过渡区的示意图；
图5示出了根据本发明的第三实施例的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中(a)是顶部示意图；(b)是由(a)中的虚线框突显的部分的侧视图；(c)是(b)中所示的部分的一个示例的顶视图，其示出了p-i-n相位可调谐区的详细结构；(d)示出了还具有p-i-n可调谐区的突显部分的可替换示例；以及(d)示出了突显部分的另一可替换示例，此时具有p-n可调谐区(在该情况下，p+-p-n-n+结构)；
图6示出了针对图5中所示的示例中的任何一个在DS-SBR的激活之前和之后DBR光栅的反射谱和透射谱以及激光输出频谱的第一示例；其中(a)示出了第一DBR的透射谱，实线示出电压/电流激活之前的频谱，并且虚线示出了电压/电流激活之后的频谱；(b)示出了第二DBR的梳状频谱；以及(c)示出了激光器的所得输出频谱；
图7示出了针对图5中所示的示例中的任何一个在DS-SBR的激活之前和之后DBR光栅的反射谱和透射谱以及激光输出频谱的第二示例；其中(a)示出了第一DBR的透射谱；(b)示出了第二DBR的梳状频谱；以及(c)示出了激光器的所得输出频谱；以及
图8示出了根据本发明的第四实施例的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器的示意图。
具体实施方式
参照图1和2，示出了波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器1,11,12,112的第一实施例，激光器包括激光腔，其由半导体增益介质2和耦合到增益介质的相位可调谐波导平台3形成。
半导体增益介质具有前端21和后端22，并且激光腔的反射镜位于后端处。在图1中所示的实施例中，半导体增益介质采取增益芯片的形式，并且腔的后端处的反射镜10采取直接应用到增益介质的后端的反射表面(例如电介质涂层)的形式，在该情况下增益芯片的反射后刻面。在图1(a)中示出的实施例中，波导平台包括用于增益芯片的定位的SOI增益芯片腔。
相位可调谐波导平台包括第一分布式布拉格反射器(DBR)31和第二分布式布拉格反射器(DBR)32。在该实施例中，第二和第二DBR具有梳状反射谱，因为二者是分段式光栅分布式布拉格反射器(SG-DBR)。波导平台分叉，其中每一个臂部中具有一个SG-DBR。
相位可调谐波导平台还包括1*2耦合器4，其将光耦合到分叉波导的第一和第二臂部。这可以是MMI耦合器、定向耦合器或者MZ(马赫-曾德尔)耦合器，并且可以是可调谐的。第一DBR位于第一臂部中，并且第二DBR位于第二臂部中。
此外，相位可调谐波导平台还包括位于第一臂部中的第一附加相位调谐区51以及位于第二臂部中的第二附加相位调谐区52，其中每一个与第一和第二DBR分离并且每一个使得能够精细调谐激光频率。第三附加相位调谐区53可以位于增益介质2与耦合器4之间。激光输出6位于波导平台的第二臂部中的前反射镜(DBR反射镜本身)处。第一臂部可以包括在DBR反射镜后面的可选检测器或吸收体7。
每一个DBR是相位可调谐DBR，因此包括相位调谐区8。在图1(c)和(d)中，相位调谐区是p-i-n结。在图1(c)中，p和n掺杂区81,82从波导背脊拆除，从而限定其之间的本征区，涵盖整个个波导背脊宽度，这引起较低的速度，但是还有较低的损耗，并且与正向载体注入相位调谐兼容。在图1(d)中，p和n掺杂区83,84使用侧壁掺杂与波导背脊重叠，从而限定仅占据波导背脊的中心部分的本征区，这引起较低的电容、较高的速度、但是较高的损耗，并且仅仅与反向偏置载体耗尽相位调谐兼容。
在图1(e)中，相位调谐区是p-n结二极管，并且可以采取p-n二极管或p+-p-n-n+二极管的形式，或者甚至是具有与波导重叠且在中部结合的p和n区和波导背脊外部的p++、p+、n+和n++区的p++-p+-n-n+-n++二极管。在该情况下，不存在本征区，从而使得能够反向偏置操作并且使用载体耗尽效果。该示例因此给出较高的速度，但是还可能导致较高的功耗。在所示出的实施例中，p-n结具有p+-p-n-n+掺杂结构。
如图1(b)中所示，相位可调谐DBR 31,32和附加的相位调谐区51,52,53包括材料，其可以是诸如Ge或SiGe之类的不同材料；或者可以是均质Si(未示出)。在相位调谐区中的材料与Si不同的情况下，光栅被蚀刻成不同材料。
在图1(c)-(e)中的每一个中，附加相位调谐区具有与DBR相同的掺杂结构。在可替换实施例中(未示出，附加相位调谐区的掺杂结构可以不同于相位可调谐DBR的掺杂结构)。
每一个梳状波生成DBR具有梳状反射谱91,92，如图2(a)和2(b)中所示。第一DBR的梳状反射谱具有与第二DBR的FSR、FSR2不同的自由频谱范围(FSR1)(梳状间隔)。这意味着通过更改DBR之一(或二者)相对于另一者(互相)的经反射频谱而使用游标效应实现第一实施例的波长调谐，使得第一反射谱的给定模式与第二反射谱的给定模式重叠。第二SG-DBR的反射谱明显地低于第一SG-DBR的反射谱，第一SG-DBR的谐振反射具有在0.8-1范围内的值，并且第二SG-DBR的谐振反射具有在0.05-0.5范围内的值。
激光器的输出频谱93将对应于两个反射谱的总和，其因此将拾出所重叠的模式(在图2中示为第三模式)。
参照图3和4描述第二实施例，其中相同参考标号对应于以上关于图1和2所描述的那些特征。第二实施例与第一实施例的不同在于，其包括位于半导体增益介质与1*2耦合器之间的过渡区41，在该过渡区41处，第一高度T1和第一宽度(第一背脊宽度)w1的波导耦合到第二高度T2和第二宽度(第二背脊宽度)w2的波导；第二高度小于第一高度并且第二宽度小于第一宽度。在该情况下，第一和第二分布式布拉格反射器各自位于第二高度T2和第二宽度w2的波导中。
具有减少的波导尺寸的该实施例可以产生具有更快的调谐速度和更低的功耗的相位调制器，其中代价是向激光腔添加由模式变换器所引入的附加损耗。
第二过渡区42位于激光腔的输出处，其形成从第二高度和宽度的波导过渡回到具有第一高度和宽度的波导。
如第一实施例那样，第三附加相位调谐设备/区可以位于增益介质与1*2耦合器之间。这可以位于过渡区41与1*2耦合器之间。
图4示出了以锥体形式的第一或第二过渡区的示例。锥体将第一高度和宽度的较大波导耦合到第二高度和宽度的较小波导，所以充当“竖直锥体”和横向锥体二者。其包括：具有基座“楔形”部分的下部131，该基座“楔形”部分具有横向变尖的侧部，其使比第二翼片厚的第一翼片区的部分变尖直到第二宽度(较小波导的宽度)；中部132，其使第一翼片上方的背脊部分在横向从较大波导宽度变尖成较小波导宽度；以及形成在中部顶部上的上“楔形”部分133，其使第二高度上方的其余第一高度的背脊部分变尖到某一点。上部、中部和下部的相对尺寸选取成在相对于波导平台的横向和竖直方向二者上最大化光从较大波导向较小波导的耦合。
三层结构使得能够过渡到不同(较薄)翼片厚度。过渡区的长度应当尽可能短以最小化腔长而不会引入显著损耗。
参照图5-7描述第三实施例，其中相同参考标号对应于以上关于图1-4所描述的那些特征。
第三实施例与第一实施例的不同在于，第一分布式布拉格反射器是分段式光栅-分布式布拉格反射器(SG-DBR)31并且第二分布式布拉格反射器是以透射操作的数字超模-分布式布拉格反射器(DS-DBR)33。在图5中示出的实施例中，两个DBR串行布置并且每一个DBR是相位可调谐DBR，所以包括相位调谐区8。
具体地参照第三实施例的DS-DBR，在图5(c)和(d)中，相位调谐区是具有位于p掺杂区中的正电极88和位于n掺杂区中的负电极89的p-i-n结。在图5(c)中，DS-DBR的相位调谐区包括从波导背脊拆除的p和n掺杂区，从而限定其之间的本征区，其涵盖整个波导背脊宽度，这引起较低的速度，但是还有较低的损耗，并且与正向偏置载体注入相位调谐兼容。在图5(d)中，DS-DBR的p和n掺杂区使用侧壁掺杂与波导背脊重叠，这引起较高的速度，但是还有较高的损耗，并且与反向偏置载体耗尽相位调谐兼容。
在图1(e)中，相位调谐区是p-n结，并且可以采取p-n二极管或p+-p-n-n+二极管的形式，或者甚至是具有与波导重叠且在中部结合的p和n区和波导背脊外部的p++、p+、n+和n++区的p++-p+-n-n+-n++二极管。在该情况下，不存在本征区，从而使得能够反向偏置操作并且使用载体耗尽效应。该示例因此给出较高的速度，但是还可能导致较高的功耗。如图5(b)中所示，相位可调谐SG-DBR、相位可调谐透射DS-DBR(TDS-DBR)和附加相位调谐区包括诸如Ge或SiGe或均质Si之类的材料。SG-DBR和DS-DBR的光栅被蚀刻成该材料。
如在图5和6中可以看到的，当向电极之一(在该情况下第三电极)应用电流/电压时，DS-DBR的透射谱94将改变。应用电流/电压之前的透射谱在图5(a)和6(a)中加粗示出，并且应用电流/电压之后的透射谱在图5(a)和6(a)中以虚线示出。如之前那样，SG-DBR具有梳状反射谱92，其具有给定FSR(在图5(b)和6(b)中示出)。
激光器的输出频谱对应于(T)DS-DBR的透射谱和SG-DBR的反射谱的总和。例如，图5(c)和6(c)示出了当利用所应用的偏置/电流激活第三电极时激光器的输出频谱95。
SG-DBR充当激光器输出反射镜(前反射镜)，并且因而制成低反射性的，其中反射率优选地在0.1和0.5之间。这通过将光栅设计成具有较低的耦合系数(通过例如减少光栅波纹的蚀刻深度)和/或通过减少光栅的长度而完成。
正和负电极在所有情况下放置在p-i-n或p-n二极管的最外部掺杂区上，使得它们充分远离波导模式以避免吸收损耗，但是以其它方式彼此足够紧密地隔开以确保高速度。
图6中所示的示例与图5中所示的示例的不同在于，TDS-DBR配置成产生弯曲透射响应96(在没有应用电流/电压的情况下)，其是半导体介质的弯曲功率增益谱的倒数。
以此方式，在没有向任何TDS-DBR光栅应用任何电流或电压的情况下，腔往返增益和损耗的总和跨整个调谐波长范围相等。该补偿使得TDS-DBR能够选择调谐范围的左和右边缘区上的模式97。TDS-DBR的该弯曲响应可以以非线性啁啾光栅设计硬写到光栅响应中，或者可以以应用到电极的非线性模式的小偏置电流/电压而调谐。
参照图8描述第四实施例，其中相同参考标号对应于以上关于图5和4所描述的那些特征。第四实施例与第三实施例的区别在于，其包括位于半导体增益介质和DBR之间(具体地在增益介质与附加相位调谐区之间)的过渡区(或者模式变换器)。
如关于第二实施例所描述的过渡区那样，该实施例的过渡区是从第一高度T1和第一宽度w1的波导向第二高度T2和第二宽度w2的波导的过渡；第二高度小于第一高度并且第二宽度小于第一宽度。在该情况下，第一和第二分布式布拉格反射器位于第二高度T2和第二宽度w2的波导中。
可选的逆过渡区(或模式变换器)可以在SG-DBR反射镜(即在激光腔外部)使模式扩展回到原始波导大小之后使用。可替换地，较小的波导尺寸可以继续到SOI芯片的其它区中。具有减少的波导尺寸的该实施例可以产生具有更快调谐速度和更低功耗的相位调制器，其代价是向激光腔添加由模式变换器所引入的附加光学损耗。
尽管以上结合上文所述的示例性实施例描述了本发明，但是在给出本公开内容的情况下，许多等同的修改和变化将对于本领域技术人员显而易见。因而，以上阐述的本发明的示例性实施例被视为说明性而非限制性的。可以对所描述的实施例做出各种改变而不脱离本发明的精神和范围。
例如，任何相位可调谐DBR或附加相位调谐区的任何正向偏置的p-i-n掺杂轮廓可以改变成p-n、p+-p-n-n+或者p++-p+-p-n-n+-n++掺杂结构或者类似掺杂结构变形。以此方式，载体耗尽和反向偏置电压可以用于将调制速度增大成明显超出10ns范围直到10ps，但是代价是较低的功率效率以及由于添加额外掺杂步骤和更多掩模层所致的更复杂制造过程。
此外，在以上描述的每一个实施例中，DBR中的一个或多个可以替换为谐振器，诸如多模相干(MMI)设备，其配置成充当法布里-珀罗滤波器；环形谐振器；或者波导法布里-珀罗滤波器。
在激光腔包括过渡区的情况下，如上文所述的任何附加相位调谐区可以位于第一高度/宽度或第二高度/宽度的区处，因为这些的操作速度不是关键的。因而，附加相位调谐区中的一个或多个可以替换为一个或多个热调谐区。附加相位调谐区在补偿热激光漂移方面是有益的。
贯穿该文档，经由“游标”效应的调谐应当理解成覆盖连续波长调谐、非连续波长调谐和/或准连续波长调谐。游标效应在以下情况下出现：激光腔的第一谐振器或反射器的透射谱或反射谱具有与激光腔的第二谐振器或反射器的透射谱或反射谱的峰至峰间距不同的峰至峰间距。对于连续调谐，必要的是第一和第二谐振器/反射器二者是相位可调谐的。非连续调谐可以经由仅一个谐振器/反射器的相位调谐而实现。在该情况下，激光腔的输出波长将限于由其余(不可调谐)谐振器/反射器设定的离散值。
以上引用的所有参考文献通过引用并入于此。

Claims (29)

1.一种波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，包括：
激光腔，包括：
具有前端和后端的半导体增益介质；以及
耦合到该半导体增益介质的前端的相位可调谐波导平台；
其中相位可调谐波导平台包括：
第一分布式布拉格反射器(DBR)；
第一分布式布拉格反射器的第一侧上的第一过渡区；
第一分布式布拉格反射器的第二侧上的第二过渡区；和
第二分布式布拉格反射器(DBR)；
至少一个分布式布拉格反射器具有梳状反射谱；
其中高反射性反射镜位于该半导体增益介质的后端处，形成所述激光腔的反射镜，使得该增益介质充当反射半导体光学放大器(RSOA)；
其中在所述第一过渡区处，第一高度和第一宽度的波导耦合到第二高度和第二宽度的波导，所述第一高度不同于所述第二高度和/或所述第一宽度不同于所述第二宽度；
其中在所述第二过渡区处，所述第二高度和所述第二宽度的波导耦合到第三高度和第三宽度的波导，所述第二高度不同于所述第三高度和/或所述第二宽度不同于所述第三宽度；以及
其中所述第二过渡区形成该激光器的输出。
2.权利要求1的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中具有梳状反射谱的分布式布拉格反射器是分段式光栅-分布式布拉格反射器(SG-DBR)。
3.权利要求1的波长可调谐激光器，其中所述第一分布式布拉格反射器和所述第二分布式布拉格反射器中的至少一个是相位可调谐分布式布拉格反射器。
4.权利要求3的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中所述相位可调谐分布式布拉格反射器包括相位调谐区，该相位调谐区包括电光介质。
5.权利要求3的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中所述相位可调谐分布式布拉格反射器包括相位调谐区，该相位调谐区包括p-i-n结区。
6.权利要求3的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中相位可调谐分布式布拉格反射器包括相位调谐区，该相位调谐区包括p-n结区。
7.权利要求1的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中所述第一分布式布拉格反射器和所述第二分布式布拉格反射器二者是相位可调谐分布式布拉格反射器。
8.权利要求7的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，
其中所述第一分布式布拉格反射器的相位调谐区包括以下中的任何一个：p-n结；p-i-n结；并且
其中所述第二分布式布拉格反射器的相位调谐区包括以下中的任何一个：p-n结；p-i-n结。
9.权利要求1的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中：
所述第一分布式布拉格反射器是分段式光栅-分布式布拉格反射器(SG-DBR)；并且
所述第二分布式布拉格反射器是分段式光栅-分布式布拉格反射器(SG-DBR)。
10.权利要求1的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中所述相位可调谐波导平台包括分叉波导，分叉波导的每一个臂部包括一个分布式布拉格反射器。
11.权利要求10的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中相位可调谐波导平台包括将光耦合到所述分叉波导的MMI耦合器。
12.权利要求1的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中：
所述第一分布式布拉格反射器是分段式光栅-分布式布拉格反射器(SG-DBR)；并且
所述第二分布式布拉格反射器是数字超模-分布式布拉格反射器(DS-DBR)。
13.权利要求1的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，还包括与所述第一和第二分布式布拉格反射器分离的至少一个相位调谐区。
14.权利要求13的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中所述一个或多个相位调谐区中的一个或多个包括电光介质。
15.权利要求13的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中所述一个或多个相位调谐区中的一个或多个：p-n结或p-i-n结。
16.权利要求1的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中所述波导平台包括具有大于或等于1μm并且小于或等于4μm的硅叠层厚度(T)的波导部分。
17.权利要求16的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中所述波导平台包括具有大于或等于2.5μm并且小于或等于3.2μm的硅叠层厚度(T)的波导部分。
18.权利要求1的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中所述半导体增益介质是增益芯片。
19.权利要求1的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中位于所述半导体增益介质的后端处的所述反射镜是所述半导体增益介质的反射后刻面。
20.权利要求1的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中所述第二高度小于所述第一高度。
21.权利要求1的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中所述第一和第二分布式布拉格反射器位于所述第二高度的波导中。
22.权利要求1的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中所述第二宽度小于所述第一宽度。
23.权利要求22的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中所述第一和第二分布式布拉格反射器位于所述第二宽度的波导中。
24.权利要求1的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中所述第一过渡区包括锥体。
25.权利要求1的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中所述第一过渡区是模式变换器。
26.权利要求1的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中位于所述半导体增益介质的后端处的激光腔的反射镜具有至少85％的反射率。
27.权利要求1的波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，其中位于所述半导体增益介质的后端处的激光腔的反射镜具有至少90％的反射率。
28.一种波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，包括：
激光腔，包括：
具有前端和后端的半导体增益介质；以及
耦合到所述半导体增益介质的前端的相位可调谐波导平台；
其中相位可调谐波导平台包括：
第一分布式布拉格反射器(DBR)；
第一分布式布拉格反射器的第一侧上的第一过渡区；
第一分布式布拉格反射器的第二侧上的第二过渡区；和
第二分布式布拉格反射器(DBR)；
至少一个分布式布拉格反射器具有梳状反射谱；
其中在所述第一过渡区处，第一高度和第一宽度的波导耦合到第二高度和第二宽度的波导，所述第一高度不同于所述第二高度和/或所述第一宽度不同于所述第二宽度；
其中在所述第二过渡区处，第三高度和第三宽度的波导耦合到第四高度和第四宽度的波导，所述第三高度不同于所述第四高度和/或所述第三宽度不同于所述第四宽度；并且
其中具有至少85％的反射率的反射镜位于所述半导体增益介质的后端处以形成所述激光腔的反射镜使得所述增益介质充当反射半导体光学放大器(RSOA)。
29.一种波长可调谐绝缘体上硅(SOI)激光器，包括：
激光腔，包括：
具有前端和后端的半导体增益介质；以及
耦合到所述半导体增益介质的前端的相位可调谐波导平台；
其中所述相位可调谐波导平台包括第一分布式布拉格反射器(DBR)和第二分布式布拉格反射器(DBR)；至少一个分布式布拉格反射器具有梳状反射谱；
其中高度反射性的反射镜位于所述半导体增益介质的后端处，形成所述激光腔的反射镜，使得所述增益介质充当反射半导体光学放大器(RSOA)；
其中第一分布式布拉格反射器和第二分布式布拉格反射器中的一个形成所述激光器的输出；
其中第一分布式布拉格反射器位于具有背脊并包括p-i-n结的波导中；以及
其中该结的p掺杂区和该结的n掺杂区在波导背脊的相应侧壁重叠并且该结的本征区仅占据该波导背脊的中央部分。
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