CN106785900A - 一种硅基混合集成的波长可调被动锁模激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基混合集成的波长可调被动锁模激光器，包括硅光芯片、可饱和吸收体薄膜和放置在可饱和吸收体薄膜上方，并且与硅光芯片上的光路形成光学谐振腔的半导体光放大器、准直透镜和反射棱镜；可饱和吸收体薄膜覆盖在硅光芯片表面，产生光学非线性吸收，实现被动锁模；半导体光放大器作为增益介质，其两个端面分别镀有反射膜和增透膜，镀有反射膜的端面靠近光纤谐振腔外侧，镀有增透膜的端面靠近准直透镜；准直透镜实现半导体光放大器与硅光芯片的光束模场和数值孔径匹配；反射棱镜对硅光芯片的入射光束进行垂直折转或对出射光束进行水平折转。本发明便于光纤谐振腔的缩小和可饱和吸收体薄膜覆盖，实现超小型、高重复频率和波长可调谐。

Description

一种硅基混合集成的波长可调被动锁模激光器
技术领域
本发明涉及光通信器件和超快光学物理领域，具体涉及一种硅基混合集成的波长可调被动锁模激光器。
背景技术
锁模激光器由于能够产生超短光脉冲，在光通信、光纤传感、生物医疗、精密加工、测量与诊断等诸多领域有着广阔的前景和重要应用价值。锁模激光器的锁模方式可分为主动锁模、被动锁模以及混合锁模技术，其中，被动锁模激光器利用可饱和吸收体对输入光脉冲响应强度相关的特性，实现各纵模的相位锁定，进而产生超短脉冲。
近年来，石墨烯、氧化石墨烯、二硫化钼、碳纳米管以及黑磷等材料纷纷被发现在很宽的波长范围内具有可饱和吸收效应，并与光纤激光器进行集成实现了性能很好的被动锁模激光器，然而以上被动锁模激光器基于光纤谐振腔，存在以下缺点：
(1)可饱和吸收体的转移和集成难度大，一致性差；
(2)光纤谐振腔的长度较长，使得输出光脉冲的重复频率较低；
(3)光纤滤波器的可调光谱范围较窄，调谐速率较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是解决传统的被动锁模激光器集成难度大、重复频率较低以及调谐速率较低的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种硅基混合集成的波长可调被动锁模激光器，包括硅光芯片、可饱和吸收体薄膜以及依次放置在所述可饱和吸收体薄膜上方，并且与所述硅光芯片上的光路形成光学谐振腔的半导体光放大器、准直透镜和反射棱镜；
所述可饱和吸收体薄膜，覆盖在所述硅光芯片表面，产生光学非线性吸收，实现被动锁模；
所述半导体光放大器，作为增益介质，在光传输方向上的两个端面分别镀有反射膜和增透膜，镀有反射膜的端面靠近所述光纤谐振腔的外侧，镀有增透膜的端面靠近所述准直透镜；
所述准直透镜，实现所述半导体光放大器与所述硅光芯片之间的光束模场和数值孔径匹配；
所述反射棱镜，对所述硅光芯片的入射光束进行垂直折转或对出射光束进行水平折转。
在上述技术方案中，所述硅光芯片从下至上依次为衬底硅、埋氧层、光波导层以及沉积在所述光波导层上的光隔离层；
所述光波导层，集成有垂直光耦合器、可调滤波器和反射器，所述垂直光耦合器对所述硅光芯片的入射光束进行水平折转，或对出射光束进行垂直折转，输出至所述反射棱镜进行水平折转；所述可调滤波器用于选模，通过电光效应或热光效应调谐波长；所述反射器实现光束反射，并与所述半导体光放大器镀有反射膜的端面构成所述光纤谐振腔的两个反射端面；
所述光隔离层，实现所述光波导层与所述可饱和吸收体薄膜之间的光学隔离，抑制所述可饱和吸收体薄膜对所述光波导层的内部器件的影响。
在上述技术方案中，所述硅光芯片采用CMOS兼容工艺制作，且具有平整的表面。
在上述技术方案中，所述可饱和吸收体薄膜通过旋涂、薄膜转移或溅射工艺覆盖在所述光隔离层的表面。
在上述技术方案中，所述垂直光耦合器为光栅耦合器，所述可调滤波器为一维光子晶体微谐振腔，所述反射器为分布布拉格反射镜。
在上述技术方案中，所述垂直光耦合器为光栅耦合器，所述可调滤波器为add-drop型微环谐振腔，所述反射器为分布布拉格反射镜。
在上述技术方案中，
所述垂直光耦合器为光栅耦合器，所述可调滤波器为add-drop型微环谐振腔，所述反射器为add-drop型微环反射镜；
所述add-drop型微环谐振腔与所述add-drop型微环反射镜具有不同半径，产生光谱游标效应，实现单模激射。
在上述技术方案中，所述垂直光耦合器为光栅耦合器；所述可调滤波器为add-drop型微环谐振腔；所述反射器为环形反射器，具有光分束和回环功能，实现宽谱光反射。
在上述技术方案中，所述垂直光耦合器的出射角与所述硅光芯片表面的法线的夹角范围为-30°～30°。
在上述技术方案中，所述光隔离层采用的沉积方法为PECVD或LPCVD。
本发明提供了一种结构紧凑、易于加工制备和波长可调谐的被动锁模激光器，实现增益介质、硅光芯片和可饱和吸收体薄膜的三维硅基集成，便于光纤谐振腔的缩小和可饱和吸收体薄膜覆盖，实现超小型、高重复频率和波长可调谐。
附图说明
图1为本发明提供的一种硅基混合集成的波长可调被动锁模激光器的结构侧视图；
图2为本发明提供的光波导层的实施例1的俯视图；
图3为本发明提供的光波导层的实施例2的俯视图；
图4为本发明提供的光波导层的实施例3的俯视图；
图5为本发明提供的光波导层的实施例4的俯视图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细的说明。
本发明提供了一种硅基混合集成的波长可调被动锁模激光器，如图1所示，包括硅光芯片100、可饱和吸收体薄膜150以及依次放置在可饱和吸收体薄膜150上方，并且与硅光芯片100上的光路形成光学谐振腔的反射棱镜160、准直透镜170和半导体光放大器180。
可饱和吸收体薄膜150，覆盖在硅光芯片100表面，产生光学非线性吸收，实现被动锁模。
半导体光放大器180，作为锁模激光器的增益介质，基于III-V族多量子阱或量子点材料，在光传输方向上的两个端面分别镀有反射膜和增透膜，镀有反射膜的端面靠近光纤谐振腔的外侧，镀有增透膜的端面靠近准直透镜170，半导体光放大器180的反射膜的反射率根据需要在10％～100％之间任意选取。
准直透镜170，实现半导体光放大器180与硅光芯片100之间的光束模场和数值孔径匹配，降低光学损耗和耦合损耗，准直透镜170可采用微球透镜。
反射棱镜160，对硅光芯片100的入射光束进行垂直折转或对出射光束进行水平折转，具体地，在水平方向，将经过半导体光放大器180和准直透镜170的入射光束垂直折转，使其垂直透过可饱和吸收体薄膜150，入射至硅光芯片100；在垂直方向，将硅光芯片100的出射光束水平折转，使其经准直透镜170和半导体光放大器180出射。
硅光芯片100基于绝缘体上的(silicon-on-insulator)材料加工制备，采用CMOS兼容工艺制作，并且具有平整的表面，利于可饱和吸收体薄膜的覆盖，有利于提升被动锁模激光器的性能一致性和量产能力。硅光芯片100从下到上依次为衬底硅110、埋氧层120、光波导层130以及沉积在光波导层130上的光隔离层140。
本发明，通过CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)兼容的光刻与刻蚀工艺，在光波导层130中集成了垂直光耦合器131、可调滤波器132和反射器133，垂直光耦合器131对硅光芯片100的入射光束进行水平折转，或对出射光束进行垂直折转，输出至反射棱镜160进行水平折转；可调滤波器132用于选模，通过电光效应或热光效应调谐波长；反射器133实现光束反射，并与半导体光放大器180镀有反射膜的端面构成光纤谐振腔的两个反射端面，锁模激光器的光脉冲可以从半导体光放大器180的镀有反射膜的端面输出，也可以从硅光芯片100上的反射器133输出，也可以从以上两者同时输出。
光隔离层140，采用PECVD、LPCVD、旋涂或溅射等CMOS兼容工艺覆盖覆盖在光波导层130上，实现光波导层130与可饱和吸收体薄膜150之间的光学隔离，抑制可饱和吸收体薄膜150对光波导层130的内部器件的影响。其中，可饱和吸收体薄膜150通过旋涂、薄膜转移或溅射工艺覆盖在光隔离层140的表面。
上述硅衬底110的材质通常为单晶硅；埋氧层120的材质通常为厚度为0.1～5μm的二氧化硅；光波导层130的材质可以是单晶硅、多晶硅、非晶硅、氮化硅、氮氧化硅、III-V或LiNbO3(铌酸锂)等折射率高于埋氧层120和光隔离层140的材料，而光波导层130的优选材质为厚度在0.4μm以内的单晶硅、厚度在1μm以内的氮化硅或者厚度在1μm以内的LiNbO3；光隔离层140可以是二氧化硅、氮氧化硅、SU-8、BCB、PMMA等低折射率材料，其优选材料是二氧化硅，优选沉积方法为PECVD或LPCVD；可饱和吸收体薄膜150可以是石墨烯、氧化石墨烯、二硫化钼、碳纳米管或黑磷等材料，采用旋涂、薄膜转移或溅射等工艺覆盖在光隔离层140的表面，使光束从硅光芯片100上垂直出射或入射时会充分穿透可饱和吸收体薄膜150。
上述垂直光耦合器131的优选方案为光栅耦合器，也可以是其它可以将光束实现水平/垂直折转的光耦合结构，其中，垂直型光耦合器131的出射角与硅光芯片100表面的法线的夹角范围在-30°～30°内；反射器133的优选方案为宽谱光反射器或者带有滤波特性的反射器，可调滤波器132和反射器133也可以由其它同时具备滤波和反射功能的光学元件或光学元件组合替代，反射器133的反射率可根据输出光功率的需要，在10％～100％之间具体选择。
如图2所示，为本发明光波导层130的实施例1。其中，光栅耦合器231作为垂直光耦合器131，一维光子晶体微谐振腔232作为可调滤波器132，分布布拉格反射镜(DBR)233作为反射器133。
如图3所示，为本发明光波导层130的实施例2。其中，光栅耦合器331作为垂直光耦合器131，add-drop型微环谐振腔332作为可调滤波器132，分布布拉格反射镜(DBR)333作为反射器133。
如图4所示，为本发明光波导层的实施例3。其中，光栅耦合器431作为垂直光耦合器131，add-drop型微环谐振腔432作为可调滤波器132，add-drop型微环反射镜433作为反射器133。add-drop型微环谐振腔432和add-drop型微环反射镜433具有不同半径，可以产生光谱游标效应(Vernier effect)，实现单模激射。
如图5所示，为本发明光波导层的实施例4。其中，光栅耦合器531作为垂直光耦合器131，add-drop型微环谐振腔532作为可调滤波器132，环形反射器533作为反射器133。环形反射器533具有光分束和回环功能，可实现宽谱光反射。
上述可调滤波器132还可以是基于微环谐振腔、微盘谐振腔、光子晶体谐振腔或侧壁波导光栅的级联结构。
本发明具有以下优点：
1、利用反射棱镜和垂直光耦合器实现光束“水平-垂直”折转，便于硅基三维混合集成，便于光束充分透过可饱和吸收体薄膜，提升锁模效果；
2、基于高度紧凑的硅基集成方案，光纤谐振腔长度短，易于实现超高重复频率、超稳定的光脉冲；
3、利用硅光芯片上的可调滤波器实现激光波长可调，具有调谐功耗低、调谐速率高的优点；
4、通过准直透镜进行光束折转，实现半导体光放大器和垂直光耦合器之间的光束模场和数值孔径匹配，从而减小耦合损耗；
5、硅光芯片基于CMOS兼容工艺制备，其平整的表面有利于可饱和吸收体薄膜的覆盖，有利于提升被动锁模激光器的性能一致性和量产能力。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种硅基混合集成的波长可调被动锁模激光器，其特征在于，包括硅光芯片、可饱和吸收体薄膜以及依次放置在所述可饱和吸收体薄膜上方，并且与所述硅光芯片上的光路形成光学谐振腔的半导体光放大器、准直透镜和反射棱镜；
所述可饱和吸收体薄膜，覆盖在所述硅光芯片表面，产生光学非线性吸收，实现被动锁模；
所述半导体光放大器，作为增益介质，在光传输方向上的两个端面分别镀有反射膜和增透膜，镀有反射膜的端面靠近所述光纤谐振腔的外侧，镀有增透膜的端面靠近所述准直透镜；
所述准直透镜，实现所述半导体光放大器与所述硅光芯片之间的光束模场和数值孔径匹配；
所述反射棱镜，对所述硅光芯片的入射光束进行垂直折转或对出射光束进行水平折转。
2.如权利要求1所述的被动锁模激光器，其特征在于，所述硅光芯片从下至上依次为衬底硅、埋氧层、光波导层以及沉积在所述光波导层上的光隔离层；
所述光波导层，集成有垂直光耦合器、可调滤波器和反射器，所述垂直光耦合器对所述硅光芯片的入射光束进行水平折转，或对出射光束进行垂直折转，输出至所述反射棱镜进行水平折转；所述可调滤波器用于选模，通过电光效应或热光效应调谐波长；所述反射器实现光束反射，并与所述半导体光放大器镀有反射膜的端面构成所述光纤谐振腔的两个反射端面；
所述光隔离层，实现所述光波导层与所述可饱和吸收体薄膜之间的光学隔离，抑制所述可饱和吸收体薄膜对所述光波导层的内部器件的影响。
3.如权利要求2所述的被动锁模激光器，其特征在于，所述硅光芯片采用CMOS兼容工艺制作，且具有平整的表面。
4.如权利要求2所述的被动锁模激光器，其特征在于，所述可饱和吸收体薄膜通过旋涂、薄膜转移或溅射工艺覆盖在所述光隔离层的表面。
5.如权利要求2所述的被动锁模激光器，其特征在于，所述垂直光耦合器为光栅耦合器，所述可调滤波器为一维光子晶体微谐振腔，所述反射器为分布布拉格反射镜。
6.如权利要求2所述的被动锁模激光器，其特征在于，所述垂直光耦合器为光栅耦合器，所述可调滤波器为add-drop型微环谐振腔，所述反射器为分布布拉格反射镜。
7.如权利要求2所述的被动锁模激光器，其特征在于，
所述垂直光耦合器为光栅耦合器，所述可调滤波器为add-drop型微环谐振腔，所述反射器为add-drop型微环反射镜；
所述add-drop型微环谐振腔与所述add-drop型微环反射镜具有不同半径，产生光谱游标效应，实现单模激射。
8.如权利要求2所述的被动锁模激光器，其特征在于，所述垂直光耦合器为光栅耦合器；所述可调滤波器为add-drop型微环谐振腔；所述反射器为环形反射器，具有光分束和回环功能，实现宽谱光反射。
9.如权利要求2所述的被动锁模激光器，其特征在于，所述垂直光耦合器的出射角与所述硅光芯片表面的法线的夹角范围为-30°～30°。
10.如权利要求2所述的被动锁模激光器，其特征在于，所述光隔离层采用的沉积方法为PECVD或LPCVD。
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