CN106785906B - 一种波长可调、功率可调的硅基外腔激光器 - Google Patents

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Abstract

一种波长可调、功率可调的硅基外腔激光器，涉及光通信的集成光学领域，光源的输出端连接第一硅基光耦合器，第一硅基光耦合器连接第一多模干涉仪，第一多模干涉仪分别连接第一硅基微环滤波器和第二硅基微环滤波器，第一硅基微环滤波器和第二硅基微环滤波器之间设置第二多模干涉仪，第二多模干涉仪有两个输出端，一个连接第二硅基微环滤波器，另一个为整个硅基外腔激光器的输出端；所述硅基外腔激光器还包括一个非对称马赫‑曾德干涉仪，其设置于第一硅基微环滤波器和第二硅基微环滤波器之间；两个硅基微环滤波器和非对称马赫‑曾德干涉仪上分别加载有热电阻；本发明满足波长可调的同时，实现功率可调，增加可调谐激光器的使用范围。

Description

一种波长可调、功率可调的硅基外腔激光器
技术领域
本发明涉及光通信的集成光学领域，具体涉及一种波长可调、功率可调的硅基外腔激光器。
背景技术
近年来，随着相干光通信技术的发展，高性能的可调谐激光器不可或缺。高速相干通信系统对可调谐激光器提出了宽调谐范围、高频率稳定性、窄线宽、大功率、低功耗、小体积、低成本等特性指标要求。当前，能够满足相干光通信系统要求的可调谐激光器技术方案分为单片集成型和外腔型两大类。其中，单片集成型主要有SGDBR(Sampled gratingdistributed bragg reflector，取样光栅分布布拉格反射)、阵列DFB(Distributed FeedBack，分布反馈)和Y波导等方案。单片集成结构的可调谐激光器需要采用高精度的光刻技术，工艺难度高，难以实现低成本高成品率的生产。外腔型包括传统的外腔调谐方案和混合集成外腔方案。传统的外腔可调谐激光器波长调谐机构采用外部体光学元件与有源放大区共同构成，通过机械控制方式，如旋转光栅、反射镜或平移反射镜等选择不同的振荡波长，具有调谐范围大、相位噪声低、线宽窄等优点，已有商用产品成功的运用于高速多通道相干通信系统，但是传统外腔结构激光器体积较大，不利于小型化；为了满足应用的需求近些年提出了微机械调谐的器件，体积大大缩小，调谐速度提高，但机械稳定性较差。
利用成熟的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)半导体规模化制造工艺可制作各种光子集成平台，被证实不仅可以制造小型化、低损耗波导和各种低成本光无源器件，还在光的调制、探测、交换等方面展现出了优异的性能和实用化的前景。但由于硅是间接带隙材料，发光效率非常低，在硅基发光器件的研究上有着很难逾越的困难。如何利用低成本、低功耗和小尺寸的硅光波导芯片制作低成本高功率、高性能的混合集成可调谐激光器，成为当前研究的热点。目前，业界普遍认同的方案是将III-V族的激光器增益管芯与硅基光波导芯片混合集成构成外腔激光器。
可调谐激光器一个关键的指标是波长可调范围，能够覆盖C Band是当前光通讯系统对激光器的可调谐波长范围最基本的要求。在灵活的光网络中，可调谐激光器的另一个关键指标是功率可调。但是，现有的外腔激光器基本可以满足波长可调范围，却无法满足功率可调，导致可调谐激光器的使用范围受限。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种波长可调、功率可调的硅基外腔激光器，满足波长可调的同时，实现功率可调，增加可调谐激光器的使用范围。
为达到以上目的，本发明采取一种波长可调、功率可调的硅基外腔激光器，包括：光源、第一硅基光耦合器、第一多模干涉仪、第二多模干涉仪、第一硅基微环滤波器和第二硅基微环滤波器，所述光源的输出端连接第一硅基光耦合器的输入端，第一硅基光耦合器的输出端连接第一多模干涉仪，第一多模干涉仪的输出端分别连接第一硅基微环滤波器和第二硅基微环滤波器的输入端，第一硅基微环滤波器和第二硅基微环滤波器之间设置第二多模干涉仪，所述第二多模干涉仪有两个输出端，一个连接第二硅基微环滤波器，另一个为整个硅基外腔激光器的输出端；所述硅基外腔激光器还包括一个非对称马赫-曾德干涉仪，其设置于第一硅基光耦合器与第一多模干涉仪之间、第一多模干涉仪与第一硅基微环滤波器之间、第一多模干涉仪与第二硅基微环滤波器之间、或者第一硅基微环滤波器和第二硅基微环滤波器之间；两个硅基微环滤波器和非对称马赫-曾德干涉仪上分别加载有热电阻。
在上述技术方案的基础上，所述第一硅基微环滤波器未连接第一多模干涉仪连接的两个端口、第二硅基微环滤波器未连接第一多模干涉仪连接的两个端口、以及第二多模干涉仪未连接第二硅基微环滤波器的端口均设有第二硅基光耦合器。
在上述技术方案的基础上，所述第二硅基光耦合器为光栅耦合器或端面耦合器，所述第二硅基光耦合器部分相同或全部相同。
在上述技术方案的基础上，通过热电阻调节两个硅基微环滤波器的谐振峰的位置，选择谐振波长。
在上述技术方案的基础上，通过热电阻调节非对称马赫-曾德干涉仪的输出功率，调节硅基外腔激光器的输出功率。
在上述技术方案的基础上，所述第一硅基微环滤波器和第二硅基微环滤波器的自由光谱范围通过公式得到，其中，FSR微环为自由光谱范围，λ为硅基微环滤波器的波长，△λ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，所述第一硅基微环滤波器和第二硅基微环滤波器的自由光谱范围为5～50nm，且两个硅基微环滤波器的自由光谱范围错开50GHz～500GHz。
在上述技术方案的基础上，所述第一硅基光耦合器为端面耦合器或光栅耦合器。
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，各元器件之间通过硅基波导传输信号。
本发明的有益效果在于：
1、利用两个硅基微环滤波器的游标效应选择共振波长，通过热调谐使得它们的自由光谱范围移动，用以选择波长。由公式其中ΔN表示两个硅基微环滤波器的自由光谱范围最小公倍数，c为光速，λ0表示中心波长，FSR1表示第一硅基微环滤波器的自由光谱范围，FSR2表示第二硅基微环滤波器的自由光谱范围，可以看出，本发明的最大波长调谐范围取决于两个硅基微环滤波器的自由光谱范围，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、本发明的非对称马赫-曾德干涉仪，通过热调谐改变输出比，输出功率由下式决定：
其中neffA和neffB为两个调制臂的有效折射率，αA和αB分别为两个调制臂的损耗，a为输入端分束比，αβ为附加损耗，为两输出光的相位差，k0为波矢，LA和LB分别为两个调制臂的臂长。由以上公式可知，非对称马赫-曾德干涉仪中光分束器的分束效果、合束器的合束效果、两调制臂中光场的均衡性、相位差等因素都会影响输出场的干涉叠加效果，从而直接决定了输出臂的输出功率特性。本发明通过在调制臂上加载热电阻，调谐臂的损耗、光程都会改变，从而改变输出功率。
附图说明
图1为本发明实施例波长可调、功率可调的硅基外腔激光器示意图。
附图标记：
光源1，第一硅基光耦合器2，第一多模干涉仪31，第二多模干涉仪32，第一硅基微环滤波器41，第二硅基微环滤波器42，非对称马赫-曾德干涉仪5，第二硅基光耦合器6。
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。
如图1所示，本发明波长可调、功率可调的硅基外腔激光器，包括光源1、第一硅基光耦合器2、第一多模干涉仪31、第二多模干涉仪32、第一硅基微环滤波器41、第二硅基微环滤波器42和非对称马赫-曾德干涉仪5。光源1的输出端连接第一硅基光耦合器2的输入端，优选的，光源采用SOA芯片或LD芯片，第一硅基光耦合器2为端面耦合器或光栅耦合器。第一硅基光耦合器的输出端2连接第一多模干涉仪(MMI)31的输入端，第一多模干涉仪31的输出端分别连接第一硅基微环滤波器41和第二硅基微环滤波器42的输入端。第一硅基微环滤波器41和第二硅基微环滤波器42之间，设置相连的第二多模干涉仪32和非对称马赫-曾德干涉仪5，第二多模干涉仪32有两个输出端，一个输出后端连接第二硅基微环滤波器42，另一个输出端为整个硅基外腔激光器的输出端，两个硅基微环滤波器和非对称马赫-曾德干涉仪5上分别加载有热电阻。
所述第一硅基微环滤波器41不与第一多模干涉仪31连接的两个端口、第二硅基微环滤波器42不与第一多模干涉仪31连接的两个端口、以及第二多模干涉仪32未连接第二硅基微环滤波器42的端口均设有一个第二硅基光耦合器6，且上述所有元器件之间通过硅基波导传输信号。所述第二耦合器6为光栅耦合器或端面耦合器，多个第二硅基光耦合器6可以全部相同设置，也可以部分相同设置。
除上述实施例外，所述非对称马赫-曾德干涉仪5还可以设置于第一硅基光耦合器2与第一多模干涉仪31之间、第一多模干涉仪31与第一硅基微环滤波器41之间、第一多模干涉仪31与第二硅基微环滤波器42之间，并且硅基外腔激光器的其他元器件连接关系不变。
所述第一硅基微环滤波器41和第二硅基微环滤波器42的自由光谱范围为5～50nm，通过热电阻调节谐振波长，且两个硅基微环滤波器的自由光谱范围错开50GHz～500GHz。所述第一硅基微环滤波器41和第二硅基微环滤波器42的自由光谱范围通过公式：
得到，其中，FSR微环为自由光谱范围，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。
本发明硅基外腔激光器的波长调谐范围取决于两个硅基微环滤波器的自由光谱范围：
其中，ΔN表示两个硅基微环滤波器的自由光谱范围最小公倍数，c为光速，λ0表示中心波长，FSR1表示第一硅基微环滤波器的自由光谱范围，FSR2表示第二硅基微环滤波器的自由光谱范围，因此波长调谐范围由两个硅基微环滤波器共同决定；非对称马赫-曾德干涉仪通过热电阻调节，从而使输出功率可调。
所述两个硅基微环滤波器和非对称马赫-曾德干涉仪5均配有热调谐，热调谐的调谐方式为在两个硅基微环滤波器和非对称马赫-曾德干涉仪5上加载热电阻，通过热电阻调节第一硅基微环滤波器41和第二硅基微环滤波器42谐振峰的位置，从而选择谐振波长；通过热电阻调节非对称马赫-曾德干涉仪5的调制臂，从而控制功率输出。
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)

1.一种波长可调、功率可调的硅基外腔激光器，其特征在于，包括：光源、第一硅基光耦合器、第一多模干涉仪、第二多模干涉仪、第一硅基微环滤波器和第二硅基微环滤波器，所述光源的输出端连接第一硅基光耦合器的输入端，第一硅基光耦合器的输出端连接第一多模干涉仪，第一多模干涉仪的输出端分别连接第一硅基微环滤波器和第二硅基微环滤波器的输入端，第一硅基微环滤波器和第二硅基微环滤波器之间设置第二多模干涉仪，所述第二多模干涉仪有两个输出端，一个连接第二硅基微环滤波器，另一个为整个硅基外腔激光器的输出端；
所述硅基外腔激光器还包括一个非对称马赫-曾德干涉仪，其设置于第一硅基光耦合器与第一多模干涉仪之间、第一多模干涉仪与第一硅基微环滤波器之间、第一多模干涉仪与第二硅基微环滤波器之间、或者第一硅基微环滤波器和第二硅基微环滤波器之间；两个硅基微环滤波器和非对称马赫-曾德干涉仪上分别加载有热电阻；
通过热电阻调节非对称马赫-曾德干涉仪的输出功率，调节硅基外腔激光器的输出功率；
所述第一硅基微环滤波器和第二硅基微环滤波器的自由光谱范围为5～50nm，且两个硅基微环滤波器的自由光谱范围错开50GHz～500GHz。
2.如权利要求1所述的波长可调、功率可调的硅基外腔激光器，其特征在于：所述第一硅基微环滤波器未连接第一多模干涉仪连接的两个端口、第二硅基微环滤波器未连接第一多模干涉仪连接的两个端口、以及第二多模干涉仪未连接第二硅基微环滤波器的端口均设有第二硅基光耦合器。
3.如权利要求2所述的波长可调、功率可调的硅基外腔激光器，其特征在于：所述第二硅基光耦合器为光栅耦合器或端面耦合器，所述第二硅基光耦合器部分相同或全部相同。
4.如权利要求1所述的波长可调、功率可调的硅基外腔激光器，其特征在于：通过热电阻调节两个硅基微环滤波器的谐振峰的位置，选择谐振波长。
5.如权利要求1所述的波长可调、功率可调的硅基外腔激光器，其特征在于：所述第一硅基微环滤波器和第二硅基微环滤波器的自由光谱范围通过公式得到，其中，FSR微环为自由光谱范围，λ为硅基微环滤波器的波长，△λ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。
6.如权利要求1-5任一所述的波长可调、功率可调的硅基外腔激光器，其特征在于：所述第一硅基光耦合器为端面耦合器或光栅耦合器。
7.如权利要求1-5任一所述的波长可调、功率可调的硅基外腔激光器，其特征在于：所述光源采用SOA芯片或LD芯片。
8.如权利要求1-5任一所述的波长可调、功率可调的硅基外腔激光器，其特征在于：各元器件之间通过硅基波导传输信号。
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