CN107078459A - 包含光子晶体的外腔激光器 - Google Patents

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Abstract

一种激光器，包括：至少一个波长选择反射器，其包括垂直耦合到至少一个光子晶体谐振器的波导，所述波导和光子晶体谐振器被布置成提供在所述光子晶体谐振器的至少一个模式和所述波导的至少一个模式之间的波矢匹配；光学增益介质，用于产生用于耦合到所述波导中的光，以及在所述光学增益介质的端部处的反射器，所述反射器和所述光子晶体谐振器限定了激光腔。由光学增益介质产生的光被耦合到所述波导中并耦合到所述光子晶体谐振器中，并部分地反射回所述光学增益介质。

Description

包含光子晶体的外腔激光器
技术领域
本发明涉及一种激光器，具体地涉及用在数据通信系统中的激光器。更具体地说，本发明涉及一种外腔激光器(ECL)及制造这种激光器的方法。
背景技术
未来的数据通信网络，范围从高性能计算机到光纤到户，将依靠成本效益高、功率高效的光学收发机来阻止急剧的能量消耗。在IBM最新的超级计算机Power 775中，使用一共668,000个VCSEL/光纤，每个都承载相同的波长。在下一代，所需信道的数量预计将增加近两个量级，而每比特消耗的能量应减少一个数量级。在所消耗的物理空间和光纤成本基础限制的情况下，这在VCSEL和多模光纤的框架中是难以想象的。
光源被认为是数据通信网络中的主要问题。目前相对成功的基于VCSEL的方法主要受制于其效率。将来，预期数据通信将必须使用密集波分复用(WDM)。VCSEL的一个问题是，由于波长控制不良和将多个VCSEL耦合到单个多模光纤的困难，它们与WDM很大程度上不兼容。
存在实现窄线宽单模半导体激光器的多个方式。存在两大组，单片半导体激光器和外腔激光器。两者都使用频率稳定来在操作条件范围内实现单模输出。光增益元件位于高反射率镜之间，通常是增益元件的经涂覆的背刻面和频率选择组件之间。波长选择性通常由分布布拉格反射器(DBR)提供。在单片器件中，这采用有源层的波纹形式，其产生光栅。在外腔器件中，光栅可以在光纤中实现，从而产生光纤光栅激光器，或在硅波导中实现。
已知激光器的困难在于需要调制激光器输出以便发送数据。增益的调制是一个选项，但驰豫振荡导致高啁啾输出，并且带宽有限。外部调制器用在高带宽应用中。然而，这些部件的集成是复杂的，并且分立的组件在稳定性的基础上是不期望的。此外，难以实现具有显著电容(皮法)的组件的功率高效的高速调谐。还必须提供复用。在单片系统中，这可以由III-V族半导体阵列波导光栅提供，但是III-V族的高热光系数提供差的热稳定性。此外，光学传播损耗和材料损耗是高的。平面光波回路提供高性能复用。然而，这些是使组装复杂的分立组件。
发明内容
根据本发明，提供了一种激光器，包括：波长选择元件，其具有垂直耦合到诸如光子晶体谐振器之类的至少一个谐振器的波导，所述波导和所述谐振器被布置成提供在所述谐振器的至少一个模式和所述波导的至少一个模式之间的波矢匹配；光学增益介质，例如半导体光放大器，用于产生用于耦合到所述波导中的光，以及在增益介质的端部处的反射器，所述反射器和所述谐振器限定了激光腔。
在使用中，由半导体光放大器产生的光耦合到所述波导中。这是许多不同波长的宽带光。与谐振器的谐振波长相同波长的光耦合到所述谐振器中。这种光中的一些被反射回反射器，一些被输出。由激光器输出的光的波长由谐振器的谐振波长确定。
本发明提供了一种基于光子晶体器件和增益芯片的外腔激光器，其提供具有小占地面积和低功率操作的可调窄线宽发射。光子晶体器件包括位于光子晶体谐振器正上方的大模场面积波导。增益芯片的背刻面可以具有高反射率涂层，并且前刻面具有抗反射涂层。增益芯片的前刻面与光子晶体芯片上的波导耦合。在谐振时，光子晶体谐振器提供具有非常窄线宽的反射，而没有旁瓣[Physical Review E 62,7389-7404(2000)]，从而建立了激光器谐振器并提供对激射波长的控制。可以高速地调谐光子晶体反射器的谐振波长，并且利用合适的参数选择，可以实现直接频率调制激光器。大模场面积波导为复用和其他高级功能提供了平台[Laser and Photonics Reviews 7，506-538(2013)]。
至少一个谐振器可以是具有与波导na的折射率不同折射率的材料。至少一个谐振器可以在折射率nb的层中。该器件还可以包括折射率nc的阻挡层，其中nc<na和nc<nb，以及折射率nd<nb的下包层；其中所述谐振器层在所述阻挡层和所述下包层之间，并且所述波导在阻挡层的顶部上并与至少一个谐振器对准。
所述波导可以承载单模或波导可以是多模的。
至少一个谐振器可以承载多种模式，其中至少一个腔体模式与至少一个传播通过波导的模式在空间上重叠，从而允许从波导到谐振器的光耦合。
激光器可以具有N个波长特定的谐振器，其中N大于1，以便可操作以输出N个不同的波长。波导可以是玻璃、TRIPLEX或HYDEX波导，或聚合物波导或由氮氧化硅、氮化硅制成的波导或电介质波导。
谐振器可以是光子晶体，其具有孔的网络，形成由一组参数限定的规则晶格，并且其中所述参数被选择以提供在所述谐振器的至少一个模式和所述波导的至少一个模式之间的波矢匹配。。光子晶体可以由硅或氮化硅或III-V族半导体材料如磷化铟、砷化镓、氮化镓或磷化铟镓制成。调制器可以与每个谐振器相关联。调制器可以可操作以改变其相关联谐振器的谐振波长。
至少一个谐振器可以具有可变输出。例如，至少一个谐振器可以嵌入在形成谐振器调制器的PIN或PN结(包括p型和n型掺杂区)中。
附图说明
现在将参考附图，以仅作为示例的方式对本发明的各种方面进行描述，其中：
图1(a)是围绕窄线宽光子晶体反射器和半导体光放大器构建的激光器的示意图；
图1(b)是通过图1(a)的激光器的横截面；
图1(c)是图(a)的激光器的示意图，但是具有允许调制激光器输出波长的调制器；
图2示出了针对各种不同光子晶体孔位置的归一化光谱功率相对于谐振波长；
图3是针对光子晶体激光器的强度相对于波长的图；
图4(a)是示出由均具有不同谐振波长的三个腔组成的多波长激光源的示意图；
图4(b)是通过图4(a)的激光器的横截面；
图5是针对图4的激光器的光子晶体反射率相对于入射功率的曲线；
图6(a)示出了具有不同长度的臂的不对称MZI；
图6(b)是作为MZI臂之间长度差的函数的在两个不同波长处的传输曲线，；
图7是示出围绕反射半导体光放大器和窄线宽光子晶体反射器构建的另一激光器的示意图，以及
图8是已经使用倒装芯片技术组装的基于窄线宽光子晶体反射器和半导体光放大器的激光器的示意图。
具体实施方式
图1(a)和(b)示出了具有增益部分的波长选择组件的激光器，其组合以形成外腔激光器。波长选择元件具有材料折射率为na的波导3，其可以具有与光子晶体谐振器2集成并且位于光子晶体谐振器2正上方的大模式面积。波导和光子晶体谐振器中的模式是垂直耦合和重叠的。增益部分具有产生相对宽带的光(例如具有50-100nm的带宽)的电泵浦半导体光放大器1，所述相对宽带的光使用例如对接耦合直接耦合到波长选择组件的波导中。反射器6被设置在半导体光放大器1的后表面上。可选地，在半导体光放大器1的前表面上设置抗反射层。反射器6和光子晶体谐振器2限定了外部激光腔。
光子晶体谐振器2在折射率nb的材料中，其被布置在折射率nc的阻挡层4和折射率nd的包层电介质层5之间。包层5在衬底层7上，其具有折射率ne。在大多数情况下，所使用的材料为nb>1.8。而且，在实践中nb不等于na。通常，阻挡层为100-200nm厚。在一些情况下，可以在波导和光子晶体谐振器之间设置间隙，在这种情况下，阻挡层通常将包括空气。
光子晶体谐振器2由光子晶体中的结构缺陷或腔体创建，该光子晶体形成局部于缺陷区的光学模式。腔体模式的模式体积足够小以产生宽的波矢分布，导致与波导增加的耦合。特别地，腔体的模式体积小于十个立方波长(cubic wavelength)，其中波长是腔体的谐振波长。谐振器具有唯一的谐振波长。只有谐振频率处的波导模式耦合到腔体。
波导3沿着光子晶体的纵向轴线延伸并且被放置在阻挡层的顶部上，以便与谐振器2垂直对准。阻挡层5的厚度分布可以变化以促进或抑制在该器件不同部分中的波导和缺陷腔之间的耦合。选择折射率na、nb、nc和nd的相对值以促进通过波导3传播的至少一个模式与通过谐振腔传播的模式之间的垂直渐逝耦合。当满足以下条件时，通常会实现这一点：
{nc＜na，nc＜nb，nb≠na，nd＜nb，nd＜na}
在使用中，由半导体光学放大器1产生的光至少部分地被光子晶体谐振器2反射。激射波长由光子晶体谐振器2的波长设定。当入射光与光子晶体腔谐振时，一部分耦合到腔体中并经历π/2相移。当这从腔体耦合时，它经历附加的π/2相移。在前向方向上，来自腔体的一些光破坏性地干扰由波导携带的前向传播光的一部分，并且一些前向传播。在向后的方向上，耦合到腔体外的光向激光腔/谐振器提供反馈。这导致光子晶体腔的谐振波长处的光在激光腔中成为主导。因此，从激光器输出的光的波长由光子晶体腔的谐振波长确定。光子晶体谐振器发射入射光的一部分。可以通过光子晶体谐振器和波导的合适设计来控制发射和反射光的水平。
光子晶体谐振器具有小的模式尺寸。因此，它具有允许与波导相位匹配的扩展波矢空间，波导通常由低模态指数聚合物制成。在谐振时，光耦合在光子晶体谐振器中，并在相反的方向上向外耦合(out-coupled)。可以利用波导-谐振器系统和理想激光反射镜的合适设计来实现在10-90％范围内和0.1nm线宽或更好的反射率。
如上所述，光子晶体反射器控制激光波长。在实践中，波长由晶体中的孔的位置限定。位置的小变化可能导致谐振波长的显著变化，以及因此激射波长的显著变化。图2示出了作为孔位置的函数的谐振波长。
本发明的激光器使用光子晶体反射器。这相对于分布式布拉格反射器具有许多优点。反射光谱不展现出DBR典型的旁瓣，从而实现高边模抑制比的激射。在添加单个纵向模式的选择的情况下，线宽也窄得多(<0.1nm)。这在图3中示出。使用光子晶体反射器是实现激射波长精确控制的更便宜的手段，因为激射波长仅由光子晶体腔限定，并且与用于提供增益的材料无关。相比之下，对于DFB或DBR激光器，相同的材料系统(通常为III-V半导体)针对增益和反射器两者使得精确控制更加困难。
图1(a)和(b)的激光器可以适于实现经调制激光器，例如频率调制激光器。这可以通过将诸如pin或pn二极管的调谐元件与(一个或多个)光子晶体谐振器组合来完成。激射波长将跟踪光子晶体腔的谐振波长，所述光子晶体腔提供其波长随时间变化的激光器。作为示例，谐振器可以嵌入在光子晶体板的P掺杂区10和N掺杂区11之间以形成谐振器调制器，如图1(c)所示。可以分别通过改变施加到相关联的P和N掺杂区10和11的电压来单独地控制谐振波长。
图4(a)和(b)示出了具有多个具有片外增益部分的波长选择组件的激光器，其组合以制成多个外部激光腔。在这种情况下，波长选择器的基本层结构与图1相同。然而，多个光子晶体谐振器被串联设置，每个光子晶体谐振器垂直耦合到波导。每个谐振器被布置成具有不同的谐振波长。芯片外增益部分具有反射半导体光放大器，其一端具有宽带(100nm+)反射器。多个光子晶体谐振器和反射镜组合以制成多个外部激光腔。在每个腔内，不同波长的光循环，波长由光子晶体谐振器限定。
尽管未示出，但是应当理解，图4的每个光子晶体谐振器可以与调制器相关联，使得其输出可被调制。例如，每个都可以具有参考图1(c)描述的P和N掺杂区。可以通过改变施加到相关联的P和N掺杂区的电压来单独地控制谐振波长。每个光子晶体谐振器可以单独地或一起控制。
图4的激光器具有可以同时提供多个不同波长的光输出，同时保持稳定的连续波操作。由于光子晶体反射器的性质和腔体-波导垂直耦合结构，多个腔体可以级联在一起。这里，每个腔体具有稍微不同的谐振波长，因此反射不同的波长。每个腔体与半导体光放大器1另一侧上的反射镜6一起形成具有不同波长的不同的激光腔。最小化激光模式之间的竞争对于最小化相对强度噪声至关重要。两光子吸收的影响，每个光子晶体反射器的反射率随着耦合功率的增加而减小，见图5。这均衡每个激光模式的功率并稳定多波长输出。可以通过在波导腔耦合和由两个光子吸收引入的损耗之间取得平衡来实现该效果。腔体Q因子由下式给出：
其中Qtotal是总体Q因子，Qintrinsic是无负载Q因子(在没有由于TPA而导致的损耗的情况下)，Qcoupling是与谐振器和波导之间的耦合相关联的Q因子，并且QTPA与由于两个光子吸收而导致的损耗相关联，其是入射功率的函数。
光子晶体反射器的反射率(R)由下式给出：
通过适当地改变Qcoupling，反射率可以对两个光子吸收的影响更多或更少地敏感。为了提供均衡反射率的模式，在期望的功率(通过功率对PhC反射器的影响的详细研究确定)处的Qcoupling(通过设计控制)和QTPA应该被选择为使得入射功率的变化显著地改变反射率(例如从多于20％到少于10％)，见图5。
在另一个实施例中，相同光子晶体腔的阵列耦合在一起，并用于通过四波混频将多波长反馈提供到增益介质中。光子晶体在提高其他弱非线性现象的效率方面非常有效[Optics Express 18,26613-26624(2010)，Optics Express 20,17474-17479(2012)]，从而以毫瓦和微瓦功率水平在硅中产生显著的频率转换。利用合适的耦合硅光子腔的集合，在相同的波长处的每个谐振，发生模式分裂，并且可以实现具有在频率中均匀间隔的多个谐振的系统。最初的单波长激光将与中心谐振中的一个相匹配，光将在耦合的腔体系统中积聚起来，起到泵的作用。参量处理发生在耦合的光子晶体腔体系统中，以产生信号和空闲波，其通过来自经由分裂谐振耦合到耦合腔体系统中的半导体光放大器的自发发射来提供种子(seed)。信号波和空闲波将与泵相位匹配，并且将被耦合回到半导体光放大器中，从而在与初始线具有固定相位关系的附加纵向模式上产生激光。这提供了一种相位锁定机制，其最小化模式竞争并提供低模态相对强度噪声。此外，利用适当设计的系统，可以进行级联的四波混频，从而提供在大量波长处的激射。
在所有上述示例中，调频激光器可以通过将诸如pin或pn二极管之类的调谐元件与(一个或多个)光子晶体谐振器组合来实现，该调谐元件可操作以调谐(改变)(一个或多个)谐振光子晶体谐振器的波长。激射波长将跟踪光子晶体腔的谐振波长，所述光子晶体腔提供其波长随时间变化的激光。
代替波长调制，也可以实现强度或幅度调制。这可以使用非对称的马赫曾德(MachZehnder)干涉仪来完成，如图6所示。不对称的马赫曾德干涉仪具有臂，在这种情况下为材料环，其从波导上的第一位置延伸到在光传输方向上的第二下游位置。臂由与波导的材料相同的材料制成。沿着波导传输的光中的一些传递进入臂，一些沿着波导的长度继续。由于臂长度的差异，当臂中的光重新加入主波导时，传输是波长依赖的。例如，在ΔL＝558.8μm附近，由于两臂之间的结构性干涉，波长1550nm处的光完全透射，而在1551nm处，由于两个臂之间的破坏性干涉，几乎不可能透射。通过选择臂的适当长度，可以实现幅度调制。
图7是示出围绕反射半导体光放大器和窄线宽光子晶体反射器构建的激光器的示意图。在输出波导上添加无源环形谐振器，以实现频率调制到幅度调制转换。在这种情况下，可以与耦合到环形谐振器的第一波导平行地设置附加波导。该附加波导可用作激光器输出。
在另一个实施例中，反射器在半导体光放大器的背刻面上的反射率减小，从而产生输出光束。根据应用，可以从激光的任一侧取得输出。
本发明的商业应用是在低能量光学链路中，特别是对诸如由因特尔和IBM开发的计算机芯片光学网络的需要来减少电连接的使用。光子晶体反射器的小电容产生了一个关键的优点。常规地，激光器或外部调制器具有数百皮法范围的电容，从而在调制期间产生高功率消耗。在这里，只有光子晶体反射器被调制，并且千万亿分之一切换能量已经被实验证明。因此，对于现有技术的设备，激光器的功耗主要是增益元件的功耗，其可以小于20mW。在10-20Gbit/s的比特率下，每比特的能量接近1pJ，一个开创性的数字。此外，驱动皮法调制器所需的电子电路便宜得多，并且与较高电容组件所需的功率相比消耗更少的功率。
本发明的激光器不限于光通信中的应用。它还可以用在光学感测(例如远程光学感测)中，其中光子晶体腔的谐振频率响应于一些激励而改变。可以使用与光电二极管组合的滤波器来检测这种改变。
本发明的激光器可以使用倒装芯片接合来制成。这种类型的接合提供了优于1微米精度的芯片放置。当与大模式面积波导相结合时，这允许以低成本方式组装的光子晶体和增益芯片，也给出了非常高的耦合效率。这与基于晶片接合的方法有利地相结合，其中将III-V族晶片或III-V族管芯连接到硅晶片，然后图案化，这总是浪费了显著比例的III-V族材料。相反地，基于倒装芯片接合的方法使得高效地使用昂贵的III-V族材料。
在另一个实施例中，如图8所示，包含光子晶体的硅芯片和包含基于玻璃或聚合物的波导的芯片被独立地制造，并使用倒装芯片接合进行组装，并且随后附接增益芯片。在这种情况下，每个芯片可以在组装之前进行测试，从而提高产量。焊盘9用于将芯片连接在一起。
可以使用多种材料以用于构建波长选择器件。波导可以是聚合物或氮氧化硅或更复杂的复合结构，例如TriPleXTM或HYDEXR。阻挡层可以是使用化学气相沉积技术或玻璃上旋涂而沉积的电介质材料，例如二氧化硅。光子晶体板可以在硅、氮化硅或III-V族半导体材料如磷化铟、砷化镓、磷化铟镓或氮化镓中制造。它也可以由硅/锗多层制成。光子晶体晶格的结构可以根据规格以及缺陷腔谐振器和谐振器-调制器的数量和设计而变化。下包层通常由二氧化硅制成，尽管在某些情况下空气是可能的。衬底是硅或III-V族半导体。
本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的情况下，所公开的配置的变化是可能的。例如，可选功能的数量可以并入器件中。例如，在提供多个谐振器的情况下，每个可以执行不同的信号处理功能，包括滤波器、通/断开关、幅度调制器和色散补偿器的信号处理功能。同样地，RSOA和硅芯片也可以组合在包含可移动微透镜的基于MEMS的平台上。在这种情况下，使用具有相对较低精度的常规组装工具将光学组件安装到MEMS装配件上。零件可以偏离最佳位置几十微米，彼此之间没有光学连接。微透镜可移动以引导光学组件实现高效的耦合。一旦达到最佳对准，微透镜被锁定下来，见US 8346037。通过使用不同的材料(例如用于增益芯片的GaAs和用于光子晶体的碳化硅)，窄线宽、高边模抑制激光可以在其它波长下实现。因此，具体实施例的上述描述仅作为示例而做出，而不是为了限制的目的。技术人员将清楚，可以对所描述的操作进行微小的修改而没有显著变化。

Claims (21)

1.一种激光器，包括：
至少一个波长选择反射器，其包括垂直耦合到至少一个光子晶体谐振器的波导，所述波导和光子晶体谐振器被布置成提供在所述光子晶体谐振器的至少一个模式和所述波导的至少一个模式之间的波矢匹配；
光学增益介质，用于产生用于耦合到所述波导中的光，以及
在所述光学增益介质的端部处的反射器，所述反射器和所述光子晶体谐振器限定了激光腔，
其中，由所述光学增益介质产生的光被耦合到所述波导中并耦合到所述光子晶体谐振器中，并部分地反射回所述光学增益介质。
2.根据权利要求1所述的激光器，其中所述至少一个光子晶体谐振器是具有与所述波导的折射率不同折射率的材料。
3.根据权利要求2所述的激光器，其中所述至少一个光子晶体谐振器处于折射率nb的层中，并且所述装置还包括：折射率nc的阻挡层，其中nc<na并且nc<nb，以及折射率nd<nb的下部包层；其中所述谐振器层在所述阻挡层和所述下部包层之间，并且所述波导在所述阻挡层的顶部上并且与所述至少一个谐振器对准。
4.根据前述权利要求中任一项所述的激光器，其中所述波导承载单模或所述波导是多模的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的激光器，其中所述至少一个谐振器承载多个模式，其中至少一个腔体模式与至少一个传播通过所述波导的模式在空间上重叠，从而允许从所述波导到所述谐振器的光耦合。
6.根据前述权利要求中任一项所述的激光器，包括多个谐振器，每个谐振器在不同波长下可操作，以便提供多个不同的输出波长。
7.根据权利要求6所述的激光器，其中所述多个谐振器被耦合以允许四波混频或另一个参变过程，从而提供模式相位锁定机构。
8.根据前述权利要求中任一项所述的激光器，其中所述波导是玻璃、TRIPLEX或HYDEX波导，或聚合物波导或由氮氧化硅制成的波导或电介质波导。
9.根据前述权利要求中任一项所述的激光器，其中所述光子晶体具有孔的网络，形成由一组参数限定的规则晶格，并且其中选择所述参数以提供在所述谐振器的至少一个模式和所述波导的至少一个模式之间的波矢匹配。
10.根据权利要求10或8所述的激光器，其中所述光子晶体由氮化硅或III-V族半导体材料如磷化铟、砷化镓、氮化镓或磷化铟镓制成。
11.根据前述权利要求中任一项所述的激光器，其中调制器与每个谐振器相关联，所述调制器操作为改变其相关联谐振器的谐振波长。
12.根据权利要求11所述的激光器，其中所述调制器操作为在1-100千兆赫兹范围内的调制频率下调制所述激光器的输出。
13.根据权利要求11或12所述的激光器，包括用于将波长/频率调制转换为幅度调制的波长滤波器。
14.根据前述权利要求中任一项所述的激光器，其中所述光学增益介质具有宽带波长输出，例如50nm或更大，诸如100nm或更大。
15.根据前述权利要求中任一项所述的激光器，其中所述光学增益介质操作为电激励以引起光发射。
16.根据权利要求15所述的激光器，其中所述光学增益介质包括半导体光放大器。
17.根据前述权利要求中任一项所述的激光器，其中所述波导和所述波长选择器的至少一个光子晶体谐振器是单片集成的。
18.根据前述权利要求中任一项所述的激光器，包括光子晶体反射器阵列，每个光子晶体反射器使得其反射率随着入射功率的增加而降低。
19.根据前述权利要求中任一项所述的激光器，其中所述输出是从所述半导体光放大器的背刻面取得的。
20.一种用于组装前述权利要求中任一项所述的激光器的方法，包括将所述光学增益介质倒装芯片接合到所述波长选择器元件的波导。
21.一种用于组装权利要求1至19中任一项所述的激光器的方法，包括将所述波长选择器元件的波导倒装芯片接合到所述至少一个光子晶体谐振器。
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