CN107482475B - 可调激光源 - Google Patents

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Abstract

可调激光源。本发明涉及一种可调激光源，并且可以在具有功率监视器和波长锁定器功能的可调激光源中实现损耗降低和尺寸减小这两者。可调激光器由半导体光放大器和谐振器形成，并且由2×2型光分支器从可调激光器内的光的一部分分支的两个输出光束中的一个入射到光强监视器中，并且另一个入射到波长锁定器中。

Description

可调激光源
技术领域
本发明涉及一种可调激光源，并且涉及一种例如用于光通信的可调激光源。
背景技术
近年来，已经对于数字相干通信大力发展波长可在宽范围内变化且波长的线宽窄至100kHz或更少的可变波长光源(具体地为可调激光源：TLS)，数字相干通信的市场规模已经由于长距离、大容量光传输系统的扩展而扩大。作为这种可变波长光源的示例，可以引用可调激光器(tunable laser)，在该可调激光器中，组合由硅基材料形成以便具有波长过滤功能的硅平台与由化合物半导体(compound semiconductor)形成的半导体光放大器(SOA)。
图10是例示了传统可调激光源的构造的示意图。半导体光放大器71和谐振器72形成可调激光器70。谐振器72由光波导、环形谐振器以及环路镜(loop mirror)的组合形成，该光波导由被形成在SOI基板上的硅光子线(silicon photonic wire)制成。在这种情况下，半导体光放大器71在输出端侧上的劈开面(cleavage surface)和环路镜形成激光谐振器，使得从半导体光放大器71发出的光进入到谐振器72中，以便在特定波长被共振的情况下放大。所放大光的一部分从半导体光放大器71的一端输出，作为输出光。谐振器72中的环形谐振器受被设置在环形谐振器上的加热器等控制，使得可以调谐输出光的波长。
在可调激光源中必须控制输出功率和波长。为此，设置一种用于监视输出光的功率和波长的机制。通常，输出光的一部分被第一光分支器(分接头1(Tap 1))73分支，并且进一步被第二光分支器(分接头2)74分支，使得已经被第二光分支器74分支的两个束分别入射到功率监视器75和波长锁定器76中。在波长锁定器76检测到波长变化的情况下，其输出驱动被设置在谐振器72上的加热器，以便抵消波长波动。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国第2010/0316074号专利申请公开
专利文献2：美国第2003/0035449号专利申请公开
发明内容
图10中例示的传统构造在不同芯片中设置有可调激光器70、第一光分支器73、第二光分支器74、功率监视器75以及波长锁定器76，因此，模块尺寸大的这种问题出现。
因此，如图11所示，这些部件全部被集成在一个芯片上，使得可以使模块小型化。在这种情况下，虽然用于芯片的材料的示例是用于平面光波电路(planar lightwavecircuit)(PLC)的材料，但从小型化的观点期望使用硅。
同时，诸如InP的化合物半导体用于半导体光放大器71、功率监视器75以及波长锁定器76内的光电二极管(PD)，因此，半导体光放大器71和PD芯片可以被安装在SOI基板上，或者包括光分支器和谐振器的整体可以由化合物半导体形成，使得可以降低安装成本。
在光在芯片中被分支的情况下，如图12所示，可以将Y型分支设置到光波导，作为光分支器。从由半导体光放大器81和谐振器82组成的可调激光器80输出的光在第一Y形分支83和第二Y形分支84处的两级中分支，并且已经从第二Y形分支84分支的两个束分别入射到功率监视器85和波长锁定器86中。
在Y形分支对称的情况下，光被相等地分支，因此，对称Y形分支的使用允许从半导体光放大器81输出的四分之一功率分别入射到功率监视器85和波长锁定器86中。同时，从第一Y形分支83输出到外部的输出光的功率是从半导体光放大器81输出的功率的一半。
功率监视器85和波长锁定器86所需的光功率不是那么大，并且功率监视器85和波长锁定器86所需的功率不同。因此，从降低功耗的观点期望根据波长锁定器86和功率监视器85分别所需的光接收灵敏度而分别调整第一Y形分支83和第二Y形分支84的分支比，使得剩余被指定为输出光功率。
为了调整分支比，Y形分支波导可以非对称。然而，非对称Y形分支具有大损耗，并且分支被设置在两级中，损耗进一步更大的这种问题出现。在分支被设置在两级中的情况下，第二Y形分支84必须在第一级中分支的两个波导已经被足够分离到不干扰彼此的程度之后插入第二级中。因此，问题出现在于系统的尺寸增大。
本发明的目的是提供一种具有功率监视器和波长锁定器功能的可调激光源，其中，实现损耗降低和尺寸减小这两者。
一种可调激光源，该可调激光源包括：半导体光放大器；谐振器，该谐振器连同半导体光放大器一起形成可调激光器；2×2型光分支器，该2×2型光分支器与半导体光放大器和谐振器光学耦合，并且将可调激光器内的光的一部分分支成两个输出光束；光强监视器，来自由光分支器分支的两个输出光束中的一个输出光束进入到该光强监视器中；以及波长锁定器，来自由光分支器分支的两个输出光束中的另一个输出光束进入到该波长锁定器中。
根据本发明的一个方面，可以降低具有功率监视器和波长锁定器功能的可调激光源中的损耗并减小可调激光源的尺寸。
附图说明
图1是例示了根据本发明的实施方式的可调激光源的构造的示意图。
图2是例示了根据本发明的示例1的可调激光源的结构的示意图。
图3是例示了在Si光子平台上形成的谐振器的图。
图4是例示了用于根据本发明的示例1的可调激光源的SOA的示例的示意立体图。
图5是例示了用于根据本发明的示例1的可调激光源的波长锁定器的示例的构造的示意图。
图6是例示了根据本发明的示例2的可调激光源的构造的示意图。
图7是例示了根据本发明的示例3的可调激光源的构造的示意图。
图8是例示了根据本发明的示例4的可调激光源的构造的示意图。
图9是例示了根据本发明的示例5的可调激光源的构造的示意图。
图10是例示了传统可调激光源的构造的示意图。
图11是例示了集成部件的情况下的可调激光源的构造的示意图。
图12是例示了Y形分支用作光分支器的情况下的可调激光源的构造的示意图。
具体实施方式
参照图1，描述了根据本发明的实施方式的可调激光源。图1是例示了根据本发明的实施方式的可调激光源的构造的示意图。根据本发明实施方式的可调激光源具有半导体光放大器2和与半导体光放大器2形成可调激光器1的谐振器3。另外，可调激光源具有2×2型光分支器4，该2×2型光分支器分支从可调激光器1输出的光的一部分；光强监视器5，由光分支器4从输出光分支的两个束中的一个入射到该光强监视器5中；以及波长锁定器6，由光分支器4从输出光分支的两个束中的另一个入射到该波长锁定器6中。2×2(两个输入、两个输出)型光分支器4的使用使得可以使仅一级中的光分支器将光输入到功率监视器和波长锁定器中，因此可以降低系统的损耗并减小系统的尺寸。
波长锁定器6由具有干涉仪的波导形成，因此具有一定程度的损耗，并且由此期望使到波长锁定器6中的输入大于到光强监视器5中的输入。同时，谐振器3还具有光损耗，因此，从半导体光放大器2侧入射到光分支器4中的功率大于从谐振器3侧入射到光分支器4中的功率。因此，期望使入射到光强监视器5中的输出光为由光分支器分支的、来自谐振器3侧的输出光，并且期望使入射到波长锁定器6中的输出光为由光分支器4分支的、来自半导体光放大器2侧的输出光。
光分支器可以为定向耦合器、多模干涉(MMI)耦合器或交叉波导。在使用定向耦合器的情况下，可以降低损耗，并且在使用多模干涉(MMI)耦合器的情况下，可以减小波长特性的分支比。
为了小型化的目的，期望使谐振器3为由使用SOI基板的硅光子线形成的谐振器。在这种情况下，在层叠在硅层的顶部上的锗层中形成的锗光电二极管可以用作光强监视器。在使用SOI基板的情况下，由化合物半导体制成的半导体光放大器2被安装在被设置在SOI基板中的单晶硅基板的、已经被挖下(dug down)的部分中的区域中。
另选地，至少半导体光放大器2、谐振器3、光分支器4以及光强监视器5可以由III-V族化合物半导体(诸如，基于InGaAsP/InP的半导体)形成为单片器件，这可以降低安装成本。
虽然谐振器3可以具有任意结构，但谐振器3可以由三个光波导、被设置在三个光波导之间作为波长调节装置的环形谐振器以及被设置在最后一级中的光波导中作为光反射装置的环路镜形成。在这种情况下，期望将用于调节共振波长或相位的加热器设置到环状谐振器或光波导。
另外，波长锁定器6可以具有任意结构，并且一个示例是由半反射镜或分束器分支来自光分支器4的监视器输出使得一个方向上的输出由光电二极管来监视且另一个方向上的输出由另一个光电二极管通过标准具(etalon)接收。将由两个光电二极管检测到的输出进行比较，以检测波长的波动。
根据本发明的实施方式，2×2型光分支器4作为光分支器可以允许一个光分支器4获得要入射到光强监视器5中的光和要入射到波长锁定器6中的光。因此，可以实现可调激光源的小型化和损耗降低这两者。
示例1
接着，参照图2至图5描述根据本发明的示例1的可调激光源。图2是例示了根据本发明的示例1的可调激光源的结构的示意图，其中，可调激光器由被形成在使用SOI基板的Si光子平台10上的谐振器20和被设置有充当增益波导的MQW活性层的SOA 40形成。功率监视器50和波长锁定器60被设置在Si光子平台10上，并且通过定向耦合器30与可调激光器光学耦合，并且所有这些部件形成TLS芯片。
图3是例示了在Si光子平台上形成的谐振器的图，该谐振器被设置有：光波导21、23以及25，所述光波导21、23以及25由被夹在由SiO2制成的BOX层与由SiO2制成的上镀层(upper clad layer)之间的Si光子线形成；以及两个环状谐振器22和24，所述两个环状谐振器22和24具有不同的曲率半径，以获得用于选择波长的游标效应(Vernier effect)。另外，环路镜26被设置在光波导25的端部处，作为全反射镜。虽然没有特别限定Si光子线的尺寸，但这里厚度为250nm，并且宽度为500nm。
为了通过改变折射率执行波长调谐，两个环状谐振器22和24被设置有加热器27和28，并且沿着在直接在环路镜26前面的位置中的光波导25设置用于调整相位的加热器29。另外，沿着光波导21结合设置在附近的光波导31形成定向耦合器30。
图4是例示了用于根据本发明的示例1的可调激光源的SOA的示例的示意立体图，其中，n型InP镀层42、MQW活性层43、p型InP镀层44以及p型InGaAs接触层45顺序沉积在n型InP基板41上。接着，以条状形式蚀刻从p型InGaAs接触层45到n型InP基板41的多层的一部分，以便形成台面结构(mesa structure)，并且条状形式的该台面结构埋有Fe掺杂InP埋层46。n侧电极47被形成在n型InP基板41的后表面上，并且p侧电极48被设置在p型InGaAs接触层45上。MQW活性层43例如由厚度为5.1nm的六个GaInAsP井层和厚度为10nm的七个GaInAsP势垒层形成，这些层交替层叠。
虽然未示出，但抗反射涂层以作为SOA 40的输出平面的劈开平面(cleavageplane)和环路镜26形成可调激光器的谐振器的这种方式设置在SOA 40的进入平面上。SOA40被安装在已经从SOI基板中的单晶硅基板的一部分挖出的区域中。
图5是例示了用于根据本发明的示例1的可调激光源的波长锁定器的示例的构造的示意图。波长锁定器60由半反射镜61、用于监视光输出的光电二极管62、标准具滤波器63以及用于监视波长的光电二极管64形成。已经从定向耦合器30通过耦合波导31入射的监视光被半反射镜61分支成两部分。它们中的一个进入光电二极管61，以便监视光输出。另一个传输通过标准具滤波器63，然后进入光电二极管64。标准具滤波器63的波长传输特性具有周期性，因此，在从可调激光器输出的光的波长由于随着时间劣化而波动的情况下，由光电二极管64检测波长的变化。
由化合物半导体制成的光电二极管用于功率监视器50，该功率监视器50被安装在已经从SOI基板中的单晶硅基板的一部分挖出的区域中。这里，可以加宽在已经从由Si光子线制成的耦合波导31延伸的部分中的单晶硅层的宽度，并且可以在该部分的顶部上生长锗层，以便形成可以用作功率监视器50的锗光电二极管。Si光子平台10被安装在用于稳定元件温度的TEC(热电冷却器)上。
在本发明的示例1中，作为2×2型光分支器的定向耦合器用作光分支器，因此为了实现可调激光源的小型化和损耗的降低这两者仅需要使用一个光分支器。此外，定向耦合器与Y形分支相比具有更小的损耗，因此与现有技术相比可以降低损耗。
示例2
接着，参照图6描述根据本发明的示例2的可调激光源，其中，防止上述SOA与示例1中的谐振器之间的反射。图6是例示了根据本发明的示例2的可调激光源的构造的示意图。在示例2中，在光波导21的输出端侧上设置倾斜部2110，同时，SOA40中的MQW活性层43由相对于端面的法线倾斜7°角的倾斜波导431、弯曲波导432以及线性波导433形成。因此，可以防止SOA40的入射侧上的端面与光波导21的输出端之间的反射。
示例3
接着，参照图7描述根据本发明的示例3的可调激光源，其中，示例1中的上述Si光子平台利用化合物半导体基板101替换。图7是例示了根据本发明的示例2的可调激光源的构造的示意图。在示例3中，用于形成SOA401的多层结构用于以对接结构形成谐振器201、功率监视器501以及波长锁定器601。
在示例3中，仅标准具滤波器需要以混合方式来安装，因此，可以降低安装成本。同样在示例3中，SOA401和光波导211以与示例2中相同的方式具有倾斜结构。
示例4
接着，参照图8描述根据本发明的示例4的可调激光源，其中，示例1中的上述定向耦合器利用2×2MMI耦合器32替换。图8是例示了根据本发明的示例4的可调激光源的构造的示意图。在示例4中，以以下这种方式沿着光波导21设置2×2MMI耦合器32：功率监视器50连接到一个输出端口33，并且波长锁定器60连接到另一个输出端口34。
在示例4中，2×2MMI耦合器32用作光分支器，因此，在波长特性方面可以使得分支比更小。在示例4中，SOA 40和光波导21可以以与示例2中相同的方式具有倾斜结构，或者整体可以如示例3由化合物半导体制成。
示例5
接着，参照图9描述根据本发明的示例5的可调激光源，其中，示例1中的上述定向耦合器利用交叉波导35替换。图9是例示了根据本发明的示例5的可调激光源的构造的示意图。在示例5中，与光波导21交叉的光波导36被设置为充当光分支器的交叉波导35。功率监视器50连接到光波导36的一个端部，并且波长锁定器60连接到另一端部。
同样在示例5中，SOA 40和光波导21可以以与示例2中的相同方式具有倾斜结构，或者整体可以如示例3由化合物半导体制成。
符号说明
1 可调激光器
2 半导体光放大器
3 谐振器
4 光分支器
5 光强监视器
6 波长锁定器
10 Si光子平台
101 化合物半导体基板
20、201 谐振器
21、211、23、25 光波导
2110 倾斜部
22、24 环状谐振器
26 环路镜
27、28 加热器
29 用于调整相位的加热器
30、301 定向耦合器
31、311 耦合波导
32 2×2 MMI耦合器
33、34 输出端口
35 交叉波导
36 光波导
40、401 SOA
41 n型InP基板
42 n型InP镀层
43 MQW活性层
431 倾斜波导
432 弯曲波导
433 线性波导
44 p型InP镀层
45 p型InGaAs接触层
46 Fe掺杂InP埋层
47 n侧电极
48 p侧电极
50、501 功率监视器
60、601 波长锁定器
61 半反射镜
62、64 光电二极管
63 标准具滤波器
70、80 可调激光器
71、81 半导体光放大器
72、82 谐振器
73 第一光分支器
74 第二光分支器
75、85 功率监视器
76、86 波长锁定器
83 第一Y形分支
84 第二Y形分支

Claims (7)

1.一种可调激光源，该可调激光源包括：半导体光放大器；谐振器，该谐振器连同所述半导体光放大器一起形成可调激光器；2×2型光分支器，该2×2型光分支器与所述半导体光放大器和所述谐振器光学耦合，并且将所述可调激光器内的光的一部分分支成两个输出光束；光强监视器，来自由所述2×2型光分支器分支的所述两个输出光束中的一个输出光束进入到该光强监视器中；以及波长锁定器，来自由所述2×2型光分支器分支的所述两个输出光束中的另一个输出光束进入到该波长锁定器中；其中，入射到所述光强监视器中的所述输出光束是由所述2×2型光分支器分支的所述两个输出光束中的从所述谐振器侧输出的所述输出光束，并且入射到所述波长锁定器中的所述输出光束是由所述2×2型光分支器分支的所述两个输出光束中的从所述半导体光放大器侧输出的所述输出光束。
2.根据权利要求1所述的可调激光源，其中，所述2×2型光分支器是定向耦合器。
3.根据权利要求1所述的可调激光源，其中，所述2×2型光分支器是多模干涉耦合器。
4.根据权利要求1所述的可调激光源，其中，所述2×2型光分支器是交叉波导。
5.根据权利要求1所述的可调激光源，其中，所述谐振器由硅光子线形成。
6.根据权利要求5所述的可调激光源，其中，所述光强监视器具有层叠在硅层之上的锗层。
7.根据权利要求1所述的可调激光源，其中，至少所述半导体光放大器、所述谐振器、所述2×2型光分支器以及所述光强监视器由III-V族化合物半导体形成为单片器件。
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