CN108288818B - 基于半波耦合部分反射器的可调谐半导体激光器 - Google Patents

基于半波耦合部分反射器的可调谐半导体激光器 Download PDF

Info

Publication number
CN108288818B
CN108288818B CN201810113412.4A CN201810113412A CN108288818B CN 108288818 B CN108288818 B CN 108288818B CN 201810113412 A CN201810113412 A CN 201810113412A CN 108288818 B CN108288818 B CN 108288818B
Authority
CN
China
Prior art keywords
waveguide
partial reflector
electrode
semiconductor laser
resonant
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810113412.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108288818A (zh
Inventor
何建军
郭嘉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN201810113412.4A priority Critical patent/CN108288818B/zh
Priority to PCT/CN2018/084333 priority patent/WO2019148673A1/zh
Publication of CN108288818A publication Critical patent/CN108288818A/zh
Priority to US16/986,177 priority patent/US11342726B2/en
Application granted granted Critical
Publication of CN108288818B publication Critical patent/CN108288818B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1021—Coupled cavities
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/065—Mode locking; Mode suppression; Mode selection ; Self pulsating
    • H01S5/0651—Mode control
    • H01S5/0653—Mode suppression, e.g. specific multimode
    • H01S5/0654—Single longitudinal mode emission
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/0625—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes in multi-section lasers
    • H01S5/06255—Controlling the frequency of the radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1003—Waveguide having a modified shape along the axis, e.g. branched, curved, tapered, voids
    • H01S5/1014—Tapered waveguide, e.g. spotsize converter
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Abstract

本发明公开了一种基于半波耦合部分反射器的可调谐半导体激光器。包括两个谐振腔，一个谐振腔主要由光波导、第一部分反射器、第二部分反射器组成，另一个谐振腔主要由光波导、第一部分反射器、第二部分反射器组成；两个谐振腔沿同一直线排列并相互耦合，两个谐振腔中的两个第二部分反射器之间通过一个公共的耦合波导连接。本发明具有最佳的单模选择，发射波长可在一系列信道上切换，无需制作光栅，结构简单，在耦合器的设计上具有很高的自由度，制作容差大，可以实现大范围的数字式调谐。

Description

基于半波耦合部分反射器的可调谐半导体激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器，尤其是涉及一种基于半波耦合部分反射器的可调谐半导体激光器。
背景技术
波长可调谐激光器是波分复用技术中的一个关键技术，在城域网和远程光通信领域中也具有广泛的应用。随着光通信技术的快速发展，可调谐半导体激光器也在不断的向低成本、低功耗、小型化和集成化的方向发展。从实际应用出发，要求可调谐半导体激光器可大范围调谐，成本低廉，工作稳定，易于操作。
目前在光通讯领域中使用最为广泛的波长可调谐激光器有两种方案：一种是基于光栅的激光器，如分布反馈激光器(DFB)和分布反射光栅激光器(DBR)。这类激光器的制造中都需要制作光栅、刻蚀光栅、二次外延等步骤，大大增加了器件的成本。
另一种可调谐激光器的方案是利用两个长度相异的谐振腔之间的耦合来实现，其波长调谐范围可以利用Vernier效应显著增加。这种类型激光器的一种实现形式是基于调制光栅Y型(MG-Y)可调谐半导体激光器，被报道于"High-speed direct modulation ofwidely tunable MG-Y laser",IEEE Photonics Technology Letters,17(6)(2005):1157-1159.其结构示意如图1，这种MG-Y可调谐半导体激光器包含一个增益区，一个共同相位区，一个MMI耦合器，一个微分相位区以及两个光栅，结构十分复杂；该激光器实现单模稳定工作和波长调谐需要调节共同相位区、微分相位区和光栅上的注入电流，这种多电极协调的调谐算法十分复杂，不利于激光器驱动电路的设计和激光器高效批量化生产，而且高昂的成本阻止了应用的推广。
为了提供廉价的可调谐半导体激光器，何建军于2006年提出了一种基于V型腔结构的半导体激光器，详见“V型耦合腔波长可切换半导体激光器”，授权公告号：CN100463312B，其结构示意如图2。它通过两个长度相异的谐振腔之间的耦合来实现波长的调谐或者切换，通过优化两个谐振腔之间的耦合系数能够实现很高的边模抑制比，其波长调谐通过调节某一臂注入电流来实现，调节范围可以利用Vernier效应而显著增加。除此之外，这种激光器还具有工艺简单，成本低，波长切换方便，等方面的优势。但是对于这种激光器，其耦合腔的一端为部分反射结构，该结构制作质量的好坏直接影响激光器的单模特性，所以这种激光器对于设计和制作的要求均较高，在一定程度上影响了其成品率。此外，由于采用具有弯曲波导的V型波导结构，引入了一定损耗，且不利于和其它器件集成。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于半波耦合部分反射器的可调谐半导体激光器。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括两个谐振腔，一个谐振腔主要由光波导、第一部分反射器、第二部分反射器组成，另一个谐振腔主要由光波导、第一部分反射器、第二部分反射器组成；两个谐振腔沿同一直线排列并相互耦合，两个谐振腔中的两个第二部分反射器之间通过一个公共的耦合波导连接。
所述两个谐振腔的第二部分反射器均为具有固定分光比的分光器件，一部分光经反射回到自身谐振腔，一部分光经过耦合波导进入另一个谐振腔。
第一种实施方式是：所述两个谐振腔的第二部分反射器均由一个渐变锥形波导、两个45度转角镜和一个多模干涉器构成，一个渐变锥形波导、一个多模干涉器和由两个45度转角镜构成的转角镜组合沿同一直线布置，渐变锥形波导的一端与光波导连接，渐变锥形波导的另一端与多模干涉器的一端连接，多模干涉器的另一端与由两个并排连接布置的45度转角镜构成的转角镜组的一端连接，转角镜组的另一端与耦合波导连接；
通过渐变锥形波导和多模干涉器共同将从光波导传输来的光束扩宽并分成三部分，其中两侧的两部分光分别经两个45度转角镜反射回自身谐振腔的原光波导，另一部分光经耦合波导进入另一个谐振腔。进入另一个谐振腔后再依次经转角镜组、多模干涉器、渐变锥形波导、光波导、第一部分反射器。
第二种实施方式是：所述两个谐振腔的第二部分反射器均由一个渐变锥形波导和两个45度转角镜构成，一个渐变锥形波导和由两个45度转角镜构成的转角镜组合沿同一直线布置，渐变锥形波导的一端与光波导连接，渐变锥形波导的另一端与由两个并排连接布置的45度转角镜构成的转角镜组的一端连接，两个45度转角镜组合的另一端与耦合波导连接；
通过渐变锥形波导将从光波导传输来的光束扩宽并分成三部分，其中两侧的两部分光分别经两个45度转角镜反射回自身谐振腔的原光波导，另一部分光经耦合波导进入另一个谐振腔。进入另一个谐振腔后再依次经转角镜组、渐变锥形波导、光波导、第一部分反射器。
本发明中通过耦合波导连接两个特殊结构的谐振腔实现了一定的交叉耦合系数和180°奇数倍的耦合相位，使得激光器具有最佳的单模选择性。
所述的两个谐振腔具有不同的光学长度，使得两个谐振腔同时只有一个谐振频率在增益谱内重合，两个谐振腔均通过施加电流或电压改变有效折射率从而实现波长的调谐。通过改变一个谐振腔内部分波导的有效折射率可以使激光器的发射波长在一系列信道上切换。
具体实施中，将所述谐振腔中的光波导、第一部分反射器、第二部分反射器形成的总光学长度(考虑折射率)不同。
优选地，所述光波导光学长度(考虑折射率)不同。
所述的45度转角镜均为45°深刻蚀转角镜。
第一种电极布置方式是：一个谐振腔主要由光波导、第一部分反射器、第二部分反射器组成，另一个谐振腔主要由光波导、第一部分反射器、第二部分反射器组成；其中一个谐振腔的光波导和第二部分反射器上共设一个电极，另一个谐振腔的光波导和第二部分反射器上共设一个电极，对这两个电极施加电压或电流均提供增益，改变电压或电流均以改变所述半导体激光器的输出波长。
第二种电极布置方式是：一个谐振腔主要由光波导、第一部分反射器、第二部分反射器组成，另一个谐振腔主要由光波导、第一部分反射器、第二部分反射器组成；其中一个谐振腔的光波导和第二部分反射器上共设一个电极，另一个谐振腔的光波导和第二部分反射器上共设一个电极，对该两个电极施加电压或电流均提供增益，改变电压或电流均以改变所述半导体激光器的输出波长；
所述耦合波导上设置一个电极，改变该电极电压或电流均以改变两个谐振腔之间的耦合关系，进而调节所述半导体激光器的单模选择性。
第三种电极布置方式是：一个谐振腔主要由光波导、第一部分反射器、第二部分反射器组成，另一个谐振腔主要由光波导、第一部分反射器、第二部分反射器组成；两个谐振腔的第二部分反射器上共设一个电极，对该电极施加电压或电流均提供增益，对该电极电压或电流施加外调制信号以对所述半导体激光器进行调制；两个谐振腔的光波导的光学长度不同并且分别设一个电极作为调谐区电极，对其中一个调谐区电极施加电压或电流并调节而实现所述半导体激光器的输出波长在调谐范围内的数字式改变，对另一个调谐区电极施加电压或电流并调节而实现对所述半导体激光器的输出波长进行细调。
所述的两个谐振腔中的第一部分反射器采用一个深刻蚀空气槽或者通过解理端面形成。
通过设计部分反射器和中段耦合波导的尺寸可以使两个光学谐振腔之间满足一定的耦合关系，包括耦合强度关系和耦合相位关系，使激光器达到最佳的单模效果。
所述的第一个光学谐振腔其谐振频率对应一系列等间隔工作信道，所述第二个谐振腔具有不同的光学长度使得它在激光器材料的增益谱范围内只有一个谐振频率与第一个谐振腔的谐振频率重合。所述两个谐振腔中的光波导至少有一部分用来施加电压或电流使得它的有效折射率发生改变从而使得激光器的频率在一系列分立的工作信道上切换。
所述两个谐振腔耦合端的部分反射器均具有特定的透射率和反射率，透射光进入另一个谐振腔实现交叉耦合，反射光回到原谐振腔实现自耦合，为实现最佳单模特性，该器件应具有较低的损耗，且反射率应大于透射率。
所述两个耦合端的部分反射器和中段耦合波导组成激光器的耦合器，理论上该耦合器最好是一个半波耦合器，即交叉耦合和自耦合之间具有180°或其奇数倍的相位差，通过设计中段耦合波导的尺寸可以精确调节该相位差。
所述耦合端的部分反射器的一种实现方式是基于多模干涉和全内反射原理，每个部分反射器由一段渐变波导、一个多模干涉器、两个45度转角镜和一个耦合波导组成，光在多模干涉器内分为三束，中路光束通过中段耦合波导进入另一个谐振腔，上下两路光束经两个45度转角镜，通过两次全内反射回到原谐振腔。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
1、本发明无需制作光栅，使得制作工艺相对简单，降低了制作成本。
2、调谐时由于利用了谐振腔之间的游标效应，增大了激光器的调谐范围；从调谐控制机制上来讲，本发明提出的激光器只需要单电极调谐，波长控制上相对容易很多。
3、其耦合器的设计，参数选取具有更高的自由度，可以实现更精确的耦合关系，从而可以获得最佳的边模抑制比，具有较高的制作容差。
4、结构简单，易于与其他器件集成。
附图说明
图1是背景技术中基于调制光栅Y型(MG-Y)可调谐半导体激光器的结构示意图。
图2是背景技术中V型耦合腔波长可切换半导体激光器的结构示意图。
图3是本发明的一个实施方式示意图，(a)为其整体结构图，(b)为半波耦合部分反射器的结构放大图。
图4是两个谐振腔谐振频率位置关系示意图。
图5是不同归一化强度交叉耦合系数下激光器的各模式阈值。
图6是不同耦合相位下主边模阈值差和归一化强度交叉耦合系数的关系
图7是MMI耦合器原理示意图。
图8是本发明第1个实施例中使用的部分反射器结构示意图。
图9是本发明第1个实施例中使用的部分反射器输出端口强度分布与标准1×3、1×2MMI耦合器的对比示意图。
图10是本发明第1个实施例中使用的部分反射器透射率和反射率随多模干涉区长度的变化关系图。
图11是本发明第1个实施例中的使用的电极分布方式示意图。
图12是本发明第1个实施例实测单电极波长调谐效果图。
图13是本发明第1个实施例实测各信道光谱叠加图。
图14是本发明第2个实施例中的使用的电极分布方式示意图。
图15是本发明第2个实施例实测单电极波长调谐效果图。
图16是本发明第3个实施例中的使用的电极分布方式示意图。
图17是本发明第3个实施例实测边模抑制比随耦合波导电极电流的变化关系图。
图18是本发明第4个实施例中使用的半波耦合部分反射器结构示意图。
图19是本发明第4个实施例中使用的部分反射器透射率和反射率随渐变锥形波导长度的变化关系图。
图中：第一部分反射器101/201、光波导102/202、第二部分反射器103/203、耦合波导3、45度转角镜104/105/204/205、渐变锥形波导106/206、多模干涉器107/207、长腔电极108/109、短腔电极208/209、耦合腔电极4、耦合波导电极5。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明具体实施包括两个谐振腔，一个谐振腔主要由光波导102、第一部分反射器101、第二部分反射器103组成，另一个谐振腔主要由光波导202、第一部分反射器201、第二部分反射器203组成；两个谐振腔沿同一直线排列并相互耦合，两个谐振腔中的两个第二部分反射器103、203之间通过一个公共的耦合波导3连接。两个谐振腔的第二部分反射器103、203均为具有固定分光比的分光器件，一部分光经反射回到自身谐振腔，一部分光经过耦合波导3进入另一个谐振腔。
一种实施方式的第二部分反射器103/203均由一个渐变锥形波导106/206、两个45度转角镜104、105/204、205和一个多模干涉器107/207构成。另一种实施方式的第二部分反射器103/203仅由一个渐变锥形波导106/206和两个45度转角镜104、105/204、205构成。
具体实施中，将所述谐振腔中的光波导102/202、第一部分反射器101/201、第二部分反射器103/203形成的总光学长度(考虑折射率)不同。
其中第二部分反射器103、203和中间连接的耦合波导3构成了用于选模的半波耦合器，由于结构上的对称性，第一反射器101、201均可以作为激光器的输出端口。
所述两段光波导102和202、部分反射器中多模干涉器107和207、渐变锥形波导106和206均采用浅刻蚀工艺，只有在所述的第一部分反射器101、201为深刻蚀反射面时和45°转角镜104、105、204和205处使用深刻蚀工艺。
本发明实施原理如下：
根据具体的设计要求，设定第一谐振腔中，光波导102长度为L11，有效折射率为n11，设定第二部分反射器103的长度为L12，有效折射率为n12，这两个结构组成了激光器的一个谐振腔，该谐振腔的谐振频率间隔△f为：
同样的，第一部分反射器201、光波导202和第二部分反射器203组成第二谐振腔，其谐振频率间隔△f'为：
其中，L21为第二谐振腔中光波导202长度，n21为其有效折射率，L22为第二谐振腔中第二部分反射器203的长度，n22为其有效折射率。一般在设计时，两段谐振腔的等效光学长度略有差别，所以其谐振频率间隔也会有微小的差别，这使得在工作物质的增益谱内，两者只有一个峰恰好重合(如图4所示)。两个谐振腔相邻的互相重合的谐振峰之间的间隔即为组合腔的自由光谱范围(FSR)，其大小为：
由此，本发明通过改变其中一段波导的折射率，改变其谐振频率，从而使两个谐振腔的重合频率改变，激光器的工作频率跳变一个信道。由于激光器的工作频率为两个谐振腔的重合频率，因此一个较小的频率变化就会导致激光器工作频率跳变一个信道，这样就显著增加了激光器工作波长的调节范围。
对于本发明的耦合腔激光器，从阈值方程分析其单模特性。
对于两个谐振腔，假设从波导102耦合到波导202、波导102返回到波导102、波导202耦合到波导102、波导202返回波导202的振幅耦合系数分别记为C12、C11、C21和C22，由于结构上的对称性，C12＝C21，假设耦合中没有损耗，则有|C11|2+|C12|2＝1，|C22|2+|C21 2＝1，假设第一部分反射器101、201的反射率分别为r1、r2，则激光器的阈值工作条件可表示为：
式中，k和g为光波导102的传播常数和增益系数，k’和g’为光波导202的传播常数和增益系数，i为虚数单位，L为第一谐振腔的光学长度，L’为第二谐振腔的光学长度。
为了说明耦合系数的影响，采用以下公式计算归一化强度交叉耦合系数：
假设n＝n’＝3.215，L＝466μm，L’＝518.31μm，r1＝r2＝0.823，则在1550nm附近，归一化强度交叉耦合系数分别为0.1和0.5时，各个模式的阈值增益G如图5所示，当归一化强度交叉耦合系数为0.1时，阈值最低的模式出现在两个腔谐振峰重合的1550nm处，与两边阈值次低的模式之间的阈值差异约为7.2cm-1，但是当归一化强度交叉耦合系数为0.5时，两个模式的阈值差仅为1.2cm-1。所以在本发明中归一化强度交叉耦合系数一般应小于0.1。
除了强度耦合系数外，交叉耦合与自耦合间的相位差同样对激光器的单模选择性有重要影响。理论上，对于此类双耦合腔选模的激光器，其耦合器最好是一个半波耦合器，即耦合相位为180°或其奇数倍，图6为不同耦合相位下主边模阈值差和归一化强度交叉耦合系数的关系，当耦合相位偏离最佳耦合相位时，激光器的最大主模边模阈值差异将会随之减小。
所述半波耦合器的作用是控制两个谐振腔的相互耦合关系，其中，第二部分反射器103、203可精确控制交叉耦合和自耦合之间的强度关系，中段耦合波导3可精确控制两个谐振腔之间的耦合相位差，因此在设计上具有更高的自由度，可实现最佳的单模输出特性。
一个实施例中可以控制交叉耦合关系的第二部分反射器103、203是通过一个与两个45°全内反射深刻蚀面转角镜相连的多模干涉(multimode interference，MMI)耦合器实现的。多模干涉耦合器的基本原理是多模波导中各阶模的干涉形成的自映像效应，即在多模波导中，多个导模互相干涉，沿着波导的传播方向，在周期性的间隔处会出现输入场的一个或多个复制的映像。MMI耦合器可以实现分光比可调的分束器。如图7所示为一个典型1×3MMI功分器，由输入单模波导、多模干涉区和输出单模波导三部分组成。使用模式传输分析方法(MPA)可以获得不同位置处的光场分布。
设多模干涉区宽度为Wmmi，长度为Lmmi，在干涉区中，各导模的有效宽度可以近似为基模的有效宽度Wev,对于TE模式，有：
其中，nr为波导芯层的有效折射率，nc为波导包层的有效折射率，λ为工作波长。
可得基模和一阶模的拍长：
当输入波导位于多模干涉区的中心输入时，在传播方向处，可以得到N个输入光场的像，第i个像的成像位置xi及相位/>为：
式中，j＝1,2,…N，j表示输入光场的像的序数，N表示输入光场的像的总数。为了实现一部分光反射回原谐振腔(自耦合)，一部分耦合进入另一个谐振腔(交叉耦合)，本发明基于MMI耦合器原理进行了一些变化，图8是其中的一种实现方式：输入波导102与该谐振腔的光波导相连，MMI耦合器的中间输出端口3通过中段耦合波导与另一个谐振腔的MMI耦合器相连，MMI耦合器的上下两路端口转变为反射结构将光反射回原谐振腔，本实施例中使用45°深刻蚀全反射转角镜实现，上端口光先后经过转角镜104、转角镜105两次全反射，从转角镜105返回；下端口光先后经过转角镜105、转角镜104两次全反射，从转角镜104返回，两束光经过多模干涉区后耦合进入输入波导102。
在实际设计中，为得到最佳的单模效果，自耦合强度一般要大于交叉耦合强度，所以实际设计的MMI耦合器长度一般介于1×3MMI耦合器和1×2MMI耦合器之间，使三个端口的分光比不同，即通过转角镜104、105的反射光较强，通过端口3的透射光较弱。使用光束传输方法(BPM)或有限差分方法(FDTD)仿真结果表明，该结构可以实现任意的自耦合和交叉耦合强度比例，图9为使用FDTD算法仿真得出的不同多模干涉区长度下输出端面的场强分布情况，Lmmi1为优化后的长度，Lmmi2和Lmmi3分别对应1×3MMI耦合器和1×2MMI耦合器多模干涉区长度，Lmmi2<Lmmi1<Lmmi3。
图10为使用FDTD算法仿真得出的在输出波导宽度Wout＝3μm下该结构的透射率和反射率随多模干涉区长度Lmmi的变化关系。在图示的Lmmi取值范围内，透射率和反射率随Lmmi变化较小，Lmmi改变1μm，透射率和反射率的变化均小于0.01。由于在实际制作中，该结构的主要制作误差来源于套刻不准引起的多模干涉区长度的变化，而这一变化对耦合器性能的影响较小，因此该结构具有较高的制作容差。
本发明所述的各区域中应至少有一段有源量子阱区，对其注入电流以提供光增益，两段直波导中应至少有一段区域可以注入电流改变其材料的折射率，从而实现波长调谐。图11为第1实施例中使用的电极分配方式，电极108、电极208分别为长腔电极和短腔电极，改变其电流可以实现不同方向的波长调谐，电极4为耦合腔电极，主要用于提供增益，并通过微调其电流，改变耦合器的折射率，从而优化激光器的单模性。
本发明具体实施例如下：
实施例1
如图3(a)和图3(b)所示，一个谐振腔主要由光波导102、第一部分反射器101、第二部分反射器103组成，另一个谐振腔主要由光波导202、第一部分反射器201、第二部分反射器203组成。
两个谐振腔中，第二部分反射器103/203均由一个渐变锥形波导106/206、两个45度转角镜104、105/204、205和一个多模干涉器107/207构成，一个渐变锥形波导106/206、一个多模干涉器107/207和由两个45度转角镜104、105/204、205构成的转角镜组合沿同一直线布置，渐变锥形波导106/206的一端与光波导102/202连接，渐变锥形波导106/206的另一端与多模干涉器107/207的一端连接，多模干涉器(107/207)的另一端与由两个并排连接布置的45度转角镜(104、105/204、205)构成的转角镜组合的一端连接，两个45度转角镜(104、105/204、205)组合的另一端与耦合波导(3)连接。
通过渐变锥形波导106/206和多模干涉器107/207共同将从光波导102/202传输来的光束扩宽并分成三部分，其中两侧的两部分光分别经两个45度转角镜104、105/204、205反射回自身谐振腔的原光波导102/202，另一部分光经耦合波导3进入另一个谐振腔。进入另一个谐振腔后再依次经过两个45度转角镜组合204、205/104、105、多模干涉器207/107、渐变锥形波导206/106、光波导202/102、第一部分反射器201/101。
谐振腔的电极布置如图11所示，两个谐振腔的第二部分反射器103、203上共设一个电极4，对该电极施加电压或电流均可以提供增益，对电压或电流施加外调制信号可以对所述半导体激光器进行调制。
两个谐振腔的光波导102、202的光学长度不同并且分别设一个电极108、208作为调谐区电极，对其中一个调谐区电极施加电压或电流并调节而实现所述半导体激光器的数字式波长调谐范围的改变，对另一个调谐区电极施加电压或电流并调节而实现对所述半导体激光器的输出波长进行细调。
由此搭建形成的半导体激光器的实测调谐效果如图12所示，仅扫描一个电极即可实现大范围数字式调谐效果。
本实施例器件采用图11的电极分配方式，谐振腔长度设计为100GHz信道间隔，两个谐振腔长度差为5％，调节长腔电极108上的电流，当电流从30mA到130mA变化，波长有规律地从1538.0nm到1564.4nm切换，实现了34个信道约27nm范围内的数字式调谐，即实现了半导体激光器大范围的波长调谐。实测各信道光谱叠加如图13所示，共有34个信道数，所有信道的SMSR均在35dB以上，最佳信道的SMSR可达40dB以上。由此可见，本实施例能够更好的边模抑制比。
实施例2
如图3(a)和图3(b)所示，一个谐振腔主要由光波导102、第一部分反射器101、第二部分反射器103组成，另一个谐振腔主要由光波导202、第一部分反射器201、第二部分反射器203组成。
两个谐振腔中，第二部分反射器103/203均由一个渐变锥形波导106/206、两个45度转角镜104、105/204、205和一个多模干涉器107/207构成，一个渐变锥形波导106/206、一个多模干涉器107/207和由两个45度转角镜104、105/204、205构成的转角镜组合沿同一直线布置，渐变锥形波导106/206的一端与光波导102/202连接，渐变锥形波导106/206的另一端与多模干涉器107/207的一端连接，多模干涉器(107/207)的另一端与由两个并排连接布置的45度转角镜(104、105/204、205)构成的转角镜组合的一端连接，两个45度转角镜(104、105/204、205)组合的另一端与耦合波导(3)连接。
通过渐变锥形波导106/206和多模干涉器107/207共同将从光波导102/202传输来的光束扩宽并分成三部分，其中两侧的两部分光分别经两个45度转角镜104、105/204、205反射回自身谐振腔的原光波导102/202，另一部分光经耦合波导3进入另一个谐振腔。进入另一个谐振腔后再依次经过两个45度转角镜组合204、205/104、105、多模干涉器207/107、渐变锥形波导206/106、光波导202/102、第一部分反射器201/101。
谐振腔的电极布置如图14所示，其中一个谐振腔的光波导102和第二部分反射器103上共设一个电极109，另一个谐振腔的光波导202和第二部分反射器203上共设一个电极209，对这两个电极施加电压或电流均可以提供增益，改变电压或电流均可以改变所述半导体激光器的输出波长。
由此搭建形成的半导体激光器的实测调谐效果如图15所示，由于该布置方式下改变单个电极的电流可以改变更大范围内谐振腔的折射率，所以扫描一个电极可以实现更大范围的数字式调谐效果。
本实施例中的谐振腔长度设计为100GHz信道间隔，两个谐振腔长度差为5％，调节电极109上的电流，当电流从50mA到200mA变化，波长有规律地从1539.3nm到1570.6nm切换，实现了40个信道约31nm范围内的数字式调谐，即实现了半导体激光器在更大范围波长调谐。
实施例3
如图3(a)和图3(b)所示，一个谐振腔主要由光波导102、第一部分反射器101、第二部分反射器103组成，另一个谐振腔主要由光波导202、第一部分反射器201、第二部分反射器203组成。
两个谐振腔中，第二部分反射器103/203均由一个渐变锥形波导106/206、两个45度转角镜104、105/204、205和一个多模干涉器107/207构成，一个渐变锥形波导106/206、一个多模干涉器107/207和由两个45度转角镜104、105/204、205构成的转角镜组合沿同一直线布置，渐变锥形波导106/206的一端与光波导102/202连接，渐变锥形波导106/206的另一端与多模干涉器107/207的一端连接，多模干涉器(107/207)的另一端与由两个并排连接布置的45度转角镜(104、105/204、205)构成的转角镜组合的一端连接，两个45度转角镜(104、105/204、205)组合的另一端与耦合波导(3)连接。
通过渐变锥形波导106/206和多模干涉器107/207共同将从光波导102/202传输来的光束扩宽并分成三部分，其中两侧的两部分光分别经两个45度转角镜104、105/204、205反射回自身谐振腔的原光波导102/202，另一部分光经耦合波导3进入另一个谐振腔。进入另一个谐振腔后再依次经过两个45度转角镜组合204、205/104、105、多模干涉器207/107、渐变锥形波导206/106、光波导202/102、第一部分反射器201/101。
谐振腔的电极布置如图16所示，其中一个谐振腔的光波导102和第二部分反射器103上共设一个电极109，另一个谐振腔的光波导202和第二部分反射器203上共设一个电极209，对这两个电极施加电压或电流均可以提供增益，改变电压或电流均可以改变所述半导体激光器的输出波长。
耦合波导(3)上设有一个电极5，调节该电极电压或电流可以改变两个谐振腔之间的耦合关系，进而调节所述半导体激光器的单模选择性。
由此搭建形成的半导体激光器的实测单电极调谐效果与实施例2相同。特别地，固定电极109和209的电流使所述半导体激光器工作在一个输出信道下，调节耦合波导电极5的电流，该信道的边模抑制比的变化如图17所示，当电极5电流为14mA时，该信道实现37.5dB的最佳边模抑制比。
实施例4
如图3(a)所示，一个谐振腔主要由光波导102、第一部分反射器101、第二部分反射器103组成，另一个谐振腔主要由光波导202、第一部分反射器201、第二部分反射器203组成。
该实施例中，半波耦合部分反射器的结构如图18所示。两个谐振腔中，第二部分反射器103/203均由一个渐变锥形波导106/206、两个45度转角镜104、105/204、205构成，一个渐变锥形波导106/206和由两个45度转角镜104、105/204、205构成的转角镜组合沿同一直线布置，渐变锥形波导106/206的一端与光波导102/202连接，渐变锥形波导106/206的另一端与两个并排连接布置的45度转角镜104、105/204、205的一端连接，两个45度转角镜104、105/204、205的另一端与耦合波导3连接。
通过渐变锥形波导106/206将从光波导102/202传输来的光束扩宽并分成三部分，其中两侧的两部分光分别经两个45度转角镜104、105/204、205反射回自身谐振腔的原光波导102/202，另一部分光经耦合波导3进入另一个谐振腔。进入另一个谐振腔后再依次经两个45度转角镜组合204、205/104、105、渐变锥形波导206/106、光波导202/102、第一部分反射器201/101。
图19为对第二部分反射器103/203使用FDTD算法仿真得出的在输出波导宽度Wout＝1μm下该结构的透射率和反射率随渐变波导长度Ltaper的变化关系。该结构同样可以实现特定的透射率和反射率，且透射率和反射率随渐变波导长度的波动更小，具有更高的制作容差。
以上措施为描述性质的，任何与其精神相似的方案都属于专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于半波耦合部分反射器的半导体激光器，其特征在于：包括两个谐振腔，一个谐振腔主要由光波导（102）、第一部分反射器（101）、第二部分反射器（103）组成，另一个谐振腔主要由光波导（202）、第一部分反射器（201）、第二部分反射器（203）组成；两个谐振腔沿同一直线排列并相互耦合，两个谐振腔中的两个第二部分反射器（103、203）之间通过一个公共的耦合波导（3）连接；
所述两个谐振腔的第二部分反射器（103/203）为以下的其中一种：
第一种所述两个谐振腔的第二部分反射器（103/203）均由一个渐变锥形波导（106/206）、两个45度转角镜（104、105/204、205）和一个多模干涉器（107/207）构成，渐变锥形波导（106/206）的一端与光波导（102/202）连接，渐变锥形波导（106/206）的另一端与多模干涉器（107/207）的一端连接，多模干涉器（107/207）的另一端与由两个并排连接布置的45度转角镜（104、105/204、205）构成的转角镜组的一端连接，转角镜组的另一端与耦合波导（3）连接；通过渐变锥形波导（106/206）和多模干涉器（107/207）共同将从光波导（102/202）传输来的光束扩宽并分成三部分，其中两侧的两部分光分别经两个45度转角镜（104、105/204、205）反射回自身谐振腔的原光波导（102/202），另一部分光经耦合波导（3）进入另一个谐振腔；
第二种所述两个谐振腔的第二部分反射器（103/203）均由一个渐变锥形波导（106/206）和两个45度转角镜（104、105/204、205）构成，渐变锥形波导（106/206）的一端与光波导（102/202）连接，渐变锥形波导（106/206）的另一端与由两个并排连接布置的45度转角镜（104、105/204、205）构成的转角镜组的一端连接，两个45度转角镜（104、105/204、205）组合的另一端与耦合波导（3）连接；通过渐变锥形波导（106/206）将从光波导（102/202）传输来的光束扩宽并分成三部分，其中两侧的两部分光分别经两个45度转角镜（104、105/204、205）反射回自身谐振腔的原光波导（102/202），另一部分光经耦合波导（3）进入另一个谐振腔。
2.根据权利要求1所述的一种基于半波耦合部分反射器的半导体激光器，其特征在于：所述两个谐振腔的第二部分反射器（103、203）均为具有固定分光比的分光器件，一部分光经反射回到自身谐振腔，一部分光经过耦合波导（3）进入另一个谐振腔。
3.根据权利要求1~2任一所述的一种基于半波耦合部分反射器的半导体激光器，其特征在于：所述的两个谐振腔具有不同的光学长度，使得两个谐振腔同时只有一个谐振频率在增益谱内重合，两个谐振腔均通过施加电流或电压改变有效折射率从而实现波长的调谐。
4.根据权利要求1所述的一种基于半波耦合部分反射器的半导体激光器，其特征在于：其中一个谐振腔的光波导（102）和第二部分反射器（103）上共设一个电极，另一个谐振腔的光波导（202）和第二部分反射器（203）上共设一个电极，对这两个电极施加电压或电流均提供增益，改变电压或电流均以改变所述半导体激光器的输出波长。
5.根据权利要求1所述的一种基于半波耦合部分反射器的半导体激光器，其特征在于：其中一个谐振腔的光波导（102）和第二部分反射器（103）上共设一个电极，另一个谐振腔的光波导（202）和第二部分反射器（203）上共设一个电极，对该两个电极施加电压或电流均提供增益，改变电压或电流均以改变所述半导体激光器的输出波长；所述耦合波导（3）上设置一个电极，改变该电极电压或电流均以改变两个谐振腔之间的耦合关系，进而调节所述半导体激光器的单模选择性。
6.根据权利要求1所述的一种基于半波耦合部分反射器的半导体激光器，其特征在于：两个谐振腔的第二部分反射器（103、203）上共设一个电极，对该电极施加电压或电流均提供增益，对该电极电压或电流施加外调制信号以对所述半导体激光器进行调制；两个谐振腔的光波导（102、202）的光学长度不同并且分别设一个电极作为调谐区电极，对其中一个调谐区电极施加电压或电流并调节而实现所述半导体激光器的输出波长在调谐范围内的数字式改变，对另一个调谐区电极施加电压或电流并调节而实现对所述半导体激光器的输出波长进行细调。
7.根据权利要求1所述的一种基于半波耦合部分反射器的半导体激光器，其特征在于：所述的两个谐振腔中的第一部分反射器（101/201）采用一个深刻蚀空气槽或者通过解理端面形成。
CN201810113412.4A 2018-02-05 2018-02-05 基于半波耦合部分反射器的可调谐半导体激光器 Active CN108288818B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810113412.4A CN108288818B (zh) 2018-02-05 2018-02-05 基于半波耦合部分反射器的可调谐半导体激光器
PCT/CN2018/084333 WO2019148673A1 (zh) 2018-02-05 2018-04-25 基于半波耦合部分反射器的可调谐半导体激光器
US16/986,177 US11342726B2 (en) 2018-02-05 2020-08-05 Tunable semiconductor laser based on half-wave coupled partial reflectors

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810113412.4A CN108288818B (zh) 2018-02-05 2018-02-05 基于半波耦合部分反射器的可调谐半导体激光器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108288818A CN108288818A (zh) 2018-07-17
CN108288818B true CN108288818B (zh) 2023-08-01

Family

ID=62836499

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810113412.4A Active CN108288818B (zh) 2018-02-05 2018-02-05 基于半波耦合部分反射器的可调谐半导体激光器

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11342726B2 (zh)
CN (1) CN108288818B (zh)
WO (1) WO2019148673A1 (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113644543B (zh) * 2020-04-26 2022-11-18 华为技术有限公司 一种波长可调谐的半导体激光器
CN113540725B (zh) * 2021-09-16 2021-12-17 成都雷电微力科技股份有限公司 一种具有滤波特性的波导耦合器
CN113866881B (zh) * 2021-09-18 2022-07-05 华中科技大学 一种模斑转换器
JP7442754B1 (ja) 2023-05-15 2024-03-04 三菱電機株式会社 光半導体素子

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB0608052D0 (en) * 2006-04-25 2006-05-31 He Jian Jun Q-modulated semiconductor laser
CN1949607A (zh) * 2006-11-09 2007-04-18 何建军 V型耦合腔波长可切换半导体激光器

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5185752A (en) * 1992-02-18 1993-02-09 Spectra Diode Laboratories, Inc. Coupling arrangements for frequency-doubled diode lasers
US6075799A (en) * 1996-08-28 2000-06-13 Canon Kabushiki Kaisha Polarization selective semiconductor laser, optical transmitter using the same, optical communication system using the same and fabrication method of the same
GB0201950D0 (en) * 2002-01-29 2002-03-13 Qinetiq Ltd Multimode interference optical waveguide device
US20050249256A1 (en) * 2004-05-10 2005-11-10 Lightip Technologies Inc. Wavelength switchable semiconductor laser
CA2521731A1 (en) 2005-05-09 2006-11-09 Jian-Jun He Wavelength switchable semiconductor laser
CA2537358A1 (en) * 2005-10-11 2007-04-11 Jian-Jun He V-coupled-cavity semiconductor laser
US7738527B2 (en) * 2005-12-30 2010-06-15 Jian-Jun He Wavelength switchable semiconductor laser using half-wave coupled active double-ring resonator
CN101343253B (zh) 2008-06-24 2011-03-16 陕西师范大学 2-氨基-4,5-二芳基嘧啶类化合物及其制备方法和药物用途
CN101593931B (zh) * 2009-06-25 2011-01-05 浙江大学 一种波长可以无跳模调谐的半导体激光器
CN101859981A (zh) * 2010-06-08 2010-10-13 浙江大学 单片集成串联耦合腔波长可切换半导体激光器
CN102545043B (zh) * 2012-01-06 2013-03-13 浙江大学 利用全内反射多边形谐振腔选模的半导体激光器
CN103259187B (zh) * 2013-05-20 2016-01-13 浙江大学 基于片上加热电阻波长调谐的v型耦合腔半导体激光器
GB2522410A (en) * 2014-01-20 2015-07-29 Rockley Photonics Ltd Tunable SOI laser
WO2016176364A1 (en) * 2015-04-30 2016-11-03 Apple Inc. Vernier effect dbr lasers incorporating integrated tuning elements
CN208062487U (zh) * 2018-02-05 2018-11-06 浙江大学 一种基于半波耦合部分反射器的可调谐半导体激光器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB0608052D0 (en) * 2006-04-25 2006-05-31 He Jian Jun Q-modulated semiconductor laser
CN1949607A (zh) * 2006-11-09 2007-04-18 何建军 V型耦合腔波长可切换半导体激光器

Also Published As

Publication number Publication date
WO2019148673A1 (zh) 2019-08-08
US20200366061A1 (en) 2020-11-19
CN108288818A (zh) 2018-07-17
US11342726B2 (en) 2022-05-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7738527B2 (en) Wavelength switchable semiconductor laser using half-wave coupled active double-ring resonator
CN108288818B (zh) 基于半波耦合部分反射器的可调谐半导体激光器
US20170353001A1 (en) Tunable laser
EP0314490B1 (en) Semiconductor laser
US8451872B2 (en) Wavelength tunable filter and wavelength tunable laser module
KR100916311B1 (ko) 이중 결합 링 공진기를 이용한 파장 가변 레이저 다이오드
CN100463312C (zh) V型耦合腔波长可切换半导体激光器
US7151876B2 (en) Optical resonator
US20200067276A1 (en) External cavity laser
GB2448162A (en) Tunable semiconductor laser
JP7060395B2 (ja) 波長可変レーザ素子
CN208062487U (zh) 一种基于半波耦合部分反射器的可调谐半导体激光器
US20050243882A1 (en) Dual-wavelength semiconductor laser
US7027476B2 (en) Tunable semiconductor lasers
CN111342342A (zh) 集成迈克尔逊干涉仪-双程放大器的iii-v/硅基端面耦合外腔激光器
JP5001239B2 (ja) 半導体波長可変レーザ
US20220376475A1 (en) Wavelength control of multi-wavelength laser
Chen et al. Improved half-wave coupled V-cavity laser using aggregating-image multimode interference coupler
US20050226283A1 (en) Single-mode semiconductor laser with integrated optical waveguide filter
US8379300B2 (en) Wavelength-variable light source with dual resonator loop circuit
JPH02114691A (ja) 半導体レーザーの外部共振器
JPWO2005060058A1 (ja) 半導体レーザーおよびその製造方法
JP7189431B2 (ja) 波長可変レーザ
US20230089696A1 (en) Optical filter and wavelength tunable laser element
JP2019091780A (ja) 半導体光素子

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant