CN108879309B - 用于可调激光器的反射镜结构和可调激光器 - Google Patents

用于可调激光器的反射镜结构和可调激光器 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种用于可调激光器的反射镜结构和可调激光器，该反射镜结构采用超结构光栅作为反射镜，并在该超结构光栅所在区域的周围形成悬空结构，利用悬空结构在超结构光栅所在区域周围形成热隔离，提高热阻，减少了热量流失，使得热量集中在超结构光栅所在区域，从而能够提高反射镜结构的热调谐效率，有利于降低可调激光器的整体功耗。同时，通过在该悬空结构两侧设置侧向支撑结构，为悬空结构提供机械支撑。另外，使得悬空结构同一侧的任意两个侧向支撑结构在超结构光栅中对应的区域落在超结构光栅的空间周期中的不同位置，在热调谐时有助于避免超结构光栅的反射谱的平坦性恶化，从而有助于避免可调激光器性能的恶化。

Description

用于可调激光器的反射镜结构和可调激光器
技术领域
本申请涉及激光器领域，并且更具体地，涉及用于可调激光器的反射镜结构和可调激光器。
背景技术
在光通信领域，可调激光器(Tunable Laser，TL)是指输出波长可在一定范围内进行调节的激光器。单片集成可调激光器具有体积小、集成度高等优点，因此成为当前光通信领域的主流技术。
以单片集成Y分支型可调激光器为例，如图1所示，单片集成Y分支型可调激光器由增益区、相位区、多模干涉(Multi-mode Interferometer,MMI)耦合器、反射镜结构1和反射镜结构2组成。有源增益区一般为多量子阱(Multiple Quantum Well，MQW)，当受到电注入时，将电能转化为光能，从而提供增益。反射镜结构1和反射镜结构2的反射谱对波长具有选择性，用来进行波长调谐。反射镜结构中常用的反射镜可以为分布布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflection，DBR)或者微环。Y分支型单片集成可调激光器对波长进行调节，本质上就是调节反射镜或者相位区光波导的折射率，对光波导折射率进行调节的原理主要有量子限制斯塔克效应(Quantum Confined Stark Effect，QCSE)、电流注入和热调谐，其中QCSE效应对折射率的改变量相对较小，在激光器中应用较少；电流注入对折射率改变量大，且瞬态响应非常快(纳秒级)，被广泛应用，但电流注入会引入很大的波导损耗，导致激光器的激射线宽为兆赫兹级别，不能满足相干光通信系统的要求；热调谐通过改变材料的温度效应来改变折射率，虽然响应速率比电流注入慢，但其调谐损耗相对电流注入要小很多，可以实现小于400千赫兹(kHz)的线宽，从而满足相干光通信系统的要求。然而，对于相同的波长调谐范围，电流注入调谐比热调谐功耗要小很多，比如对于DBR反射镜的反射谱调谐6nm，热调谐组件的功耗(如大于100毫瓦(mW))可以远超基于电流的调谐组件的功耗(约15mW)。综上，与电流注入调谐相比，热调谐的优点在于可以获得更窄的激光器线宽，而缺点在于调谐组件的功耗过大。
热调谐是通过在反射镜结构中的反射镜区域放置加热器(一般为加热电阻)来实现的。通过调节加热器的功率，就可以改变加热器的温度，从而改变反射镜区域的温度，最终通过温度效应改变反射镜区域的折射率来调节反射镜的反射主峰的波长位置。为了调节相同的波长范围，可调激光器中的热调谐组件的功耗越小，意味着调谐组件的热调节效率更高，激光器的整体功耗也就越低。
因此，如何降低热调谐组件的功耗成为需要解决的问题。
发明内容
本申请提供一种用于可调激光器的反射镜和可调激光器，能够降低可调激光器的整体功耗。
第一方面，提供了一种用于可调激光器的反射镜结构，该反射镜结构包括：
从下至上依次堆叠的衬底层、支撑层、下包层、波导层、上包层和加热器层；
所述反射镜结构还包括超结构光栅，所述超结构光栅沿着光在所述波导层中的传播方向设置在所述上包层与所述下包层之间，所述加热器层位于所述上包层的上表面上与所述超结构光栅正对的区域；
所述支撑层包括第一子支撑层和第二子支撑层，所述第一子支撑层和所述第二子支撑层沿着光在所述波导层中的传播方向位于所述衬底层的上表面的两侧，所述衬底层、所述第一子支撑层、第二子支撑层和所述下包层之间形成沿着光在所述波导层中的传播方向延伸的空间，沿着光在所述波导层中的传播方向在所述上包层的上表面上设置有第一列开口和第二列开口，所述第一列开口和所述第二列开口分别位于所述上包层的上表面上与所述超结构光栅正对的区域的两侧，所述第一列开口和所述第二列开口分别包括多个开口，每个所述开口向下穿透所述上包层、所述波导层和所述下包层到达所述空间，
所述空间上方位于所述第一列开口与所述第二列开口之间的区域形成悬空结构，所述第一列开口和所述第二列开口中相邻的两个开口之间的区域形成所述悬空结构的侧向支撑结构，
第一侧向支撑结构对应于所述超结构光栅中的第一空间周期的第一区域，第二侧向支撑结构对应于所述超结构光栅中的第二空间周期的第二区域，所述第一区域在所述第一空间周期中的相对位置与所述第二区域在所述第二空间周期中的相对位置不同，所述第一侧向支撑结构和所述第二侧向支撑结构为位于所述悬空结构同一侧的任意两个侧向支撑结构。其中，所述超结构光栅的空间周期指的是：所述超结构光栅的调制函数的周期在所述超结构光栅上对应的距离。
所述超结构光栅的第一空间周期和所述超结构光栅的第二空间周期可以是位于所述超结构光栅上的同一个空间周期，也可以是位于所述超结构光栅上的不同的空间周期。
所述第一区域在所述第一空间周期中的相对位置与所述第二区域在所述第二空间周期中的相对位置不同包括：所述第一区域到所述第一空间周期的起始端(或终点端)的距离与所述第二区域到所述第二空间周期的起始端(或终点端)的距离不同。
本发明实施例的用于可调激光器的反射镜结构采用超结构光栅作为反射镜，并在该超结构光栅所在区域的周围形成悬空结构，利用悬空结构在超结构光栅所在区域周围形成热隔离，提高热阻，减少了热量流失，使得热量集中在超结构光栅所在区域，从而能够提高反射镜结构的热调谐效率，有利于降低可调激光器的整体功耗。同时，通过在该悬空结构两侧设置侧向支撑结构，为悬空结构提供机械支撑。另外，悬空结构同一侧的任意两个侧向支撑结构在超结构光栅中对应的区域落在超结构光栅的空间周期中的不同位置，在热调谐时有助于避免超结构光栅的反射谱的平坦性恶化，从而有助于避免可调激光器性能的恶化。
在一些可能的实现方式中，所述第一列开口和所述第二列开口中的至少一列开口的开口数量与所述超结构光栅的调制周期的数量不同。
在一些可能的实现方式中，所述第一列开口和所述第二列开口包括的开口数量相同。
在一些可能的实现方式中，所述第一列开口和所述第二列开口相对于所述第一列开口和所述第二列开口之间的中线对称。
在一些可能的实现方式中，所述第一列开口和所述第二列开口分别包括周期性排列的多个开口，且所述第一列开口和/所述第二列开口中的相邻的任意两个开口之间的距离与所述超结构光栅的空间周期不同。这里，周期性排列的多个开口指的是：该多个开口中每个开口的尺寸相等，且每相邻的两个开口之间的距离相等。
在一些可能的实现方式中，所述支撑层还包括至少一个底部支撑结构，所述至少一个底部支撑结构用于从底部支撑所述空间上方位于所述第一列开口与所述第二列开口之间的所述悬空结构。
通过设置底部支撑结构为悬空结构提供底部支撑，能够进一步增强悬空结构的机械强度。
在一些可能的实现方式中，所述至少一个底部支撑结构为多个底部支撑结构，所述多个底部支撑结构沿着光在所述波导层中的传播方向排列在所述空间内，所述多个底部支撑结构中至少两个相邻的底部支撑结构之间的区域与所述超结构光栅的调制峰或调制谷错位。
在一些可能的实现方式中，每个所述开口在沿着光在所述波导层中的传播方向上具有不同的宽度。
这样在反射镜结构的制作过程中，通过在这些开口注入刻蚀剂能够在开口较窄的部分形成底部支撑结构。
在一些可能的实现方式中，该反射镜结构还包括：
上阻挡层和下阻挡层，所述上阻挡层位于所述下包层与所述支撑层之间，所述下阻挡层位于所述支撑层与所述衬底层之间。
通过设置上阻挡层和下阻挡层，能够防止刻蚀掉下包层和衬底层。
在一些可能的实现方式中，该反射镜结构还包括：
介质层，所述介质层位于所述上包层和所述加热层之间，所述加热器层位于所述介质层的上表面上与所述超结构光栅正对的区域。介质层可以用于防止加热器的电流泄露到上包层中。
在一些可能的实现方式中，所述介质层还覆盖每个所述开口的内壁。这样能够保护上包层、波导层、下包层的侧面不被刻蚀剂腐蚀。
在一些可能的实现方式中，所述超结构光栅位于所述上包层中，或部分位于所述上包层且部分位于所述波导层，或位于所述波导层中，或部分位于所述下包层且部分位于所述波导层，或位于所述下包层中。
在一些可能的实现方式中，所述超结构光栅的调制函数如下所示：
Figure BDA0001290081220000031
其中，N为所述超结构光栅的调制函数的反射主峰的数量，为自然数，
Figure BDA0001290081220000032
为相位，z表示所述超结构光栅上沿光的传播方向的位置，
Figure BDA0001290081220000033
Λk为余弦函数的空间周期。
第二方面，提供了一种可调激光器，该可调激光器包括：
增益区、第一相位区、多模干涉耦合器、第一反射镜结构和第二反射镜结构；
所述第一相位区的第一端与所述增益区的第一端相连，所述第一相位区的第二端与所述多模干涉耦合器的第一端相连，所述多模干涉耦合器的第二端与所述第一反射镜的第一端相连，所述多模干涉耦合器的第三端与所述第二反射镜的第一端相连；
所述第一反射镜结构和所述第二反射镜结构中的至少一个采用第一方面或第一方面的上述任一种可能的实现方式所述的反射镜结构。
本发明实施例的可调激光器，通过第一方面或第一方面的上述任一种可能的实现方式所述的反射镜结构，有利于降低可调激光器的整体功耗。
在一些可能的实现方式中，该可调激光器还包括：第二相位区，
所述第二相位区的第一端与所述多模干涉耦合器的第二端相连，所述第二相位区的第二端与所述第一反射镜结构的第一端相连，或者，
所述第二相位区的第一端与所述多模干涉耦合器的第三端相连，所述第二相位区的第二端与所述第二反射镜结构的第一端相连。
在一些可能的实现方式中，该可调激光器还包括：一个或多个半导体光放大器SOA，每个SOA与所述增益区的第二端相连，或与所述第一反射镜结构的第二端相连，或与所述第二反射镜结构的第二端相连。通过集成SOA，可以对可调激光器输出的光功率进行放大。
在一些可能的实现方式中，该可调激光器还包括：一个或多个光电二极管PD，每个PD与所述增益区的第二端相连，或与所述第一反射镜结构的第二端相连，或与所述第二反射镜结构的第二端相连。通过集成PD，可以对可调激光器进行功率监测或功率衰减。
在一些可能的实现方式中，该可调激光器还可以同时集成SOA和PD。例如，该SOA可以与增益区的第二端相连，PD与第一反射镜结构或第二反射镜结构的第二端相连，如图14所示。应理解，该SOA也可以与第一反射镜结构或第二反射镜结构的第二端相连，PD与增益区的第二端相连。这样不仅可以对可调激光器输出的光功率进行放大，还可以进行功率监测或功率衰减。
第三方面，提供了一种可调激光器，该可调激光器包括：
第一反射镜结构、增益区、相位区和第二反射镜结构，
所述第一反射镜结构的第一端与所述增益区的第一端相连，所述增益区的第二端与所述相位区的第一端相连，所述相位区的第二端与所述第二反射镜结构的第一端相连，
所述第一反射镜结构和第二反射镜结构中的至少一个采用第一方面或第一方面的上述任一种可能的实现方式所述的反射镜结构。
本发明实施例的可调激光器，通过第一方面或第一方面的上述任一种可能的实现方式所述的反射镜结构，有利于降低可调激光器的整体功耗。
在一些可能的实现方式中，该可调激光器还包括：一个或两个半导体光放大器SOA，每个SOA与所述第一反射镜结构或第二反射镜结构的第二端相连。通过集成SOA，可以对可调激光器输出的光功率进行放大。
在一些可能的实现方式中，该可调激光器还包括：一个或两个光电二极管PD，每个PD与所述第一反射镜结构或第二反射镜结构的第二端相连。通过集成PD，可以对可调激光器进行功率监测或功率衰减。
在一些可能的实现方式中，该可调激光器还可以同时集成SOA和PD。例如，SOA与第一反射镜结构的第二端相连，PD与第二反射镜结构的第二端相连，或者，SOA与第二反射镜结构的第二端相连，PD与第一反射镜结构的第二端相连。这样不仅可以对可调激光器输出的光功率进行放大，还可以进行功率监测或功率衰减。
附图说明
图1是Y分支型可调激光器的结构示意图；
图2是现有技术中用于可调激光器的反射镜结构的截面示意图；
图3是根据本发明实施例的用于可调激光器的反射镜结构的截面示意图；
图4是根据本发明实施例的用于可调激光器的反射镜结构的俯视图；
图5是根据本发明另一实施例的用于可调激光器的反射镜结构的俯视图；
图6是根据本发明实施例的用于可调激光器的反射镜结构的另一截面示意图；
图7是超结构光栅的调制函数的调制包络的示意图；
图8是加热器加热后超结构光栅所在区域的温度分布示意图；
图9是根据本发明实施例的用于可调激光器的反射镜结构的反射谱的示意图；
图10是性能较差的反射镜结构的反射谱的示意图；
图11是相邻开口之间的距离与超结构光栅的空间周期之间的比值与反射谱平坦度之间的关系示意图；
图12是根据本发明另一实施例的用于可调激光器的反射镜结构的截面示意图；
图13是根据本发明另一实施例的用于可调激光器的反射镜结构的俯视图；
图14是根据本发明另一实施例的用于可调激光器的反射镜结构的俯视图；
图15是根据本发明另一实施例的用于可调激光器的反射镜结构截面示意图；
图16是根据本发明实施例的可调激光器的结构示意图；
图17是根据本发明另一实施例的可调激光器的结构示意图；
图18是根据本发明另一实施例的可调激光器的结构示意图；
图19是根据本发明另一实施例的可调激光器的结构示意图；
图20是根据本发明另一实施例的可调激光器的结构示意图；
图21是根据本发明另一实施例的可调激光器的结构示意图；
图22是根据本发明另一实施例的可调激光器的结构示意图；
图23是根据本发明另一实施例的可调激光器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。
图2是采用热调谐方式的反射镜结构1-1截面的示意图。如图2所示，该反射镜结构从下到上依次包括：衬底层01、缓冲层02、下包层03、波导层04、上包层05、介质层06和加热器层07。该反射镜结构还包括反射镜08(如图2中黑白相间部分所示)，反射镜08位于波导层04与上包层05的界面处。
其中，波导层04用于提供光的低损耗传播通道。上包层05和下包层03的折射率比波导层04低，因此光在波导层04中传播时会形成全反射，这样可以将光能量尽可能限制在波导层中。例如，波导层04可以采用铟镓砷磷(Indium Gallium Arsenide Phosphide，InGaAsP)，上包层05和下包层03可以采用磷化铟(Indium Phosphide，InP)。InP材料的折射率比InGaAsP要低，因此光在波导层04中传播时会形成全反射。
加热器层07放置加热器，用来改变反射镜区域的温度。
介质层06用于防止加热器的电流泄露到上包层05中。介质层05可以采用绝缘材料。例如，介质层05可以采用二氧化硅(Silicon Dioxide，SiO2)、氧化铝(Aluminum oxide，Al2O3)等绝缘材料。
反射镜分布在波导层04与上包层05的界面处(如图2中黑白相间部分所示)。
在进行热调谐的时候，由于反射镜结构中反射镜区域的有效折射率会随着温度的改变而改变，使得该反射镜的反射峰的波长位置移动，从而对波长进行调谐。
缓冲层02的材料可以为磷化铟(Indium Phosphide，InP)。在衬底层01和下包层03上设置的缓冲层02用于提供质量更好的InP材料，为其它层材料提供更好的材料基础，从而有利于其它层材料的生长。需要说明的是，也可以不设置缓冲层02，如果不设置缓冲层02，则下包层03直接设置在衬底层01的上表面。
如图2中箭头所示，加热器被加热后温度升高，热量依次通过介质层06、上包层05传导至反射镜区域和波导层04。然而，大量的热继续向下传播至下包层03、缓冲层02甚至非常厚的衬底层01，同时，还有部分热量向加热器两侧水平传播。这些热量都被耗散掉了，并没有起到改变反射镜区域的温度的作用。相反地，这些耗散的热量还会引起非反射镜区域(比如增益区)的温度升高，带来热串扰。大量热被耗散流失，这正是热调节组件功耗较高的重要原因。
因此，本发明实施例提供了一种用于可调激光器的反射镜结构，通过利用悬空结构在反射镜和反射镜所在的波导层周围形成热隔离，提高热阻，以减少热量流失，将热量集中在反射镜区域。
下面将结合附图描述根据本发明实施例用于可调激光器的反射镜结构。
图3所示为根据本发明实施例的用于可调激光器的反射镜结构的截面示意图。如图3所示，该反射镜结构包括从下到上依次堆叠的衬底层01、缓冲层02、下阻挡层09、支撑层10、上阻挡层11、下包层03、波导层04、上包层05、介质层06和加热器07。
支撑层10包括第一子支撑层10a和第二子支撑层10b，第一子支撑层10a和第二子支撑层10b沿着光在波导层04中的传播方向位于下阻挡层09的上表面的两侧，下阻挡层09、第一子支撑层10a、第二子支撑层10b和上阻挡层11之间形成沿着光在波导层04中的传播方向延伸的空间10c。
需要说明的是，反射镜结构中也可以不包括缓冲层02，下阻挡层09和上阻挡层11。相应地，支撑层10直接设置在衬底层01的上表面，即第一子支撑层10a和第二子支撑层10b沿着光在波导层04中的传播方向位于衬底层01的上表面的两侧，此时衬底层01、第一子支撑层10a、第二子支撑层10b和下包层03之间形成沿着光在波导层04中的传播方向延伸的空间10c。
图3所示反射镜结构还包括反射镜08(如图3中黑白相间部分所示)。反射镜08可以为超结构光栅(Super Structure Grating,SSG)。超结构光栅沿着光在波导层04中的传播方向设置在下包层03与上包层05的之间，加热器层07位于介质层06的上表面上与超结构光栅08正对的区域。
图4和图5所示为图3所示反射镜结构的两种俯视图，图4和图5中P1～P7分别对应超结构光栅的一个空间周期。如图4和图5所示，沿着光在波导层04中的传播方向在介质层04的上表面上设置有第一列开口12和第二列开口13，第一列开口12和第二列开口13分别包括多个开口(如图4中所示12-1～12-8,13-1～13-8)，第一列开口12和第二列开口13分别位于介质层06的上表面上与超结构光栅08正对的区域的两侧。图4和图5的区别仅在于开口的形状不同。
如图3所示，第一列开口12和第二列开口13中的每个开口向下穿透介质层06、上包层05、波导层04和下包层03到达空间10c。这样，该空间10c上方位于第一列开口12和第二列开口13之间的区域构成悬空结构20，如图3中虚线框内所示。
本发明实施例的用于可调激光器的反射镜结构采用超结构光栅作为反射镜，并在该超结构光栅所在区域的周围形成悬空结构，利用悬空结构在超结构光栅所在区域周围形成热隔离，提高热阻，减少了热量流失，使得热量集中在超结构光栅所在区域，从而能够提高反射镜结构的热调谐效率，有利于降低可调激光器的整体功耗。
可选地，如图3所示，介质层06还可以进一步覆盖第一列开口12和第二列开口13的内壁。例如，介质层06可以覆盖上包层05、波导层04、下包层03和上阻挡层11的侧面。这样能够保护上包层05、波导层04、下包层03和上阻挡层11的侧面不被刻蚀剂腐蚀。但本发明实施例对此并不限定，介质层06可以仅覆盖上包层05的上表面。
需要说明的是，本发明实施例中的反射镜结构中也可以不设置介质层06，这样，加热层07可以直接设置在上包层05的上表面上。
图3是图4所示中1’-1’截面的示意图，即开口区域的截面示意图。图6是图4和图5中2’-2’截面的示意图，即相邻的开口之间的间隔区域的截面示意图。与图3所示截面相比，图6所示截面区域的上部的介质层06、上包层05、波导层04和下包层03都没有被刻蚀，形成对悬空结构20的侧向支撑结构，以保证整个悬空结构的机械支撑，能够防止悬空结构20塌陷或遭到破坏。因此，每列开口中相邻的两个开口之间的区域可以作为悬空区域20与反射镜结构其他区域之间的侧向支撑。
位于悬空结构20同一侧的侧向支撑结构可以满足以下条件：第一侧向支撑结构对应于超结构光栅中的第一空间周期的第一区域，第二侧向支撑结构对应于超结构光栅中的第二空间周期的第二区域，第一区域在第一空间周期中的相对位置与第二区域在第二空间周期中的相对位置不同。其中，第一侧向支撑结构和第二侧向支撑结构为位于悬空结构20同一侧的多个支撑结构中的任意两个侧向支撑结构。
可选地，超结构光栅的第一空间周期和超结构光栅的第二空间周期可以是位于超结构光栅上的同一个空间周期。例如，第一空间周期和第二空间周期可以是图4所示的7个空间周期P1～P7中的任一个。
可选地，超结构光栅的第一空间周期和超结构光栅的第二空间周期还可以是位于超结构光栅上的不同的空间周期。例如，第一空间周期可以是图4所示的空间周期P1，第二空间周期可以是图4所示的空间周期P2～P7中的任一个。
需要说明的是，第一区域在第一空间周期中的相对位置与第二区域在第二空间周期中的相对位置不同包括：第一区域到第一空间周期的起始端(或终点端)的距离与第二区域到第二空间周期的起始端(或终点端)的距离不同。
具体地，第一区域到第一空间周期的起始端(或终点端)的距离的计算方法与第二区域到第二空间周期的起始端(或终点端)的距离的计算方法相同。例如，一个区域到一个空间周期的起始端的距离为：该区域的最左端与该空间周期的起始端之间的距离，或该区域最右端与该空间周期的起始端之间的距离。
在一些实施例中，悬空结构同一侧的任意两个侧向支撑结构在超结构光栅中对应的区域落在超结构光栅的空间周期中的不同位置，可以包括：侧向支撑结构与超结构光栅08的空间周期内的波峰或波谷相错位。这样在热调谐时有利于避免超结构光栅的反射谱的平坦性恶化，从而有利于避免可调激光器性能的恶化。超结构光栅的空间周期内的波峰是指该空间周期内超结构光栅的调制函数的极大值，超结构光栅的空间周期内的波谷是指在该空间周期内超结构光栅的调制函数的极小值。
其中，超结构光栅的空间周期指的是：超结构光栅的调制函数的周期在超结构光栅上对应的距离。
加热器加热时，由于侧向支撑区域的热量可以沿着侧向支撑散走，因此与侧向支撑相连的区域的温度比其它区域的温度稍低。当开口之间的侧向支撑与超结构光栅调制函数的峰或者谷相对齐时，开口的数量将与超结构光栅调制函数的周期数相等，此时超结构光栅的性能会出现严重的恶化，此时超结构光栅的反射谱的平坦度非常差，这样容易引起激光器输出功率不均匀、容易跳模、模式缺失等多种性能的恶化。
因此，本发明实施例中，通过使用超结构光栅(Super Structure Grating,SSG)作为反射镜，同时使得超结构光栅所在的悬空结构同一侧的任意两个侧向支撑结构在超结构光栅中对应的区域落在超结构光栅的空间周期中的不同位置，在热调谐时有利于避免超结构光栅的反射谱的平坦性恶化，从而有利于避免可调激光器性能的恶化。
可选地，第一列开口12和第二列开口13中的至少一列开口的开口数量与超结构光栅08的调制周期的数量不同。这样有助于进一步避免超结构光栅的反射谱的平坦性恶化，从而可以提升反射镜结构的热调谐性能。
可选地，第一列开口12和第二列开口13中的至少一列开口包括周期性排列的多个开口，且第一列开口12和/第二列开口13中的相邻的任意两个开口之间的距离与超结构光栅的空间周期不同。
这里，周期性排列的多个开口指的是：该多个开口中每个开口的尺寸相等，且每相邻的两个开口之间的距离相等。
本发明实施例中对相邻的任意两个开口之间的距离的计算方法不做限定。例如，相邻的任意两个开口之间的距离可以是：两个开口的左端部或右端部之间的距离，或两个开口的中心之间的距离。
可选地，该超结构光栅的调制函数如下所示：
Figure BDA0001290081220000081
其中，N为超结构光栅的调制函数的反射主峰的数量，为自然数，
Figure BDA0001290081220000082
为相位，z表示超结构光栅上沿着光传播方向的位置，
Figure BDA0001290081220000083
Λk余弦函数的空间周期。
在一些实施例中，可以对超结构光栅的调制函数进行数据离散化处理。如图7所示为针对8个反射峰的情况，使用一个阈值对超结构光栅进行2级数字化离散的示意图。图7中横坐标表示超结构光栅上沿着光传播方向的位置，纵坐标表示调制函数的幅度。如图7所示，超结构光栅的调制函数为模拟连续周期性函数。如图7所示，连续变化的虚线为离散前的调制包络，台阶型实线为离散后的调制包络。应理解，对超结构光栅的调制函数进行离散时，也可以采用两个甚至更多的阈值进行更高级的数字化离散。即该超结构光栅可以为2级离散的超结构光栅、3级离散的超结构光栅或者更高级离散的超结构光栅。可选地，第一列开口12和第二列开口13包括的开口数量相同。
下面以反射谱有8个反射主峰，调制函数为7个周期的超结构光栅为例来说明本发明实施例的反射镜结构。假设超结构光栅的调制函数的周期为71μm，共7个周期。加热器加热时，由于侧支撑结构区域热可以沿着侧向支撑结构散走，该区域的温度比其它区域的温度稍低。如果侧向支撑结构周期性期分布在悬空结构两侧，则加热时超结构光栅区域的温度分布图如图8所示。图8中横坐标表示超结构光栅上沿着光传播方向的位置，纵坐标表示温度。图4和图5所示波导两侧的开口的数量为8，且任意两个侧向支撑结构在超结构光栅中对应的区域落在超结构光栅的空间周期中的不同位置，此时加热器加热后，超结构光栅的反射谱很平坦(如图9所示)，可以满足激光器的工作需求。图9中横坐标表示超结构光栅的反射光的波长，纵坐标表示功率反射率。如果相邻的两个开口之间的侧向支撑结构与超结构光栅的调制函数的波峰或波谷对齐，则超结构光栅的性能会出现严重的恶化，反射谱的平坦度非常差(如图10所示)，这样容易引起激光器输出功率不均匀、容易跳模、模式缺失等多种性能的恶化。相邻的任意两个开口之间的支撑结构与超结构光栅的调制函数的波峰或者波谷相对齐时，两个相邻开口之间的距离与超结构光栅的空间周期相同。通过扫描相邻两个开口之间的距离与超结构光栅的空间周期的比值与反射谱平坦度之间的关系，可得图11所示的结果。如图11所示，当两个相邻开口的距离等于超结构光栅的空间周期(即二者比值为1)时，超结构光栅的反射谱会严重恶化，平坦度仅为20％。因此，通过优化开口的位置和数量可以有助于提升反射镜结构的热调谐性能。
可以根据以下公式计算得反射谱的平坦度F：
Figure BDA0001290081220000091
其中，Vpeak表示反射主峰的幅值，mean(Vpeak)表示反射主峰的幅值的平均值，max(Vpeak)表示反射主峰的最大值，min(Vpeak)表示反射主峰的最小值。
本发明实施例中，通过使得至少一列开口中的相邻的任意两个开口之间的距离区域与超结构光栅的空间周期不同，能够使得至少一列开口中的任意两个开口之间的侧向支撑结构与超结构光栅的调制函数的波峰或波谷错位，这样有助于避免超结构光栅的反射谱的平坦性恶化，从而可以提升反射镜结构的热调谐性能。可选地，第一列开口12和第二列开口13相对于第一列开口12和第二列开13口之间的中线对称。这样的结构有利于简化制作工艺。
需要说明的是，图3、图4和图5所示仅以第一列开口12和第二列开口13相对于二者之间的中线相对称为例，但本发明实施例对此并不限定，第一列开口12和第二列开口13包括的开口数量也可以不同，和/或第一列开口12和第二列开口13相对于二者之间的中线不对称。还应注意，本发明实施例中的开口形状不限于图4所示的矩形和图5所示哑铃型，还可以为其他规则或不规则的形状。
还应注意，本发明实施例中第一列开口12和/或第二列开口13中的多个开口的形状、尺寸可以相同也可以不同，本发明实施例对此并不限定。另外，如图4和图5所示，第一列开口12和第二列开口13中最外侧的两个开口的形状和尺寸可以与其他开口的形状和尺寸不同。但本发明实施例对此并不限定，每列开口最外侧的两个开口的形状和尺寸也可以与该列中的其他开口的形状和尺寸相同。
还需要说明的是，第一列开口12和第二列开口13各自的长度与超结构光栅的长度可以相同也可以不同。换句话说，第一列开口12和第二列开口13各自最外侧的两个开口的外侧端部与超结构光栅的两侧端部可以对齐，也可以不对齐，本发明实施例对此并不限定。
本发明实施例还提供了另一种用于可调激光器的反射镜结构，如图12所示，该反射镜结构与图3～图5所示反射镜结构的区别在于，支撑层10还包括至少一个底部支撑结构10d，至少一个底部支撑结构10d用于从底部支撑空间10c上方的悬空结构20。本发明实施例中，通过设置底部支撑结构为悬空结构提供底部支撑，能够进一步增强悬空结构的机械强度。
可选地，该至少一个底部支撑结构10d可以位于悬空结构20正下方，如图12所示。这样能够从底部对悬空结构进行支撑，增强悬空结构的机械强度。图13和图14所示分别为图12所示的反射镜结构的一种俯视图。如图13和图14所示，每个开口在沿着光的传播方向上具有不同的宽度。在反射镜结构的制作过程中，开口较宽的部分注入的刻蚀剂较多，开口较窄的地方注入的刻蚀剂较少，因此在悬空结构下方对应于开口较窄的区域的材料将不会被刻蚀剂完全刻蚀掉，从而剩下的部分材料能够在悬空结构下方形成底部支撑结构，而开口较宽的区域的材料将会被完全刻饰掉。如图12所示为图13和图14中开口较窄部分的3’-3’截面的示意图。
同时，从开口注入的刻蚀剂还会从侧向将悬空结构下方对应于侧向支撑结构的区域的材料刻蚀掉，如图6所示为图13和图14中侧向支撑结构部分的1’-1’截面的示意图。图13和图14中开口较宽部分的2’-2’截面如图3所示。
需要说明的是，图13和图14所示的开口是为了帮助本领域技术人员更好地理解本发明实施例，而非要限制本发明实施例的范围。本领域技术人员根据所给出的图13和图14的例子，显然可以对开口的形状进行各种等价的修改或变化，这样的修改或变化也落入本发明实施例的范围内。
通过调节开口的形状，控制从开口中进入的刻蚀剂的刻蚀区域，可以控制至少一个底部支撑结构10d的尺寸、形状和位置。底部支撑机构越小，热调谐效率越好，但机械支撑越差。
在一些实施例中，底部支撑结构10d的数量可以与第一列开口12和/或第二列开口13中的开口数量相同。
可选地，底部支撑结构10d的数量可以为1个或多个。图15所示为图13和图14中4’-4’截面的示意图，如图15所示，多个底部支撑结构10d可以沿着光在波导层04中的传播方向排列在空间10c内。可选地，多个底部支撑结构10d中相邻的任意两个的底部支撑结构之间的距离与超结构光栅的空间周期不同。
图12、图13和图14所示反射镜结构中的其他部分可以参考图3～图6所示反射镜结构的相关描述，在此不再赘述。
本发明各实施例的反射镜结构中，第一列开口12和第二列开口13中最左端与最右端的开口可以用来避免超结构光栅08两侧的温度过低。
应注意，本发明实施例中，开口宽度与开口之间的间隔宽度的比例可调，开口宽度越大，热调谐效率越好，但机械支撑越差。
需要说明的是，本发明实施例对悬空结构的制作工艺不做限定。例如，可以使用刻蚀剂对各层材料进行刻蚀以得到该悬空结构。例如，刻蚀剂可以通过介质层的上表面上的开口进入，从上至下依次刻蚀掉上包层、波导层、下包层的部分，到达支撑层，然后从侧向刻蚀掉支撑层中位于反射镜下方的部分材料，以形成悬空结构。
本发明各实施例中的上阻挡层11可以用于防止刻蚀掉下包层03，下阻挡层09可以用于防止刻蚀掉缓冲层02。例如，上阻挡层11和下阻挡层09与刻蚀剂不发生反应，或者上阻挡层11和下阻挡层09的刻蚀反应速率与支撑层10的刻蚀反应速率不同。应注意，本发明实施例中的反射镜也可以不设置上阻挡层11和/或下阻挡层09。在一些实施例中，反射镜结构中的上阻挡层11的材料可以是InGaAs，厚度可以是10～1000nm。下阻挡层09的材料可以是InGaAs，厚度可以是10～1000nm。可选地，支撑层10可以包括三层，例如依次是InP、InAlAs和InP，支撑层10的厚度可以是100～10000nm。
在一些实施例中，上阻挡层11、支撑层10和下阻挡层09三层的材料组合还可以为以下任一种：InP、InGaAs和InP；InP、InAlAs和InP；InGaAs、InP和InGaAs；InAlAs、InP和InAlAs；InGaAsP、InP、InGaAsP。可选地，当支撑层10由三层材料组成时，上阻挡层11、支撑层10和下阻挡层09的材料组合还可以为InGaAs、InP-InGaAs-InP和InGaAs；InAlAs、InP-InAlAs-InP和InAlAs；InAlAs、InP-InGaAs-InP和InAlAs；InGaAsP、InP-InAlAs-InP、InGaAs,或者InGaAsP、InP-InAlAs-InP、InGaAsP等等，其中InP-InGaAs-InP表示支撑层10由InP、InGaAs和InP组成，InP-InAlAs-InP表示支撑层10由InP、InAlAs和InP组成。以上仅为上阻挡层、支撑层和下阻挡层材料的一些例子，本发明实施例对此并不限定，本领域技术人员根据这些例子可以进行各种等级的修改或变化，这些修改或变化也落入本发明实施例的范围内。
本发明另一实施例还提供了一种可调激光器，该可调激光器包括增益区、第一相位区、多模干涉耦合器、第一反射镜结构和第二反射镜结构。第一相位区的第一端与增益区的第一端相连，第一相位区的第二端与多模干涉耦合器的第一端相连，多模干涉耦合器的第二端与第一反射镜的第一端相连，多模干涉耦合器的第三端与第二反射镜的第一端相连。该可调激光器的结构可以参考图1所示，图1中的相位区、反射镜1和反射镜2分别对应于本发明实施例中的第一相位区、第一反射镜结构和第二反射镜结构。
需要说明的是，本发明实施例的可调激光器中，第一反射镜结构和第二反射镜结构中的至少一个采用上文中本发明实施例提供的反射镜结构。本发明实施例的可调激光器，通过采用上文中本发明实施例提供的反射镜结构，有利于降低可调激光器的整体功耗。
可选地，如图16所示，本发明实施例的可调激光器还可以包括第二相位区，该第二相位区位于第一反射镜结构与多模干涉耦合器之间或第二反射镜结构与多模干涉耦合器之间。这样能够匹配两个反射镜结构的反射谱的相位。具体的，第二相位区的第一端与多模干涉耦合器的第二端相连，第二相位区的第二端与第一反射镜结构的第一端相连，或者，第二相位区的第一端与多模干涉耦合器的第三端相连，第二相位区的第二端与第二反射镜结构的第一端相连。
可选地，本发明实施例的可调激光器还可以包括一个半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)。如图17所示，SOA与增益区的第二端相连。或者，该SOA与第一反射镜结构或第二反射镜结构的第二端相连。或者，可调激光器还可以包括两个SOA，一个SOA与增益区的第二端相连，一个SOA与第一反射镜结构或第二反射镜结构的第二端相连。或者，可调激光器还可以包括三个SOA，这三个SOA分别于增益区的第二端、第一反射镜结构的第二端或第二反射镜结构的第二端相连。通过集成SOA，可以对可调激光器输出的光功率进行放大。
可选地，本发明实施例的可调激光器还可以包括：一个光电二极管PD。如图18所示，PD与增益区的第二端相连。或者，该PD与第一反射镜结构的第二端相连，或与第二反射镜结构的第二端相连。或者，可调激光器还可以包括两个PD，一个PD与第一反射镜的第二端相连，一个PD与第二反射镜结构的第二端相连。通过集成PD，可以对可调激光器进行功率监测或者功率衰减。
需要说明的是，本发明实施例的可调激光器还可以同时集成SOA和PD，这样不仅可以对可调激光器输出的光功率进行放大，还可以进行功率监测或功率衰减。例如，该SOA可以与增益区的第二端相连，PD与第一反射镜结构或第二反射镜结构的第二端相连，如图19所示。应理解，该SOA也可以与第一反射镜结构或第二反射镜结构的第二端相连，PD与增益区的第二端相连。
需要说明的是，图17和图18所示可调激光器中MMI与第一反射镜结构之间也可以不设置第二相位区。
本发明另一实施例还提供了另一种可调激光器，如图20所示，该可调激光器包括：第一反射镜结构、增益区、相位区和第二反射镜结构。第一反射镜结构的第一端与增益区的第一端相连，增益区的第二端与相位区的第一端相连，相位区的第二端与第二反射镜结构的第一端相连，第一反射镜结构和第二反射镜结构中的至少一个采用上文中本发明实施例提供的反射镜结构。本发明实施例的可调激光器，通过采用上文中本发明实施例提供的反射镜结构，有利于降低可调激光器的整体功耗。
可选地，如图21所示，可调激光器还可以包括一个SOA。SOA与第一反射镜结构或第二反射镜结构的第二端相连。或者，可调激光器还可以包括两个SOA，一个SOA与第一反射镜结构的第二端相连，一个SOA与第二反射镜结构的第二端相连。通过集成SOA，可以对可调激光器输出的光功率进行放大。
可选地，如图22所示，可调激光器还可以包括一个PD。PD与第一反射镜结构或第二反射镜结构的第二端相连。或者，可调激光器还可以包括两个PD，一个PD与第一反射镜结构的第二端相连，一个PD与第二反射镜结构的第二端相连。通过集成PD，可以对可调激光器进行功率监测或功率衰减。
可选地，如图23所示，可调激光器还可以包括SOA和PD。SOA与第一反射镜结构的第二端相连，PD与第二反射镜结构的第二端相连。或者，SOA与第二反射镜结构的第二端相连，PD与第一反射镜结构的第二端相连。这样不仅可以对可调激光器输出的光功率进行放大，还可以进行功率监测或功率衰减。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (21)

1.一种用于可调激光器的反射镜结构，其特征在于，包括：
从下至上依次堆叠的衬底层、支撑层、下包层、波导层、上包层和加热器层；
所述反射镜结构还包括超结构光栅，所述超结构光栅沿着光在所述波导层中的传播方向设置在所述上包层与所述下包层之间，所述加热器层位于所述上包层的上表面上与所述超结构光栅正对的区域；
所述支撑层包括第一子支撑层和第二子支撑层，所述第一子支撑层和所述第二子支撑层沿着光在所述波导层中的传播方向位于所述衬底层的上表面的两侧，所述衬底层、所述第一子支撑层、第二子支撑层和所述下包层之间形成沿着光在所述波导层中的传播方向延伸的空间，沿着光在所述波导层中的传播方向在所述上包层的上表面上设置有第一列开口和第二列开口，所述第一列开口和所述第二列开口分别位于所述上包层的上表面上与所述超结构光栅正对的区域的两侧，所述第一列开口和所述第二列开口分别包括多个开口，每个所述开口向下穿透所述上包层、所述波导层和所述下包层到达所述空间，所述空间上方位于所述第一列开口与所述第二列开口之间的区域形成悬空结构，所述第一列开口和所述第二列开口中相邻的两个开口之间的区域形成所述悬空结构的侧向支撑结构，
第一侧向支撑结构对应于所述超结构光栅中的第一空间周期的第一区域，第二侧向支撑结构对应于所述超结构光栅中的第二空间周期的第二区域，所述第一区域在所述第一空间周期中的相对位置与所述第二区域在所述第二空间周期中的相对位置不同，所述第一侧向支撑结构和所述第二侧向支撑结构为位于所述悬空结构同一侧的多个支撑结构中的任意两个侧向支撑结构，
在所述上包层的上表面上设置有第一开口、第二开口，所述第一开口、所述第二开口为设置在所述上包层的上表面上的任意两个开口，所述第一开口在沿着光在所述波导层中的传播方向上具有第一宽度，所述第二开口在沿着光在所述波导层中的传播方向上具有第二宽度，所述第一宽度与所述第二宽度不同。
2.根据权利要求1所述的反射镜结构，其特征在于，所述第一列开口和所述第二列开口中的至少一列开口的开口数量与所述超结构光栅的调制周期的数量不同。
3.根据权利要求1或2所述的反射镜结构，其特征在于，所述第一列开口和所述第二列开口包括的开口数量相同。
4.根据权利要求1或2所述的反射镜结构，其特征在于，所述第一列开口和所述第二列开口相对于所述第一列开口和所述第二列开口之间的中线对称。
5.根据权利要求1或2所述的反射镜结构，其特征在于，所述第一列开口和所述第二列开口中的至少一列开口包括周期性排列的多个开口，且所述第一列开口和/或所述第二列开口中的相邻的任意两个开口之间的距离与所述超结构光栅的空间周期不同。
6.根据权利要求1或2所述的反射镜结构，其特征在于，所述支撑层还包括至少一个底部支撑结构，所述至少一个底部支撑结构用于从底部支撑所述悬空结构。
7.根据权利要求6所述的反射镜结构，其特征在于，所述至少一个底部支撑结构为多个底部支撑结构，所述多个底部支撑结构沿着光在所述波导层中的传播方向排列在所述空间内。
8.根据权利要求6所述的反射镜结构，其特征在于，每个所述开口在沿着光在所述波导层中的传播方向上具有不同的宽度。
9.根据权利要求1、2、7、8中任一项所述的反射镜结构，其特征在于，还包括：
上阻挡层和下阻挡层，所述上阻挡层位于所述下包层与所述支撑层之间，所述下阻挡层位于所述支撑层与所述衬底层之间。
10.根据权利要求1、2、7、8中任一项所述的反射镜结构，其特征在于，还包括：
介质层，所述介质层位于所述上包层和所述加热层之间，所述加热器层位于所述介质层的上表面上与所述超结构光栅正对的区域。
11.根据权利要求10所述的反射镜结构，其特征在于，所述介质层还覆盖每个所述开口的内壁。
12.根据权利要求1、2、7、8、11中任一项所述的反射镜结构，其特征在于，还包括：
缓冲层，所述缓冲层位于所述支撑层和所述衬底层之间。
13.根据权利要求1、2、7、8、11中任一项所述的反射镜结构，其特征在于，所述超结构光栅位于所述上包层中，或部分位于所述上包层且部分位于所述波导层，或位于所述波导层中，或部分位于所述下包层且部分位于所述波导层之间，或位于所述下包层中。
14.一种可调激光器，其特征在于，包括：
增益区、第一相位区、多模干涉耦合器、第一反射镜结构和第二反射镜结构；
所述第一相位区的第一端与所述增益区的第一端相连，所述第一相位区的第二端与所述多模干涉耦合器的第一端相连，所述多模干涉耦合器的第二端与所述第一反射镜的第一端相连，所述多模干涉耦合器的第三端与所述第二反射镜的第一端相连；
所述第一反射镜结构和所述第二反射镜结构中的至少一个采用如权利要求1至13中任一项所述的反射镜结构。
15.根据权利要求14所述的可调激光器，其特征在于，还包括：第二相位区，
所述第二相位区的第一端与所述多模干涉耦合器的第二端相连，所述第二相位区的第二端与所述第一反射镜结构的第一端相连，或者，
所述第二相位区的第一端与所述多模干涉耦合器的第三端相连，所述第二相位区的第二端与所述第二反射镜结构的第一端相连。
16.根据权利要求14或15所述的可调激光器，其特征在于，还包括：一个或多个半导体光放大器SOA，
每个SOA与所述增益区的第二端相连，或与所述第一反射镜结构的第二端相连，或与所述第二反射镜结构的第二端相连。
17.根据权利要求14或15所述的可调激光器，其特征在于，还包括：一个或多个光电二极管PD，
每个PD与所述增益区的第二端相连，或与所述第一反射镜结构的第二端相连，或与所述第二反射镜结构的第二端相连。
18.一种可调激光器，其特征在于，包括：
第一反射镜结构、增益区、相位区和第二反射镜结构，
所述第一反射镜结构的第一端与所述增益区的第一端相连，所述增益区的第二端与所述相位区的第一端相连，所述相位区的第二端与所述第二反射镜结构的第一端相连，
所述第一反射镜结构和第二反射镜结构中的至少一个采用如权利要求1至13中任一项所述的反射镜结构。
19.根据权利要求18所述的可调激光器，其特征在于，还包括：
一个或两个半导体光放大器SOA，每个SOA与所述第一反射镜结构或第二反射镜结构的第二端相连。
20.根据权利要求18所述的可调激光器，其特征在于，还包括：
一个或两个光电二极管PD，每个PD与所述第一反射镜结构或第二反射镜结构的第二端相连。
21.根据权利要求18所述的可调激光器，其特征在于，还包括：
一个SOA和一个PD，所述SOA与所述第一反射镜结构的第二端相连，所述PD与所述第二反射镜结构的第二端相连，
或者，所述PD与所述第一反射镜结构的第二端相连，所述SOA与所述第二反射镜结构的第二端相连。
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