CN109217972B - 一种基于硅基模式转换的片上少模激光产生系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于硅基模式转换的片上少模激光产生系统及方法。本发明属于集成光学领域。该系统由硅基波导(1)和光纤系统(2)构成环形谐振腔，其中：硅基波导(1)包括硅波导耦合器(14、15)、少模硅基模式复用器(16)/解复用器(13)、少模硅基波导(12)、少模硅基功率耦合器(14)；光纤系统(2)包括泵浦源(24)、光隔离器(23)、掺铒光纤(26)、单模光纤(22)、光波分复用器(25)、光通道选择器(27)、光耦合器(21)。该系统以半导体激光器为泵浦源、掺铒光纤为增益介质，光纤系统和硅基波导构建环形谐振腔，通过控制硅基模式转换产生少模激光，为构建高密度片上系统提供有效的技术方案。

Description

一种基于硅基模式转换的片上少模激光产生系统及方法
技术领域
本发明涉及集成光学和硅基光学领域，具体设计一种片上少模激光产生系统和方法，更具体的是一种基于硅基模式复用/解复用在硅基片上产生少模激光的系统和方法，将光纤系统和硅基波导组合构成的环形谐振腔来实现片上高阶横模激光的产生。
背景技术
为了实现更高密度的光信息传输，提升信息容量和频率效率，在光纤通信系统中通过对信号的幅度、相位、偏振光等维度进行复用，提升了单波长光信号的传输容量，对于单模光纤传输系统中，提升光纤传输信息容量的有效方法是WDM的方法，但是传统的WDM系统的频率分割已经达到了极限难以继续分割。数字相干光通信可以进一步提升容量但是会引入非线性。单模光纤的传输容量已经逼近100Tb/s的非线性香农极限，因此需要在空间维度上进行扩展。目前空分复用系统采用了多纤复用技术、多芯复用技术和模分复用技术以提升传输信道的传输容量。模分复用技术是指将同一多模或少模光纤中相互正交的不同模式作为独立的信道来承载不同的信息，以大大提高每根光纤的传输模式数量，从而增加光纤通信系统的信息容量和频率效率。基于少模和WDM技术的融合将有利于提高单通道系统的传输容量，作为少摸光纤传输系统的光源，国内外学者已经通过多种方法和结构实现具有高阶横模输出的光纤激光器。
硅基光电子技术，结合了硅基微电子工艺成熟、高密度集成、价格低廉和光电子的大带宽、高传输速率及抗干扰等优势，成为了业界普遍认可的高稳定性、超高密度、高能效、低成本和高度集成的光互联技术中最有发展潜力的关键技术，在学术界和工业界引起了广泛的兴趣。目前硅基光电子器件在硅基激光器、硅基调制器，硅基探测器等领域均开展了深入的研究并取得了一定成果，100G硅基光收发芯片已经实现。目前光子集成系统大部分都还是基于WDM系统来提高系统容量的单模光系统。当将模式复用技术引入到光子集成电路中，将有效地提高光电芯片的性能，特别是片上和片外系统的高带宽、高密度的光子集成电路中。最近，作为密集型模式复用的核心器件的高性能多模复用/解复用器取得了突破性进展，利用硅基的模式复用和解复用器的紧凑结构和片上优势，结合掺铒光纤的增益特性，将硅基波导与光纤系统融合构建谐振腔，实现多个横向模式的激光输出。波导和光纤的混合集成有效的利用硅基波导的模式选择特性和传输特性以及掺铒光纤的增益特性，实现高效的高阶横模的输出。本发明的目的是提供一种基于硅基模式转换的片上少模激光产生系统和方法，由于硅基模式复用/解复用器的插入损耗低、低串扰及体积小等特点，因而本发明在提升硅基信息容量和频率效率的模分复用系统中具有重要的应用前景。本发明系统通过结合硅基波导和光纤系统各自的优势实现系统集成或片上集成，符合集成光学的高密度、高能效、低成本的发展趋势。
发明内容
硅基光电子技术，作为与CMOS工艺相结合的一种技术具有高密度集成、价格低廉等优点的技术，近年来成为了光互联技术中最具发展潜力的关键技术之一。高密度集成和大容量是硅基发展的两个重要的研究方向，传统的硅基光电器件均是基于单模波分复用系统，而模分复用系统是在单模WDM系统上进一步提升硅基光互联容量的有效技术手段。其中，硅基多横模激光是实现硅基模分复用技术的核心之一。本发明提供了一种基于硅基模式转换的片上少模激光产生系统和方法，该系统利用硅基芯片上的模式复用/解复用实现基模向高阶模的变换，以掺铒光纤作为增益介质，将硅基波导和光纤系统结合形成选频腔结构实现具有高阶横模输出的激光。
本发明是提供一种基于硅基模式转换的片上少模激光产生系统，其特征在于环形谐振腔包括硅基波导(1)和光纤系统(2)；上述环形谐振腔硅基波导(1)包括：硅波导单模输入耦合器(15)、硅波导单模输出耦合器(14)、少模硅基模式复用器(16)、少模硅基分束器(11)、少模硅基波导(12)、少模硅基模式解复用器(13)；上述环形谐振腔光纤系统(2)包括泵浦源(24)、光隔离器(23)、单模掺铒光纤(26)、单模光纤(22)、单模光波分复用器(25)、光通道选择器(27)、光耦合器(21)；上述环形谐振腔包括硅基波导和光纤系统其有益效果是充分利用了硅基波导和光纤系统的优势实现紧凑的谐振腔结构。
上述的少模硅基模式复用器(16)的基模输入端口1(165)、基模输入端口2(167)、基模输入端口3(169)分别与硅波导单模输入耦合器(15)的三个端口相连。
上述的少模硅基模式解复用器(13)的基模输出端口1(135)、基模输出端口2(137)、基模输出端口3(139)分别与硅波导单模输出耦合器(14)的三个端口相连。
上述的少模硅基模式复用器(16)包括衬底(160)、位于衬底(160)上的渐变少模波导(161)、第一弯曲耦合波导(164)、第二弯曲耦合波导(166)和第三弯曲耦合波导(168)；渐变少模波导(161)分别与第一弯曲耦合波导(164)、第二弯曲耦合波导(166)、第三弯曲耦合波导(168)进行模式耦合转换，所述渐变少模波导(161)的两端分别为基模端口4(162)和少模端口5(163)；所述第一弯曲耦合波导(164)、第二弯曲耦合波导(166)和第三弯曲耦合波导(168)的输入端口分别为基模输入端口1(165)、基模输入端口2(167)和基模输入端口3(169)，输入端口均为基模输入。
上述的少模硅基模式解复用器(13)包括衬底(130)、位于衬底(130)上的渐变少模波导(131)、第一弯曲耦合波导(134)、第二弯曲耦合波导(136)和第三弯曲耦合波导(138)；渐变少模波导(131)分别与第一弯曲耦合波导(134)、第二弯曲耦合波导(136)、第三弯曲耦合波导(138)进行模式耦合转换。所述渐变少模波导(131)的两端分别为基模端口4(132)和少模端口5(133)；所述第一弯曲耦合波导(134)、第二弯曲耦合波导(136)和第三弯曲耦合波导(138)的输出端口分别是基模输出端口1(135)、基模输出端口2(137)和基模输出端口3(139)，三个输出端口均为单模输出。
上述少模硅基模式复用器(16)可以实现基模输入端口1(165)、基模输入端口2(167)、基模输入端口3(169)分别通过第一弯曲耦合波导(164)、第二弯曲耦合波导(166)和第三弯曲耦合波导(168)与渐变少模波导(161)进行模式耦合转换将基模信号转换成渐变少模波导(161)中的基模信号、一阶模信号和二阶模信号。
上述少模硅基模式解复用器(13)可以通过渐变少模波导(131)分别与第一弯曲耦合波导(134)、第二弯曲耦合波导(136)和第三弯曲耦合波导(138)进行模式耦合转换将渐变少模波导(131)中的基模信号、一阶模信号和二阶模信号转换成基模信号，并分别从基模输出端口1(135)、基模输出端口2(137)、基模输出端口3(139)输出。
上述少模硅基复用器(16)的少模端口5(163)通过少模硅基分束器(11)、少模硅基波导(12)与硅基少模解复用器(13)的少模端口5(133)相连。
上述少模硅基分束器(11)的少模激光输出端口的分光比小于或等于10％。上述的光耦合器(21)、光隔离器(23)、单模光波分复用器(25)、单模掺铒光纤(26)、光通道选择器(27)通过单模光纤(22)首尾依次相连。
优选地，上述的光耦合器(21)为拉锥型光纤分束器、平面光波导分束器或空间光分束器；
优选地，上述的光隔离器(23)为带尾纤的光隔离器或空间光隔离器；
优选地，上述单模光波分复用器(25)为980/1550nm的波分复用器或1480/1550nm的波分复用器；
优选地，上述的光通道选择器(27)为带尾纤的光通道选择器、机械式光开关或者电控光开关。
上述的光耦合器(21)的三个输入端口分别与硅波导单模输出耦合器(14)的三个接口相连。
上述的光通道选择器(27)的三个输出端口分别与硅波导单模输入耦合器(15)的三个接口相连。
上述单模光波分复用器(25)的输入口与泵浦源(24)相连。
上述一种基于硅基模式转换的片上少模激光产生方法包括以下步骤：
1)打开泵浦源(24)，选择半导体激光器的输出波长和输出功率，以产生980nm或1480nm泵浦激光输出。
2)打开光通道选择器(27)，选择光输出通道，使得输出光经过硅波导输入耦合器(15)分别或同时通过耦合进入少模硅基模式复用器(16)的基模输入端口1(165)、基模输入端口2(167)或(和)基模输入端口3(169)基模光信号经过少模硅基模式复用器(16)后将基模信号进行模式变换，变换的光信号进入实现模式的转换。
3)提升泵浦源(24)的输出功率，使得激光输出端有稳定激光输出。
本发明的优点：
(1)高密度集成：硅基模式复用/解复用器与传统的CMOS工艺相兼容，可以实现高稳定性、超高密度、高能效、低成本和高度集成；
(2)有效提升片上光互联容量：模分复用技术是将相互正交的不同模式作为独立的信道来承载不同的信息，是进一步提升单模波分复用系统容量的有效技术手段。片上少模激光技术为实现高容量和高频率效率的片上光互联提供了有效的光源技术。
(3)技术成熟，本发明系统中的硅基波导部分与CMOS兼容工艺制作，有利于批量化制作实现低成本；光纤系统部分中的器件皆为通用的光纤器件，都已商业化，成本非常低廉；因此通过结合硅基波导和光纤系统各自的优势，实现系统集成或片上集成，符合集成光学的高密度、高能效、低成本的发展趋势。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图；
图2为本发明采用的五端口硅基模式复用器结构示意图；
图3为本发明采用的五端口硅基模式解复用器结构示意图；
图4为本发明的硅基波导中模场分布仿真图
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的描述。
从图1可以看出，本发明硅基波导(1)和光纤系统(2)构成环形谐振腔，由单模掺铒光纤(26)作为增益介质，由硅基模式复用/解复用器作为横模模式转换实现的少模硅基激光产生系统。环形谐振腔的构成依次为少模硅基分束器(11)、少模硅基模式解复用器(13)、硅波导单模输出耦合器(14)、光耦合器(21)、光隔离器(23)、单模波分复用器(25)、单模掺铒光纤(26)、光通道选择器(27)、硅波导单模输入耦合器(15)、少模硅基模式复用器(16)。
上述各个组件在本发明中的作用是：
少模硅基分束器(11)是一个功率耦合分配器，用于从环形腔中提取一部分能量作为整个激光器的输出，而其他能量耦合进入少模硅基模式解复用器将高阶模式转换回基模，然后通过光耦合器合并到单模光纤中进行下一圈的循环。在一些实施方式中，少模硅基分束器(11)采用一个90:10的功率分配器，其中10％的功率输出端口作为激光器的输出端口，90％功率输出端口连接到用于信号循环的模式解复用器(13)的输入端。少模硅基分束器(11)的输出功率分配比可以是90:10，但不限于90：10的功率分配比例。
少模硅基模式解复用器(13)是将高阶模转换为基模并分别输出的一个光波导器件。少模硅基模式解复用器(13)结构示意图如图3所示。高阶模式的TE模场光经过模式解复用器后转换为基膜并通过端口输出，如图4所示的高阶TE0、TE1和TE2分别通过第一弯曲耦合波导(134)、第二弯曲耦合波导(136)、第三弯曲耦合波导(138)进行模式耦合转换为基膜TE0模后分别通过基模输出端口3(139)、基模输出端口2(137)和基模输出端口1(135)输出。
硅波导单模输出耦合器(14)是将硅基波导中信号低损耗地耦合进入光纤。
光耦合器(21)是单模耦合器，主要实现功率耦合。放在模式解复用器之后，对经少模硅基模式解复用器(13)转换后的基模光信号进行合路，三个输入端口分别通过硅波导单模输出耦合器(14)连接到少模硅基模式解复用器(13)的基模输出端口1(135)、基模输出端口2(137)、基模输出端口3(139)。
光隔离器(23)是一个工作在1550nm的单模光隔离器，用于保证激光在环形腔内的正向传输
单模波分复用器(25)是一个将信号光和泵浦光进行耦合输出的器件。在一些实施方式中，是一个单模波分复用器(25)可以采用980/1550nm波分复用器或1480/1550nm的波分复用器。
单模掺铒光纤(26)作为系统的增益介质，对基模光信号进行受激辐射光放大，掺铒光纤的长度和各项性能参数可以根据实际需要进行调整。
光通道选择器(27)是一个带尾纤的单模光路选择器，用于选择模式复用器的输入信号端以产生不同的高阶模式。光通道选择器的光纤输出端口分别通过硅波导耦合器(15)与少模硅基模式复用器(16)的基模输入端口1(165)、基模输入端口2(167)、基模输入端口3(169)相连。
硅波导单模输入耦合器(15)用于光纤输出的信号光耦合进入硅基光波导
少模硅基模式复用器(16)一个将基模转换为高阶模并实现复用的硅基波导器件。少模硅基模式复用器(16)结构示意图如图2所示，光场模式分布如图4所示的TE0模式分别或同时输入基模输入端口1(165)、基模输入端口2(167)、基模输入端口3(169)后分别进入第一弯曲耦合波导(164)、第二弯曲耦合波导(166)、第三弯曲耦合波导(168)，并与渐变少模波导(161)发生模式耦合转换，产生模场分布如图4所示的TE0模式、TE1模式和TE2模式。产生高阶模式通过少模硅基模式复用器(16)的输出端口5(163)进入少模波导(161)。
在环形谐振腔内，只有基模沿着EDF提供有源增益的单模光纤传播，模式复用器辅助特定的高阶模式(TE1模、TE2模)有效激发进少模硅基波导。少模硅基波导中传输的激光信号通过少模硅基分束器将少部分的光能量耦合输出作为少模激光，其余的高阶模式信号光输入少模硅基模式解复用器转化为基模后，通过光耦合器合并到单模光纤中进行下一圈的循环。
泵浦源(24)是一个激光二极管为掺铒光纤提供光泵浦，输出波长为980nm或1480nm；泵浦源通过光隔离器连接到波分复用器的泵浦光输入端口。
环形谐振腔的具体构建如下：少模硅基分束器(11)为三端口器件，其中一个输出端连接到少模硅基模式解复用器(13)的输入端口(133)，模式解复用器的三个输出端通过硅波导单模输出耦合器(14)连接到光耦合器(21)的三个输入端口，光耦合器(21)的输出端口通过光隔离器(23)与单模波分复用器25)相连。单模波分复用器(25)将来自波导的光与来自泵浦源(24)的光进行耦合后，输入到增益介质单模掺铒光纤(26)，光信号经过增益放大后，通过光选择开关(27)输入到少模硅基模式复用器(16)的对应的输入端。信号光经过少模硅基模式复用器(16)后耦合进入少模硅基分束器(11)形成谐振腔。
综上所示，本发明提出的一种基于硅基模式转换的片上少模激光产生系统，可以实现片上的高阶横模激光输出。通过将硅基器件和光纤系统集成为片上模分复用系统集成提供了一种多模激光产生系统和方法。用与CMOS工艺相兼容的硅基的模式复用/解复用器的紧凑结构、低成本、片上优势，有利于批量化制作实现低成本，结合掺铒光纤以及商业化的通用光纤器件构建谐振腔，实现系统集成或片上集成，符合集成光学的高密度、高能效、低成本的发展趋势。本发明在集成光学中用模分复用技术提升硅基信息容量和频率效率，实现超大容量、高密度集成的系统中具有重要的应用前景。

Claims (10)

1.一种基于硅基模式转换的片上少模激光产生系统，其特征在于环形谐振腔包括硅基波导(1)和光纤系统(2)，环形谐振腔的构成依次为少模硅基分束器(11)、少模硅基模式解复用器(13)、硅波导单模输出耦合器(14)、光耦合器(21)、光隔离器(23)、单模光波分复用器(25)、单模掺铒光纤(26)、光通道选择器(27)、硅波导单模输入耦合器(15)、少模硅基模式复用器(16)；
所述环形谐振腔硅基波导(1)包括：硅波导单模输入耦合器(15)、硅波导单模输出耦合器(14)、少模硅基模式复用器(16)、少模硅基分束器(11)、少模硅基波导(12)、少模硅基模式解复用器(13)；
所述环形谐振腔光纤系统(2)包括泵浦源(24)、光隔离器(23)、单模掺铒光纤(26)、单模光纤(22)、单模光波分复用器(25)、光通道选择器(27)、光耦合器(21)。
2.根据权利要求1所述的基于硅基模式转换的片上少模激光产生系统，其特征在于：所述的少模硅基模式复用器(16)的基模输入端口1(165)、基模输入端口2(167)、基模输入端口3(169)分别与硅波导单模输入耦合器(15)的三个端口相连；
所述的少模硅基模式解复用器(13)的基模输出端口1(135)、基模输出端口2(137)、基模输出端口3(139)分别与硅波导单模输出耦合器(14)的三个端口相连。
3.根据权利要求1或2所述的基于硅基模式转换的片上少模激光产生系统，其特征在于：所述的少模硅基模式复用器(16)包括衬底(160)、位于衬底(160)上的渐变少模波导(161)、第一弯曲耦合波导(164)、第二弯曲耦合波导(166)和第三弯曲耦合波导(168)；渐变少模波导(161)分别与第一弯曲耦合波导(164)、第二弯曲耦合波导(166)、第三弯曲耦合波导(168)进行模式耦合转换，所述渐变少模波导(161)的两端分别为基模端口4(162)和少模端口5(163)，所述第一弯曲耦合波导(164)、第二弯曲耦合波导(166)和第三弯曲耦合波导(168)的输入端口分别为基模输入端口1(165)、基模输入端口2(167)和基模输入端口3(169)，输入端口均为基模输入；
所述的少模硅基模式解复用器(13)包括衬底(130)、位于衬底(130)上的渐变少模波导(131)、第一弯曲耦合波导(134)、第二弯曲耦合波导(136)和第三弯曲耦合波导(138)；渐变少模波导(131)分别与第一弯曲耦合波导(134)、第二弯曲耦合波导(136)、第三弯曲耦合波导(138)进行模式耦合转换，所述渐变少模波导(131)的两端分别为基模端口4(132)和少模端口5(133)；所述第一弯曲耦合波导(134)、第二弯曲耦合波导(136)和第三弯曲耦合波导(138)的输出端口分别是基模输出端口1(135)、基模输出端口2(137)和基模输出端口3(139)，三个输出端口均为单模输出。
4.根据权利要求3所述的硅基模式转换的片上少模激光产生系统，其特征在于：
所述少模硅基模式复用器(16)可以实现基模输入端口1(165)、基模输入端口2(167)、基模输入端口3(169)分别通过第一弯曲耦合波导(164)、第二弯曲耦合波导(166)和第三弯曲耦合波导(168)与渐变少模波导(161)进行模式耦合转换将基模信号转换成渐变少模波导(161)中的基模信号、一阶模信号和二阶模信号；
所述少模硅基模式解复用器(13)可以通过渐变少模波导(131)分别与第一弯曲耦合波导(134)、第二弯曲耦合波导(136)和第三弯曲耦合波导(138)进行模式耦合转换将渐变少模波导(131)中的基模信号、一阶模信号和二阶模信号转换成基模信号，并分别从基模输出端口1(135)、基模输出端口2(137)、基模输出端口3(139)输出。
5.根据权利要求3所述的硅基模式转换的片上少模激光产生系统，其特征在于：所述少模硅基模式复用器(16)的少模端口5(163)通过少模硅基分束器(11)、少模硅基波导(12)与少模硅基模式解复用器(13)的少模端口5(133)相连。
6.根据权利要求1所述的硅基模式转换的片上少模激光产生系统，其特征在于：所述少模硅基分束器(11)的少模激光输出端口的分光比小于或等于10％。
7.根据权利要求1所述的硅基模式转换的片上少模激光产生系统，其特征在于：所述的光耦合器(21)、光隔离器(23)、单模光波分复用器(25)、单模掺铒光纤(26)、光通道选择器(27)通过单模光纤(22)首尾依次相连。
8.根据权利要求7所述的硅基模式转换的片上少模激光产生系统，其特征在于：所述的光耦合器(21)为垃锥型光纤分束器、平面光波导分束器或空间光分束器；所述的光隔离器(23)为带尾纤的光隔离器或空间光隔离器；单模光波分复用器(25)为980nm和1550nm的波分复用器或1480nm和1550nm的波分复用器；所述的光通道选择器(27)为带尾纤的光通道选择器、机械式光开关或者电控光开关，所述的单模光波分复用器(25)的980nm或1480nm的输入口与泵浦源(24)相连。
9.根据权利要求1或6所述的硅基模式转换的片上少模激光产生系统，其特征在于：所述的光耦合器(21)的三个输入端口分别与硅波导单模输出耦合器(14)的三个接口相连；所述的光通道选择器(27)的三个输出端口分别与硅波导单模输入耦合器(15)的三个接口相连。
10.一种基于硅基模式转换的片上少模激光产生方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)打开泵浦源(24)，选择半导体激光器的输出波长和输出功率，以产生980nm或1480nm泵浦激光输出；
2)打开光通道选择器(27)，选择光输出通道，使得输出光经过硅波导单模输入耦合器(15)分别或同时通过耦合进入少模硅基模式复用器(16)的基模输入端口1(165)、基模输入端口2(167)或/和基模输入端口3(169)；
3)提升泵浦源(24)的输出功率，使得激光输出端有稳定激光输出。
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