CN109828331A - 一种波长锁定器及波长可调激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波长锁定器及波长可调激光器，所述的波长锁定器，包括：将输入光波分成两束光线的分束器；接收所述分束器分出的第一束光线的第一光电二极管，所述第一光电二极管输出参考信号；对所述分束器分出的第二束光线进行滤波的滤波器；接收所述滤波器输出的光信号的第二光电二极管，经所述第二光电二极管输出透射信号。本发明的波长锁定器基于SOI芯片，集成度很高、工艺复杂度和成本较低，能够提高激光器的波长稳定性。本发明的波长锁定器精细度是现有F‑P标准具几十倍，总体结构比现在市面上商用的波长锁定器小，紧凑型高，可以锁定波长可调激光器调谐范围内的所有波长，提高输出波长的稳定性。

Description

一种波长锁定器及波长可调激光器

技术领域

本发明涉及光通信领域的波长可调激光器，具体涉及一种波长锁定器及波长可调激光器。

背景技术

在时代飞速发展中，社会对信息的需求呈爆炸式增长，同时对信息传递的速率和功耗提出了更高的要求。计算机技术的进步(以及摩尔定律的延续)越来越依赖于微芯片之间和内部更快的数据传输。光学内部连接可能提供一种前进的道路，而当器件一旦集成在硅片上时，硅光子学就占据主导地位。光信号的MUX/DEMUX(多路复用/解复用)是光通信网络的另一个重要组成部分。所有这些集成在硅片上的网络构建块作为硅光子器件，与传统的独立光学器件和电子器件相比有许多优点。特别是硅光子器件在密集波分复用(DWDM)光传输网络中得到了广泛的应用，其中，光信号的MUX/DEMUX需要精确的波长定位和对环境温度变化的控制。因此，需要改进硅光子学波长锁定技术和方法。对于持续发展的DWDM系统和光通信网络而言，可调谐激光器被认为是光纤通信中的关键光源，随着光源信道的逐渐增加，信道间隔不断变窄，故严格控制波长可调激光器的输出波长平坦度，获得稳定的波长信号尤为关键。

根据DWDM系统光通道的波长间隔范围，可将波长锁定器分为25GHz、50GHz及100GHz3种型号，而50 GHz则是目前常用的一种型号。25GHz以及更小12.5GHz虽然要求较高，却是大数据时代下发展的必然方向。硅基光子学具有高集成度、抗电磁干扰等优势，与传统的CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)工艺相兼容，易实现高速率、低功耗、低成本的功能器件和集成系统，被认为是光通信和光互连中最具潜力的技术之一。目前已有多家公司开发出多种波长锁定器，如JDSU公司、PHOTOP公司和武汉光迅科技股份有限公司等，但是这些器件均是空间光模块，通过光纤传输，存在一定的光纤损耗，然而可集成、小尺寸、低功耗的片上信号处理系统成为通信网络的发展趋势。

基于SOI(Silicon-on-Insulator，SOI)氮化硅光波导的F-P(Fabry-Perot)腔滤波器通过光的干涉原理产生连续的滤波曲线，可以覆盖整个ITU-T(国际电信联盟电信标准分局)建议的工作波长，这表明基于此滤波器的波长锁定器可以适用整个工作波长范围内的波长。但一般情况下由于F-P腔表面的反射率不够高，因而得到的传输曲线3dB带宽较宽，精细度不够，影响信号的调节，故可以在腔体两侧加上分布式布拉格反射镜(DistributedBragg reflectors，DBR)，从而提高整体的反射率，增强信号变化的程度。

发明内容

本发明提供一种波长锁定器及波长可调激光器，波长锁定器用于波长可调激光器的波长锁定，提高输出波长的稳定性。

一种波长锁定器，包括：

将输入光波分成两束光线的分束器；

接收所述分束器分出的第一束光线的第一光电二极管，所述第一光电二极管输出参考信号；

对所述分束器分出的第二束光线进行滤波的滤波器；

接收所述滤波器输出的光信号的第二光电二极管，经所述第二光电二极管输出透射信号。

以下作为本发明的优选技术方案：

所述的分束器为Y型波导分束器。

所述的滤波器采用DBRF-P腔滤波器，包括：F-P(Fabry-Perot)腔以及设置在所述F-P腔两侧的第一分布式布拉格反射镜和第二分布式布拉格反射镜。

所述的分束器、F-P腔、第一分布式布拉格反射镜和第二分布式布拉格反射镜设置在SOI芯片上。所述的SOI芯片包括硅衬底和设置在所述硅衬底上的二氧化硅埋氧层。

所述的第一分布式布拉格反射镜由布拉格光栅构成，光栅周期为582nm，占空比为0.33，刻蚀宽度388nm，光栅对数3.5。

所述的第二分布式布拉格反射镜由布拉格光栅构成，光栅周期为582nm，占空比为0.33，刻蚀宽度388nm，光栅对数3.5。

所述F-P腔为一段波导，采用了干涉的原理进行滤波，一束光信号在腔内往返的波长差为2π的N倍(N＝1,2,3…)时，那么这束光信号就会发生相长干涉，最终形成较强的输出光从另一端反射膜透射出。F-P腔内发生谐振的条件为：为介质折射率，L_c为腔体长度，θ为入射光的角度，λ_c为入射光的中心波长，N为发生的干涉级数。F-P腔透射率为其中R为腔的两个反射面的反射率，R＝r^2,透射谱带宽(半高全宽)FWHM＝FSR/F，可以看出，当反射率R越大时，F越大，透射峰越陡峭，带宽越窄，精度越高。对于信道间隔为25GHz的波长锁定器，即FSR＝25GHz,可计算得出L_c＝3707562nm，当R＝93.6％时，透射率T＝96.3％，F＝47.5，可以得出FWHM＝4.2pm，精细度是现有F-P标准具几十倍，总体结构比现在市面上商用的波长锁定器小，紧凑型高。

一种氮化硅材料DBRF-P腔，所述的F-P腔、第一分布式布拉格反射镜和第二分布式布拉格反射镜均采用氮化硅材料，氮化硅的有效折射率为1.997，F-P腔的条形波导宽度＝900nm，高度为400nm，(即W＝900nm,H＝400nm)。当F-P腔的腔长L＝3707562nm，第一分布式布拉格反射镜由布拉格光栅构成，光栅周期为582nm，占空比为0.33，刻蚀宽度388nm，光栅对数3.5，第二分布式布拉格反射镜由布拉格光栅构成，光栅周期为582nm，占空比为0.33，刻蚀宽度388nm，光栅对数3.5，对于波长为1550nm的光，布拉格光栅的反射率高达93.6％，F＝47.5，透射谱带宽(半高全宽)FWHM＝4.2pm可以得到一个FSR＝25GHz、精细度高、带宽窄的传输曲线，可以得到更加准确的误差信号，从而提高了控制激光器温度的精确度。

本发明在F-P腔的两侧增加了第一分布式布拉格反射镜和第二分布式布拉格反射镜，单独的F-P腔反射率低于20％，利用两边的光栅提高反射率，使其等效反射率高达93.6％，可以得到一个精细度更高、带宽较窄的传输曲线，可以得到更加准确的误差信号，从而提高了控制激光器温度的精确度。

本发明中，激光器发出的激光分出一部份进入分束器，由该分束器分成两束光线，一部分直接通过氮化硅波导进入第一光电二极管，作为参考光信号，探测到光功率为P1，另一部分光线通过波导入射至DBRF-P腔滤波器，先进入到第一分布式布拉格反射镜，中心波长的光波在第一分布式布拉格反射镜和第二分布式布拉格反射镜之间的F-P腔中发生干涉，形成驻波，透射出的光波经波导传输至所述第二光电二极管，作为透射信号，探测到光功率为P2。将参考信号和透射信号进行比较，并通过两者的比值产生一个误差信号反馈控制激光器的温度，进而调整和稳定激光器的输出波长。

波长可调激光器(tunable laser)是指在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器。F-P腔波长锁定器产生连续的滤波曲线可以覆盖整个ITU-T建议的工作波长，可以锁定波长可调激光器调谐范围内的所有波长。故本发明的波长锁定器特别适用于波长可调激光器。一种波长可调激光器，采用本发明波长锁定器。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明仅设计一个波长锁定器，所述波长锁定器基于SOI芯片，波导芯层采用氮化硅材料，包层采用二氧化硅材料，光波被束缚在波导中，极大的减少了器件封装空间、产品尺寸、工艺复杂度和成本。

本发明的波长锁定器，集成度很高、工艺复杂度和成本较低，能够提高激光器的波长稳定性。

附图说明

图1为本发明DBRF-P腔滤波器的波导结构示意图；

图2为本发明波长锁定器的器件结构示意图；

图3为本发明波长锁定器的结构示意图；

图4为本发明波长锁定器的透射信号与参考信号比较图；

图中，1为分束器，2为DBRF-P腔滤波器，3为第一光电二极管，4为第二光电二极管，5为输入光波，6为透射信号，7为参考信号，8为第一分布式布拉格反射镜，9为F-P腔，10为第二分布式布拉格反射镜，11为硅衬底，12为二氧化硅埋氧层。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，本发明设计了一种用于波长可调激光器的波长锁定器。该波长锁定器包括分束器1(采用Y型波导分束器)、滤波器2(即DBRF-P腔滤波器)、第一光电二极管3和第二光电二极管4。其中，第一光电二极管输出的信号为参考信号7，功率为P1，第二光电二极管输出的信号为透射信号6，功率为P2，其中DBRF-P腔滤波器2包括第一分布式布拉格反射镜8、F-P腔9、第二分布式布拉格反射镜10。分束器2、F-P腔9、第一分布式布拉格反射镜8和第二分布式布拉格反射镜10设置在SOI芯片上。波长锁定器集成在SOI芯片上，SOI芯片包括硅衬底11和二氧化硅埋氧层12。

如图3所示，入射光线5经过分束器，被分成两束光线，一束直接通过波导传输至第一光电二极管3，作为参考信号7，另一束通过DBRF-P腔滤波器2，透射的光通过波导传输至第二光电二极管4，作为透射信号6。

因F-P腔具有周期性和滤波性，故透射信号6为一个正弦信号(见图4)，而参考信号7的功率为定值。使用这两个信号的比值产生一个误差信号来驱动激光器的温度控制器，如果激光器的波长向短波漂移，则控制电路通过控制制冷器(TEC)来加热激光器芯片来补偿；反之，如果波长向长波漂移，则控制电路通过控制TEC致冷来补偿，以达到稳定激光器的输出波长的目的。对于大多数应用来说，锁定点宜设置在透射曲线的线性或对数线性中间部位，这样不论波长往哪边漂移，探测器都会给出线性的响应变化信号。

波长锁定器基于SOI芯片，光信号均由波导传输，极大的减少了器件封装空间、产品尺寸、工艺复杂度和成本。

一种氮化硅材料DBRF-P腔，F-P腔9、第一分布式布拉格反射镜8和第二分布式布拉格反射镜10均采用氮化硅材料，氮化硅的有效折射率为1.997，F-P腔9的条形波导W＝900nm,H＝400nm，F-P腔长L＝3707562nm，第一分布式布拉格反射镜8由布拉格光栅构成，光栅周期为582nm，占空比为0.33，刻蚀宽度388nm，光栅对数3.5，第二分布式布拉格反射镜10由布拉格光栅构成，光栅周期为582nm，占空比为0.33，刻蚀宽度388nm，光栅对数3.5，对于波长为1550nm的光，布拉格光栅的反射率高达93.6％，F＝47.5，FWHM＝4.2pm可以得到一个FSR＝25GHz、精细度高、带宽窄的传输曲线，可以得到更加准确的误差信号，从而提高了控制激光器温度的精确度。

Claims (9)

1.一种波长锁定器，其特征在于，包括：

将输入光波分成两束光线的分束器；

接收所述分束器分出的第一束光线的第一光电二极管，所述第一光电二极管输出参考信号；

对所述分束器分出的第二束光线进行滤波的滤波器；

接收所述滤波器输出的光信号的第二光电二极管，经所述第二光电二极管输出透射信号。

2.根据权利要求1所述的波长锁定器，其特征在于，所述的分束器为Y型波导分束器。

3.根据权利要求1所述的波长锁定器，其特征在于，所述的滤波器采用DBRF-P腔滤波器，包括：F-P腔以及设置在所述F-P腔两侧的第一分布式布拉格反射镜和第二分布式布拉格反射镜。

4.根据权利要求3所述的波长锁定器，其特征在于，所述的分束器、F-P腔、第一分布式布拉格反射镜和第二分布式布拉格反射镜设置在SOI芯片上。

5.根据权利要求4所述的波长锁定器，其特征在于，所述的SOI芯片包括硅衬底和设置在所述硅衬底上的二氧化硅埋氧层。

6.根据权利要求3所述的波长锁定器，其特征在于，所述的第一分布式布拉格反射镜由布拉格光栅构成，光栅周期为582nm，占空比为0.33，刻蚀宽度388nm，光栅对数3.5。

7.根据权利要求4所述的波长锁定器，其特征在于，所述的第二分布式布拉格反射镜由布拉格光栅构成，光栅周期为582nm，占空比为0.33，刻蚀宽度388nm，光栅对数3.5。

8.根据权利要求7所述的波长锁定器，其特征在于，所述的F-P腔、第一分布式布拉格反射镜和第二分布式布拉格反射镜均采用氮化硅材料，所述的F-P腔的条形波导宽度＝900nm，F-P腔的高度为400nm，F-P腔的腔长L＝3707562。

9.一种波长可调激光器，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述的波长锁定器。