CN110165548A - 采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器及窄线宽激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器及窄线宽激光器，波长锁定器，包括：SOI芯片；设置在所述SOI芯片上并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光信号；对所述分束器分出的第二束光线进行滤波的微环谐振腔滤波器；接收所述微环谐振腔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滤波信号。微环谐振腔滤波器的信道间隔(FSR)设计为25GHz，故特适用于窄线宽激光器。本发明集成度很高、工艺复杂度和成本较低，能够提高激光器的波长稳定性。

Description

采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器及窄线宽激光器

技术领域

本发明涉及波长锁定器技术领域，具体涉及一种采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器及窄线宽激光器。

背景技术

随着时代的快速发展，社会朝着信息化的方向不断进步，5G时代已经来临，其对信息的需求以及传输的速率呈现爆炸性增长，在各个方面影响着人们的生活。信息化极大地推动了人类社会的发展和科技的进步，促进了光通信技术、集成电路、计算机技术等的发展。在光纤通信领域中进行了一种密集波分复用(DWDM)优化通信，是提高光纤传输容量的重要手段之一。近年来，为了提高光通信的传输效率，提出了一种高密度多路复用技术。该技术极大地缩小了信道的波长间隔至50GHz甚至于25GHz。因此，为了在不相互干扰的情况下实现激光束的多路复用，每个半导管激光器装置都需要稳定度高的激光波长，因此，对每个信道光源的工作波长进行控制并稳定到系统所能容忍的范围内变得尤为关键。

目前，市场上常见的波长锁定器有波长间隔为50GHz及100GHz两种型号，而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。目前JDSU公司、PHOTOP公司和武汉光迅科技股份有限公司等已经开发出来的波长锁定器多数为F-P(Fabry-Perot)标准具型，基于光纤传输，虽然损耗较低速率较快，然而已经不满足于应用市场的极速增长对光数据传输的容量、成本和功耗提出的更高要求。此外，现有的波长锁定器多数为分立的光器件，组装难度大、体积大、成本高，而绝缘体上硅(SOI,Silicon-on-Insulator)由于波导芯层和包层具有比较大的折射率差，能够实现紧凑的波导结构和器件，有利于提高光器件和光系统的集成度，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。

微环谐振腔是一种非常巧妙的谐振结构，它利用光波导构成光学回路形成反馈，从而对某些特定波长的光的输出产生影响。相对传统的光学结构，微环谐振腔具有结构简单、集成度高的特点。单环微环上下路滤波器由一个谐振环和与其耦合的一条输入总线波导和一条输出总线波导构成。其直通端(through port)输出光谱为在谐振波长下向下凹陷的箱型谱，下路端(drop port)输出光谱为在谐振波长下向上凸起的周期性光谱，故起到了滤波的作用。

窄线宽激光器是指激光以腔内振动单一纵模的形式输出，其特征是激光光谱线宽非常狭窄，比目前光通信网络中DWDM信号光源的线宽要窄5～6个数量级。因为窄线宽激光器光谱谱线宽度窄，光谱中心波长稳定度要求很高，这样才能保证能量越集中，拉曼效果越好，广泛的应用于科研中检测分析，特别是在波分复用(WDM)和光通信以及光学传感器方面。因此，严格控制窄线宽激光器的输出波长平坦度，获得稳定的波长信号尤为关键。

发明内容

本发明目的在于提供一种采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器及窄线宽激光器，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。

一种波长锁定器，用于波长可调激光器的波长锁定，提高输出波长的稳定性。

一种采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器，包括：

SOI(Silicon-on-Insulator，绝缘体上硅)芯片；

设置在所述SOI芯片上并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光信号；

对所述分束器分出的第二束光线进行滤波的微环谐振腔滤波器；

接收所述微环谐振腔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滤波信号。

本发明中，激光器发出的激光分出一小部分进入所述分束器，由该分束器分成功率相等的两束光线，一部分直接通过氮化硅条形波导入射至所述第一光电二极管，由该光电二极管将光信号转换成电信号，作为参考光信号，其功率为P1。另一部分光线通过波导传输至所述微环谐振腔滤波器(即单环上下路微环滤波器)，耦合进微环谐振腔，从输出条形波导(上路端，drop)输出谐振波长下的光信号，被所述第二光电二极管探测，作为滤波信号，功率为P2。将参考光信号和滤波信号进行比较，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。

以下作为本发明的优选技术方案：

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。

所述的分束器为Y型波导分束器。

所述的分束器的第一束光线出光端与第一光电二极管通过第一条形波导连接。

所述的微环谐振腔滤波器包括：

与所述分束器的第二束光线出光端连接的输入条形波导；

与所述输入条形波导连接的环形谐振腔；

与所述环形谐振腔连接的输出条形波导；

所述的输出条形波导与所述第二光电二极管连接。

所述的输入条形波导和输出条形波导平行设置，所述的环形谐振腔设置在所述输入条形波导和输出条形波导之间。

所述的环形谐振腔采用氮化硅微环，所述的氮化硅微环的内半径为955951nm，所述的氮化硅微环的宽度为900nm，高度为400nm。

所述的第一条形波导采用氮化硅材料，该第一条形波导的宽度为900nm，高度为400nm，即W＝900nm,H＝400nm。

所述的输入条形波导采用氮化硅材料，该输入条形波导的宽度为900nm，高度为400nm，即W＝900nm,H＝400nm。

所述的输出条形波导采用氮化硅材料，该输出条形波导的宽度为900nm，高度为400nm，即W＝900nm,H＝400nm。

本发明中，微环谐振腔滤波器的信道间隔(FSR)设计为25GHz(0.2nm)，故特适用于窄线宽激光器。

本发明采用氮化硅材料微环谐振腔，氮化硅的有效折射率为1.997，条形波导W＝900nm,H＝400nm。当微环内半径为955951nm时，对于波长为1550nm的光，理想状态下可以得到一个FSR＝0.2nm、精细度F高达10、3dB带宽＝0.02nm、品质因子Q约为77500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。

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，由于光学中芯层与包层的折射率差，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。

本发明采用氮化硅材料微环谐振腔，氮化硅的有效折射率为1.997，条形波导W＝900nm,H＝400nm。当微环内半径为955951nm时，对于波长为1550nm的光，理论上可以得到一个FSR＝0.2nm、精细度F高达10、3dB带宽＝0.02nm、品质因子Q约为77500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。

附图说明

图1为本发明微环谐振腔滤波器的结构示意图；

图2为本发明波长锁定器的部分器件结构示意图；

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为微环谐振腔滤波器，3为第一光电二极管，4为第二光电二极管，5为参考信号，6为透射信号，7为环形谐振腔，8为下路输入波导，9为上路输出波导，10为硅衬底，11为二氧化硅埋氧层。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明一种用于窄线宽激光器的波长锁定器。该波长锁定器包括分束器1、微环谐振腔滤波器2、第一光电二极管3、第二光电二极管4。其中，第一光电二极管3输出的信号为参考信号5，功率为P1,第二光电二极管4输出的信号为透射信号6，功率为P2，其中微环滤波器2包括环形谐振腔7、下路输入波导8(即输入条形波导)、上路输出波导9(即输出条形波导)。分束器1为Y型波导分束器。分束器1的第一束光线出光端与第一光电二极3管通过第一条形波导连接。SOI芯片包括硅衬底10和设置在硅衬底10上的二氧化硅埋氧层11。

微环谐振腔滤波器2包括：与分束器1的第二束光线出光端连接的下路输入波导8(即输入条形波导)；与下路输入波导8连接的环形谐振腔7；与环形谐振腔7连接的上路输出波导9(即输出条形波导)；上路输出波导9与第二光电二极管4连接。输入条形波导和输出条形波导平行设置，环形谐振腔7设置在输入条形波导和输出条形波导之间。

环形谐振腔7采用氮化硅微环，氮化硅微环的内半径为955951nm，化硅微环的宽度为900nm，高度为400nm。第一条形波导采用氮化硅材料，该第一条形波导的宽度为900nm，高度为400nm，即W＝900nm,H＝400nm。输入条形波导采用氮化硅材料，该输入条形波导的宽度为900nm，高度为400nm，即W＝900nm,H＝400nm。输出条形波导采用氮化硅材料，该输出条形波导的宽度为900nm，高度为400nm，即W＝900nm,H＝400nm。本发明中，微环谐振腔滤波器的信道间隔(FSR)设计为25GHz，故特适用于窄线宽激光器。当微环内半径为955951nm时，对于波长为1550nm的光，可以得到一个FSR＝0.2nm、精细度F高达10、3dB带宽＝0.02nm、品质因子Q约为77500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。

如图3所示，入射光线经过分束器1，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5，另一束通过微环谐振腔滤波器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。

因微环谐振腔具有周期性和滤波性，故透射信号6(即滤波信号)为一个正弦信号(见图4)，而参考信号5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。

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，包括硅衬底10和二氧化硅埋氧层11，波导芯层采用氮化硅材料，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。

Claims (10)

1.一种采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器，其特征在于，包括：

SOI芯片；

设置在所述SOI芯片上并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光信号；

对所述分束器分出的第二束光线进行滤波的微环谐振腔滤波器；

接收所述微环谐振腔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滤波信号。

2.根据权利要求1所述的采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器，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。

3.根据权利要求1所述的采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器，其特征在于，所述的分束器为Y型波导分束器。

4.根据权利要求1所述的采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器，其特征在于，所述的分束器的第一束光线出光端与第一光电二极管通过第一条形波导连接。

5.根据权利要求4所述的采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器，其特征在于，所述的第一条形波导采用氮化硅材料，该第一条形波导的宽度为900nm，高度为400nm。

6.根据权利要求1所述的采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器，其特征在于，所述的微环谐振腔滤波器包括：

与所述分束器的第二束光线出光端连接的输入条形波导；

与所述输入条形波导连接的环形谐振腔；

与所述环形谐振腔连接的输出条形波导；

所述的输出条形波导与所述第二光电二极管连接。

7.根据权利要求6所述的采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器，其特征在于，所述的输入条形波导和输出条形波导平行设置，所述的环形谐振腔设置在所述输入条形波导和输出条形波导之间。

8.根据权利要求7所述的采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器，其特征在于，所述的环形谐振腔采用氮化硅微环，所述的氮化硅微环的内半径为955951nm，所述的氮化硅微环的宽度为900nm，高度为400nm。

9.根据权利要求6所述的采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器，其特征在于，所述的输入条形波导采用氮化硅材料，该输入条形波导的宽度为900nm，高度为400nm；

所述的输出条形波导采用氮化硅材料，该输出条形波导的宽度为900nm，高度为400nm。

10.一种窄线宽激光器，其特征在于，采用权利要求1～9任一项所述的采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器。