CN110323665B - 波长可调直接调制硅基外腔激光器 - Google Patents

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Abstract

一种波长可调直接调制硅基外腔激光器，该直调外腔激光器的反射型半导体光放大器通过硅基光斑尺寸转换器连接到移相器，之后与窄通带滤波器的输入端相连，窄通带滤波器的输出端连接微环调制器的输入端，微环调制器的下载端与第一个反射镜的输入端相连，微环调制器的直通端连接第二个反射镜。本发明通过窄通带滤波器和微环调制器的游标效应构成滤波结构，得到宽调谐范围、窄线宽激光，同时对输出光进行调制。微环调制器兼有滤波和调制的双重功能，具有结构集成度高、制造成本低、能耗低的优点。

Description

波长可调直接调制硅基外腔激光器
技术领域
本发明涉及光通信的集成光学领域，具体涉及一种波长可调直接调制硅基外腔激光器。
背景技术
在集成光学领域，硅基光子器件由于其CMOS兼容、折射率差大、良好的热光效应和载流子色散效应等优势，在近些年取得了长足的发展。其中，硅基MZM调制器、硅基微环调制器已经在光通信、光互连领域取得产品级应用。随着网络数据的飞速增长，低功耗、高速率光信号发射技术成为关键，硅基光电子集成芯片在这个过程中扮演重要角色。
然而由于硅的间接带隙材料特性，硅基光源一直是影响其发展的瓶颈问题。III-V族和硅基混合集成形成外腔激光器的方案由于其具备线宽小、调谐范围宽、加工工艺相对简单等特点，近些年得到了研究人员的重视。
现阶段实现硅基混合集成光发射机的普遍技术思路是：III-V族光放大器和硅基外腔形成激光器，硅基调制器和硅基外腔激光器通过波导连接。这样的方案存在集成度不高和功耗大的缺陷。将硅基外腔激光器和调制器直接结合形成波长可调直接调制外腔激光器，是实现低功耗、大规模硅基光电子集成系统的技术思路。
发明内容
本发明提供了一种波长可调的直接调制硅基外腔激光器，该激光器将微环调制器集成在外腔激光器的内部，以此达到减小尺寸和降低功耗的目的。
本发明的技术解决方案如下：
一种波长可调直接调制硅基外腔激光器，其特点在于包括反射型半导体光放大器、光斑尺寸转换器、移相器、窄通带滤波器、微环调制器、第一反射镜和第二反射镜；所述反射型半导体光放大器的输出端与所述的光斑尺寸转换器的输入端相连，所述的光斑尺寸转换器的输出端与所述的移相器相连，所述的移相器的输出端与所述的窄通带滤波器的输入端相连，所述的窄通带滤波器的输出端与所述的微环调制器的输入端相连，之后连接所述的第二个反射镜，所述的微环调制器的下载端与第一个反射镜连接，该第一反射镜的输出端即激光器的输出端。
所述的反射型半导体光放大器的一端具有高反射率(反射率≥90％),另一端具有低反射率(反射率≤0.005％)，所述的低反射率端即反射型半导体光放大器的输出端；所述的反射型半导体光放大器的增益波长处于通信波段，可以用III-V量子阱或量子点材料实现。
所述的光斑尺寸转换器采用倒锥耦合器、悬空波导等耦合器实现。
所述的移相器采用热光移相器或电光移相器。
所述的第一个反射镜采用萨尼亚克(Sagnac)反射环或布拉格光栅结构,其反射率约40％。
所述的第二个反射镜采用Sagnac反射环或者布拉格光栅结构，用于微环调制器调离谐振状态时，维持激光器的反馈，其反射率约5％。
除RSOA外，其余部件都可由硅波导实现。RSOA和硅芯片可以通过对接耦合、倒装耦合或键合等方式进行对准。
在上述技术方案的基础上，通过调节所述的移相器、所述的窄通带滤波器及所述的微环调制器，激光器法珀腔与游标效应的谐振波长对准实现选模，激光器输出波长因此能够连续可调。
在上述技术方案的基础上，所述微环的自由光谱范围通过公式
Figure BDA0002110000100000021
得到，其中，FSR为自由光谱范围，λ为微环的谐振波长，Δλ为相邻谐振峰之间的波长间隔，ng为微环的波导群折射率，Lr为微环的周长。所述微环调制器的FSR与窄通带滤波器的FSR略有不同。
本发明和现有技术相比，有益效果主要体现在如下方面：
本发明将微环调制器集成在外腔激光器内，所述微环调制器和另一个窄通带滤波器组合形成具有游标效应的滤波结构，得到大调谐范围的窄线宽激光输出。微环调制器兼有滤波和调制的双重功能，能实现对输出光的高速调制。本发明实现的硅基波长可调直接调制外腔激光器，具有结构集成度高、制造成本低、能耗低等优点。
附图说明
图1为本发明硅基波长可调直接调制外腔激光器实施例示意图。
具体实施方式
为了进一步阐明本技术方案的目的、技术方案及核心优势，下文结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。下述具体实施例仅起解释目的，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明硅基波长可调直接调制外腔激光器，包括反射型半导体光放大器101、光斑尺寸转换器102、移相器103、窄通带滤波器104、微环调制器105、第一反射镜106和第二反射镜107。所述的反射型半导体光放大器101的输出端与光斑尺寸转换器102的输入端相连，所述的光斑尺寸转换器102的输出端通过一个移相器103与所述的窄通带滤波器104的输入端相连，所述的窄通带滤波器104的下载端与所述的微环调制器105的输入端相连，所述的微环调制器105的下载端与第一反射镜106的输入端相连，第一反射镜106的输出端即该激光器的输出端；所述的微环调制器105的直输出端与第二反射镜107相连。所述窄通带滤波器104和微环调制器105分别集成有热光移相器。
在图1所述实施例中，所述的反射型半导体光放大器101一端设为高反射率(反射率≥90％)，另一端设为低反射率(反射率≤0.005％)，所述的低反射率端与光斑尺寸转换器102相连。
在图1所述实施例中，所述的光斑尺寸转换器102为倒锥耦合器，在实际实施过程中，也可采用其他具有光斑尺寸转换功能的结构。
在图1所述实施例中，所述的窄通带滤波器104为微环谐振腔，在实际实施过程中，也可采用其他具有滤波功能的结构。
在图1所述实施例中，所述的第一反射镜106为反射率约40％的Sagnac反射环，在实际实施过程中，也可以采用布拉格光栅等其他反射结构。
在图1所述实施例中，所述的第二反射镜107为反射率约5％的直波导，在实际实施过程中，也可以采用布拉格光栅等其他反射结构。
在图1所述实施例中，除反射型半导体光放大器101外，其余部件均由硅波导实现。所述的反射型半导体光放大器101和硅芯片通过对接耦合方式进行对准，在实际实施过程中，也可以采用倒装、键合等方式进行对准。
在图1所述实施例中，所述的窄通带滤波器104和微环调制器105的自由光谱范围
Figure BDA0002110000100000031
其中λ为微环的谐振波长，Δλ为相邻谐振峰之间的波长间隔，ng为微环的波导群折射率，Lr为微环的周长。所述的窄通带滤波器104和微环调制器105的自由光谱范围FSR1和FSR2相差较小，可以形成游标效应滤波器，其自由光谱范围
Figure BDA0002110000100000041
微环调制器谐振波长与窄通带滤波器中心波长可分别通过各自的移相器进行调节。
在图1所述实施例中，通过调节移相器103、窄通带滤波器104及微环调制器105，激光器法珀腔与游标效应的谐振波长对准实现选模，激光器输出波长因此能够连续可调。
在图1所述实施例中，外部驱动电路的调制信号加载在所述的微环调制器105上。当调制信号为高电平时，微环谐振波长与窄通带滤波器中心波长对准，光路由为：反射型半导体光放大器101发出的激光通过光斑尺寸转换器102耦合进入硅基光路，经所述的移相器103从所述的窄通带滤波器104的输入端输入，从所述的窄通带滤波器104的下载端输出，再通过微环调制器105的输入端输入，从微环调制器105的下载端输出，进入第一反射镜106，部分透射，部分反馈；当调制信号为低电平时，所述的微环调制器105调离谐振状态，微环谐振波长偏离所述的窄通带滤波器104的中心波长，光路由为：反射型半导体光放大器101发出的激光通过光斑尺寸转换器102耦合进入硅基光路，经过移相器103后，从窄通带滤波器104的输入端输入，从窄通带滤波器104的下载端输出，再通过微环调制器105的输入端输入，从微环调制器105的直通端输出，到达第二反射镜107，部分透射，部分反馈，此时第一反射镜106无光输出。因此，在第一反射镜106的输出端实现了对光信号的调制。
第二反射镜107的功能为：当微环调制器105调离谐振状态时，进入微环调制器105输入端的光从其直通端传至第二反射镜107，大部分光从第二反射镜107透射，剩余一部分光反射，维持激光器的反馈。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种波长可调直接调制硅基外腔激光器，其特征在于包括反射型半导体光放大器(101)、光斑尺寸转换器(102)、移相器(103)、窄通带滤波器(104)、微环调制器(105)、第一反射镜(106)和第二反射镜(107)；所述反射型半导体光放大器(101)的输出端与所述的光斑尺寸转换器(102)的输入端相连，所述的光斑尺寸转换器(102)的输出端与所述的移相器(103)相连，所述的移相器(103)的输出端与所述的窄通带滤波器(104)的输入端相连，所述的窄通带滤波器(104)的输出端与所述的微环调制器(105)的输入端相连，之后连接所述的第二个反射镜(107)，所述的微环调制器(105)的下载端与第一个反射镜(106)连接，该第一反射镜(106)的输出端即激光器的输出端。
2.如权利要求1所述的波长可调直接调制硅基外腔激光器，其特征在于：所述的反射型半导体光放大器(101)的一端具有高反射率(反射率≥90％),另一端具有低反射率(反射率≤0.005％)，所述的低反射率端即反射型半导体光放大器(101)的输出端；所述的反射型半导体光放大器(101)的增益波长处于通信波段，可以用III-V量子阱或量子点材料实现。
3.如权利要求1所述的波长可调直接调制硅基外腔激光器，其特征在于，所述的光斑尺寸转换器(102)采用倒锥耦合器、悬空波导等耦合器实现。
4.如权利要求1所述的波长可调直接调制硅基外腔激光器，其特征在于，所述的移相器(103)采用热光移相器或电光移相器。
5.如权利要求1所述的波长可调直接调制硅基外腔激光器，其特征在于：所述的第一个反射镜采用萨尼亚克(Sagnac)反射环或布拉格光栅结构,其反射率约40％。
6.如权利要求1所述的波长可调直接调制硅基外腔激光器，其特征在于：所述的第二个反射镜采用Sagnac反射环或者布拉格光栅结构，用于微环调制器调离谐振状态时，维持激光器的反馈，其反射率约5％。
7.如权利要求1所述的波长可调直接调制硅基外腔激光器，其特征在于：除RSOA外，其余部件都可由硅波导实现，RSOA和硅芯片可以通过对接耦合、倒装耦合或键合等方式进行对准。
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