CN110729630A - 一种采用铌酸锂材料制成的波长高速调谐的激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用铌酸锂材料制成的波长高速调谐的激光器，包括：铌酸锂薄膜芯片(即LNOI芯片)；设置在所述铌酸锂薄膜芯片上的第一模斑转换器(SSC，spot size converter)；与所述第一模斑转换器连接的复合谐振腔，所述的复合谐振腔采用铌酸锂材料。本发明复合谐振腔采用铌酸锂材料，具有很好的电光效应。X‑cut铌酸锂薄膜当光模式沿着y方向传播，电场方向为z方向，其电光系数r33可达30.8pm/V。本发明这种激光器波长调谐速度可达ns级，调谐范围可达10nm以上，可用于光交换网络中减少网络拥堵，使信息传输更快。

Description

一种采用铌酸锂材料制成的波长高速调谐的激光器
技术领域
本发明涉及波长高速调谐的激光器技术领域，具体涉及一种采用铌酸锂材料制成的波长高速调谐的激光器。
背景技术
目前市场上的波长可调激光器大多基于InP材料，例如分布式布拉格光栅阵列激光器(DFB array)，垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)。为了降低光子器件的成本和功耗，人们通常需要缩小器件尺寸并使用经过重新设计和低成本的工艺制造它。实现这种集成光学相干光源的一个典型方案是硅基光子波导系统，由于其大晶片尺寸，低成本材料以及使用来自电子设备的制造工艺和设备，使其成为单片集成的良好平台。
随着数字网络的迅速发展与大数据时代的来临，光通信网中的光交换技术将成为减少拥塞延时，提高吞吐量的关键技术，其中利用波长可调激光器(TLS)的载波波长变换型波长路由光交换的方案因系统简洁、控制单元少被广泛关注。载波波长变换型光交换的速率取决于波长可调激光器，当光交换单元中的调谐激光器波长跳变速率变快，即使用ns级硅基高速波长可调激光器时，可以有效减少拥塞延时，增加传输能力，是解决光通信网络中带宽和交换延迟技术瓶颈的有效方式。
InP波长可调激光器的波长调谐大多基于热调或MEMS(微机控制)机械调制，各高校及机构研制的硅基波长可调激光器可调原理也大多基于硅波导的热光效应，波长切换的速度量级均在微秒以上。波长切换时间在纳秒级的硅基波长可调激光器研究在世界上仍为空白。因此，为降低光交换延迟时间(<10ns)，大幅提高波长可调激光器的波长跳变速率，本发明针对紧凑、低功耗、高可靠的硅基集成高速波长可调激光器。
未来的光子系统要求调制器具有CMOS兼容的驱动电压，大带宽，低光学插入损耗，高消光比，出色的信号质量以及与大规模制造的兼容性。虽然其他光子平台已投入良好的使用，但电光效应效果始终差强人意。LN(lithium niobate)晶体因其具有优良的压电、电光、热电及非线性光学效应，而被广泛应用于声学、集成光学、光通信和非线性光学等领域。随着光纤的大范围应用及集成光学的兴起LN在光波导方面的应用得到了足够的重视。然而目前有关LN的应用大多是基于体单晶开发的，LN薄膜与体单晶相比具有许多明显的优点，如LN晶体薄膜易于实现衬底与薄膜间陡峭的折射率界面和大的折射率差，可缩小光学模式体积并提高电光效率。LN的材料特性非常适合同时实现超快速调制，低电压操作和低光损耗。LN中强大的电光(普克尔斯)效应会导致其折射率随时间的变化而产生线性变化。
于是本发明考虑使用硅基LN薄膜，把其刻蚀成需要的滤波结构，在LN薄膜波导两端加电极，使用LN薄膜本身具有的电光效应对滤波结构进行调制。既可以达到较高的调谐速率，满足光交换系统中所需较快的光切换，又可以达到相对于硅的载流子色散效应作用在滤波器中得到更大的调谐范围。
发明内容
本发明目的在于提供了一种采用铌酸锂材料制成的波长高速调谐的激光器，这种激光器波长调谐速度可达ns级，调谐范围可达10nm以上，可用于光交换网络中减少网络拥堵，使信息传输更快。
一种采用铌酸锂材料制成的波长高速调谐的激光器，包括：
铌酸锂薄膜芯片(即LNOI芯片)；
设置在所述铌酸锂薄膜芯片上的第一模斑转换器(SSC，spot size converter)；
与所述第一模斑转换器连接的复合谐振腔，所述的复合谐振腔采用铌酸锂材料。
本发明复合谐振腔采用铌酸锂材料，具有很好的电光效应。X-cut铌酸锂薄膜当光模式沿着y方向传播，电场方向为z方向，其电光系数r33可达30.8pm/V。
所述的复合谐振腔包括：
与所述模斑转换器连接的输入端波导；
与所述输入端波导耦合连接的第一环形谐振腔；
与所述第一环形谐振腔耦合连接的级联波导(用于出光)；
与所述级联波导连接的第二环形谐振腔；
与所述第二环形谐振腔连接的输出端波导；
与所述输出端波导连接的第二模斑转换器(SSC)；
与所述第二模斑转换器连接的环路镜(Loop Mirror)。
本发明中外腔中的滤波结构所用波导皆为脊波导。这是由于需在波导两边平板中加金属电极，方便改变波导折射率从而达到调谐激射波长的目的。
所述的外腔滤波结构采用双环级联与MZI级联或并联结构，这些滤波结构通过对铌酸锂薄膜波导的仿真可以得到波导有效折射率以及群折射率。通过波导的各折射率及谐振/传输方程，可以根据所需谐振波长及FSR得到滤波器的周长/臂长等参数。
所述的铌酸锂薄膜芯片包括硅衬底、设置硅衬底的SiO2埋氧层以及设置在所述SiO2埋氧层上的铌酸锂薄膜(即铌酸锂膜，厚度为10～999nm)。
所述第一环形谐振腔内设置有圆形金属电极，所述第一环形谐振腔外环绕设置有一对金属电极。
所述的第一环形谐振腔由环形的波导构成，该波导采用铌酸锂材料制成，该波导的横截面为凸字形。该波导的高度为760nm，其中，该波导的顶部凸起的高度为460nm，该波导的顶部凸起的宽度为1000nm。
所述第二环形谐振腔内设置有圆形金属电极，所述第二环形谐振腔外环绕设置有一对金属电极。
所述的第二环形谐振腔由环形的波导构成，该波导采用铌酸锂材料制成，该波导的横截面为凸字形。该波导的高度为760nm，其中，该波导的顶部凸起的高度为460nm，该波导的顶部凸起的宽度为1000nm。
所述的第一模斑转换器1包括氮氧化硅输入波导、嵌入在所述氮氧化硅输入波导内的倏逝波波导、与所述倏逝波波导连接的过渡波导。
所述的倏逝波波导和过渡波导均采用铌酸锂材料。
所述的倏逝波波导采用渐变的结构，该倏逝波波导的截面为方形，该倏逝波波导的厚度为760nm，该倏逝波波导的宽度从所述氮氧化硅输入波导内到外由100nm渐变到1000nm。
所述的过渡波导的横截面由方形渐变成凸字形。
所述的输入端波导、级联波导、输出端波导的横截面均为凸字形。
所述的环路镜采用氮氧化硅材料，所述的环路镜的横截面为方形，横截面可采用3μm*3μm的正方形。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
一、LN波导中光模式向SiON波导转变，通过SiON SSC与SOA(semiconductoroptical amplifier，半导体光学放大器)等其他芯片集成。
二、由于LN材料电光效应较好，电光系数较高(r33＝30.8pm/V)，且不会因为载流子吸收而产生过多的损耗。因此波长可调范围大于硅材料电调得到的可调范围。
三、同样由于LN材料的电光效应，可以通过两侧电极对LN光波导结构进行高速调制。通过电场作用旋转LN内分子结构极化方向从而改变材料折射率，达到滤波结构谐振点偏移从而快速调谐波长，响应速度在ns量级。比使用热调的硅基外腔激光器(us)响应速度快。
附图说明
图1为本发明采用铌酸锂材料制成的波长高速调谐的激光器的结构示意图；
图2为本发明中第一模斑转换器的结构示意图；
图3为本发明采用铌酸锂材料制成的波长高速调谐的激光器的仿真结果图。
具体实施方式
如图1所示，一种采用铌酸锂材料制成的波长高速调谐的激光器，包括：铌酸锂薄膜芯片(即LNOI芯片)；设置在铌酸锂薄膜芯片上的第一模斑转换器4(SSC，spot sizeconverter)；与第一模斑转换器4连接的复合谐振腔，复合谐振腔采用铌酸锂材料。铌酸锂薄膜芯片包括硅衬底9、设置硅衬底9的SiO2埋氧层10以及设置在SiO2埋氧层10上的铌酸锂薄膜(即铌酸锂膜，厚度为10～999nm)。
复合谐振腔包括：与模斑转换器4连接的输入端波导2；与输入端波导2耦合连接的第一环形谐振腔13；与第一环形谐振腔13耦合连接的级联波导5(用于出光)；与级联波导5连接的第二环形谐振腔14；与第二环形谐振腔14连接的输出端波导11；与输出端波导11连接的第二模斑转换器(SSC)12；与第二模斑转换器12连接的环路镜8(Loop Mirror)。
第一环形谐振腔13内设置有圆形金属电极3，第一环形谐振腔13外环绕设置有一对金属电极1。第一环形谐振腔13由环形的波导构成，该波导采用铌酸锂材料制成，该波导的横截面为凸字形。该波导的高度为760nm，其中，该波导的顶部凸起的高度为460nm，该波导的顶部凸起的宽度为1000nm。
第二环形谐振腔14内设置有圆形金属电极7，第二环形谐振腔14外环绕设置有一对金属电极6。第二环形谐振腔14由环形的波导构成，该波导采用铌酸锂材料制成，该波导的横截面为凸字形。该波导的高度为760nm，其中，该波导的顶部凸起的高度为460nm，该波导的顶部凸起的宽度为1000nm。
如图2所示，为本发明第一模斑转换器4的结构图，第一模斑转换器4包括氮氧化硅输入波导41、嵌入在氮氧化硅输入波导41内的倏逝波波导42、与倏逝波波导42连接的过渡波导43。倏逝波波导42和过渡波导43均采用铌酸锂材料。倏逝波波导42采用渐变的结构，该倏逝波波导42的截面为方形，该倏逝波波导42的厚度为760nm，该倏逝波波导42的宽度从氮氧化硅输入波导41内到外由100nm渐变到1000nm。过渡波导43的横截面由方形渐变成凸字形。
输入端波导2、级联波导5、输出端波导11的横截面均为凸字形。
环路镜8采用氮氧化硅材料，环路镜8的横截面为方形，横截面可采用3μm*3μm的正方形。
本发明复合谐振腔采用铌酸锂材料，具有很好的电光效应。X-cut铌酸锂薄膜当光路沿着y方向传播，电场方向为z方向，其电光系数r33可达30.8pm/V。
本发明使用LN材料(即铌酸锂材料)设计制作一种激光器外腔。利用LN材料的电光效应，制作高速波长调谐的外腔激光器。本发明中滤波结构均由使用LN材料，根据LN材料的折射率计算出合适的尺寸，从而在某一波长点实现谐振滤波。再通过所述SSC结构与SOA耦合，SOA增益谱线覆盖LN谐振波长，在谐振波长点发生激射从而产生激光。
本发明中所述电极主要设计作用在滤波结构上，通过对电极施加电压的不同改变电场，从而改变LN材料的折射率以及滤波结构的谐振波长，达到调谐波长的目的。
SOA(semiconductor optical amplifier，半导体光学放大器)芯片受激辐射向图中外腔结构输入工作光，通过附图2中第一模斑转换器4(SSC，spot size converter)结构连接SOA芯片，使用此SSC结构进行模斑转换，可以减少LN波导直接与SOA芯片之间的耦合而产生的耦合损耗，这是因为SiON波导41与SOA输出光模斑大小有较好的匹配度。光从SiON波导41输入，由于LN材料的折射率高于SiON波导41，光逐渐限制在LN波导42中，LN波导42宽度渐变的设计可以避免光模式突变带来的较大插损。
光路低损耗通过SSC后被限制在LN方形波导中，再经由一段过渡波导43使LN方形波导逐渐过渡为凸型脊波导。光在该脊波导中传输，从输入波导耦合至复合谐振器中。
LN波导(即第一环形谐振腔13)与电极(一对金属电极1和圆形金属电极3)共同组成滤波可调结构，利用环形谐振器选频。由于双环长度不同，可以在选频反馈中产生游标效应。每个环谐振器的反馈光谱都有固定的自由光谱范围(FSR)，两个环谐振器FSR的略微不同使两环共同工作时的FSR是双环分别FSR的倍数，获得复合谐振腔的选频光谱。
光路沿着外腔传播，从LN脊波导结构组成的第二环形谐振腔14中输出至第二模斑转换器12中，光模场从LN倏逝波结构中逐渐扩散至SiON波导中，再经由SiON材料的环路镜回到谐振腔。SOA与环路镜之间形成回路，SOA可在一定波长范围内提供光增益，补偿光信号在回路中传播而产生的损耗。光波在其中来回震荡放大选频激射。
由于LN材料的电光效应，电极加载在脊波导两边，施加电压后在波导左右形成电场，通过电场作用旋转LN内分子结构极化方向改变LN材料折射率，从而改变复合谐振腔的选频光谱，最终改变激射波长，实现出射光可调。
由lumerical光学仿真软件中的modesolution与interconnect模块仿真，首先由mode仿真LN波导脊结构参数及其折射率，用测试LN调制器得到的相位随电压的变化得到折射率随电压的变化，生成折射率随电压变化的文件导入interconnect中，对设计外腔进行建模。得到如下仿真结果，其结果图3所示。在此仿真模拟中，得到～10nm的激光调谐范围，边模抑制比(SMSR)～20dB。V1,V2分别是两个环调制区域的加载电压。LN调制器电光带宽可达100GHz以上，即此激光器外腔可实现ns级调谐。

Claims (10)

1.一种采用铌酸锂材料制成的波长高速调谐的激光器，其特征在于，包括：
铌酸锂薄膜芯片；
设置在所述铌酸锂薄膜芯片上的第一模斑转换器；
与所述第一模斑转换器连接的复合谐振腔，所述的复合谐振腔采用铌酸锂材料。
2.根据权利要求1所述的采用铌酸锂材料制成的波长高速调谐的激光器，其特征在于，所述的复合谐振腔包括：
与所述模斑转换器1连接的输入端波导；
与所述输入端波导耦合连接的第一环形谐振腔；
与所述第一环形谐振腔耦合连接的级联波导；
与所述级联波导连接的第二环形谐振腔；
与所述第二环形谐振腔连接的输出端波导；
与所述输出端波导连接的第二模斑转换器；
与所述第二模斑转换器连接的环路镜。
3.根据权利要求1所述的采用铌酸锂材料制成的波长高速调谐的激光器，其特征在于，所述的铌酸锂薄膜芯片包括硅衬底、设置硅衬底的SiO2埋氧层以及设置在所述SiO2埋氧层上的铌酸锂薄膜。
4.根据权利要求1所述的采用铌酸锂材料制成的波长高速调谐的激光器，其特征在于，所述第一环形谐振腔内设置有圆形金属电极，所述第一环形谐振腔外环绕设置有一对金属电极。
5.根据权利要求4所述的采用铌酸锂材料制成的波长高速调谐的激光器，其特征在于，所述的第一环形谐振腔由环形的波导构成，该波导采用铌酸锂材料制成，该波导的横截面为凸字形。
6.根据权利要求1所述的采用铌酸锂材料制成的波长高速调谐的激光器，其特征在于，所述第二环形谐振腔内设置有圆形金属电极，所述第二环形谐振腔外环绕设置有一对金属电极。
7.根据权利要求6所述的采用铌酸锂材料制成的波长高速调谐的激光器，其特征在于，所述的第二环形谐振腔由环形的波导构成，该波导采用铌酸锂材料制成，该波导的横截面为凸字形。
8.根据权利要求1所述的采用铌酸锂材料制成的波长高速调谐的激光器，其特征在于，所述的第一模斑转换器包括氮氧化硅输入波导、嵌入在所述氮氧化硅输入波导内的倏逝波波导、与所述倏逝波波导连接的过渡波导。
9.根据权利要求8所述的采用铌酸锂材料制成的波长高速调谐的激光器，其特征在于，所述的倏逝波波导和过渡波导均采用铌酸锂材料；
所述的倏逝波波导采用渐变的结构，该倏逝波波导的截面为方形；
所述的过渡波导的横截面由方形渐变成凸字形。
10.根据权利要求1所述的采用铌酸锂材料制成的波长高速调谐的激光器，其特征在于，所述的输入端波导、级联波导、输出端波导的横截面均为凸字形。
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