CN110768103A - 一种集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜，其有助于压窄线宽、结构简单、尺寸小、调谐简便、易于获得高Q值和大的延时、十分适合应用在窄线宽外腔激光器、同时也在其他场景中有潜在的应用价值。这种集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜，在单臂耦合型微环反射镜的微环波导上添加一个亚波长大小的微结构来构成反射点，激励起反向传播的模式，通过反射点引起背向散射耦合，使得部分光能从输入端口输出。还提供了设计方法。

Description

一种集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜及其设计方法
技术领域
本发明涉及光通信和光电子的技术领域，尤其涉及一种集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜，以及该微环反射镜的设计方法。
背景技术
微环反射镜是集成外腔窄线宽激光器的重要组成部分。通过把高Q微环反射镜与半导体增益放大器或者FP、DFB等商用激光器集成在一起，可以有效地压窄激光器的出射线宽。这主要是因为微环在谐振点处具有较大的群延时(一般Q值越大，群延时越大)，相当于增加了外腔的等效长度。而且，通过调谐微环反射镜的谐振峰位置，还可以改变激光器的出射波长。
已经提出的相关微环反射镜结构包括：多环耦合的单臂耦合型微环反射镜、输入输出耦合的双臂耦合型微环反射镜、基于微环波导侧壁本征瑞利散射的反射镜等。其中多环耦合的单臂耦合型微环反射镜需要对多个微环分别进行波长调谐，复杂度较大；而输入输出耦合的双臂耦合型微环反射镜需要双臂耦合，Q值较单臂耦合型微环反射镜难以提升，且会引入不必要的物理现象或损耗；而基于微环波导侧壁本征瑞利散射的反射镜只有在微环的Q值极高的情况下才能实现，不能普遍应用。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜，其有助于压窄线宽、结构简单、尺寸小、调谐简便、易于获得高Q值和大的延时、十分适合应用在窄线宽外腔激光器、同时也在其他场景中有潜在的应用价值。
本发明的技术方案是：这种集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜，在单臂耦合型微环反射镜的微环波导上添加一个亚波长大小的微结构来构成反射点，激励起反向传播的模式，通过反射点引起背向散射耦合，使得部分光能从输入端口输出。
本发明在单臂耦合型微环反射镜的微环波导上添加一个亚波长大小的微结构来构成反射点，激励起反向传播的模式，两种传播方向的模式(顺时针传播和逆时针传播)通过反射点引起背向散射耦合，使得部分光能从输入端口输出，从而实现光的微环反射镜功能，由于只有单臂耦合且添加了反射点，腔的群延时相比于双臂耦合的情况大约增加了一倍，相当于获得更长的等效腔长，有助于压窄线宽，易于获得高Q值和大的延时，十分适合应用在窄线宽外腔激光器，同时也在其他场景中有潜在的应用价值；由于仅由一个亚波长大小的微结构构成，因此可以免去独立调谐多腔的困扰，调谐简便；由于是在现有微环波导上添加一个亚波长大小的微结构，所以这种微环反射镜结构简单，尺寸小。
还提供了一种集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜的设计方法，该亚波长大小的微结构通过在波导内进行版图设计，单次曝光刻蚀出来。
附图说明
图1示出了根据本发明的集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜的结构示意图。
图2a示出了圆形的微结构；图2b示出了条形的微结构；图2c示出了断裂型的微结构。
图3示出了圆形的微结构与耦合系数之间的关系。
图4示出了圆形的微结构与损耗之间的关系。
图5示出了根据本发明的一个具体的集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜的结构示意图。
图6示出了图5的微环反射镜的输入端和输出端的传输响应。
图7示出了根据本发明的另外一个具体的集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜的结构示意图。
图8示出了图7的微环反射镜的输入端和输出端的传输响应。
具体实施方式
如图1所示，这种集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜，这种集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜，在单臂耦合型微环反射镜的微环波导上添加一个亚波长大小的微结构来构成反射点，激励起反向传播的模式，通过反射点引起背向散射耦合，使得部分光能从输入端口输出。
本发明在单臂耦合型微环反射镜的微环波导上添加一个亚波长大小的微结构来构成反射点，激励起反向传播的模式，两种传播方向的模式(顺时针传播和逆时针传播)通过反射点引起背向散射耦合，使得部分光能从输入端口输出，从而实现光的微环反射镜功能，由于只有单臂耦合且添加了反射点，腔的群延时相比于双臂耦合的情况大约增加了一倍，相当于获得更长的等效腔长，有助于压窄线宽，易于获得高Q值和大的延时，十分适合应用在窄线宽外腔激光器，同时也在其他场景中有潜在的应用价值；由于仅由一个亚波长大小的微结构构成，因此可以免去独立调谐多腔的困扰，调谐简便；由于是在现有微环波导上添加一个亚波长大小的微结构，所以这种微环反射镜结构简单，尺寸小。
优选地，亚波长反射点的形状在满足加工条件的情况下是任意的。例如，所述微结构为圆形(如图2a所示)、条形(如图2b所示)、或者断裂型(如图2c所示)的亚波长结构。
具体的亚波长反射点形状和尺寸需要根据具体的集成平台和需求来设计。亚波长反射点引入的散射情况用耦合系数和损耗来表征。耦合系数表示顺时针(逆时针)光经过一次亚波长反射点转化为逆时针(顺时针)光的比例，即两种旋向的光的耦合强弱；损耗表示，光经过亚波长反射点除了转化为两种旋向的光外引入的损耗(其他方向的散射，没有有效转化为需要的模式)。而且，背向的耦合系数与损耗往往成正相关关系，即两种旋向的光耦合越强，要求反射点尺寸越大，但是同时损失掉的能量就会越多，对于微环来说Q值就会相应降低。因此，需要仔细设计亚波长反射点的形状和尺寸，以期在获得足够反射能量的同时减小光能量的额外损失。
优选地，该集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜为：在1.4um宽，0.2um厚的氮化硅微环波导中央上设置一个圆形的微结构，该微结构的半径小于等于0.3um。
具体地，该集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜为：在1.4um宽，0.2um厚的氮化硅微环波导中央上设置一个圆形的微结构，该微结构的半径等于0.1um。
针对0.2um的氮化硅波导，用于窄线宽激光器的最优的圆形反射点就是半径0.2um。针对其他的应用要具体设计。
假设1.4um宽，0.2um厚的氮化硅波导中央上有一个圆形缺陷，那么可以得到此缺陷导致的背向散射和前向透过的光的比例与断裂缺陷的长度如图3所示。
从图3、4可以看出，随着圆形亚波长结构尺寸的增大，前向透过比例在减小，而背向散射的比例在增大。但是当反射点尺寸过大之后，由于向其他方向的比例在增大，因此损耗也会增大。
优选地，在2.8um宽，0.1um厚的氮化硅微环波导上，微环反射镜为半径600um的圆形，微环和波导的耦合间距为0.9um，反射点为条形结构0.5*0.2um。
以下介绍两个具体的实施例。
如图5所示，该微结构设在0.2um厚的氮化硅平台(平台可以为其他的，此处仅仅是为了举例说明，而不代表限定)上，微环波导为跑道型(可以不是跑道型的，此处仅仅是为了举例说明，而不代表限定)，宽度为1.4um，微环的半径为125um，跑道型微环波导的直波导长度为250um，微环的耦合间距为0.8um，该微结构为圆形，设在跑道型微环波导的直波导上，直径为0.2um。在这个结构中并不是耦合系数越大越好，耦合系数大意昧着额外的光损失也会越大，不利于Q值的提高。另外，以上所说的具体尺寸并不是唯一的，只是举一个例子。
如果微环波导上没有这个亚波长反射点，那么这就是一个单纯的单臂耦合型微环，入射端口没有反射光；但是在添加了这个反射点之后，光每经过一次就会有很小一部分向相反传播方向的模式进行耦合，当光在微环内多次反射耦合之后，就会存在两个稳定的旋向相反的模式。此时，入射口和出射口都会有光输出，因此可以作为反射镜。两个端口的传输响应如图6所示。
在添加了圆形缺陷之后，可以看到微环在输入端口有明显的光反射。这个反射镜的插入损耗为2.6dB，Q值达到了1.1*105，因此可以很好的满足窄线宽外腔激光器对于外腔的要求。而且，由于只有单臂耦合且添加了反射点，腔的群延时相比于双臂耦合的情况大约增加了一倍，相当于获得更长的等效腔长，有助于压窄线宽。由于仅由一个微环构成，因此可以免去独立调谐多腔的困扰。这种亚波长反射点辅助的微环反射镜结构简单，尺寸小，调谐简便，易于获得高Q值和大的延时，十分适合应用在窄线宽外腔激光器，同时也在其他场景中有潜在的应用价值。
对于100nm厚的氮化硅，给出一种比较合适的基于微结构反射点的反射镜设计。
波导宽度为2.8um，微环反射镜为半径600um的圆形，微环和波导的耦合间距为0.9um，反射点为条形结构(0.5*0.2um)。结构如图7所示。
此反射点引起的反射系数为2.72e-4，而每经过一次该反射点，损失的能量大约为0.2％。
由于这个反射点，在输入端也会有反射光产生，如图8所示。反射光的插损为3.8dB，Q值达到4.6e5。同样非常适合作为窄线宽微环的反射镜。
还提供了一种集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜的设计方法，该亚波长大小的微结构通过在波导内进行版图设计，单次曝光刻蚀出来。
优选地，通过加热电极对该微环反射镜的反馈波长进行调谐，在芯片的表面生长刻蚀出加热电极，通过改变加热电极的电压可以改变加热电极周围局部的温度，热量扩散到波导处就可以相应改变波导的折射率，进而改变微环反射镜的中心波长。
或者，通过压光调谐或电光调谐对该微环反射镜的反馈波长进行调谐。其他所有的调谐方式对提出的微环反射镜同样适用，结构本身不限定调谐方式。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜，其特征在于：在单臂耦合型微环反射镜的微环波导上添加一个亚波长大小的微结构来构成反射点，激励起反向传播的模式，通过反射点引起背向散射耦合，使得部分光能从输入端口输出。
2.根据权利要求1所述的集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜，其特征在于：所述微结构为圆形、条形、或者断裂型的亚波长结构。
3.根据权利要求2所述的集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜，其特征在于：在1.4um宽，0.2um厚的氮化硅微环波导中央上设置一个圆形的微结构，该微结构的半径小于等于0.3um。
4.根据权利要求3所述的集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜，其特征在于：在1.4um宽，0.2um厚的氮化硅微环波导中央上设置一个圆形的微结构，该微结构的半径等于0.1um。
5.根据权利要求3所述的集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜，其特征在于：在1.4um宽，0.2um厚的氮化硅微环波导中央上设置一个圆形的微结构，该微结构的半径等于0.2um。
6.根据权利要求1所述的集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜，其特征在于：该微结构设在氮化硅平台上，微环波导为跑道型，宽度为1.4um，微环的半径为125um，跑道型微环波导的直波导长度为250um，微环的耦合间距为0.8um，该微结构为圆形，设在跑道型微环波导的直波导上，直径为0.2um。
7.根据权利要求2所述的集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜，其特征在于：在2.8um宽，0.1um厚的氮化硅微环波导上，微环反射镜为半径600um的圆形，微环和波导的耦合间距为0.9um，反射点为条形结构0.5*0.2um。
8.一种根据权利要求1所述的集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜的设计方法，其特征在于：该亚波长大小的微结构通过在波导内进行版图设计，单次曝光刻蚀出来。
9.根据权利要求8所述的集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜的设计方法，其特征在于：通过加热电极对该微环反射镜的反馈波长进行调谐，在芯片的表面生长刻蚀出加热电极，通过改变加热电极的电压来改变加热电极周围局部的温度，热量扩散到波导处相应改变波导的折射率，进而改变微环反射镜的中心波长。
10.根据权利要求8所述的集成外腔窄线宽激光器的微环反射镜的设计方法，其特征在于：通过压光调谐或电光调谐对该微环反射镜的反馈波长进行调谐。
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