CN111342342A - 集成迈克尔逊干涉仪-双程放大器的iii-v/硅基端面耦合外腔激光器 - Google Patents

Abstract

一种集成迈克尔逊干涉仪‑双程放大器的III‑V/硅基端面耦合外腔激光器，该外腔激光器的反射型半导体光放大器芯片的一个增益通道通过硅基光斑尺寸转换器连接到硅基移相器，之后再经过两个微环谐振腔级联构成的窄带滤波器，连接到环形反射镜，以此构成硅基外腔激光器。为了增加输出光功率，反射镜的输出端经过一个移相器连接到迈克尔逊干涉仪。该迈克尔逊干涉仪由硅基定向耦合器与反射型半导体光放大器芯片的另外两个增益通道端面对准构成。本发明能同时实现激光器的窄线宽和高功率，增益芯片和硅芯片只通过一个端面耦合，具有结构紧凑、封装简单和可靠性高的优点。

Description

集成迈克尔逊干涉仪-双程放大器的III-V/硅基端面耦合外 腔激光器

技术领域

本发明涉及光通信的集成光学领域，特别是一种集成迈克尔逊干涉仪-双程放大器的III-V/硅基端面耦合外腔激光器。

背景技术

窄线宽、高功率激光器在相干光通信，光学传感，激光雷达，微波光子学等领域有重要应用。当前的商用固态激光器、光纤激光器、半导体空间光外腔激光器虽然在性能上能够满足要求，但在尺寸、体积、功耗等方面无法与半导体激光器相媲美。

半导体激光器的线宽受诸多因素影响，根据Schawlow-Townes公式，分布式反馈(DFB)半导体激光器线宽很难降到100kHz以下，这是因为其用来减小线宽的光栅要么刻蚀在增益芯片的包层中，要么刻蚀在增益芯片的有源区当中，而在III-V材料中，线宽会因为波导折射率和相位变化以及增益-折射率耦合而变宽，这源于内部光场强度变化，除此之外，激光器内部无法避免的自发辐射也会带来一定程度的光场相位和强度改变，它们都会使线宽出现不同程度的展宽。相较于DFB激光器，III-V/硅基外腔激光器将谐振腔拓展至硅光芯片中，增大了激光器的Q值，脱离光放大区域的外腔由于其对空间变化和相位/增益变化不敏感，且谐振腔腔长可由无源波导长度控制，从而可以大幅减小线宽。

从工艺角度看，可以通过片上异质集成和端面对接耦合两种方式完成III-V材料和硅基外腔集成。前者具有集成密度高、封装成本低等优势，但是其技术门槛高，散热性弱，成品率较低；另一方面，对于集成规模不大的应用场合，端面对接耦合由于芯片单独优化和提前测试，可以保证性能和良品率，其较好的散热性不仅可以提高峰值功率，还可以减小热串扰。

对于硅基外腔滤波器，常见的是基于双微环游标效应的结构，该结构利用两个微环自由光谱范围(FSR)微小的差异，扩展滤波器的FSR。通过将整个激光器的法珀腔模式对准滤波器峰值波长，一方面通过微环谐振增加腔长，另一方面通过窄带滤波器限制增益，进而得到线宽窄、边模抑制比(SMSR)高的激光。

然而，当III-V增益芯片运行在较高泵浦状态时，SMSR会随着泵浦电流的进一步增大而减小，这意味着SMSR和高功率存在制约关系。另一方面，硅波导受双光子吸收的影响，其波导功率上限较低(对于500nm×220nm波导尺寸，峰值功率在100mW左右)，这进一步限制了激光输出功率的增长。

在激光器输出端串接光放大器(Booster)将激光进行放大，一方面可以将上述SMSR和功率的制约关系进行解耦，另一方面可以规避硅基波导功率限制的问题，因此是提高输出功率的常见思路，日本NEC公司、美国Neo Photonics公司基于这种方法，有效地提高了输出功率。然而，前两者的激光输出处于增益芯片端，其串接Booster后，功率没有直接输出于硅基芯片，不能够直接利用，若在Booster后集成硅光芯片，则需要四个芯片对接耦合，这不仅使得封装成本高，同时也容易降低芯片系统的可靠性。

为了能够将放大的激光回馈到硅光回路，美国的Bell实验室将定向耦合器放置于III-V增益芯片中，之前由硅芯片出射的窄线宽激光可通过定向耦合器的一端波导耦合进入该III-V增益芯片当中，再通过该增益芯片中的定向耦合器的另一端波导耦合进入硅芯片的其他光学回路，整个过程使用了两次耦合，较上述方案有较为明显的优势。然而，一方面，定向耦合器工艺容差小，芯片切割带来的误差也容易影响到分光比例，另一方面，如果定向耦合器采用和Booster部分同样的波导结构，则较近的通道间隔使得散热问题严重，如果定向耦合器采用和Booster部分不一样的波导结构，即无源波导，那么会显著增加工艺成本。

发明内容

本发明提供一种集成迈克尔逊干涉仪-双程放大器的III-V/硅基端面耦合外腔激光器，该外腔激光器的反射型半导体光放大器芯片的一个增益通道通过硅基光斑尺寸转换器连接到硅基移相器，之后再经过两个微环谐振腔级联构成的窄带滤波器，连接到环形反射镜，以此构成硅基外腔激光器。为了增加输出光功率，反射镜的输出端经过一个移相器连接到迈克尔逊干涉仪。该迈克尔逊干涉仪由硅基定向耦合器与反射型半导体光放大器芯片的另外两个增益通道端面对准构成。本发明能同时实现激光器的窄线宽和高功率，增益芯片和硅芯片只通过一个端面耦合，具有结构紧凑、封装简单和可靠性高的优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种集成迈克尔逊干涉仪-双程放大器的III-V/硅基端面耦合外腔激光器，其特点在于包括反射型半导体光放大器阵列、第一光斑尺寸转换器、第二光斑尺寸转换器、第三光斑尺寸转换器、第一移相器、第二移相器、第三移相器、第四移相器、第一微环滤波器、第二微环滤波器、反射镜和定向耦合器；所述反射型半导体光放大器阵列的第一增益通道、第二增益通道和第三增益通道分别与所述硅芯片上的第一光斑尺寸转换器、第二光斑尺寸转换器、第三光斑尺寸转换器的左端对接耦合，所述的第一光斑尺寸转换器、第二光斑尺寸转换器、第三光斑尺寸转换器的右端与所述的第一移相器、第二移相器、第三移相器的左端相连，所述的第二移相器、第三移相器的右端分别与所述的定向耦合器左侧端口的两根波导相连，所述的第一移相器的右端与所述第一微环滤波器的输入端相连；所述的第一微环滤波器的输出端与所述第二微环滤波器的输入端相连，所述第二微环滤波器的输出端与所述反射镜的输入端相连，所述的反射镜的输出端经过第四移相器与所述的定向耦合器的右侧端口的一根波导相连，该定向耦合器右侧端口的另一根波导即为激光的输出端。

所述的反射型半导体光放大器阵列的第一增益通道、第二增益通道和第三增益通道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％。

所述的定向耦合器分光比为50：50。且该定向耦合器也可以用相同效果的2×2的多模干涉仪和其他具有2×2通道耦合功能的绝热定向耦合器代替。

所述的半导体光放大器阵列和硅芯片通过对接耦合进行对准并封装在一起。

在上述技术方案的基础上，通过调节所述的移相器、所述的第一微环滤波器及所述的第二微环滤波器，激光器法珀腔与游标效应的微环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，所述的微环的自由光谱范围通过公式

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，n_g为微环的波导群折射率，L_r为微环的周长。所述的第一微环滤波器和第二微环滤波器的FSR略有不同，构成游标效应窄带滤波器。

本发明和现有技术相比，有益效果主要体现在如下方面：

本发明外腔激光器的反射型半导体光放大器芯片的一个增益通道通过硅基光斑尺寸转换器连接到硅基移相器，之后再经过两个微环谐振腔级联构成的窄带滤波器，连接到环形反射镜，以此构成硅基外腔激光器。为了增加输出光功率，反射镜的输出端经过一个移相器连接到迈克尔逊干涉仪。该迈克尔逊干涉仪由硅基定向耦合器与反射型半导体光放大器芯片的另外两个增益通道端面对准构成。本发明能同时实现激光器的窄线宽和高功率，增益芯片和硅芯片只通过一个端面耦合，具有结构紧凑、封装简单和可靠性高的优点。

对外腔激光器窄线宽和高功率两个指标的关系进行解耦，使得该外腔激光器在实现窄线宽激光的同时能实现高功率输出。

只需半导体光放大器阵列与硅芯片进行一次端面耦合，封装成本低，芯片可靠性高。

经过III-V增益芯片放大后反射回来的光可以在定向耦合器一臂进行电调或热调，减小反射光对激光外腔回路的影响。同时也减小了定向耦合器的工艺容差对激光器性能带来的影响。

附图说明

图1为本发明集成迈克尔逊干涉仪-双程放大器的III-V/硅基端面耦合外腔激光器的结构示意图。

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，本发明集成迈克尔逊干涉仪-双程放大器的III-V/硅基端面耦合外腔激光器，包括反射型半导体光放大器阵列101、第一光斑尺寸转换器102-1、第二光斑尺寸转换器102-2、第三光斑尺寸转换器102-3、第一移相器103-1、第二移相器103-2、第三移相器103-3、第四移相器103-4、第一微环滤波器104、第二微环滤波器105、反射镜106、定向耦合器107；所述反射型半导体光放大器阵列101的第一增益通道、第二增益通道和第三增益通道分别与所述硅芯片上的第一光斑尺寸转换器102-1、第二光斑尺寸转换器102-2、第三光斑尺寸转换器102-3的左端对接耦合，所述的第一光斑尺寸转换器102-1、第二光斑尺寸转换器102-2、第三光斑尺寸转换器102-3)的右端与所述的第一移相器103-1、第二移相器103-2、第三移相器103-3的左端相连，所述的第二移相器103-2、第三移相器103-3的右端分别与所述的定向耦合器107左侧端口的两根波导相连，所述的第一移相器103-1的右端与所述第一微环滤波器104的输入端相连；所述的第一微环滤波器104的输出端与所述第二微环滤波器105的输入端相连，所述第二微环滤波器105的输出端与所述反射镜106的输入端相连，所述的反射镜106的输出端经过第四移相器103-4与所述的定向耦合器107的右侧端口的一根波导相连，该定向耦合器107右侧端口的另一根波导即为激光的输出端。

在图1所述实施例中，所述的反射型半导体光放大器阵列101的三个增益通道左端均设为高反射率(反射率≥90％)，右端设为低反射率(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、105)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，所述的定向耦合器107分光比为50：50。且该定向耦合器也可以用相同效果的2×2的多模干涉仪和其他具有2×2通道耦合功能的绝热定向耦合器代替。

在图1所述实施例中，除反射型半导体光放大器阵列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阵列101和硅芯片通过对接耦合方式进行对准并封装在一起。

在图1所述实施例中，所述的第一微环滤波器104和第二微环滤波器105的自由光谱范围

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，n_g为微环的波导群折射率，L_r为微环的周长。所述的窄通带滤波器104和窄带带通滤波器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

滤波器中心波长可通过微环上的移相器进行调节。

在图1所述实施例中，通过调节移相器103-1、第一微环滤波器104及第二微环滤波器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。

本发明的工作原理为：半导体光放大器(RSOA)阵列芯片101包含三个通道的RSOA，这些RSOA的一侧均镀有高反膜，另一侧均镀有增透膜；硅基芯片包含外腔激光器的外腔和一个2×2耦合器。对半导体光放大器阵列芯片101的第一增益通道加电激励，超过RSOA的阈值电流后从RSOA的低反射端出射的激光通过第一光斑尺寸转换器102-1耦合进入硅芯片，之后经过第一移相器103-1进入第一微环滤波器104的输入端，再从第一微环滤波器104的输出端通过直波导进入第二微环滤波器的输入端，从第二微环滤波器105的输出端输出后进入所述的反射镜106，其中少部分光沿反射镜的输出端直接出射，大部分光反射回之前的光链路。所述的第一光斑尺寸转换器102-1、第一移相器103-1、第一微环滤波器104、第二微环滤波器105、反射镜106便构成了激光器的硅基外腔。窄线宽激光从反射镜的输出端出射后经过一个移相器再进入定向耦合器(该移相器可以帮助消除由于定向耦合器分光不均匀引起的反射对出射窄线宽激光的影响)，定向耦合器另一侧的两根波导分别与第二移相器103-2，第三移相器103-3相连，这两路光之后分别通过第二光斑尺寸转换器102-2，第三光斑尺寸转换器102-3通过端面耦合馈入半导体光放大器阵列101的另外两个增益通道，其中定向耦合器107、第二移相器103-2、第三移相器103-3、第二光斑尺寸转换器102-2，第三光斑尺寸转换器102-3、第二增益通道、第三增益通道构成了“迈克尔逊干涉仪—双程放大器”。激光通过RSOA放大增加了出射光功率，最终从定向耦合器右侧输出端口波导输出。

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)

1.一种集成迈克尔逊干涉仪-双程放大器的III-V/硅基端面耦合外腔激光器，其特征在于包括反射型半导体光放大器阵列(101)、第一光斑尺寸转换器(102-1)、第二光斑尺寸转换器(102-2)、第三光斑尺寸转换器(102-3)、第一移相器(103-1)、第二移相器(103-2)、第三移相器(103-3)、第四移相器(103-4)、第一微环滤波器(104)、第二微环滤波器(105)、反射镜(106)和定向耦合器(107)；所述反射型半导体光放大器阵列(101)的第一增益通道、第二增益通道和第三增益通道分别与所述硅芯片上的第一光斑尺寸转换器(102-1)、第二光斑尺寸转换器(102-2)、第三光斑尺寸转换器(102-3)的左端对接耦合，所述的第一光斑尺寸转换器(102-1)、第二光斑尺寸转换器(102-2、第三光斑尺寸转换器(102-3)的右端与所述的第一移相器(103-1)、第二移相器(103-2)、第三移相器(103-3)的左端相连，所述的第二移相器(103-2)、第三移相器(103-3)的右端分别与所述的定向耦合器(107)左侧端口的两根波导相连，所述的第一移相器(103-1)的右端与所述第一微环滤波器(104)的输入端相连；所述的第一微环滤波器(104)的输出端与所述第二微环滤波器(105)的输入端相连，所述第二微环滤波器(105)的输出端与所述反射镜(106)的输入端相连，所述的反射镜(106)的输出端经过第四移相器(103-4)与所述的定向耦合器(107)的右侧端口的一根波导相连，该定向耦合器(107)右侧端口的另一根波导即为激光的输出端。

2.如权利要求1所述的集成迈克尔逊干涉仪-双程放大器的III-V/硅基端面耦合外腔激光器，其特征在于：所述的反射型半导体光放大器阵列(101)的第一增益通道、第二增益通道和第三增益通道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阵列(101)的增益波长处于通信波段，用III-V量子阱或量子点材料实现。

3.如权利要求1所述的集成迈克尔逊干涉仪-双程放大器的III-V/硅基端面耦合外腔激光器，其特征在于，所述的第一光斑尺寸转换器(102-1)、第二光斑尺寸转换器(102-2)、第三光斑尺寸转换器(102-3)采用倒锥耦合器、悬空波导耦合器实现。

4.如权利要求1所述的集成迈克尔逊干涉仪-双程放大器的III-V/硅基端面耦合外腔激光器，其特征在于，所述的第一移相器(103-1)、第二移相器(103-2)、第三移相器(103-3)、第四移相器(103-4)采用热光移相器或电光移相器。

5.如权利要求1所述的集成迈克尔逊干涉仪-双程放大器的III-V/硅基端面耦合外腔激光器，其特征在于：所述的反射镜(106)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所述的集成迈克尔逊干涉仪-双程放大器的III-V/硅基端面耦合外腔激光器，其特征在于：所述的定向耦合器(107)分光比为50：50，该定向耦合器可以用相同效果的2×2的多模干涉器和其它具有2×2通道耦合功能的绝热定向耦合器代替。

7.如权利要求1至6任一项所述的集成迈克尔逊干涉仪-双程放大器的III-V/硅基端面耦合外腔激光器，其特征在于：除所述的反射型半导体光放大器阵列(101)外，其余部件都可由硅波导实现，半导体光放大器阵列和硅芯片通过对接耦合的方式进行对准并封装在一起。

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