CN111463657A - 可调谐激光器 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种可调谐激光器，能够减少激光器线宽以及降低功耗。该激光器包括：包括多个组件和复合环形结构，多个组件包括：前反射镜、增益区、相位区和后反射镜，其中前反射镜和后反射镜中的至少一个采用热悬空反射镜结构；复合环形结构包括环形谐振器、第一2×2耦合器、第二2×2耦合器、第一直波导、第二直波导、第三直波导以及第四直波导，其中复合环形结构的输入端口和下载端口沿着光从前反射镜至后反射镜的传输方向，耦合至多个组件中的任意两个相邻组件之间。

Description

可调谐激光器
技术领域
本申请涉及光学领域，尤其涉及可调谐激光器。
背景技术
在光通信领域，可调谐激光器(tunable laser,TL)是指输出波长可在一定范围内进行调节的激光器。可调谐激光器主要应用于大容量波分复用传输系统中。随着信息量爆炸式增长，通信市场规模持续快速膨胀。为了进一步提高带宽，相干调制技术被广泛应用，并成为高速率长距离光传输的业界主流方案。其中，单片集成可调谐激光器具有体积小、集成度高等优点，因此成为当前光通信领域的主流技术。较为经典的单片可调谐激光器通常由前反射镜、增益区、后反射镜以及相位区四个区域组成。但是当前的单片可调谐激光器在实现窄线宽的输出时面临着瓶颈。例如，当前的单片可调谐激光器很难实现窄线宽的输出，例如，100千赫兹(kilohertz,kHz)，甚至50KHz以下的线宽。
发明内容
本申请提供一种可调谐激光器，能够减少激光器的线宽以及降低功耗。
第一方面，提供了一种可调谐激光器，包括多个组件和复合环形结构，所述多个组件包括：前反射镜、增益区、相位区和后反射镜，所述增益区耦合至所述前反射镜，所述相位区耦合至所述增益区，使得所述增益区位于所述相位区以及所述前反射镜之间，所述后反射镜耦合至所述相位区，使得所述相位区位于所述后反射镜与所述增益区之间，其中所述前反射镜和所述后反射镜中的至少一个采用热悬空反射镜结构；所述复合环形结构包括环形谐振器、第一2×2耦合器、第二2×2耦合器、第一直波导、第二直波导、第三直波导以及第四直波导，所述环形谐振器通过所述第一2×2耦合器耦合至所述第一直波导和所述第三直波导，以及通过所述第二2×2耦合器耦合至所述第二直波导和所述第四直波导，所述第一直波导的第一端为所述复合环形结构的输入端口，所述第二直波导的第一端为所述复合环形结构的下载端口，所述第三直波导的第一端为所述复合环形结构的直通端口以及所述第四直波导的第一端为所述复合环形结构的上载端口，其中所述复合环形结构的输入端口和下载端口沿着光从所述前反射镜至后反射镜的传输方向，耦合至所述多个组件中的任意两个相邻组件之间。
在本申请实施例中，与传统的四段式可调谐激光器相比，在激光器的谐振腔内增加了复合环形结构，以增加激光器谐振腔的有效腔长，从而能够减少激光器的线宽。并且，激光器中的前反射镜和/或后反射镜可以采用热悬空反射镜结构，该结构能够提高反射镜结构的热调谐效率，有利于降低可调谐激光器的整体功耗。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，从下至上依次层叠的衬底层、支撑层、下包层、波导层、上包层和加热器层；所述热悬空反射镜结构还包括超结构光栅，所述超结构光栅沿着光在所述波导层中的传播方向设置在所述上包层与所述下包层之间，所述加热器层位于所述上包层的上表面上与所述超结构光栅正对的区域；所述支撑层包括第一子支撑层和第二子支撑层，所述第一子支撑层和所述第二子支撑层沿着光在所述波导层中的传播方向位于所述衬底层的上表面的两侧，所述衬底层、所述第一子支撑层、第二子支撑层和所述下包层之间形成沿着光在所述波导层中的传播方向延伸的空腔，沿着光在所述波导层中的传播方向在所述上包层的上表面上设置有第一列开口和第二列开口，所述第一列开口和所述第二列开口分别位于所述上包层的上表面上与所述超结构光栅正对的区域的两侧，所述第一列开口和所述第二列开口分别包括多个开口，每个所述开口向下穿透所述上包层、所述波导层和所述下包层到达所述空腔，所述空腔上方位于所述第一列开口与所述第二列开口之间的区域形成悬空结构，所述第一列开口中相邻的两个开口之间的区域、以及所述第二列开口中相邻的两个开口之间的区域，形成所述悬空结构的侧向支撑结构。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述超结构光栅位于所述上包层中；或所述超结构光栅位于所述下包层中；或所述超结构光栅位于所述波导层中。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，第一侧向支撑结构对应于所述超结构光栅中的第一空间周期的第一区域，第二侧向支撑结构对应于所述超结构光栅中的第二空间周期的第二区域，所述第一区域在所述第一空间周期中的相对位置与所述第二区域在所述第二空间周期中的相对位置不同，所述第一侧向支撑结构和所述第二侧向支撑结构为位于所述悬空结构同一侧的多个支撑结构中的任意两个侧向支撑结构，其中所述第一空间周期或所述第二空间周期是位于所述超结构光栅上的相同的或不同的空间周期，所述空间周期是所述超结构光栅的调制函数的周期在所述超结构光栅上对应的距离。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，第三侧向支撑结构对应于所述超结构光栅中的第三空间周期的第三区域，第四侧向支撑结构对应于所述超结构光栅中的所述第三空间周期的第四区域，所述第三区域在所述第三空间周期中的相对位置与所述第四区域在所述第三空间周期中的相对位置不同，所述第三侧向支撑结构和所述第四侧向支撑结构为位于所述悬空结构同一侧的多个支撑结构中的任意两个侧向支撑结构，其中所述第三空间周期是位于所述超结构光栅上的空间周期，所述空间周期是所述超结构光栅的调制函数的周期在所述超结构光栅上对应的距离。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述复合环形结构的输入端口耦合至所述前反射镜，所述复合环形结构的下载端口耦合至所述增益区；或，所述复合环形结构的输入端口耦合至所述增益区，所述复合环形结构的下载端口耦合至所述相位区；或，所述复合环形结构的输入端口耦合至所述相位区，所述复合环形结构的下载端口耦合至所述后反射镜。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述激光器还包括第一光探测器和第二光探测器，所述第一光探测器与所述复合环形结构的直通端口相连，所述第二光探测器与所述复合环形结构的上载端口相连。
在本申请实施例中，通过在可调谐激光器中的复合环形结构的直通端口和上载端口设置第一光探测器和第二光探测器，提高了芯片集成率，节约了芯片成本。能够实现光中止，功率监测或锁波，提高激光器的工作效率。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一光探测器用于监测所述直通端口处的光信号，并输出第一监测信号；所述第二光探测器用于监测所述上载端口处的光信号，并输出第二监测信号。
在本申请实施例中，通过在可调谐激光器中的复合环形结构的直通端口和上载端口设置光探测器，能够实现光中止，功率监测或锁波，提高激光器的工作效率。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，在所述第一监测信号用于锁波的情况下，所述激光器的目标工作波长对应于所述第一监测信号的最小值。
在本申请实施例中，在第一监测信号达到最小值的情况下认为激光器对准所需的目标工作波长，从而根据第一光探测器产生的第一监测信号作为反馈，对激射波长进行微调，从而实现锁波，提高了激光器调节波长的准确性。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述激光器还包括第一半导体光学放大器SOA，所述第一SOA设置于所述前反射镜的出光口处。
在本申请实施例中，通过在激光器中设置SOA，提高了芯片集成率，减少了芯片成本。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述激光器还包括第二SOA，所述第二SOA设置于后反射镜的出光口处。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述激光器还包括第三光探测器，所述第三光探测器设置于所述后反射镜的出光口处。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第三光探测器用于监测所述后反射镜的出光口处的光信号，并输出第三监测信号。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，在所述第三监测信号用于锁波的情况下，所述激光器的目标工作波长对应于所述第三监测信号的最大值。
在本申请实施例中，在第三监测信号达到最大值的情况下认为激光器对准所需的目标工作波长，根据第三光探测器产生的第三监测信号作为反馈，对激射波长进行微调，从而实现锁波，提高了激光器调节波长的准确性。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，在在第一监测信号和所述第三监测信号用于锁波的情况下，所述激光器的目标工作波长对应于所述第三监测信号与所述第一监测信号的最大比值，其中，所述第一监测信号为所述复合环形结构的直通端口处的监测信号。
在本申请实施例中，在第三监测信号与所述第一监测信号的最大比值达到最大值的情况下认为激光器对准所需的目标工作波长，从而根据光探测器产生的第一监测信号和第三监测信号作为反馈，对激射波长进行微调，从而实现锁波，提高了激光器调节波长的准确性。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述激光器还包括扰动区，所述扰动区设置于所述前反射镜与所述后反射镜之间，用于输出周期性的扰动信号，以进行锁波。
在本申请实施例中，通过在激光器的激光腔内设置扰动区，以施加周期性扰动信号，从而实现锁波。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述前反射镜和所述后反射镜具有梳状反射谱。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一2×2耦合器和所述第二2×2耦合器包括以下至少一种：多模干涉MMI耦合器、方向耦合器和光栅辅助的耦合器。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述复合环形结构所在的区域是进行过质子轰击处理的。
在本申请实施例中，在制作可调谐激光器的过程中，可以对复合环形结构所在的区域进行质子轰击处理，从而减小载流子的寿命，避免高光强下复合环形结构所在的区域发生严重的非线性效应。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述前反射镜、所述增益区、所述相位区、所述后反射镜以及所述复合环形结构集成在同一衬底上。
在本申请实施例中，上述激光器的激光腔中的所有模块均可集成在同一衬底上，即实现单片集成，从而提高芯片集成率，减少芯片成本。
第二方面，提供了一种光学芯片，包括第一方面或第一方面中的任一种可能的实现方式中的激光器。
附图说明
图1是本申请实施例的可调谐激光器的结构示意图。
图2是本申请实施例的梳妆反射谱的示意图。
图3是本申请又一实施例的可调谐激光器的结构示意图。
图4是本申请实施例的复合环形结构的耦合器使用方向耦合器时的原理示意图。
图5是本申请又一实施例的复合环形结构的耦合器使用方向耦合器时的原理示意图。
图6是本申请实施例的用于可调谐激光器的热悬空反射镜结构的截面示意图。
图7是本申请实施例的用于可调谐激光器的热悬空反射镜结构的俯视图。
图8是本申请另一实施例的用于可调谐激光器的热悬空反射镜结构的俯视图。
图9是本申请实施例的用于可调谐激光器的热悬空反射镜结构的另一截面示意图。
图10是本申请实施例的复合环形结构的示意图。
图11是本申请实施例的复合环形结构的透过率谱的示意图。
图12是本申请又一实施例的复合环形结构的透过率谱示意图。
图13是本申请又一实施例的可调谐激光器的结构示意图。
图14是本申请又一实施例的可调谐激光器的结构示意图。
图15是本申请又一实施例的可调谐激光器的结构示意图。
图16是本申请又一实施例的可调谐激光器的结构示意图。
图17是本申请又一实施例的可调谐激光器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。
为了便于理解，首先介绍可调谐激光器的原理。
图1是可调谐激光器10的结构示意图。如图1所示，可调谐激光器通常包括前反射镜(forward reflection mirror,FM)、增益(gain)区、相位(phase)区以及后反射镜(backward reflection mirror,BM)。这种类型的激光器可以称为四段式激光器。其中增益区为有源区，其禁带宽度较小，一般可以由多量子阱(multiple quantum well,MQW)构成。当增益区受到电注入时，可以将电能转换为光能，从而提供增益。增益区的禁带宽度与激光器的目标输出波长相关。前反射镜和后反射镜的反射谱对波长具有选择性，可以用于进行波长调谐。常用的反射镜类型可以包括分布布拉格反射器(distributed bragreflection，DBR)或者微环。其中DBR光栅可以包括超结构光栅或者取样光栅等。前反射镜和后反射镜的反射谱通常可以采用梳妆反射谱。例如图2是DBR产生的一个典型的梳妆反射谱的示意图。前反射镜和后反射镜的梳妆反射谱的自由光谱范围有一定差，前反射镜和后反射镜可以利用游标效应来放大调谐范围。相位区用于提供相位调节，可以用于微调激光器的激射波长。前反射镜、后反射镜以及相位区都位于无源区。
激光器激射的光不是纯单频光，由于噪声的影响，波长会在单频的基础上左右波动，通常将频谱的3dB宽度称为线宽。当前的单片可调谐激光器无法实现较窄线宽的线宽，例如100kHz甚至50kHz以下的线宽。为了解决上述问题，本申请实施例提出了一种可调谐激光器。该激光器在内部增加了环形谐振器，环形谐振器的透射谱在峰值处由于色散系数较大，等效长度较大，能够增加激光器的腔长，从而能够减少激光器的线宽，实现窄线宽的激光器。
图3是本申请实施例的可调谐激光器30的结构示意图。如图3所示，该激光器30的激光腔包括多个组件和复合环形结构50，所述多个组件包括前反射镜21、增益区22，相位区23和后反射镜24。其中，增益区22耦合至所述前反射镜21；相位区23耦合至所述增益区22，使得所述增益区22位于所述相位区23以及所述前反射镜21之间。复合环形结构50包括环形谐振器58、第一2×2耦合器51、第二2×2耦合器52、第一直波导53、第二直波导54、第三直波导55和第四直波导56。所述环形谐振器58通过第一2×2耦合器51耦合至第一直波导53和第三直波导55，以及通过第二2×2耦合器52耦合至第二直波导54和第四直波导56，所述第一直波导53的第一端为所述复合环形结构50的输入端口，所述第二直波导54的第一端为所述复合环形结构50的下载端口，所述第三直波导55的第一端为所述复合环形结构50的直通端口，所述第四直波导56的第一端为所述复合环形结构50的上载端口，其中所述复合环形结构50的输入端口和下载端口沿着光从所述前反射镜21至后反射镜24的传输方向，耦合至所述多个组件中的任意两个相邻组件之间。
具体地，所述第一直波导53的第二端和所述第三直波导55的第二端分别与所述第一2×2耦合器51的端口相连。所述第二直波导54的第二端和所述第四直波导的第二端分别与所述第二2×2耦合器52的端口相连。
可选地，上述各2×2耦合器可以是2×2方向耦合器，也可以是2×2MMI耦合器，或者也可以是其他类型的2×2耦合器。
例如，图4是本申请实施例的复合环形结构50的耦合器使用方向耦合器时的原理示意图。图4中的虚线框可以表示一种类型的2×2方向耦合器。其中，第一直波导53和第三直波导55可以属于同一直波导，第二直波导54和第四直波导56可以属于同一直波导。环形谐振器58可以由一个完整的环形波导构成。在图4所示的2×2方向耦合器中，直波导和环形谐振器58直接相互耦合，通过调整环形谐振器和直波导之间的距离或者各自的波导的尺寸可以调节耦合系数。如图4的虚线框所示，环形谐振器58的一部分与第一直波导53和第三直波导55相邻构成第一2×2耦合器51；环形谐振器58的一部分与第二直波导54和第四直波导56相邻构成第二2×2耦合器52。
又例如，图5是本申请又一实施例的复合环形结构50的耦合器使用方向耦合器时的原理示意图。图5中的虚线框可以表示另一种类型的2×2方向耦合器。该2×2方向耦合器可以由两个直波导构成。环形谐振器58为跑道形环，包括第一圆弧波导581、第二圆弧波导582、第五直波导57和第六直波导59，所述第一圆弧波导581的两个端分别与第五直波导57的第一端以及第六直波导59的第一端相连接，所述第二圆弧波导582的两个端分别与第五直波导57的第二端以及第六直波导59的第二端端相连接。第二直波导54和第四直波导56可以属于同一直波导，它们的一部分与第五直波导57构成第二2×2耦合器52，通过控制第二直波导54和第四直波导56与第五直波导57之间的距离与各自的波导的尺寸可以调节第二2×2耦合器52的直通耦合系数与交叉耦合系数；第一直波导53和第三直波导55可以属于同一直波导，它们的一部分与第六直波导59构成第一2×2耦合器51。
可选地，本申请实施例对复合环形结构50的位置不作限定，只要其耦合在前反射镜21和后反射镜24之间的光路中即可。例如，所述复合环形结构50可以设置于所述前反射镜21与所述增益区22之间，或者设置于所述增益区22与所述相位区23之间，或者设置于所述相位区23与所述后反射镜24之间。例如，作为一个具体示例，所述复合环形结构50的输入端口耦合至所述相位区23，所述复合环形结构50的下载端口耦合至所述后反射镜24。或者，所述复合环形结构50的输入端口耦合至所述前反射镜21，所述复合环形结构的下载端口耦合至所述增益区22；或，所述复合环形结构的输入端口耦合至所述增益区22，所述复合环形结构的下载端口耦合至所述相位区23。
可选地，上述前反射镜21和后反射镜24具有梳妆反射谱。
可选地，本申请实施例对前反射镜21和后反射镜24的类型不做限定。例如，前反射镜21和后反射镜24可以是超结构光栅、取样光栅、DBR光栅、微环或者其他类型的具有梳妆反射谱的选模滤波器。其中，所述DBR光栅可以是三级离散DBR光栅或者更高级的离散DBR光栅。超结构光栅可以指通过对均匀光栅进行周期性调制并引入相移或者啁啾而取得特定反射率谱的光栅结构。
可选地，前反射镜21、后反射镜24和复合环形结构50可以利用电流注入效应、热效应或者反偏电压信号驱动等原理进行调谐。电流注入效应通常是直接对无源波导加电流，通过调整注入调整电流的大小而调整载流子的浓度，从而实现波导折射率的变化，以进行波长调谐。热调谐通常是在无源结构上放置一个加热器，通过加热器所加热量不同改变波导的折射率，从而实现波长调谐。反偏电压信号驱动是指在被控制波导上施加反偏电压，利用量子限制斯塔克效应或者弗兰之-克尔德什(Franz-Keldysh)效应改变波导折射率，从而实现调谐。在一个示例中，前反射镜21和后反射镜24可以使用热悬空反射镜结构进行热调谐，热悬空反射镜结构通常会在波导底部进行掏空处理，让波导和芯片衬底之间隔离开，增加热阻，从而提高调谐效率，用更小的热可以实现更大的调谐量。
可选地，所述前反射镜21和后反射镜24中的至少一个采用的反射镜结构可以为热悬空反射镜结构。下文结合图6至图9介绍本申请实施例的热悬空反射镜结构。图6是本申请实施例的用于可调谐激光器的热悬空反射镜结构的截面示意图，如图6所示，该热悬空反射镜结构包括：从下到上依次堆叠的衬底层01、缓冲层02、下阻挡层09、支撑层10、上阻挡层11、下包层03、波导层04、上包层05、介质层06和加热器07。
支撑层10包括第一子支撑层10a和第二子支撑层10b，第一子支撑层10a和第二子支撑层10b沿着光在波导层04中的传播方向位于衬底层01的上表面的两侧，此时衬底层01、第一子支撑层10a、第二子支撑层10b和下包层03之间形成沿着光在波导层04中的传播方向延伸的空腔10c。
可选地，第一子支撑层10a和第二子支撑层10b可以不与衬底层01的上表面直接接触，或者也可以与衬底层01的上表面直接接触。在一些示例中，衬底层01和下包层03之间还可以包括更多的层。例如，如图6所示，衬底层01之上还可以设置缓冲层02和，下阻挡层09。因此，第一子支撑层10a和第二子支撑层10b也可以设置为与下阻挡层09的上表面之上。
在一些示例中，第一子支撑层10a和第二子支撑层10b沿着光在波导层04中的传播方向位于下阻挡层09的上表面的两侧，下阻挡层09、第一子支撑层10a、第二子支撑层10b和上阻挡层11之间形成沿着光在波导层04中的传播方向延伸的空腔10c。
在另一些示例中，热悬空反射镜结构中也可以不包括缓冲层02，下阻挡层09和上阻挡层11。相应地，支撑层10直接设置在衬底层01的上表面，即第一子支撑层10a和第二子支撑层10b沿着光在波导层04中的传播方向位于衬底层01的上表面的两侧，此时衬底层01、第一子支撑层10a、第二子支撑层10b和下包层03之间形成沿着光在波导层04中的传播方向延伸的空腔10c。
图6所示热悬空反射镜结构还包括反射镜08(如图6中黑白相间部分所示)。反射镜08可以为超结构光栅(super structure grating,SSG)。超结构光栅沿着光在波导层04中的传播方向设置在下包层03与上包层05的之间，加热器层07位于介质层06的上表面上与超结构光栅08正对的区域。
可选地，超结构光栅可以位于下包层03与上包层05的之间的任何位置，例如，超结构光栅可以位于下包层03中，也可以位于上包层05中，或者可以位于波导层04中。
其中，波导层04用于提供光的低损耗传播通道。上包层05和下包层03的折射率比波导层04低，因此光在波导层04中传播时会形成全反射，这样可以将光能量尽可能限制在波导层中。例如，波导层04可以采用铟镓砷磷(indium gallium arsenide phosphide，InGaAsP)，上包层05和下包层03可以采用磷化铟(indium phosphide，InP)。InP材料的折射率比InGaAsP要低，因此光在波导层04中传播时会形成全反射。
加热器层07放置加热器，用来改变反射镜区域的温度。
介质层06用于防止加热器的电流泄露到上包层05中。介质层05可以采用绝缘材料。例如，介质层05可以采用二氧化硅(silicon dioxide，SiO2)、氧化铝(aluminum oxide，Al2O3)等绝缘材料。
反射镜分布在波导层04与上包层05的界面处(如图2中黑白相间部分所示)。
在进行热调谐的时候，由于热悬空反射镜结构中反射镜区域的有效折射率会随着温度的改变而改变，使得该反射镜的反射峰的波长位置移动，从而对波长进行调谐。
缓冲层02的材料可以为磷化铟(indium phosphide，InP)。在衬底层01和下包层03上设置的缓冲层02用于提供质量更好的InP材料，为其它层材料提供更好的材料基础，从而有利于其它层材料的生长。需要说明的是，也可以不设置缓冲层02，如果不设置缓冲层02，则下包层03直接设置在衬底层01的上表面。
图7和图8分别示出了图6的热悬空反射镜结构的两种俯视图，图7和图8中P1～P7分别对应超结构光栅的一个空间周期。如图7和图8所示，沿着光在波导层04中的传播方向在介质层06的上表面上设置有第一列开口12和第二列开口13，第一列开口12和第二列开口13分别包括多个开口(如图7中所示12-1～12-8,13-1～13-8)，第一列开口12和第二列开口13分别位于介质层06的上表面上与超结构光栅08正对的区域的两侧。图7和图8的区别仅在于开口的形状不同。
如图6所示，第一列开口12和第二列开口13中的每个开口向下穿透介质层06、上包层05、波导层04和下包层03到达空腔10c。这样，该空腔10c上方位于第一列开口12和第二列开口13之间的区域构成悬空结构20，如图6中虚线框内所示。
本申请实施例中的可调谐激光器中的前反射镜21和后反射镜24采用热悬空反射镜结构，其采用超结构光栅作为反射镜，并在该超结构光栅所在区域的周围形成悬空结构，通过利用悬空结构在反射镜和反射镜所在的波导层周围形成热隔离，提高热阻，以减少热量流失，将热量集中在反射镜区域，从而能够提高反射镜结构的热调谐效率，有利于降低可调谐激光器的整体功耗。
可选地，如图6所示，介质层06还可以进一步覆盖第一列开口12和第二列开口13的内壁。例如，介质层06可以覆盖上包层05、波导层04、下包层03和上阻挡层11的侧面。这样能够保护上包层05、波导层04、下包层03和上阻挡层11的侧面不被刻蚀剂腐蚀。但本申请实施例对此并不限定，介质层06可以仅覆盖上包层05的上表面。
需要说明的是，本申请实施例中的热悬空反射镜结构中也可以不设置介质层06，这样，加热层07可以直接设置在上包层05的上表面上。
图6是图7和图8中所示1’-1’截面的示意图，即开口区域的截面示意图。图9是图7和图8中2’-2’截面的示意图，即相邻的开口之间的间隔区域的截面示意图。与图6所示截面相比，图9所示截面区域的上部的介质层06、上包层05、波导层04和下包层03都没有被刻蚀，形成对悬空结构20的侧向支撑结构，以保证整个悬空结构的机械支撑，能够防止悬空结构20塌陷或遭到破坏。因此，每列开口中相邻的两个开口之间的区域可以作为悬空区域20与反射镜结构其他区域之间的侧向支撑。
位于悬空结构20同一侧的侧向支撑结构可以满足以下条件：第一侧向支撑结构对应于超结构光栅中的第一空间周期的第一区域，第二侧向支撑结构对应于超结构光栅中的第二空间周期的第二区域，第一区域在第一空间周期中的相对位置与第二区域在第二空间周期中的相对位置不同。其中，第一侧向支撑结构和第二侧向支撑结构为位于悬空结构20同一侧的多个支撑结构中的任意两个侧向支撑结构。
可选地，超结构光栅的第一空间周期和超结构光栅的第二空间周期可以是位于超结构光栅上的不同的空间周期。例如，第一空间周期可以是图7所示的空间周期P1，第二空间周期可以是图7所示的空间周期P2～P7中的任一个。
需要说明的是，第一区域在第一空间周期中的相对位置与第二区域在第二空间周期中的相对位置不同包括：第一区域到第一空间周期的起始端(或终点端)的距离与第二区域到第二空间周期的起始端(或终点端)的距离不同。
具体地，第一区域到第一空间周期的起始端(或终点端)的距离的计算方法与第二区域到第二空间周期的起始端(或终点端)的距离的计算方法相同。例如，一个区域到一个空间周期的起始端的距离为：该区域的最左端与该空间周期的起始端之间的距离，或该区域最右端与该空间周期的起始端之间的距离。
或者，位于悬空结构20同一侧的侧向支撑结构可以满足以下条件：第三侧向支撑结构对应于所述超结构光栅中的第三空间周期的第三区域，第四侧向支撑结构对应于所述超结构光栅中的所述第三空间周期的第四区域，所述第三区域在所述第三空间周期中的相对位置与所述第四区域在所述第三空间周期中的相对位置不同，所述第三侧向支撑结构和所述第四侧向支撑结构为位于所述悬空结构同一侧的多个支撑结构中的任意两个侧向支撑结构。所述第三空间周期是位于超结构光栅上的一个空间周期。例如，第三空间周期可以是图7所示的7个空间周期P1～P7中的任一个。
在一些实施例中，悬空结构同一侧的任意两个侧向支撑结构在超结构光栅中对应的区域落在超结构光栅的空间周期中的不同位置，可以包括：侧向支撑结构与超结构光栅08的空间周期内的波峰或波谷相错位。这样在热调谐时有利于避免超结构光栅的反射谱的平坦性恶化，从而有利于避免可调谐激光器性能的恶化。超结构光栅的空间周期内的波峰是指该空间周期内超结构光栅的调制函数的极大值，超结构光栅的空间周期内的波谷是指在该空间周期内超结构光栅的调制函数的极小值。
其中，超结构光栅的空间周期指的是：超结构光栅的调制函数的周期在超结构光栅上对应的距离。
加热器加热时，由于侧向支撑区域的热量可以沿着侧向支撑散走，因此与侧向支撑相连的区域的温度比其它区域的温度稍低。当开口之间的侧向支撑与超结构光栅调制函数的峰或者谷相对齐时，开口的数量将与超结构光栅调制函数的周期数相等，此时超结构光栅的性能会出现严重的恶化，此时超结构光栅的反射谱的平坦度非常差，这样容易引起激光器输出功率不均匀、容易跳模、模式缺失等多种性能的恶化。
因此，本申请实施例中，通过使用超结构光栅(super structure grating,SSG)作为反射镜，同时使得超结构光栅所在的悬空结构同一侧的任意两个侧向支撑结构在超结构光栅中对应的区域落在超结构光栅的空间周期中的不同位置，在热调谐时有利于避免超结构光栅的反射谱的平坦性恶化，从而有利于避免可调谐激光器性能的恶化。
可选地，第一列开口12和第二列开口13中的至少一列开口的开口数量与超结构光栅08的调制周期的数量不同。这样有助于进一步避免超结构光栅的反射谱的平坦性恶化，从而可以提升反射镜结构的热调谐性能。
可选地，第一列开口12和第二列开口13中的至少一列开口包括周期性排列的多个开口，且第一列开口12和/第二列开口13中的相邻的任意两个开口之间的距离与超结构光栅的空间周期不同。
这里，周期性排列的多个开口指的是：该多个开口中每个开口的尺寸相等，且每相邻的两个开口之间的距离相等。
下文结合附图10至图12，继续介绍本申请实施例的减少激光器的线宽的原理。
激光器的线宽的计算公式如下式(1)所示：
Figure BDA0001950227670000091
其中ΔνFW表示激光器的线宽；e表示电子电量；c表示光速；αi表示内损；αm表示镜面损耗；ng表示群折射率；ηi表示注入效率；I表示增益区注入电流；Ith表示阈值电流；nsp表示自发辐射增强因子；αH表示线宽增强因子；nga、ngp分别表示激光器谐振腔内有源区和无源区的群折射率；La、Lp分别为激光器谐振腔内对应的有源区和无源区的长度。
图10是复合环形结构50的示意图。其中，环形谐振器58也可以称为环或者单环。环形谐振器58通过两个2×2耦合器与第一直波导53-第四直波导56相连。其中，所述第一直波导53的第一端、所述第二直波导54的第一端、所述第三直波导55的第一端以及所述第四直波导56的第一端依次为所述复合环形结构的输入(input)端口、下载端口(drop)、直通端口(pass)以及上载端口(add)。另外，如图10所示，所述第一2×2耦合器51的四个端口分别为A1、A2、B1、B2。所述第二2×2耦合器52的四个端口分别为A3、A4、B3、B4。第一直波导53的第二端和第三直波导55的第二端分别与第一2×2耦合器51的两个端口B1、A1相连，第二直波导54的第二端和第四直波导56的第二端分别与第二2×2耦合器52的两个端口A4、B4相连。所述第一2×2耦合器51的另外两个端口A2、B2与环形谐振器58相连，所述第二2×2耦合器52的另外两个端口A3、B3与环形谐振器58相连。
其中，复合环形结构50的输入端口与复合环形结构50中的第一2x2耦合器51的B1端口相连，直通端口与第一2x2耦合器51的A1端口相连，上载端口与第二2x2耦合器52的B4端口相连，下载端口与第二2x2耦合器52的A4端口相连。因而复合环形结构50的输入端口到下载端口之间的透过率谱可以用
Figure BDA0001950227670000101
表示，输入端口到直通端口的透过率谱之间的透过率谱可以用
Figure BDA0001950227670000102
表示。其中，
Figure BDA0001950227670000103
符合下式(2)的描述，
Figure BDA0001950227670000104
符合下式(3)的描述。
Figure BDA0001950227670000105
Figure BDA0001950227670000106
其中，
Figure BDA0001950227670000107
L1＝L2＝πR；
Figure BDA0001950227670000108
其中，κ1，κ2表示2×2耦合器的交叉耦合系数，t1，t2表示2×2耦合器的直通耦合系数，α表示环形谐振器58的波导损耗系数，αc1、αc2表示2×2耦合器的损耗。L1表示A3端口到B2端口的圆弧波导的长度，L2表示A2端口到B3端口的圆弧波导的长度；
Figure BDA0001950227670000109
表示为MMI带来的额外相位；n为波导的折射率；R为环形谐振器58的半径；k为波矢；
Figure BDA00019502276700001010
分别为光通过环形谐振器58的对应圆弧波导所引入的相位变化。需要说明的是，这里假设连接环形谐振器58的2×2耦合器为MMI耦合器，但2×2耦合器也可以为其它类型，例如方向耦合器或光栅辅助的耦合器等，如果是方向耦合器，则
Figure BDA00019502276700001016
其中，激光器的有效腔长可以指前反射镜和后反射镜之间所有有效长度的总和。作为一个示例而非限定，激光器的有效腔长可以为以下长度的总和：后反射镜有效长度、环形谐振器的有效长度、相位区的长度、增益区的长度、前反射镜的有效长度、各个区段之间连接波导的长度。
另外，公式(4)示出了有效长度的推算方法。
Figure BDA00019502276700001011
其中，Leff表示有效长度，
Figure BDA00019502276700001012
表示相位，β表示传播常数。如公式(4)所示，相位
Figure BDA00019502276700001013
相对于传播常数β的微分即有效长度Leff。此处，当
Figure BDA00019502276700001014
为
Figure BDA00019502276700001015
的相位时，便可以求出环形谐振器58从B1端口到A4端口透射工作模式下B1端口到A4端口的有效长度Leff，其中有效长度Leff与透过率谱之间的关系可以参见下文中图11的(b)所示。
图11显示了当光从复合环形结构的输入端口输入，以及从下载端口输出时的透过率谱示意图。图11中的(a)示出了复合环形结构50的输入端口到下载端口之间的透过率谱的幅度和相位。其中透过率谱的幅度由实线表示，相位由虚线表示。图11中的(b)示出了复合环形结构50的输入端口到下载端口之间的透过率谱的幅度和有效长度。其中，透过率谱的幅度由实线表示，有效长度由虚线表示。波长的单位为纳米(nanometer，nm)，有效长度的单位为微米(μm)。
由图11可知，在透过率谱的峰值处，相位随波长变化较快，即相位随传播常数β变化快，因此在峰值处有着较大的有效长度。本申请实施例利用此特性，在激光器30中设置该复合环形结构50，以增加激光谐振腔的有效腔长，即增大了式(1)中的Lp，从而减少激光器的线宽。
在本申请实施例中，与传统的四段式可调谐激光器相比，在激光器30的谐振腔内增加了复合环形结构50，以增加激光器谐振腔的有效腔长。上述复合环形结构50也可以称为上载下载环形谐振器(add-drop ring resonator)。上述复合环形结构50中的环形谐振器58可以用于拉长有效腔长，以及微调波长，从而减少激光器的线宽，并提高激光器的边模抑制能力。
可选地，所述可调谐激光器30中还可以设置有一个或多个光探测器(photodetector,PD)。所述光探测器可以用于进行光中止，减少杂散光，进行功率监测或者锁波操作。在片内设置光探测器可以省掉片外锁波系统，从而节约芯片成本和体积。
在一个示例中，在可调谐激光器30处于最佳工作点时，前反射镜21、后反射镜24的反射峰、环形谐振器58的透射峰和激光器的腔模是对齐的。
图12是本申请实施例的复合环形结构50的透过率谱示意图。其中，实线表示从输入端口到下载端口的透过率曲线，虚线表示从输入端口到直通端口的透过率曲线。例如，当激光器工作在最佳工作点时，激光器的腔模即激射波长会对准输入端口到下载端口透过率谱的峰值处，如图12所示，此时激射波长对准的是输入端口到直通端口透过率谱的最小值。从而本申请实施例中可以利用这一特征进行锁波，使得激光器的激射波长可以稳定在特定的波长。当然，为了实现高精度的锁波，还需要保证环形谐振腔的透过率谱稳定。
例如，图13是本申请又一实施例的可调谐激光器的结构示意图。如图13所示，所述可调谐激光器30可以包括第一光探测器mPD1和第二光探测器mPD2，其中第一光探测器mPD1与复合环形结构50的直通端口相连，第二光探测器mPD2与复合环形结构50的上载端口相连。mPD1和mPD2可以实现光中止、功率监测或锁波操作。
在本申请实施例中，通过在可调谐激光器中的复合环形结构50的直通端口和上载端口设置第一光探测器和第二光探测器，能够实现光中止，功率监测或锁波，提高激光器的工作效率。
例如，第一光探测器mPD1可以用于监测直通端口处的光信号，并输出第一监测信号；第二光探测器mPD2可以用于监测上载端口处的光信号，并输出第二监测信号。
可选地，可调谐激光器30通常包括控制器，该控制器例如可以是微控制单元(microcontroller unit,MCU)。该控制器可以接收监测信号，并根据监测信号调节波长。例如，控制器在接收到第一监测信号或第二监测信号后，可以根据上述监测信号对所述相位区23进行微调，从而可以微调激射波长，以达到锁波的目的。
又例如，图14是本申请又一实施例的可调谐激光器的结构示意图。如图14所示，所述可调谐激光器30还可以包括第三光探测器mPD3，所述第三光探测器mPD3可以设置于所述后反射镜24的出光口处。所述第三光探测器mPD3也可以实现光中止、功率监测或锁波操作。
例如，所述第三光探测器mPD3可以用于监测所述后反射镜24的出光口处的光信号，并输出第三监测信号。所述相位区23可以用于接收所述第三监测信号，并根据所述第三监测信号进行锁波。
作为一个示例，将激光器调整到目标工作波长时，激射波长对准输入端口到直通端口的透过率谱的最小值，此时所述第一光探测器mPD1监测到的光信号最小，并输出第一监测信号。或者将激光器调整到目标波长时，激射波长对准输入端口到下载端口的透过率谱的最大值，此时所述第三光探测器mPD3监测到的所述后反射镜24的出光口处的光信号最大，并输出第三监测信号。这样可以使用第一监测信号作为反馈，当第一监测信号达到最小值时认为激光器对准了所需要的目标工作波长；或者使用第三监测信号作为反馈，当第三监测信号达到最大值时认为激光器对准了所需要的目标工作波长；或者使用第三监测信号和第一监测信号的比值作为反馈，当比值达到最大时认为激光器对准了所需要的目标工作波长。
可选地，当激光器的控制单元接收到反馈信号后，如果发现激射波长偏离了目标值，可以通过热调谐、电调谐或者反偏电压调谐等方法调节所述相位区23的折射率，从而将激射波长调整回到目标值，从而实现锁波。
在本申请实施例中，通过在激光器30中设置光探测器，以进行功率监测或锁波等操作，提高了芯片集成率，节约了芯片成本。
可选地，为了增加锁波操作的健壮性，可以在相位区的直流偏置上同时施加一低频率扰动(dithering)信号，扰动信号可以为周期性正弦波或其它类型的周期性信号。主动施加周期性扰动信号在相位区上，可以让激光器的控制单元更容易地根据mPD3和mPD1反馈的监测信号比例的变化来判别相位区调整的方向，更快的实现锁波，避免锁波失败。
本领域技术人员能够理解，锁频的方法不限于寻找mPD3和mPD1监测功率的最大比值等方法，也可以根据mPD1、mPD2、mPD3监测的功率值，通过其它方式进行控制。
图15是本申请又一实施例的可调谐激光器的结构示意图。如图15所示，在本申请实施例中，通过设置扰动(dithering)区25，以施加周期性扰动信号，然后根据mPD3或mPD1的反馈的监测信号来调整相位区23，从而实现锁波。
可选地，本申请实施例对扰动区25的位置不作限定，只要其耦合在前反射镜21和后反射镜24之间的光路中即可。例如，所述扰动区25可以设置于所述前反射镜21与所述相位区23之间，或者设置于所述相位区23与所述增益区24之间，或者设置于所述增益区24与所述后反射镜24之间。或者，所述扰动区25也可以设置于所述复合环形结构50与其他区域之间。
可选地，所述可调谐激光器30还可以包括一个或多个半导体光学放大器(semiconductor optical amplifier,SOA)，所述SOA可以用于对出光进行放大或者关断。
例如，图16是本申请又一实施例的可调谐激光器的结构示意图。如图16所示，所述可调谐激光器30可以包括第一SOA，所述第一SOA设置于所述前反射镜21的出光口处。
或者，可调谐激光器30可以包括两个SOA，以实现双端口出光。例如，图17是本申请又一实施例的可调谐激光器的结构示意图。如图17所示，所述可调谐激光器30还包括第二SOA，所述第二SOA可以设置于后反射镜24的出光口处。
在本申请实施例中，通过在激光器中设置SOA，提高了芯片集成率，减少了芯片成本。
可选地，在一些示例中，在制作可调谐激光器30的过程中，可以对复合环形结构50所在的区域进行质子轰击处理，从而减小载流子的寿命，避免高光强下复合环形结构50区域发生严重的非线性效应。
在本申请实施例中，上述激光器30中的激光腔中的所有模块均可集成在同一衬底上，即实现单片集成，从而提高芯片集成率，减少芯片成本。例如，所述前反射镜21、所述增益区22、所述相位区23、所述后反射镜24以及所述复合环形结构50集成在同一衬底上。进一步地，同一衬底上还可以集成第一光探测器mPD1、第二光探测器mPD2，第三光探测器mPD3，第一SOA或扰动区25。其中，第三光探测器mPD3可以与第二SOA互换。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (21)

1.一种可调谐激光器，其特征在于，包括多个组件和复合环形结构，
所述多个组件包括：前反射镜、增益区、相位区和后反射镜，所述增益区耦合至所述前反射镜，所述相位区耦合至所述增益区，使得所述增益区位于所述相位区以及所述前反射镜之间，所述后反射镜耦合至所述相位区，使得所述相位区位于所述后反射镜与所述增益区之间，其中所述前反射镜和所述后反射镜中的至少一个采用热悬空反射镜结构；
所述复合环形结构包括环形谐振器、第一2×2耦合器、第二2×2耦合器、第一直波导、第二直波导、第三直波导以及第四直波导，所述环形谐振器通过所述第一2×2耦合器耦合至所述第一直波导和所述第三直波导，以及通过所述第二2×2耦合器耦合至所述第二直波导和所述第四直波导，所述第一直波导的第一端为所述复合环形结构的输入端口，所述第二直波导的第一端为所述复合环形结构的下载端口，所述第三直波导的第一端为所述复合环形结构的直通端口以及所述第四直波导的第一端为所述复合环形结构的上载端口，其中，所述复合环形结构的输入端口耦合至所述多个组件中的其中一个组件，所述复合环形结构的下载端口耦合至所述多个组件中的另一个组件，沿着光从所述前反射镜至后反射镜的传输方向，所述一个组件和所述另一个组件是相邻的，且光经过所述一个组件后到达所述另一个组件。
2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述热悬空反射镜结构包括：
从下至上依次层叠的衬底层、支撑层、下包层、波导层、上包层和加热器层；
所述热悬空反射镜结构还包括超结构光栅，所述超结构光栅沿着光在所述波导层中的传播方向设置在所述上包层与所述下包层之间，所述加热器层位于所述上包层的上表面上与所述超结构光栅正对的区域；
所述支撑层包括第一子支撑层和第二子支撑层，所述第一子支撑层和所述第二子支撑层沿着光在所述波导层中的传播方向位于所述衬底层的上表面的两侧，所述衬底层、所述第一子支撑层、第二子支撑层和所述下包层之间形成沿着光在所述波导层中的传播方向延伸的空腔，沿着光在所述波导层中的传播方向在所述上包层的上表面上设置有第一列开口和第二列开口，所述第一列开口和所述第二列开口分别位于所述上包层的上表面上与所述超结构光栅正对的区域的两侧，所述第一列开口和所述第二列开口分别包括多个开口，每个所述开口向下穿透所述上包层、所述波导层和所述下包层到达所述空腔，所述空腔上方位于所述第一列开口与所述第二列开口之间的区域形成悬空结构，所述第一列开口中相邻的两个开口之间的区域、以及所述第二列开口中相邻的两个开口之间的区域，形成所述悬空结构的侧向支撑结构。
3.如权利要求2所述的激光器，其特征在于，所述超结构光栅位于所述上包层中；或，所述超结构光栅位于所述下包层中；或，所述超结构光栅位于所述波导层中。
4.如权利要求2或3所述的激光器，其特征在于，第一侧向支撑结构对应于所述超结构光栅中的第一空间周期的第一区域，第二侧向支撑结构对应于所述超结构光栅中的第二空间周期的第二区域，所述第一区域在所述第一空间周期中的相对位置与所述第二区域在所述第二空间周期中的相对位置不同，所述第一侧向支撑结构和所述第二侧向支撑结构为位于所述悬空结构同一侧的多个支撑结构中的任意两个侧向支撑结构，其中所述第一空间周期和所述第二空间周期是位于所述超结构光栅上的不同的空间周期，所述空间周期是所述超结构光栅的调制函数的周期在所述超结构光栅上对应的距离。
5.如权利要求2或3所述的激光器，其特征在于，第三侧向支撑结构对应于所述超结构光栅中的第三空间周期的第三区域，第四侧向支撑结构对应于所述超结构光栅中的所述第三空间周期的第四区域，所述第三区域在所述第三空间周期中的相对位置与所述第四区域在所述第三空间周期中的相对位置不同，所述第三侧向支撑结构和所述第四侧向支撑结构为位于所述悬空结构同一侧的多个支撑结构中的任意两个侧向支撑结构，其中所述第三空间周期是位于所述超结构光栅上的空间周期，所述空间周期是所述超结构光栅的调制函数的周期在所述超结构光栅上对应的距离。
6.如权利要求1至5中任一项所述的激光器，其特征在于，所述复合环形结构的输入端口耦合至所述前反射镜，所述复合环形结构的下载端口耦合至所述增益区；或，
所述复合环形结构的输入端口耦合至所述增益区，所述复合环形结构的下载端口耦合至所述相位区；或，
所述复合环形结构的输入端口耦合至所述相位区，所述复合环形结构的下载端口耦合至所述后反射镜。
7.如权利要求1至6中任一项所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括第一光探测器和第二光探测器，所述第一光探测器与所述复合环形结构的直通端口相连，所述第二光探测器与所述复合环形结构的上载端口相连。
8.如权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述第一光探测器用于监测所述直通端口处的光信号，并输出第一监测信号；所述第二光探测器用于监测所述上载端口处的光信号，并输出第二监测信号。
9.如权利要求8所述的激光器，其特征在于，在所述第一监测信号用于锁波的情况下，所述激光器的目标工作波长对应于所述第一监测信号的最小值。
10.如权利要求1至9中任一项所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括第一半导体光学放大器SOA，所述第一SOA设置于所述前反射镜的出光口处。
11.如权利要求1至10中任一项所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括第二SOA，所述第二SOA设置于所述后反射镜的出光口处。
12.如权利要求1至10中任一项所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括第三光探测器，所述第三光探测器设置于所述后反射镜的出光口处。
13.如权利要求12所述的激光器，其特征在于，所述第三光探测器用于监测所述后反射镜的出光口处的光信号，并输出第三监测信号。
14.如权利要求13所述的激光器，其特征在于，在所述第三监测信号用于锁波的情况下，所述激光器的目标工作波长对应于所述第三监测信号的最大值。
15.如权利要求13所述的激光器，其特征在于，在第一监测信号和所述第三监测信号用于锁波的情况下，所述激光器的目标工作波长对应于所述第三监测信号与所述第一监测信号的最大比值，其中，所述第一监测信号为所述复合环形结构的直通端口处的监测信号。
16.如权利要求1至15中任一项所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括扰动区，所述扰动区设置于所述前反射镜与所述后反射镜之间，用于输出周期性的扰动信号，以进行锁波。
17.如权利要求1至16中任一项所述的激光器，其特征在于，所述前反射镜和所述后反射镜具有梳状反射谱。
18.如权利要求1至17中任一项所述的激光器，其特征在于，所述第一2×2耦合器和所述第二2×2耦合器包括以下至少一种：多模干涉MMI耦合器、方向耦合器和光栅辅助的耦合器。
19.如权利要求1至18中任一项所述的激光器，其特征在于，所述复合环形结构所在的区域是进行过质子轰击处理的。
20.如权利要求1至19中任一项所述的激光器，其特征在于，所述前反射镜、所述增益区、所述相位区、所述后反射镜以及所述复合环形结构集成在同一衬底上。
21.一种光学芯片，其特征在于，包括如权利要求1至20中任一项所述的激光器。
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