CN112202048B - 外腔激光器及其制备方法、波长调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种外腔激光器、制备方法及波长调谐方法，外腔激光器包括：增益芯片、模式变换器、调相器、平衡式马曾干涉器、滤波模块、波长监测模块以及控制电路。本发明基于铌酸锂薄膜得到可通过电压快速调谐的激光器外腔，实现高速波长切换，基于系统设计，采用AWG做波长监控模块。通过调节微环，可方便地使信号自动调节到波长监控模块中的任一指定通道，波长监控模块反馈信号作用到激光器调相器和两个微环电极，补偿各种因素导致激光器漂移，实现精密的波长闭环锁定功能。总之该方案不仅可以高速在指定波长之间切换，又可以在完成切换后对波长进行闭环锁定。进一步的，可以实现一个波长监控模块检测和锁定多个激光器。

Description

外腔激光器及其制备方法、波长调谐方法

技术领域

本发明属于激光器技术领域，特别是涉及一种外腔激光器、制备方法及波长调谐方法。

背景技术

随着集成光学技术的发展，硅基片上可采用多种材料制作低损耗器件，光子器件集成度和复杂度不断提高，应用领域不断扩大，片上系统如超高速相关光通信，自动驾驶lidar，片上陀螺仪，片上光频梳等发展迅速，这些领域规模化落地应用很大程度上取决于片上集成高性能可靠光源技术，即，能够在特定波长之间进行快速切换，同时切换波长后能够自动快速闭环锁定以保持稳定工作。

已报道的硅基外腔激光器目前主要基于硅波导和氮化硅波导两种类型，均采用热调谐，调谐速度较慢。近两年铌酸锂薄膜工艺取得突破，薄膜已经商用化，另一方面，铌酸锂刻蚀技术也取得进展(18年Cheng Wang et.al在nature报道的调制器)，已经能够在薄膜上刻蚀低损脊型波导，导波模场被紧凑地束缚，使得电极间距减小，调制效率得以大幅提升。因此基于铌酸锂薄膜制作及其刻蚀工艺，采用电压调制的快速可调谐外腔激光器成为可能。除了性能因素，确保激光器在一定条件或环境变化下保持稳定可靠的工作也是现实应用的关键需求。无论是基于硅，氮化硅还是铌酸锂的外腔激光器，在改变增益芯片输入电流以调整输出功率的情况下，波长都会发生漂移。此外，温度、压力、电磁环境等变化可能导致激光器波长发生相应漂移，因此需要有闭环补偿设计。对于集成式的波长监控模块，目前有报道采用超大不平衡度的马增干涉器，这个方案存在以下问题。第一，为了提高波长监测灵敏度， MZ其中一支臂长需要大延迟线，因而整体模块较大，已报到的基于氮化硅的有数毫米平方面积，第二，MZ可以灵活监控波长变化，却无法提供绝对波长信息，尤其是波长大范围切换的时候无能为力，第三，一个MZ只能监控一个激光器，对于需要片上集成多个激光器的复杂系统，MZ不适用。

因此，如何提供一种外腔激光器、制备方法及波长调谐方法以解决现有技术中的上述问题实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种外腔激光器、制备方法及波长调谐方法，用于解决现有技术中外腔激光器基于热调谐无法实现波长快速调谐，难以有效实现波长锁定以及难以有效实时补偿环境干扰或温度变化等对系统带来的干扰等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种外腔激光器，所述外腔激光器包括：

增益芯片；

模式变换器，与所述增益芯片相耦合；

平衡式马曾干涉器，具有第一端和第二端，所述第一端与所述模式变换器相连接；

滤波模块，与所述平衡式马曾干涉器的第二端相连接；

调相器，与所述平衡式马曾干涉器相连接；以及

波长监测模块，所述波长监测模块的输入端与所述平衡式马曾干涉器的第一端相连接，输出端通过控制电路与所述调相器相连接。

可选地，所述模式变换器包括相耦合的第一波导及第二波导，所述第一波导与所述增益芯片相耦合，所述第一波导包括氮化硅波导，所述第二波导包括铌酸锂波导。

可选地，所述增益芯片与所述模式变换器之间具有对接端面，所述增益芯片的激光输出端与所述对接端面之间具有第一夹角，所述模式变换器的激光输入端与所述对接端面具有第二夹角，所述第一夹角介于15°-25°之间，所述第二夹角介于10°-15°之间。

可选地，所述滤波模块包括微环滤波模块，所述微环滤波模块至少包括第一微环、第二微环以及位于微环之间的滤波波导，所述微环滤波模块具有第三端和第四端，所述第三端与所述平衡式马曾干涉器的第二端相连接，其中，所述调相器设置于所述模式变换器与所述平衡式马曾干涉器之间或者所述滤波波导处。

可选地，所述微环滤波模块的滤波波导包括第一滤波波导、第二滤波波导及第三滤波波导，所述第一滤波波导和所述第二滤波波导分别与所述平衡式马曾干涉器的所述第二端相连接，所述第三滤波波导设置于所述第一滤波波导与所述第二滤波波导之间，且所述第一微环位于所述第一滤波波导与所述第三滤波波导之间，所述第二微环位于所述第二滤波波导与所述第三滤波波导之间。

可选地，所述外腔激光器还包括光开关阵列，所述光开关阵列至少与所述波长监测模块的输入端相连接。

可选地，所述波长监测模块包括波导阵列光栅，所述波导阵列光栅包括氮化硅波导阵列光栅。

本发明还提供一种如上述任意一项方案所述的外腔激光器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

提供第一基底，并于所述第一基底上制备所述波长监测模块；

于形成有所述波长监测模块的所述第一基底上形成绝缘隔离层；

于所述绝缘隔离层上形成铌酸锂薄膜，并刻蚀所述铌酸锂薄膜，以得到所述模式变换器、所述平衡式马曾干涉器、所述微环滤波模块以及所述调相器；

基于套刻工艺于所述平衡式马曾干涉器的所述第一端与所述波长监测模块之间制备耦合部，以使得所述第一端与所述波长监测模块之间的耦合。

可选地，所述第一基底的制备方法包括步骤：提供SOI衬底，所述SOI衬底包括底层硅、中间埋氧层及顶层硅，刻蚀所述顶层硅以显露所述埋氧层，得到所述第一基底，所述波长监测模块制备在所述埋氧层上。

可选地，所述外腔激光器的制备方法还包括在所述第一基底上制备硅波导及探测器的步骤，所述硅波导两端分别与所述波长监测模块和所述探测器相耦合。

本发明还提供一种采用如上述任意一项方案所述的外腔激光器进行波长调谐的方法，所述波长调谐的方法包括步骤：

提供如上述任意一项方案所述的外腔激光器；

将激光自所述增益芯片输入，所述激光基于所述模式变换器、所述调相器、所述平衡式马曾干涉器、所述微环滤波模块以及所述波长监测模块的调节，自所述微环滤波模块输出，得到目标波长激光。

可选地，所述波长调谐的方法包括进行波长锁定的步骤，其中，自所述微环滤波模块输出若干通道的目标波长激光，通过所述波长监测模块记录每一通道所述目标波长激光的调谐信号，所述调谐信号至少包括所述调相器的数值、所述平衡式马曾干涉器的数值以及所述微环滤波模块的数值，当需要切换到所需通道目标激光波长时，向所述调相器、所述平衡式马曾干涉器及所述微环滤波模块输入所述波长监测模块记录的所述调谐信号，以快速切换到所述所需通道目标激光波长，并进入锁定状态。

可选地，所述波长调谐的方法包括进行波长补偿的步骤，其中，自所述微环滤波模块输出若干通道的目标波长激光，对于第i通道的所述目标波长激光，通过功率比值 t＝(PD(i)-PD(i-1))/(PD(i)+PD(i-1))的大小检测波长的偏移量和偏移方向，将上述结果反馈至所述调相器，由调相器调整纵模位置，使其稳定在某一值。

可选地，所述波长调谐的方法还包括通过所述微环滤波器进行补偿调节的步骤。

如上所述，本发明的外腔激光器、制备方法及波长调谐方法，基于铌酸锂薄膜得到可通过电压快速调谐的激光器外腔，实现高速波长切换，基于系统设计，采用AWG做波长监控模块，通过调节微环，可方便地使信号自动调节到波长监控模块中的任一指定通道，而波长监控模块反馈信号作用到激光器调相器，补偿各种因素导致激光器漂移，实现精密的波长闭环锁定功能。并进一步可以实现一个波长监控模块可以检测和锁定多个激光器。

附图说明

图1显示为本发明的外腔激光器各部件构成的系统的示意图。

图2显示为本发明模式变换器的一种示例的示意图。

图3显示为本发明波长监测模块与硅波导及探测器连接的的一示例的示意图。

图4显示为本发明外腔激光器制备中截面的示意图。

图5显示为本发明添加光开关阵列后一个AWG同时监测多个激光器波长变化示意图。

图6显示为波长介于AWG两个相邻通道之间时，能量在这两个通道的分布示意图。

图7显示为本发明一示例中外腔激光器的制备的流程图。

元件标号说明

101 增益芯片

102 模式变换器

102a 第一波导

102b 第二波导

103 调相器

104 平衡式马曾干涉器

105 微环滤波模块

106 第一滤波波导

107 第一微环

108 第三滤波波导

109 第二微环

110 第二滤波波导

111 波长监测模块

112 控制电路

201 第一基底

202 绝缘隔离层

203 铌酸锂薄膜

204 正极

205 铌酸锂结构

206 负极

207 保护层

301 硅波导

302 探测器

S1～S4 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。另外，本发明中使用的“介于……之间”包括两个端点值。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明提供一种外腔激光器，包括：增益芯片101、模式变换器102、调相器103、平衡式马曾干涉器104、滤波模块(例如，可以是微环滤波模块105)、波长监测模块111以及控制电路112。

所述增益芯片101用作外腔半导体激光器光增益介质，可以采用本领域常用的现有增益芯片。在一示例中，所述增益芯片101具有相对的两边，一边镀高反膜，另一边镀增透膜，如对于图1中所示的所述增益芯片，右边镀高反膜，左边镀增透膜。以提高效增益效果。

所述模式变换器102与所述增益芯片101相耦合，以实现自所述增益芯片101输出的激光的继续传输。

在一示例中，如图2所示，所述模式变换器102采用二级耦合，其包括相耦合的第一波导102a及第二波导102b，所述第一波导102a与所述增益芯片101相耦合。以有利于激光的有效传输。也即，自所述增益芯片101输出的激光，首先耦合到所述第一波导102a中，然后再通过所述第一波导102a耦合到第二波导102b中。在进一步示例中，所述第一波导102a为氮化硅波导，所述第二波导102b为铌酸锂波导。也就是说，激光自所述增益芯片101输出后，硅基上所述模式变换器102进行端面对接耦合，该模式变换器方案是采用二级耦合，即先用氮化硅波导与增益芯片输出端进行端面对接耦合，然后耦合进铌酸锂波导，利用所述氮化硅波导转接至所述铌酸锂波导中，以有利于铌酸锂波导与激光器输出光斑的匹配。

作为示例，如图1所示，所述增益芯片101与所述模式变换器102之间具有对接端面，所述增益芯片101的激光输出端与所述对接端面之间具有第一夹角α，所述模式变换器102 的激光输入端与所述对接端面具有第二夹角β。其中，所述增益芯片101中具有激光传输通道，所述激光传输通道输出端与所述对接端面具有所述第一夹角，所述第一夹角是指所述激光输出光束与所述对接端面之间所夹的锐角，所述模式变换器102接收激光的激光输入端与所述对接端面具有所述第二夹角，所述第二夹角是指所述激光输入端与所述对接端面之间所夹的锐角，如图1所示。在一示例中，所述第一夹角α介于15°-25°之间，例如，可以选择为 18°、20°、22°，所述第二夹角β介于10°-15°之间，例如，可以选择为12°、13°。

所述调相器103可在小范围精细调节激光器的波长，为了增大调节范围可以根据需要做长一些。在一种示例中，如图1所述，所述调相器103的输入端与所述模式变换器102的输出端相连接，进行激光调节及传输。其中，所述调相器103可以采用本领域常用的现有调相器的结构及制备，所述调相器103与所述模式变换器102的输出端(如铌酸锂波导)的连接方式可以采用现有设计。也就是说，调相器103可以设置于所述模式变换器102与所述平衡式马曾干涉器104之间，在其他示例中，还可以设置所述滤波波导处，即所述微环滤波模块 500的除微环(如所述第一微环501和所述第二微环502)外的波导处。在一示例中，调相器截面结构如图4所示，铌酸锂波导两边是正负电极，如正极204和负极206，用于施加调制信号，还包括覆盖各电极的保护层207，其材料包括但不限于氧化物，另外，在图4所示截面图中，正极204和负极206之间为铌酸锂结构205，可以是基于铌酸锂薄膜可是形成。

所述平衡式马曾干涉器104具有第一端和第二端，所述第一端与所述模式变换器102相连接，在一示例中，所述调相器102直接与所述模式变换器102相连时，所述模式变换器102、所述调相器103以及所述平衡式马曾干涉器104依次相连接。其中，所述平衡式马曾干涉器 104可以采用本领域常用的现有平衡式马曾干涉器的结构及制备，所述平衡式马曾干涉器104 与所述调相器103的输出端(如包括铌酸锂波导)的连接方式可以采用现设计。所述平衡式马曾是上下两只臂长相等的马曾干涉器，在一示例中，所述平衡式马曾的两只臂全部由铌酸锂波导组成，在其中一只臂上添加调相电极，可选地，所述调相电极可以是热电极。

在一示例中，所述平衡式马曾干涉器104可以调节输出端输出功率与反馈回增益芯片的功率比值，其中，所述输出端的输出功率是指，例如，在一示例中，激光自所述增益芯片101 进入所述模式变换器102进入所述调相器103进入所述平衡式马曾干涉器104再进入所述微环滤波模块105之后，激光返回，自所述微环滤波模块105反馈至所述平衡式马曾干涉器104，此时，部分光(10％-50％)从马曾的一端口输出，从输出的这部分光中，通过耦合器引出少量(5％-10％)能量进入波长监测模块106，其余部分的功率称为所述输出端功率P1，另外，另一部分光(50％-90％)自所述平衡式马曾干涉器104向所述增益芯片101方向反馈，这一部分功率称为反馈回增益芯片的功率P2，所述平衡式马曾干涉器104可以调节P1与P2的比值，从而基于上述比值调节最终需要得到的目标波长激光的功率和线宽，例如，上述比值越小，线宽越窄，但同时功率也会降低。其中，可以基于所述平衡式马曾干涉器104的一支臂上的电极进行P1和P2的调节。另外，所述平衡式马曾干涉器104可以避免直接通过2X2耦合器引出功率时另一个端口的功率损耗。

所述滤波模块选择为微环滤波模块105，当然，在其他示例中也可以选择为其他的滤波器。本实施例中，所述微环滤波模块105至少包括第一微环107、第二微环109以及位于微环(所述第一微环及所述第二微环)之间的滤波波导，所述微环滤波模块具有第三端和第四端，所述第三端与所述平衡式马曾干涉器104的第二端相连接。在一示例中，本发明的所述微环滤波模块105为双微环结构(所述第一微环和所述第二微环)是可调滤波器，两个微环 FSR具备微小差别，利用游标效应可在几十nm范围内只有一个主峰，且主峰位置可通过调节微环电极使其快速移动，从而实现波长调谐。

作为示例，如图1所示，所述滤波波导包括第一滤波波导106、第二滤波波导110及第三滤波波导108，所述第一滤波波导106和所述第二滤波波导110分别与所述平衡式马曾干涉器104的所述第二端相连接，所述第三滤波波导108设置于所述第一滤波波导106与所述第二滤波波导110之间，且所述第一微环107位于所述第一滤波波导106与所述第三滤波波导108之间，所述第二微环109位于所述第二滤波波导110与所述第三滤波波导108之间。第一滤波波导106、第二滤波波导110及第三滤波波导108属于光栅，有利于避免内部反射导致激光模式不稳定。

所述波长监测模块111的输入端与所述平衡式马曾干涉器104的第一端相连接，输出端通过控制电路112与所述调相器103相连接。也就是说，自所述模式变换器102输出的激光进入到所述平衡式马曾干涉器104返回后中，一部分进入到所述波长监测模块111中，例如，从所述平衡式马曾输出的光的10％-50％被耦合出，进一步，这部分光的5％-10％被耦合进入到波长检测模块中，通过耦合器可进行控制，耦合进入波长监测模块111的光进行波长监测，所述波长监测模块111的输出信号通过所述控制电路112可以控制调节所述调相器103。在一示例中，所述波长监测模块111为波导阵列光栅AWG，可以是利用氮化硅制作的波导阵列光栅，用氮化硅波导从铌酸锂波导中耦合出一小部分光功率用于监控波长。

作为示例，如图3所示，在一示例中，所述外腔激光器还包括在所述第一基底200上制备的硅波导301及探测器302的步骤，所述硅波导301两端分别与所述波长监测模块111和所述探测器302相耦合。其中，所述探测器302可以为锗探测器。另外，所述波长监测模块111、所述硅波导301及所述探测器302可以制备在同一平面上进行耦合。即，氮化硅波导(氮化硅波导阵列光栅AWG)从外腔激光器输出端耦合得到小部分光功率后，再通过垂直耦合转移到硅波导，最后由硅波导进入锗探测器进行检测。

另外，如图5所示，在所述波长监测模块111的输入端还添加有光开关阵列，可按照同样原理同时应用于多个激光器，可同时监测多个片上激光器波长，这也是优于非平衡MZ方案的地方。其中，AWG波分模块做硅基外腔激光波长监控模块，可以使激光器自动定位到指定AWG通道中任一波长，且一个AWG可以检测和锁定多个激光器。

如图7所示，本发明还提供一种如上述任意一项方案所述的外腔激光器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

首先，如图7中的S1及图4所示，进行步骤S1，提供第一基底200，并于所述第一基底200上制备所述波长监测模块111，即，在一示例中，制备氮化硅波导阵列光栅AWG。

在一示例中，所述外腔激光器的制备方法还包括在所述第一基底200上制备硅波导301 及探测器302的步骤，所述硅波导301两端分别与所述波长监测模块111和所述探测器302 相耦合，如图3所示。其中，所述探测器302可以为锗探测器。另外，所述波长监测模块111、所述硅波导301及所述探测器302可以制备在同一平面上进行耦合。在一示例中，氮化硅波导(氮化硅波导阵列光栅AWG)从外腔激光器输出端耦合得到小部分光功率后，再通过垂直耦合转移到硅波导，硅波导与氮化硅波导不在同一层，硅波导在下方，氮化硅波导在硅波导正上方，最后由硅波导进入锗探测器进行检测。

作为示例，所述第一基底201的制备方法包括步骤：提供SOI衬底，所述SOI衬底包括底层硅、中间埋氧层及顶层硅，刻蚀所述顶层硅以显露所述埋氧层，得到所述第一基底201，所述波长监测模块111制备在所述埋氧层上。在一示例中，所述硅波导301及所述探测器302 也形成在所述埋氧层上。

接着，如图7中的S2及图4所示，进行步骤S2，于形成有所述波长监测模块的所述第一基底201上形成绝缘隔离层202；所述绝缘隔离层202的材料包括但不限于氧化硅。

接着，如图7中的S3及图4所示，进行步骤S3，于所述绝缘隔离层202上形成铌酸锂薄膜203，在一示例中，采用键合(waferbonding)技术将铌酸锂薄膜203键合到硅基(所述第一基底)上。接着刻蚀所述铌酸锂薄膜203，在铌酸锂薄膜203上刻蚀所需的外腔结构，以得到所述模式变换器102、所述平衡式马曾干涉器103、所述微环滤波模块105以及所述调相器103。在刻蚀所述铌酸锂薄膜203的过程中，基于图1所示各各个部件的结构进行刻蚀，以进一步形成所述模式变换器102、所述平衡式马曾干涉器103、所述微环滤波模块105以及所述调相器103，铌酸锂波导采用如图1所示的脊型波导结构。也就是说，本发明上述各部件基于铌酸锂薄膜制备。采用最新的铌酸锂薄膜及及其刻蚀技术制作激光器外腔，得到可通过电压快速调谐的激光器外腔结构，所述铌酸锂波导具有电光效应，在波导两侧设置电极，在电极上施加电压信号进行调节。而相对于热调谐，热调谐由于受热传导速率限制，无法实现高速波长切换或扫描，本发明相对于热调的调节速度快。外腔结构采用铌酸锂薄膜刻蚀出的脊型波导制做，波长调谐速度远高于热调方式的硅和氮化硅外腔激光器。

最后，如图7中的S4所示，进行步骤S4，基于套刻工艺于所述平衡式马曾干涉器104的所述第一端与所述波长监测模块111之间制备耦合部(图中未示出)，以使得所述平衡式马曾干涉器104的第一端与所述波长监测模块111之间的耦合，实现铌酸锂波导与氮化硅的耦合，由于铌酸锂与氮化硅折射率相近，适当设计波导结构很容易实现所需比例的能量耦合。其中，可以采用本领域常用的套刻工艺进行刻蚀并形成所述耦合部以实现二者耦合。

在一示例中，耦合系数通过所述绝缘隔离层202(如氧化硅层)厚度控制，一般可以控制为5％到10％，例如，控制为6％、8％。

进一步，铌酸锂外腔结构刻蚀完成后，进一步制作模式变换器102，在上面生长氮化硅 (所述第一波导102a的材料层)，并刻蚀出所述模式变换器102，包括所述第一波导102a (氮化硅波导部分)以及所述第二波导102b(以制备好的铌酸锂波导部分)，以利用氮化硅制作模式变换器有利于实现与增益芯片的高效率耦合。

另外，如图5所示，在所述波长监测模块111的输入端还添加有光开关阵列，可按照同样原理同时应用于多个激光器，可同时监测多个片上激光器波长，这也是优于非平衡MZ方案的地方。也就是说，采用所述波长监测模块111(AWG)对硅基外腔激光器进行闭环检测，不仅具备较高的精度，而且一个所述波长监测模块111可以同时对多个激光器进行监测和控制。随着光子器件功能的日益复杂，在芯片上同时需要集成多个高性能激光器以完成更复杂功能，如超高速相关光通信，微波光子学及其他传感领域等，本专利的闭环稳频方案具备明显优势。一个AWG器件可以同时监测和锁定多个片上外腔激光器。AWG波分模块做硅基外腔激光波长监控模块，可以使激光器自动定位到指定AWG通道中任一波长，且一个AWG 可以检测和锁定多个激光器。

通过本发明的片上窄线宽可调谐外腔激光器系统设计方案，可以实现在指定波长之间高速切换，一旦切换完毕就进入闭环监控状态。也就是说同时具备高速的波长切换和波长稳定功能。可以实时补偿环境干扰或温度变化等不确定因素对系统带来的干扰。在高速相关光通信，微波光子学，传感，lidar等领域有很大应用价值。

另外，本发明还提供一种采用如上述任意一项方案所述的外腔激光器进行波长调谐的方法，所述波长调谐的方法包括步骤：

提供如上述任意一项方案所述的外腔激光器；

将激光自所述增益芯片101输入，所述激光基于所述模式变换器102、所述调相器103、所述平衡式马曾干涉器104、所述微环滤波模块105以及所述波长监测模块111的调节，自所述微环滤波模块105输出，得到目标波长激光。其中，所述模式变换器102用于对来自增益芯片101的激光进行模式变换；所述调相器103用于对传输的激光进行波长的精细调节；所述平衡式马曾干涉器104用于对传输的激光进行功率和线宽的调节；所述微环滤波模块105 用于通过两个微环进行主峰位置的调节，从而可以基于上述模块的调节得到目标波长激光。其中，所述波长监测模块111接收一部分模式变换器102输出的激光，即使用AWG监控波长，可以获得绝对波长值信息，而不仅仅是相对变化值，即，每个通道绝对波长值所对应的调谐信号都可以被记录下，每个通道指的是不同的目标波长激光，每一通道对应一个目标波长激光。也就是说，基于所述波长监测模块111，每一目标波长激光对应的调谐信号(包括所述调相器103的信号、所述平衡式马曾干涉器104的信号、所述微环滤波模块)都可以被记录，从而可以基于这些调谐信号，通过控制电路112实现调相器103的调节，波长监测实现波长值及其变化的片上测量，进一步实现波长调谐。

作为示例，所述波长调谐的方法包括进行波长锁定的步骤，即，本发明的外腔激光器还可以实现特定波长的锁定，其中，自所述微环滤波模块105输出若干通道的目标波长激光，每一通道对应一个目标波长激光，通过所述波长监测模块111记录每一通道所述目标波长激光的调谐信号，所述调谐信号至少包括所述调相器103的数值、所述平衡式马曾干涉器104 的数值以及所述微环滤波模块105的数值，当需要切换到所需通道目标激光波长时，向所述调相器103、所述平衡式马曾干涉器104及所述微环滤波模块105输入所述波长监测模块111 记录的所述调谐信号，以进入所述所需通道目标激光波长锁定状态，即，当需要切换到某一通道波长时，只需把事先记录的对应的调谐信号输出，然后进入闭环锁定状态。即本发明能够在特定波长之间进行快速切换，同时切换波长后能够自动快速闭环锁定以保持稳定工作。

作为示例，所述波长调谐的方法包括进行波长补偿的步骤，即，本发明的外腔激光器还可以实现实时补偿环境干扰或温度变化等不确定因素对系统带来的干扰，其中，自所述微环滤波模块105输出若干通道的目标波长激光，每一通道对应一个目标波长激光，例如，以第 i通道目标波长激光为例进行说明，对于第i通道的所述目标波长激光，假设该通道功率是 PD(i)，如果环境变化导致波长漂移，则PD(i)及相邻通道PD(i-1)(或者PD(i+1))功率会发生相对变化，通过比值t＝(PD(i)-PD(i-1))/(PD(i)+PD(i-1))或t＝(PD(i)-PD(i+1))/(PD(i)+PD(i+1)) 的大小检测波长的偏移量和偏移方向，将上述结果反馈至所述调相器103，由调相器调整纵模位置，使其稳定在某一值，通过反馈环路，调节相位调制器，使t恢复最大，即，将一个波长稳定在AWG中某个通道，此时t最大，相邻通道都没有能量。

作为示例，还可以通过所述微环滤波器105进行补偿。例如，如果调相器103已经不足以控制波长稳定，则需要跟所述微环滤波器105两个微环一起调相。

通过本发明的外腔激光器，可以实现在指定波长之间高速切换，一旦切换完毕就进入闭环监控状态。也就是说同时具备高速的波长切换和波长稳定功能。这在高速光通信减小网络拥堵、相控阵激光雷达测距切换、光频梳调整谱线等都具有较大应用价值。本发明采用最新的铌酸锂薄膜及及其刻蚀技术制作激光器外腔，得到可通过电压快速调谐的激光器外腔结构。采用氮化硅AWG波分器做波长监控器，通过调节微环，可方便地使信号自动调节到AWG 中的任一指定通道，而AWG反馈信号作用到激光器调相器，补偿各种因素导致激光器漂移，实现精密的波长闭环锁定功能。图6显示了一个例子，当波长处于AWG两个通道之间时(图示是ch_1和ch_2两个通道)，该波长的能量会在这两个通道都有分布，这个能量分布会被与此相连的PD探测到，通过这能量分布即可探测到波长漂移量。

在所述波长监测模块111的输入端加上光开关阵列，可按照同样原理同时应用于多个激光器，可同时监测多个片上激光器波长，这也是优于非平衡MZ方案的地方。在一示例中，可以在片上制备多个所述外腔激光器，片上多个激光器输出端各自引出一小部分能量，可以参见本文上述方式进行引出，由光开光阵列选择哪一个激光器的光进入AWG，实现时分复用。在一示例中，所述光开关阵列制备在波长监测模块下方的材料层中与波长监测模块相耦合。也就是说，采用所述波长监测模块111(AWG)对硅基外腔激光器进行闭环检测，不仅具备较高的精度，而且一个所述波长监测模块111可以同时对多个激光器进行监测和控制。随着光子器件功能的日益复杂，在芯片上同时需要集成多个高性能激光器以完成更复杂功能，如超高速相关光通信，微波光子学及其他传感领域等，本专利的闭环稳频方案具备明显优势。

综上所述，本发明的外腔激光器、制备方法及波长调谐方法，基于铌酸锂薄膜得到可通过电压快速调谐的激光器外腔，实现高速波长切换，基于系统设计，采用AWG做波长监控模块，通过调节微环，可方便地使信号自动调节到波长监控模块中的任一指定通道，而波长监控模块反馈信号作用到激光器调相器，补偿各种因素导致激光器漂移，实现精密的波长闭环锁定功能。并进一步可以实现一个波长监控模块可以检测和锁定多个激光器。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种外腔激光器，其特征在于，所述外腔激光器包括：

增益芯片；

模式变换器，与所述增益芯片相耦合；所述模式变换器包括相耦合的第一波导及第二波导，所述第一波导与所述增益芯片相耦合，所述第一波导包括氮化硅波导，所述第二波导包括铌酸锂波导；所述增益芯片与所述模式变换器之间具有对接端面，所述增益芯片的激光输出端与所述对接端面之间具有第一夹角，所述模式变换器的激光输入端与所述对接端面具有第二夹角，所述第一夹角介于15°-25°之间，所述第二夹角介于10°-15°之间；

平衡式马曾干涉器，具有第一端和第二端，所述第一端与所述模式变换器相连接；

滤波模块，与所述平衡式马曾干涉器的第二端相连接；

调相器，与所述平衡式马曾干涉器相连接；以及

波长监测模块，所述波长监测模块的输入端与所述平衡式马曾干涉器的第一端相连接，输出端通过控制电路与所述调相器相连接。

2.根据权利要求1所述的外腔激光器，其特征在于，所述滤波模块包括微环滤波模块，所述微环滤波模块至少包括第一微环、第二微环以及位于微环之间的滤波波导，所述微环滤波模块具有第三端和第四端，所述第三端与所述平衡式马曾干涉器的第二端相连接，其中，所述调相器设置于所述模式变换器与所述平衡式马曾干涉器之间或者所述滤波波导处。

3.根据权利要求2所述的外腔激光器，其特征在于，所述微环滤波模块的滤波波导包括第一滤波波导、第二滤波波导及第三滤波波导，所述第一滤波波导和所述第二滤波波导分别与所述平衡式马曾干涉器的所述第二端相连接，所述第三滤波波导设置于所述第一滤波波导与所述第二滤波波导之间，且所述第一微环位于所述第一滤波波导与所述第三滤波波导之间，所述第二微环位于所述第二滤波波导与所述第三滤波波导之间。

4.根据权利要求1所述的外腔激光器，其特征在于，所述外腔激光器还包括光开关阵列，所述光开关阵列至少与所述波长监测模块的输入端相连接。

5.根据权利要求1中所述的外腔激光器，其特征在于，所述波长监测模块包括波导阵列光栅，所述波导阵列光栅包括氮化硅波导阵列光栅。

6.一种如权利要求1-5中任意一项所述的外腔激光器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

提供第一基底，并于所述第一基底上制备所述波长监测模块；

于形成有所述波长监测模块的所述第一基底上形成绝缘隔离层；

于所述绝缘隔离层上形成铌酸锂薄膜，并刻蚀所述铌酸锂薄膜，以得到所述模式变换器、所述平衡式马曾干涉器、所述滤波模块以及所述调相器；

基于套刻工艺于所述平衡式马曾干涉器的所述第一端与所述波长监测模块之间制备耦合部，以使得所述第一端与所述波长监测模块之间的耦合。

7.根据权利要求6所述的外腔激光器的制备方法，其特征在于，所述第一基底的制备方法包括步骤：提供SOI衬底，所述SOI衬底包括底层硅、中间埋氧层及顶层硅，刻蚀所述顶层硅以显露所述埋氧层，得到所述第一基底，所述波长监测模块制备在所述埋氧层上。

8.根据权利要求7所述的外腔激光器的制备方法，其特征在于，所述外腔激光器的制备方法还包括在所述第一基底上制备硅波导及探测器的步骤，所述硅波导两端分别与所述波长监测模块和所述探测器相耦合。

9.一种采用如权利要求2或3中任意一项所述的外腔激光器进行波长调谐的方法，其特征在于，所述波长调谐的方法包括步骤：

提供如权利要求2或3中任意一项所述的外腔激光器；

将激光自所述增益芯片输入，所述激光基于所述模式变换器、所述调相器、所述平衡式马曾干涉器、所述微环滤波模块以及所述波长监测模块的调节，自所述微环滤波模块输出，得到目标波长激光。

10.根据权利要求9所述的波长调谐的方法，其特征在于，所述波长调谐的方法包括进行波长锁定的步骤，其中，自所述微环滤波模块输出若干通道的目标波长激光，通过所述波长监测模块记录每一通道所述目标波长激光的调谐信号，所述调谐信号至少包括所述调相器的数值、所述平衡式马曾干涉器的数值以及所述微环滤波模块的数值，当需要切换到所需通道目标激光波长时，向所述调相器、所述平衡式马曾干涉器及所述微环滤波模块输入所述波长监测模块记录的所述调谐信号，以切换到所述所需通道目标激光波长，并进入锁定状态。

11.根据权利要求9所述的波长调谐的方法，其特征在于，所述波长调谐的方法包括进行波长补偿的步骤，其中，自所述微环滤波模块输出若干通道的目标波长激光，对于第i通道的所述目标波长激光，通过比值t=(PD(i)-PD(i-1))/(PD(i)+PD(i-1))的大小检测波长的偏移量和偏移方向，将上述结果反馈至所述调相器。

12.根据权利要求11所述的波长调谐的方法，其特征在于，所述波长调谐的方法还包括通过所述微环滤波器进行补偿调节的步骤。

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