CN112310807A - 一种外腔可调谐激光器及光模块 - Google Patents

一种外腔可调谐激光器及光模块 Download PDF

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CN112310807A CN201910712735.XA CN201910712735A CN112310807A CN 112310807 A CN112310807 A CN 112310807A CN 201910712735 A CN201910712735 A CN 201910712735A CN 112310807 A CN112310807 A CN 112310807A
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涂文凯
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Abstract

本申请公开了一种外腔可调谐激光器及光模块，激光器包括壳体、外部谐振腔、致动器、增益芯片和可调谐滤波组件；外部谐振腔的一个腔面设于致动器上；壳体的电学接口用于传输包括选波信号、腔长控制信号和抖动控制信号等电学信号；选波信号调谐可调谐滤波组件选择所需要的波长；腔长控制信号控制致动器产生第一形变以调整外部谐振腔的腔长；抖动控制信号控制致动器在上述第一形变的基础上进行抖动以产生波长抖动信号。本申请将调相位和抖动的元件都集成在外腔面和同一致动器上，减少了外腔内的元件数量，缩短了外腔长度，可获得更小的封装尺寸；同时，有效减少了外腔插损，进而减少插损对激光功率和线宽的影响，使输出激光的线宽更窄、模式更稳定。

Description

一种外腔可调谐激光器及光模块
技术领域
本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种外腔可调谐激光器及光模块。
背景技术
随着大数据、物联网以及5G业务的迅速发展，网络容量需要日益激增，这使得具有大带宽、长距离传输的相干光通讯技术成为下一代高速大容量光网络的首选。作为高相干性的光源和本振器，窄线宽可调谐激光器成为相干光通讯的核心器件之一。目前相干光模块封装形式主要有CFP2-ACO、CFP-DCO等，封装进一步小型化如OSFP时，受模块内部器件尺寸限制，iTLA(Integratable Tunable Laser Assembly，可调谐激光器)需要进一步小型化成nano-iTLA，所以光学设计部分需进一步简洁小型化。
目前，商用的窄线宽可调谐激光器主要有自由空间光外腔、DBR(distributedBragg reflector，分布式布拉格反射激光器)、DFB(Distributed Feedback Laser，分布式反馈激光器)阵列、微环腔等方案，由于其参数精密，对环境非常敏感，光学封装一般采用气密方案，尺寸根据外腔实现方式可大可小。芯片集成方案控制复杂，且因为其插损大，需要集成SOA(semiconductor optical amplifier，半导体光放大器)来提高出光功率，会带来额外的控制、功耗和占用空间。自由空间光可调谐激光器光学部分包括外腔、波长选择元件和模式锁定元件，模式锁定元件用于锁定腔膜，包含光学抖动、反馈和腔长制动三部分。可控光学元件数量多导致器件尺寸难以进一步缩小。
发明内容
本申请的目的在于提供一种外腔可调谐激光器及光模块，具有更小的封装尺寸和较小的外腔插损。
为了实现上述目的之一，本申请提供了一种外腔可调谐激光器，包括壳体，所述壳体设有光学接口和电学接口；还包括设于所述壳体内的外部谐振腔和致动器，以及设于所述外部谐振腔内的增益芯片和可调谐滤波组件；
所述外部谐振腔的一个腔面设于所述致动器上；
所述增益芯片发出的光束在所述外部谐振腔内谐振产生激光模式；
所述电学接口用于传输电学信号，所述电学信号包括腔长控制信号和抖动控制信号；
所述腔长控制信号控制所述致动器产生第一形变以调整所述外部谐振腔的腔长；
所述抖动控制信号控制所述致动器在所述第一形变的基础上进行抖动以产生波长抖动信号。
作为实施方式的进一步改进，所述致动器包括堆叠式压电陶瓷，所述堆叠式压电陶瓷包括多个堆叠的压电陶瓷切片，所述压电陶瓷切片的堆叠方向与所述外部谐振腔的光轴一致。
作为实施方式的进一步改进，所述堆叠式压电陶瓷沿其堆叠方向设有一通光孔，所述外部谐振腔的一个腔面设于所述通光孔的端面或孔内。
作为实施方式的进一步改进，所述外部谐振腔的一个腔面设于所述增益芯片远离所述可调谐滤波组件的端面上；所述增益芯片设于所述堆叠式压电陶瓷的上表面上。
作为实施方式的进一步改进，所述外部谐振腔包括输出腔面和反射面；
所述输出腔面设于所述增益芯片远离所述可调谐滤波组件的端面上；所述反射腔面设于所述堆叠式压电陶瓷靠近所述外部谐振腔的端面上或者所述堆叠式压电陶瓷的上表面上。
作为实施方式的进一步改进，所述致动器包括MEMS，所述MEMS可沿所述外部谐振腔的光轴方向产生形变。
作为实施方式的进一步改进，所述MEMS设有一通光孔，所述外部谐振腔的一个腔面设于所述通光孔的端面或孔内。
作为实施方式的进一步改进，所述外部谐振腔包括输出腔面和反射面；
所述MEMS包括靠近所述外部谐振腔的一个平面，所述反射腔面设于所述MEMS的平面上。
作为实施方式的进一步改进，所述可调谐激光器还包括一耦合透镜，所述耦合透镜设于所述外部谐振腔的输出光路上；
所述耦合透镜包括靠近所述外部谐振腔的平面和远离所述外部谐振腔的球面或非球面；
所述外部谐振腔的输出腔面设于所述耦合透镜的平面上，所述耦合透镜设于所述致动器上。
作为实施方式的进一步改进，所述可调谐激光器还包括一隔离器，所述隔离器设于所述外部谐振腔的输出光路上；
所述外部谐振腔的输出腔面设于所述隔离器靠近所述外部谐振腔的平面上，所述隔离器设于所述致动器上。
作为实施方式的进一步改进，所述可调谐激光器还包括分光元件和光探测器，所述分光元件和光探测器设于所述壳体外。
本申请还提供了一种光模块，包括上述任一实施例的可调谐激光器。
本申请的有益效果：将调相位和抖动的元件都集成在外腔面和同一致动器上，减少了外腔内的元件数量，缩短了外腔长度，可获得更小的封装尺寸；同时，有效减少了外腔插损，进而减少插损对激光功率和线宽的影响，使输出激光的线宽更窄、模式更稳定。
附图说明
图1为本申请外腔可调谐激光器封装示意图；
图2为本申请可调谐激光器实施例1壳体内激光器组件示意图；
图3为实施例1中腔长控制信号和抖动控制信号作用在致动器的示意图；
图4为实施例1中采用的堆叠式压电陶瓷结构示意图；
图5为本申请可调谐激光器实施例2壳体内激光器组件示意图；
图6为实施例2的另一种变形示意图；
图7为本申请可调谐激光器实施例3壳体内激光器组件示意图；
图8为本申请可调谐激光器的另一种封装示意图；
图9为本申请光模块结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本申请进行详细描述。但这些实施方式并不限制本申请，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。
在本申请的各个图示中，为了便于图示，结构或部分的某些尺寸会相对于其它结构或部分夸大，因此，仅用于图示本申请的主题的基本结构。
另外，本文使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。当元件或层被称为在另一部件或层“上”、与另一部件或层“连接”时，其可以直接在该另一部件或层上、连接到该另一部件或层，或者可以存在中间元件或层。
本申请提供一种外腔可调谐激光器，具有小型化的封装尺寸。如图1和2所示，该可调谐激光器包括壳体100和设于壳体100内的激光器组件，该激光器组件包括外部谐振腔、致动器330和设于该外部谐振腔内的增益芯片310和可调谐滤波组件320，外部谐振腔的一个腔面设于致动器330上。其中，壳体100设有光学接口110和电学接口120，光学接口110用于传输光信号，电学接口120用于传输电学信号，该电学信号包括驱动信号、选波信号、腔长控制信号和抖动控制信号。工作时，驱动信号，如增益芯片310的偏置电流等，驱动增益芯片310发出光束，光束在外部谐振腔内谐振产生激光模式；选波信号调谐上述可调谐滤波组件320选择所需的波长，例如在光通信中，用于选择光通信所需要的某个ITU(InternationalTelecommunication Union)标准波长。腔长控制信号控制上述致动器330产生第一形变以调整外部谐振腔的腔长，用于调节上述激光模式的相位，使上述激光模式与可调谐滤波组件320的波长对齐；抖动控制信号控制致动器330在上述第一形变的基础上进行抖动产生波长抖动信号，以锁定输出光束的中心波长。
该可调谐激光器将调相位和抖动的元件都集成在同一外腔面和致动器上，减少了外腔内的元件数量，缩短了外腔长度，可获得更小的封装尺寸；同时，有效减少了外腔插损，进而减少插损对激光功率和线宽的影响，使输出激光的线宽更窄、模式更稳定。下面的实施例将结合附图详细阐述壳体内的激光器组件的具体结构。
实施例1
如图1-3所示的实施例1，激光器组件包括致动器330、外部谐振腔和设于该外部谐振腔内的增益芯片310和可调谐滤波组件320。谐振腔的一个腔面设于上述致动器330上。壳体100内还设有TEC(Thermo Electric Cooler，半导体致冷器)360、耦合透镜340和隔离器。上述增益芯片310、可调谐滤波组件320和致动器330设于该TEC 360上。壳体100的电学接口120传输的腔长控制信号和抖动控制信号都施加在致动器上。壳体100的光学接口110连接有光纤200。激光器组件输出的激光经耦合透镜340耦合到光纤200内，由该光纤200传输到壳体100外。壳体100外设有分光元件和光探测器，用于监测和反馈输出激光的功率和波长。
上述光纤200包括光纤头210和尾纤220，其中，光纤头210包括固定套管，比如玻璃套管，该固定套管内设有毛细管，尾纤220的一端设于毛细管内；光纤头210的固定套管设于壳体100的光学接口110内。该光纤头省略了陶瓷插芯，直接采用玻璃套管固定尾纤，缩短了光纤头的长度，减小了器件的整体尺寸。当然，在其它实施例中，壳体100的光学接口110也可以连接可插拔的连接器，不一定连接光纤。
该实施例中，致动器330包括堆叠式压电陶瓷，如图4所示，该堆叠式压电陶瓷包括多个堆叠的压电陶瓷切片331，这些压电陶瓷切片331的堆叠方向与上述外部谐振腔的光轴方向一致。上述堆叠式压电陶瓷沿其堆叠方向设有一通光孔332，外部谐振腔的一个腔面设于该通光孔332上的端面或孔内。该实施例中，上述隔离器设于堆叠式压电陶瓷的通光孔332内，耦合透镜340设于壳体100的光学接口110内。该隔离器包括相对的第一平面和第二平面，其中第一平面靠近可调谐滤波组件320，第二平面远离可调谐滤波组件320，上述外部谐振腔的输出腔面设于隔离器的第一平面上。增益芯片310远离可调谐滤波组件320的第一端面311镀高反射膜，作为外部谐振腔的反射腔面，增益芯片310靠近可调谐滤波组件320的第二端面312镀增透膜。即增益芯片310的第一端面311和隔离器的第一平面形成外部谐振腔的两个腔面。该实施例中，在增益芯片310与可调谐滤波组件320之间还设有准直透镜350，将增益芯片310发射的光束准直入射到可调谐滤波组件320上，经可调谐滤波组件320选择所需要的波长，以使所需的波长光通过外部谐振腔内的模式竞争，在腔内谐振产生激光，最终经上述输出腔面输出激光，并由耦合透镜340将输出的激光聚焦耦合到光纤200内，经由光纤200输出。设于堆叠式压电陶瓷内的隔离器将光纤端面及外部光路上各端面反射的返回光隔离，避免返回光返回到谐振腔内，影响输出激光的稳定性。
工作的时候，选波信号将可调谐滤波组件320调谐到所需的波长，增益芯片310发射的光束经准直透镜350准直入射到可调谐滤波组件320上，经可调谐滤波组件320选择所需要的波长，以使所需的波长光通过外部谐振腔内的模式竞争，在腔内谐振产生激光，最终经上述输出腔面输出激光。上述腔长控制信号和抖动控制信号，一般分别为直流电压和交流电压，施加在堆叠式压电陶瓷上，先通过腔长控制信号控制堆叠式压电陶瓷沿堆叠方向产生第一形变来改变设于其内的外部谐振腔输出腔面的位置，以调整外部谐振腔的腔长，从而调节外部谐振腔腔内激光模式的相位，使所需的激光模式与可调谐滤波组件的波长对齐；再通过抖动控制信号控制上述堆叠式压电陶瓷在上述第一形变的基础上小幅度来回伸缩，来使其内的输出腔面抖动，以产生波长抖动信号。设于壳体100外的分光元件和光探测器监测并反馈该抖动的光信号的功率，以锁定输出光束的中心波长。
该结构采用堆叠式压电陶瓷作为致动器，整体叠加的位移量大，腔长控制信号和抖动控制信号需要的电压小，有效降低了可调谐激光器的功耗。另外，将外腔面集成在隔离器上，再将隔离器集成到堆叠式压电陶瓷的通光孔内，将调相位和控制抖动的信号都施加在堆叠式压电陶瓷内，不需要另外增加相位调节组件，减少了腔内的元件数量，不仅有效缩短了外部谐振腔的腔长，而且也降低了器件整体的光学高度，进一步缩小了可调谐激光器的封装尺寸。
在其它实施例中，也可以将耦合透镜和隔离器的位置互换，即将隔离器设于壳体的光学接口内，耦合透镜设于堆叠式压电陶瓷的通光孔的端面或孔内。耦合透镜包括靠近可调谐滤波组件的平面和远离可调谐滤波组件的凸面，该凸面为球面或非球面，外部谐振腔的腔面设于耦合透镜的该平面上。
实施例2
如图5所示的实施例2，与实施例1不同的是，该实施例中，在增益芯片310远离可调谐滤波组件320的第一端面311镀部分反射膜，作为外部谐振腔的输出腔面，在可调谐滤波组件320远离增益芯片310的一第三平面321镀高反射膜，作为外部谐振腔的反射腔面。上述耦合透镜340、隔离器370和壳体100的光学接口110位于增益芯片310输出腔面输出的光路上。该实施例中，在增益芯片310与可调谐滤波组件320之间还设有准直透镜350，以将增益芯片310发射的光束准直可调谐滤波组件320上。增益芯片310设于一芯片基板380上，该准直透镜350和芯片基板380及芯片基板380上的增益芯片310一起设于一堆叠式压电陶瓷上方。该堆叠式压电陶瓷作为致动器330，在腔长控制信号的控制下产生第一形变来改变设于其上的外部谐振腔输出腔面(设于增益芯片310的第一端面311)的位置，以调整外部谐振腔的腔长，从而调节外部谐振腔腔内激光模式的相位，使所需的激光模式与可调谐滤波组件320的波长对齐；抖动控制信号控制上述堆叠式压电陶瓷在上述第一形变的基础上小幅度来回伸缩，来使其上的输出腔面抖动，以产生波长抖动信号。设于壳体外的分光元件和光探测器监测并反馈该抖动的光信号的功率，以锁定输出光束的中心波长。
增益芯片310发射的光束在第一端面311和第三平面321之间谐振产生激光模式，通过腔长控制信号调节外部谐振腔使激光模式与可调谐滤波组件320的波长对齐，再通过抖动控制信号控制输出腔面抖动以产生抖动信号来锁定输出激光的波长，并从增益芯片310的第一端面311输出所需波长的激光，输出的激光经耦合透镜340耦合到光纤200内。该实施例中，隔离器370设于壳体的光学接口110内，缩短了壳体的长度。在其它实施例中，也可以将隔离器和耦合透镜的位置互换。为了避免增益芯片端面的反射影响腔内激光的稳定性，该实施例中将增益芯片与谐振腔主光轴成一小角度设置，因此从增益芯片的第一端面输出的激光也与谐振腔的主光轴存在一小角度的夹角，这里在增益芯片与耦合透镜之间增加了一个转向元件，如转向棱镜等，以矫正输出激光的角度，使入射到耦合透镜的激光回归到主光轴方向上。
在其它实施例中，如图6所示，也可以将可调谐滤波器组件320设于致动器330的上表面上，或者设于致动器330靠近外部谐振腔的端面上，即将可调谐滤波组件320的第三平面321(外部谐振腔的反射腔面)设于致动器330的上表面或靠近外部谐振腔的端面上。这里，致动器330可以是堆叠式压电陶瓷，也可以是MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)。
实施例3
如图7所示的实施例3，与实施例1不同的是，该实施例中，致动器330采用的是MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)，MEMS中间设有通光孔332，耦合透镜340贴于MEMS通光孔332的一端，腔长控制信号和抖动控制信号施加在MEMS上。该实施例中，隔离器370设于壳体的光学接口110内，耦合透镜340设于可调谐滤波组件320与隔离器370之间。耦合透镜340包括靠近可调谐滤波组件320的第四平面和远离可调谐滤波组件320的凸面，外部谐振腔的输出腔面设于耦合透镜340的第四平面上，第四平面贴于MEMS的通光孔332的一端，凸面为球面或非球面。在其它实施例中，耦合透镜和隔离器的位置也可以互换，将外部谐振腔的输出腔面设于隔离器靠近可调谐滤波组件的第一平面上，该第一平面贴于MEMS的通光孔的一端，将耦合透镜设于壳体的光学接口内。或者，也可以将外部谐振腔的输出腔面设于可调谐滤波组件远离增益芯片的第三平面上，再将可调谐滤波组件贴于MEMS的通光孔的一端。
工作时，准直透镜350将增益芯片310发射的光束准直入射到可调谐滤波组件320上，透射过可调谐滤波组件320的光束入射到耦合透镜340的第四平面上，部分反射光被该第四平面反射后沿原路返回，并在增益芯片310的第一端面311和耦合透镜340的第四平面之间谐振产生激光模式。腔长控制信号控制MEMS产生第一形变来改变耦合透镜340上第四平面(即输出腔面)的位置，以调节外部谐振腔的腔长使该激光模式与可调谐滤波组件320的波长对齐；抖动控制信号控制MEMS在第一形变的基础上进行小幅度抖动来使输出腔面抖动，以产生抖动信号来锁定输出激光的波长，并从耦合透镜340的第四平面输出所需波长的激光，输出的激光经耦合透镜340耦合到光纤内。
上述各实施例中的可调谐滤波组件可以是单个可调谐的标准具，或者两个或多个具有不同自由光谱范围的可调谐标准具组成的游标系统。
如图1所示，上述各实施例中，壳体100的电学接口120可以设于壳体100上与其光学接口110相对的端面上，也可以如图8所示，将电学接口120设置在壳体100的侧面。电学接口120设在密封壳体100的侧面，可省略密封壳体内的走线，减少密封壳体内走线的空间，可进一步缩小密封壳体的体积。外部谐振腔的腔面也可以是独立的全反射腔镜和/或部分反射腔镜，分别设于增益芯片远离滤波元件的一侧，以及滤波元件远离增益芯片的一侧。
实施例4
如图9所示，该实施例4提供一种光模块，其包括模块外壳500、电路板600、硅光芯片400和可调谐激光器。这里，可调谐激光器可以采用上述任一实施例的外腔可调谐激光器，在硅光芯片400上还集成了该外腔可调谐激光器的反馈组件，反馈组件包括分光元件和光探测器(MPD)，用于反馈可调谐激光器输出的光功率和中心波长。当然，在其它实施例中，反馈组件也可以采用分光探测器或其它形式的分光元件与MPD的组合。该光模块采用的本申请的小型化的外腔可调谐激光器，模块的尺寸可以做得更小，集成度更高，而且具有更稳定的窄线宽单模激光输出。
在其它实施例中，光模块的壳体也可以采用其它结构的封装壳体，不局限于图9所示的壳体结构。该实施例中，光调制器和光接收机等器件集成在硅光芯片上，在其它实施例中，光调制器和/或光接收机也可以采用自由空间的独立器件。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本申请的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本申请的保护范围，凡未脱离本申请技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种外腔可调谐激光器，包括壳体，所述壳体设有光学接口和电学接口；其特征在于：还包括设于所述壳体内的外部谐振腔和致动器，以及设于所述外部谐振腔内的增益芯片和可调谐滤波组件；
所述外部谐振腔的一个腔面设于所述致动器上；
所述增益芯片发出的光束在所述外部谐振腔内谐振产生激光模式；
所述电学接口用于传输电学信号，所述电学信号包括腔长控制信号和抖动控制信号；
所述腔长控制信号控制所述致动器产生第一形变以调整所述外部谐振腔的腔长；
所述抖动控制信号控制所述致动器在所述第一形变的基础上进行抖动以产生波长抖动信号。
2.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于：所述致动器包括堆叠式压电陶瓷，所述堆叠式压电陶瓷包括多个堆叠的压电陶瓷切片，所述压电陶瓷切片的堆叠方向与所述外部谐振腔的光轴一致。
3.根据权利要求2所述的可调谐激光器，其特征在于：所述堆叠式压电陶瓷沿其堆叠方向设有一通光孔，所述外部谐振腔的一个腔面设于所述通光孔的端面或孔内。
4.根据权利要求2所述的可调谐激光器，其特征在于：
所述外部谐振腔的一个腔面设于所述增益芯片远离所述可调谐滤波组件的端面上；所述增益芯片设于所述堆叠式压电陶瓷的上表面上。
5.根据权利要求2所述的可调谐激光器，其特征在于：
所述外部谐振腔包括输出腔面和反射面；
所述输出腔面设于所述增益芯片远离所述可调谐滤波组件的端面上；所述反射腔面设于所述堆叠式压电陶瓷靠近所述外部谐振腔的端面上或者所述堆叠式压电陶瓷的上表面上。
6.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于：所述致动器包括MEMS，所述MEMS可沿所述外部谐振腔的光轴方向产生形变。
7.根据权利要求6所述的可调谐激光器，其特征在于：所述MEMS设有一通光孔，所述外部谐振腔的一个腔面设于所述通光孔的端面或孔内。
8.根据权利要求6所述的可调谐激光器，其特征在于：
所述外部谐振腔包括输出腔面和反射面；
所述MEMS包括靠近所述外部谐振腔的一个平面，所述反射腔面设于所述MEMS的平面上。
9.根据权利要求2、3、6、7任一项所述的可调谐激光器，其特征在于：
所述可调谐激光器还包括一耦合透镜，所述耦合透镜设于所述外部谐振腔的输出光路上；
所述耦合透镜包括靠近所述外部谐振腔的平面和远离所述外部谐振腔的球面或非球面；
所述外部谐振腔的输出腔面设于所述耦合透镜的平面上，所述耦合透镜设于所述致动器上。
10.根据权利要求2、3、6、7任一项所述的可调谐激光器，其特征在于：所述可调谐激光器还包括一隔离器，所述隔离器设于所述外部谐振腔的输出光路上；所述外部谐振腔的输出腔面设于所述隔离器靠近所述外部谐振腔的平面上，所述隔离器设于所述致动器上。
11.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于：所述可调谐激光器还包括分光元件和光探测器，所述分光元件和光探测器设于所述壳体外。
12.一种光模块，其特征在于：包括如权利要求1-11任一项所述的可调谐激光器。
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