CN113328337A - 用于可调谐激光器的薄膜滤波器 - Google Patents

用于可调谐激光器的薄膜滤波器 Download PDF

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Abstract

本申请涉及用于可调谐激光器的薄膜滤波器。一种用于波长可调谐半导体激光器的薄膜装置。装置包括位于高反射率面和抗反射面之间的腔，该腔被设计为发射波长在由两个游标环谐振器确定的可调谐范围内的激光，该游标环谐振器具有在第一波长和第二波长之间的联合自由光谱范围。该装置还包括膜，该膜包括多对第一层和第二层，第一层和第二层依次堆叠到高反射率面的外侧。每对中的每一层具有一个单位的各自的光学厚度，除了一对中具有较大光学厚度的一个第一层或第二层之外。膜被配置为对于从第一波长开始的可调谐范围内的波长，从高反射率面产生至少大于90％的激光的内部反射率，但是对于围绕第二波长的25nm范围内的波长，激光的内部反射率至少小于50％。

Description

用于可调谐激光器的薄膜滤波器
技术领域
本发明涉及光通信技术。更具体地，本发明提供一种用于基于硅光子的波长可调谐激光增益芯片的薄膜滤波器、具有该薄膜滤波器的可调谐滤波器和具有该薄膜滤波器的硅光子系统。
背景技术
在过去的几十年里，通信网络的使用激增。在早期的互联网中，流行的应用仅限于电子邮件、公告板，并且主要是信息和基于文本的网页浏览，且传输的数据量通常相对较小。如今，互联网和移动应用需要大量带宽来传输照片、视频、音乐和其他多媒体文件。例如，像脸书这样的社交网络每天处理超过500TB的数据。由于对数据和数据传输的需求如此之高，需要改进现有的数据通信系统来满足这些需求。
在现有的单模光纤上进行40Gbit/s和100Gbit/s数据速率的宽带DWDM(密集波分复用)光学传输是下一代光纤通信网络的目标。对于许多应用，诸如宽带DWDM通信以及波长控制的光检测和测距(LIDAR)感测，芯片级可广泛调谐的激光器已经引起了人们的兴趣。最近，光学组件被集成在硅(Si)衬底上，以制造与微电子芯片共存的大规模光子集成电路。已经证明了整个光子组件，包括滤波器、解(复用器)、分离器、调制器和光检测器，主要是在绝缘体上硅(SOI)平台上。SOI平台特别适合于1300nm和1550nm的标准DWDM通信频段，因为硅(n＝3.48)和其氧化物SiO2(n＝1.44)都是透明的，并且形成了理想地适用于中高集成平面集成电路(SPIC)的高折射率、高约束波导。
硅光子平台中波长可调谐半导体激光器已被实施为许多光纤通信应用的基本元件，包括提高光谱效率的相干光传输。多种光谱有效的调制格式，例如M相移键控(PSK)和正交幅度调制(QAM)，而无需依赖相当复杂的光学锁相环。另外，由于相位信息在检测后得以保留，因此我们可在数字域中实现电后处理功能，例如色散补偿和偏振模色散补偿。然而，也存在一些技术挑战，如在硅光子衬底上制作小尺寸的游标环，以扩大自由光谱范围，并且具有足够的侧模抑制比，用于制作偏振无关的波长可调谐激光器，并将其集成到紧凑的硅光子平台中形成相干系统。因此，需要改进的技术和方法。
发明内容
本发明涉及光通信技术。更具体地，本发明提供了一种应用于基于硅光子的可调谐激光增益芯片的高反射面的薄膜滤波器，可调谐滤波器在硅光子集成电路中具有相同的应用，尽管其他应用是可能的。
在一个实施方式中，本发明提供了一种用于波长可调谐半导体激光器的薄膜装置。该薄膜装置包括位于高反射率面和抗反射面之间的腔，该腔被设计为发射波长在由两个游标环谐振器确定的可调谐范围内的激光，游标环谐振器具有在第一波长和第二波长之间的联合自由光谱范围。该薄膜装置还包括膜，该膜包括多对层，每对层包含第一层和第二层，第一层和第二层依次堆叠到高反射率面的外侧。每对中的第一层和第二层的每一个具有一个单位的各自的光学厚度，除了一对中具有较大光学厚度的一个第一层或第二层之外。该膜被配置为对于从第一波长开始的可调谐范围内的波长，从高反射率面产生至少大于90％的激光的内部反射率，但是对于围绕第二波长的25nm范围内的波长，激光的内部反射率至少小于50％。
在替代的实施方式中，本发明提供了一种波长可调谐半导体激光器的增益芯片。该增益芯片包括激光腔，该激光腔包括在高反射率面和抗反射面之间的活动区域。该激光腔被设计为发射波长在由两个游标环谐振器确定的可调谐范围内的激光，该游标环谐振器具有在第一波长和第二波长之间的联合自由光谱范围。该增益芯片还包括激光腔膜，该激光腔膜包括多对层，每对层包含第一层和第二层，第一层和第二层依次堆叠到所述高反射率面的外侧。每对中的第一层和第二层的每一个具有一个单位的各自的光学厚度，除了一对中具有较大光学厚度的一个第一层或第二层之外。该膜被配置为对于从第一波长开始的可调谐范围内的波长，从高反射率面产生至少大于90％的激光的内部反射率，但是对于围绕第二波长的25nm范围内的波长，激光的内部反射率至少小于50％。
在另一替代实施方式中，本发明提供了一种波长可调谐半导体激光器。该波长可调谐半导体激光器包括游标调谐器，具有形成在硅光子衬底中的至少两个环形谐振器。至少两个环形谐振器配置为在第一波长和第二波长之间产生联合自由光谱范围。该波长可调谐半导体激光器还包括相位匹配器，该相位匹配器具有形成在硅光子衬底中并且耦合到至少两个环形谐振器的波导。另外，该波长可调谐半导体激光器包括增益芯片，该增益芯片包括激光腔，该激光腔具有位于高反射率面和抗反射面之间的具有出口的活动区域。该增益芯片倒装到硅光子衬底上，以使出口耦合到相位匹配器的波导上。该激光腔被设计为从出口发射出波长在从第一波长开始到联合自由光谱范围的中点的可调谐范围内的激光。此外，该波长可调谐半导体激光器包括膜，从多对层制成，每对层包含第一层和第二层，第一层和第二层依次堆叠到高反射率面的外侧。每对中的第一层和第二层的每一个具有对应于参考波长的四分之一的一个单位的各自的光学厚度，除了一对中具有较大光学厚度的一个第一层或第二层之外。该膜被配置为对于可调谐范围内的波长，从高反射率面产生至少大于90％的激光的内部反射率，但是对于围绕第二波长的25nm范围内的波长，激光的内部反射率至少小于50％。
本发明在已知的波导激光调制技术的背景下实现了这些以及其他优点。然而，通过参考说明书的后半部分和附图，可实现对本发明的本质和优点的进一步理解。
附图说明
以下附图仅是实例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多其他变型、修改和替代。还应理解，本文描述的实例和实施方式仅用于说明目的，并且鉴于其的各种修改或改变将被建议给本领域技术人员，并且将被包括在该过程的精神和范围以及所附权利要求的范围之内。
图1是根据本发明的实施方式的具有游标反射调谐器和移相器的功能可调谐激光器的示意图。
图2是根据本发明的实施方式的来自可调谐激光器的两个游标环的单独和联合反射光谱的示例图。
图3是根据本发明的实施方式的用于抑制侧模激光的可调谐激光器的增益和其增益芯片的高反射(HR)面处的反射率的示例图。
图4是根据本发明的实施方式的薄膜滤波器的简化侧视图，该薄膜滤波器被提出以图3的长波谷来完成HR反射率。
图5是根据本发明的实施方式的具有和不具有相移的两个模型滤波器在宽波长范围内的反射率的曲线图。
图6是根据本发明的特定实施方式，来自插图表格中定义的模型滤波器的反射率的曲线图。
图7是根据本发明另一特定实施方式，来自插图表格中定义的模型滤波器的反射率的曲线图。
图8是根据本发明的实施方式，基于图7中提出的模型滤波器的，来自样本滤波器的反射率的曲线图。
图9是根据本发明的实施方式的可调谐激光器的增益芯片的示意图，其具有在其高反射率面上形成的薄膜滤波器，该薄膜滤波器被设计用于抑制侧模激光。
图10是根据本发明的实施方式的波长可调谐半导体激光器的示意图，其具有添加到其中的反射半导体光放大器的增益芯片的高反射率面上的薄膜滤波器。
具体实施方式
本发明涉及光通信技术。更具体地，本发明提供了一种应用于基于硅光子的可调谐激光增益芯片的高反射面的薄膜滤波器，可调谐滤波器在硅光子集成电路中具有相同的应用，尽管其他应用是可能的。
以下描述是为了使本领域普通技术人员能够制造和使用本发明，并将其包含到特定应用的环境中。对于本领域技术人员来说，各种修改以及在不同应用中的各种用途将是显而易见的，并且本文定义的一般原理可应用于广泛的实施方式。因此，本发明不限于所呈现的实施方式，而是符合与本文公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。
在下面的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的更透彻的理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，可实践本发明而不必限于这些具体细节。在其他情况下，以框图的形式而不是详细地示出了公知的结构和装置，以避免使本发明晦涩难懂。
读者的注意力集中在所有与本说明书同时提交的文件和文档上，这些文件和文档对公众开放，供检查本说明书，所有这些文件和文档的内容通过引用结合于此。除非另有明确说明，否则本说明书中公开的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)可由服务于相同、等同或类似目的的替代特征来代替。因此，除非另有明确说明，所公开的每个特征仅是一系列一般等效或相似特征中的一个实例。
此外，权利要求中未明确说明执行特定功能的“手段”或执行特定功能的“步骤”的任何元件不应被解释为35U.S.C.第112节第6段中规定的“手段”或“步骤”条款。具体而言，在本文的权利要求中使用“步骤”或“行为”并非调用35U.S.C.第112节第6段的规定。
注意，如果使用，则标签左、右、前、后、顶、底、向前、反向、顺时针和逆时针仅用于方便目的，并不意味着任何特定的固定方向。相反，用于反映对象的不同部分之间的相对位置和/或方向。
一方面，本公开提供了一种薄膜装置，其布置在基于硅光子平台的波长可调谐半导体激光器的激光腔中，用于支持模式选择/抑制和稳定性。如图1所示，可调谐激光器通常提供有经由相位匹配器200耦合到一个或多个游标环谐振器300的增益芯片100。增益芯片100包括配置在抗反射(FR)面和高反射率(HR)面之间的激光腔中的线性波导中的PN结二极管中的活动区域。激光腔被设计为诱导从活动区域发射并且在AR面和HR面之间共振的激光激发。游标调谐器300是形成在硅光子衬底中的环形波导结构，其提供扩展腔以在干涉光谱中生成特定自由光谱范围(FSR)，并且基于激光腔提供从增益芯片100发射的激光波长的可调谐性。相位匹配器200是在具有热相位控制的硅光子衬底中形成的线性形状波导，用于进一步提供更好的可调谐性以确定从激光腔发射的激光的最终波长。
在一个实施方式中，游标调谐器300包括至少两个环形谐振器R1和R2，形成在硅光子衬底中(图1中未明确示出)。每个环形谐振器R1或R2在扩展腔中提供反射光谱，如图2的上部所示，在1520nm到1620nm的较宽波长范围内。每个反射光谱的多个相长干涉峰的特定位置也通过调节相位匹配器200的相移来贡献。图2的底部显示了相同波长范围内两个反射光谱的联合干涉光谱(称为R1*R2)。可见，联合光谱的特征是联合自由光谱范围(JFSR)，即两个主要干扰峰之间的波长间隔。在该示例中，JFSR是85nm，从基本模式JFSR峰值处1526nm的第一波长到高阶或侧模式JFSR峰值处1611nm的第二波长。激光发射波长可通过调节游标调谐器300和相位匹配器200来调谐。对于宽带DWDM应用中激光发射波长的调谐，优选具有较宽FSR的可调谐激光器，以实现更好的激光波长选择性。但是为了获得更宽的FSR以获得更好的波长可调谐性，需要在硅光子衬底上形成的环形谐振器形成非常小直径。另外，为了实现模式选择/抑制和稳定性，需要在扩展腔中增加一个元件。设计和构造具有超小直径的环形谐振器或在硅光子衬底上增加额外的元件以改进模式选择在技术上是有挑战性的，而在经济上是不利的。
图3是根据本发明实施方式的用于抑制侧模激光的可调谐激光器的增益和其增益芯片的高反射面处的反射率的示例图。如图所示，在当前游标调谐器设计下，来自增益芯片100的激光发射的增益曲线具有大于或至少接近JFSR的宽度。然而，在具有两个环形谐振器的游标调谐器设计下，如果增益芯片100在高反射率(HR)面具有平坦反射特性，则激光腔可以在基本模式JFSR峰值位置(例如，1526nm)和侧模式JFSR峰值位置(例如，1611nm)处发射激光。因此，还优选以足够大的侧模抑制比(SMSR)改变增益芯片100的高反射率面的反射特性，从而有效地抑制侧模JFSR峰值处的激光。对于在1526nm到1568nm的扩展C波段中具有所需可调谐范围的可调谐激光器，在JFSR＝85nm的游标调谐器设计下，一个目标是使HR反射率在可调谐范围内保持高(>90％)，同时在1610-1620nm左右的侧模JFSR峰值处下降，至少3dB损耗。如图3所示，示例性HR反射率被设计为在1610nm处在JFSR的长波长侧周围产生下降或大的损耗(几乎到0％)，同时在宽波长范围(从1580nm到1520nm)上在JFSR的下部分保持高(>90％)反射率，以维持用于扩展C波段的波长调谐功能。
本公开提供了一种附接到增益芯片的薄膜装置，用于改变其HR面的反射率特性，从而在JFSR的长波长侧产生反射率下降，同时保持JFSR下部的高反射率。图4是根据本发明的一个实施方式的薄膜滤波器的简化侧视图，该薄膜滤波器用于实现图3的长波下降HR反射率。该图仅是实例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，提供具有表面0的衬底100。可选地，衬底100是包括激光腔的增益芯片的一部分，并且表面0用作其高反射率面。薄膜装置101附接到表面0的外侧并且配置有形成带通滤波器的多层结构101，以针对大于或接近JFSR的宽波长范围提供高内部反射率(～100％)平坦。参考图4，多层结构101包括层10到层1，层10到层1依次堆叠到在宽波长范围上具有高反射率的表面0的外侧，同时在长波长侧具有反射率倾斜。
在一个实施方式中，多层结构101配置为堆叠在一起的多对层。多层结构101的每对层包括具有高折射率n1的第一材料的厚度h1的第一层和具有低折射率n2的第二材料的厚度h2的第二层，其中n2<n1。在图4的示例中，第一对层包括作为第一层的层1和作为第二层的层2。第二对层包括作为第一层的层3和作为第二层的层4，等等。另外，在一个实施方式中，每对层中的第一层和第二层中的每一个配置为具有一个单位的各自光学厚度，n1×h1＝n2×h2，其被设置为参考波长的四分之一。该实施方式的多层结构101提供了薄膜滤波器，该薄膜滤波器具有反射率的长波长下降，这是图3中具有长波长下降的HR反射率的期望特性。可选地，在另一实施方式中，除一对层之外的所有对包括具有厚度h3大于h1或h2的第一层或第二层。在图4的示例中，第三对层的第一层，即层5，是具有更大厚度h3的层。与JFSR较低部分的宽范围上的高反射率平坦部分相比，更大的厚度h3提供额外的相移以产生更大的SMSR，其在侧模式JFSR峰值周围的窄波长范围内的反射率下降。
可选地，多对层的数量为5、6或更多。在一个实施方式中，优选使多层结构101的总厚度更薄仍实现期望的HR反射率特性。为了使多层结构101更薄而要考虑的另一个因素是选择尽可能小的参考波长，前提是将每对层中每一层的光学厚度单位(除了具有可选相移的一对中的光学厚度单位)设置为参考波长的四分之一。因此，可以通过对所有以下因素进行相干调谐来优化多层结构101，包括：每层的厚度、参考波长、多对层的数目、具有不同折射率的材料的选择、添加到具有较大厚度的一对层的相移量。优选地，期望使图4所示的多层结构101以薄的总厚度进行优化，并且在从JFSR的下端到JFSR的中点设计的激光发射的可调谐范围上光学配置为至少大于90％的反射率，同时在环绕JFSR的高端具有至少小于50％的反射率。
在一些实施方式中，多层结构101通过溅射沉积在表面0上形成，这为许多金属、半导体或氧化物材料提供了极好的厚度控制，并产生具有高质量和稳定光学特性的致密块状层。在示例中，具有高折射率的第一层是具有n1＝3.82的溅射硅，并且具有低折射率的第二层是具有n2＝1.42的氧化硅(SiO2)或具有n2＝1.63的氧化铝(Al2O3)。在另一示例中，具有高折射率的第一层是n1＝2.12的溅射氧化钽(Ta2O5)，并且具有低折射率的第二层是具有n2＝1.42的氧化硅(SiO2)或具有n2＝1.63的氧化铝(Al2O3)。衬底100可选地是折射率ns＝3.185～3.20的磷化铟材料(用于形成腔激光器的增益芯片)。薄膜滤波器101之外的介质是空气。反射率是指通过薄膜滤波器101从表面0反射回衬底100(例如，基于磷化铟的增益芯片)的激光的内部反射率。
图5是根据本发明实施方式的包括相移和不包括相移的两个模型滤波器在宽波长范围内的反射率曲线图。参考图5，第一模型滤波器提供有5对SiO2/Si层，其堆叠在衬底上，每个设置为等于参考波长的四分之一的一个单位的光学厚度(n×h)，而没有任何相移。通过计算机模拟获得第一模型滤波器的反射率曲线，结果表明，在1560nm处反射率已下降<80％，并且在1610nm附近逐渐下降到5％左右，然后再上升。在1568nm(扩展C波段的上限)或所需的可调谐范围内，它未能保持大于90％的反射率。在1580nm到1610nm之间，反射率下降缓慢，其也显示出相对较差的对比度。
再次参考图5，第二模型滤波器设置有5对SiO2/Si相移层，其堆叠在衬底上，每个设置为一个单位的光学厚度(n×h)，等于参考波长的四分之一，但是在第五层Si中具有相移，其厚度大于其余层对中的Si层。如图所示，基于第二模型滤波器的计算机模拟获得的反射率曲线从1520nm到1580nm具有>90％的高反射率，然后在1610nm处快速下降到0％，这使得反射率从扩展C波段的可调谐范围到1610nm的变化有很大的收缩，保持高质量的宽带激光可调谐范围，但实质上抑制侧模式JFSR激光。
图6是根据本发明的特定实施方式，来自插图表格中定义的模型滤波器的反射率的曲线图。参考图6，这是用在插入表中示出的10层结构或5对SiO2/Si相移层定义的模型滤波器，在可调谐激光增益芯片的HR面上堆叠。Si层，每对中的第一层，是无相移的溅射沉积硅，折射率为3.82，物理厚度为105.36nm，光学厚度为402.5nm，其是一个单位的光学厚度，等于1610nm参考波长的1/4。SiO2层，每对中的第二层，折射率为1.456，物理厚度为276.31nm，光学厚度为402.5nm，其也等于一个单位的光学厚度，等于1610nm参考波长的1/4。第五层，例如具有相移的Si层，具有210.73nm的物理厚度，该厚度是第一Si层的两倍，使得相移精确到参考波长的1/4。可选地，具有相移的层可以是第二层中的一个或在交替的层中。基于图6的10层结构的薄膜滤波器导致在1610nm处期望的急剧反射率下降到约5％，并且对于小于1580nm低至1500nm的波长，接近完美的高反射率。其确实产生非常高的SMSR，但10层结构的总厚度大于2μm。
图7是根据本发明另一特定实施方式，来自插图表格中定义的模型滤波器的反射率的曲线图。参考图7，这是用在插入表中示出的10层结构或5对SiO2/Si相移层定义的模型滤波器，在可调谐激光增益芯片的HR面上堆叠。Si层，每对中的第一层，是无相移的溅射沉积硅，折射率为3.82，物理厚度为77.22nm，光学厚度为295nm，其是一个单位的光学厚度，等于1180nm参考波长的1/4。该多层结构的参考波长被选择为1180nm，远小于用于图6的先前模块滤波器的1610nm。SiO2层，每对中的第二层，折射率为1.456，物理厚度为202.52nm，光学厚度为295nm，其也等于一个单位的光学厚度，等于1180nm参考波长的1/4。第五层，例如具有相移的Si层，具有253.68nm的物理厚度，该厚度是第一Si层的3.285倍，从而产生更大的相移。可选地，具有相移的层可以是第二层中的一个或在交替的层中。基于图7的10层结构的薄膜滤波器导致在1610nm处期望的急剧反射率完美下降到0％，并且对于小于1580nm低至1500nm的波长，高反射率>90％。其也产生非常高的SMSR，作为增益芯片所需的HR滤波器。此外，由于选择了1180nm的较小参考波长，10层结构的总厚度仅略大于1.5μm。较薄的薄膜过滤器在制造中具有一些优势，即涂层时间较短，并且在薄膜应力方面具有更好的机械性能。
图8是根据本发明的实施方式，基于图7中提出的模型滤波器的，来自样本滤波器的反射率的曲线图。参考图8，基于图7中提出的模型滤波器制作了一个样品滤波器。在控制10层结构中每一层的薄膜厚度、机械性能和光学性能时，考虑到波长相关变化和许多制造工艺变化，通过计算机模拟得到的1500～1650nm波长的反射率曲线与模型滤波器的反射率曲线完全匹配。如图所示，从1500nm到1565nm的反射率至少为90％或更高，并且对于超过1580nm的波长，反射率迅速下降，以在1617nm处给出约10％的最小值。侧模式JFSR波长为1610nm时，反射率至少<30％。这是基于图4的多层结构的HR滤波器，其具有5对具有相移的SiO2/Si，其满足具有如图3所示的反射率特性的设计目标。当然，本领域的普通技术人员将认识到在多对层的数量、第一层/第二层材料的选择、每层的形成方法、施加在多对层中的选定一对中的相移、以及选择的参考波长中的许多变化、备选方案和修改越小越好。
在另一方面，本公开还提供用于波长可调谐半导体激光器的增益芯片。如上所述，本公开提供的薄膜滤波器应用于波长可调谐激光器的增益芯片的高反射率面，但是其他应用也是可能的。图9示出了根据本发明实施方式的可调谐激光器的增益芯片的示意图，该可调谐激光器的增益芯片具有形成在其高反射率面上的薄膜滤波器，其被设计用于抑制侧模激光。该图仅是实例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，增益芯片100作为基于InP材料的二极管结构提供，活动区域100-A被沿长度方向形成的p型区域100-P和n型区域100-N夹在中间，并以两个端面终止。一个端面配置为抗反射(AR)端面，而另一端面配置为高反射率(HR)端面。利用AR面和HR面，增益芯片100被配置为激光腔，并且活动区域100-A由施加在p型区域100-P和n型区域100-N上的偏置电流驱动，以发射在激光腔内被进一步激发和放大以形成激光的光。由于在HR面处附接的HR滤波器101，每次从HR面反射的激光通常配置为具有高反射率(>90％)特性。
在本公开中，增益芯片100应用于基于游标调谐器的可调谐激光器的反射半导体光放大器(RSOA)中，该游标调谐器具有在硅光子衬底中形成的至少两个环形谐振器。游标调谐器用于基于由环形谐振器的适当设计确定的第一波长和第二波长之间的联合自由光谱范围(JFSR)在宽范围内调谐波长。假设激光腔主要输出第一波长处的基本模式JFSR峰值处的激光发射，而包括第二波长处的侧模式JFSR峰值处的激光发射。波长可调谐范围可由JFSR的至少从第一波长开始到JFSR中点的下半部分提供。如在说明书的先前部分中所描述的，HR滤波器101重新配置为波长可调谐范围内的波长提供高(>90％)反射率，同时在第二波长处的侧模式JFSR峰值周围的窄范围(约25nm)引入反射率下降(<50％)。HR滤波器101在图3中基本上具有特征，并且被设计为图4所示的多层结构101。图6和图7中提出并描述了几种模型滤波器。如图8所示，制造的样品滤波器基本上符合设计要求。
在另一方面，本公开提供了一种基于硅光子的宽带波长可调谐半导体激光器，其包括具有本文所述HR滤波器的增益芯片。图10是根据本发明实施方式的波长可调谐半导体激光器的示意图，其具有添加到其中的反射半导体光放大器的增益芯片的高反射率面上的薄膜滤波器。该图仅是实例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，可调谐激光器1000包括接合到硅光子衬底120的第一芯片位置410上的第一激光二极管芯片430、接合到硅光子衬底120的第二芯片位置420上的第二激光二极管芯片440、可调谐滤波器(即，游标调谐器)，包括两个环形谐振器471和472以及相位匹配器475，其一端经由连接到第一集成耦合器451的第一波导491耦合到第一激光二极管芯片430的第一增益区域435。另一端上的可调谐滤波器经由连接到第二集成耦合器460的第二波导492耦合到第二激光二极管芯片440的第二增益区域445。第二激光二极管芯片440的第二增益区445在抗反射(AR)面441和高反射率(HR)面442之间配置有激光腔，并且用作反射半导体光放大器(RSOA)。可以在第二增益区445的激光腔中产生激光。激光从HR面442反射并且在经由第二集成耦合器460作为反射光从AR面441发射到可调谐滤波器之前被放大。可选地，可调谐激光器1000包括波长锁定器(WLL)480，其经由波导490耦合到可调谐滤波器并且经由第一波导491耦合到第一增益芯片435。波长锁定器480配置为使用基于波导的延迟线干涉仪来锁定来自可调谐滤波器的反射光的波长。具有由游标调谐器调谐并由波长锁定器480锁定的波长的反射光经由第一集成耦合器451被引导进入第一激光二极管芯片430的第一增益区域435。第一增益区域在两个抗反射(AR)面431和432之间配置有激光腔，并且用作半导体光放大器(SOA)以放大其中的激光。当反射光被引导进入第一增益区域435时，在经由第三集成耦合器452输出到硅光子衬底120中的波导之前，它在其中被放大。
参考图10，可调谐激光器1000的可调谐滤波器还包括：第一加热器(环1_HTR)，其具有覆盖在第一环形谐振器471上的电阻薄膜；第二加热器(环2_HTR)，其具有覆盖在第二环形谐振器472上的电阻薄膜；第三加热器(相位_HTR)，其具有覆盖与第二波导492连接的匹配器475的电阻薄膜。这些加热器被配置为改变温度以引起穿过各个环形谐振器的光的透射光谱的改变。环形谐振器的每个透射光谱都具有多个谐振峰(参见图2)。在实施方式中，两个环形谐振器471和472被提供有略微不同的半径，然后当两个透射光谱重叠时存在两个透射光谱之间的偏移(见图2)。第一加热器和第二加热器可控制地改变相应的第一环形谐振器和第二环形谐振器的温度，以使相应的谐振峰移动以提供那些谐振峰的波长的扩展的可调范围。在通过可调谐滤波器的初始激发光被第二增益区域445的HR面442反射回来之后，联合反射率光谱会给出强的中心峰(参见图2中的基本模式JFSR峰值)，其可通过使用第三加热器改变相位匹配器475的温度来更好地调谐。同时，联合反射率光谱还引入较大波长处的第二峰值(与联合自由光谱范围或JFSR相距)，其是图2中的侧模式JFSR峰值，并且如果附接到HR面442的薄膜滤波器101的反射率曲线在所有波长上平坦，则其也可以被放大以输出激光。
为了从可调谐激光模块中获得单波长激光，可以通过长波长反射率下降来改善反射率曲线。基于本公开中提供并在说明书的先前部分中描述的薄膜滤波器101，HR面442的反射率曲线被改变以在从基本模式JFSR峰值到JFSR中点的标称可调谐范围上提供至少90％的高反射率(例如，1526nm至1568nm)，但在侧模式JFSR峰值附近的窄范围内(例如，1610nm附近的25nm范围)提供至少小于50％的高对比度反射率下降。因此，可调谐激光模块1000的侧模式激光被基本上抑制。
本文所述的波长可调谐半导体激光器可应用于基于硅光子平台的集成相干光收发器中。相干光收发器芯片和波长可调半导体激光器的其他应用的详细信息可以在2019年3月18日提交的，共同转让给Inphi Corp of Santa Clara,California的专利申请第16/357，095号中找到。根据不同的应用，可以为集成相干收发器封装配置紧凑的外形尺寸，以适应任何用于相干光通信的系统设计。
虽然以上是具体实施方式的完整描述，但是可使用各种修改、替代结构和等同物。因此，上述描述和图示不应被视为限制由所附权利要求书限定的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种用于波长可调谐半导体激光器的薄膜装置，包括：
位于高反射率面和抗反射面之间的腔，所述腔被设计为发射波长在由两个游标环谐振器确定的可调谐范围内的激光，所述游标环谐振器具有在第一波长和第二波长之间的联合自由光谱范围；
膜，包括多对层，每对层包含第一层和第二层，所述第一层和所述第二层依次堆叠到所述高反射率面的外侧，每对中的所述第一层和所述第二层的每一个具有一个单位的各自的光学厚度，除了一对中具有较大光学厚度的一个第一层或第二层之外；
其中，所述膜被配置为对于从所述第一波长开始的所述可调谐范围内的波长，从所述高反射率面产生至少大于90％的所述激光的内部反射率，但是对于围绕所述第二波长的25nm范围内的波长，所述激光的内部反射率至少小于50％。
2.根据权利要求1所述的薄膜装置，其中，所述腔是增益芯片的一部分，所述增益芯片包括线性波导配置中的磷化铟PN结。
3.根据权利要求1所述的薄膜装置，其中，所述多对层中的每一个的所述第一层包括高折射率材料，并且所述第二层包括低折射率材料。
4.根据权利要求3所述的薄膜装置，其中，所述高折射率材料是选自Si层的一个，并且所述低折射率材料是选自SiO2层、Al2O3层的一个。
5.根据权利要求3所述的薄膜装置，其中，所述多对层中，除了所述一对中的一个之外的每个第一层和每个第二层，各自具有基本上等于参考波长的四分之一的光学厚度。
6.根据权利要求5所述的薄膜装置，其中，所述参考波长选自基本上小于所述第二波长的波长。
7.根据权利要求1所述的薄膜装置，其中，所述多对层包括至少5对层，所述至少5对层包括在所述第一层或所述第二层中具有所述较大光学厚度的所述一对，以相比较在所述可调谐范围内的波长大于90％的反射率而言，对于围绕所述第二波长的波长产生至少3dB的反射率损耗。
8.根据权利要求7所述的薄膜装置，其中，所述一对被布置在所述至少5对层的中间位置，并且所述第一层或所述第二层中的所述较大光学厚度提供额外的相移，以实现围绕所述第二波长的波长的最大反射率损耗。
9.根据权利要求7所述的薄膜装置，其中，所述可调谐范围是从所述第一波长1526nm处的所述联合自由光谱范围的下端到1568nm处的所述联合自由光谱范围的中点给出的，扩展C波段，并且在所述第二波长1610nm处，在所述联合自由光谱范围的高端处，所述高反射率面处的所述膜产生至少50％的反射率损耗。
10.一种波长可调谐半导体激光器的增益芯片，包括：
激光腔，包括在高反射率面和抗反射面之间的活动区域，所述激光腔被设计为发射波长在由两个游标环谐振器确定的可调谐范围内的激光，所述游标环谐振器具有在第一波长和第二波长之间的联合自由光谱范围；
膜，包括多对层，每对层包含第一层和第二层，所述第一层和所述第二层依次堆叠到所述高反射率面的外侧，每对中的所述第一层和所述第二层的每一个具有一个单位的各自的光学厚度，除了一对中具有较大光学厚度的一个第一层或第二层之外；
其中，所述膜被配置为对于从所述第一波长开始的所述可调谐范围内的波长，从所述高反射率面产生至少大于90％的所述激光的内部反射率，但是对于围绕所述第二波长的25nm范围内的波长，所述激光的内部反射率至少小于50％。
11.根据权利要求10所述的增益芯片，其中，所述活动区域包括线性波导配置中的磷化铟PN结，以在所述高反射率面和抗反射面之间发射激光激发。
12.根据权利要求10所述的增益芯片，其中，所述多对层中的每一个的所述第一层包括高折射率材料，并且所述第二层包括低折射率材料。
13.根据权利要求12所述的增益芯片，其中，所述高折射率材料是选自Si层的一个，并且所述低折射率材料是选自SiO2层、Al2O3层的一个。
14.根据权利要求12所述的增益芯片，其中，所述多对层中，除了所述一对中的一个之外的每个第一层和每个第二层，各自具有基本上等于参考波长的四分之一的光学厚度，所述参考波长基本上小于所述第二波长。
15.根据权利要求10所述的增益芯片，其中，所述多对层包括至少5对层，所述至少5对层包括在所述第一层或所述第二层中具有所述较大光学厚度的所述一对，以相比较在所述可调谐范围内的波长大于90％的反射率而言，对于围绕所述第二波长的波长产生至少3dB的反射率损耗。
16.根据权利要求15所述的增益芯片，其中，所述一对被布置在所述至少5对层的中间位置，并且所述第一层或所述第二层中的所述较大光学厚度被调谐以产生额外的相移，以最大化围绕所述第二波长的反射率损耗，以滤除与更高阶的联合自由光谱范围相关联的激光。
17.根据权利要求15所述的增益芯片，其中，所述可调谐范围是从所述第一波长1526nm处的所述联合自由光谱范围的下端到1568nm处的所述联合自由光谱范围的中点给出的，并且在所述第二波长1610nm处，在所述联合自由光谱范围的高端处，所述高反射率面处的所述膜产生至少50％的反射率损耗。
18.根据权利要求10所述的增益芯片被配置在所述波长可调谐半导体激光器的反射半导体光放大器中。
19.一种波长可调谐半导体激光器，包括：
游标调谐器，包括形成在硅光子衬底中的至少两个环形谐振器，所述至少两个环形谐振器被配置为在第一波长和第二波长之间产生联合自由光谱范围；
相位匹配器，包括形成在所述硅光子衬底中并且耦合到所述至少两个环形谐振器的波导；
增益芯片，包括激光腔，具有位于高反射率面和抗反射面之间的具有出口的活动区域，所述增益芯片倒装到所述硅光子衬底上，以使所述出口耦合到所述相位匹配器的所述波导上，所述激光腔被设计为从所述出口发射出波长在从所述第一波长开始到所述联合自由光谱范围的中点的可调谐范围内的激光；
膜，包括多对层，每对层包含第一层和第二层，所述第一层和所述第二层依次堆叠到所述高反射率面的外侧，每对中的所述第一层和所述第二层的每一个具有对应于参考波长的四分之一的一个单位的各自的光学厚度，除了一对中具有较大光学厚度的一个第一层或第二层之外；
其中，所述膜被配置为对于所述可调谐范围内的波长，从所述高反射率面产生至少大于90％的所述激光的内部反射率，但是对于围绕所述第二波长的25nm范围内的波长，所述激光的内部反射率至少小于50％。
20.根据权利要求19所述的波长可调谐半导体激光器，其中，所述增益芯片被配置在反射半导体光放大器中，以放大所述激光，同时经由所述相位匹配器将所述激光从所述高反射率面反射到所述游标调谐器，所述波长可调谐半导体激光器还包括耦合到所述游标调谐器的波长锁定器和具有第二增益芯片的半导体光放大器，所述第二增益芯片被配置为在输出具有基本上不受所述第二波长影响的所述单个波长的所述激光之前，放大由所述游标调谐器调谐并且由所述波长锁定器锁定的所述可调谐范围内具有单个波长的所述激光。
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