CN113644543A - 一种波长可调谐的半导体激光器 - Google Patents

Abstract

一种波长可调谐的半导体激光器，用于解决现有技术中激光器制作过程复杂的问题。该激光器可包括相互光耦合的第一光学谐振腔和第二光学谐振腔；第一光学谐振腔由第一半导体光波导和分别位于第一半导体光波导的两端的第一反射镜面和第二反射镜面形成，第二光学谐振腔由第二半导体光波导和分别位于第二半导体光波导的两端的第二反射镜面和第三反射镜面形成；第一光学谐振腔的腔长与第二光学谐振腔的腔长不同；第一反射镜和第三反射镜面中至少一个为部分发射镜面；第一半导体光波导与第二半导体光波导中的至少一个用于为对应的光学谐振腔提供回路增益。如此，不需要进行多次外延生长，制作激光器的过程比较简单。

Description

一种波长可调谐的半导体激光器

技术领域

本申请涉及激光器技术领域，尤其涉及一种波长可调谐的半导体激光器。

背景技术

波长可调谐激光器作为一种重要的光电器件，可广泛应用于光通信、传感、生物检测和计算机系统等领域。在光通信中，波分复用器(wavelength division multiplexer，WDM)网络、无源光网络(passive optical network，PON)以及光分布网络(opticaldistributed network，ODN)等都要求光源输出的波长连续可调谐或准连续可调谐，并且在波长可调谐范围内光源可保持单模工作，因此，通常选波长可调谐激光器作为光源，其中，波长可调谐激光器是指根据需要可改变输出激光的波长。

可调谐激光器例如是取样光栅分布布拉格反射(sampled grating distributedbragg reflector，SGDBR)、超结构光栅分布布拉格反射(super-structure gratingdistributed bragg reflector，SSGDBR)、数字超模分布布拉格反射(digital supermodedistributed bragg reflector，DSDBR)、布拉格反射(distributed bragg reflector，DBR)等，这些可调谐激光器均具备准连续宽波长调谐和单模输出的特性，已成功应用于光通信中。

然而，这些激光器的制作均较为复杂，通常包含多个区，每个区的材料带隙波长均不相同，需要复杂的对接生长等单片集成技术来制作激光器，因而芯片制作成本较高；另一方面，各个区的工作条件需严格匹配才能实现稳定的波长调谐，即激光器的波长调谐也较复杂。

发明内容

本申请提供一种波长可调谐的半导体激光器，用于解决现有技术中激光器制作过程复杂。

第一方面，本申请提供一种波长可调谐的半导体激光器，该波长可调谐的激光器可包括相互光耦合的第一光学谐振腔和第二光学谐振腔；第一光学谐振腔由第一半导体光波导和分别位于第一半导体光波导的两端的第一反射镜面和第二反射镜面形成，第二光学谐振腔由第二半导体光波导和分别位于第二半导体光波导的两端的第二反射镜面和第三反射镜面形成；其中，第一光学谐振腔的腔长与第二光学谐振腔的腔长不同；第一反射镜和第三反射镜面中至少一个为部分发射镜面；第一半导体光波导与第二半导体光波导中的至少一个用于为对应的光学谐振腔提供回路增益。

基于该方案，波长可调谐的半导体激光器，包括的光学谐振腔是由半导体光波导和分别位于半导体光波导的两端的反射镜波导形成，并且无需光栅，不需要复杂的对接生长或光栅覆盖等多次外延生长，制作激光器的过程比较简单。进一步，第一光学谐振腔的腔长与第二光学谐振腔的腔长不同，且腔长能够精确定位，且第一半导体光波导与第二半导体光波导中至少一个可为对应的光学谐振腔提供回路增益，从而可使得该激光器输出稳定的单模激光。

在一种可能的实现方式中，第一反射镜面可为萨格纳克Sagnac环镜面波导，或，全反射的多模干涉仪(multimode interferometer，MMI)反射波导；第二反射镜面为Sagnac环镜面波导，或，深刻蚀的沟槽波导；第三反射镜面为Sagnac环镜面波导，或，全反射的MMI反射波导。其中，所述Sagnac环镜面波导由两个端面相连的2×2方向耦合器组成，或者由一个端面相连的2×2MMI波导形成；所述全反射的MMI反射波导由1×1MMI输入波导与一半腔长的多模波导的一端连接形成，或者由2×1MMI输入波导与所述一半腔长的多模波导的一端连接形成，所述多模波导的另一端包括两个相互垂直的端面，所述两个相互垂直的端面中的每个端面与所述输入波导的夹角为45度。

示例性地，第一反射镜面、第二反射镜面和第三反射镜面可以均为Sagnac环镜面波导；或者，第一反射镜面和第三反射镜面均为Sagnac环镜面波导，第二反射镜面为深刻蚀的沟槽波导；或者，第一反射镜面和第三反射镜面均为全反射的MMI反射波导，第二反射镜面为深刻蚀的沟槽波导；或者，第一反射镜面和第二反射镜面均为Sagnac环镜面波导，第三反射镜面为全反射的MMI反射波导；或者，第三反射镜面和第二反射镜面均为Sagnac环镜面波导，第一反射镜面为全反射的MMI反射波导；或者，第一反射镜面为Sagnac环镜面波导，第二反射镜面波导为深刻蚀的沟槽波导，第三反射镜面为全反射的MMI反射波导；或者，第一反射镜面为全反射的MMI反射波导，第二反射镜面波导为深刻蚀的沟槽波导，第三反射镜面为Sagnac环镜面波导。

当第一反射镜面、第二反射镜面和第三反射镜面为硅光波导时，可充分利用硅光波导低损耗的特性，有助于减小光在镜面波导的传输损耗，从而可以实现窄线输出。当第一反射镜面、第二反射镜面和第三反射镜面为III-V族材料的光波导时，由于增益波导也为III-V材料，故可通过InP基单片集成工艺制作激光器，良率较高。也就是说，本申请中的第一反射镜面、第二反射镜面和第三反射镜面可通过普通光刻工艺加工形成，无需电子束曝光，无需高精度腔面解理等工艺，也不需要多次外延生长，而且反射效率易于设计。

在一种可能的实现方式中，第一反射镜面和第三反射镜面均为硅光Sagnac环镜面波导；第一反射镜面和第一半导体光波导连接的一端的宽度的减小方向，与，第一半导体光波导和第一反射镜面连接的一端的宽度的减小方向相反；第三反射镜面和第二半导体光波导连接的一端的宽度的减小方向，与，第二半导体光波导和第三反射镜面连接的一端的宽度的减小方向相反。

在另一种可能的实现方式中，第一反射镜面、第二反射镜面和第三反射镜面均为Sagnac环镜面波导；第一反射镜面和第一半导体光波导连接的一端的宽度的减小方向，与，第一半导体光波导和第一反射镜面连接的一端的宽度的减小方向相反；第二反射镜面和第一半导体光波导连接的一端的宽度的减小方向，与，第一半导体光波导和第二反射镜面连接的一端的宽度的减小方向相反；第二反射镜面和第二半导体光波导连接的一端的宽度的减小方向，与，第二半导体光波导和第二反射镜面连接的一端的宽度的减小方向相反；第三反射镜面和第二半导体光波导连接的一端的宽度的减小方向，与，第二半导体光波导和第三反射镜面连接的一端的宽度的减小方向相反。

通过半导体光波导与反射镜连接一端的宽度的减小方向、与、反射镜与半导体光波导连接的一端的宽度的减小方向相反，可以提高半导体光波导与反射镜面的光耦合效率。

在一种可能的实现方式中，第一半导体光波导与第一反射镜面和第二反射镜面分别连接的两端的长度均大于或等于10um，且小于或等于200um；第二半导体光波导与第二反射镜面和第三反射镜面分别连接的两端的长度均大于或等于10um，且小于等于200um。

在一种可能的实现方式中，第一半导体光波导和第二半导体光波导均为III-V族材料的光波导，第一反射镜面、第二反射镜面和第三发射镜面均为硅光波导。

在一种可能的实现方式中，III-V族材料的光波导和硅光波导的异质集成方式包括晶圆-晶圆键合；或者，晶片-晶圆键合。

通过晶圆-晶圆键合或晶片-晶圆键合可实现绝热耦合，绝热耦合有助于避免改变第一半导体光波导和/或第二半导体光波导的折射率，从而有助于避免引起第一光学谐振腔的腔长的变化和/或第二光学谐振腔的腔长的变化，从而可精确控制两个光学谐振腔的腔长，有助于激光器输出稳定的单模激光。

在一种可能的实现方式中，第一半导体光波导、第二半导体光波导、第一反射镜面、第二反射镜面和第三反射镜面均为III-V族材料的光波导。其中，第一半导体光波导和第二半导体光波导分别包括P-InGaAs层/P-InP cladding层/有源层/N-InP层，有源层由多量子阱材料或量子点材料组成；第一反射镜面和第三反射镜包括P-InGaAs层/P-InPcladding层/无源芯层/N-InP层，第二反射镜面为对第一半导体光波导或第二半导体光波导深刻蚀的沟槽波导。

进一步，可选地，深刻蚀的沟槽波导的长度为激射波长的四分之一的奇数倍，深刻蚀的沟槽波导的深度小于或等于P-InGaAs层和P-InP cladding层的厚度之和。

通过深刻蚀的沟槽波导的长度为激射波长的四分之一的奇数倍，能够尽可能避免对激光器的功率和激射波长的影响；深刻蚀的沟槽波导的深度未刻蚀到有源层，有助于避免深刻蚀影响到有源层发出的光的寿命。

本申请中，第一光学谐振腔的腔长是根据第一反射镜面的长度、第二反射镜面的长度和第一半导体光波导的长度确定；第二光学谐振腔的腔长是根据第二反射镜面的长度、第三反射镜面的长度和第二半导体光波导的长度确定的。

由于Sagnac环镜面波导可由光刻制作出来，因此，通过设计第一反射镜面、第二反射镜面和第三反射镜面的位置，可以精确的控制光学谐振腔的腔长，通常，Sagnac环形镜面作为反射镜面的光学谐振腔的腔长误差约为±1um，远小于现有技术中依据半导体晶圆自然解理面形成镜面，从而形成光学谐振腔的腔长误差(大于±10um)，因此，第一反射镜面为Sagnac环镜面波导时，有助于减小激光器的光学谐振腔的腔长误差。也就是说，第一光学谐振腔的腔长与第二光学谐振腔的腔长可由Sagnac环形镜面定义，因此，可以精确控制第一光学谐振腔的腔长和第二光学谐振腔的腔长，从而有助于提高激光器的输出模式的稳定性。

在一种可能的实现方式中，若第一反射镜面为第一Sagnac环镜面波导、第二反射镜面为第二Sagnac环镜面波导、第三反射镜面为第三Sagnac环镜面波导时，第一光学谐振腔的腔长等于第一Sagnac环镜面波导的长度的一半、第一半导体光波导的长度和第二Sagnac环镜面波导的长度的一半之和，第二光学谐振腔的腔长等于第二Sagnac环镜面波导的长度的一半、第二半导体光波导的长度和第三Sagnac环镜面波导的长度的一半之和。

在另一种可能的实现方式中，若第一反射镜面为第一Sagnac环镜面波导、第二反射镜面为深刻蚀的沟槽波导、第三反射镜面为第三Sagnac环镜面波导时，第一光学谐振腔的腔长等于第一Sagnac环镜面波导的长度的一半、深刻蚀的沟槽波导长度的一半和第一半导体光波导的长度，第二光学谐振腔的腔长等于深刻蚀的沟槽波导的长度的一半、第三Sagnac环镜面波导的长度的一半和第二半导体光波导的长度。

在又一种可能的实现方式中，若第一反射镜面为第一全反射的MMI反射波导，第二反射镜面为深刻蚀的沟槽波导，第三反射镜面为第三全反射的MMI反射波导时，第一光学谐振腔的腔长等于第一全反射的MMI反射波导的长度、深刻蚀的沟槽波导的长度和第一半导体光波导的长度，第二光学谐振腔的腔长等于深刻蚀的沟槽波导的长度、第三全反射的MMI反射波导的长度和第二半导体光波导的长度。

在一种可能实现方式中，第一光学谐振腔和第二光学谐振腔的光耦合效率是根据第二反射镜面的反射率确定的；其中，第二反射镜面的反射率大于0且小于100％。

本申请中，可通过改变注入第一半导体光波导的第一电流或改变第一半导体光波导的温度；和/或，通过改变注入第二半导体波导的第二电流或改变第二半导体光波导的温度；使第一光学谐振腔的谐振波长和第二光学谐振腔的谐振波长在各自的增益谱范围内有且仅有一个波长重合。如此，可实现激光器的波长调谐。

如下，示例性地的示出了使第一光学谐振腔的谐振波长和第二光学谐振腔的谐振波长在各自的增益谱范围内有且仅有一个波长重合的九种方式。

方式1，可通过改变注入第一半导体光波导的第一电流的大小。

方式2，可通过改变第一半导体光波导的温度。

方式3，可通过改变注入第二半导体波导的第二电流的大小。

方式4，可通过改变第二半导体光波导的温度。

方式5，可通过改变注入第一半导体光波导的第一电流的大小和改变注入第二半导体波导的第二电流的大小，即方式1和方式3结合。

方式6，可通过改变第一半导体光波导的温度和改变第二半导体光波导的温度，即方式2和方式4结合。

方式7，可通过改变注入第一半导体光波导的第一电流的大小和改变第二半导体光波导的温度，即方式1和方式4结合。

方式8，可通过改变第一半导体光波导的温度和改变注入第二半导体波导的第二电流的大小，即方式2和方式3结合。

方式9，可通过改变第一半导体光波导的温度和改变第二半导体光波导的温度，即方式2和方式4结合。

上述方式1、方式3和方式5为电调谐；上述方式2、方式4和方式6为热调谐；上述方式7、方式8和方式9为电调谐和热调谐结合。

在一种可能的实现方式中，激光器还包括第一电极和/或第二电极；第一电极用于向第一半导体光波导注入第一电流，第一电流大于第一光学谐振腔的电流阈值；第二电极用于向第二半导体光波导注入第二电流，第二电流大于第二光学谐振腔的电流阈值。如此，可使得第一半导体光波导和第二半导体光波导中至少一个为回路提供增益，即第一半导体光波导和第二半导体光波导中至少一个为增益波导。

在一种可能的实现方式中，激光器还包括第一薄膜电阻和/或第二薄膜电阻，第一薄膜电阻的两端分别设置有第三电极和第四电极，第二薄膜电阻的两端分别设置有第五电极和第六电极；第三电极和第四电极用于向第一薄膜电阻注入第三电流，第三电流用于对第一薄膜电阻进行热调节；第五电极和第六电极用于向第二薄膜电阻注入第四电流，第四电流用于对第二薄膜电阻进行热调节。如此，可以通过热调谐的方式实现激光器的波长调谐。

附图说明

图1a为现有技术中的一种SGDBR激光器的结构示意图；

图1b为现有技术中的一种Y-DBR激光器的结构示意图；

图2为本申请提供的一种波长可调谐的半导体激光器的结构示意图；

图3a为本申请提供的一种Sagnac环镜面波导的结构示意图；

图3b为本申请提供的另一种Sagnac环镜面波导的结构示意图；

图3c为本申请提供的一种全反射的MMI反射波导的结构示意图；

图3d为本申请提供的另一种全反射的MMI反射波导的结构示意图；

图4为本申请提供的一种III-V族材料的光波导的结构示意图；

图5为本申请提供的另一种III-V族材料的光波导的结构示意图；

图6a为本申请提供的一种相互耦合的两个光学谐振腔的结构示意图；

图6b为本申请提供的一种半导体光波导与Sagnac环镜面波导连接处的结构示意图；

图6c为本申请提供的一种光耦合效率与长度的关系示意图；

图6d为本申请提供的另一种相互耦合的两个光学谐振腔的腔长示意图；

图7a为本申请提供的另一种相互耦合的两个光学谐振腔的结构示意图；

图7b为本申请提供的一种光学谐振腔的腔长示意图；

图8a为本申请提供的又一种相互耦合的两个光学谐振腔的结构示意图；

图8b为本申请提供的另一种光学谐振腔的腔长示意图；

图9a为本申请提供的一种激光器的结构示意图；

图9b为本申请提供的另一种激光器的结构示意图；

图9c为本申请提供的又一种激光器的结构示意图；

图10为本申请提供的一种激光器输出激光的原理示意图；

图11为本申请提供的另一种激光器的结构示意图；

图12为本申请提供的另一种激光器的结构示意图；

图13为本申请提供的另一种激光器输出激光的原理示意图；

图14为本申请提供的又一种激光器的结构示意图；

图15为本申请提供的又一种激光器输出激光的原理示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。

目前，应用比较广泛的可调谐激光器为SGDBR激光器和Y-DBR激光器等。如图1a所示，为五段式的SGDBR激光器的结构示意图，该SGDBR激光器包括前反射镜面、后反射镜面、增益区、相位区和放大区，由于这种五段式的SGDBR激光器的出光功率较小，为了提高激光器的出光功率，可通过集成半导体光放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)来增加SGDBR激光器的出光功率。图1b所示的为四段式的Y-DBR激光器。该Y-DBR激光器包括前反射镜面、后反射镜面、增益区、相位区和多模干涉仪(multimode interferometer，MMI)波导区。图1a中的五段(即前反射镜面、后反射镜面、增益区、相位区和放大区)所需材料的带隙均不相同，至少需要5次材料外延生长，因此，激光器的制作较复杂，且良率较低。所谓外延生长是指在单晶衬底上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，就像原来的晶体向外延伸了一段。制作图1b所示的激光器也需要至少4次材料外延生长，也存在激光器的制作过程复杂且良率较低的问题。

鉴于上述问题，本申请提出一种波长可调谐的半导体激光器。如图2所示，为本申请提供的一种波长可调谐的半导体激光器的结构示意图。该波长可调谐的半导体激光器可包括相互耦合的第一光学谐振腔和第二光学谐振腔。第一光学谐振腔由第一半导体光波导和分别位于第一半导体光波导的两端的第一反射镜面和第二反射镜面形成，第二光学谐振腔由第二半导体光波导和分别位于第二半导体光波导的两端的第二反射镜面和第三反射镜面形成；其中，第一光学谐振腔的腔长与第二光学谐振腔的腔长不同，第一反射镜面第三反射镜面中至少一个为部分反射镜面，第一半导体光波导与第二半导体光波导中的至少一个用于为对应的光学谐振腔提供增益，即第一半导体光波导与第二半导体光波导中的至少一个为增益波导。

在一种可能的实现方式中，当第一反射镜面为部分反射镜面且第三反射镜面为全反射镜面时，第一反射镜面还可用于输出激光；当第三反射镜面为部分反射镜面且第一反射镜面为全反射镜面时，第三反射镜面用于输出激光；当第一反射镜面和第三反射镜面都是部分反射镜面时，可以选择其中一个用于输出激光。也就是说，第一反射镜面和第三反射镜面中至少一个为部分反射镜面。所谓部分反射镜面是指反射镜面的反射率大于0且小于100％。例如，第二反射镜面为部分反射镜面是指第二反射镜面的反射率大于0且小于100％(如80％、85％等)；再比如，第一反射镜面为部分反射镜面是指第一反射镜面的反射率大于0且小于100％；再比如，第三反射镜面为部分反射镜面是指第三反射镜面的反射率大于0且小于100％。

在一种可能的实现方式中，第一光学谐振腔的腔长大于第二光学谐振腔的腔长；或者，第一光学谐振腔的腔长小于第二光学谐振腔的腔长。

需要说明的是，相互耦合的第一光学谐振腔与第二光学谐振腔是指：第一光学谐振腔的光可以传输至第二光学谐振腔，第二光学谐振腔的光也可以传输至第一光学谐振腔。由于第一光学谐振腔与第二光学谐振腔相互耦合，因此，第二反射镜面可以为部分反射镜面，或者第二反射镜面也可以具有波长选择特性，其中，波长选择特性是指允许一部分波长的光完全通过，另一部分波长的光完全反射(即完全不允许通过)。

基于上述波长可调谐的半导体激光器，包括的光学谐振腔是由半导体光波导和分别位于半导体光波导的两端的反射镜波导形成，并且无需光栅，不需要复杂的对接生长或光栅覆盖等多次外延生长，制作激光器的过程比较简单。进一步，第一光学谐振腔的腔长与第二光学谐振腔的腔长不同，且腔长能够精确定位，且第一半导体光波导与第二半导体光波导中至少一个可为对应的光学谐振腔提供回路增益，从而可使得该激光器输出稳定的单模激光。

下面对图2所示的各个结构分别进行介绍说明，以给出示例性的具体实现方案。

一、反射镜面

本申请中，反射镜面可包括第一反射镜面、第二反射镜面和第三反射镜面。

在一种可能的实现方式中，第一反射镜面可为Sagnac环镜面波导；或者也可以为全反射的MMI反射波导。应理解，Sagnac环镜面波导可以允许一部分波长的光完全通过，另一部分波长的光完全反射(即完全不允许通过)。

如图3a所示，为本申请提供的一种Sagnac环镜面波导的结构示意图。该Sagnac环镜面波导由两个端面相连的2×2方向耦合器组成。2×2方向耦合器是指包含两个输入波导和两个输出波导的四端口器件，输入波导和输出波导由两个相互平行的波导相连，通常用于合波和分波使用。两个同一侧的输出波导/输入波导端面相连的2×2方向耦合器形成的Sagnac环镜面波导，端面未相连的两个波导一个用作光的反射波导，另一个用作光的传输波导。

如图3b所示，为本申请提供的另一种Sagnac环镜面波导的结构示意图。该Sagnac环镜面波导由同一侧两个输入波导/输出波导端面相连的2×2MMI波导组成。2×2MMI波导是指包含两个输入波导和两个输出波导的四端口器件，输入波导和输出波导由一个多模波导相连，通常用于合波和分波或波长复用/解复，同一侧两个输入波导/输出波导端面相连的2×2MMI波导形成的Sagnac环镜面波导，未相连的两个波导一个用作光的反射波导，另一个用作光的传输波导。

如图3c所示，为本申请提供的一种全反射的MMI反射波导的结构示意图。该全反射的MMI反射波导由1×1MMI输入波导与一半腔长的多模波导连接形成。；多模波导的一端与1×1MMI输入波导连接，多模波导的另一端包括两个相互垂直的端面，两个相互垂直的端面中的每个端面与MMI输入波导的夹角为45度。

基于上述图3c所示的全反射的MMI反射波导，光从MMI输入波导输入，进入多模波导，经多模波导的两个相互垂直的反射面全反射后，从MMI输入波导输出，这里输入波导同时也是输出波导，输入波导和输出波导是同一个。

如图3d所示，为本申请提供的另一种全反射的MMI反射波导的结构示意图。该全反射的MMI反射波导由2×1MMI输入波导与一半腔长的多模波导连接形成。2×1MMI输入波导是指包含两个输入波导和一个输出波导的三端口器件，输入波导和输出波导由一个多模波导相连，通常用于合波和分波或波长复用/解复用；多模波导的一端与2×1MMI输入波导连接，多模波导的另一端包括两个相互垂直的端面，两个相互垂直的端面中的每个端面与输入波导的夹角为45度。

基于上述图3d所示的全反射的MMI反射波导，光从MMI其中一个输入波导输入，进入多模波导，经多模波导的两个相互垂直的反射面全反射后，从MMI两个输入波导输出，这里输入波导同时也是输出波导。

需要说明的是，上述图3c和图3d中的多模波导的腔长是完整多模波导腔长的一半。一半腔长的多模波导与虚线部分的结构组成完整多模波导，光可从左边的输入波导进入多模波导，经多模波导后再从右边的输出波导输出。

在一种可能的实现方式中，第三反射镜面可以为Sagnac环镜面波导；或者也可以为全反射的MMI反射波导。其中，Sagnac环镜面波导和全反射的MMI反射波导可分别参见上述相关介绍，此处不再重复赘述。

在一种可能的实现方式中，第二反射镜可为Sagnac环镜面波导；或者也可为深刻蚀的沟槽波导。其中，第二反射镜为Sagnac环镜面波导时，可参见上述Sagnac环镜面波导的相关介绍，此处不再重复赘述。

示例性地，第一反射镜面、第二反射镜面和第三反射镜面可以均为Sagnac环镜面波导；或者，第一反射镜面和第三反射镜面均为Sagnac环镜面波导，第二反射镜面为深刻蚀的沟槽波导；或者，第一反射镜面和第三反射镜面均为全反射的MMI反射波导，第二反射镜面为深刻蚀的沟槽波导；或者，第一反射镜面和第二反射镜面均为Sagnac环镜面波导，第三反射镜面为全反射的MMI反射波导；或者，第三反射镜面和第二反射镜面均为Sagnac环镜面波导，第一反射镜面为全反射的MMI反射波导；或者，第一反射镜面为Sagnac环镜面波导，第二反射镜面波导为深刻蚀的沟槽波导，第三反射镜面为全反射的MMI反射波导；或者，第一反射镜面为全反射的MMI反射波导，第二反射镜面波导为深刻蚀的沟槽波导，第三反射镜面为Sagnac环镜面波导。

本申请中，第一反射镜面、第二反射镜面和第三反射镜面可以均为硅光波导，例如绝缘体硅(silicon-on-insulator，SOI)或氮化硅(SiN)或氮化硅在绝缘体硅上(SiN onSOI)；或者第一反射镜面、第二反射镜面和第三反射镜面也可以均为III-V族材料的光波导；或者第一反射镜面和第三反射镜面为硅光波导，第二反射镜面为III-V族材料的光波导。需要说明的是，第二反射镜面为III-V族材料的光波导时，可以是对第一半导体光波导或第二半导体光波导深刻蚀的沟槽。

如图4所示，为本申请提供的一种III-V族材料的光波导的结构示意图。该III-V族材料的光波导可以是第一反射镜、或第二反射镜或第三反射镜。该III-V族材料的光波导从上到下依次包括：P掺杂-铟镓砷(P-InGaAs)层、P掺杂-磷化铟(P-InP)包裹(cladding)层、无源芯层和N掺杂-磷化铟(N-InP)层。进一步，可选地，无源芯层可以为带隙波长小于输入波导的InGaAsP或InGaAlAs体材料或多量子阱材料组成。

当第一反射镜面、第二反射镜面和第三反射镜面为硅光波导时，可充分利用硅光波导低损耗的特性，有助于减小光传输损耗，进而可以实现窄线输出。进一步，当第一反射镜面、第二反射镜面和第三反射镜面为III-V族材料的光波导时，由于增益波导也为III-V材料，故可通过InP基单片集成工艺制作激光器，良率较高。也就是说，本申请中的第一反射镜面、第二反射镜面和第三反射镜面可通过普通光刻工艺加工形成，无需电子束曝光，无需高精度腔面解理等工艺，也不需要多次外延生长，而且反射效率易于设计。

二、半导体光波导

本申请中，半导体光波导可包括第一半导体光波导和第二半导体光波导。其中，第一半导体光波导和第二半导体光波导中至少一个为增益光波导，即至少一个可以为对应的光学谐振腔提供回路增益。例如，第一半导体光波导为增益光波导，则第一半导体光波导可以为第一光学谐振腔提供回路增益。再比如，第二半导体光波导为增益波导，则第二半导体光波导可为第二光学谐振腔提供回路增益。再比如，第一半导体光波导和第二半导体光波导均为增益波导，则第一半导体光波导可以为第一光学谐振腔提供回路增益，第二半导体光波导可为第二光学谐振腔提供回路增益。

在一种可能的实现方式中，第一半导体光波导和第二半导体光波导可以均为III-V族材料的光波导。

如图5所示，为本申请提供的另一种III-V族材料的光波导的结构示意图。该III-V族材料的光波导可以为第一半导体光波导和第二半导体光波导。该III-V族材料的光波导从上至下依次包括P-InGaAs层/P-InP cladding层/有源层/N-InP层。进一步，可选地，有源层可由多量子阱材料或量子点材料组成，其中，多量子阱材料例如III-VMQW，量子点材料例如III-VQD。

三、光学谐振腔

本申请中，光学谐振腔包括相互耦合的第一光学谐振腔和第二光学谐振腔。进一步，可选地，第一光学谐振腔和第二光学谐振腔的光耦合效率可根据第二反射镜面的反射率确定。其中，光耦合效率可以等于第一光学谐振腔中进入第二光学谐振腔的光强度/第一光学谐振腔中总的光强度；或者，光耦合效率等于第二光学谐振腔中进入第一光学谐振腔的光强度/第二光学谐振腔中总的光强度。如此，可通过优化第二反射镜面的反射率来实现激光器稳定的输出单模激光，例如，为了使输出单模波长的边模抑制比高，需要两个腔的耦合效率较高，需要第二反射镜面的反射率较小；为了使输出光功率大，需要第二反射镜面的反射率较大，可同时兼顾这两个特性来进行优化设计第二反射面。

基于上述第一反射镜面、第二反射镜面和第三反射镜面的可能结构，如下示例性的示出了形成两个光学谐振腔的可能的三种结构。

结构1，第一反射镜面、第二反射镜面和第三反射镜面均为Sagnac环镜面波导。

也就是说，第一反射镜面为第一Sagnac环镜面波导，第二反射镜面为第二Sagnac环镜面波导，第三反射镜面为第三Sagnac环镜面波导。

如图6a所示，为本申请提供的一种相互耦合的两个光学谐振腔的结构示意图。相互耦合的两个光学谐振腔分别为第一光学谐振腔和第二光学谐振腔，第一光学谐振腔由第一半导体光波导和分别位于第一半导体光波导的两端的第一Sagnac环镜面波导和第二Sagnac环镜面波导形成；第二光学谐振腔由第二半导体光波导和分别位于第二半导体光波导的两端的第二Sagnac环镜面波导和第三Sagnac环镜面波导形成。需要说明的是，图6a中是以第二光学谐振腔的腔长大于第一光学谐振腔的长腔长为例示例的。

参阅图6b，以第一Sagnac环镜面波导与第一半导体光波导为例，示例性地示出了第一Sagnac环镜面波导与第一半导体光波导连接的一端的宽度的减小方向，和，第一半导体光波导与第一Sagnac环镜面波导连接的一端的宽度的减小方向相反。基于相同的方式，第二Sagnac环镜面波导与第一半导体光波导连接的一端的宽度的减小方向，和，第一半导体光波导与第二Sagnac环镜面波导连接的一端的宽度的减小方向相反；第二Sagnac环镜面波导与第二半导体光波导连接的一端的宽度的减小方向，和，第二半导体光波导与第二Sagnac环镜面波导连接的一端的宽度的减小方向相反；第三Sagnac环镜面波导与第二半导体光波导连接的一端的宽度的减小方向，和，第二半导体光波导与第三Sagnac环镜面波导连接的一端的宽度的减小方向相反。如此，有助于提高半导体光波导与反射镜面的光耦合效率。

为了便于方案的说明，在下文的介绍中，第一半导体光波导与第一Sagnac环镜面波导连接的一端称为第一半导体光波导的第一端，与第二Sagnac环镜面波导连接的一端称为第一半导体光波导的第二端；第二半导体光波导与第二Sagnac环镜面波导连接的一端称为第二半导体光波导的第一端，与第三Sagnac环镜面波导连接的一端称为第二半导体光波导的第二端；第一Sagnac环镜面波导与第一半导体光波导连接的一端称为第一Sagnac环镜面波导的第一端；第二Sagnac环镜面波导与第一半导体光波导连接的一端称为第二Sagnac环镜面波导的第一端，与第二半导体光波导连接的一端称为第二Sagnac环镜面波导的第一端；第三Sagnac环镜面波导与第二半导体光波导连接的一端称为第三Sagnac环镜面波导的第一端。

也就是说，第一半导体光波导与第一Sagnac环镜面波导和第二Sagnac环镜面波导分别连接的两端的宽度的减小方向相反，第二半导体光波导与第二Sagnac环镜面波导和第三Sagnac环镜面波导分别连接的两端的宽度的减小方向相反；第一半导体光波导的第一端的宽度、第一半导体光波导的第二端的宽度、第二半导体光波导的第一端的宽度、以及第二半导体光波导的第二端的宽度均可以是从3um逐渐减小至0.5um。进一步，可选地，可以是均匀减小(例如形成梯形)，也可以是非均匀减小，本申请对此不做限定。

在一种可能的实现方式中，第一Sagnac环镜面波导的第一端的宽度、第二Sagnac环镜面波导的第一端的宽度、第二Sagnac环镜面波导的第二端的宽度、第三Sagnac环镜面波导的第一端的宽度均可以是从400nm渐减到100nm。进一步，可选地，可以是均匀减小(例如形成梯形)，也可以是非均匀减小，本申请对此不做限定。

在一种可能的实现方式中，第一半导体光波导的第一端的宽度大于或等于第一Sagnac环镜面波导的第一端的宽度；第一半导体光波导的第二端的宽度大于或等于第二Sagnac环镜面波导的第一端的宽度；第二半导体光波导的第一端的宽度大于或等于第二Sagnac环镜面波导的第二端的宽度；第二半导体光波导的第一端的宽度大于或等于第三Sagnac环镜面波导的第一端。如此，可保证两个腔内光的耦合效率。

进一步，可选地，第一半导体光波导的第一端的长度、第一半导体光波导的第二端的长度、第二半导体光波导的第一端的长度、以及第二半导体光波导的第二端的长度均为大于或等于10um，且小于或等于200um；第一Sagnac环镜面波导的第一端的长度、第二Sagnac环镜面波导的第一端的长度、第二Sagnac环镜面波导的第二端的长度、第三Sagnac环镜面波导的第一端的长度均大于或等于10um，且小于等于200um。

在一种可能的实现方式中，可通过控制第一Sagnac环镜面波导第一端的长度、第二Sagnac环镜面波导的第一端的长度和第二端的长度、第三Sagnac环镜面波导的第一端的长度、第一半导体光波导的第一端的长度和第二端的长度、第二半导体光波导的第一端的长度和第二端的长度，可提高Sagnac环镜面波导和半导体光波导的光耦合效率。

如图6c所示，为本申请提供的一种半导体光波导与Sagnac环镜面波导的光耦合效率、与半导体光波导与Sagnac环镜面波导连接的一端长度的关系示意图。为了便于说明，以第一半导体光波导的第一端与第一Sagnac环镜面波导的第一端为例说明。该第一半导体光波导为III-V族材料的光波导，第一Sagnac环镜面波导为硅光波导，由图6c可以看出，该第一半导体光波导的第一端的长度小于20um时，随着该第一半导体光波导的第一端的长度的增大，光耦合效率在增大；在该第一半导体光波导的第一端的长度为等于20um时，光耦合效率基本到达饱和，约为90％。在该第一半导体光波导的第一端的长度大于20um时，光耦合效率基本不变。需要说明的是，第二半导体光波导的第一端的长度与光耦合效率之间的关系，以及第二半导体光波导的第二端的长度与光耦合效率之间的关系，均可参见上述图6c的相关介绍，此处不再重复赘述。

为了既能实现高的光耦合效率，又可以保证半导体光波导与Sagnac环镜面波导连接端的长度较短(有助于激光器的小型化)。在一种可能的实现方式中，第一半导体光波导的第一端的长度等于第一Sagnac环镜面波导的第一端的长度，第一半导体光波导的第二端的长度等于第二Sagnac环镜面波导的第一端的长度；第二半导体光波导第一端的长度等于第二Sagnac环镜面波导的第二端的长度，第二半导体光波导的第二端的长度等于第三Sagnac环镜面波导的第一端的长度。

在一种可能的实现方式中，第一半导体光波导和第二半导体光波导可以均为III-V族材料的光波导，第一反射镜面、第二反射镜面和第三反射镜面可以均为硅光波导。或者，第一半导体光波导、第二半导体光波导和第二反射镜面可以均为III-V族材料的光波导，第一反射镜面和第三反射镜面可以均为硅光波导。或者，第一半导体光波导、第二半导体光波导、第一反射镜面、第二反射镜面和第三反射镜面可以均为III-V族材料的光波导。也就是说，该激光器可以是III-V/硅异质集成的激光器；或者，也可以是III-V族同质集成的激光器。

在一种可能的实现方式中，III-V族材料的光波导和硅光波导的异质集成方式包括但不限于晶圆-晶圆键合、晶片-晶圆键合等。如此，晶圆-晶圆键合或晶片-晶圆键合可实现绝热耦合，绝热耦合有助于避免改变第一半导体光波导和/或第二半导体光波导的折射率，从而有助于避免引起第一光学谐振腔的腔长的变化和/或第二光学谐振腔的腔长的变化，从而可精确控制两个光学谐振腔的腔长，有助于激光器输出稳定的单模激光。

在一种可能的实现方式中，第一半导体光波导的第一端相较于第一Sagnac环镜面波导的第一端远离衬底(更靠近上表面)，即第一Sagnac环镜面波导相较于第一半导体光波导的第一端靠近衬底。也就是说，从上到下依次包括衬底、第一Sagnac环镜面波导的第一端、第一半导体光波导的第一端。应理解，第一半导体光波导的第二端与第二Sagnac环镜面波导的第一端之间的位置关系、第二半导体光波导的第一端与第二Sagnac环镜面波导的第一端之间的位置关系、以及第二半导体光波导的第二端与第三Sagnac环镜面波导的第一端之间的位置关系，均可参见第一半导体光波导的第一端与第一Sagnac环镜面波导的第一端的位置关系。

结合上述图6a，参阅图6d，为本申请提供的一种光学谐振腔的腔长示意图。第一光学谐振腔的腔长等于第一Sagnac环镜面波导的长度的一半、第一半导体光波导的长度和第二Sagnac环镜面波导的长度的一半之和，第二光学谐振腔的腔长等于第二Sagnac环镜面波导的长度的一半、第二半导体光波导的长度和第三Sagnac环镜面波导的长度的一半之和。

由于Sagnac环镜面波导可由光刻制作出来，因此，通过设计第一反射镜面、第二反射镜面和第三反射镜面的位置，可以精确的控制光学谐振腔的腔长，通常，Sagnac环形镜面作为反射镜面的光学谐振腔的腔长误差约为±1um，远小于现有技术中依据半导体晶圆自然解理面形成镜面，从而形成光学谐振腔的腔长误差(大于±10um)，因此，第一反射镜面为Sagnac环镜面波导时，有助于减小激光器的光学谐振腔的腔长误差。也就是说，第一光学谐振腔的腔长与第二光学谐振腔的腔长可由Sagnac环形镜面定义，因此，可以精确控制第一光学谐振腔的腔长和第二光学谐振腔的腔长，从而有助于提高激光器的输出模式的稳定性。

结构2，第一反射镜面和第三反射镜面均为Sagnac环镜面波导，第二反射镜面为深刻蚀的沟槽波导。

也就是说，第一反射镜面为第一Sagnac环镜面波导，第二反射镜面为深刻蚀的沟槽波导，第三反射镜面为第三Sagnac环镜面波导。

如图7a所示，为本申请提供的另一种相互耦合的两个光学谐振腔的结构示意图。相互耦合的两个光学谐振腔分别为第一光学谐振腔和第二光学谐振腔，第一光学谐振腔由第一半导体光波导和分别位于第一半导体光波导的两端的第一Sagnac环镜面波导和深刻蚀的沟槽波导形成；第二光学谐振腔由第二半导体光波导和分别位于第二半导体光波导的两端的深刻蚀的沟槽波导和第三Sagnac环镜面波导形成。

在一种可能的实现方式中，第一Sagnac环镜面波导与第一半导体光波导连接的一端的宽度的减小方向，和，第一半导体光波导与第一Sagnac环镜面波导连接的一端的宽度的减小方向相反；第三Sagnac环镜面波导和第二半导体光波导连接的一端的宽度的减小方向，与，第二半导体光波导和第三Sagnac环镜面波导连接的一端的宽度的减小方向相反。此处可参见上述图6b的相关介绍，此处不再重复赘述。

为了尽可能避免对激光器的功率和激射波长的影响，深刻蚀的沟槽波导的长度为激射波长的四分之一的奇数倍。例如，深刻蚀的沟槽波导的长度可为10～100um。宽度一般大于激光器的波导宽度，例如1um～30um。

结合上述图5，深刻蚀的沟槽波导的深度小于或等于P-InGaAs层和P-InPcladding层的厚度之和。也就是说，对第一半导体光波导或第二半导体光波导深刻蚀时，不能刻蚀到有源层。例如，深刻蚀的沟槽波导的深度可为10～100um。由于有源层用于发光，若刻蚀到有源层，会影响有源层发出光的寿命。也就是说，深刻蚀的沟槽波导未刻蚀到有源层，有助于避免深刻蚀影响到有源层发出的光的寿命。

进一步，可选地，第一半导体光波导的第一端的长度、以及第二半导体光波导的第二端的长度均为大于或等于10um，且小于或等于200um；第一Sagnac环镜面波导的第一端的长度、第三Sagnac环镜面波导的第一端的长度均大于或等于10um，且小于等于200um。

需要说明的是，第一半导体光波导的第一端与第一Sagnac环镜面波导的第一端的光耦合效率、第二半导体光波导的第二端与第三Sagnac环镜面波导的第一端的光耦合效率的关系，均可参见上述图6c的描述，此处不再重复赘述。另外，第一半导体光波导的第一端的宽度、第二半导体光波导的第二端的宽度、第一Sagnac环镜面波导的第一端的宽度、以及第三Sagnac环镜面波导的第一端的宽度，均可参见前述相关内容的介绍，此处不再重复赘述。

结合上述图7a，参阅图7b，为本申请提供的另一种光学谐振腔的腔长示意图。第一光学谐振腔的腔长等于第一Sagnac环镜面波导的长度的一半、深刻蚀的沟槽波导长度的一半和第一半导体光波导的长度，第二光学谐振腔的腔长等于深刻蚀的沟槽波导的长度的一半、第三Sagnac环镜面波导的长度的一半和第二半导体光波导的长度。

由于Sagnac环镜面波导作为第一反射镜面和第三发射镜面，有助于提高控制光学谐振腔的腔长的精度，从而有助于提高激光器的输出模式的稳定性。进一步，由于第二反射镜面是对第一半导体光波导或第二半导体光波导深刻蚀形成的沟槽波导，长度较小，从而有助于激光器的小型化。

进一步，可选地，第一半导体光波导或第二半导体光波导上的深刻蚀的沟槽波导还可以作为隔离区，既可以实现向第一半导体光波导和第二半导体光波导输入不同的电流，即实现电隔离；又可实现光反射。

结构3，第一反射镜面和第三反射镜面均为全反射的MMI反射波导，第二反射镜面为深刻蚀的沟槽波导。

也就是说，第一反射镜面为第一全反射的MMI反射波导，第二反射镜面为深刻蚀的沟槽波导，第三反射镜面为第三全反射的MMI反射波导。

如图8a所示，为本申请提供的又一种相互耦合的两个光学谐振腔的结构示意图。相互耦合的两个光学谐振腔分别为第一光学谐振腔和第二光学谐振腔，第一光学谐振腔由第一半导体光波导和分别位于第一半导体光波导的两端的第一全反射的MMI反射波导和深刻蚀的沟槽波导形成；第二光学谐振腔由第二半导体光波导和分别位于第二半导体光波导的两端的深刻蚀的沟槽波导和第三全反射的MMI反射波导形成。

在一种可能的实现方式中，第一全反射的MMI反射波导的一端与第一半导体光波导的一端连接，第一全反射的MMI反射波导的另一端为两个相互垂直的端面，可用于对光进行全反射。进一步，可选地，第一全反射的MMI反射波导还可包括输出波导，该输出波导可用于将第一全反射的MMI反射波导中的部分光输出。

在一种可能的实现方式中，第三全反射的MMI反射波导的一端与第二半导体光波导的一端连接，第三全反射的MMI反射波导的另一端为两个相互垂直的端面，可用于对光进行全反射。

结合图8a，参阅图8b，为本申请提供的又一种光学谐振腔的腔长示意图。第一光学谐振腔的腔长等于第一全反射的MMI反射波导的长度、深刻蚀的沟槽波导的长度和第一半导体光波导的长度，第二光学谐振腔的腔长等于深刻蚀的沟槽波导的长度、第三全反射的MMI反射波导的长度和第二半导体光波导的长度。

进一步，可选地，第一半导体光波导和第二半导体光波导之间还可包括刻蚀形成的隔离区，通过设置隔离区，可以实现向第一半导体光波导和第二半导体光波导输入不同的电流，即可实现电隔离；而且该隔离区还可实现光反射。

需要说明的是，形成两个光学谐振腔的可能结构还可以是其它结构，例如，第一反射镜面和第二反射镜面均为Sagnac环镜面波导、第三反射镜面为全反射的MMI反射波导，此处不再一一赘述。

激光器的增益区产生的光只有同时在两个光学谐振腔都获得足够的反射，才能形成激光。也就是说，两个光学谐振腔的谐振波长有且仅有一个重合时，才可以形成激光。本申请中，可通过改变注入第一半导体光波导的第一电流或改变第一半导体光波导的温度；和/或，通过改变注入第二半导体波导的第二电流或改变第二半导体光波导的温度；使第一光学谐振腔的谐振波长和第二光学谐振腔的谐振波长在各自的增益谱范围内有且仅有一个波长重合，从而使得激光器输出单模波长。

如下以第一光学谐振腔的谐振频率间隔为Δf₁，第二光学谐振腔的频率间隔为Δf₂为例说明。第二光学谐振腔的频率间隔Δf₂需要与第一光学谐振腔的频率间隔Δf₁之间存在一定的差别，从而能够在增益波导的增益窗口(或称为增益谱)内，第一光学谐振腔和第二光学谐振腔有且只有一个谐振峰恰好重合。

其中，C为真空中的光速，L₁为第一光学谐振腔的腔长，n_g1为第一半导体光波导的有效群折射率，L₂为第二光学谐振腔的腔长，n_g2为第二半导体光波导的有效群折射率。

通过改变有效折射率n_g1可改变Δf₁，从而对第一光学谐振腔的频率调谐产生影响，通过改变有效折射率n_g2可改变Δf₂，从而对第二光学谐振腔的频率调谐产生影响。也就是说，第一光学谐振腔的谐振频率间隔Δf₁和第二光学谐振腔的谐振频率间隔Δf₂不同，这样在增益谱范围内，第一光学谐振腔和第二光学谐振腔仅有一个谐振频率重合成为可能。

当第一光学谐振腔的频率谱线与第二光学谐振腔的频率谱线叠加时，可以的得到叠加后的相邻谐振峰之间的间隔为Δf。

对于整个激光器的工作频率，是由第一光学谐振腔和第二光学谐振腔的重合谐振峰的频率决定的，对第一光学谐振腔和/或第二光学谐振腔进行调谐，导致激光器的工作频率移动Δf₁Δf₂，可以认为该激光器的工作频率的改变量存在一个放大因子δf，这种改变量的放大效应称为游标卡尺(Vernier)效应。

基于第一半导体光波导和第二半导体光波是否为增益波导，如下示例性地的给出三种可能的情形，这三种情形均以上述结构1为例，应理解，以下三种情形也适用于上述结构2和结构3。例如，向第一半导体光波导注入电流且产生增益，则第一半导体光波导即为增益波导；再例如，向第二半导体光波导注入电流且产生增益，则第二半导体光波导即为增益波导等。

情形1，第一半导体光波导和第二半导体光波导均为增益波导。

结合上述图6a，激光器还可包括第一电极和第二电极，可参见图9a，第一电极可设置在第一半导体光波导上，第二电极可设置在第二半导体光波导上。第一电极用于向第一半导体光波导注入第一电流；第二电极用于向第二半导体光波导注入第二电流，其中，第一电流大于第一光学谐振腔的电流阈值，第二电流大于第二光学谐振腔的电流阈值。如此，使得第一光学谐振腔的谐振波长和第二光学谐振腔的谐振波长在各自的增益谱范围内有且仅有一个波长重合，可实现激光器输出单模激光。

结合上述图8a，如图9b所示，为本申请提供的另一种激光器的结构示意图。该激光器还可包括第一电极和第二电极，第一电极可设置在第一半导体光波导上，第二电极可设置在第二半导体光波导上。有关第一电极和第二电极的相关介绍，可参见上述图9a的描述，此处不再重复赘述。结合上述图5，第一电极和第二电极可共用N-InP层，具体可参见图9c的结构。需要说明的是，深刻蚀的沟槽波导位于第一电极和第二电极之间，可以实现第一半导体光波导和第二半导体光波导之间的电流无影响。

基于该情形1，可通过如下示例性示出的两种实现方式，使得第一光学谐振腔的谐振波长和第二光学谐振腔的谐振波长在各自的增益谱范围内有且仅有一个波长重合。

实现方式一，电调谐。

基于上述所示的激光器，如图10所示，为本申请示例性的示出了一种激光器输出激光的原理示意图。第一电极向第一半导体光波导注入第一电流时，可使得第一半导体光波导的输出如图10中的(a)所示的波长；第二电极向第二半导体光波导输入第二电流时，可使得第二半导体光波导输出如图10中的(b)所示的波长，第一半导体光波导输出的波长与第二半导体光波导输出的波长在在增益谱(如图10中的(c))内有且仅有一个波长重合，即为激光器输出的激光的波长，如图10中的(d)。

本申请中，可通过改变第一电流和/或第二电流，来改变第一光学谐振腔和第二光学谐振腔的相对光程差，从而可改变第一光学谐振腔的谐振波长和第二光学谐振腔的谐振波长的重合波长，进而可改变激光器输出的激光的波长，即实现了激光器的波长调谐。

基于上述实现方式一，激光器的可调谐的波长范围为Δλ1。

其中，L₁表示第一光学谐振腔的腔长，L₂表示第二光学谐振腔的腔长，n_g表示半导体光波导与反射镜面的连接部分的群折射率。

实现方式二，热调谐。

在一种可能的实现方式中，激光器还可包括第一薄膜电阻和第二薄膜电阻，参阅图11，该激光器可包括形成的第一光学谐振腔、第二光学谐振腔、第一电极和/或第二电极(图11以包括第一电极和第二电极为例示例的)、第一薄膜电阻和第二薄膜电阻，第一电极可设置在第一半导体光波导上，第二电极可设置在第二半导体光波导上。第一电极用于向第一半导体光波导注入第一电流，第二电极用于向第二半导体光波导注入第二电流；第一薄膜电阻设置在第一半导体光波导旁，第二薄膜电阻电子设置在第二半导体光波导旁。第一薄膜电阻的两端分别设置有第三电极和第四电极，第二薄膜电阻的两端分别设置有第五电极和第六电极；第三电极和第四电极用于向第一薄膜电阻注入第三电流，第三电流用于对第一薄膜电阻进行热调节；第五电极和第六电极用于向第二薄膜电阻注入第四电流，第四电流用于对第二薄膜电阻进行热调节，使得第一光学谐振腔的谐振波长和第二光学谐振腔的谐振波长在在增益谱内有且仅有一个波长重合，从而实现激光器输出单模激光。

本申请中，可通过改变第三电流，以改变第一薄膜电阻的热量，从而改变第一半导体光波导的折射率；和/或，通过改变第四电流，改变第二薄膜电阻的热量，从而改变第二半导体光波导的折射率；进而可以改变第一光学谐振腔和第二光学谐振腔的相对光程差，以使得第一光学谐振腔的谐振波长和第二光学谐振腔的谐振波长的重合波长改变，从而可改变激光器输出的激光的波长，即实现了激光器的波长调谐。

基于该实现方式二，激光器输出激光的原理可参见上述图10的介绍，此处不再重复赘述。

需要说明的是，上述图11所示的激光器可以包括第一电极和第二电极中的至少一个。若激光器包括第一电极，则第一电流大于第一光学谐振腔的电流阈值；若激光器包括第二电极，则第二电流大于第二光学谐振腔的电流阈值；若激光器包括第一电极和第二电极，则第一电流大于第一光学谐振腔的电流阈值且第二电流大于第二光学谐振腔的电流阈值。

情形2，第一半导体光波导为增益波导，第二半导体光波导为滤波器。

在一种可能的实现方式中，激光器还可包括第一电极、第二薄膜电阻、第五电极和第六电极，参阅图12，第一电极可设置在第一半导体光波导上，第二薄膜电阻设置在第二半导体光波导旁，第二薄膜电阻的两端分别设置有第五电极和第六电极。第一电极用于向第一半导体光波导注入第一电流，其中，第一电流大于第一光学谐振腔的电流阈值；第五电极和第六电极用于向第二薄膜电阻注入第四电流，第四电流用于对第二薄膜电阻进行热调节。如此，使得滤波器允许第一光学谐振腔的谐振波长中有且仅有一个波长通过，从而可实现激光器输出单模激光。

如图13所示，为本申请示例性的示出的另一种激光器输出激光的原理示意图。第一电极向第一半导体光波导输出第一电流时，第一半导体光波导的输出波长如图13中的(a)所示；第五电极和第六电极用于向第二薄膜电阻注入第四电流时，第二半导体光波导可输出指定波长的光，如图13中的(b)，该指定波长的光可以是第一半导体光波导输出波长中的某一个波长。

基于该情形2，可通过如下示例性示出的两种实现方式，使得第一光学谐振腔的谐振波长和第二光学谐振腔的谐振波长在各自的增益谱范围内有且仅有一个波长重合。

实现方式1，热调谐。

维持第一电流的大小不变，通过改变第四电流的大小，以改变第二半导体光波导的折射率，从而可改变第二光学谐振腔允许输出的波长，从而可使得激光器输出不同波长的单模激光，如图13中的(d)，即实现了激光器的波长调谐。也就是说，通过滤波器可以过滤掉不感兴趣的波长，以使这些波长的受激发射受到抑制，滤波器能够用来选择一个或多个离散波长通过。其中，滤波器即为可调谐滤波器，或也可称为波长选择器。

基于该情形2，激光器的可调谐的波长范围为Δλ2。

其中，n表示第二半导体光波导的有效折射率，Δn表示第二半导体光波导对应的有效折射率的变化，第四电流的大小不同，第二半导体光波导的有效折射率也不同。

需要说明的是，当第二半导体光波导作为滤波器时，滤波器的自由光谱区(freespectral range，FSR)的宽度要大于或等于第一半导体光波导的增益谱的宽度，例如，可大于50nm。如此，可以实现滤波器仅有一个波长在第一半导体光波导的增益谱范围内。

实现方式2，电调谐。

可参阅图9a或图9b所示的结构，第一电极用于向第一半导体光波导注入第一电流，第二电极可用于向第二半导体光波导注入第五电流，其中，第一电流大于第一光学谐振腔的电流阈值，可以维持第一电流的大小不变，改变第五电流，使得滤波器可以允许不同波长的光通过，从而可使得激光器输出不同波长的单模激光，即实现了激光器的波长调谐。应理解，第五电流小于第二光学谐振腔的电流阈值，并且第二半导体光波导的芯层的带隙波长小于第一半导体光波导的芯层的带隙波长，也就是说，第一半导体光波导为有源区，第二半导体光波导为无源区。

情形3，第一半导体光波导为滤波器，第二半导体光波导为增益波导。

在一种可能的实现方式中，激光器还可包括第二电极、第一薄膜电阻、第三电极和第四电极，参阅图14，第二电极可设置在第二半导体光波导上，第一薄膜电阻设置在第一半导体光波导旁，第一薄膜电阻的两端分别设置有第三电极和第四电极。第二电极用于向第二半导体光波导注入第二电流，第二电流大于第二光学谐振腔的电流阈值；第三电极和第四电极用于向第一薄膜电阻注入第三电流，第三电流用于对第一薄膜电阻进行热调节。如此，使得滤波器允许第二光学谐振腔的谐振波长中有且仅有一个波长通过，从而可实现激光器输出单模激光。

如图15所示，为本申请示例性的示出的又一种激光器输出激光的原理示意图。第二电极向第二半导体光波导输出第二电流时，第二半导体光波导的增益谱如图15中的(a)所示；第一半导体光波导可输出指定波长的光，如图15中的(b)，该指定波长的光可以是第二半导体光波导的增益谱中的某一个波长。因此，通过改变第三电流的大小，从而可改变第一半导体光波导输出的波长，从而可使得激光器输出单模激光，如图15中的(d)。

基于该方式，激光器的可调谐的波长范围为Δλ2。

其中，n表示第一半导体光波导的有效折射率，Δn表示第一半导体光波导有效折射率的变化，第三电流的大小不同，第一半导体光波导的有效折射率也不同。

需要说明的是，当第一半导体光波导作为滤波器时，滤波器的自由光谱区(freespectral range，FSR)的宽度要大于或等于第二半导体光波导的增益谱的宽度，例如，可大于50nm。如此，可以实现滤波器仅有一个波长在第二半导体光波导的增益谱。

基于该情形3，可通过如下示例性示出的两种实现方式，使得第一光学谐振腔的谐振波长和第二光学谐振腔的谐振波长在各自的增益谱范围内有且仅有一个波长重合。

实现方式A，热调谐。

可维持第二电流的大小不变，改变第三电流，以改变第二半导体光波导的折射率，使得滤波器可以允许不同波长的光通过，从而可使得激光器输出不同波长的单模激光，即实现了激光器的波长调谐。

实现方式B，电调谐。

可参阅图9a或图9b所示的结构，第一电极用于向第一半导体光波导注入第六电流，第二电极用于向第二半导体光波导注入第二电流，其中，第二电流大于第二光学谐振腔的电流阈值，可以维持第二电流的大小不变，改变第六电流，使得滤波器可以允许不同波长的光通过，从而可使得激光器输出不同波长的单模激光，即实现了激光器的波长调谐。

基于该实现方式B，激光器输出激光的原理可参见上述图15的介绍，此处不再重复赘述。

在本申请的各个实施例中，如果没有特殊说明以及逻辑冲突，不同的实施例之间的术语和/或描述具有一致性、且可以相互引用，不同的实施例中的技术特征根据其内在的逻辑关系可以组合形成新的实施例。

本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。在本申请的文字描述中，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。在本申请的公式中，字符“/”，表示前后关联对象是一种“相除”的关系。

可以理解的是，在本申请中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本申请的实施例的范围。上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定。术语“第一”、“第二”等是用于分区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

尽管结合具体特征及其实施例对本申请进行了描述，显而易见的，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的方案进行示例性说明，且视为已覆盖本申请范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本申请实施例的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种波长可调谐的半导体激光器，其特征在于，包括相互光耦合的第一光学谐振腔和第二光学谐振腔；所述第一光学谐振腔由第一半导体光波导和分别位于所述第一半导体光波导的两端的第一反射镜面和第二反射镜面形成，所述第二光学谐振腔由所述第二半导体光波导和分别位于所述第二半导体光波导的两端的第二反射镜面和第三反射镜面形成；

其中，所述第一光学谐振腔的腔长与所述第二光学谐振腔的腔长不同；所述第一反射镜面和所述第三反射镜面中至少一个为部分发射镜面；所述第一半导体光波导与所述第二半导体光波导中的至少一个用于为对应的光学谐振腔提供回路增益。

2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第一反射镜面为萨格纳克Sagnac环镜面波导；或，全反射的多模干涉仪MMI反射波导；

所述第二反射镜面为所述Sagnac环镜面波导；或，深刻蚀的沟槽波导；

所述第三反射镜面为所述Sagnac环镜面波导；或，全反射的MMI反射波导；

其中，所述Sagnac环镜面波导由两个端面相连的2×2方向耦合器组成，或者由一个端面相连的2×2MMI波导形成；所述全反射的MMI反射波导由1×1MMI输入波导与一半腔长的多模波导的一端连接形成，或者由2×1MMI输入波导与所述一半腔长的多模波导的一端连接形成，所述多模波导的另一端包括两个相互垂直的端面，所述两个相互垂直的端面中的每个端面与所述输入波导的夹角为45度。

3.如权利要求1或2所述的激光器，其特征在于，所述第一反射镜面和所述第三反射镜面均为所述Sagnac环镜面波导；

所述第一反射镜面和所述第一半导体光波导连接的一端的宽度的减小方向，与，所述第一半导体光波导和所述第一反射镜面连接的一端的宽度的减小方向相反；

所述第三反射镜面和所述第二半导体光波导连接的一端的宽度的减小方向，与，所述第二半导体光波导和所述第三反射镜面连接的一端的宽度的减小方向相反。

4.如权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述第一半导体光波导与所述第一反射镜面和所述第二反射镜面分别连接的两端的长度均大于或等于10um，且小于或等于200um；

所述第二半导体光波导与所述第二反射镜面和所述第三反射镜面分别连接的两端的长度均大于或等于10um，且小于等于200um。

5.如权利要求1至4任一项所述的激光器，其特征在于，所述第一半导体光波导和所述第二半导体光波导均为III-V族材料的光波导，所述第一反射镜面、所述第二反射镜面和所述第三发射镜面均为硅光波导。

6.如权利要求5所述的激光器，其特征在于，所述III-V族材料的光波导和所述硅光波导的异质集成方式包括晶圆-晶圆键合；或者，晶片-晶圆键合。

7.如权利要求1至4任一项所述的激光器，其特征在于，所述第一半导体光波导、所述第二半导体光波导、所述第一反射镜面、所述第二反射镜面和所述第三反射镜面均为III-V族材料的光波导；

其中，所述第一半导体光波导和所述第二半导体光波导分别包括P-InGaAs层/P-InPcladding层/有源层/N-InP层，所述有源层由多量子阱材料或量子点材料组成；所述第一反射镜面和所述第三反射镜包括P-InGaAs层/P-InP cladding层/无源芯层/N-InP层，所述第二反射镜面为对所述第一半导体光波导或所述第二半导体光波导深刻蚀的沟槽波导。

8.如权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述深刻蚀的沟槽波导的长度为激射波长的四分之一的奇数倍，所述深刻蚀的沟槽波导的深度小于或等于所述P-InGaAs层和所述P-InP cladding层的厚度之和。

9.如权利要求1至8任一项所述的激光器，其特征在于，所述第一光学谐振腔的腔长是根据所述第一反射镜面的长度、所述第二反射镜面的长度和所述第一半导体光波导的长度确定；

所述第二光学谐振腔的腔长是根据所述第二反射镜面的长度、所述第三反射镜面的长度和所述第二半导体光波导的长度确定的。

10.如权利要求1至9任一项所述的激光器，其特征在于，所述第一光学谐振腔和所述第二光学谐振腔的光耦合效率是根据所述第二反射镜面的反射率确定的；其中，所述第二反射镜面的反射率大于0且小于100％。

11.如权利要求1至10任一项所述的激光器，其特征在于，通过改变注入所述第一半导体光波导的第一电流或改变所述第一半导体光波导的温度；和/或，通过改变注入所述第二半导体波导的第二电流或改变所述第二半导体光波导的温度；使所述第一光学谐振腔的谐振波长和所述第二光学谐振腔的谐振波长在各自的增益谱范围内有且仅有一个波长重合。

12.如权利要求1至11任一项所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括第一电极和/或第二电极；

所述第一电极，用于向所述第一半导体光波导注入第一电流；

所述第二电极，用于向所述第二半导体光波导注入第二电流；

其中，所述第一电流大于所述第一光学谐振腔的电流阈值，和/或，所述第二电流大于所述第二光学谐振腔的电流阈值。

13.如权利要求12所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括第一薄膜电阻和/或第二薄膜电阻，所述第一薄膜电阻的两端分别设置有第三电极和第四电极，所述第二薄膜电阻的两端分别设置有第五电极和第六电极；

所述第三电极和所述第四电极，用于向所述第一薄膜电阻注入第三电流，所述第三电流用于对所述第一薄膜电阻进行热调节；

所述第五电极和所述第六电极，用于向所述第二薄膜电阻注入第四电流，所述第四电流用于对所述第二薄膜电阻进行热调节。

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