CN114006263B - 硅基集成的外腔窄线宽激光器 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种硅基集成的外腔窄线宽激光器，包括：硅衬底，上表面为外延生长区；增益芯片，通过异质外延或异质键合于外延生长区的一端；多模干涉波导结构，外延生长于外延生长区内，输入端与增益芯片的反馈光端面相对；反射结构，设于外延生长区的一端，与多模干涉波导结构的输出端耦合。该激光器不仅可以实现单模选择，由于多模干涉波导结构3的端面形成的外腔结构，还可以实现线宽压窄。

Description

硅基集成的外腔窄线宽激光器
技术领域
本公开涉及激光器技术领域，尤其涉及一种硅基集成的外腔窄线宽激光器。
背景技术
激光器作为高速通信系统中的核心光器件，其不仅需要有稳定的单模输出，而且随着通信速度和通信容量的提高，在骨干网和数据中心逐渐使用相干技术来提升通信速度，而相干技术对激光器的线宽要求在百kHz以下这就要求激光器不仅需要有稳定的单模输出并且需要窄线宽。
目前单模激光器主要有分布布拉格反射(DBR)激光器和分布反馈激光器(DFB)，这两种方案都是通过光栅的选模作用来实现单模输出的，线宽在1MHz到10MHz之间，目前已经获得大规模应用。光纤单频激光器线宽非常窄但是其强度噪声很大，且体积大不易集成，限制了其应用场景。还有一种是通过引入外腔来实现线宽压窄，外腔可以把线宽压窄到kHz，是一种比较成熟的方案，但是这种分立器件的模块体积都比较大。
与集成电路技术类似，光电子器件对小型化的追求也从没有停止过。小型化可以带来更低的能耗，更高的互联密度，更低的制造成本等优势。集成电路已经有成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)制造工艺，与之兼容的光子集成电路便成为人们追求的一个梦想。目前除了硅基光源之外，各部分光电子器件都有了成熟的技术和应用，例如探测器，调制器等等。近年来，越来越多硅基光源的一系列成果，例如异质键合和异质外延技术的出现CN111383915 A，让我们了看到硅基集成的希望，也看到了集成化外腔窄线宽激光器的希望。
发明内容
本发明提供了一种硅基集成的外腔窄线宽激光器，旨在改善现有技术中，外腔激光器体积大，增益芯片需要耦合，工艺复杂等问题。
本公开的一个方面提供了一种硅基集成的外腔窄线宽激光器，包括：硅衬底，上表面为外延生长区；增益芯片，通过异质外延或异质键合于所述外延生长区的一端；多模干涉波导结构，外延生长于所述外延生长区内，输入端与所述增益芯片的反馈光端面相对，用于对所述增益芯片产生的激光进行选模和线宽压窄；反射结构，设于所述外延生长区上，与所述多模干涉波导结构的输出端耦合，用于反射所述激光，使所述激光经过所述多模干涉波导结构后进入所述增益芯片，被所述增益芯片放大后从出射光端面输出。
可选地，所述多模干涉波导结构由多个单模波导和多个多模波导级联构成，其中，所述多个单模波导和所述多个多模波导交替设置。可选地，所述多个单模波导和多个多模波导级联的头部和尾部均为单模波导。
可选地，所述多个单模波导和所述多个多模波导呈直线型排列。
可选地，所述所述多个单模波导和所述多个多模波导呈曲线型排列。
可选地，所述增益芯片的反馈光端面镀有增透膜。
可选地，所述所述增益芯片为砷化镓基半导体增益芯片、或铟磷基半导体增益芯片。
可选地，所述多个单模波导和所述多个多模波导均为硅基波导。
可选地，所述反射结构为高反膜。
在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
根据本公开提供的硅基集成的外腔窄线宽激光器，在多模干涉波导结构中交替设置单模波导和多模波导，使光信号在多模干涉波导结构中传输传输时呈现单模与多模的交替变化，形成多种横模的传输路径，即存在多个谐振模式，从而可以根据游标效应实现单模选择；该激光器不仅可以实现选模，可引入了外腔结构，实现有线宽压窄的效果。该激光器的体积小，可集成，不用耦合，可大规模生产。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了本公开实施例提供的一种硅基集成的外腔窄线宽激光器的结构示意图；
图2示意性示出了本公开实施例提供的一种单模波导和多模波导的级联示意图；
图3示意性示出了本公开实施例提供的一种硅基集成的外腔窄线宽激光器的俯视图；
图4示意性示出了本公开实施例提供的另一种硅基集成的外腔窄线宽激光器的俯视图；
附图标记说明：
100-硅基集成的外腔窄线宽激光器；
1-硅衬底；
2-增益芯片；
3-多模干涉波导结构；
4-反射结构。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
图1示意性示出了本公开实施例提供的一种硅基集成的外腔窄线宽激光器100的结构示意图。
如图1所示，本公开实施例的外腔窄线宽激光器包括：硅衬底1，增益芯片2，多模干涉波导结构3，以及反射结构4。
在本公开实施例中，硅衬底1上表面为外延生长区；增益芯片2通过异质外延或异质键合于外延生长区的一端；多模干涉波导结构3外延生长于外延生长区内，输入端与增益芯片2的反馈光端面相对，用于对增益芯片2产生的激光进行选模和线宽压窄；反射结构4设于外延生长区上，与多模干涉波导结构3的输出端耦合，用于反射激光，使激光经过多模干涉波导结构3后进入增益芯片2，被增益芯片2放大后从出射光端面输出。
其中，多模干涉波导结构3由多个单模波导和多个多模波导级联构成，多个单模波导和多个多模波导交替设置，其中，多模干涉波导结构3的端面形成了外腔。基于该结构设置，整个外腔激光器的工作过程包括：
增益芯片2产生的一部分光通过增益芯片2出射光端出射，另一部分光经过增益芯片2的反射光端面进入多模干涉级联波导结构3的外腔中；光信号在经过多模干涉级联波导结构3中的单模波导时还光波保持单模，当进入多模波导区域时会出现多模，然后再次进入单模波导后，这就经历了一个波导历程，该光信号在通过一个波导历程时存在单模和多模的变化，因此存在多个光模式传输路径，当级联多个多模干涉(MMI)波导时，上述的多个光模式传输路径之间的光程差就变得明显，也就是存在多个谐振模式在整个外腔中，这时根据游标效应就可以实现模式选择；当选择的模式的光信号被多模干涉波导结构3的终端的反射结构4反射后，再次经过整个多模干涉波导结构3，之后进入增益芯片2中，此时增益芯片2对多模干涉波导结构3选出来的模式进行放大后，一部分光信号从输出端面输出，另一部分重新进入多模干涉级联波导结构3中。经过多次重复上述过程，就可以实现特定波长光信号的谐振放大。
综上，该多模干涉波导结构3不仅可以实现单模选择，而且由于外腔结构的引入还可以实现线宽压窄。
增益芯片2的反馈光端面可以镀有增透膜，以增加所述增益芯片2和多模干涉波导结构3之间的耦合效率。增益芯片2可以为砷化镓基半导体增益芯片、或铟磷基半导体增益芯片。
在本实施例中，多个单模波导和多个多模波导均为硅基波导，直接通过外延生长以及光刻形成与硅基衬底1上。
可选地，反射结构4为高反膜。
图2示意性示出了本公开实施例提供的一种单模波导和多模波导的级联示意图。
如图2所示，该级联单元包括包含三个波导，其中，两端的波导为单模波导，中间的波导为一个多模波导。当多模干涉波导结构3存在多个级联单元时，单模波导和多模波导交替设置，级联的头部和尾部均为单模波导，保证激光经过所述多模关涉波导结构3中选模后，输出为单模激光。
单模波导和多模波导的级联结构可以呈现多种形态，以适应实际应用需求。
图3示意性示出了本公开实施例提供的一种硅基集成的外腔窄线宽激光器的俯视图。
如图3所示，在本公开实施例中，多个单模波导和多个多模波导呈直线型排列。
图4示意性示出了本公开实施例提供的另一种硅基集成的外腔窄线宽激光器的俯视图。
如图4所示，本公开实施例提供的激光器中，多个单模波导和多个多模波导呈曲线型排列。
可选地，单模波导和多模波导的级联结构还可以呈弧形、螺旋形、圆形等任意形状，通过调节该级联结构的形状，可以将该激光器的体积缩小。
根据本公开提供的硅基集成的外腔窄线宽激光器，在多模干涉波导结构3中交替设置单模波导和多模波导，使光信号在多模干涉波导结构3中传输传输时呈现单模与多模的交替变化，形成多种横模的传输路径，即存在多个谐振模式，从而可以根据游标效应实现单模选择；该激光器不仅可以实现选模，可引入了外腔结构，实现有线宽压窄的效果。该激光器的体积小，可集成，不用耦合，可大规模生产。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (8)

1.一种硅基集成的外腔窄线宽激光器，其特征在于，包括：
硅衬底，上表面为外延生长区；
增益芯片，通过异质外延或异质键合于所述外延生长区的一端；
多模干涉波导结构，外延生长于所述外延生长区内，输入端与所述增益芯片的反馈光端面相对，用于对所述增益芯片产生的激光进行选模和线宽压窄；
反射结构，设于所述外延生长区上，与所述多模干涉波导结构的输出端耦合，用于反射所述激光，使所述激光经过所述多模干涉波导结构后进入所述增益芯片，被所述增益芯片放大后从出射光端面输出；
所述多模干涉波导结构由多个单模波导和多个多模波导级联构成，其中，所述多个单模波导和所述多个多模波导交替设置。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述多个单模波导和多个多模波导级联的头部和尾部均为单模波导。
3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述多个单模波导和所述多个多模波导呈直线型排列。
4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述多个单模波导和所述多个多模波导呈曲线型排列。
5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述增益芯片的反馈光端面镀有增透膜。
6.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述增益芯片为砷化镓基半导体增益芯片、或铟磷基半导体增益芯片。
7.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述多个单模波导和所述多个多模波导均为硅基波导。
8.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述反射结构为高反膜。
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