CN114342190A - 单片集成的InP电光可调谐环形激光器、激光器设备及对应方法 - Google Patents

单片集成的InP电光可调谐环形激光器、激光器设备及对应方法 Download PDF

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Abstract

一种具有环形腔的可调谐环形激光器，其中所述环形腔包括：至少一个环形谐振器，所述至少一个环形谐振器具有用于引导波的波导；相位调制器，所述相位调制器具有用于引导波的波导；一个或多个功率耦合器，所述一个或多个功率耦合器用于将所述波耦合进出所述至少一个环形谐振器，其中所述至少一个环形谐振器和所述相位调制器的所述波导的横截面被配置为PIN二极管并且充当电折射调制器，使得所述可调谐环形激光器可通过施加反向偏置电压来调谐。

Description

单片集成的InP电光可调谐环形激光器、激光器设备及对应 方法
背景技术
具有窄线宽的可广泛调谐的激光源在高速通信、感测、光谱学、量子光学以及光检测和测距应用中发挥着关键作用。例如，在相干光通信系统中，16正交幅度调制QAM在40Gb/s下需要120kHz的线宽，而升级到64QAM会对激光器线宽产生一百倍的更严格要求。
已经提出了主动稳定方案来改进自由运行激光器的线宽和频率噪声特性。这种方法在光谱学和感测应用中更加常见。最广泛使用且最强大的技术是Pound-Drever-Hall(PDH)频率锁定。在这种技术中，通过使用负电反馈来将激光器锁定到外部光学腔。在二极管激光器的情况下，通常使用两个控制信号；半导体光学放大器(SOA)和外部声光调制器各一个。在允许使用单个控制环路实现PDH锁定的已知方法中，展示出仅受环路延迟限制。这种方法部署了具有高达5MHz带宽的块状铌酸锂单边带调制器。
近年来，为了将基于芯片的集成激光器的线宽从若干MHz降低到100kHz范围及以下，已经付出了很多努力。已经遵循不同集成策略以实现这一目标。例如，已经展示出具有50-100kHz本征线宽的单片集成的可调谐分布式布拉格反射器(DBR)激光器。对反射镜进行采样，并对超模DBR光栅进行热调谐。过去也已经报道了基于电流注入调谐的可调谐激光器。然而，由于电流注入的已知线宽加宽机制，因此此类DBR不适用于需要非常低线宽的应用。
综上所述，本公开旨在实现一种在全频带上提供可调谐性的单模纵波单向环形激光器，其通常用于电信但不限于所述特定领域。对所提出的激光器的调谐不会显著地干扰/加宽激光发射模式的本征线宽，从而使线宽性能与调谐范围内的激光发射波长无关。
发明内容
实现可在特别宽的频带上调谐的环形激光器将是有利的，并且其中调谐不会或几乎不会影响激光发射模式的本征线宽。
在公开的第一方面，提供了一种具有环形腔的可调谐环形激光器，例如单片集成的InP可调谐环形激光器，其中所述环形腔包括：
-至少一个环形谐振器，所述至少一个环形谐振器具有用于引导波的波导，
-相位调制器，所述相位调制器具有用于引导波的波导，
-功率耦合器，所述功率耦合器用于将所述波耦合进出所述至少一个环形谐振器
其中所述至少一个环形谐振器和所述相位调制器的所述波导的横截面被配置为PIN二极管并且充当电折射调制器，使得所述可调谐环形激光器可通过施加反向偏置电压来调谐。
所提出的环形激光器可例如在大约介于1500nm至1650nm之间的波长(例如1550纳米)下操作。此类波长特别适用于电信应用。然而，根据本公开，激光器不限于这种特定技术领域。
使用所呈现的环形激光器，可在例如超过30nm的范围内调谐激光发射峰值。这种单个峰值可通过三个滤波器(即，两个环形谐振器以及环形腔本身)的叠加来实现。这些滤波器的组合可抑制峰值，即除激光发射模式之外的模式。
根据本公开的激光器的调谐是基于在激光器的调谐区段(即,谐振器和相位调制器)上施加负电压，即，反向偏置。这与诸如热调谐或正向偏置(即，正电压)的其他调谐原理相比是不同的，因为它导致功耗降低，不会干扰激光发射峰值的宽度，并且可更快，因为不会发生像散热的慢速瞬态效应。此外，使用环形谐振器另外减小激光发射峰值的宽度。
在现有技术中，可使用热元件来执行调谐。热元件致使谐振器的光路长度增大或减小。根据本公开，至少一个环形谐振器通过施加反向偏置电压来调谐。施加反向偏置电压可改变路径长度以及材料本身的本征特性。这是由多个因素造成的，所述多个因素中的一个是分别是普克尔效应和克尔效应的线性电光效应和二次电光效应。
功率耦合器用于将波耦合进出至少一个环形谐振器。功率耦合器可以是具有例如50％分光比的多模干涉耦合器。另一个选项是将环形谐振器放置成物理上靠近环形腔本身，使得基于腔/环形谐振器的几何形状发生耦合效应。
优选地，单片集成的环形腔包括两个环形谐振器。
在另一个实例中，所述环形激光器还包括宽带反射器，所述宽带反射器被布置来将第一传播模式(例如顺时针传播模式)下的发射耦合到与所述第一传播模式相反配置的第二传播模式(例如逆时针传播模式)。
上述内容确保环形激光器中波的传播方向是单向的。
在又一个实例中，所述腔还包括被布置用于放大所述腔中的所述波的半导体光学放大器(SOA)。
半导体光学放大器是例如基于半导体增益介质的光学放大器。所述光学放大器可看起来像激光二极管，其中端反射镜已被抗反射涂层替代。
需注意，半导体光学放大器(SOA)可包括InGaAsP多量子阱基材料。
根据上述内容，本公开可涉及单片集成的单向单模环形激光器。在多项目晶圆运行的框架中，可使用可商购获得的基于InP的集成技术来制造激光器。两个环形谐振器的透射光谱的游标(Vernier)效应可与略微不同的周长一起使用以选择激光发射模式。通过主要地部署电压控制的电光效应，可在反向偏置操作中调谐两个环形谐振器。
根据本公开的可调谐激光器也可使用硅技术来制造，其中调制器以及半导体光学放大器可使用结合技术集成在硅波导的顶部上。在此类实现方式中，模式可从硅波导行进到作为相位调制器的InP波导，并且然后再次返回到硅。
与热调谐不同，由于反向偏置操作，这种调谐机制避免了显著的片上散热，并且同时不会增大激光器的线宽。这与电流注入调谐形成对比，所述电流注入调谐众所周知会造成显著的线宽加宽以及显著的散热。环形谐振器还有助于减小线宽，因为它们增大了腔的有效长度。一般来说，环形激光器可遭受方向性问题。然而，在此，激光器的单向操作可通过将逆时针传播模式耦合到顺时针模式(反之亦然)的宽带反射器来确保。
此反射镜可不具有高反射率带涂层刻面，而是可合适地放置在激光器的两个输出端口中的一个处的多模干涉反射。有效地，然后可将单向激光器放置在管芯/芯片中的任何地方，而不必连接到反射刻面。
在另一个实例中，波导中的任一个是蚀刻脊形波导，其中所述蚀刻脊形波导的横截面是垂直PIN二极管并且充当电折射调制器ERM。
在另一个实例中，环形腔包括具有不同半径的两个环形谐振器。
两个环形谐振器的半径例如可以是120μm和123μm长，或可相当的任何长度。然后，所得的路径长度的差值可等于约18.85μm。两个环形谐振器可使用具有例如50％分光比的2×1多模干涉MMI耦合器来实现。一个环形谐振器的总周长(包括MMI的长度)可以是1.400mm，而第二环形谐振器可比它长18.85μm。这种配置产生约35nm的游标FSR。
在本公开的第二方面，提供了一种用于发射激光束的激光器设备，其中所述激光器设备包括根据本公开的可调谐环形激光器。
激光器设备可以是例如配备有激光器的电信设备，即，用于使用光纤进行光学通信的电信设备。电信设备可以是例如调制解调器等。
进一步需注意，如关于本公开的第一方面(即可调谐环形激光器)所解释的优点也适用于本公开的第二方面(即激光器设备)。
在本公开的第三方面，提供了一种操作根据前述权利要求中任一项所述的可调谐环形激光器的方法，其中所述方法包括以下步骤：
-由所述一个或多个功率耦合器将波耦合进所述至少一个环形谐振器；
-由所述至少一个环形谐振器和所述相位调制器通过它们相应的波导引导波，
-向所述波导中的任一个的所述PIN二极管施加所述反向偏置电压，从而调谐所述可调谐环形激光器。
需注意，可使用电压控制设备来将反向偏置电压施加到波导中的任一个的PIN二极管。电压控制设备可具有两个输出端子，其中两个输出端子中的第一个连接到PIN二极管的P型半导体区域，并且两个输出端子中的第二个连接到PIN二极管的N型半导体区域。
进一步需注意，如关于本公开的第一方面(即可调谐环形激光器)所公开的优点也适用于本公开的第三方面(即操作可调谐环形激光器的方法)。
在上述方法的一个实例中，环形腔包括两个环形谐振器。
在另一个实例中，所述腔包括半导体光学放大器SOA，并且其中所述方法还包括以下步骤：
-由所述SOA放大所述腔中的所述波。
在另一个实例中，所述SOA包括InGaAsP多量子阱基材料。
通过参考下文描述的一个或多个实施方案，本发明的这些和其他方面将变得明白易懂并得以阐明。
附图说明
图1示出根据本公开的环形激光器；
图2示出根据本公开的环形激光器的显微镜图像。
具体实施方式
图1示出根据本公开的环形激光器1。
可调谐环形激光器1是单片集成在磷化铟(InP)上的可调谐环形激光器，InP是由铟和磷组成的二元半导体。InP具有闪锌矿晶体结构，可与GaAs和大多数III-V半导体的结构相当。发明人已经发现，半导体双异质结构InP(p-掺杂)-InGaAsP(本征)-InP(n-掺杂)尤其适用于要施加反向偏置来调谐环形激光器的情况。
可调谐环形激光器1具有环形腔，所述环形腔包括用于引导波的两个环形谐振器3。如图1所示，可调谐环形激光器1具有彼此基本上平行的两个水平定向波导。这些水平定向波导通过环形谐振器3彼此连接。
环形谐振器3类似于PIN二极管并且充当电折射调制器，使得可通过施加反向偏置电压来在频率上调谐可调谐环形激光器。
在本公开的上下文中，PIN二极管是具有位于p型半导体区域与n型半导体区域之间的宽的、未掺杂的本征半导体区域的二极管。
宽的本征区域，即“i”区域，与普通的p-n二极管形成对比。宽的本征区域使PIN二极管适用于引导光。“i”区域使得可通过施加反向偏置电压来调谐环形激光器。除其他事项外，反向偏置电压修正了PIN介质中自由载流子的量，从而有效地改变环形激光器1的频率特性。
使用PIN二极管的原因之一在于，可不期望光模与p掺杂区域具有较大重叠。使用PN二极管，重叠将不可避免地较大。此外，如果存在在其中引导光模的本征区域，则光模可与在其中发生电光效应的区域具有较大重叠，因此提高其效率。
单片集成的InP可调谐环形激光器1还包括相位调制器6。相位调制器也可通过施加反向偏置电压来控制。
可提供一个或多个功率耦合器2以用于将波耦合进出至少一个环形谐振器3。进一步地，腔还包括半导体光学放大器(SOA)3，所述SOA 3被布置用于放大腔中的波。
更进一步地，环形激光器还包括宽带反射器4，所述宽带反射器4被布置来将第一传播模式(例如顺时针传播模式)下的发射耦合到与第一传播模式相反配置的第二传播模式(例如逆时针传播模式)。激光器的输出用参考数字5来指示。
本公开中所提出的相位调制器调谐机制可基于对应波导中的反向偏置PIN结构。它不同于现有技术中的通常的基于电子电流注入或热加热。所提出的环形激光器避免了显著的片上散热。已经表明，对相位区段进行反向偏置导致在8V偏置下的散热值<100μW。与通常需要几十mW的滤波器(例如，DBR区段)的热调谐机制所需的功率电平相比，它的功率电平显著地更低。所使用的相位调制器的散热起源是因本征区域中的载流子耗尽而引起的反向偏置电流，所述反向偏置电流在更高电压下增大。
由于涉及较弱的慢速瞬态热效应，因此与热调谐相比，所提出的调谐机制还可实现更快的调谐。
此外，与电流注入调谐相反，归因于自由载流子吸收的显著传播损耗不会发生。低的附加传播损耗因电吸收而仅在高电压下发生。事实上，在低电压(<5V)下，损耗甚至因自由载流子耗尽而略微降低。
本公开涉及单片集成在InP上的单向单模环形激光器。激光器利用来自例如两个周期性光谱滤波器的游标效应来进行其单模操作，并且它使用电压控制的电光效应来进行调谐。
在环形激光器的具体实施方案中，利用具有略微不同周长的两个环形谐振器来增大滤波器的自由光谱范围(FSR)，并且在模态增益带宽内选择单个激光发射模式。来自游标效应的增强FSR可通过以下来计算：
Figure BDA0003528194200000081
在此，ΔλFSR1和ΔλFSR2是各个环形谐振器的FSR。各个环形谐振器的FSR由ΔλFSR＝λ2/ngL,给出，其中ng是组指数，L是单个环的周长，并且λ是波长。两个环的失谐可足够大，使得调谐范围受SOA的模态增益带宽而不是游标腔内滤波器的FSR限制。
激光器是使用可商购获得的基于InP的主动-被动集成技术的组件库设计的。环形腔可包括具有InGaAs多量子阱基材料的1mm长的SOA。SOA是基于浅蚀刻脊形波导。两个环的半径可以是120μm和123μm。所得的路径长度的差值为18.85μm。两个环形谐振器使用具有50％分光比的2×1多模干涉(MMI)耦合器来实现。一个环形谐振器的总周长(包括MMI的长度)为1.400mm，而第二环形谐振器比它长18.85μm。
这种配置产生约35nm的游标FSR。此FSR确保激光器调谐范围大于30nm，因此覆盖单个频带的跨度，并且不会影响单模操作。0.4mm长的电光相位调制器区段也包括在激光器腔中，以便于独立地调谐腔模。相位区段可用于保持激光发射模式与两个环形滤波器的透射最大值对齐，以防止激光器的跳模。
两个环形谐振器和相位区段可通过施加反向偏置电压来调谐。两个环形谐振器和相位区段全部是深蚀刻脊形波导，它们的横截面是垂直PIN二极管，并且充当电折射调制器(ERM)。无意掺杂的引导层是块状InGaAsP四元材料，带隙为1.25μm。有效折射率变化是场(普克尔和克尔)效应和载流子(等离子体/载流子耗尽和频带填充)效应两者的结果。这些效应的添加导致TE偏振光的约15°/Vmm的调制器效率。
功率输出耦合通过具有85-15分光比的2×2MMI来实现。输出耦合功率百分比为15％。环形激光器的单向操作由腔外宽带反射器确保，所述腔外宽带反射器将逆时针传播模式下的放大自发发射(ASE)耦合到顺时针模式。宽带反射器是多模干涉反射器。
腔的总长度为5.9mm，对应于13.5Ghz(0.108nm)的腔模自由光谱范围(FSR)。
腔模和环形滤波器模式的间隔使得腔模每隔4×ΔλFSR落入环形滤波器透射峰值内。环形滤波器有效地抑制了此4×ΔλFSR范围内的腔模。激光发射模式与落入环形谐振器透射峰值内的相邻腔模(距离4×ΔλFSR)之间的增益差为约8％。这种透射差异足以确保激光器的单模操作。
图2示出根据本公开的环形激光器的显微镜图像11。
环形腔可包括具有InGaAsP多量子阱基材料的1mm长的SOA。SOA可基于浅蚀刻脊形波导。两个环形谐振器可具有～200μm的半径，并且功率耦合使用具有50％分光比的2×1多模干涉(MMI)耦合器来实现。
单个环形谐振器的总周长(包括MMI的长度)为1.4mm和1.419mm。0.4mm长的电光相位调制器区段也包括在激光腔中，以便于独立地调谐腔模。
两个环形谐振器和相位区段可通过施加反向偏置电压来调谐。两个环形谐振器和相位区段都是深蚀刻脊形波导，它们的横截面是垂直PIN二极管，并且充当电折射调制器(ERM)。无意掺杂的引导层是块状InGaAsP四元材料，带隙为1.25μm。有效折射率变化是场(普克尔和克尔)效应和载流子(等离子体/载流子耗尽和频带填充)效应两者的结果。这些效应的添加导致TE偏振光的约15°/Vmm的调制器效率。
功率输出耦合通过具有85-15分光比的2×2MMI来实现。输出耦合功率百分比为15％。环形激光器的单向操作由腔外宽带反射器确保，所述腔外宽带反射器将在逆时针传播模式下的放大自发发射(ASE)耦合到顺时针模式。宽带反射器是多模干涉反射器。腔的总长度为5.9mm，对应于13.5Ghz的腔模自由光谱范围，即,对应于0.108nm。
图2所示的激光器是使用可商购获得的基于InP的主动-被动集成技术的组件库制造的。激光器的显微镜图像在图2中示出。所述显微镜图像的占有面积为2.17×0.56mm2。使用基于水冷却器的温度稳定支架在18℃下对激光器进行表征。来自激光器输出的波导相对于芯片刻面成角度，以抑制对激光器腔的背反射。
芯片刻面还涂覆有抗反射涂层，以进一步抑制背反射。使用单模透镜光纤将激光器输出光耦合出芯片。芯片刻面与透镜光纤之间因模式失配而引起的典型耦合损耗量为～4dB。
需注意，在低调谐电压下，与通常使用热光调谐的其他可调谐激光器相比，所耗散的调谐功率低2-3个数量级，以便不干扰激光器线宽。平均而言，所耗散的调谐功率至少低一个数量级。此外，腔内环形谐振器帮助减小激光器线宽，这在许多应用(即，相干通信、感测等)中可以是重要的。激光器可使用通用且可商购获得的磷化铟(InP)光子集成技术来制造。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员可在实践所要求保护的发明时理解并实现对所公开实施方案的其他变型，在权利要求中，单词“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一个”或“一种”不排除复数。仅仅是在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的这个事实并不表示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何附图标记不应当被视为限制其范围。

Claims (15)

1.一种具有环形腔的可调谐环形激光器，其中所述环形腔包括：
-至少一个环形谐振器，所述至少一个环形谐振器具有波导，
-相位调制器，所述相位调制器具有波导，
-一个或多个功率耦合器，所述一个或多个功率耦合器用于将波耦合进出所述至少一个环形谐振器，
其中所述至少一个环形谐振器和所述相位调制器的所述波导的横截面被配置为PIN二极管并且充当电折射调制器，使得所述可调谐环形激光器能够通过施加反向偏置电压来调谐。
2.根据权利要求1所述的可调谐环形激光器，其中所述一个或多个功率耦合器是多模干涉(MMI)耦合器。
3.根据前述权利要求中任一项所述的可调谐环形激光器，其中所述环形腔包括两个环形谐振器。
4.根据前述权利要求中任一项所述的可调谐环形激光器，其中所述环形激光器还包括宽带反射器，所述宽带反射器被布置来将第一传播模式例如顺时针传播模式下的发射耦合到与所述第一传播模式相反配置的第二传播模式例如逆时针传播模式。
5.根据前述权利要求中任一项所述的可调谐环形激光器，其中所述腔还包括被布置用于放大所述腔中的所述波的半导体光学放大器SOA。
6.根据权利要求5所述的可调谐环形激光器，其中所述SOA包括InGaAsP多量子阱基材料。
7.根据前述权利要求中任一项所述的可调谐环形激光器，其中所述波导中的任一个是蚀刻脊形波导，其中所述蚀刻脊形波导的横截面是垂直PIN二极管并且充当电折射调制器ERM。
8.根据前述权利要求中任一项所述的可调谐环形激光器，其中所述可调谐环形激光器是单片集成的InP可调谐环形激光器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的可调谐环形激光器，其中所述环形腔包括具有不同半径的两个环形谐振器。
10.一种用于发射激光束的激光器设备，其中所述激光器设备包括根据前述权利要求中任一项所述的可调谐环形激光器。
11.一种操作根据前述权利要求中任一项所述的可调谐环形激光器的方法，其中所述方法包括以下步骤：
-由所述一个或多个功率耦合器将波耦合进所述至少一个环形谐振器；
-由所述至少一个环形谐振器和所述相位调制器通过它们相应的波导引导波，
-向所述波导中的任一个的所述PIN二极管施加所述反向偏置电压，从而调谐所述可调谐环形激光器。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述环形腔包括两个环形谐振器。
13.根据权利要求11-12中任一项所述的方法，其中所述腔包括半导体光学放大器SOA，并且其中所述方法还包括以下步骤：
-由所述SOA放大所述腔中的所述波。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述SOA包括InGaAsP多量子阱基材料。
15.根据权利要求11-14中任一项所述的方法，其中所述环形激光器还包括宽带反射器，并且其中所述方法包括以下步骤：
-由所述宽带反射器将第一传播模式例如顺时针传播模式下的发射耦合到第二传播模式例如逆时针传播模式。
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