CN114361924B - 一种多波长环形激光器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波长环形激光器芯片，包括芯片基底、芯片下包层、无源波导芯层及有源波导芯层；利用阵列波导光栅可进行周期性波长选择的功能，将其与多个有源波导放大器和可调谐滤波器进行单片集成，从而得到相应的多波长且波长可调光源，该方案可以在没有复杂波长控制的情况下产生稳定且同步的多波长振荡；该多波长激光器芯片不仅满足波分复用通信波段波长要求，更大的优势在于其集成度高、体积小、且波长可调谐，具有较高的可靠性和环境适应性。

Description

一种多波长环形激光器芯片

技术领域

本发明涉及波分复用通信多波长光源技术领域，尤其涉及一种多波长环形激光器芯片。

背景技术

波分复用光纤通信系统将光波分复用技术与光纤通信有机结合起来，在信号传输同时提升通信容量，解决了光纤通信利用率不高的问题。在波分复用通信系统中，多波长光源是其中一个很重要的部分，特别是具有波长间隔相等、功率平坦的多波长光源。目前通信系统上普通使用的光源是利用半导体分布反馈激光器阵列，然后把不同激光器的输出波长耦合到同一光纤形成了一个多波长光源，这就限制了每个波长的输出功率，而且，每个波长具有各自独立的增益介质，不容易实现调谐，温度稳定性差，成本高，不易集成，所以能辐射多个波长，同时满足波分复用通信波段要求的光源的具有重要意义。

铌酸锂晶体具有宽的光学透明窗口(0.35～5um)，高的非线性系数、高的折射率和大的电光效应等一系列优点，又得益于绝缘体上铌酸锂薄膜的产业化，使其已经成为光子芯片衬底材料的重要候选者，因此被称为“光子学中的硅”。近年来，铌酸锂薄膜以其突出的优势成为光电子集成领域的热点研究对象。铌酸锂单晶薄膜可以保留铌酸锂晶体本身优良的性能，在高集成度光学器件领域具有宽广的应用前景。另一方面掺杂铒离子的铌酸锂薄膜兼具有源掺杂和优异的非线性光学性质这两大优势，可用于有源波导器件的加工，为光传输提供增益，有利于光路系统的大规模集成。铌酸锂薄膜的片上集成倍频器、调制器、滤波器、无源有源光波导已研制成功，但片上集成通信波段光源仍急需研究。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出一种多波长环形激光器芯片，具有可调谐、高集成度、高可靠性的优点。

一种多波长环形激光器芯片，一种多波长环形激光器芯片，包括芯片基底，所述芯片基底的上表面依次设有芯片下包层和芯片上包层，所述芯片下包层和芯片上包层之间设有芯层，所述芯层的一侧设有至少两个泵浦光输入端口，每个所述泵浦光输入端口连通Y分支型合波器的输入端，所述Y分支型合波器的输出端连通波导光放大器的输入端，所述波导光放大器的输出端连通复用阵列波导光栅的输入端，所述复用阵列波导光栅的输出端连通可调谐滤波器的输入端，所述可调谐滤波器的输出端连通定向耦合器的输入端，所述定向耦合器的输出端分别连通解复用阵列波导光栅的输入端和无源光传输波导，所述解复用阵列波导光栅的输出端连通所述Y分支型合波器的输入端，所述无源光传输波导连通所述多波长激光器光输出端口。

优选地，所述芯层由有源波导芯层和无源波导芯层拼接而成，所述波导光放大器设置在所述有源波导芯层上，所述泵浦光输入端口、Y分支型合波器、复用阵列波导光栅、可调谐滤波器、定向耦合器、解复用阵列波导光栅、无源光传输波导和多波长激光器光输出端口均设置在所述无源波导芯层上。

优选地，所述有源波导芯层的材质为掺铒铌酸锂单晶薄膜，所述无源波导芯层的材质为铌酸锂单晶薄膜。掺铒铌酸锂单晶薄膜和铌酸锂单晶薄膜的厚度为500-900nm。

优选地，所述可调谐滤波器包括与所述无源光传输波导垂直间隔设置的若干相移布拉格光栅，两个所述相移布拉格光栅之间且位于所述无源光传输波导的两侧均设有金属电极。

优选地，所述Y分支型合波器包括第一分支波导、第二分支波导和基波导，所述第一分支波导和第二分支波导将接收到的光波合波输入至所述基波导。

优选地，所述复用阵列波导光栅的一端设有复用阵列波导光栅合波端口、另一端设有复用阵列波导光栅分波端口，所述复用阵列波导光栅分波端口用于接收至少两种光波，所述复用阵列波导光栅合波端口将所述复用阵列波导光栅分波端口接收到的至少两种光波合波输出。

优选地，所述解复用阵列波导光栅的一端设有解复用阵列波导光栅合波端口、另一端设有解复用阵列波导光栅分波端口，所述解复用阵列波导光栅合波端口用于接收光波，所述解复用阵列波导光栅分波端口用于将所述解复用阵列波导光栅合波端口接收的光波分波输出。

优选地，所述芯片基底的材质为铌酸锂或硅，所述芯片下包层和所述芯片上包层的材质为二氧化硅。

本发明中的有益效果：

本发明专利提出了一种多波长环形激光器芯片，包括芯片基底、芯片下包层、无源波导芯层及有源波导芯层；利用阵列波导光栅可进行周期性波长选择的功能，将其与多个有源波导放大器和可调谐滤波器进行单片集成，从而得到相应的多波长且波长可调光源，该方案可以在没有复杂波长控制的情况下产生稳定且同步的多波长振荡；该多波长激光器芯片不仅满足波分复用通信波段波长要求，更大的优势在于其集成度高、体积小、且波长可调谐，具有较高的可靠性和环境适应性。

本发明提出的一种多波长环形激光器芯片充分利用铌酸锂材质本身优良的非线性效应及掺杂铒离子的光学增益特性，基于铌酸锂单晶薄膜平台制备多波长环形激光器芯片，制作工艺具有CMOS工艺兼容性，易于与其他光子器件例如调制器、放大器、电光开关等进行单片集成，方便制造，在高集成度光器件及系统中具有很大的应用潜力；利用掺杂铒离子铌酸锂单晶薄膜吸收谱恰好处于光纤通信的“窗口”，通过一定长度的掺铒铌酸锂单晶薄膜光波导构成波导光放大器，解决片上光信号放大问题，有利于实现光子回路的大规模集成。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为一种多波长环形激光器芯片的整体示意图；

图2为芯层结构示意图；

图3为可调谐滤波器的结构示意图；

图4为图3的A-A截面的结构示意图；

图5为图3的B-B截面的结构示意图；

图6为Y分支型合波器的结构示意图；

图7为波导光放大器的结构示意图；

图8为图7的C-C截面的结构示意图；

图9为本发明工作原理示意图；

图10为经复用阵列波导光栅滤波选择后的特定光谱；

图11为经复用阵列波导光栅合波口输出的光谱；

图12为经过可调谐滤波器选择所需的一组光谱。

图中：1-芯片基层、2-芯片下包层、3-芯层、31-有源波导芯层、32-无源波导芯层、4-芯片上包层、5-泵浦光输入端口、6-Y分支型合波器、61-第一分支波导、62-第二分支波导、63-基波导、7-波导光放大器、71-有源直波导、72-有源圆弧波导、8-复用阵列波导光栅、81-复用阵列波导光栅合波端口、82-复用阵列波导光栅分波端口、9-可调谐滤波器、91-相移布拉格光栅、92-金属电极、10-定向耦合器、11-解复用阵列波导光栅、111-解复用阵列波导光栅合波端口、112-解复用阵列波导光栅分波端口、12-无源光传输波导、13-多波长激光器光输出端口、14-光纤阵列支座、15-光纤。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。

参照图1-9，一种多波长环形激光器芯片，包括芯片基底1，芯片基底1的上表面依次设有芯片下包层2和芯片上包层4，芯片下包层2和芯片上包层4之间设有芯层3，芯层3由有源波导芯层31和无源波导芯层32拼接而成，有源波导芯层31的材质为掺铒铌酸锂单晶薄膜，无源波导芯层32的材质为铌酸锂单晶薄膜。掺铒铌酸锂单晶薄膜和铌酸锂单晶薄膜的厚度为700nm。芯片基底1的材质为铌酸锂或硅，芯片下包层2和芯片上包层4的材质为二氧化硅。

有源波导芯层31上设有波导光放大器7，可以对接收到的光波起到增益的效果；无源波导芯层32上设有泵浦光输入端口5、Y分支型合波器6、复用阵列波导光栅8、可调谐滤波器9、定向耦合器10、解复用阵列波导光栅11、无源光传输波导12和多波长激光器光输出端口13。

波导光放大器7由直弯螺旋型光波导构成，其基本单元为有源直波导71和有源圆弧波导72，波导类型为脊形光波导，脊形光波导为平板波导上设置脊高。

Y分支型合波器6包括第一分支波导61、第二分支波导62和基波导63，第一分支波导61和第二分支波导62将接收到的光波合波输入至基波导63。

复用阵列波导光栅8的一端设有复用阵列波导光栅合波端口81、另一端设有复用阵列波导光栅分波端口82，复用阵列波导光栅分波端口82用于接收多种光波，复用阵列波导光栅合波端口81将复用阵列波导光栅分波端口82接收到的多种光波合波输出。

解复用阵列波导光栅11的一端设有解复用阵列波导光栅合波端口111、另一端设有解复用阵列波导光栅分波端口112，解复用阵列波导光栅合波端口111用于接收光波，解复用阵列波导光栅分波端口112用于将解复用阵列波导光栅合波端口111接收的光波分波输出。

在无源波导芯层32上的各元器件之间的光源传输通道均为无源光波导波，导类型也为脊形光波导。脊形光波导中光场绝大部分能量集中在平板区，受波导侧壁粗糙度影响较小，因此在进行工艺加工时受工艺误差影响小，脊形波导光传输损耗低；另外脊形波导可以通过刻蚀较小的深度来获得较大的模场尺寸，利于与输入输出光纤进行低损耦合。

波导光放大器7的作用是产生宽带的自发辐射光谱和实现对特定波长光波的功率放大。

复用阵列波导光栅8的作用是实现周期性波长选择和将多波长复用到同一根波导传输。

可调谐滤波器9的作用是选择所需的一组多波长光谱，同时保证后续进入每一个通道波导光放大器只有一种振荡模式，避免出现模式竞争。

定向耦合器10的作用是实现多波长光谱3dB分束，一部分进入后续环路以保证稳定的多波长振荡，另一部分光直接输出供应用。

本实施例中，在有源波导芯层31的一侧设有四个泵浦光输入端口5，每个泵浦光输入端口5连通与Y分支型合波器6的第一分支波导61连通，Y分支型合波器6的基波导63连通波导光放大器7的输入端，波导光放大器7的输出端连通复用阵列波导光栅8的复用阵列波导光栅分波端口82，复用阵列波导光栅8的复用阵列波导光栅合波端口81连通可调谐滤波器9的输入端，可调谐滤波器9的输出端连通定向耦合器10的输入端a，定向耦合器10的输出端b连通解复用阵列波导光栅11的解复用阵列波导光栅合波端口111，解复用阵列波导光栅11的解复用阵列波导光栅分波端口112连通Y分支型合波器6的第二分支波导62；定向耦合器10的输出端c连通无源光传输波导12，无源光传输波导12连通多波长激光器光输出端口13。

可调谐滤波器9包括与无源光传输波导12垂直间隔设置的若干相移布拉格光栅91，两个相移布拉格光栅91之间且位于无源光传输波导12的两侧均设有金属电极92。相移布拉格光栅91通过在布拉格光栅的某些点破坏其周期性，使其折射率分布出现多个相移改变量如图3所示的(φ₁、φ₂、φ₃、φ₄)，其表达式为φ＝4πn_effL'/λ，n_eff为波导有效折射率，λ为空间光波长，L'为光栅段之间无栅区波导的长度；相移改变量是由波导引起的相对相移，是波长的函数；利用铌酸锂薄膜线性电光效应，通过金属电极92加电改变无区栅波导有效折射率，实现相移量的调谐，进而实现调谐滤波的功能。

工作原理：

如图9所示，四波长环形激光器芯片工作整体结构，由一对具有相同波长路由特性的阵列波导光栅组成，主要实现复用和解复用功能，采用1×N型阵列波导光栅结构即合波口信道数为1，分波口信道数N＝4，该结构优势在于靠近滤波效应边缘的相邻自由光谱范围(FSR)的振荡模式之间存在适当的保护带宽，使得这些振荡模式增长避开模式竞争；激光器芯片与光纤阵列支座14粘接耦合，将光纤15与泵浦光输入端口5连通，实现泵浦光输入及多波长光输出。

外部泵浦激光器发出的光λ_pump通过泵浦光输入端口5经Y分支型合波器6输入波导放大器7，经波导光放大器7后产生宽带自发辐射信号谱λ_ASE输入复用阵列波导光栅8，只有四组特定周期性的光谱(λ₁₁λ₁₂λ₁₃…λ₂₁λ₂₂λ₂₃…λ₃₁λ₃₂λ₃₃…λ₄₁λ₄₂λ₄₃…)如图10所示，能够经复用阵列波导光栅8输出，每个端口波长间隔为阵列波导光栅的自由光谱范围(FSR)，合波口输出光谱如图11所示；

该合波信号光谱依次进入可调谐滤波器9，经过可调谐滤波器9选择所需的一组光谱(λ₁₁λ₂₁λ₃₁λ₄₁)进行输出如图12所示，这保证后续进入每个通道波导光放大器只有一种振荡模式，避免出现模式竞争，从而保证稳定的多波长振荡；

得到所需光谱组后一部分经定向耦合器10端口b被解复用阵列波导光栅11进行解复用操作形成多个信道光输出，从不同信道输出的光信号再经过对应的波导光放大器7进行放大，重复上述过程，产生稳定的四波长激光输出，经定向耦合器10端口c输出经过无源光传输波导12至多波长激光器光输出端口13。

本实施例以四波长环形激光器结构阐述了发明工作原理，应被理解为本发明的保护范围不局限于这种特定数的实施例，本发明可以通过增加通道数来实现任意数波长激光输出。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多波长环形激光器芯片，包括芯片基底（1），所述芯片基底（1）的上表面依次设有芯片下包层（2）和芯片上包层（4），所述芯片下包层（2）和芯片上包层（4）之间设有芯层（3），其特征在于，所述芯层（3）的一侧设有至少两个泵浦光输入端口（5），每个所述泵浦光输入端口（5）连通Y分支型合波器（6）的输入端，所述Y分支型合波器（6）的输出端连通波导光放大器（7）的输入端，所述波导光放大器（7）的输出端连通复用阵列波导光栅（8）的输入端，所述复用阵列波导光栅（8）的输出端连通可调谐滤波器（9）的输入端，所述可调谐滤波器（9）的输出端连通定向耦合器（10）的输入端，所述定向耦合器（10）的输出端分别连通解复用阵列波导光栅（11）的输入端和无源光传输波导（12），所述解复用阵列波导光栅（11）的输出端连通所述Y分支型合波器（6）的输入端，所述无源光传输波导（12）连通所述多波长激光器光输出端口（13）；

所述芯层（3）由有源波导芯层（31）和无源波导芯层（32）拼接而成，所述波导光放大器（7）设置在所述有源波导芯层（31）上，所述泵浦光输入端口（5）、Y分支型合波器（6）、复用阵列波导光栅（8）、可调谐滤波器（9）、定向耦合器（10）、解复用阵列波导光栅（11）、无源光传输波导（12）和多波长激光器光输出端口（13）均设置在所述无源波导芯层（32）上；

所述有源波导芯层（31）的材质为掺铒铌酸锂单晶薄膜，所述无源波导芯层（32）的材质为铌酸锂单晶薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种多波长环形激光器芯片，其特征在于，所述可调谐滤波器（9）包括与所述无源光传输波导（12）垂直间隔设置的若干相移布拉格光栅（91），两个所述相移布拉格光栅（91）之间且位于所述无源光传输波导（12）的两侧均设有金属电极（92）。

3.根据权利要求1所述的一种多波长环形激光器芯片，其特征在于，所述Y分支型合波器（6）包括第一分支波导（61）、第二分支波导（62）和基波导（63），所述第一分支波导（61）和第二分支波导（62）将接收到的光波合波输入至所述基波导（63）。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种多波长环形激光器芯片，其特征在于，所述复用阵列波导光栅（8）的一端设有复用阵列波导光栅合波端口（81）、另一端设有复用阵列波导光栅分波端口（82），所述复用阵列波导光栅分波端口（82）用于接收至少两种光波，所述复用阵列波导光栅合波端口（81）将所述复用阵列波导光栅分波端口（82）接收到的至少两种光波合波输出。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种多波长环形激光器芯片，其特征在于，所述解复用阵列波导光栅（11）的一端设有解复用阵列波导光栅合波端口（111）、另一端设有解复用阵列波导光栅分波端口（112），所述解复用阵列波导光栅合波端口（111）用于接收光波，所述解复用阵列波导光栅分波端口（112）用于将所述解复用阵列波导光栅合波端口（111）接收的光波分波输出。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种多波长环形激光器芯片，其特征在于，所述芯片基底（1）的材质为铌酸锂或硅，所述芯片下包层（2）和所述芯片上包层（4）的材质为二氧化硅。