CN114937921A - 一种功率可调的窄线宽、宽波长调谐硅基外腔激光器 - Google Patents

一种功率可调的窄线宽、宽波长调谐硅基外腔激光器 Download PDF

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CN114937921A CN202210578716.4A CN202210578716A CN114937921A CN 114937921 A CN114937921 A CN 114937921A CN 202210578716 A CN202210578716 A CN 202210578716A CN 114937921 A CN114937921 A CN 114937921A
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Abstract

本发明公开了一种功率可调的窄线宽、宽波长调谐硅基外腔激光器，属于光电通信技术领域。包括光源和硅基外腔芯片，所述硅基外腔芯片包括耦合器、相位调制器、等效微环调制器与第三分束器。通过硅基衬底的SOI、SiN、SiON或SiO2材料工艺平台实现硅基外腔芯片的片上集成，达到机械性能佳、抗振性好，同时实现外腔激光器的小型化和低成本的技术效果；通过热调谐使得等效微环调制器结构和硅基微环调制器的自由光谱范围移动来选择波长，达到宽波长调谐范围的技术效果；通过等效微环调制器结构和硅基微环调制器输出高Q值，以达到窄线宽输出的技术效果。

Description

一种功率可调的窄线宽、宽波长调谐硅基外腔激光器
技术领域
本发明涉及光电通信技术领域，特别是一种功率可调的窄线宽、宽波长调谐硅基外腔激光器。
背景技术
近年来，随着相干光通信技术以及光电传感等技术的发展，高性能的可调谐激光器变得越来越不可或缺，对可调谐激光器提出了宽调谐范围、窄线宽、小体积、低成本等诸多特性指标要求。当前，能够满足上述特性要求的可调谐激光器技术方案主要分为单片集成型（内腔型）和外腔型两大类。
单片集成型（内腔型）指构成光腔的反射镜以及滤波结构与增益区间都集成在一块III-V族芯片上， 在III-V族芯片上常用的滤波以及反射结构为布拉格光栅。这种类型的激光器的集成工艺难度较大、反馈控制较为复杂导致成本非常高昂，而且内腔式窄线宽激光器的输出功率普遍较低，线宽较宽。
外腔型窄线宽激光器指反射镜以及滤波结构与增益介质分别为独立的部件，通过耦合封装的方式实现激光输出，当前市场上的外腔式窄线宽激光器输出线宽普遍小于内腔式激光器，另外，外腔式窄线宽激光器对于增益介质的工艺要求较低，仅依靠半导体光放大器芯片即可制作。
为解决上述问题，本发明申请提出的硅基外腔激光器可以将实现反射、滤波、调节波长的各器件都集成到硅基衬底上，可达到实现片上集成的窄线宽、宽波长调谐范围且不发生跳模现象的技术效果，在极大减小外腔激光器体积的同时，实现了宽调谐范围和窄线宽硅基外腔激光器。同时，由于采用集成芯片的方案，因此其机械性能佳，抗振性好。此外，硅基外腔激光器可以进一步实现与硅基光电芯片进行单片集成或其它芯片实现异质集成，大大提高系统的集成度，达到保护信息的目的。
发明内容
针对上述问题，提供一种功率可调的窄线宽、宽波长调谐硅基外腔激光器，包括光源和硅基外腔芯片，所述硅基外腔芯片包括耦合器、相位调制器、等效微环调制器与第三分束器。通过硅基衬底的SOI、SiN、SiON或SiO2材料工艺平台实现硅基外腔芯片的片上集成，达到机械性能佳、抗振性好，同时实现外腔激光器的小型化和低成本的技术效果；通过热调谐使得等效微环调制器结构和硅基微环调制器的自由光谱范围移动来选择波长，达到宽波长调谐范围的技术效果；通过等效微环调制器结构和硅基微环调制器输出高Q值，以达到窄线宽输出的技术效果。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是。
一种功率可调的窄线宽、宽波长调谐硅基外腔激光器，包括光源和硅基外腔芯片，所述硅基外腔芯片包括耦合器、相位调制器、等效微环调制器、硅基微环调制器和第三分束器；所述耦合器通过波导依次与相位调制器、等效微环调制器结构、硅基微环调制器和第三分束器相连；所述硅基微环调制器采用上下话路结构；所述第三分束器末端的两个输出端通过波导直接相连构成闭合萨格纳克反射器结构，所述第三分束器右侧输入端作为硅基外腔芯片输出端。
优选的，所述等效微环调制器结构包括马赫-曾德尔结构和第三相移器；所述马赫-曾德尔结构与第三相移器通过波导并联。
优选的，所述马赫-曾德尔结构包括第一分束器、第二分束器、上下两臂波导和相移器；所述上下臂波导至少有一臂与所述相移器相连；所述第一分束器两个输出端通过上下臂波导与对应相移器相连或通过波导直接相连，并最终与第二分束器两个输入端相连。
优选的，所述硅基外腔芯片采用硅基衬底的SOI、SiN、SiON或SiO2材料工艺平台。
优选的，所述光源采用半导体光放大器SOA时，对应所述耦合器采用模斑转换器；所述光源末端涂覆高反射层，以保证反射率至少≥90%；采用将所述光源内部靠近芯片端波导弯曲7~9°的方式，达到所述光源的输出光线方向与所述耦合器端面法线偏移7~9°，从而降低端面回波信号影响的技术效果。
优选的，所述光源采用激光二极管LD芯片时，采用将激光二极管LD芯片的激光输出方向与硅基外腔芯片输入方向偏转7~9°的方式来降低二者之间的端面反射影响；或采用在所述硅基外腔芯片上刻蚀偏转7~9°的耦合器方式，达到与激光二极管LD芯片的输出激光方向偏转7~9°，从而降低端面回波信号影响的技术效果。
优选的，所述光源采用垂直腔面发生激光器VCSEL时，对应所述耦合器采用光栅耦合器；所述光源与所述耦合器之间通过flip-chip形式键合。
优选的，所述第一分束器、第二分束器和第三分束器采用2X2多模干涉仪MMI结构或定向耦合器。
优选的，所述相位调制器、第一相移器、第二相移器和第三相移器均采用热光效应进行热调谐。
优选的，所述相位调制器用以微调光源输出信号纵模位置。
优选的，所述等效微环调制器结构和硅基微环调制器的自由光谱范围为：
Figure 574784DEST_PATH_IMAGE001
其中λ为硅基微环调制器的谐振波长，Δλ为硅基微环调制器的相邻谐振峰的波长间隔，ng为硅基微环调制器波导群折射率，L为微环长度；所述等效微环调制器结构和硅基微环调制器的半径相同或不同。
优选的，所述等效微环调制器结构和硅基微环调制器的游标效采用共振波长，并通过热调谐使得等效微环调制器结构和硅基微环调制器的自由光谱范围移动，用以选择波长；同时有：
Figure 972268DEST_PATH_IMAGE002
其中FSR 1和FSR 2分别为等效微环调制器结构和硅基微环调制器的自由光谱范围。
优选的，所述外腔激光器最大波长调谐范围取决于等效微环调制器结构和硅基微环调制器的自由光谱范围，使得光进入硅基微环滤波器的上下话路时，等效微环调制器结构和硅基微环调制器的Q值较高，以保证窄线宽输出。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果。
1.本发明通过硅基衬底的SOI、SiN、SiON或SiO2材料工艺平台实现硅基外腔芯片的片上集成，达到机械性能佳、抗振性好，同时实现外腔激光器的小型化和低成本且不发生跳模现象的技术效果。
2.本发明通过通过热调谐使得等效微环调制器结构和硅基微环调制器的自由光谱范围移动来选择波长，达到宽波长调谐范围的技术效果。
3. 本发明通过等效微环调制器结构和硅基微环调制器输出较高的Q值，以达到窄线宽输出的技术效果。
附图说明
以下对本发明优选实施例的制作和应用进行详细讨论。但应理解的是，本发明提供了许多可应用的发明构思，其可以体现在各种特定的环境中。所讨论的具体实施例仅是为了说明制造和使用本本发明的具体方式，并不限制本发明的范围，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本装置的结构示意图。
附图中，101-光源、200-硅基外腔芯片、201-耦合器、202-相位调制器、203-第一分束器、204-第一相移器、205-第二相移器、206-第三相移器、207-第二分束器、208-硅基微环调制器、209-第三分束器、210-等效微环调制器。
具体实施方式
以下对本发明优选实施例的制作和应用进行详细讨论。但应理解的是，本发明提供了许多可应用的发明构思，其可以体现在各种特定的环境中。所讨论的具体实施例仅是为了说明制造和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。
实施例1：
如图1所述的一种功率可调的窄线宽、宽波长调谐硅基外腔激光器，包括光源101和硅基外腔芯片200，所述硅基外腔芯片200包括耦合器201、相位调制器202、等效微环调制器210、硅基微环调制器208和第三分束器209；所述耦合器201通过波导依次与相位调制器202、等效微环调制器结构210、硅基微环调制器208和第三分束器209相连；所述硅基微环调制器208采用上下话路结构；所述第三分束器209末端的两个输出端通过波导直接相连构成闭合萨格纳克反射器结构，所述第三分束器209右侧输入端作为硅基外腔芯片200输出端。
所述光源101产生的激光通过耦合器201的输入端进入硅基外腔芯片200，所述激光依次通过相位调制器202、等效微环调制器结构210、硅基微环调制器208和第三分束器209后，进入第三分束器209的闭合萨格纳克反射器结构，经闭合萨格纳克反射器结构调制后通过第三分束器209的另一个输入端输出至硅基外腔芯片200外。
所述光源101产生的激光通过耦合器201的输入端耦合至硅基外腔芯片200内，所述激光依次经过相位调制器202和第一分束器203后，经第一分束器203的一个输入端口进入马赫-曾德尔结构，即激光信号经第一分束器203后，分别通过第一分束器203的两个输出端口，进入第一相移器204和第二相移器205，并通过波导全部输出汇入第二分束器207，此时部分激光信号通过第二分束器207的一个输出端口输出至硅基微环调制器208，另一部分激光信号经第二分束器207的另一输出端口输出至第三相移器206，并经过第三相移器206的调制后再次通过第一分束器203的另一个输入端进入马赫-曾德尔结构中，并将调制后的激光信号经第二分束器207输出至硅基微环调制器208，经硅基微环调制器208的调制后，经第三分束器209的一个输入端进入第三分束器209，并通过第三分束器209的两个输出端口进入闭合萨格纳克反射器内，并最终经第三分束器的另一个输入端口输出至硅基外腔芯片外。
所述光源101采用半导体光放大器SOA时，对应耦合器201选用模斑转换器；所述光源101用于产生普通类型的激光，即固定频率、宽线宽的激光。同时，通过在所述光源101末端涂覆高反射层，来保证反射率至少≥90%；通过将光源101内部靠近芯片端波导弯曲7~9°的方式，使得光源101的输出光线方向与所述耦合器201端面法线偏移7~9°，最终达到降低端面回波信号影响的技术效果；所述耦合器201使光源101产生的激光耦合进入波导，提高激光在不同介质间的耦合效率，使得激光顺利进入硅基外腔芯片200内部。
所述相位调制器202用以微调光源101输出信号纵模位置，所述相位调制器202采用热光效应进行热调谐。所述第一分束器203和第二分束器207采用2X2多模干涉仪MMI结构，主要将光束分成多路光，便于对光进行调制。
所述硅基外腔芯片200采用硅基衬底的SOI、SiN、SiON或SiO2材料工艺平台。
所述等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208均采用热光效应进行热调谐。
所述等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208的自由光谱范围为：
Figure 45397DEST_PATH_IMAGE003
其中λ为等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208的谐振波长，Δλ为等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208的相邻谐振峰的波长间隔，ng为等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208波导群折射率，L为微环长度；所述等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208的半径相同或不同。
此外，在具体实施过程中，利用等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208的游标效应选择共振波长，通过热调谐使得等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208的自由光谱范围移动，用以选择波长，同时有：
Figure 389791DEST_PATH_IMAGE004
其中FSR 1和FSR 2分别为等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208的自由光谱范围；可得所述最大波长调谐范围取决于等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208的自由光谱范围，使得光进入等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208的上下话路时，等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208的Q值较高，以保证窄线宽输出。
实施例2：
如图1所述的一种功率可调的窄线宽、宽波长调谐硅基外腔激光器，包括光源101和硅基外腔芯片200；所述硅基外腔芯片200包括耦合器201、相位调制器202、马赫-曾德尔结构与闭合萨格纳克反射器；所述耦合器201通过波导依次与相位调制器202、马赫-曾德尔结构相连；所述闭合萨格纳克反射器由所述第三分束器209末端的两个输出端通过波导直接相连构成构成；所述硅基外腔芯片200的输入端为耦合器201的输入端，所述硅基外腔芯片200输出端为第一分束器203的输出端；所述马赫-曾德尔结构包括第一分束器203、第二分束器207和上下臂波导。
所述光源101产生的激光通过耦合器201的输入端耦合至硅基外腔芯片200内，所述激光依次经过相位调制器202和第一分束器203后，经第一分束器203的一个输入端口进入马赫-曾德尔结构，即激光信号经第一分束器203后，分别通过第一分束器203的两个输出端口，进入第一相移器204和第二相移器205，并通过波导全部输出汇入第二分束器207，此时部分激光信号通过第二分束器207的一个输出端口输出至硅基微环调制器208，另一部分激光信号经第二分束器207的另一输出端口输出至第三相移器206，并经过第三相移器206的调制后再次通过第一分束器203的另一个输入端进入马赫-曾德尔结构中，并将调制后的激光信号经第二分束器207输出至硅基微环调制器208，经硅基微环调制器208的调制后，经第三分束器209的一个输入端进入第三分束器209，并通过第三分束器209的两个输出端口进入闭合萨格纳克反射器内，并最终经第三分束器209的另一个输入端口输出至硅基外腔芯片200外。
所述光源101采用激光二极管LD芯片时，采用将激光二极管LD芯片的激光输出方向与硅基外腔芯片200输入方向偏转7~9°的方式来降低二者之间的端面反射影响；或采用在所述硅基外腔芯片200上刻蚀偏转7~9°的耦合器201方式，达到与激光二极管LD芯片的输出激光方向偏转7~9°，从而降低端面回波信号影响。
所述相位调制器202用以微调光源输出信号纵模位置，所述相位调制器202采用热光效应进行热调谐。
所述第一分束器203和第二分束器207采用2X2多模干涉仪MMI结构，主要将光束分成多路光，便于对光进行调制。
所述硅基外腔芯片200采用硅基衬底的SOI、SiN、SiON或SiO2材料工艺平台。
所述等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208均采用热光效应进行热调谐。
所述等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208的自由光谱范围为：
Figure 91031DEST_PATH_IMAGE001
其中λ为等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208的谐振波长，Δλ为等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208的相邻谐振峰的波长间隔，ng为等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208的波导群折射率，L为微环长度；所述等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208的半径相同或不同。
此外，在具体实施过程中，利用等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208的游标效应选择共振波长，通过热调谐使得等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208的自由光谱范围移动，用以选择波长，同时有：
Figure 456153DEST_PATH_IMAGE002
其中FSR 1和FSR 2分别为等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208的自由光谱范围；可得所述最大波长调谐范围取决于等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208的自由光谱范围，使得光进入等效微环调制器结构210和硅基微环调制器208的上下话路时，硅基微环调制器的Q值较高，以保证窄线宽输出。
实施例3：
当光源101采用垂直腔面发生激光器VCSEL时，对应所述耦合器201选用光栅耦合器；所述光源101与所述耦合器201之间通过flip-chip形式键合。除了光源与耦合器201的选用区别外，其他形状、构造均相同。
尽管说明书已经作了详细描述，但是应该理解的是，在不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出多种改变、替换和变更。此外，所描述的具体实施例并不用于限定本发明的范围，本领域普通技术人员基于本发明能够容易理解，当前存在的或以后待开发的处理、机器、制造、物质组成、手段、方法、或者步骤可执行与本发明实施例实质相同的功能或获得实质相同的结果。因此，所附权利要求旨在将此类过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括在其范围内。

Claims (10)

1.一种功率可调的窄线宽、宽波长调谐硅基外腔激光器，其特征在于：包括光源和硅基外腔芯片，所述硅基外腔芯片包括耦合器、相位调制器、等效微环调制器、硅基微环调制器和第三分束器；所述耦合器通过波导依次与相位调制器、等效微环调制器结构、硅基微环调制器和第三分束器相连；所述硅基微环调制器采用上下话路结构；所述第三分束器末端的两个输出端通过波导直接相连构成闭合萨格纳克反射器结构，所述第三分束器右侧输入端作为硅基外腔芯片输出端。
2.如权利要求1所述的一种功率可调的窄线宽、宽波长调谐硅基外腔激光器，其特征在于：所述等效微环调制器结构包括马赫-曾德尔结构和第三相移器；所述马赫-曾德尔结构与第三相移器通过波导并联。
3.如权利要求2所述的一种功率可调的窄线宽、宽波长调谐硅基外腔激光器，其特征在于：所述马赫-曾德尔结构包括第一分束器、第二分束器、上下两臂波导和相移器；所述上下臂波导至少有一臂与所述相移器相连；所述第一分束器两个输出端通过上下臂波导与对应相移器相连或通过波导直接相连，并最终与第二分束器两个输入端相连。
4.如权利要求1所述的一种功率可调的窄线宽、宽波长调谐硅基外腔激光器，其特征在于：所述硅基外腔芯片采用硅基衬底的SOI、SiN、SiON或SiO2材料工艺平台。
5.如权利要求1所述的一种功率可调的窄线宽、宽波长调谐硅基外腔激光器，其特征在于：所述光源采用半导体光放大器SOA时，对应所述耦合器采用模斑转换器；所述光源末端涂覆高反射层，以保证反射率至少≥90%；采用将所述光源内部靠近芯片端波导弯曲7~9°的方式，达到所述光源的输出光线方向与所述耦合器端面法线偏移7~9°，从而降低端面回波信号影响的技术效果。
6.如权利要求5所述的一种功率可调的窄线宽、宽波长调谐硅基外腔激光器，其特征在于：所述光源采用激光二极管LD芯片时，采用将激光二极管LD芯片的激光输出方向与硅基外腔芯片输入方向偏转7~9°的方式来降低二者之间的端面反射影响；或采用在所述硅基外腔芯片上刻蚀偏转7~9°的耦合器方式，达到与激光二极管LD芯片的输出激光方向偏转7~9°，从而降低端面回波信号影响的技术效果。
7.如权利要求6所述的一种功率可调的窄线宽、宽波长调谐硅基外腔激光器，其特征在于：所述光源采用垂直腔面发生激光器VCSEL时，对应所述耦合器采用光栅耦合器；所述光源与所述耦合器之间通过flip-chip形式键合。
8.如权利要求3所述的一种功率可调的窄线宽、宽波长调谐硅基外腔激光器，其特征在于：所述第一分束器、第二分束器和第三分束器采用2X2多模干涉仪MMI结构或定向耦合器；所述相位调制器、第一相移器、第二相移器和第三相移器均采用热光效应进行热调谐；所述相位调制器用以微调光源输出信号纵模位置。
9.如权利要求2所述的一种功率可调的窄线宽、宽波长调谐硅基外腔激光器，其特征在于：所述等效微环调制器结构和硅基微环调制器的自由光谱范围为：
Figure RE-341667DEST_PATH_IMAGE001
其中λ为硅基微环调制器的谐振波长，Δλ为硅基微环调制器的相邻谐振峰的波长间隔，ng为硅基微环调制器波导群折射率，L为微环长度；所述等效微环调制器结构和硅基微环调制器的半径相同或不同。
10.如权利要求9所述的一种功率可调的窄线宽、宽波长调谐硅基外腔激光器，其特征在于：所述等效微环调制器结构和硅基微环调制器的游标效采用共振波长，并通过热调谐使得等效微环调制器结构和硅基微环调制器的自由光谱范围移动，用以选择波长；同时有：
Figure RE-144292DEST_PATH_IMAGE002
其中FSR 1和FSR 2分别为硅基微环调制器和等效微环调制器结构的自由光谱范围；所述外腔激光器最大波长调谐范围取决于等效微环调制器结构和硅基微环调制器的自由光谱范围，使得光进入硅基微环滤波器的上下话路时，硅基微环调制器的Q值较高，以保证窄线宽输出。
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