CN116093739A - 一种基于马赫曾德干涉仪的混合集成外腔可调激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于马赫曾德干涉仪的混合集成外腔可调激光器，包括：光波导芯片及半导体增益管芯；光波导芯片包括：阵列波导反射组件以及粗调滤波器；粗调滤波器包括由若干呈多级次连接的马赫曾德干涉仪构成的级联网络。通过基于马赫曾德干涉仪的级联网络实现波长的粗调，同时通过调节阵列波导反射组件实现波长的精细调谐，具有体积小、插损小、调谐范围宽、线宽窄、方便扩展规模等优点。

Description

一种基于马赫曾德干涉仪的混合集成外腔可调激光器
技术领域
本发明涉及光通信及激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于马赫曾德干涉仪的混合集成外腔可调激光器。
背景技术
硅基外腔激光器主要有外延生长、异质集成、硅基混合集成三种方案。外延生长是指在硅基芯片上外延生长增益管芯，由于不同材料的匹配问题，生长缺陷多，难度很大，还处于研究阶段。硅基异质集成是指将增益管芯直接键合在硅基芯片上，集成度高，但是需要特殊的芯片设计和工艺条件，工艺复杂，故障率高。硅基混合集成是指将增益管芯与硅光芯片耦合，封装工艺成熟，成品率高。现有的硅基混合集成激光器主要采用级联微环的方案，高Q值的微环能减小滤波器的谱宽，减小激光器的线宽，但是环中的能量也很高，硅材料的双光子吸收限制了其出光功率。而基于阵列波导光栅等滤波器的硅基混合集成激光器插损大，不利于器件的小型化，且调谐范围较小。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于马赫曾德干涉仪的混合集成外腔可调激光器。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种基于马赫曾德干涉仪的混合集成外腔可调激光器，包括：光波导芯片；所述光波导芯片包括：粗调滤波器以及阵列波导反射组件；
所述粗调滤波器包括：级联网络，且所述级联网络由若干呈多级次连接的马赫曾德干涉仪构成，所述马赫曾德干涉仪其中一个臂上设置用于调节干涉仪滤波光谱的相位调节元件，另一个臂上形成用于决定干涉仪自由光谱范围的两臂长度差；
所述阵列波导反射组件包括：设置于所述级联网络各波长通道输出端的用于调整谐振腔相位的相移器以及用于在各波长通道内进行波长调节的细调滤波器。
其中，所述呈多级次连接是指，位于当前级次的马赫曾德干涉仪的两个输出端分别与位于较高一级次的两个相邻马赫曾德干涉仪的其中一个输入端连接，马赫曾德干涉仪的另一个输入端为终结端口。
进一步的，所述的一种基于马赫曾德干涉仪的混合集成外腔可调激光器，还包括：半导体增益管芯；所述半导体增益管芯与所述光波导芯片通过耦合器耦合。
其中，所述级联网络将所述阵列波导反射组件的光导通至所述半导体增益管芯；所述半导体增益管芯的前端面镀有反射膜，且所述反射膜与所述级联网络及所述阵列波导反射组件构成所述谐振腔。
进一步的，所述细调滤波器包括：布拉格光栅以及与所述布拉格光栅对应的加热元件。
进一步的，相邻所述加热元件之间设置热隔离槽。
进一步的，所述粗调滤波器还包括：微环以及该微环的加热器，所述微环设置于所述级联网络中位于最低级次的马赫曾德干涉仪其中一个输入端上，且该输入端上还设置有激光器的两个输出端口。
进一步的，所述半导体增益管芯的后端面与所述光波导芯片耦合且镀有抗反膜。
本发明所带来的有益效果：通过基于马赫曾德干涉仪的级联网络实现波长的粗调，同时通过调节阵列波导反射组件实现波长的精细调谐，具有体积小、插损小、调谐范围宽、线宽窄、方便扩展规模等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明混合集成外腔可调激光器的结构框图；
图2为本发明级联网络的结构示意图；
图3为当调节图2中的第一马赫曾德干涉仪、第二马赫曾德干涉仪、第四马赫曾德干涉仪的相移区相位，使波长从第一输出端口输出时三个马赫曾德干涉仪的上端输出端口的光谱特性；
图4为本发明混合集成外腔可调激光器在其中一实施例中的结构示意图；
图5为本发明混合集成外腔可调激光器在另一实施例中的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在一些说明性的实施例中，如图1-5所示，本发明提供一种基于马赫曾德干涉仪的混合集成外腔可调激光器，具体地说是一种采用半导体增益管芯与硅基光波导器件芯片混合集成的外腔可调谐激光器实现技术方案，该激光器包括：半导体增益管芯1及光波导芯片2。
如图1、4、5所示，半导体增益管芯1与光波导芯片2通过耦合器3耦合，以构成本发明的混合集成外腔可调激光器。半导体增益管芯1的前端面101镀有反射膜，根据出光需求调整其反射率。半导体增益管芯1的后端面102与光波导芯片2耦合，且后端面102采用弯曲波导并加镀有抗反膜，以减小激光器内部的反射。
光波导芯片2包括：粗调滤波器4、阵列波导反射组件5。
粗调滤波器4包括：级联网络。级联网络由若干呈多级次连接的马赫曾德干涉仪构成。其中，呈多级次连接是指，位于当前级次的马赫曾德干涉仪的两个输出端分别与位于较高一级次的两个相邻马赫曾德干涉仪的其中一个输入端连接，马赫曾德干涉仪的另一个输入端为终结端口208。
级联网络中的马赫曾德干涉仪其中一个臂上设置相位调节元件210，相位调节元件210通过改变邻近波导的折射率调节马赫曾德干涉仪的滤波光谱，折射率改变通过集成的加热器实现。马赫曾德干涉仪另一个臂上形成干涉仪两臂的长度差，决定马赫曾德干涉仪的自由光谱范围。可通过调整级联网络中的相位调节元件210的参数，选择特定的波长通道。
在一些说明性的实施例中，如图2所示，以三级马赫曾德干涉仪进行说明，并将级联网络中各个马赫曾德干涉仪分别记为位于第一级的第一马赫曾德干涉仪201；位于第二级的第二马赫曾德干涉仪202与第三马赫曾德干涉仪203；位于第三级的第四马赫曾德干涉仪204、第五马赫曾德干涉仪205、第六马赫曾德干涉仪206以及第七马赫曾德干涉仪207。
其中，位于第二级中的第二马赫曾德干涉仪202的两个输出端分别与位于第三级中的第四马赫曾德干涉仪204、第五马赫曾德干涉仪205的其中一个输入端连接，第四马赫曾德干涉仪204与第五马赫曾德干涉仪205的另一个输入端为终结端口208，终结端口208可使用掺杂或螺旋等方式实现。上述是以第二马赫曾德干涉仪202为例说明级联网络的结构构成，级联网络中的其他马赫曾德干涉仪采用相同的连接方式进行级联，最终形成具有一个输入端口211，多个输出端口的级联网络。其中，输出端口分别为第一输出端口至第八输出端口，分别标记为212-1、212-2、212-3、212-4、212-5、212-6、212-7、212-8。
马赫曾德干涉仪其中一个臂上设置相位调节元件210，可通过热调或者电调等方式实现，另一个臂上形成干涉仪两臂的长度差。
本实施例中，处于第一级的第一马赫曾德干涉仪的两臂长度差209-1为L＝100um，对应的自由光谱范围为12nm。处于第二级的第二马赫曾德干涉仪的两臂长度差209-2以及第三马赫曾德干涉仪的两臂长度差209-3均为L/2＝50um，对应的自由光谱范围为24nm；处于第三级的第四马赫曾德干涉仪的两臂长度差209-4、第五马赫曾德干涉仪的两臂长度差209-5、第六马赫曾德干涉仪的两臂长度差209-6、第七马赫曾德干涉仪的两臂长度差209-7均为L/4＝25um，对应的自由光谱范围为48nm。
如图3所示，分别展示了第一马赫曾德干涉仪201、第二马赫曾德干涉仪202、第四马赫曾德干涉仪204的上端输出端口的光谱特性。其中，波长λ1-λ8为6nm等波长间隔的8个波长点，宽谱光从输入端口211进入级联网络。
通过调节第一马赫曾德干涉仪201上的相位调节元件210，使波长λ1、λ3、λ5、λ7从第一马赫曾德干涉仪201的上端输出端口输出，同时波长λ2、λ4、λ6、λ8从第一马赫曾德干涉仪201的下端输出端口输出。
通过调节第二马赫曾德干涉仪202上的相位调节元件210，使波长λ1、λ5从第二马赫曾德干涉仪202的上端输出端口输出，波长λ3、λ7从第二马赫曾德干涉仪202的下端输出端口输出。
通过调节第四马赫曾德干涉仪204上的相位调节元件210，使波长λ1从第四马赫曾德干涉仪204上端输出端口，即第一输出端口212-1输出，波长λ5从第四马赫曾德干涉仪204下端输出端口，即第二输出端口212-2输出。通过设定第五马赫曾德干涉仪205上的相位调节元件210，可以使波长λ3、λ7分别从第三输出端口212-3、第四输出端口212-4输出。
类似地，通过设定第三马赫曾德干涉仪203上的相位调节元件210，使波长λ2、λ6从第三马赫曾德干涉仪203的上端输出端口输出，波长λ4、λ8从第三马赫曾德干涉仪203的下端输出端口输出；通过设定第六马赫曾德干涉仪206上的相位调节元件210，使波长λ2从第五输出端口212-5输出，波长λ6从第六输出端口212-6输出；通过设定第七马赫曾德干涉仪207上的相位调节元件210，使波长λ4从第七输出端口212-7输出，波长λ8从第八输出端口212-8输出。
综上，级联网络通过设定网络参数改变粗调滤波器4的光谱特性，即通过设定各干涉仪两臂的长度差以及调节各干涉仪上的相位调节元件210，进行特定波长通道的选择。通过基于马赫曾德干涉仪的级联网络实现波长通道的选择和波长的调节，具有体积小、插损小、集成度高且易于扩展规模的优点。
级联网络将阵列波导反射组件5的光导通至半导体增益管芯1，前端面101的反射膜与级联网络及阵列波导反射组件5构成激光器的谐振腔。
在一些说明性的实施例中，如图4所示，阵列波导反射组件5由多个可调谐器件组成，可调谐器件包括：相移器6、细调滤波器7。
相移器6用于调整激光器谐振腔的相位；细调滤波器7用于在各波长通道内进行波长调节；相移器6与细调滤波器7均设置于级联网络各波长通道的输出端。各波长通道内的各细调滤波器7组成滤波器阵列，每一个细调滤波器7对应特定范围内激射波长，可通过集成的加热器实现滤波器中心波长的调节。
本实施例中，细调滤波器7包括：布拉格光栅701以及与布拉格光栅701对应的加热元件702。8个周期不同的布拉格光栅701组成布拉格光栅反射阵列，其初始设计中心波长分别对应λ1'～λ8'，λ1'＝1523nm，λ8'＝1565nm，相邻波长间隔为6nm。加热元件702与布拉格光栅701一一对应，可以使用金属或者掺杂波导实现。为减小热串扰，相邻加热元件702之间使用热隔离槽。
下面以第一通道为例说明激光器的工作原理：
当需要的激射波长λ'在1524nm～1530nm范围内时，通过调节第一马赫曾德干涉仪201、第二马赫曾德干涉仪202、第四马赫曾德干涉仪204上的相位调节元件210，使得波长λ'在第一输出端口212-1透射最大，同时调节第一通道对应的布拉格光栅701的加热元件702，使得其中心波长为λ'，此时波长λ'激射。而其他通道由于相应的布拉格光栅701的反射谱与马赫曾德级联网络的滤波中心不重合，不会激射。同理，通过选择对应的通道，可以实现1524nm～1572nm范围内的单模激射。
此外，本实施例通过调节基于马赫曾德干涉仪的级联网络的参数与布拉格光栅，不仅可以实现稳定的单模激射，还能实现多波长激光器的功能，可用于微波光子学等领域。
在一些说明性实施例中，如图5所示，级联网络还包括：微环8以及该微环8的加热器。微环的FSR设计为6nm，且微环8设置于级联网络中位于最低级次的马赫曾德干涉仪其中一个输入端，该输入端上还设置有激光器的两个输出端口9，实现硅光芯片上的激光输出，通过调节两个输出端口9定向耦合器的分光比可以调节输出功率的大小。
每个波长通道内，可以通过对应的加热元件702实现6nm范围内的波长精细调节。调节微环8的加热器使其传输谱某个周期中心波长与需要的激射波长重合，实现模式的选择。微环8能进一步减小滤波器的带宽，实现稳定激射。
本发明通过基于马赫曾德干涉仪的级联网络实现阵列波导反射组件5的某一个或某几个的选择，实现波长的粗调，从而实现单波长或者多波长的激光激射。通过调节选择的某一个或某几个阵列波导反射组件，实现通道内的波长精细调谐。
本发明通过半导体增益管芯1与基于马赫曾德干涉仪级联网络的硅基光波导耦合，获得一种基于马赫曾德干涉仪的混合集成外腔可调激光器，具有体积小、调谐范围宽、线宽窄、插损小、制作工艺简单、功耗低等优点。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于马赫曾德干涉仪的混合集成外腔可调激光器，包括：光波导芯片；其特征在于，所述光波导芯片包括：粗调滤波器以及阵列波导反射组件；
所述粗调滤波器包括：级联网络，且所述级联网络由若干呈多级次连接的马赫曾德干涉仪构成，所述马赫曾德干涉仪其中一个臂上设置用于调节干涉仪滤波光谱的相位调节元件，另一个臂上形成用于决定干涉仪自由光谱范围的两臂长度差；
所述阵列波导反射组件包括：设置于所述级联网络各波长通道输出端的用于调整谐振腔相位的相移器以及用于在各波长通道内进行波长调节的细调滤波器。
2.根据权利要求1所述的一种基于马赫曾德干涉仪的混合集成外腔可调激光器，其特征在于，所述呈多级次连接是指，位于当前级次的马赫曾德干涉仪的两个输出端分别与位于较高一级次的两个相邻马赫曾德干涉仪的其中一个输入端连接，马赫曾德干涉仪的另一个输入端为终结端口。
3.根据权利要求2所述的一种基于马赫曾德干涉仪的混合集成外腔可调激光器，其特征在于，还包括：半导体增益管芯；所述半导体增益管芯与所述光波导芯片通过耦合器耦合。
4.根据权利要求3所述的一种基于马赫曾德干涉仪的混合集成外腔可调激光器，其特征在于，所述级联网络将所述阵列波导反射组件的光导通至所述半导体增益管芯；所述半导体增益管芯的前端面镀有反射膜，且所述反射膜与所述级联网络及所述阵列波导反射组件构成所述谐振腔。
5.根据权利要求4所述的一种基于马赫曾德干涉仪的混合集成外腔可调激光器，其特征在于，所述细调滤波器包括：布拉格光栅以及与所述布拉格光栅对应的加热元件。
6.根据权利要求5所述的一种基于马赫曾德干涉仪的混合集成外腔可调激光器，其特征在于，相邻所述加热元件之间设置热隔离槽。
7.根据权利要求6所述的一种基于马赫曾德干涉仪的混合集成外腔可调激光器，其特征在于，所述粗调滤波器还包括：微环以及该微环的加热器，所述微环设置于所述级联网络中位于最低级次的马赫曾德干涉仪其中一个输入端上，且该输入端上还设置有激光器的两个输出端口。
8.根据权利要求7所述的一种基于马赫曾德干涉仪的混合集成外腔可调激光器，其特征在于，所述半导体增益管芯的后端面与所述光波导芯片耦合且镀有抗反膜。
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