CN116316059A - 抗外部光反馈的混合集成外腔半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种抗外部光反馈的混合集成外腔半导体激光器，由有源增益放大芯片和无源光子芯片组成，在无源光子芯片的光波导上依次设有波导位相控制区、波导滤波反馈区和波导偏振旋转器，有源增益放大芯片的光波导发出的光耦合到无源光子芯片的光波导中，有源增益放大芯片与无源光子芯片的耦合端面镀有光学抗反射膜，有源增益放大芯片的另一端面镀有光学高反射膜，由波导位相控制区和波导滤波反馈区构成的外腔波导结构具有偏振非对称性，即TE基模和TM基模的有效光折射率不同；外腔半导体激光器产生的激光进入波导偏振旋转器并由其将入射光的偏振方向旋转45度角。本发明实现了无光学隔离器的外腔激光的抗干扰运行，降低了成本和工艺复杂性。
Description
技术领域
本发明涉及一种抗外部光反馈的外腔半导体激光器，特别涉及一种无需光学隔离器、可以芯片集成的抗外部光反馈的混合集成外腔半导体激光器。
背景技术
光子集成芯片的发展趋势是向以CMOS为基础的硅半导体平台进行的转移，具体代表就是硅光子技术，即在硅晶圆上利用CMOS半导体工艺和技术，实现高性能、低成本的光器件和系统的大规模集成和制造。
在硅光集成技术(包括但不限于硅基的氧化硅、硅、氮化硅等)的发展应用中，由于硅是间接带隙半导体，不能发光，任何跟发光相关的功能要依赖化合物半导体来实现。化合物半导体发光功能向硅光芯片的集成通过混合集成的方式来实现。
一般对于半导体激光器而言，由于其运行稳定性要求，在器件封装时在激光出光前的光路里放有光学隔离器，以防止由外部的光学反射等导致一些激光反馈或反射回到激光腔內，进而引起激光器的不稳定性和跳膜。一般光学隔离器都是自由空间形态，核心由磁光材料构成，通过法拉第效应的光偏振旋转来改变光在传输中的偏振态并通过正交的偏振片实现回传的反射光的隔离。
但是，在硅光集成芯片技术中要实现激光器对在传输中产生的外部光反馈的隔离，一个途径是将基于磁性材料的光隔离器和硅光芯片进行在片集成。但是由于属于不同的材料体系，磁性材料光隔离器向硅片的集成对工艺要求苛刻，难度非常高，由于良率等原因，实现成本非常昂贵，并且性能不佳。所以，怎么能够实现在硅片集成的激光器中实现对反射或外部反馈的容忍，是一个很大的挑战。
目前的硅光芯片的在片集成的激光系统，除了量子点增益结构的激光器对外来光反馈有一定的抗干扰性外，对于其它类型的激光器，包括多量子阱的FP激光器、DFB激光器和DBR激光器，都需要在输出光路上有光学隔离器，硅片集成的外腔激光器也需要光隔离器。
如图1所示，是现有的半导体激光器和光学隔离器的封装系统107，其中半导体激光芯片101，一般是基于化合物半导体材料，如(不限于)GaAs或InP等，在有电流注入的情况下，通过电光转换发出光子。半导体激光芯片101的左端面102，一般为高反射端面，镀有高反射模。半导体激光芯片101的右端面103为出光端面，镀有抗反射膜。半导体激光芯片产生的激光在光波导104中增益放大并传导，由芯片101的右端面103出射。准直光学105对半导体激光器104发出的光进行准直后经过自由空间光学隔离器106由封装系统107的出射窗口108出射。光学隔离器106的目的是防止在光学窗口及以外(右)受到反射的激光反馈回到激光器，因为这些反射光会造成干扰导致激光腔的不稳定，高噪声，甚至跳模。一般自由光学隔离器的核心是磁光材料构成，通过法拉第效应的光偏振旋转来改变光在传输中的偏振态(TE/TM转变为TM/TE)，并通过正交的双偏振片来实现回传的反射光消光隔离。由于是自由空间组件和磁性材料，光学隔离器和芯片的集成一直是个难题和挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗外部光反馈的混合集成外腔半导体激光器，无需光学隔离器且可以芯片集成，还可以通过简单的对接工艺和无源光子集成芯片的实现混合集成，实现了无光学隔离器的外腔激光的抗干扰运行，降低了成本和工艺复杂性。
本发明的目的通过以下技术措施实现：一种抗外部光反馈的混合集成外腔半导体激光器，其特征在于，它由有源增益放大芯片和无源光子芯片组成，所述有源增益放大芯片和所述无源光子芯片均集成有光波导，在无源光子芯片的光波导上依次设有波导位相控制区、波导滤波反馈区和波导偏振旋转器，有源增益放大芯片的光波导发出的光耦合到无源光子芯片的光波导中，所述有源增益放大芯片与无源光子芯片的耦合端面镀有光学抗反射膜，所述有源增益放大芯片的另一端面镀有光学高反射膜，所述有源增益放大芯片、无源光子芯片的光波导、波导相位控制区和波导滤波反馈器构成外腔半导体激光器，由所述波导位相控制区和波导滤波反馈区构成的外腔波导结构具有偏振非对称性，即TE基模和TM基模的有效光折射率不同；所述外腔半导体激光器产生的激光进入波导偏振旋转器，波导偏振旋转器将入射光的偏振方向旋转45度角。
本发明通过优化外腔反馈和波导偏振旋转器来提高激光器抗外部反馈干扰，外腔半导体激光器的光波导只支持基本的TE和TM模，并且，外腔波导结构具有非常强的偏振非对称性，使得TE和TM的有效折射率存在明显差别。外腔半导体激光器的激光共振发生在TE模，TE模激光经过波导偏振旋转器时，偏振被旋转45度或变成圆偏振光。如果在传输过程中遇到反射，反射回传的反射光在经过波导偏振旋转器时，偏振被再次旋转45度，变为TM偏振，而在TM偏振态下该波长位于TM模的波导滤波反馈曲线之外，因此，在激光腔内被增益压制，也不能形成激光共振或放大，不会对已运行的激光模式造成干扰或导致跳模(modehopping)。这样就实现了无光学隔离器的外腔激光的抗干扰运行。外腔激光器内的位相控制器可以保证TE偏振光子在外腔激光器的腔内实现环程相干共振放大。
本发明有源增益放大芯片采用简单侧边对接耦合到无源光子芯片中相对应的光波导，作为外腔激光器的增益光源，并且无源光子芯片集成有光波导回路和波导器件包括波导偏振旋转器等，波导偏振旋转器和波导回路采用同样的硅基材料(包括但不限于硅，二氧化硅，或氮化硅)，而非磁性材料。这样所有的波导器件，包括波导偏振旋转器，都可以通过半导体CMOS工艺制作集成在同一芯片上，有源增益放大芯片也可以通过倒装贴片集成在无源光子芯片上。
本发明所述有源增益放大芯片和无源光子芯片分立设置。
本发明所述有源增益放大芯片集成在所述无源光子芯片上。本发明所述波导滤波反馈区是波导反射光栅，采用变迹光栅(apodized grating)设计，它的反射峰曲线呈高斯或洛伦兹线形，不存在高阶或边际反射峰。
本发明外腔滤波反馈布拉格波导反射光栅的TE基模和TM基模反射峰的半高半宽线宽(HWHM)小于TE基模和TM基模反射峰的中心波长之间的间距。
本发明所述波导滤波反馈区是由多个环形共振器形成的等效反射反馈区。
本发明所述波导偏振旋转器是斜边(slanted)或其它的特殊结构。
本发明所述无源光子芯片的光波导和有源增益放大芯片的光波导对接耦合端设有波导模式匹配器。
本发明所述无源光子芯片的两端面均镀有光学抗反射膜。
本发明在所述无源光子芯片的光波导上设有波导模式转换器，外腔半导体激光器产生的激光经过波导模式转换器进入波导偏振旋转器。
与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：
(1)本发明通过无源光子芯片上的波导偏振旋转器使得经外部反射回的光在进入激光腔时被变为原来的正交偏振态，在腔内被增益压制，不能形成激光共振或放大，实现了无光学隔离器的外腔激光的抗干扰运行，降低了成本和工艺复杂性。
(2)本发明波导偏振旋转器和光波导采用同样的硅基材料(包括但不限于硅，二氧化硅，或氮化硅等)，而非磁性材料，可兼容标准半导体CMOS工艺。
⑶本发明的所有波导器件，包括波导偏振旋转器，都可以通过半导体CMOS工艺制作集成在同一芯片上。
⑷本发明有源增益放大芯片可以通过倒装贴片集成在无源光子集成芯片上，充分利用了硅光子集成芯片的优势。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1是现有半导体激光器和光学隔离器封装系统的组成结构示意图；
图2是本发明实施例1的组成结构示意图；
图3是本发明实施例1的光谱曲线图之一；
图4是本发明实施例1的光谱曲线图之二；
图5是本发明实施例2的组成结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图2所示，是本发明一种抗外部光反馈的混合集成外腔半导体激光器，它由有源增益放大芯片201和无源光子芯片205组成，有源增益放大芯片201集成有光波导203，有源增益放大芯片201通常是基于化合物半导体材料如(但不限于)InP等，在有电流注入的情况下，通过电光转换产生宽带自发辐射光子，这些光子在有源增益芯片201上的光波导203中传播放大。有源增益放大芯片201的左端面202为高反射端面，镀有光学高反射膜，右端面204为低反射面，镀有光学抗反射膜。有源增益芯片201的光波导203中传输的光由右端面204出射。
有源增益放大芯片201和无源光子芯片205的集成可以通过两个分立器件的对接耦合，也可以通过有源增益放大芯片201的倒装和无源光子芯片205的端面对接耦合来实现。
基于硅基材料(包括但不限于硅，二氧化硅，或氮化硅等)的无源光子芯片205上有光波导206和波导器件。光波导206和有源增益放大芯片201的光波导203对接耦合，并且在对接一侧214为了提高耦合效率可以设置波导模式匹配器(taper)。光波导206上依次设有波导位相控制区207、波导滤波反馈区208、波导模式转换器(waveguide taper)210、212及波导偏振旋转器(waveguide polarization rotator)211。有源增益芯片201的高反射左端面202、有源增益芯片201的光波导203，无源光子芯片205的光波导206、波导相位控制区207和波导滤波反馈区208构成外腔半导体激光器209。无源光子芯片205的左端面214和右端面215可以镀有光学抗反射膜。准直光学器216对外腔半导体激光器由无源光子芯片205的右端面发出的光进行准直后输出。
外腔光波导206支持但不限于基本的TE基模和TM基模，由波导位相控制区和波导滤波反馈区构成的外腔波导结构的设计使得它具有非常强的偏振非对称性，即TE基模和TM基模的有效光折射率差别明显。外腔波导滤波反馈区208可以是布拉格波导反射光栅，也可以是由多个环形共振器形成的等效反射反馈区。对于布拉格波导反射光栅的反射光谱，外腔滤波反馈布拉格波导反射光栅的TE基模和TM基模反射峰的半高半宽线宽(HWHM)小于TE基模和TM基模反射峰的中心波长之间的间距，如图3所示，波导滤波反馈区208对于TM基模的反射曲线231和TE基模的反射曲线232反射峰的中心波长位置明显分开。为了保证激光的激发模式稳定，波导反射光栅采用变迹光栅(the apodized grating)设计，反射峰曲线呈高斯或洛伦兹线形，不存在高阶或边际反射峰，并且光栅反射峰的线宽(半高全宽)足够窄，使得TE和TM基模的反射峰曲线几乎没有重叠。波导位相控制区207是保证光子在外腔半导体激光器209的腔内的环程(round trip)位相在激光波长234是2π的整数倍，实现相干共振放大，如图4所示，曲线233代表有源增益芯片通过波导203发出的自发光子辐射曲线，231a为TM模的滤波反馈曲线，232a为TE模的滤波反馈曲线，外腔半导体激光器的增益共振产生TE偏振的特定波长234的激光，它向右传输时经过波导模式转换器210进入波导偏振旋转器211，波导偏振旋转器211的结构和光波导206不同，可以是斜边(slanted)或其它特殊的波导结构，设置波导模式转换器210的目的是改进光波导206和波导偏振旋转器211的模式匹配以降低它们之间的光耦合损失。
波导偏振旋转器211将经过它的激光偏振旋转45度，即由TE偏振变成了圆偏振光。然后，激光经过波导模式转换器212耦合到光波导213由无源光子芯片205的右端面215出射。准直光学器216对光波导213发射的光进行准直，然后在输出窗口217离开封装218。如果输出的激光在传输过程中受到反射，特别是近距离反射，反射光会沿原光路回传进入光波导213，在经过波导偏振旋转器211时，它的偏振被再次旋转45度，偏振态变为TM偏振态。而TM偏振态下该波长234的光在TM基模的滤波反馈曲线231a之外，并且它的有效光折射率也会导致它经过波导相位控制区207后在外腔半导体激光器209腔内环程的位相失配，因此，在腔内被增益压制，不能形成激光共振或放大，不会对已运行的激光模式造成干扰或导致跳模(mode hopping)。这样实现了无光学隔离器的外腔激光的抗干扰运行。
实施例2
如图5所示，本实施例与实施例1的区别之处在于：有源增益放大芯片251通过倒装工艺粘贴在无源光子芯片255的表面，有源增益放大芯片的光波导253产生的宽带自发辐射光通过瞬逝波效应耦合到无源光子芯片的光波导256中。有源增益放大芯片251的左端面252为高反射端面，镀有光学高反射膜，有源增益放大芯片251的右端面254为低反射面，镀有光学抗反射膜，有源增益放大芯片251的光波导253通过波导模式转换器260、262(taper)实现和无源光子芯片255的光波导256的高效率瞬逝波耦合。有源增益放大芯片251的左端面252、有源增益放大芯片251的光波导253、无源光子芯片的光波导256、波导相位控制区257和波导滤波反馈区258构成外腔半导体激光器259。
波导偏振旋转器261将经过它的激光偏振旋转45度，即由TE偏振变成了圆偏振光。然后，激光经过波导模式转换器耦合到光波导264由无源光子芯片255的右端面263出射。准直光学器265对光波导264发射的光进行准直，然后在输出窗口266离开封装267。如果输出的激光在传输过程中受到反射，特别是近距离反射，反射光会沿原光路回传进入光波导264，在经过波导偏振旋转器261时，它的偏振被再次旋转45度，偏振态变为TM偏振态。而TM偏振态下该波长的光在TM模的滤波反馈曲线之外，并且它的有效光折射率也会导致它经过波导相位控制区207后在外腔半导体激光器209腔内环程的位相失配，因此，在腔内被增益压制，不能形成激光共振或放大，不会对已运行的激光模式造成干扰或导致跳模(modehopping)。这样实现了无光学隔离器的外腔激光的抗干扰运行。
本发明的各图均为示意图，并不代表真实的尺寸或数值。
本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种抗外部光反馈的混合集成外腔半导体激光器，其特征在于：它由有源增益放大芯片和无源光子芯片组成，所述有源增益放大芯片和所述无源光子芯片均集成有光波导，在无源光子芯片的光波导上依次设有波导位相控制区、波导滤波反馈区和波导偏振旋转器，有源增益放大芯片的光波导发出的光耦合到无源光子芯片的光波导中，所述有源增益放大芯片与无源光子芯片的耦合端面镀有光学抗反射膜，所述有源增益放大芯片的另一端面镀有光学高反射膜，所述有源增益放大芯片、无源光子芯片的光波导、波导相位控制区和波导滤波反馈区构成外腔半导体激光器，由所述波导位相控制区和波导滤波反馈区构成的外腔波导结构具有偏振非对称性，即TE模和TM模的有效光折射率不同；所述外腔半导体激光器产生的激光进入波导偏振旋转器，波导偏振旋转器将入射光的偏振方向旋转45度角。
2.根据权利要求1所述的抗外部光反馈的混合集成外腔半导体激光器，其特征在于：所述有源增益放大芯片和无源光子芯片分立设置。
3.根据权利要求1所述的抗外部光反馈的混合集成外腔半导体激光器，其特征在于：所述有源增益放大芯片集成在所述无源光子芯片上。
4.根据权利要求2或3所述的抗外部光反馈的混合集成外腔半导体激光器，其特征在于：所述波导滤波反馈区是采用变迹光栅的波导反射光栅。
5.根据权利要求4所述的抗外部光反馈的混合集成外腔半导体激光器，其特征在于：外腔滤波反馈布拉格波导反射光栅的TE基模和TM基模反射峰的半高半宽线宽小于TE基模和TM基模反射峰的中心波长之间的间距。
6.根据权利要求2或3所述的抗外部光反馈的混合集成外腔半导体激光器，其特征在于：所述波导滤波反馈区是由多个环形共振器形成的等效反射反馈区。
7.根据权利要求5所述的抗外部光反馈的混合集成外腔半导体激光器，其特征在于：所述波导偏振旋转器和光波导采用同样的硅基材料制成。
8.根据权利要求7所述的抗外部光反馈的混合集成外腔半导体激光器，其特征在于：所述无源光子芯片的光波导和有源增益放大芯片的光波导对接耦合端设有波导模式匹配器。
9.根据权利要求8所述的抗外部光反馈的混合集成外腔半导体激光器，其特征在于：所述无源光子芯片的两端面均镀有光学抗反射膜。
10.根据权利要求9所述的抗外部光反馈的混合集成外腔半导体激光器，其特征在于：在所述无源光子芯片的光波导上设有波导模式转换器，外腔半导体激光器产生的激光经过波导模式转换器进入波导偏振旋转器。
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