CN116706675A - 一种多波长超短脉冲锁模激光器 - Google Patents

一种多波长超短脉冲锁模激光器 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种多波长超短脉冲锁模激光器。多波长超短脉冲锁模激光器包括增益芯片和无源外腔芯片，增益芯片的N个输出端与无源外腔芯片的N个输入端一一对接耦合；增益芯片包括锁模激光器阵列，锁模激光器阵列包括N个锁模激光单元，锁模激光单元包括饱和吸收体区和增益区，N个饱和吸收体区和N个增益区在外部调制信号的驱动下锁模，输出N个波长的脉冲激光；无源外腔芯片包括N个输入端和1个输出端，N个波长的脉冲激光由无源外腔芯片的N个输入端耦入，在无源外腔芯片内传输并调制后，由无源外腔芯片的输出端输出；其中，N为大于或等于2的整数。本发明实施例提供的锁模激光器具有尺寸小、成本低、损耗低、激射阈值低的优点。

Description

一种多波长超短脉冲锁模激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种多波长超短脉冲锁模激光器。
背景技术
现阶段无源光网络(PON)技术中的光源主要采用可调谐的分布反馈布拉格(DFB)半导体激光器，但采用的是DFB激光器阵列的形式，每个波长需要单独监控和调谐，系统维护复杂。
目前已经实现了高质量的单片集成多波长通道超短脉冲锁模激光器，可以代替PON中大量的单波长光源，能够大幅降低系统成本。然而，现有单片集成多波长超短脉冲锁模激光器中，有以下问题：首先，现有技术中所制造的InP基单片集成锁模激光器中，InP无源波导的损耗较大，且存在双光子吸收效应，会导致锁模器件的激射阈值较大；其次，InP基无源阵列波导光栅(AWG)器件弯曲半径较大，可达几百μm，导致器件整体尺寸较大。
发明内容
本发明实施例提供了一种多波长超短脉冲锁模激光器，该多波长超短脉冲锁模激光器利用双芯片混合集成，相比于单片集成的多波长锁模激光器，采用SOI无源外腔结构，无源波导损耗相比于InP基无源波导大大降低，且硅基阵列波导光栅的弯曲半径小，相比于InP基器件尺寸大大降低，同时采用SOI无源外腔芯片对接相比于InP基单片集成省去了InP基无源波导复杂的制作工艺，且动态对接耦合技术操作简单，成本低，还具有尺寸小、损耗低、激射阈值低的优点。
本发明实施例提供了一种多波长超短脉冲锁模激光器，包括增益芯片和无源外腔芯片，所述增益芯片的N个输出端与所述无源外腔芯片的N个输入端一一对接耦合；
所述增益芯片包括锁模激光器阵列，所述锁模激光器阵列包括N个锁模激光单元，所述锁模激光单元包括饱和吸收体区和增益区，N个所述饱和吸收体区和N个所述增益区在外部调制信号的驱动下锁模，输出N个波长的脉冲激光；
所述无源外腔芯片包括N个输入端和1个输出端，N个波长的所述脉冲激光由所述无源外腔芯片的N个输入端耦入，在所述无源外腔芯片内传输并调制后，由所述无源外腔芯片的输出端输出；
其中，N为大于或等于2的整数。
可选的，所述无源外腔芯片包括沿光束传输方向耦合连接的相位调制器、光延迟线、1×N的阵列波导光栅和多模干涉仪；
所述相位调制器和所述光延迟线与所述阵列波导光栅的输出波导维度相同，用于补偿N个通道不同波长所述脉冲激光由于色散效应导致的光程差；
所述阵列波导光栅进行锁模激光器的腔内选模，同时对不同波长的增益光进行多路复用，将N路所述脉冲激光复用为一路脉冲光；
所述多模干涉仪用于产生双重高斯型的场分布，提高不同波长所述脉冲激光的传输带宽。
可选的，所述无源外腔芯片还包括设置于输出端的布拉格光栅反射镜，所述布拉格光栅反射镜在所述无源外腔芯片上构成F-P腔，所述布拉格光栅反射镜用于滤除增益范围之外波长的光。
可选的，所述无源外腔芯片还包括加热器，所述加热器用于调节所述布拉格光栅反射镜的温度。
可选的，所述无源外腔芯片包括绝缘体上硅芯片，所述绝缘体上硅芯片包括波导结构，所述相位调制器、所述光延迟线、所述阵列波导光栅和所述多模干涉仪通过所述波导结构连接。
可选的，所述增益芯片和所述无源外腔芯片放置在三维光学平台或六维光学平台上，所述增益芯片的输出端与所述无源外腔芯片的输入端通过所述三维光学平台或所述六维光学平台动态对准。
可选的，所述增益芯片的输出端与所述无源外腔芯片的输入端的对接界面呈预设倾斜角度设置。
可选的，所述预设倾斜角度大于或等于5°，小于或等于15°。
可选的，所述增益芯片的输出端与所述无源外腔芯片的输入端的对接界面设置有增透膜。
可选的，所述增益芯片包括基于InGaAsP/InP材料体系的Ⅲ/Ⅴ族增益芯片。
本发明实施例提供的多波长超短脉冲锁模激光器，包括增益芯片和无源外腔芯片，增益芯片的N个输出端与无源外腔芯片的N个输入端一一对接耦合；增益芯片包括锁模激光器阵列，锁模激光器阵列包括N个锁模激光单元，锁模激光单元包括饱和吸收体区和增益区，N个饱和吸收体区和N个增益区在外部调制信号的驱动下锁模，输出N个波长的脉冲激光；无源外腔芯片包括N个输入端和1个输出端，N个波长的脉冲激光由无源外腔芯片的N个输入端耦入，在无源外腔芯片内传输并调制后，由无源外腔芯片的输出端输出；其中，N为大于或等于2的整数。通过设置增益芯片产生锁模激光，通过无源外腔芯片调制后输出，其中增益部分和无源波导部分由两个单独芯片组成，相比于单片集成的多波长锁模激光器，采用SOI无源外腔结构，无源波导损耗相比于InP基无源波导大大降低，且硅基阵列波导光栅的弯曲半径小，相比于InP基器件尺寸大大降低，同时采用SOI无源外腔芯片对接相比于InP基单片集成省去了InP基无源波导复杂的制作工艺，且动态对接耦合技术操作简单，成本低，还具有尺寸小、损耗低、激射阈值低的优点。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种多波长超短脉冲锁模激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种多波长超短脉冲锁模激光器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图1为本发明实施例提供的一种多波长超短脉冲锁模激光器的结构示意图，参考图1，该多波长超短脉冲锁模激光器包括增益芯片1和无源外腔芯片2，增益芯片1的N个输出端与无源外腔芯片2的N个输入端一一对接耦合(图1中示意性以N＝4为例，并不是对本发明实施例的限定)；增益芯片1包括锁模激光器阵列100，锁模激光器阵列100包括N个锁模激光单元101，锁模激光单元101包括饱和吸收体区3和增益区4，N个饱和吸收体区3和N个增益区4在外部调制信号的驱动下锁模，输出N个波长的脉冲激光；无源外腔芯片2包括N个输入端和1个输出端，N个波长的脉冲激光由无源外腔芯片2的N个输入端耦入，在无源外腔芯片2内传输并调制后，由无源外腔芯片2的输出端输出；其中，N为大于或等于2的整数。
其中，增益芯片1能够产生锁模脉冲，在某一实施例中，可选的，增益芯片1包括基于InGaAsP/InP材料体系的Ⅲ/Ⅴ族增益芯片，适合光纤通讯的1310nm和1550nm波段。增益芯片1采用浅脊波导结构制造，包括N个饱和吸收体区3和增益区4。饱和吸收体区3与增益区4通过离子注入的方式进行电隔离，饱和吸收体区3和增益区4长度比例控制在10％左右。当产生脉冲激光时，外部调制信号包括：在饱和吸收体区3施加反向偏压，增益区4施加正向电流作为被动锁模的启动机制，同时也可利用偏置器在饱和吸收体区3施加反向偏压的同时施加RF射频信号，实现锁模激光器阵列的同步锁模。
无源外腔芯片2用于调制增益芯片1输出的N个波长的脉冲激光，可选的，继续参考图1，无源外腔芯片2包括沿光束传输方向耦合连接的相位调制器5、光延迟线6、1×N的阵列波导光栅7和多模干涉仪8；相位调制器5和光延迟线6与阵列波导光栅7的输出波导维度相同，用于补偿N个通道不同波长脉冲激光由于色散效应导致的光程差；阵列波导光栅7进行锁模激光器的腔内选模，同时对不同波长的增益光进行多路复用，将N路脉冲激光复用为一路脉冲光；多模干涉仪8用于产生双重高斯型的场分布，提高不同波长脉冲激光的传输带宽。
具体实施时，可选的，无源外腔芯片2包括绝缘体上硅芯片(SOI)，绝缘体上硅芯片包括波导结构，相位调制器5、光延迟线6、阵列波导光栅7和多模干涉仪8通过波导结构连接。相位调制器5和光延迟线6补偿每个通道不同波长增益光由于色散效应导致的光程差，以实现同步锁模脉冲的产生；1×N阵列波导光栅7进行腔内选模，同时将N路不同波长脉冲光信号复用为一路脉冲光信号；多模干涉仪8用于实现阵列波导光栅7输出光谱的平坦化，增加每一路波长增益光的带宽。相位调制器5和光延迟线6与阵列波导光栅7的输出波导维度相同，指的是相位调制器5以及光延迟线6的数量阵列波导光栅7的通道数量相同。
本发明实施例的技术方案，通过设置增益芯片产生锁模激光，通过无源外腔芯片调制后输出，其中增益部分和无源波导部分由两个单独芯片组成，相比于单片集成的多波长锁模激光器，采用SOI无源外腔结构，无源波导损耗相比于InP基无源波导大大降低，且硅基阵列波导光栅的弯曲半径小，相比于InP基器件尺寸大大降低，同时采用SOI无源外腔芯片对接相比于InP基单片集成省去了InP基无源波导复杂的制作工艺，且动态对接耦合技术操作简单，成本低，还具有尺寸小、损耗低、激射阈值低的优点。
图2为本发明实施例提供的另一种多波长超短脉冲锁模激光器的结构示意图，参考图2，可选的，无源外腔芯片2还包括设置于输出端的布拉格光栅反射镜9，布拉格光栅反射镜9在无源外腔芯片2上构成F-P腔，布拉格光栅反射镜9用于滤除增益范围之外波长的光。
其中，布拉格光栅反射镜9起到腔内滤波的作用，滤除锁模激光器增益带宽之外的光，同时也起到构成F-P的作用，便于进一步与其他硅光子器件进行片上集成。
继续参考图2，可选的，无源外腔芯片2还包括加热器10，加热器10用于调节布拉格光栅反射镜9的温度。通过布拉格光栅上制造加热器10，通过施加电压或电流控制加热器温度实现布拉格光栅的热调谐，改变其布拉格中心波长，增加了多波长锁模激光器的可调谐性。
本发明实施例的技术方案，增益芯片和无源外腔芯片对接耦合，为了提升耦合效率，可以采用动态耦合的方式。在某一实施例中，可选的，增益芯片和无源外腔芯片放置在三维光学平台或六维光学平台上，增益芯片的输出端与无源外腔芯片的输入端通过三维光学平台或六维光学平台动态对准。
由于本发明实施例提供的混合集成方式对对接界面的反射十分敏感，为了减小对接界面的反射，可选的，增益芯片的输出端与无源外腔芯片的输入端的对接界面呈预设倾斜角度设置。可选的，预设倾斜角度大于或等于5°，小于或等于15°，具体实施时可以根据实际情况设计，本发明实施例对此不作限定。
为了进一步减小反射，可选的，增益芯片的输出端与无源外腔芯片的输入端的对接界面设置有增透膜(AR-coating)。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多波长超短脉冲锁模激光器，其特征在于，包括增益芯片和无源外腔芯片，所述增益芯片的N个输出端与所述无源外腔芯片的N个输入端一一对接耦合；
所述增益芯片包括锁模激光器阵列，所述锁模激光器阵列包括N个锁模激光单元，所述锁模激光单元包括饱和吸收体区和增益区，N个所述饱和吸收体区和N个所述增益区在外部调制信号的驱动下锁模，输出N个波长的脉冲激光；
所述无源外腔芯片包括N个输入端和1个输出端，N个波长的所述脉冲激光由所述无源外腔芯片的N个输入端耦入，在所述无源外腔芯片内传输并调制后，由所述无源外腔芯片的输出端输出；
其中，N为大于或等于2的整数。
2.根据权利要求1所述的多波长超短脉冲锁模激光器，其特征在于，所述无源外腔芯片包括沿光束传输方向耦合连接的相位调制器、光延迟线、1×N的阵列波导光栅和多模干涉仪；
所述相位调制器和所述光延迟线与所述阵列波导光栅的输出波导维度相同，用于补偿N个通道不同波长所述脉冲激光由于色散效应导致的光程差；
所述阵列波导光栅进行锁模激光器的腔内选模，同时对不同波长的增益光进行多路复用，将N路所述脉冲激光复用为一路脉冲光；
所述多模干涉仪用于产生双重高斯型的场分布，提高不同波长所述脉冲激光的传输带宽。
3.根据权利要求2所述的多波长超短脉冲锁模激光器，其特征在于，所述无源外腔芯片还包括设置于输出端的布拉格光栅反射镜，所述布拉格光栅反射镜在所述无源外腔芯片上构成F-P腔，所述布拉格光栅反射镜用于滤除增益范围之外波长的光。
4.根据权利要求3所述的多波长超短脉冲锁模激光器，其特征在于，所述无源外腔芯片还包括加热器，所述加热器用于调节所述布拉格光栅反射镜的温度。
5.根据权利要求2所述的多波长超短脉冲锁模激光器，其特征在于，所述无源外腔芯片包括绝缘体上硅芯片，所述绝缘体上硅芯片包括波导结构，所述相位调制器、所述光延迟线、所述阵列波导光栅和所述多模干涉仪通过所述波导结构连接。
6.根据权利要求1所述的多波长超短脉冲锁模激光器，其特征在于，所述增益芯片和所述无源外腔芯片放置在三维光学平台或六维光学平台上，所述增益芯片的输出端与所述无源外腔芯片的输入端通过所述三维光学平台或所述六维光学平台动态对准。
7.根据权利要求1所述的多波长超短脉冲锁模激光器，其特征在于，所述增益芯片的输出端与所述无源外腔芯片的输入端的对接界面呈预设倾斜角度设置。
8.根据权利要求7所述的多波长超短脉冲锁模激光器，其特征在于，所述预设倾斜角度大于或等于5°，小于或等于15°。
9.根据权利要求1所述的多波长超短脉冲锁模激光器，其特征在于，所述增益芯片的输出端与所述无源外腔芯片的输入端的对接界面设置有增透膜。
10.根据权利要求1所述的多波长超短脉冲锁模激光器，其特征在于，所述增益芯片包括基于InGaAsP/InP材料体系的Ⅲ/Ⅴ族增益芯片。
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