CN117374735A - 一种基于波分复用器的波长可调谐激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于波分复用器的波长可调谐激光器，其中光学增益区为激光器提供增益，其包括半导体光放大器；具有选模功能的其他器件均集成于第二芯片上，包括调相区、波分复用器和可调反射镜；第一芯片和第二芯片之间通过光学耦合；经过调相区、波分复用器，与可调反射镜之间的光回路构成光学谐振腔；通过高速可调反射镜的开关改变反馈腔的谐振频率实现波长的快速切换。由于波分复用器本身具有宽谱且通道滤波功能，通过这种片间混合集成的串联式波长可调谐激光器，既实现了宽谱波长调谐功能和高边模抑制比性能，还降低了激光器的工艺难度和制作成本，第二芯片还可集成高速电光调制器和探测器，实现宽带调制收发一体的功能器件。
Description
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种基于波分复用器的波长可调谐激光器。
背景技术
随着各种应用对传输速率需求的提高，在光通信领域，波长可调谐激光器可用于光波长交换与路由、相干接收机等应用，同时快速可调谐能够降低网络时延，因此一个快速波长可调谐的激光器可以替代多个不同波长的激光器阵列，大大简化了系统的复杂度、降低了成本。
激光器的波长可调谐功能大多数是通过调节谐振腔中滤波器的中心波长实现，滤波器的实现方式主要包括微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）调节的Littman-Metcalf衍射光栅结构、基于游标效应 (Vernier Effect)的微环谐振腔结构(Micro Ring Resonator，MRR)和基于游标效应的采样光栅分布式布拉格反射器结构(Sampled Grating Distributed Bragg Reflector， SGDBR)等。其中衍射光栅结构制作工艺复杂，体积庞大，成本昂贵；微环谐振腔结构调谐速度慢，不能满足部分应用场景；采样光栅分布式布拉格反射器结构制作工艺实现难度大、成本高。
发明内容
本发明针对背景技术存在的问题，提供了一种基于波分复用器的波长可调谐激光器，意在实现波长可调谐激光器的宽谱波长调谐功能和高边模抑制比的同时，提升波长切换速度，降低此类可调谐激光器的工艺难度与制作成本。
本发明提供了一种基于波分复用器的波长可调谐激光器，包括光学增益区、调相区、波分复用器和可调反馈结构阵列和输出端；
所述光学增益区包括半导体光学光放大器，所述半导体光学放大器的一个端口和调相区相连，所述调相区通过加载电流改变腔内等效相位，实现激光器谐振波长的微调，所述调相区与波分复用器相连；所述波分复用器用于将不同波长的光从不同端口输出，所述波分复用器的各个端口和可调反馈结构阵列相连；所述可调反馈结构阵列用于实现波长切换，通过改变不同波长所对应通道的反射率实现调谐；
所述输出端连接至半导体光学放大器的另一端口或波分复用器和调相区的连接端。
进一步地，所述波分复用器包括阵列波导光栅波分复用器、刻蚀衍射光栅、马赫泽恩德干涉仪、级联光栅方向耦合器或级联光栅。
进一步地，所述半导体光学光放大器通过加载电流为激光器提供粒子数反转提供增益，一个端口通过蒸镀形成带有反射率的介质膜，另一个端口镀上抗反膜，所述反射率<-40dB。
进一步地，所述激光器和所述调相区是通过光学耦合相连接，所述光学耦合包括透镜耦合、芯片片间端对端连接和通过键合手段异质集成一颗芯片上。
进一步地，所述调相区、波分复用器和可调反馈结构的芯层材料包括薄膜铌酸锂、氮化硅、氧化硅和硅。
进一步地，所述可调反馈结构具体包括：可调反射镜、调制器、可调光栅或光开关与可调反射镜的结合。
进一步地，所述光开关和可调反射镜的结合具体为：若输出端为波分复用器和调相区的连接端，则在波分复用器与输出端之间加入可调反射镜，在波分复用器中的另一端连接光开关；若输出端为半导体光学放大器的另一端口，则在波分复用器和调相区的连接端接入可调反射镜，在波分复用器中的另一端连接光开关。
进一步地，所述可调反射镜包括环形结构、微机电系统结构、光子晶体、多模干涉反射镜或液晶结构。
进一步地，所述输出端集成调制器，对激光器进行编码调制输出，所述调制器包括MZ调制器、微环调制器和慢波调制器，编码调制包括NRZ调制、PAM4调制和IQ调制。
进一步地，所述可调光栅用于改变可调光栅的电流或电压改变腔内的等效折射率，从而改变光栅的中心波长，从而改变反射率。
有益效果：
本发明使用了可调反馈结构实现了波长的快速可调节，切换时间可以达到GHZ量级，由于所有可调反馈结构的调谐是同步进行，激光器的任意波长之间的切换几乎是一样的。本发明的可调反馈结构中调谐只是on-off之间电平切换，具有很低的功耗；本发明使用波分复用器和可调反馈结构结合达到提升激光器边模抑制比和窄线宽的效果。
附图说明
图1是本发明实施例一的一种基于波分复用器的波长可调谐激光器的结构示意图；
图2是本发明实施例一激光器在λ2激射时的可调谐原理图；
图3是本发明实施例一激光器在λ3激射时的可调谐原理图；
图4是本发明实施例二的一种基于波分复用器的波长可调谐激光器的结构示意图；
图5是本发明实施例三的一种基于波分复用器的波长可调谐激光器的结构示意图；
图6是本发明波分复用器的结构示意图及波长分布示意图；
图7是本发明实施例四的一种基于波分复用器的波长可调谐激光器的结构示意图；
图8是本发明实施例五的一种基于波分复用器的波长可调谐激光器的结构示意图；
图9是本发明实施例六的一种集成波长可调谐激光器、调制器和探测器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
一种基于波分复用器的波长可调谐激光器，其特征在于，包括光学增益区、调相区、波分复用器和可调反馈结构阵列和输出端；所述波分复用器包括阵列波导光栅波分复用器、刻蚀衍射光栅、马赫泽恩德干涉仪、级联光栅方向耦合器或级联光栅，本发明实施例使用阵列波导光栅波分复用器。
所述可调反馈结构具体包括：可调反射镜、调制器、可调光栅或光开关与可调反射镜的结合。
实施例一：图1是本发明实施例一的一种基于波分复用器的波长可调谐激光器的结构示意图。参考图1，快速波长可调谐激光器包括：光学增益区1、调相区2、阵列波导光栅波分复用器3和可调反射镜4。
光学增益区1包括反射型半导体光放大器RSOA（reflective semiconductoroptical amplifer），通过加载电流为激光器提供粒子数反转提供增益，其一个端口通过蒸镀形成一定反射率的介质膜，另一个端口镀上抗反膜，反射率一般<-40dB，通过光学耦合与调相区2相连；这里的光学耦合包括透镜耦合、芯片片间端对端连接和通过键合手段异质集成一颗芯片上。
调相区2、阵列波导光栅波分复用器3和可调反射镜4集成在一颗芯片上，光传输波导的芯层材料为薄膜铌酸锂 (LiNbO3)、硅(Si)、氮化硅(Si3N4)或者二氧化硅(SiO2)。
所述相位区2可以通过热控或者电控机制调节光的相位，用于控制由增益区1和可调反射镜4形成谐振腔中的光波长满足谐振条件，即使得光在光学谐振腔内往返一周其相位为2π的整数倍，从而激射对应波长，如公式所示：，即/>，其中n为腔内等效折射率，L为激光器等效腔长，m为级数，/>为激射波长。
所述阵列波导光栅波分复用器3是一种通带滤波器，它可以将不同波长的光分到不同端口当中，如图6是本发明阵列波导光栅波分复用器的结构示意图及波长分布示意图：如果不同波长λ1λ3λ5…的光从I1口输入时，λ1会从O1口输出，λ3会从O3口输出，λ5会从O5口输出，依次类推，如此便实现不同波长的光分散到不同通道当中，且互不影响。
边摸抑制比（SMSR，Side-Mode Suppression Ratio）是激光器一个很重要的指标，其代表的是主模与边模的抑制能力，其越大越好。如上激光器谐振条件所示，由于激光器的等效腔长很长，使得纵模间隔很小，在主增益情况下，通常的SMSR很小。在本发明中，阵列波导光栅波分复用器3的透射谱是一种通带滤波器，在该端口中除了该通道的λ1能够透射，其他波长λ3λ5…的光都被截止，消光比一般高达30dB。阵列波导光栅波分复用器3的滤波性能能够抑制除主模以外的大部分纵模，从而提升激光器SMSR。
阵列波导光栅波分复用器3后面分别连接可调反射镜4，每个可调反射镜4可以通过加载电流调节对应通道的反射率，对于想要激射波长的通道的反射率设为1，其余的设为0，如此该通道波长的光重新回到阵列波导光栅波分复用器3、调相区2和光增益区1，从而形成激光器谐振腔。
图2是本发明实施例一的可调谐原理图，激光器在λ2激射。细线是阵列波导光栅波分复用器3的各个通道的梳妆谱，ch1是通道1透射光谱，ch2是通道2透射光谱，依次类推。每个通道经过可调反射镜4后重新回到阵列波导光栅波分复用器3的反射谱如虚线所示，由于只在λ2对应通道的可调反射镜4的反射率为1，其余的为0，因此反射率在λ2的位置很大而在其他波长的反射率很小。根据激光器的激射条件是：
腔内增益大于腔内损耗，即，其中G是腔内增益，/>是腔内本征损耗，与材料有关，L是激光器等效腔长。
增益区1端面形成的反射率为r1，对于所有波长都一样。可调反射镜4处的λ2波长的反射率r2为1，其他波长λ1λ3的反射率为0，因此在相同增益下的λ2最先达到阈值条件，从而激射λ2波长的光。
在本发明实施例一中，通过改变不同通道相对应的可调反射镜4的反射率，如图3所示，例如，在λ3对应通道的可调反射镜4的反射率为1，其余的为0。此时，可调反射镜4处的λ3波长的反射率为1，其他波长λ1λ2的反射率为0，因此在相同增益下的λ3最先达到阈值条件，从而激射λ3波长的光，从而实现激光器的调谐。
可调反射镜4的结构包括环形结构（loop-ring）、微机电系统MEMS结构、光子晶体、多模干涉反射镜（MMI-reflector）或液晶结构。以loop-ring为例，通过改变加载在loop-ring上的电流，改变折射率和干涉条件，从而使反射率发生改变。此处改变方式可以是通过热控或者电控机制调节反射率。由于所有可调反射镜4的调谐是同步进行，激光器的任意波长之间的切换几乎是一样的。而且可调反射镜4的调谐只是on-off之间电平切换，具有很低的功耗。此设计的激光器波长切换的时间由可调反射镜4的调谐时间决定。通过合理设计，可调反射镜4其调制效率很高，调制速率很快，本发明的激光器的调谐速率理论上可达1GHz以上。
实施例二：图4是本发明实施例二的一种基于波分复用器的波长可调谐激光器的结构示意图，基本结构和原理与本发明实施例一相同。区别在于将可调反射镜4换成MZ反射型调制器5。其增益区1和MZ反射型调制器5之间构成激光器的谐振腔。通过改变MZ反射型调制器5上的电压改变腔内的相位，从而改变反射端口的干涉条件。MZ反射型调制器5的作用和可调反射镜4一样，即能够通过on-off之间电平切换实现反射率1-0改变，从而实现激光器波长的切换。进一步的，MZ反射型调制器5的调制速度一般可到40GHz以上，从而使激光器的调谐速度进一步提升。
实施例三：图5是本发明实施例三的一种基于波分复用器的波长可调谐激光器的结构示意图，基本结构和原理与本发明实施例一相同。区别在于将可调反射镜4换成可调光栅6。其增益区1和可调光栅6之间构成激光器的谐振腔。通过改变可调光栅6的电流或电压改变腔内的等效折射率，从而改变光栅的中心波长，当它的中心波长远离阵列波导光栅波分复用器3通道的中心波长，其反射率变为0，从而实现反射率的改变。在本实施例中，可调光栅6是一种窄带带通滤波器，在中心波长处的反射率为1，其他波长的反射率为0。可调光栅6的作用和可调反射镜4一样，即能够通过on-off之间电平切换实现反射率1-0改变，从而实现激光器波长的切换。可调光栅6的中心波长和阵列波导光栅波分复用器3的中心波长一一对应，但带宽不一定相同。可调光栅6包括布拉格光栅结构或光子晶体结构。进一步的，可调光栅6的调制速度一般可到100GHz以上，从而使激光器的调谐速度进一步提升。
实施例四：图7是本发明实施例四的一种基于波分复用器的波长可调谐激光器的结构示意图。在此结构中，光增益区1与调相区2相连，调相区2与阵列波导光栅波分复用器3的一个输入口I1相连，阵列波导光栅波分复用器3的各个通道的输出口与可调反射镜4的输入输出口间隔连接，例如，阵列波导光栅波分复用器3的O1与可调反射镜4的输入口相连，阵列波导光栅波分复用器3的O2与可调反射镜4的输出口相连；阵列波导光栅波分复用器3的O3与可调反射镜4的输入口相连，阵列波导光栅波分复用器3的O4与可调反射镜4的输出口相连，依次类推。在本实施例中，光增益区1的端面反射率为高反射率，如100%。在本实施例中，可调反射镜4的反射率改为低反射率，如30%。同样的，光增益区1与可调反射镜4之间形成激光器的谐振腔。如图6是本发明阵列波导光栅波分复用器的结构示意图及波长分布示意图：如果不同波长λ1λ3λ5…的光从I1口输入时，λ1会从O1口输出，λ3会从O3口输出，λ5会从O5口输出，依次类推；但如果不同波长λ1’λ3’λ5’…的光从I2口输入时，λ1’会从O2口输出，λ3’会从O4口输出，λ5’会从O6口输出，依次类推。其中波长λ1与波长λ1‘相同，波长λ3与波长λ3‘相同，以此类推。在本发明中，如果对于λ1波长，从I1口输入时，λ1会从O1口输出，经过可调反射镜4后，一部分光（如30%）重新回到光增益区1形成激光器谐振腔，另一部分光（如70%）来到O2口，从I2口输出，作为整个激光器输出。以此类推，而其他波长λ3λ5…的光分别从O3O5…输出，经过可调反射镜4后，来到O4O6…口，从I2口输出。该实施例中，出射的激光再次经过阵列波导光栅波分复用器3具有更高SMSR；可调反射镜4所需的反射率是30%-0%之间切换，所需功耗更低，速率更高；其他波长的光也从输出口输出，激光器的功率更高。
实施例五：图8是本发明实施例五的一种基于波分复用器的波长可调谐激光器的结构示意图，基本结构和原理与本发明实施例四相同。区别在于将可调反射镜4换成光开关8，在阵列波导光栅波分复用器3与输出口之间加入可调反射镜4。光开关8本质上是马赫-增德尔干涉仪，通过加载电流或电压改变相位实现通道的相干相长或相干相消，其也可以是MZ调制器5。在本实施例中，如果对于λ1波长，从I1口输入时，λ1会从O1口输出，经过光开关8后后，全部进入到O1‘口，从I2口输出，经过可调反射镜4，一部分光经过两次阵列波导光栅波分复用器3，重新回到光增益区1形成激光器谐振腔，另一部分光作为整个激光器输出。而其他波长λ3λ5…的光第一次经过光开关8后，相干相消不会回到阵列波导光栅波分复用器3。因此光增益区1与可调反射镜4之间形成激光器的谐振腔。该实施例的特点在于：其一，光一共经过阵列波导光栅波分复用器3的四次，出射的激光具有更高SMSR；其二，激光器的等效腔长很长，具有更窄的线宽。
可选的，本发明所述光学增益区1与调相区2之间的光学耦合，包括传统透镜耦合，片间端对端混合集成，通过键合方式的单片集成。
可选的，本发明所述调相区2、阵列波导光栅波分复用器3和可调反射镜4的芯层材料包括薄膜铌酸锂、氮化硅、氧化硅和硅。
可选的，所述集成器件可以进一步集成高速调制器和探测器，实现收发一体的功能器件，其可以应用于400G光通信领域、传感领域。图9是本发明实施例六的一种集成波长可调谐激光器、调制器和探测器的结构示意图。在本发明实施例五的输出口集成调制器10，对激光器进行编码调制输出。调制器包括MZ调制器5、微环调制器和慢波调制器。编码调制包括NRZ调制、PAM4调制和IQ调制。输入口直接进入探测器9对接收信号进行探测。
本发明实施例提出了一种能够兼顾高性能和低成本的快速波长可调谐激光器方案，可切实满足通信等系统应用的综合性需求。高性能，体现于本方案基于阵列波导光栅波分复用器3结构进行选模，一方面使激光器具有更高SMSR和更窄线宽。同时采用快速可调反射镜结构，实现高速波长切换，具有更低功耗和切换时间。此外，无源光器件选用其最适合的材料体系也有益于低损耗、通道滤波高均匀性等高性能的实现。低成本，体现于本方案可将尺寸较大的无源器件和尺寸较小的光增益区分别选用不同的材料体系，阵列波导光栅波分复用器3等无源器件在SiO2或SiN材料体系上可大大降低器件总成本。甚至可以将所有器件进行混合集成或单片集成，可以大大降低成本，这对于成本敏感型的光通信、光互连应用是至关重要的。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于波分复用器的波长可调谐激光器，其特征在于，包括光学增益区、调相区、波分复用器和可调反馈结构阵列和输出端；
所述光学增益区包括半导体光学光放大器，所述半导体光学放大器的一个端口和调相区相连，所述调相区通过加载电流改变腔内等效相位，实现激光器谐振波长的微调，所述调相区与波分复用器相连；所述波分复用器用于将不同波长的光从不同端口输出，所述波分复用器的各个端口和可调反馈结构阵列相连；所述可调反馈结构阵列用于实现波长切换，通过改变不同波长所对应通道的反射率实现调谐；
所述输出端连接至半导体光学放大器的另一端口或波分复用器和调相区的连接端。
2.根据权利要求1所述的一种基于波分复用器的波长可调谐激光器，其特征在于，所述波分复用器包括阵列波导光栅波分复用器、刻蚀衍射光栅、马赫泽恩德干涉仪、级联光栅方向耦合器或级联光栅。
3.根据权利要求1所述的一种基于波分复用器的波长可调谐激光器，其特征在于，所述半导体光学光放大器通过加载电流为激光器提供粒子数反转提供增益，一个端口通过蒸镀形成带有反射率的介质膜，另一个端口镀上抗反膜，所述反射率<-40dB。
4.根据权利要求1所述的一种基于波分复用器的波长可调谐激光器，其特征在于，所述激光器和所述调相区是通过光学耦合相连接，所述光学耦合包括透镜耦合、芯片片间端对端连接和通过键合手段异质集成一颗芯片上。
5.根据权利要求1所述的一种基于波分复用器的波长可调谐激光器，其特征在于，所述调相区、波分复用器和可调反馈结构的芯层材料包括薄膜铌酸锂、氮化硅、氧化硅和硅。
6.根据权利要求1所述的一种基于波分复用器的波长可调谐激光器，其特征在于，所述可调反馈结构具体包括：可调反射镜、调制器、可调光栅或光开关与可调反射镜的结合。
7.根据权利要求6所述的一种基于波分复用器的波长可调谐激光器，其特征在于，所述光开关和可调反射镜的结合具体为：若输出端为波分复用器和调相区的连接端，则在波分复用器与输出端之间加入可调反射镜，在波分复用器中的另一端连接光开关；若输出端为半导体光学放大器的另一端口，则在波分复用器和调相区的连接端接入可调反射镜，在波分复用器中的另一端连接光开关。
8.根据权利要求6所述的一种基于波分复用器的波长可调谐激光器，其特征在于，所述可调反射镜包括环形结构、微机电系统结构、光子晶体、多模干涉反射镜或液晶结构。
9.根据权利要求6所述的一种基于波分复用器的波长可调谐激光器，其特征在于，所述输出端集成调制器，对激光器进行编码调制输出，所述调制器包括MZ调制器、微环调制器和慢波调制器，编码调制包括NRZ调制、PAM4调制和IQ调制。
10.根据权利要求6所述的一种基于波分复用器的波长可调谐激光器，其特征在于，所述可调光栅用于改变可调光栅的电流或电压改变腔内的等效折射率，从而改变光栅的中心波长，从而改变反射率。
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