CN118117449A - 一种基于硅基布拉格光栅的混合集成激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于硅基布拉格光栅的混合集成激光器,在半导体激光器和布拉格光栅之间加入微环谐振腔，利用微环谐振腔进行光频率的选择和调节，亦同时利用布拉格光栅将符合微环谐振腔谐振频率的光信号反射回半导体激光器，通过自注入反馈技术，使得半导体激光器能够实现频率锁定状态，同时布拉格光栅使得腔内损耗降低，亦实现一个高品质因数的腔，从而实现单个激光器的线宽压窄。
Description
技术领域
本发明涉及窄线宽激光器技术领域，特别是涉及一种基于硅基布拉格光栅的混合集成激光器。
背景技术
随着相干光通信,激光雷达以及长距离传感等领域的发展，对于激光器的线宽要求越来越严格。目前，实现线宽压窄的方法主要有两种：内腔法与外腔法。内腔法主要是通过设计半导体激光器内部谐振腔的结构实现线宽压窄目的，例如分布反馈式半导体激光器(DFB)。但是其对于压窄效果有限，其线宽一般仍在百kHz量级。外腔法主要是利用高品质因子的外腔，例如光纤布拉格光栅，光纤法布里-珀罗腔，它们均能起到很好的线宽压窄效果，甚至达到Hz量级，但是其缺点也很明显：电光转化效率低，体积大以及机械稳定性能不佳。近些年来，因低成本，小尺寸以及低功耗等优点，硅光子技术受到了激光器研究领域的极大关注。
基于硅光子技术，以及以上技术的缺点，我们提出了一种基于硅基布拉格光栅的混合集成窄线宽激光器。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的缺陷，从而提供一种基于硅基布拉格光栅的混合集成激光器。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于硅基布拉格光栅的混合集成激光器，包括：
半导体激光器，具有反射模块，用于提供种子光源；
第一边缘耦合器，用于将所述半导体激光器的部分光信号耦合进入后续的相移器；
所述相移器，用于调节自所述第一边缘耦合器输入的光信号的相位；
第一耦合结构，分别与所述相移器、后续的微环谐振腔和光输出结构耦合对接，用于将自所述所述相移器输入的光信号部分输入所述微环谐振腔；还用于将所述半导体激光器实现自注入锁定的光信号输入所述光输出结构；
微环谐振腔，用于将自所述第一耦合结构输入的光信号调整为谐振腔谐振频率的光信号；
布拉格光栅，与所述微环谐振腔联动，用于将符合谐振腔谐振频率的光信号反射回所述半导体激光器；
所述半导体激光器还用于基于反射回的光实现自注入锁定；
光输出结构，用于输出所述半导体激光器实现自注入锁定后的光信号。
优选地，所述布拉格光栅通过cmos工艺制作于所述微环谐振腔上。
优选地，所述微环谐振腔的Input端与所述第一耦合结构耦合，所述微环谐振腔的Through端与第一楔形波导相连。
优选地，所述布拉格光栅位于在所述微环谐振腔的Drop端的波导上，所述微环谐振腔的Input端与所述第一耦合结构耦合。
优选地，所述微环谐振腔的Through端和add端分别与第一楔形波导和第二楔形波导相连。
优选地，所述第一边缘耦合器通过第一波导与所述相移器连接，所述相移器通过第二波导与所述第一耦合结构连接，所述第一耦合结构通过第三波导与所述微环谐振腔连接，所述第一耦合结构还通过第四波导与所述光输出结构连接。
优选地，所述第一波导、所述第二波导、所述第三波导和所述第四波导的材质为硅、氮化硅、二氧化硅或铌酸锂。
优选地，所述半导体激光器为分布式反馈半导体激光器或分布布拉格反射半导体激光器；
所述半导体激光器的光输出端具有低反射率薄膜，所述低反射率薄膜的反射率≤0.1％；所述光输出端的相对端具有高反射率薄膜，所述高反射率薄膜的反射率≥90％；
所述激光器的增益波长位于c波段。
优选地，所述微环谐振腔上连接有热电极，所述热电极用于调整所述微环谐振腔的折射率和所述布拉格光栅的反馈光强度。
优选地，所述光输出结构包括第二边缘耦合器和第三边缘耦合器，
所述第三边缘耦合器与所述第一耦合结构通过第五波导连接；所述第三边缘耦合器用于与监测设备对接耦合；
所述第二边缘耦合器、所述相移器、所述第一耦合结构、所述微环谐振腔、所述布拉格光栅、所述第二边缘耦合器和第三边缘耦合器均封装在硅基芯片中；
所述半导体激光器与所述硅基芯片通过第一边缘耦合器端面耦合的方式进行对准并封装在一起，第二边缘耦合器和第三边缘耦合器设置在所述硅基芯片远离所述半导体激光器的一端。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
上述技术方案中所提供的基于硅基布拉格光栅的混合集成激光器，在半导体激光器和布拉格光栅之间加入微环谐振腔，利用微环谐振腔进行光频率的选择和调节，亦同时利用布拉格光栅将符合微环谐振腔谐振频率的光信号反射回半导体激光器，通过自注入反馈技术，使得半导体激光器能够实现频率锁定状态，同时布拉格光栅使得腔内损耗降低，亦实现一个高品质因数的腔，从而实现单个激光器的线宽压窄。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例一的混合集成激光器的结构示意图。
图2为本发明实施例二的混合集成激光器的结构示意图。
附图标记说明：
1、半导体激光器；11、高反射率薄膜；12、低反射率薄膜；2、硅基芯片；21、第一波导；22、第二波导；23、第三波导；24、第四波导；25、第五波导；3、第一边缘耦合器；4、相移器；5、第一耦合结构；6、微环谐振腔；61、Drop端；62、Input端；63、Through端；64、Add端；65、第一楔形波导；66、第二楔形波导；67、热电极；7、布拉格光栅；8、第二边缘耦合器；9、第三边缘耦合器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如附图1所示的实施例一中，本发明实施例的基于硅基布拉格光栅的混合集成激光器，包括半导体激光器1、第一边缘耦合器3、相移器4、第一耦合结构5、微环谐振腔6、布拉格光栅7和光输出结构。
半导体激光器1具有反射模块，用于提供种子光源，可为分布式反馈半导体激光器1或分布布拉格反射半导体激光器1；其中的反射模块可为高反射率薄膜11，即半导体激光器1的光输出端具有低反射率薄膜12，反射率≤0.1％，光输出端的相对端具有高反射率薄膜11，高反射率薄膜11的反射率≥90％。
优选地，本实施例的半导体激光器1的增益波长位于c波段，采用III-V半导体材料通过量子阱或量子点工艺实现，以获得应用范围广的波长，使得激光器的应用范围更广。
如附图1所示，第一边缘耦合器3、相移器4、第一耦合结构5、微环谐振腔6、布拉格光栅7和光输出结构均封装在硅基芯片2中，光输出结构包括第二边缘耦合器8，半导体激光器1与硅基芯片2通过第一边缘耦合器3端面耦合的方式进行对准并封装在一起，第二边缘耦合器8设置在硅基芯片2远离半导体激光器1的一端。本实施例的混合集成激光器，通过在硅基工艺平台实现外腔芯片的片上集成，达到优良的抗振性能以及机械稳定性能，能够小尺寸以及低成本的窄线宽激光器。
如附图1所示，第一边缘耦合器3为硅基芯片2的光输入端，用于将半导体激光器1的部分光信号耦合进入后续的相移器4；具体的，第一边缘耦合器3的左端与半导体激光器1端面耦合，右端与第一波导21耦合。
相移器4的左端与第一波导21连接，用于调节自第一边缘耦合器3输入的光信号的相位；相移器4的作用还在于对反馈回半导体激光器1的光进行相位调节。
相移器4的右端与第二波导22连接，第二波导22与第一耦合结构5连接，第一耦合结构5可为定向耦合器，其作用在于，将来自半导体激光器1的光信号分为两部分，一部分用于输出，另一部分光用于反馈，输出光为半导体激光器1实现自注入锁定的光信号；而后第一耦合结构5通过第三波导23直接与微环谐振腔6耦合，将光信号输入后续的微环谐振腔6，还用于将自微环谐振腔6输出的光信号输回半导体激光器1。
作为优选地，第一耦合结构5的耦合系数为0.1，使得大部分光输出，少部分光用于反馈，经验证0.1是一个较为平衡的值。
如附图1所示，微环谐振腔6与第一耦合结构5耦合，用于将自第一耦合结构5输入的光信号调整为微环谐振腔6的谐振频率的光信号；同时，布拉格光栅7与微环谐振腔6联动，用于将符合微环谐振腔6的谐振频率的光信号反射回半导体激光器1；本实施例中，布拉格光栅7形成在微环谐振腔6的Drop端61的波导上，可通过cmos工艺制作在波导上，并与微环谐振腔6的Drop端61连接，微环谐振腔6的Input端62与第一耦合结构5耦合，符合谐振腔谐振频率的光耦合进微环谐振腔6，再经过布拉格光栅7反射回半导体激光器1，返回光的频率可通过对布拉格光栅7以及微环谐振腔6的热调谐进行改变，当返回的光频率符合锁定条件时，形成自注入锁定，从而实现线宽压窄的效果，生成窄线宽激光，而光输出结构通过第四波导24与第一耦合结构5连接，用于输出半导体激光器1实现自注入锁定后的光信号。
本实施例将布拉格光栅7设置与微环谐振腔6外部，相比于将光栅制作于III-V材料上,制作工艺更简单。
微环谐振腔6上连接有热电极67，热电极67用于调整微环谐振腔6的折射率和布拉格光栅7的反馈光强度，具体的，通过加热热电极67来调谐微环谐振腔6的折射率，进而调节微环谐振腔6波长和谐振频率；布拉格光栅7上还设有另一热电极，用于通过温度变化影响布拉格光栅7的反射率和反射波长，进而影响布拉格光栅7的反馈光强度，当反馈光强度调节到最佳，噪声压制效果将最好，即线宽最小，由schawlow-townes线宽公式可知，光强度越大，线宽越窄。
本实施例中，第一波导21、第二波导22、第三波导23和第四波导24的材质为硅、氮化硅、二氧化硅或铌酸锂。
本实施例中，微环谐振腔6还具有Through端63和Add端64，Through端63和Add端64分别与第一楔形波导65和第二楔形波导66相连，以防止由Through端63和Add端64传输的光反射回微环谐振腔6，干扰半导体激光器1注入至微环谐振腔6中的光。
基于本实施例的混合集成激光器的结构，其工作过程如下：对分布式反馈半导体激光器1注入阈值以上的一定值的电流，使得分布式反馈半导体激光器1发射出一定频率的光，分布式反馈半导体激光器1发射出的光经过第一边缘耦合器3耦合进硅基芯片2，经过第一波导21，第二波导22，以及第一耦合结构5，符合谐振腔谐振频率的光耦合进微环谐振腔6，再经过布拉格光栅7反射回分布式反馈半导体激光器1，反馈光的频率可通过对布拉格光栅7以及微环谐振腔6的热调谐进行改变，当反馈光的光频率符合锁定条件时，形成自注入锁定，从而实现线宽压窄的效果，生成的窄线宽激光通过第一耦合结构5，第四波导24以及第二边缘耦合器8对外输出。
本实施例中，光输出结构还包括第三边缘耦合器9，用于与外部的监测设备对接耦合，监测反射光的光谱，第三边缘耦合器9与第一耦合结构3通过第五波导25连接，并设置在硅基芯片2远离半导体激光器1的一端，通过与外部的监测设备对接耦合，实现对反射光的监测，以保证窄线宽激光器输出的光的性能。
如附图2所示的实施例二，与实施例一的区别在于，布拉格光栅通过cmos工艺制作于微环谐振腔6上，具体的，微环谐振腔6的一侧设有热电极67，布拉格光栅形成在未设置热电极67的另一侧，由此布拉格光栅与微环谐振腔集成在一起，无需额外的波导，也减少了光信号损耗，从而实现一个更高品质因数的腔，且连接方式更为简单，所用的材料更少，成本更低。
微环谐振腔6和布拉格光栅7上分别连接有热电极，热电极用于调整微环谐振腔6的折射率和布拉格光栅7的反馈光强度，具体的，通过加热微环谐振腔上的热电极67来调谐微环谐振腔6的折射率，进而调节微环谐振腔6波长和谐振频率，本实施例中，布拉格光栅7上还设有另一热电极，用于通过温度变化影响布拉格光栅7的反射率和反射波长，进而影响布拉格光栅7的反馈光强度，当反馈光强度调节到最佳，噪声压制效果将最好，即线宽最小，由schawlow-townes线宽公式可知，光强度越大，线宽越窄。
本实施例的微环谐振腔6仅具有Input端62和Through端63，Input端62与第一耦合结构5耦合，符合谐振腔谐振频率的光耦合进微环谐振腔6，再经过布拉格光栅7反射回半导体激光器1，返回光的频率可通过对布拉格光栅7以及微环谐振腔6的热调谐进行改变，当返回的光频率符合锁定条件时，形成自注入锁定，从而实现线宽压窄的效果，生成的窄线宽激光，而光输出结构通过第四波导24与第一耦合结构5连接，用于输出半导体激光器1实现自注入锁定后的光信号。Through端63与第一楔形波导65相连，以防止由Through端63传输的光反射回微环谐振腔6，干扰半导体激光器1注入至微环谐振腔6中的光。本实施例的其他结构与实施例一相同，在此不再赘述。
基于本实施例的混合集成激光器的结构，其工作过程如下：对分布式反馈半导体激光器1注入阈值以上的一定值的电流，使得分布式反馈半导体激光器1发射出一定频率的光，分布式反馈半导体激光器1发射出的光经过第一边缘耦合器3耦合进硅基芯片2，经过第一波导21，第二波导22，以及第一耦合结构5，符合谐振腔谐振频率的光耦合进微环谐振腔6的Input端，再经过布拉格光栅7反射回分布式反馈半导体激光器1，反馈光的频率可通过对布拉格光栅7以及微环谐振腔6的热调谐进行改变，当反馈光的光频率符合锁定条件时，形成自注入锁定，从而实现线宽压窄的效果，生成的窄线宽激光通过第一耦合结构5，第四波导24以及第二边缘耦合器8对外输出。
本实施例中，光输出结构还包括第三边缘耦合器9，用于与外部的监测设备对接耦合，监测反射光的光谱，第三边缘耦合器9与第一耦合结构3通过第五波导25连接，并设置在硅基芯片2远离半导体激光器1的一端，通过与外部的监测设备对接耦合，实现对反射光的监测，以保证窄线宽激光器输出的光的性能。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种基于硅基布拉格光栅的混合集成激光器，其特征在于，包括：
半导体激光器，具有反射模块，用于提供种子光源；
第一边缘耦合器，用于将所述半导体激光器的部分光信号耦合进入后续的相移器；
所述相移器，用于调节自所述第一边缘耦合器输入的光信号的相位；
第一耦合结构，分别与所述相移器、后续的微环谐振腔和光输出结构耦合对接，用于将自所述相移器输入的光信号部分输入所述微环谐振腔；还用于将所述半导体激光器实现自注入锁定的光信号输入所述光输出结构；
微环谐振腔，用于将自所述第一耦合结构输入的光信号调整为谐振腔谐振频率的光信号；
布拉格光栅，与所述微环谐振腔联动，用于将符合谐振腔谐振频率的光信号反射回所述半导体激光器；
所述半导体激光器还用于基于反射回的光实现自注入锁定；
光输出结构，用于输出所述半导体激光器实现自注入锁定后的光信号。
2.如权利要求1所述的混合集成激光器，其特征在于，
所述布拉格光栅通过cmos工艺制作于所述微环谐振腔上。
3.如权利要求2所述的混合集成激光器，其特征在于，
所述微环谐振腔的Input端与所述第一耦合结构耦合，所述微环谐振腔的Through端与第一楔形波导相连。
4.如权利要求1所述的混合集成激光器，其特征在于，所述布拉格光栅位于在所述微环谐振腔的Drop端的波导上，所述微环谐振腔的Input端与所述第一耦合结构耦合。
5.如权利要求3所述的混合集成激光器，其特征在于，所述微环谐振腔的Through端和add端分别与第一楔形波导和第二楔形波导相连。
6.如权利要求1至5任一项所述的混合集成激光器，其特征在于，
所述第一边缘耦合器通过第一波导与所述相移器连接，所述相移器通过第二波导与所述第一耦合结构连接，所述第一耦合结构通过第三波导与所述微环谐振腔连接，所述第一耦合结构还通过第四波导与所述光输出结构连接。
7.如权利要求6所述的混合集成激光器，其特征在于，所述第一波导、所述第二波导、所述第三波导和所述第四波导的材质为硅、氮化硅、二氧化硅或铌酸锂。
8.如权利要求1至5任一项所述的混合集成激光器，其特征在于，
所述半导体激光器为分布式反馈半导体激光器或分布布拉格反射半导体激光器；
所述半导体激光器的光输出端具有低反射率薄膜，所述低反射率薄膜的反射率≤0.1％；所述光输出端的相对端具有高反射率薄膜，所述高反射率薄膜的反射率≥90％；
所述激光器的增益波长位于c波段。
9.如权利要求8所述的混合集成激光器，其特征在于，所述微环谐振腔和布拉格光栅上分别连接有热电极，所述热电极用于调整所述微环谐振腔的折射率和所述布拉格光栅的反馈光强度。
10.如权利要求9所述的混合集成激光器，其特征在于，
所述光输出结构包括第二边缘耦合器和第三边缘耦合器，
所述第三边缘耦合器与所述第一耦合结构通过第五波导连接；所述第三边缘耦合器用于与监测设备对接耦合；
所述第二边缘耦合器、所述相移器、所述第一耦合结构、所述微环谐振腔、所述布拉格光栅、所述第二边缘耦合器和第三边缘耦合器均封装在硅基芯片中；
所述半导体激光器与所述硅基芯片通过第一边缘耦合器端面耦合的方式进行对准并封装在一起，第二边缘耦合器和第三边缘耦合器设置在所述硅基芯片远离所述半导体激光器的一端。
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