WO2017000511A1 - 波长可调谐外腔激光器及可调光发射模块 - Google Patents

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傅焰峰
唐毅
张玓
李世瑜
汤学胜
钱坤
马卫东
胡强高
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Abstract

一种波长可调谐外腔激光器，包括半导体光放大器芯片（9）和激光器外腔，所述激光器外腔包括栅格滤波器（7）、相位调整器（6）和硅基微环芯片（1）；其中，所述栅格滤波器（7）与所述硅基微环芯片（1）组成并一个波长可调谐的光滤波器，通过所述栅格滤波器（7）和/或所述硅基微环芯片（1）的谱线调谐来实现其所组成的光滤波器的波长调谐。该可调谐外腔激光器的硅基微环芯片（1）中的微环滤波器采用成熟的硅光技术制作，可以极大的降低可调滤波器的制作难度，降低器件的制作成本，可以利用现有的外腔可调激光器技术平台平滑过渡，提高该类型器件的集成度，简化制备工艺。

Description

波长可调谐外腔激光器及可调光发射模块 技术领域
本发明涉及一种激光发射器件，尤其涉及一种波长可调谐外腔激光器以及可调光发射模块的实现方法，具体地说，涉及一种混合集成的基于硅基波导微环的外腔可调激光器。该激光器可用于多波长光通信网以及相干光通信系统。
背景技术
外腔可调激光器因具有窄线宽(小于100kHz)、优良的边摸抑制比(大于45dB)、宽波长调谐范围(大于40nm)等特性已成为100Gbit/s及以上相干波分光通信系统发送端光源和接收端本振激光器的主流选择。
另外，在使用波分复用无源光网络(Wavelength division multiplexing-passive optical network,WDM-PON)以及混合时分-波分复用无源光网络(Time and wavelength division multiplexing-passive optical network TWDM-PON)技术的接入网业务中同样需要使用多波长可调谐的光发送模块。
随着用户对模块尺寸和功耗的要求愈发严苛，采用混合集成或者集成方案的光模块因为能够在保证发射性能的基础上有效地降低功耗，缩小器件及模块尺寸而受到了广泛关注。特别是近几年，硅基光电芯片技术由于具有和CMOS工艺兼容的特点正在光通信领域得到前所未有的重视，已经逐渐从实验室阶段往商用转换。由于硅属于间接带隙材料，本身很难产生激光，因此如果使用硅基光电技术制作激光器，则一般是使用三五族半导体增益芯片和硅基芯片的混合集成的方式。
中国专利申请公布文件CN 103904555A中公开了一种可用于TWDM-PON系统的可调激光器以及实现可调激光器的方法。其中，FP(法布里波罗)激光器输出的多纵模激光信号进入微环滤波器，调整微环谐振频率与FP输出多纵模相匹配，并将该所选纵模的光信号分两路，一路输入FP激光器进行注入锁定锁模，另一路作为输出光信号。但是该类型激光器的输出光信号波长由FP激光器自由光谱范围决定，与ITU-T规定的波长通道值难以精确对准；采用注入锁定方案所产生的多FP腔效应在光功率稳定性上也存在问题。
发明内容
本发明的目的是通过一种尽可能简单的结构，实现一种既具有宽波长范围多通道调谐功 能，同时又具有单通道光信号窄线宽和低的强度和相位噪声特性的可调激光器技术。
本发明的目的是这样实现的：
1、半导体光放大器芯片提供宽带增益，对外腔优选反馈的纵模提供放大。根据不同的应用可选择性地在芯片另一侧提供稳定的单纵模光信号输出。
2、栅格滤波器与微环滤波器组合成的可调滤波器，通过游标效应实现需要的波长所对应外腔纵模选择反馈。
3、光路中加入可调的相位元件实现波长的精确对准以及波长锁定功能实施。
4、微环滤波器通过透镜耦合实现管芯与硅基芯片波导模斑的匹配，保证自由空间光到波导传输的低损耗。
5、硅基芯片上的MZI一端可以作为调制后的光信号输出，实现了激光器与调制器的集成。
本发明提供了一种波长可调谐外腔激光器，包括半导体光放大器芯片和激光器外腔，所述激光器外腔包括栅格滤波器、相位调整器和硅基微环芯片；其中，所述栅格滤波器与所述硅基微环芯片组成并一个波长可调谐的光滤波器，通过所述栅格滤波器和/或所述硅基微环芯片的谱线调谐来实现其所组成的光滤波器的波长调谐。
在上述技术方案中，所述半导体光放大器芯片在注入电流后产生受激辐射，所述半导体光放大器芯片的出光端面一端镀AR膜、另一端镀HR膜，其增益区为斜直线波导或者弧线波导的半导体增益放大器。
在上述技术方案中，所述半导体光放大器芯片是两端都镀反射膜的激光管芯。
在上述技术方案中，所述栅格滤波器为固定栅格滤波器或可调栅格滤波器。
在上述技术方案中，所述硅基微环芯片和所述相位调整器之间通过第一透镜进行耦合；所述半导体光放大器芯片和栅格滤波器之间通过第二透镜进行耦合。
在上述技术方案中，所述栅格滤波器的自由光谱范围(Free spectral range，FSR)为25GHz、50GHz或者其它DWDM的通道间隔频率。
在上述技术方案中，所述相位调整器为是带热调和/或电调功能的改变光程的光学元件。
在上述技术方案中，所述栅格滤波器是法布里波罗栅格滤波器，所述法布里波罗栅格滤波器为带温度探测和区域加热金属薄膜的硅标准具，用于形成固定的栅格周期谱线。
在上述技术方案中，所述硅基微环芯片包括分束耦合器和微环环形波导；所述分束耦合器公共端作为耦合入光口和谐振后回光出口、分束耦合器的两个分光光口与微环环形波导的一侧的两个端口相接，该两端口任意一个与另一个互为drop端与in端。
在上述技术方案中，所述微环环形波导中设置有实现自由载流子浓度控制的结构，利用 硅的等离子色散效应实现所述微环环形波导谐振峰的调谐；和/或，所述微环环形波导周围设置有加热薄膜电阻，通过改变所述微环环形波导的温度实现所述微环环形波导谐振峰的调谐。
在上述技术方案中，所述硅基微环芯片包括第一分束耦合器、微环环形波导、第二分束耦合器和硅基MZI调制器；产生的激光从第一分束耦合器进入微环环形波导后由微环环形波导的两个through端输出，两路光信号经第二分束耦合器合波后进入MZI调制器，调制后的激光在MZI调制器的后端输出。
在上述技术方案中，所述微环环形波导和MZI调制器中设置有实现自由载流子浓度控制的结构，利用硅的等离子色散效应实现所述微环环形波导谐振峰的调谐和MZI调制器的强度调制；和/或，所述微环环形波导和MZI调制器周围设置有加热薄膜电阻，通过改变所述微环环形波导和MZI调制器的温度可以分别实现所述微环环形波导谐振峰和MZI调制器偏置工作点的调谐。
本发明具有以下优点和积极效果：
①混合集成的硅基微环的外腔可调谐激光器相比于其他自由空间光学方案，具有同等优良的输出特性以及调谐范围特性外，还易于集成其他功能，该方案拓展了外腔可调谐激光器的应用范围。
②采用微环滤波器实现可调谐功能，可以在传统的外腔激光器制造工艺上直接升级换代。
③微环滤波器和调制器等核心元件采用传统集成电路的CMOS工艺制备，具有成本低廉、成品率高、易于批量制作等优点。
④硅基制作的波导器件尺寸小，相应的调谐功耗低，有利于小型化的光模块制作。具有广阔的应用前景。
附图说明
图1—根据本发明设计的微环滤波器与栅格滤波器的谱线关系示意。
图2—根据本发明设计的微环滤波器与栅格滤波器合成的滤波器选模的原理性示意。
图3—根据本发明设计的硅基外腔可调谐激光器的实施例。
图4—根据本发明设计的集成外调制器的可调谐发送模块的光路结构图。
图5—根据本发明设计的硅基外腔可调谐激光器的又一实施例。
图6—根据本发明设计所实施例的实测眼图。
其中：
1—硅基微环芯片；
2—微环环形波导
3—加热电阻
4—1×2的分束耦合器；
5—透镜；
6—相位调整器
7—法布里波罗栅格滤波器；
8—外腔耦合透镜
9—半导体光放大器芯片；
10—输出端透镜；
11—光隔离器；
12—光电探测器；
13—分光片；
14—准直器；
15—1×2的分束耦合器
16—MZI调制器
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明。
图3为硅基外腔可调谐激光器的一个具体实施实例，该硅基外腔可调谐激光器包含有半导体光放大器芯片9，注入电流后产生受激辐射；法布里波罗栅格滤波器7、相位调整器6和硅基微环芯片1共同构成了激光器的外腔，硅基微环芯片1与半导体光放大器芯片9的左侧端面为该激光器的两个反馈端面。
该半导体光放大器芯片9的出光端面一端镀AR膜、另一端镀HR模，其增益区为斜直线波导或者弧线波导的半导体增益放大器。
该相位调整器6是带热调和/或电调功能的改变光程的光学元件。
光隔离器11，阻止输出光路上的端面反射光；分光片13、光电探测器12和准直器14构成该硅基外腔可调谐激光器的耦合输出部分。硅基微环芯片1和相位调整器6之间设置有透镜5，半导体光放大器芯片9两端分别设置有外腔耦合透镜8和输出端透镜10，以进行光路耦合对准。半导体光放大器芯片9右侧端面的出射光线通过外腔耦合透镜8准直后依次经过法布里波罗栅格滤波器7、相位调整器6后经透镜5聚焦耦合进硅基微环芯片1，光经硅基微环芯片1的微环环形波导2自环反射后沿输入路径返回至半导体光放大器芯片9，反馈 光又经半导体光放大器的左侧端面反射，进而构成了该激光器的多纵模振荡，法布里波罗栅格滤波器7和硅基微环芯片1共同选模形成激射，激射的光信号从半导体光放大器芯片9的左侧端面输出。
法布里波罗栅格滤波器7为带温度探测和区域加热金属薄膜的硅标准具，具体为采用光学冷加工制作的硅片与带加热金属薄膜的陶瓷片制作的组件，用于形成固定的栅格周期谱线，通过温度探测和加热金属薄膜实现对硅标准具温度的反馈控制，由此可以通过温度对法布里波罗栅格滤波器7的滤波谱线进行微调以使谐振峰值对准ITU-T规定的波长值。
硅基微环芯片1是一种波导结构，集成了分束耦合器4、微环环形波导2和加热电阻3；分束耦合器4的公共端作为耦合入光口和谐振后回光出口、分束耦合器的两个分光光口与微环环形波导2的一侧的两个端口相接，该两端口任意一个与另一个互为drop端与in端。微环环形波导2作用为微环滤波器，1×2的分束耦合器4的作用是使微环环形波导2的入光与drop端形成回路，并形成该硅基外腔可调谐激光器的反馈。
硅基微环芯片1中的硅基微环环形波导2中设置有实现自由载流子浓度控制的结构，利用硅的等离子色散效应可以实现微环环形波导2谐振峰的电可控调谐，由此称为电控调谐方式。微环环形波导2周围还可进一步设置有加热温控装置，即加热电阻3，通过加热电阻3的温度变化来调谐微环环形波导2的温度也可以使谐振峰移动，由此称为热控调谐方式。对于上述硅基微环芯片1周期性谱线的两种调谐方式，电控调谐方式的响应速率快但调谐范围小，用于精调；热控调谐方式的响应速率相对慢但范围大，用于粗调。
在外腔部分中法布里波罗栅格滤波器7与硅基微环芯片1共同组成并实现一个波长可调谐的光滤波器。如图1所示，硅基微环芯片1产生的周期性的谱线为谱线1，如图1中虚线所示，其自由光谱范围为FSR1；栅格滤波器产生的周期性的滤波谱线为谱线2，如图1中实线所示，其自由光谱范围为FSR2。图1中假定两谱线在位置a处重合，位置b和位置c则是光谱下一次重合的位置。设位置a与b、a与c的距离为FSR3，则FSR3与FSR2和FSR1有如下关系：
INT(FSR3)＝(FSR1*FSR2)/ABS(FSR2-FSR1)。
固定其中任一谱线，调谐另一谱线可以实现固定的滤波器的栅格对准。当两个谱线的调谐量同步时，可实现合成滤波谱线的整体平移。法布里波罗栅格滤波器7与硅基微环芯片1的具体调谐方式可根据不同的应用需求对前述方式进行选择。通过法布里波罗栅格滤波器7与硅基微环芯片1的谱线调谐来实现其所共同组成的光滤波器的波长调谐。
在本实施例中FSR1＝50.45Ghz，微环环形波导2的直径依据FSR1的大小进行选择。
图2为该实例在可调谐滤波器实现外腔模式选模的原理示意，谱线3为图1中栅格滤波 器7与硅基微环芯片1所组成的光滤波器的合成光谱，谱线4为半导体光放大器芯片9的增益谱，谱线5为外腔的驻波谱线。所组成的光滤波器的自由光谱范围较大，位置b和位置c处对应的增益较小，只有位置a处的纵模可以获得增益，形成激光输出。调谐栅格滤波器7与硅基微环芯片1所组成的光滤波器的合成滤波谱线，可选中其它位置的纵模激射，从而实现了激光器的波长调谐。
图4是实施的另外一种结构的硅基微环芯片，可以用其来替代图3中硅基微环芯片1，利用微环的drop端光谱滤波，与反射环一起构成反馈回路。该结构中的反射环若设计成调谐功能可以替代外腔中的相位调整器6，并实现了自由调节外腔腔长的作用。
图5为本发明的又一个具体实施实例，图中的可调谐激光器外腔部分设计与图3完全一致，不同的是硅基微环芯片上集成了微环环形波导2与MZI调制器16，外腔产生的激光从1×2的分束耦合器4进入微环环形波导2后由微环环形波导2的两个through端输出，两路光信号经1×2的分束耦合器15合波进入MZI调制器16，调制后的光信号在MZI调制器16的后端输出，光电探测器12置于半导体光放大器芯片管芯的左侧作为背光检测。
微环环形波导2和MZI调制器16中设置有实现自由载流子浓度控制的结构，利用硅的等离子色散效应实现微环环形波导2谐振峰的调谐和MZI调制器16的强度调制。微环环形波导2和MZI调制器16周围设置有加热电阻3，通过改变微环环形波导2和MZI调制器16的温度可以分别实现微环环形波导2谐振峰的调谐和MZI调制器16偏置工作点的调谐。
根据图5所实施实例的单波长速率25Gbit/s的实测眼图如图6所示，表明该结构可以实现波长可调谐的高速强度调制光信号输出。。
虽然本发明已经详细示例并描述了相关的特定实施例做参考，但对本领域的技术人员来说，在阅读和理解了该说明书和附图后，在不背离本发明的思想和范围上，可以在耦合对准装置的结构和制作细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。

Claims (12)

  1. 一种波长可调谐外腔激光器，其特征在于：包括半导体光放大器芯片(9)和激光器外腔，所述激光器外腔包括栅格滤波器(7)、相位调整器(6)和硅基微环芯片(1)；其中，所述栅格滤波器(7)与所述硅基微环芯片(1)组成并一个波长可调谐的光滤波器，通过所述栅格滤波器(7)和/或所述硅基微环芯片(1)的谱线调谐来实现其所组成的光滤波器的波长调谐。
  2. 如权利要求1所述的一种波长可调谐外腔激光器，其特征在于，所述半导体光放大器芯片(9)在注入电流后产生受激辐射，所述半导体光放大器芯片(9)的出光端面一端镀AR膜、另一端镀HR膜，其增益区为斜直线波导或者弧线波导的半导体增益放大器。
  3. 如权利要求1所述的一种波长可调谐外腔激光器，其特征在于，所述半导体光放大器芯片(9)是两端都镀反射膜的激光管芯。
  4. 如权利要求4所述的一种波长可调谐外腔激光器，其特征在于：所述栅格滤波器(7)为固定栅格滤波器或可调栅格滤波器。
  5. 如权利要求1所述的一种波长可调谐外腔激光器，其特征在于：所述硅基微环芯片(1)和所述相位调整器(6)之间通过第一透镜(5)进行耦合；所述半导体光放大器芯片(9)和栅格滤波器(7)之间通过第二透镜(8)进行耦合。
  6. 如权利要求1－5中任一项所述的一种波长可调谐外腔激光器，其特征在于，所述栅格滤波器的自由光谱范围(FSR)为25GHz、50GHz或者其它DWDM的通道间隔频率。
  7. 如权利要求1－6中任一项所述的一种波长可调谐外腔激光器，其特征在于：所述相位调整器(6)为是带热调和/或电调功能的改变光程的光学元件。
  8. 如权利要求1－7中任一项所述的一种波长可调谐外腔激光器，其特征在于：所述栅格滤波器(7)是法布里波罗栅格滤波器，所述法布里波罗栅格滤波器为带温度探测和区域加热金属薄膜的硅标准具，用于形成固定的栅格周期谱线。
  9. 如权利要求1－8中任一项所述的一种波长可调谐外腔激光器，其特征在于：所述硅基微环芯片(1)包括分束耦合器(4)和微环环形波导(2)；所述分束耦合器公共端作为耦合入光口和谐振后回光出口、分束耦合器的两个分光光口与微环环形波导(2)的一侧的两个端口相接，这两个端口中的任意一个与另一个互为drop端与in端。
  10. 如权利要求9所述的一种波长可调谐外腔激光器，其特征在于：所述微环环形波导(2)中设置有实现自由载流子浓度控制的结构，利用硅的等离子色散效应实现所述微环环形波导(2)谐振峰的调谐；和/或，所述微环环形波导(2)周围设置有加热薄膜电阻，通过改变所述微环环形波导(2)的温度实现所述微环环形波导(2)谐振峰的调谐。
  11. 如权利要求1－8中任一项所述的一种波长可调谐外腔激光器，其特征在于：所述 硅基微环芯片(1)包括第一分束耦合器(4)、微环环形波导(2)、第二分束耦合器(15)和硅基MZI调制器(16)；产生的激光从第一分束耦合器(4)进入微环环形波导(2)后由微环环形波导(2)的两个through端输出，两路光信号经第二分束耦合器(15)合波后进入MZI调制器(16)，调制后的激光在MZI调制器(16)的后端输出。
  12. 如权利要求9所述的一种波长可调谐外腔激光器，其特征在于：所述微环环形波导(2)和MZI调制器(16)中设置有实现自由载流子浓度控制的结构，利用硅的等离子色散效应实现所述微环环形波导(2)谐振峰的调谐和MZI调制器(16)的强度调制；和/或，所述微环环形波导(2)和MZI调制器(16)周围设置有加热薄膜电阻，通过改变所述微环环形波导(2)和MZI调制器(16)的温度分别实现所述微环环形波导(2)谐振峰和MZI调制器(16)偏置工作点的调谐。
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