基于相位耦合反射光栅反馈的波长可调谐激光器

摘要

本发明公开了一种基于相位耦合反射光栅反馈的波长可调谐激光器，包括有源增益芯片，无源光子芯片，有源增益芯片和无源光子芯片内各具有光波导，两个芯片经波导芯耦合对接；无源光子芯片上的波导包括激光相位控制部分和复合波导反射镜部分；复合波导反射镜部分依次包含第一反射镜区段、相位耦合区段和第二反射镜区段，每个区段均设有对应的用于改变波导折射率的电极；通过择一或同时改变第一反射镜区段、第二反射镜区段的波导折射率，两个反射镜区段的反射峰分布的波长位置随之改变。本发明可以持续地或有选择地改变输出波长，实现激光输出波长的步幅式或连续式调谐，并可覆盖很宽的波长范围。

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器，特别涉及一种基于相位耦合反射光栅反馈的波长可调谐激光器。

背景技术

波分复用技术（WDM）在光纤光通讯系统中已广泛应用。波分复用的光电转调器包含一个激光器，一个调制器，一个接收器和相关的电子设备。波分复用转换器的运行可通过一个近红外波长在1550nm 的固定波长激光器实现。由于很易于操作和高度可靠性，分布反馈式（DFB）激光器在波分复用传输系统广泛地应用。在DFB激光器中，提供光学反馈的衍射光栅位于整个增益共振腔的上方，这样激光会在固定波长下获得一个稳定的单模振荡。并且，在低数字速率的信息传输也可通过直接对DFB激光器调制实现。

波分多路系统的构成实施是通过在每个ITU（国际电信联盟）规定的每一波长通道格点上使用一个激光器。然而，DFB激光器不具有较宽的波长调谐范围，因此, 必须对每个波长使用不同的激光器，这便导致了昂贵的波长管理的成本，同时要求很大的余料库存来随时解决激光器故障等问题。

为了克服现有DFB激光器的这一缺点同时获得大范围波长单模运行，可调谐激光器应运而生。可调谐激光器就是单个激光器的波长变化可覆盖很多ITU规定的波长通道，并在应用中根据需要可随时变化到所需波长通道。因此，一个可调谐激光器可以为很多波长通道做光源备份，需要作为WDM转换器库存备件的激光器会大量减少。可调谐激光器还可在波分复用的定位中提供灵活的方案，即可以根据需要将某些波长通道从光网中添补加或移除。相应地，可调谐激光器可以帮助运营商在整个光纤网络中有效地进行波长管理。

可调谐激光器可以被大致分为两大类：一类的调谐机制由激光器元件内部提供，另一类的调谐机制由激光器元件外提供。

传统的可调谐激光器方案的代表为DBR(分布布拉格反射镜)激光器，它的特点是产生增益的有源区和产生反射的DBR区在同一个激光元件中形成, 但是它的可调谐范围不宽, 一般不超过10nm。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于相位耦合反射光栅反馈的波长可调谐激光器，可以持续地或有选择地改变输出波长, 并可覆盖很宽的波长范围。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种基于相位耦合反射光栅反馈的波长可调谐激光器，包括用于产生宽带自发辐射光子的有源增益芯片，用于外腔反馈及产生可调谐波长的无源光子芯片，有源增益芯片和无源光子芯片内各具有光波导，两个芯片经波导芯耦合对接；无源光子芯片上的波导包括一个激光相位控制部分和复合波导反射镜部分，相位控制部分设有对应的用于改变波导折射率的电极；复合波导反射镜部分依次包含第一反射镜区段、相位耦合区段和第二反射镜区段，每个区段均设有对应的用于改变波导折射率的电极；

通过择一改变第一反射镜区段、或第二反射镜区段的波导折射率，两个反射镜区段的反射峰分布的波长位置随之改变；选择性地使两个反射镜区段的相应反射峰在某一波长处重叠，再改变相位耦合区段的波导折射率，使两个反射镜区段的相应反射峰在该重叠波长处获得相干相长的最大反射，并进一步调节激光相位控制部分，满足在该波长产生激光的位相条件, 实现在该波长的激光输出。

通过重复第一反射镜区段和第二反射镜区段的其余反射峰的重叠, 并相应调节相位耦合区段和激光相位部分, 从而实现激光输出波长的步幅式调谐。

在上述某一波长处于重叠的基础上，再同步改变两个反射镜区段和相位耦合区段的波导折射率，使上述重叠处两个反射峰的波长位置同步移动，产生波峰重叠处波长的连续变化，从而实现输出激光波长的连续式调谐。

本发明所述第一反射镜选用一个取样光栅或一个超结构光栅；所述第二反射镜由至少两个中心波长各不相同的波导布拉格光栅组合而成，第二反射镜区段的电极对应分设于每个波导布拉格光栅的波导上。

本发明所述第一反射镜由至少两个中心波长各不相同的波导布拉格光栅组合而成，第一反射镜区段的电极对应分设于每个波导布拉格光栅的波导上；所述第二反射镜选用一个取样光栅或一个超结构光栅。

本发明所述第一反射镜和第二反射镜均选用取样光栅或超结构光栅；第一反射镜和第二反射镜具有不同的梳状反射峰分布。

本发明所述第一反射镜由至少两个中心波长各不相同的波导布拉格光栅组合而成，第一反射镜区段的电极对应分设于每个波导布拉格光栅的波导上；所述第二反射镜也由至少两个中心波长各不相同的波导布拉格光栅组合而成，第二反射镜区段的电极对应分设于每个波导布拉格光栅的波导上；第一反射镜和第二反射镜具有不同的反射峰分布。

本发明所述相位控制部分位于增益芯片和复合波导反射镜部分之间。

本发明所述增益芯片与无源光子芯片的耦合端面镀有抗反射膜，增益芯片的另一端面镀有高反射膜。

本发明无源光子芯片上的波导相位控制部分和复合波导反射镜部分的电极设于波导芯的上包层的表面；或者设于波导芯两侧的波导包层表面。

本发明所述波导布拉格光栅的数量与取样光栅(SG)或超结构光栅(SSG)的梳状分布中的反射峰数量匹配；各波导布拉格光栅组成的反射峰波长分布和反射强度均接近于取样光栅(SG)或超结构光栅(SSG)的梳状反射峰。

与现有技术相比，该发明技术具有以下优点：

1) 本发明的激光器可通过操作无源光子芯片上反射光栅之间的两个光谱响应来进行波长选择，实现了较大范围激光输出波长的分步或连续调谐；

2) 由于光学调谐通过在芯片上的热或电效应实现, 不需要机械变动, 因此无移动元件； 

3) 本发明由于采用了外腔结构和较长的谐振腔, 保证了该激光器的线宽大大窄于传统可调谐DFB或DBR激光器，窄线宽是下一代40G/100相干通信的一种关键指标； 

4) 本发明由于芯片外腔结构, 避免了传统的微光元器件和工艺复杂的组装过程, 保证了该激光器可以采用微电子半导体工艺进行大规模生产, 具有明显的性能和价格优势。 

附图说明

图1为本发明具体实施方式一的俯视结构原理示意图；

      图2为图1中第一反射镜（实线）和第二反射镜（虚线）反射峰的波谱示意图；

      图3为经调谐后图2中其中一个反射峰重叠的波谱示意图；

      图4为本发明具体实施方式二的俯视结构原理示意图；

      图5 本发明具体实施方式三的俯视结构原理示意图；

     图6为图5中第一反射镜（实线）和第二反射镜（虚线）反射峰的波谱示意图；

      图7为经调谐后图6中其中一个反射峰重叠的波谱示意图；

     图8本发明具体实施方式四的俯视结构原理示意图；

图9为图8中第一反射镜（连线）和第二反射镜（符号线）反射峰的波谱示意图；

      图10为经调谐后图8中其中一个反射峰重叠的波谱示意图；

图11、图12为上述各实施例中无源光子芯片上电极位置横截面的结构原理示意图；

     图13为上述各实施例中无源光子芯片上光栅刻蚀处纵向剖视面的结构原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明具体实施方式一的俯视结构原理示意图，它包含一个有源增益芯片4，用于产生宽带自发辐射光子，作为激发光源；一个无源光子芯片5，作为外腔提供波长可调谐反馈，产生可调谐波长的激光输出。有源增益芯片和无源光子芯片的光波导上各具有一个波导心3、12；有源增益芯片4和无源光子芯片5的对接是通过将每个芯片上波导心3、12进行精确的光学对准达到最佳耦合来实现。增益芯片4的左、右端面镀有高反射膜2和抗反射膜1，无源光子芯片5光波导的两个端面15、16镀有抗反膜，激光将从无源光子芯片的右端面16离开反馈外腔。在镀膜改变的情况下，也可以从有源增益芯片左面发出激光，但是波导反射镜的反射率需要加大。

有源增益芯片4可由常用Ⅲ—Ⅴ化合物半导体材料InP系列来制成。有源增益芯片光波导芯上全部或部分覆盖有用于向有源区注入电子的金属电极31，通过电子-光子转换在某一中心波长附近产生宽带自发辐射光子，通过波导心3、12耦合传输到作为反馈外腔的无源光子芯片5。

无源光子芯片上的波导12包括一个激光相位控制部分10和一个复合波导反射镜部分，它们构成本发明可调谐激光器的外腔。激光相位控制部分10位于增益芯片和复合波导反射镜部分之间。复合波导反射镜由第一反射镜区段11，相位耦合区13，第二反射镜区段14构成；相位耦合部分13位于第一反射镜11和第二反射镜14的之间。

无源光子芯片5上的各个组成部分的波导上均带有局部对应的金属电极；金属电极用于改变其对应覆盖部分波导的折射率，可以通过金属电极发热改变温度，产生热-光效应而改变波导折射率；也可通过金属电极上电流的改变，产生电-光效应来进行改变波导折射率。无源光子芯片5中各部分波导上的金属电极对称设于该部分波导芯两侧的波导包层表面（如图9）；本实施例中，相位控制部分10的波导芯两侧对称设有金属电极6、6′，第一反射镜区段11的波导芯两侧对称设有金属电极7、7′，相位耦合区13的波导芯两侧对称设有金属电极8、8′，第二反射镜区段14上的金属电极要根据第二反射镜的组合来对应分设。另外，各金属电极放置位置也可以只设于波导芯的上包层的表面（如图10）。

无源光子芯片5上的激光相位控制部分10或相位耦合部分13是通过调节光子的光学路径的长度，即波导光的折射率和物理长度的乘积， 提供一个产生激光所需的相位条件。因此，可以通过对应覆盖的金属电极6、6′、8、8′发热改变温度而改变相位控制部分10或相位耦合部分13的波导折射率，满足相位条件。另外上述波导折射率也可通过对应覆盖的金属电极利用电-光效应来进行改变。上述激光相位控制部分10是用于提供一个产生激光所需的相位条件，它也可以设于有源增益芯片4内的波导上，也是可以达到同样的作用。

上述第一反射镜11采用取样光栅(SG)或超结构光栅(SSG)。取样光栅/超结构光栅的反射谱的特点是在较宽波长范围内有一个梳状的反射峰分布，相邻反射峰之间的波长间隔被称作自由光谱范围(FSR)。当对应覆盖的局部金属电极通过热- 光或电-光效应改变波导的光学折射率时，取样光栅/超结构光栅的反射波长将被调谐，即整个梳状反射光谱将相对于波长进行移动。取样光栅/超结构光栅具有合适的反射峰强度来给激光形成提供最佳反馈和适当的自由光谱范围以便它可以在波长调谐中完成。

上述第二反射镜14采用若干个反射波长各不相同的波导布拉格光栅组合而成，波导布拉格光栅的数量至少两个，具体可以根据调谐的需要来设定。通常一个波导布拉格光栅产生一个反射峰或两个反射峰，为利于更好的调谐，波导布拉格光栅的数量可以与取样光栅(SG)或超结构光栅(SSG)的梳状分布中的反射峰数量匹配，两者数量上的匹配关系可以是一个波导布拉格光栅对应一个梳状分布中的反射峰，如有五个梳状分布中的反射峰，就需五个反射波长各不相同的波导布拉格光栅；对于反射峰调谐范围比较大的波导布拉格光栅，也可以不同的数量比例，如一个波导布拉格光栅反射峰调谐范围可以覆盖梳状分布中的两个反射峰，如有八个梳状分布中的反射峰，就需四个反射波长各不相同的波导布拉格光栅; 反之亦然。另外，各波导布拉格光栅的反射峰波长分别接近于取样光栅(SG)或超结构光栅(SSG)的梳状反射峰分布中相应反射峰的波长。

布拉格光栅状反射峰的波长由以下通用关系决定：

  （1）

其中是布拉格光栅反射峰的波长，n_eff  是单模波导的有效折射率，是布拉格反射光栅的周期，由方程（1）可见，当波导折射率被改变时，布拉格光栅反射峰波长便可被调谐，因此，可以通过对应覆盖的金属电极来改变波导折射率，使其反射峰波长得到调谐。本实施例第二反射镜14采用具有各不相同中心波长的波导布拉格光栅141、142、143、144、145组合而成，每个布拉格光栅的波导芯两侧各对称分设金属电极91、91′、92、92′、93、     93′、94、94′、95、95′。

无源光子芯片5的波导材料应选用在折射率上具有较大热-光或电-光系数的材料，比如硅或聚合物材料等等，这样，可以对单模波导的折射率地进行有效的调谐。比如，绝缘体上硅结构(SOI) 上的硅波导就是实现调谐的很好选择。无源光子芯片中各个反射光栅可以刻蚀在SOI波导心上（如图11），然后覆盖包层。该波导本身具有很简单的结构，很容易利用现有成熟的微电子半导体硅工艺来进行生产。由于绝缘体上硅结构波导的折射率对比很高，与增益芯片中的波导接近, 因此, 在两个芯片的对接处, 也可以通过使它的波导光学模与增益芯片的波导光学模尽量匹配来获得最优的光学耦合。

如2所示，各波导布拉格光栅具有不同的反射峰20、22、24、26、28波长, 且每个波导布拉格光栅反射波长都分别接近相应取样光栅/超结构光栅的梳状反射峰21、23、25、27、29的波长。同时, 这些波导布拉格光栅的反射峰强度和相应取样光栅/超结构光栅的梳状反射峰强度也接近。

根据需要输出的波长，如选定的波导布拉格光栅一个反射峰26进行调谐，以实现反射峰26与取样光栅/超结构光栅的梳状反射中的相应反射峰27在波长上的重叠（如图3所示），再通过调节相位耦合区13来确保波导布拉格光栅反射峰26和相应的取样光栅/超结构光栅的梳状反射峰27的相干相长叠加在一起，保证了光子在该调谐波长具有最大增益，以保证复合波导反射镜在该重叠波长处给增益芯片4提供最强的反馈以产生激光。而第一反射镜11的取样光栅/超结构光栅的梳状反射谱中的其它反射峰21、23、25、29和第二反射镜中其它波导布拉格光栅的反射20、22、24、28由于强度不够会在激光过程竞争中被抑制不能产生激光。

接着调节激光相位控制区10，为波长调谐激光的产生提供一个相干的腔内往返相位条件，在该重叠处波长产生激光，激光将从无源光子芯片的右端面输出。通过重复第一反射镜区段和第二反射镜区段的其余不同波长处相应反射峰的重叠，如20和21；22和23；24和25；28和29； 并相应调节相位耦合区段和激光相位部分，可实现激光输出波长的步幅式调谐。

在上述波导布拉格光栅反射峰26和相应的取样光栅/超结构光栅的梳状反射峰27重叠的基础上，再同步改变两个反射镜区段和相位耦合区段的波导折射率，使上述重叠处两个反射峰的波长位置同步移动，产生波峰重叠处波长的连续调谐，由相位控制区10 为波长调谐激光的产生提供一个相干的腔内往返相位条件产生激光，从而实现输出激光波长的连续式调谐。

在具体使用中，可以根据产生波长的需要，先选中一对波长相近的波导布拉格光栅反射峰和取样光栅/超结构光栅梳状谱中的反射峰并实现波长重叠, 然后, 它们朝长波长方向同步、连续地调谐，直到完成取样光栅或超结构光栅的一个自由光谱范围。然后, 选下一对邻近的波导布拉格光栅和取样光栅/超结构光栅的梳状反射峰被选中并以相似的方式重复调谐过程，从而覆盖广泛的波长范围。

如图4所示，本发明实施方式二的结构原理图，本实施方式结构和实施例一基本相同，不同之处在于第一反射镜11由波导布拉格光栅111、112、113、114、115组合而成，第一反射镜区段的电极71、71′、72、72′、73、73′、74、74′、75、75′对称分设于每个波导布拉格光栅的波导芯两侧；第二反射镜14为一个取样光栅或一个超结构光栅；第二反射镜区段14的波导芯两侧对称设有金属电极9、9′。本实施方式激光产生机制和调谐机制与实施例一相同。

如图5所示，本发明实施方式三的结构原理图，本实施方式结构和实施例一基本相同，不同之处在于，第二反射镜14也是一个取样光栅或超结构光栅，第二反射镜区段14的波导芯两侧对称设有金属电极9、9′。如图6所示，第二反射镜与第一反射镜的取样光栅或超结构光栅的自由光谱范围不相同可以相接近；它们的对应梳状反射峰40、41；42、43；44、45；46、47；48、49有着相近的反射强度。

本实施例从两个反射镜的梳状反射谱选中一对波长相近的反射峰44、45来进行调谐。首先，通过微调其中一个反射镜，来实现选中的一对梳状反射峰44、45的反射波长重叠（如图7）。然后， 对相位耦合部分13进行调节以便使重叠的梳状反射峰的反射相干相长，光子在该波长产生最大的反馈和最低的损耗，而来自其它梳状反射峰的反馈由于强度不足不能产生激光。接着通过同步调谐两个重叠的梳状反射峰的波长, 并伴以相应的相位耦合及相位控制调节，也可实现激光器的激光波长的分步或连续调谐，整个调谐过程和实施例一是相同的。

如图8所示，本发明实施方式四的结构原理图，本实施方式结构和实施例一基本相同，不同之处在于，不同之处在于第一反射镜11由反射波长各不相同的波导布拉格光栅111、112、113组合而成，第一反射镜区段的电极71、71′、72、72′、73、73′对称分设于每个波导布拉格光栅的波导芯两侧；第二反射镜14由反射波长各不相同的波导布拉格光栅141、142、143组合而成，第二反射镜区段的电极91、91′、92、92′、93、93′对称分设于每个波导布拉格光栅的波导芯两侧。如图9所示，第一反射镜区段各布拉格光栅的反射峰61、63、65、67、69波长分布与第二反射镜区段各布拉格光栅的反射峰60、62、64、66、68波长分布不同，可以相接近；各对应反射峰60、61；62、63；64、65；66、67；68、69之间的强度相接近。

本实施例从两个反射镜的反射谱选中一对波长相近的反射峰62、63来进行调谐。首先，通过微调其中一个反射镜，来实现选中的一对反射峰62、63的反射波长重叠（如图10）。然后， 对相位耦合部分13进行调节以便使重叠的反射峰的反射相干相长，光子在该波长产生最大的反馈和最低的损耗，而来自其它反射峰的反馈由于强度不足不能产生激光。接着通过同步调谐两个重叠的反射峰的波长, 并伴以相应的相位耦合及相位控制调节，也可实现激光器的激光波长的分步或连续调谐，整个调谐过程和实施例一是相同的。

本发明的实施方式不限于此，根据上述内容，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等效修改、替换或变更，均可实现本发明目的。