一种基于阵列波导光栅的混合集成外腔可调激光器

摘要

本发明涉及一种基于阵列波导光栅的混合集成外腔可调激光器，由半导体增益管芯和光波导芯片端面耦合构成，光波导芯片包括阵列波导光栅和阵列波导反射可控组件，由输出端反射可控的阵列波导光栅芯片与半导体增益管芯构成谐振腔，通过改变反射可控组件的驱动条件实现激光器输出波长可调谐，输出波长由阵列波导光栅的各通道中心波长确定，利用阵列波导光栅实现标准ITU-T输出波长的准确控制，同时该结构激光器采用快速的阵列波导反射切换机制，可以实现激光器快速波长调谐切换功能。本发明提供的外腔可调激光器采用芯片耦合技术，相对于传统分立元件结构的外腔激光器具有模式稳定性好、结构简单、有利于大规模生产等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于阵列波导光栅的混合集成外腔可调激光器技术，具体 地说是一种采用半导体增益管芯与硅基光波导器件芯片混合集成的外腔可调谐 激光器实现技术方案，该发明的激光器可用于光通信技术领域。

背景技术

近几年，随着网络应用需求的不断增加，尤其是高清视频和高速数据业务 的迅速发展，对网络的带宽需求越来越高。现有通信系统正在向100Gbit/s，甚 至更高速率的400Gbit/s通信系统发展。在高速DWDM通信系统中，高性能的 可调谐激光器扮演着重要的角色，高速相干通信系统对可调谐激光器提出了宽 调谐范围、高频率稳定性、窄线宽、大功率、低功耗、小体积等特性指标要求。

目前，实现系统要求的可调谐激光器技术方案主要有单片集成半导体可调 谐激光器、外腔可调谐激光器和硅基激光器等。其中，单片集成型半导体可调 谐激光器主要是通过改变光栅区折射率或改变管芯温度的方法实现波长的可调 谐，具有体积小、稳定性好等优点，已有商用产品运用于高速多通道相干通信 系统，但是单片集成多段波导技术难度很大，复杂结构的光栅制作更是困难， 难以实现低成本大规模的生产。传统的外腔可调谐激光器通过机械的方式改变 外腔衍射光栅的位置选择不同的振荡波长，具有调谐范围大、线宽窄等优点， 也已有商用产品成功的运用于高速多通道相干通信系统，但是传统外腔结构激 光器体积较大，不利于小型化，为了满足应用的需求近些年提出了微机械调谐 的器件，体积大大缩小，调谐速度提高，但稳定性较差。硅基光电子集成具有 十分诱人的前景。但由于硅是间接带隙材料，发光效率非常低，在硅基发光器 件的研究上有着很难逾越的困难。硅基混合型激光器的出现给硅基光子学研究 带来了极大的鼓舞，随着硅基光子器件的深入研究，硅基长波长探测器、硅基 光调制器和光开关获得了突破性进展，但是相对于其他硅基光子器件，硅基发 光和激光器是目前最薄弱的环节，目前普遍认同的是将III-V族的激光器增益管 芯与硅基光波导芯片混合集成构成外腔激光器的方法。本工作提出一种基于阵 列波导光栅的混合集成外腔可调激光器技术方案，采用光波导芯片与半导体增 益管芯端面耦合的方式制作可调谐激光器，克服了单片集成半导体激光器复杂 的工艺限制，同时其外腔部分采用芯片集成方式，解决了传统外腔可调激光器 由于外腔分立元件多带来的稳定性差的问题。另外，由于该结构激光器的集成 度较高，提高了耦合封装的效率、有利于后期的批量生产。

发明内容

本发明的目的是通过半导体增益管芯与基于阵列波导光栅的光波导芯片端 面耦合方式，获得一种基于阵列波导光栅的混合集成外腔可调谐激光器，具有 稳定性好、线宽窄、易于集成等优点。

本发明的实现方式为：

1、通过半导体增益管芯与基于阵列波导光栅的光波导芯片端面耦合构成外 腔可调激光器，该激光器主要由带有阵列波导光栅和阵列波导反射可控组件的 光波导器件芯片、半导体增益管芯、准直耦合透镜、光隔离器、分光束器、光 探测器、输出耦合透镜、输出光纤、半导体制冷器、热敏电阻和控制与驱动单 元等几部分构成。

2、基于阵列波导光栅的光波导芯片中的阵列波导反射可控组件通过控制激 光器不同波长通道内谐振腔的损耗改变激光器的输出波长。

3、阵列波导反射可控组件可为阵列通/断式开关结构，每个开关的直波导 端面镀有高反膜，此端面与半导体增益管芯的镀有高反膜的端面构成激光器的 谐振腔。当阵列开关处于全关状态时，每个通道谐振腔腔内损耗都很大，没有 一个通道满足激光器起振条件，激光器无激光输出。若改变某一个通道开关的 驱动条件为开状态，使其所在通道的谐振腔腔内损耗减少，此时只有这一个通 道满足谐振条件起振，激光器输出与阵列波导光栅该通道波长相对应的激光。

4、阵列波导反射可控组件可为可控阵列布拉格光栅，为了防止端面反射， 每个布拉格光栅的直波导端面镀有增透膜，每个布拉格光栅与半导体增益管芯 的镀高反膜端面构成激光器的谐振腔。在初始驱动条件下，每个布拉格光栅的 中心波长与其所对应的阵列波导光栅通道的中心波长有一定的偏差，由于布拉 格光栅在阵列波导光栅中心波长处反射率不高无法构成有效反射，激光器无法 达到起振条件无激光输出。改变驱动条件调整某一路布拉格光栅的中心波长与 对应阵列波导光栅中心波长一致即可实现该通道对应波长激光输出。

5、为了降低激光器的功耗同时简化控制逻辑，该激光器方案中的阵列波导 光栅采用无热阵列波导光栅，其输出通道间隔由该激光器应用的系统通道间隔 决定。

6、利用激光器的光探测器反馈的光电流，调整增益管芯驱动电流的大小可 以实现激光器输出功率的可调谐。

7、激光器的光探测器探测光电流的实时变化反应激光器输出频率稳定性， 当光探测器光电流变化量超过一定阈值时，通过调节激光器相位保持激光器输 出模式的稳定性。该结构激光器中相位调节可以通过调控半导体增益管芯的电 流或者改变半导体增益管芯下的半导体制冷器的温度实现；也可以通过在光波 导器件芯片的直波导部分加入热光调相元件实现。

本发明提供一种基于阵列波导光栅的混合集成外腔可调激光器，包括光波 导芯片、半导体增益管芯；所述光波导芯片包括阵列波导光栅和阵列波导反射 可控组件，所述阵列光波导反射可控组件包括多个可控器件，所述阵列波导光 栅将多个所述可控器件光导通到所述半导体增益管芯；

所述半导体增益管芯的两端面分别镀有部分反射膜和增透膜，所述光波导 芯片的位于所述半导体增益管芯的增透膜一侧，构成该外腔可调激光器的外腔 部分，所述半导体增益芯片的部分反射膜与所述阵列波导反射可控组件构成激 光器的谐振腔；

多个所述可控器件中的每一个能够通过调控外界驱动条件来改变谐振腔的 腔内损耗或者改变光波导芯片反射端的反射特性，从而实现该外腔可调激光器 的波长调谐。

在上述技术方案中，所述外腔可调激光器进一步包括耦合输出光路、光功 率检测装置以及控制驱动单元。

在上述技术方案中，所述耦合输出光路包括准直耦合透镜、光隔离器、输 出耦合透镜；准直耦合透镜将半导体增益管芯输出的激光束准直耦合到光隔离 器，输出耦合透镜与输出光纤相连将输出的激光束耦合输出到输出光纤；

所述光功率检测装置包括分光束器、光探测器；分光束器设置在光隔离器 和输出耦合透镜之间，将由光隔离器输出到输出耦合透镜的激光束按一定比例 分离出来输入到光探测器；

所述控制驱动单元包括控制与驱动单元，控制与驱动单元与所述光波导芯 片、半导体增益管芯以及所述光探测器相连接。

在上述技术方案中，所述可控器件中的每一个包括可控高衰减器件和直波 导。

在上述技术方案中，所述可控高衰减器件为光开关，每个所述直波导的端 面镀有高反膜，每个所述直波导的高反膜与所述半导体增益芯片的部分反射膜 构成激光器的谐振腔；通过分别控制不同所述光开关的开启状态来使不同波长 所对应的谐振腔达到输出激光的阈值条件，以获得相应波长的激光。

在上述技术方案中，所述可控器件中的每一个包括直波导和布拉格光栅。

在上述技术方案中，每个所述直波导的端面镀有增透膜，每个所述布拉格 光栅与所述半导体增益芯片的部分反射膜构成激光器的谐振腔；每个所述阵列 布拉格光栅的中心波长与其对应的阵列波导光栅的端口中心波长之间存在一定 的波长偏离，通过分别控制不同所述布拉格光栅的中心波长来使不同波长所对 应的谐振腔达到输出激光的阈值条件，以获得相应波长的激光。

在上述技术方案中，所述布拉格光栅可采用相位掩膜技术制作，所述布拉 格光栅具有材料热光效应，所述布拉格光栅的中心波长由一个加热元件控制。

在上述技术方案中，所述阵列波导光栅为无热型硅基阵列波导光栅，其输 出通道间隔取决于所应用的通信系统的通道间隔。

在上述技术方案中，所述外腔可调激光器进一步包括半导体制冷器和热敏 电阻；通过调控半导体增益管芯的电流或者改变半导体增益管芯下的半导体制 冷器的温度来控制输出激光的相位。

在上述技术方案中，所述直波导部分设置有热光调相元件，通过在实现热 光调相元件来控制输出激光的相位。

在上述技术方案中，所述光探测器将当前的光电流取样值反馈给所述控制 与驱动单元，所述控制与驱动单元根据预先定标好的激光器输出功率与光探测 器光电流的对应关系计算当前输出功率大小，比较与目标光功率的差距，调整 所述半导体增益管芯电流的大小，使激光器输出功率达到目标光功率值。

本发明具有以下优点和积极效果：

1、通过半导体增益管芯与基于阵列波导光栅的光波导芯片端面耦合构成外 腔可调激光器，相对于分立元件较多的传统的外腔激光器具有集成度高、机械 稳定性好等优点，有利于耦合封装和批量生产。

2、利用阵列波导光栅的分光特性，采用单片增益芯片与基于阵列波导光栅 的光波导芯片耦合，与阵列增益芯片与硅基光波导芯片耦合相比，降低了器件 的复杂度，减少了器件的成本。

附图说明

图1为基于阵列波导光栅的混合集成外腔可调激光器结构图；

图2为阵列波导反射可控组件采用阵列通/断式开关方案的结构图；

图3为阵列波导反射可控组件采用阵列通/断式开关方案的波长调谐原理 图；

图4为阵列波导反射可控组件采用阵列波导光栅方案的结构图；

图5为阵列波导反射可控组件采用阵列波导光栅方案的波长调谐原理图；

图6为激光器锁模方法的原理图。

其中附图标记：

1—光波导芯片；

1-1—阵列波导光栅；

1-2—阵列光波导反射可控组件；

2—半导体增益管芯；

2-1—增透膜；

2-2—部分反射膜；

3—准直耦合透镜；

4—光隔离器；

5—分光束器；

6—光探测器；

7—输出耦合透镜；

8—输出光纤；

9—半导体制冷器；

10—热敏电阻；

11—控制与驱动单元；

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明。

光电子领域的混合集成是将有源III-V族的半导体芯片与无源硅基光波导 芯片集成在一起的技术方案，因其有效的解决了作为间接带隙半导体的硅材料 所带来的发光效率低的问题，受到了业内的广泛认同。

本发明依据上述混合集成技术提出了一种基于阵列波导光栅的混合集成外 腔可调激光器，采用无源硅基光波导芯片与有源半导体增益管芯端面耦合的方 式来制作外腔可调谐激光器，其结构如图1所示，主要包括外腔可调激光器、 耦合输出光路、光功率检测装置以及控制驱动单元等功能模块。其中，所述外 腔可调激光器包括光波导芯片1、半导体增益管芯2、半导体制冷器9、热敏电 阻10；所述耦合输出光路包括准直耦合透镜3、光隔离器4、输出耦合透镜7， 准直耦合透镜3将半导体增益管芯2输出的激光束准直耦合到光隔离器4，输 出耦合透镜7与输出光纤8相连将输出的激光束耦合输出到输出光纤8；所述 光功率检测装置包括分光束器5、光探测器6，分光束器5设置在光隔离器4和 输出耦合透镜7之间，将由光隔离器4输出到输出耦合透镜的激光束按一定比 例分离出来输入到光探测器6；所述控制驱动单元包括控制与驱动单元11，与 所述外腔可调激光器中的光波导芯片1、半导体增益管芯2、半导体制冷器9、 热敏电阻10以及所述光功率检测装置中的光探测器6相连接。

其中，光波导芯片1由阵列波导光栅1-1和阵列波导反射可控组件1-2两部 分组成；优选为无源硅基光波导芯片；阵列波导光栅1-1用于外腔滤波，其与 半导体增益管芯耦合的端面镀有增透膜，为了降低器件的功耗简化控制逻辑， 阵列波导光栅优选采用无热阵列波导光栅方案；阵列波导反射可控组件1-2用 于波长调谐，其反射特性由控制与驱动单元11控制。

半导体增益管芯2为激光器提供增益，其两端面分别镀有部分反射膜2-2 和增透膜2-1。硅基光波导芯片1位于半导体增益管芯2的增透膜2-1一侧，构 成该外腔可调谐激光器的外腔部分，半导体增益芯片的部分反射膜2-2与阵列 波导反射可控组件1-2构成激光器的谐振腔。半导体增益管芯2通过光电转换 将电流转化为宽带的自发辐射光子，光子沿波导向两侧传播，一部分特定频率 的光子在激光器的谐振腔内往返传播多次满足阈值条件，实现振荡放大，形成 激光从半导体增益管芯2的部分反射膜2-2射出。

所述的阵列波导光栅1-1是一个1×N结构，其中N为波长通道数，通常 的情况下比如为48或96等，且中心波长与光通信中DWDM系统的通道相对 应，对于本发明来讲这个通道数并不受此限制，而是适用于任何需要的多波长 通道配置；在这个1×N结构中，1端是合波端，N端为分波端，如果有多个波 长的光信号从1端注入，在分波端各个端口处就会对应输出各个特定的波长信 号。本发明就是利用了阵列波导光栅的这一特性，在由硅基光波导芯片1和半 导体增益管芯2构成的激光谐振腔中，通过控制在分波端的N个端口处(即分 波输出端口)分别选择不同的波长反射构成该波长的激射，实现激光器波长调 谐选择功能。由于各个波长由阵列波导光栅决定，只要选择与DWDM系统(或 其他波分光通信系统)一致的阵列波导光栅就能很准确地获得高精度的激光器 中心波长。

光波导芯片1中的阵列光波导反射可控组件1-2由一系列可控器件组成， 这些可控器件可以通过调控外界驱动条件改变谐振腔内损耗或者说改变无源硅 基光波导芯片反射端的反射特性。每个可控器件与阵列波导光栅1-1的一个对 应的分波输出端口连接，阵列波导光栅1-1的合波输入端面(镀增透膜端面) 与半导体增益管芯2端面耦合构成外腔激光器。通过对阵列光波导反射可控组 件1-2中可控器件的调控使得每一时刻仅有一个阵列波导输出端能满足激光器 的谐振条件产生激光输出；由此，通过改变阵列光波导反射可控组件1-2的驱 动条件可分别输出与阵列波导光栅1-1各通道波长对应的激光信号，实现激光 器的多通道可调谐功能。

半导体增益管芯2的温度控制由半导体制冷器9、热敏电阻10在控制与驱 动单元11的控制下共同实现。

分光束器5从半导体增益管芯2输出的激光束中分出一小部分光能量输出 到光探测器6，光探测器6将探测到的光功率等测量信号输入到控制与驱动单 元11，以构成反馈闭环控制回路，用于实现激光器的输出稳定性监测及光功率 调谐功能。

本发明提供的外腔可调激光器可以通过阵列光波导反射可控组件的多种结 构形式来实现激光器波长调谐功能。图2示出了光波导芯片1中的阵列波导反 射可控组件1-2采用阵列开关方案的典型结构，即阵列光波导反射可控组件1-2 中的每个可控器件由一组开关+直波导构成。阵列波导光栅1-1每个分光输出端 都与一个开关+直波导相连，阵列排布的每个直波导的端面镀有高反膜，每一个 直波导端面都可以与半导体增益芯片2的部分反射膜2-2构成激光器的谐振腔。 假设阵列波导光栅1-1所对应的各分光输出端的中心波长分别为λ1、λ2、λ 3……λn，相应的开关(Switch)分别为S1、S2、S3……Sn。在初始驱动条件 下，阵列开关处于全关状态，阵列波导光栅1-1所有分光输出端的谐振腔的腔 内损耗都很大，使激光器无法满足输出激光的阈值条件。若此时将某开关打开， 例如将S2打开，则λ2对应的谐振腔腔内损耗降低，达到输出激光的阈值条件， 激光器输出波长为λ2的激光，而其他通道因对应的开关处于关闭状态，腔损 太大而无相应波长的激光产生。由此，通过控制与驱动单元11分别控制开启不 同的开关，可以获得不同波长的激光。

该结构的调谐原理图如图3所示，图3中A1、A2、A3分别为阵列波导光 栅1-1分光输出端口1、2、3的透射光谱，A4为激光器的纵模，当阵列开关处 于全关状态时，外腔光路的损耗很大，没有激光输出。当S2处于打开状态，而 其他通道处于关闭状态时，S2所在通道在波长λ2处损耗最小，纵模中波长与 λ2最相近的纵模获得增益，输出波长为λ2的激光。

根据本领域技术人员可以预见，图2-图3所示实施例结构中的通/断开关 器件可以由任意可控高衰减器件来代替，当控制该可控高衰减器件处于高衰减 状态时相当于上述实施例中通/断开关的关闭，当控制该可控高衰减器件处于 低衰减状态时相当于上述实施例中通/断开关的打开。

外腔激光器中的光波导芯片1还可以采用如图4所示阵列波导光栅和阵列 直波导+阵列布拉格光栅的结构，即阵列光波导反射可控组件1-2中的每个可控 器件由一组直波导+布拉格光栅构成。上述阵列波导光栅和阵列直波导+阵列布 拉格光栅的结构优选通过沿阵列波导光栅的N个输出端进行延长，并在其延长 段上制作带有高反射布拉格反射光栅的直波导。阵列波导光栅1-1的每个输出 端与一个布拉格光栅相连，布拉格光栅另一端的直波导端面镀增透膜。布拉格 光栅与半导体增益管芯2的部分反射膜2-2构成激光器的谐振腔。每一个布拉 格光栅的中心波长都设计成与阵列波导光栅1-1对应端口的中心波长相偏离的 状态，这样在通常情况下各端口均不构成光反射。比如，假设阵列波导光栅1-1 所对应的各分光输出端的中心波长分别为λ1、λ2、λ3、……、λn，则在初 始驱动条件下相应的阵列布拉格光栅的中心波长分别为λ1+△λ、λ2+△λ、 λ3+△λ、……、λn+△λ。此时由于阵列波导光栅1-1分光输出端的中心波 长与阵列布拉格光栅的中心波长不对应，布拉格光栅在阵列波导光栅各通道中 心波长处的反射率不够强，不能达到输出激光的阈值条件，因此没有激光输出。 若改变某一通道，例如通道2，中布拉格光栅的驱动条件，使其中心波长由λ 2+△λ变为λ2，则该通道的布拉格光栅的中心波长与其所对应的阵列波导光栅 1-1第二通道的中心波长与相同，谐振腔在λ2波长处获得低损耗，输出波长为 λ2的激光。可控阵列布拉格光栅可以利用材料的热光效应来实现，每个布拉 格光栅的中心波长由一个或多个加热元件控制，当加热元件的温度改变时，材 料的折射率发生改变，进而改变了布拉格光栅的中心波长。通过依次改变阵列 布拉格光栅的驱动条件，可以实现外腔激光器波长可调谐特性。

该结构的原理图如图5所示，图5中A1、A2、A3分别为阵列波导光栅1-1 各通道的透射谱，A1’、A2’、A3’分别为对应阵列波导光栅1-1各通道的布拉格 光栅的反射谱，A4为激光器的谐振纵模。在初始驱动条件下，A1、A2、A3与 A1’、A2’、A3’的波长不对应，激光器在λ1、λ2、λ3处反射率较低，无法达 到激光振荡条件。当阵列布拉格光栅中第二通道的布拉格光栅改变驱动条件， 使其中心波长与A2透过率最大值相对应时，实现λ2波长的激光输出。与图2 所示结构相比，该结构经过阵列波导光栅和布拉格光栅两次滤波，外腔滤波带 更窄更有利于激光器的模式稳定。

为了避免各种因素的影响发生跳模导致激光器的特性劣化，实现激光器模 式的稳定输出，如上所述激光器还具有模式锁定功能，锁模方法的原理图如图 6所示，锁模步骤如下：

1、控制与驱动单元11收到切换波长命令，改变激光器阵列波导反射可控 组件1-2驱动条件使相应波长激光输出。

2、逐步调节激光器的相位调谐元件记录光探测器相应的光电流值，获得如 图6所示的相位与光电流的关系图。图中Imax为一个相位周期中光电流的最大 值点，即为锁模算法中激光器最稳定模式工作点，设置激光器工作在Imax最佳 工作点。Ia为设定的光电流调整阈值点。

3、光探测器6持续采集光电流I，控制与驱动单元11比较所采集的光电流 I与Imax和Ia的大小关系，当I<Ia时，如图6中所示的Ib时，启动相位调整 元件小范围调整至I取得当前最大值Imax’，设置激光器工作在新的最佳工作点 Imax’；当Ia<I<Imax时，如图6中所示的Ic时，则认为激光器工作稳定，不需 要改变激光器的驱动条件。

激光器的相位调节可以通过调控半导体增益管芯2的电流或者改变半导体 增益管芯2下的半导体制冷器9的温度实现；也可以通过在光波导器件芯片1 的直波导部分加入热光调相元件实现。

本发明提出的外腔激光器具有功率可调谐功能，由光探测器6、控制与驱 动单元11和半导体增益管芯2共同完成。在使用激光器之前，测试激光器输出 光功率与光探测器光电流的对应关系，对光探测器进行定标。使用过程中，若 要执行调整输出光功率操作，用户首先设置目标光功率，控制与驱动单元11接 收到设置命令，读取光探测器6当前的光电流取样值，根据预先定标好的激光 器输出光功率与光探测器光电流的对应关系计算当前输出功率大小，比较当前 输出光功率值与目标光功率值之间的差距，选择合适的步长反复调整半导体增 益管芯2的驱动电流并合并进行上述锁模过程保证激光器输出稳定性，读取光 探测器光电流取样值换算成当前光功率值，与目标光功率对比直至输出光功率 逼近目标光功率值。

综上所述，本发明上述方案中的基于阵列波导光栅的混合集成外腔可调激 光器将有源III-V族的半导体芯片与无源硅基光波导芯片集成构成外腔可调谐 激光器，具有结构简单、集成度高、稳定性好、便于大批量生产等优点。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的 技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。