用于无模跳变波长调谐的基于集成光学的外腔激光器

摘要

本公开的各方面描述了包括基于集成光学的外腔激光器的系统、方法和结构，该外腔激光器用于无模跳变波长调谐，该外腔激光器通过增加调谐灵敏度而具有带有超窄线宽的增加的连续调谐范围。通过用基于多程谐振器的滤波器延伸腔长度来提供超窄线宽，该滤波器可以有利地包括可调谐微环谐振器，该可调谐微环谐振器能够实现单模振荡，同时在激光腔中每次往返光多次通过环的情况下有助于激光器的光学长度。本公开的其它方面描述了表现出增强的“调谐灵敏度”的系统、方法和结构，该“调谐灵敏度”由相位段对每个感应腔相移的连续波长偏移来定义。与仅调谐相位段相比，对于相位段和环形谐振器的同步调谐，这种调谐灵敏度增加了大约3倍。

说明书

技术领域

本公开一般涉及可调谐激光器，更具体地，涉及基于集成光学的可调谐激光器。

背景技术

窄带波长可调谐激光器在许多应用中都很受关注，这些应用可以涉及电信、计量和传感领域。例如，相干通信的高阶调制格式、原子钟和激光多普勒测振仪。

在许多这样的应用中，需要精确调谐光学波长的能力，以例如将激光器设置为期望的波长，通过伺服控制回路将激光器的波长保持在期望的波长等。不幸的是，通过改变激光器的腔长度来调谐激光器会在多个腔模之间引起不期望的模跳变。这种模跳变会导致波长跳跃，使用伺服控制系统很难(如果不是不可能的话)校正这种波长跳跃。此外，模跳变会降低调谐速度。因此，非常期望一种窄带无模跳变的调谐激光器。

减小激光器的线宽也可以通过增加腔长度来实现；然而，这也将减小激光器的腔模之间的光谱距离，从而增加波长调谐期间模跳变的可能性。然而，通过在激光腔内放置一个可调谐光谱滤波器，并与腔长度一起对其进行同时调谐，可以减轻模跳变。这种同步调谐已经在利特曼·梅特卡夫(Littman－Metcalf)和利特罗(Littrow)两种配置中例如通过为外腔激光器中的光栅选择正确的枢轴点而被证明可行。替代性地，通过同时旋转多层介质滤波器并延伸腔长度，可以实现外腔激光器的无模跳变调谐。

不幸的是，这些外腔激光器对机械振动和失调非常敏感。因此，同步调谐方法也应用于完全集成的DBR/DFB激光器。在这种方法中，通过在改变布拉格电流和相电流之间选择适当的比率来实现同步调谐。不幸的是，这种现有技术的可调谐激光器的特征在于兆赫范围内的大线宽。

环形谐振腔耦合二极管激光器在宽调谐范围和窄线宽方面显示出了发展前景。通常，这种激光器的调谐范围通过游标效应覆盖整个增益带宽。通过将低损耗反馈电路与半导体光学放大器相结合，激光线宽可以减小到10－kHz范围。最近，有报道具有290Hz的线宽。不幸的是，尽管这些激光器可以在宽的光谱范围内调谐，但尚无一种系统性的无模跳变调谐方法。

在现有技术中，对具有大调谐范围的基于集成光学的、无模跳变的可调谐激光器的需求仍未得到满足。

发明内容

根据本公开的各方面，本申请对本领域作出改进，涉及基于集成光学的可调谐激光器，其具有大于其激光腔的自由光谱范围的无模跳变调谐范围。根据本公开的实施例采用包括在激光腔中的相位段和一个或多个环形谐振器的同时调谐，这些环形谐振器共同限定了激光腔的外部反射镜。

像现有技术中的可调谐激光器一样，根据本公开的可调谐激光器采用与基于集成光学的光学电路光学耦合的增益介质，该光学电路包括可调谐环形谐振器反射镜配置。增益介质包括一个用作第一激光腔反射镜的抛光面，而环形谐振腔反射镜用作第二激光腔反射镜，从而限定外腔激光器。

与现有技术形成鲜明对比的是，可调谐相位段被包括在激光腔内，其中，相位段和环形谐振器配置以适当的比率同步调谐，从而能够实现数倍于腔模间隔的无模跳变调谐范围。

特别有利的是–并且进一步与现有技术形成对比–根据本公开的各方面的系统、方法和结构表现出增加的“调谐灵敏度”–即由相位段产生的每个感应腔相移的连续波长偏移。根据本公开的系统、方法和结构的这种显著且令人惊讶的有效特征尤其重要，因为连续调谐被证明是可能的，利用腔内移相器–例如本文公开的那些–而不仅仅是通过增加激光器的腔长度。

如将进一步示出和描述的，通过利用基于谐振器的滤波器结构(包括一个或多个环形谐振器)作为对腔长度有贡献的调谐元件，根据本公开的各方面的系统、方法和结构与现有技术相比实现了优异的调谐灵敏度。因此，根据本公开的各方面，当调谐环形谐振器的谐振波长时，激光腔长度也增加。对于同步调谐，这种调谐灵敏度与环形谐振器提供的附加腔长度无关，由任何总线和增益波导的光学长度决定。

本领域技术人员将容易理解，根据本公开的各方面的这种操作与例如使用光栅作为增加腔长度的机制形成鲜明对比，光栅具有与光栅长度基本相同的有效长度。

一个示例性实施例是基于集成光学的激光器，其包括增益介质，该增益介质以混合方式与包括基于低损耗电介质波导的光学电路的衬底集成在一起。增益介质和光学电路布置为形成激光器的激光腔。增益介质包括被抛光以限定激光腔的一个反射镜的第一面，以及与光学电路的输入端口光学耦合的第二面。低损耗介质波导电路包括一对环形谐振器，它们以游标装置光学耦合，该游标装置限定了激光腔的第二反射镜。光学电路还包括位于输入端口和环形谐振腔反射镜之间的相位段。由于包括光学电路，激光腔的光学长度可以是几厘米或更多，这使得激光器具有非常窄的线宽。例如，在所描绘的示例中，激光腔具有几厘米的光学长度和10－kHz范围内的线宽。

在一些实施例中，光学电路基于具有多层芯的波导结构，该多层芯包括由化学计量的二氧化硅层分隔的一对化学计量的氮化硅层，其中，多层芯配置为使得其共同支持单个光学模。

在一些实施例中，环形谐振器配置中的相位段和环形谐振器中的至少一个通过热调谐。在一些实施例中，环形谐振器配置中的相位段和环形谐振器中的至少一个通过应力诱导相位控制器来调谐。

附图说明

通过参考附图，可以更全面地理解本公开，其中：

图1(A)描绘了三个激光器的说明性实施例的示意图，这三个激光器具有相同的光学放大器部分，但是具有不同的腔配置；

图1(B)描绘了说明图1(A)的三个激光器的调谐行为的曲线图；

图1(C)描绘了说明图1(A)的三个激光器的肖洛－汤斯(Schawlow－Townes)线宽的曲线图；

图2描绘了根据本公开的各方面的可调谐激光器的说明性实施例的示意图；

图3(A)和图3(B)描绘了根据本公开的各方面的可调谐激光器的测量激光波长的曲线图；

图4描绘了反射镜212和相位段122之间的计算的激励比的曲线图；

图5(A)、图5(B)和图5(C)分别示出了根据曲线图400所示的激励比驱动的激光器200的测量输出光谱、峰值波长和输出功率；

图6描绘了根据本公开的各方面的包括可调谐耦合器的集成可调谐激光器的附加说明性实施例的示意图；

图7描绘了根据本公开的各方面的作为放大器电流的函数的激光器的测量的光纤耦合输出功率的曲线图，其中，热电冷却器被设置在20C，并且游标滤波器被设置为1576的波长；

图8(A)和图8(B)描绘了叠加激光光谱的曲线图，其中：图8(A)示出了当游标滤波器以5nm的步长调谐时，0.1nm分辨率带宽内的光功率，以及0.01nm分辨率带宽内的测量激光功率；图8(B)示出了63dB的高SMSR，其中，示出的光谱是10次测量的平均值，以降低背景噪声水平并增加侧节点的可见度，其中，放大器电流设置为300mA；

图9描绘了根据本公开方面的激光频率噪声的测量的单侧功率谱密度的曲线图，其中，700Hz/Hz的虚线指示1.3和3.5MHz之间的噪声频率范围的平均噪声，排除了任何寄生噪声频率；

图10(A)和图10(B)描绘了测量的激光波长的曲线图，其中：图10(A)还示出了输出功率；图10(B)示出了根据本公开的各方面的波长作为相位段加热器功率的函数；还示出了用游标滤波器同步调谐相位段、只调谐相位段，以及模跳变；以及

图11描绘了根据本公开的各方面的通过乙炔气室的测量和计算的透射率作为1536.713nm处吸收P19的波长的函数的图。

通过附图和详细描述更全面地描述了说明性实施例。然而，根据本公开的实施例可以通过各种形式实施，并且不限于附图和详细描述中描述的特定或说明性实施例。

具体实施方式

以下仅说明了本公开的原理。因此，应当理解，本领域技术人员将能够设计各种布置，尽管本文没有明确描述或示出，但是这些布置体现了本公开的原理，并且包括在本公开的精神和范围内。

此外，本文所叙述的所有示例和条件语言仅用于启示目的，以帮助读者理解本公开的原理和发明人为推进本领域所贡献的概念，并且本申请应被解释为不限于这些具体叙述的示例和条件。

此外，本文叙述本公开的原理、各方面和实施例以及其特定示例的所有陈述旨在包括其结构和功能等同物。附加地，这种等同物旨在包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物，即，无论结构如何，开发的执行相同功能的任何元件。

因此，例如，本领域技术人员将会理解，本文的任何框图代表体现本公开原理的说明性电路的概念图。

除非本文中另有明确说明，否则构成附图的图不是按比例绘制的。

图1(A)描绘了根据本公开的各方面的三个激光器的说明性实施例的示意图，这三个激光器具有相同的光学放大器部分，但是具有不同的腔配置。图1(B)描绘了说明图1(A)的三个激光器的调谐行为的曲线图；以及图1(C)描绘了说明图1(A)的三个激光器的肖洛－汤斯线宽的曲线图。这些说明了集成激光器的调谐和线宽限制，以及获得大调谐灵敏度F

图1(A)示意性示出的激光器1是简单的、完全集成的激光器的示意图，该激光器包括长度为L

为了获得小的肖洛－汤斯线宽，总线波导可以延伸到如图1(A)中激光器2示意性所示的长度

注意，当将滤波器添加到激光腔时，腔光子寿命显著增加，并且总线波导可以保持短，例如，与说明性激光器1的总线波导一样短。这种包括光学滤波器的激光器在图1(A)中示意性示出为激光器3。

如本领域技术人员容易理解的，提高光子腔寿命的滤波器通常是基于谐振器的，并且依赖于每次往返通过激光腔在谐振器内循环多次的光。多次通过谐振器有效地延伸了腔长度L

更具体地，对于在本文的说明性配置中采用的具有基于两个微环谐振器的滤波器的配置，无模跳变调谐需要两个环中的移相器来保持环的谐振波长与激光器的振荡波长同步。在这种情况下，调谐灵敏度F

注意，在公式1中，λ

如本领域技术人员现在容易懂得和理解的，公式1总结了根据本公开的各方面的激光系统、方法和结构的中心发现，即，调谐灵敏度F

现在转向图2，图2描绘了根据本公开的各方面的可调谐激光器结构的说明性实施例的示意图。如所描绘的，激光器200包括增益介质202和光学电路204，它们光学耦合，使得它们共同限定外腔激光器配置。

如本领域技术人员将理解的，增益介质202可以是适于为光信号提供光学增益的传统增益元件。在所描绘的说明性示例中，增益介质202是磷化铟(InP)板，其配置为定义具有～700μm长的沟道和以1550nm为中心的大于100nm的增益带宽的半导体光学放大器(SOA)。对增益介质202的一个面进行抛光以限定反馈镜206，该反馈镜206包括具有大约90％反射率的高反射率(HR)涂层。在替代的说明性实施例中，增益介质202的高反射率面在涂覆HR涂层之前被劈开，而不是被抛光。增益介质202的相对面涂覆有抗反射涂层，该抗反射涂层配置为减轻增益介质和光学电路204的输入端口208之间的耦合损耗。通常，输入端口208相对于正面成大约9°的角度，以减轻背反射。

在所示出的说明性布置中，增益介质202安装在衬底210上，衬底210可以是玻璃(Si

光学电路204是平面光波电路(PLC)，包括多个波导，这些波导布置为限定具有输入端口208、反射镜212和输出端口214的低损耗光学电路。在所描绘的示例中，光学电路204的波导是多层芯波导(通常称为TriPleX Waveguides

在所描绘的示例中，光学电路204的波导具有芯，该芯包括：包括氮化硅的下芯层、包括二氧化硅的中心芯层和包括氮化硅的上芯层。三个芯层配置为使得它们共同支持单个光学模的单模传播。在一些实施例中，这种波导结构是优选的，因为它能够在宽的光谱范围内实现低传播损耗，并且可以容易地在一维或二维上逐渐变细，以控制通过它传播的模场的形状，如美国专利第9，020，317号中所描述。

在所描绘的示例中，输入端口208在两个维度上是锥形的，以匹配增益介质202的模场分布，其大约为3.5微米×3.5微米。此外，输入端口208相对于其面成大致19.85°的角度，以匹配增益介质202的相对面的角度，从而减少界面处的耦合损耗和寄生反射。以类似的方式，输出端口214也是锥形的，以基本上匹配光纤216的模场分布。

每个环形谐振器RR1和RR2都示出为跑道形谐振器，使得该对环形谐振器共同限定了可调谐频率选择性游标滤波器和反射镜(本文简称为反射镜212)。反射镜212的频率选择性反射率限定了激光腔217的单个纵向模，该模由反射镜206和212之间的间隔限定。换句话说，激光腔217包括增益介质202的长度和输入端口208和反射镜212之间的光学电路204的部分。在所描绘的示例中，激光腔长度218是几厘米；因此，激光器200的线宽在10－kHz范围内。

环形谐振器RR1和RR2以分插配置排列，分别具有基本上857.5微米和885.1微米的略微不同的周长。环形谐振器RR1具有1.58nm的自由光谱范围(FSR)，环形谐振器RR2具有1.63nm的FSR。结果，由于游标效应，环形谐振器具有50.6nm的总FSR。总线波导和跑道谐振器之间的耦合系数设计为κ

可调谐定向耦合器包括在激光腔217内，以能够提取谐振光并将其导向输出端口214。如本领域技术人员将懂得和理解的，有三个条件共同确定激光器200将振荡的波长：

i.波长与全腔往返中相长干涉的相位条件相匹配；

ii.波长匹配两个谐振器的滤波频率；以及

iii.波长在材料的增益带宽内，这取决于所提供的电流。

当满足条件i、ii和iii时，假设滤波器带宽足够尖锐，只有一个腔模将达到阈值反转，激光器100作为单模激光器工作。

环形谐振器RR1和RR2分别包括加热器220－1和220－2，这使得能够对激光器200进行波长调谐。附加的加热器，即加热器220－3，设置在激光腔217内的光学电路204的波导上，以限定相位段222。

腔长度218控制在相位段222和环形谐振器RR1和RR2中，其中，加热器220－1和220－2控制环形谐振器RR1和RR2的光学往返长度。在所描绘的示例中，加热器220－1、220－2和220－3(统称为加热器220)是铂带，其能够承受相对高的电流。在所描绘的示例中，大约70mA的电流流过加热器，这至少能够实现相位段222的2π相位调谐和环形谐振器的近2π相位调谐。在一些实施例中，使用更高的电流，至少使得在环形谐振器中实现2π相调谐。

在一些实施例中，RR1、RR2和相位段222中的至少一个包括不同的相位控制器，例如应力诱导移相器。在美国专利第9，453，791号和第9，764，352号以及美国专利申请公开第US－2018－0203262－A1号中描述了适用于根据本公开的实施例的应力诱导移相器的非限制性示例，这些专利的每一个都通过引用的方式并入本文中。

优选地，增益介质202设置在用作散热器的底座上。此外，在一些实施例中，激光器200被冷却(例如，通过热电冷却器等)。

在操作过程中，激光器200的波长以复杂的方式取决于许多因素，包括衬底210的温度、可调谐定向耦合器的控制、通过加热器220的驱动电流等。为了简化控制方法，衬底温度和可调谐耦合器的耦合比可以是固定的，这将激光波长的依赖性限制为主要仅调谐环形谐振器RR1和RR2以及相位段222。在一些实施例中，衬底温度被设定为略高于室温。

图3(A)和图3(B)描绘了根据本公开的可调谐激光器的测量激光波长的曲线图。曲线图300和302中所示出的数据是在将衬底温度保持在大约25℃并控制可调谐定向耦合器以使其耦合比为0.8时获得的，从而实现了大约14mA的激光器阈值电流。

曲线图300示出了在加热器220－1和220－2的功率耗散保持恒定的同时，作为加热器220－3的功率耗散的函数的激光波长和输出功率之间的关系。调谐范围在这里被限制在0.038nm(4.8Ghz)，这对应于腔FSR。曲线图300表示激光输出功率在调谐过程中变化，由于纵向模数的变化，在模跳变处不连续。π相位调谐所需的功率为P

曲线图302示出了激光器波长和输出功率之间的关系，作为加热器320－1和320－2的功率耗散的函数，而加热器320－3的功率耗散保持恒定。

可以理解，调谐游标对中的一个环形谐振器将揭示离散的谐振，从而揭示另一个环形谐振器的FSR。此外，如在Komljenoic等人的“宽调谐环形谐振器半导体激光器(Widely－Tunable Ring－Resonator Semiconductor Lasers)(Appl.Sc.i 7，732(2017))”中所示(该专利通过引用的方式并入本文中)，通过调谐两个环形谐振器而不调整相位段，可以将激光器的发射波长控制在游标FSR内的离散值。环形谐振器RR1和RR2的FSR分别被确定为1.55nm(98.6Thz)和1.60nm(101.8Thz)，这对应于1520和1473微米的光程长度。两个环形谐振器的2π相调谐所需的功率分别确定为P

根据本公开的各方面，基于这些值，确定反射镜212的模型，以预测作为环形谐振器RR1和RR2的功率耗散的函数的激光器200的输出波长。然后，如在曲线图302所看到的，该模型用于实现给定波长范围内的连续波长扫描。

应注意，加热器220－1和220－2的功率耗散被同时调谐以进行这种波长扫描。曲线图302中的不连续性由于模跳变而出现，因为环形谐振器RR1和RR2具有共同的谐振波长，当调谐反射镜212朝向更长的波长时，该共同的谐振波长增加。虽然腔长度也增加了，但它的增加不足以跟上谐振位移。结果，激光将跳变到更高的纵向模。

然而，本公开的一个方面是，同时调谐相位段222的长度以增加激光腔218的长度可以防止激光器200的输出在超过激光腔218的FSR的光谱范围内的模跳变。环形谐振器RR1和RR2用作激光腔218内的滤波器元件。

如在刘等人的“无源微环谐振器耦合激光器(Passive microring－resonator－coupled lasers)(Appl.Phys.Let.79，3561–3563(2001))”中讨论的，环形谐振器的光学往返长度可以影响基于集成光学的外腔激光器的“有效腔长度”。因此，本公开的另一方面是，通过控制环形谐振器RR1和RR2的光学往返长度，同时还控制相位段222的长度，激光器200的无模跳变调谐范围可以延伸到激光腔218的腔模间隔之外。

本公开的又一方面是，无模跳变调谐的关键是找到激励反射镜212和相位段222之间的比率。

图4描绘了反射镜212和相位段222之间的计算的激励比的曲线图。

图5(A)、图5(B)和图5(C)分别示出了根据曲线图400所示的激励比驱动的激光器200的测量输出光谱、峰值波长和输出功率。

曲线图500示出了曲线图400中所示的每个激励比的测量光谱。曲线图500包括光谱调谐范围SR1，该范围是可以实现无模跳变调谐的光谱范围。在所描绘的示例中，SR1具有大约0.22nm的宽度。

曲线图502包括轨迹504和506。轨迹504示出了对于曲线图400中所示出的激励比，曲线图500中每个光谱的峰值波长。为了比较，轨迹506示出了当只调谐相位段222时激光器200输出的峰值波长。

曲线图502清楚地示出了在仅调谐相位段222和用反射镜212的游标滤波器同时调谐相位段之间存在显著差异。对于谐振的弱耦合环(κ＜1)，腔长度大大延伸，因此谐振器的光学往返长度的小的变化对腔长度有很大的影响。这种杠杆作用增加了调谐反射镜212对输出波长的影响，同时也调谐了相位段222。

曲线图508包括轨迹510和512。曲线图510示出了当加热器220以曲线图400所示的激励比控制时激光器200的峰值输出功率。为了比较，轨迹512示出了当仅调谐相位段222时激光器200的峰值输出功率。

此外，当同时调谐反射镜212和相位段222时，当调谐激光波长和输出功率时，不会出现不连续性。曲线图508表明，激光器200的输出波长能够以无模跳变方式调谐的范围大约为0.22nm(28Ghz)。应注意，该光谱范围是激光腔218的FSR的五倍以上。

还应注意，在所描绘的示例中，对无模跳变调谐范围的限制是由当加热器222－3的功率耗散超过加热器材料所能承受的功率耗散时发生的损坏引起的。通过增加相位段激励器的数量和/或通过增加激励效果，可以有利地增加无模跳变调谐范围。

实验

通过进一步的实验证明，图6描绘了根据本公开的各方面构造的混合集成InP可调谐二极管激光器的说明性实施例的示意图。在实现单频工作、宽波长调谐和通过腔长度延伸实现窄线宽振荡的同时，采用了低损耗的Si

虽然没有具体示出，但该图中描绘的半导体芯片包含基于InP的多量子阱有源波导，其单程几何长度为700μm，增益带宽在1540nm附近至少120nm。一个面对空气具有～90％的高反射率涂层，这形成了激光腔的一个反射镜。在另一面，光耦合到电介质芯片，形成另一个反馈镜。为了减少在两个芯片之间的界面处的不期望的反射，将抗反射涂层施加到该面上，并且波导相对于面法线倾斜9°。

本领域技术人员将理解，电介质芯片提供频率选择性反馈，并以非常低的损耗增加有效激光腔长度。在实验配置中，反馈芯片基于对称的双条波导几何结构，两条Si

在反馈芯片上使用两个顺序的跑道形微环谐振器(MRR

注意，通过实验确定该值为κ

进一步，增加了总线波导的所谓相位段，以控制循环光的相位，并在调谐任何其它元件时补偿相位变化。通常，相位段被设置为为激光腔的单个纵向模提供最大反馈，这将激光振荡限制在单个波长并提供最大输出功率。然而，相位段也可以调谐为对两个波长提供相等的反馈，并且通过这种设置，激光器可以产生多频梳。

可调谐耦合器，实现为平衡Mach－Zehnder干涉仪，用于将循环光耦合出激光腔。提取的光被导向单模保偏输出光纤。为了防止不期望的外部背反射，输出光纤端接FC/APC连接器，并连接到光纤隔离器(ThorlabsIO－G－1550－APC)。

热调谐是通过放置在微环、相位段和输出耦合器上方的电阻加热器实现的。相位段和输出耦合器加热器的长度为1mm，两个加热器都需要290mW的电功率来实现π相移，并且可以引起至少2.5π的光学相位变化。环形谐振器顶部稍短的加热器需要大约380mW的π相移，并且在实验期间调谐到1.6π相移。

放大器、反馈芯片和输出光纤都对准以实现最佳耦合，并永久固定。这种混合组件安装在14引脚蝶形封装的热电冷却器上。冷却器、放大器和加热器通过导线连接到引脚，并连接到外部驱动器。混合激光器的这种组装使得激光器能够稳定工作，这是精确和可再现的波长调谐的先决条件。

除非另有说明，否则在这里处给出的测量过程中，激光器以以下参数运行。热电冷却器的温度设置为25℃。尽管该温度略高于最高性能温度，但它使二极管刚好保持在环境温度之上，以避免冷凝，并且仅将光输出功率降低几个百分点。此外，输出耦合器设置为80％功率输出耦合，因为这为高输出功率的单模工作提供了最佳工作点。最后，改变激光参数后，相位段引起的相位针对最大输出功率进行优化，例如，当泵电流改变时，补偿往返相位的变化。

图7示出了光纤耦合输出功率作为泵电流的函数，游标滤波器的波长设置为1576nm，热电冷却器的温度设置为20℃，这接近该激光器的最佳设置。在300mA的泵电流下获得最大24mW，阈值电流为14mA。

为了说明激光器的宽光谱覆盖范围，在图8(A)中示出了叠加的激光光谱，用ANDOAQ6317光谱分析仪(OSA1)测量，游标滤波器以大约5nm的步长调谐。泵电流增加到300mA的最大值，以获得最宽的光谱覆盖范围。图8(A)示出了120nm的光谱覆盖范围，即延伸了激光器的全增益带宽。通过利用可变化的输出耦合器的光谱相关性，获得了大于游标自由光谱范围(～50nm)的光谱覆盖范围。对于1550nm的波长，发现了最佳的边模抑制。

现在转到图8(B)，示出了分辨率带宽为0.01nm的光功率作为约1550nm的波长的函数的曲线图，对10次测量求平均值，以使边模高于噪声水平，再次用OSA1测量。图8(B)示出了与主模相距1.61nm的两个63dB抑制边模，这与游标滤波器的第一侧峰值非常一致。使用高分辨率Finisar WaveAnalyzer 1500S光谱分析仪(OSA2)来验证仅存在单腔模。期望在输出功率最大的约1570nm找到最高的边模抑制。然而，随着游标滤波器调谐到该波长，在一个游标自由光谱范围(～50nm)外的另一个模也建立起来，降低了边模抑制。当激光器调谐到1550nm时，用OSA1无法检测到～50nm距离的模，可能是因为这些模被较低的增益或较高的损耗抑制了。

固有线宽和无模跳变调谐

为了证明根据本公开的各方面的混合激光器的3.5cm的有效光学腔长度导致高相位稳定性，通过用线宽分析器(HighFinesse LWA－1k 1550)测量频率噪声的功率谱密度(PSD)来确定固有线宽。该分析仪设备通过90：10光纤耦合器的10％端口连接到激光器。剩余的90％分布在OSA1和光电二极管上。为了获得最低的白噪声水平，将电池供电的电流源(ILX Lightwave LDX－3620)的最大泵电流300mA施加到增益部分。通过游标滤波器将激光波长设置为1550nm。

图9是示出激光频率噪声的测量功率谱密度作为噪声频率的函数的曲线图。对于低于大约1MHz的噪声频率，图9所示的频率噪声具有1/f噪声的特性，在较高频率下会变成白噪声。在特定噪声频率下可以观察到的光谱功率密度的窄峰可能来自电子源或电缆中的RF拾波器。

固有线宽由1.3MHz至3.5MHz噪声频率下的平均白噪声水平(不包括寄生峰值)确定。将700±230Hz

为了验证混合激光器的连续调谐和增加的无模跳变调谐灵敏度(参见公式1)，测量了激光波长和输出功率，作为施加到相位段加热器的电功率的函数，其中，适当的加热器功率施加到微环谐振器(参见公式A－11)。对于这些测量，激光器通过光纤耦合器连接到OSA2，以解析波长的小步长，并连接到光电二极管(Thorlabs S144C)以监控输出功率。放大器电流设置为70mA。对于向相位段施加的零加热器功率，优化了环形加热器，以使用最小的加热器功率将游标滤波器的透射率与激射波长对准。这导致初始波长为1534.25nm，并确保相位段的整个范围可用于连续调谐。

对于连续调谐，通过实验确定了相位段与环形谐振器的最佳调谐比，对于环形谐振器1和2，最大化激光输出功率分别为

图10(A)清楚地示出，当仅调谐相位段时，出现模跳变，将连续调谐范围限制在0.034nm，这是激光腔的自由光谱范围。在这种情况下，用于计算自由光谱范围的光学腔长度需要包括微环谐振器的有效光学长度。此外，在调谐过程中，光功率变化强烈且不连续(参见图10(B))。原因是，即使激射波长和锐游标滤波器透射率峰值的固定位置之间的小失谐也会导致腔损耗的强烈变化，从而导致输出功率的变化。相位段的进一步调谐，超过π相移的整数倍，导致模跳变，这可以被观察为激光器的波长和输出功率的不连续性。

另一方面，图6示出了当微环谐振器的谐振通过相位段(红色十字)与激射波长同步调谐时，没有模跳变。尽管目标是恒定的光功率，但在图6(b)中仍然可以看到一些剩余的振荡，其周期与模跳变之间的距离相对应。将其归因于调谐过程中激射波长和环形谐振器谐振之间的微小变化失配。

图10(A)中最明显的差异是，与仅调谐相位段相比，同步调谐的调谐灵敏度

无模跳变调谐的乙炔吸收光谱

在证明根据本公开的各方面的混合激光器的连续调谐时，已经应用了5pm的波长增量(这可以使用OSA2容易地解决)。然而，应可以在小得多的步长中调谐激射波长。目前用于加热器供电的电子器件的分辨率允许在0.1pm以下步长进行无模跳变激光波长调谐，远远超过可用的光谱分析仪所能解决的范围。通过高分辨率记录乙炔吸收线的形状来证明这种小步长。选择乙炔(

为了测量乙炔吸收线的形状，通过光纤耦合器在两个输出上的作用将激光输出划分成两个相等的部分。一部分通过吸收池发送到第一光电二极管(PD1，Thorlabs S144C)，而另一部分被再次划分，并分到同一型号的第二光电二极管(PD2)和OSA1上，用于激光波长的校准。采用的吸收池是波长参考(Wavelength Reference)公司的标准密封光纤耦合乙炔气室，路径长度为5.5cm，温度为295K时压力为

通过吸收池的归一化透射率是通过用PD1的信号除以PD2的信号来确定的，以补偿激光器输出功率的任何变化，然后将其归一化到在～0.23nm的总调谐范围内测量的最大透射率。使用总调谐范围，OSA1用于校准激光波长的增量，即施加到相位段的每0.37mW加热器功率0.12pm。然而，OSA的分辨率不足以确定准确的起始波长。通过使测量的P19吸收线的中心波长与从计算的透射率获得的值一致来确定该起始波长。应用于激光波长的－1.8pm的所需偏移完全落在OSA1的分辨率内。

图11是示出测量的通过气室的归一化透射率作为激光校准波长(点)的函数的曲线图。对应于吸收池温度的标称压力的计算归一化透射率示出为蓝线。在图11中观察到，测量的透射率和计算的透射率总体上匹配良好。测量的透射率稍微宽一些，可以用气室压力的不确定性来解释。通过记录P19乙炔吸收线并将其与精确计算的光谱进行比较，表明，一旦校准，混合延伸腔激光器可以精确地调谐到～0.23nm(～29GHz)的连续调谐范围内的任何波长，其中，分辨率小到～0.12pm(～15MHz)，这远低于所使用的两个光谱分析仪的分辨率。

进一步讨论

已经公开并描述了一种通过增加调谐灵敏度F

还通过实验证明了混合集成半导体激光器的延伸连续调谐。说明性激光器包括700μm长的InP增益部分，而有效光学腔长度延伸到3.5cm，使用低损耗Si

这种观察到的调谐灵敏度的提高非常符合同时开发的连续调谐模型。该模型表明，增强的调谐灵敏度依赖于放大器的光学长度和总线波导的光学长度之和。由于调谐灵敏度与微环谐振器的长度无关，因此可以独立优化固有相位稳定性和连续调谐灵敏度。有利地，为了进一步使线宽变窄，可以在连续调谐的范围内增加激光器的腔长度，而没有损失，例如，通过增加环直径、降低总线到环波导的耦合常数或通过增加额外的环。附加地，通过缩短不用作相位段的总线波导的长度，可以增加调谐灵敏度，从而增加连续调谐的范围。

替代地，增加用作相位段的总线波导的相对长度也延伸了连续调谐范围。例如，所研究的激光器的连续调谐范围受到相位段提供的最大相位的限制。如果采用的加热器被延伸到覆盖所有可用的总线波导，这将把连续调谐范围增加到大约1.6nm的6.7倍，同时保持2.2－kHz的线宽。此外，比当前每mm 2.5π相移更有效的移相器将允许在更大范围内(即超过2nm)进行连续调谐的激光器设计。

在这一点上，本领域技术人员将容易懂得和理解到，根据本公开的各方面的同步相位和滤波器调谐的附加优点是，它可以有利地减轻激光波长调谐、波长调制或频率锁定到参考的技术限制。一个原因是集成光子电路中可调谐相位段的可用相移经常受到材料常数的限制，例如，所涉及材料的热光、应变光或电光系数。在本文公开的方法增加了调谐灵敏度F

可以理解，这在许多方面都是有利的，例如降低热移相器的功耗，提高激光调谐和频率调制的速度，以便于光谱和计量应用等。注意到，更快的调制和频率控制对于将激光器稳定在参考频率(例如绝对标准)尤为重要。已经通过实验证明了在整个P19乙炔振转吸收线上以0.12pm的步长对激光器进行微调。因为记录非常精确地揭示了已知的线形，所以得出结论，激光可以通过小于现有光谱分析仪分辨率的步长连续线性调谐。此外，这种调谐对于混合集成InP－Si

最后，注意到，根据本公开的各方面的基于谐振腔内滤波的调谐方法也可以有利地应用于其它类型的激光器。候选系统的示例包括光子晶体激光器、布拉格波导、其它增益材料或非线性增益。根据本公开的系统、方法和结构的具体优点包括线宽变窄而不妨碍连续调谐，增加调谐范围而不妨碍线宽变窄，以及在单频激光器的连续调谐或稳定中降低功耗或提高速度。

附录－无模跳变调谐

当每个环形谐振器的谐振波长λ

为了模拟加热器的作用，假设它们唯一的作用是给通过加热元件下面的波导部分j传播的光增加相位

其中，Δλ

其中，λ是真空中的波长，n

因为光在每次往返中通过相位段两次。在公式A－3中，Δλ

其中，n

当光通过环从输入端口传播到分出端口时，相位与θ

其中，κ

对于激射波长的总变化，δλ

无模跳变条件δλ

用公式A－4，则A－9给出了由相位段引起的激射波长随相位的无模跳变变化，在正文中将其作为调谐灵敏度Fλ引入，为

公式A－10确实表明，无模跳变调谐灵敏度不包括作为激光腔一部分的微环谐振器的有效长度，该调谐灵敏度对应于具有短腔长度的激光器的调谐灵敏度。

为了满足无模跳变调谐条件，环形谐振器加热器添加的相位必须设置为与相位段加热器添加的相位成固定比率。使用公式A－1，A－2和A－10，给出了这个比率，为

对于大多数激光器设计，由于公式A－11右侧通常小于1，所以环形谐振器加热器增加的相位通常小于相位段加热器增加的相位。因此，总的连续调谐范围经常受到相位段加热器的限制。

在这一点上，虽然已经使用一些具体的示例来呈现本公开，但是本领域技术人员将会认识到，启示不限于此。因此，本公开应仅由所附权利要求的范围来限制。