一种基于铌酸锂光子波导的混合集成外腔可调谐激光器

摘要

本发明涉及光学器件技术领域，提出一种基于铌酸锂光子波导的混合集成外腔可调谐激光器，包括反射型半导体光放大器和铌酸锂光子芯片，其中，铌酸锂光子芯片包括依次连接的模斑转换器、游标滤波器、布拉格反射光栅和输出波导；反射型半导体光放大器的输出端与模斑转换器的输入端的端面耦合；游标滤波器上覆盖设置有镍铬合金电极和金电极；通过对镍铬合金电极和金电极施加电压，对输出的激光波长进行调谐。本发明通过采用反射型半导体光放大器以端面耦合的方式与铌酸锂光子芯片即可构成混合集成外腔可调谐激光器，具有制作工艺简单的特点，且通过对镍铬合金电极施加电压并进行电压调节，即可实现对输出的激光波长进行调谐。

说明书

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，更具体地，涉及一种基于铌酸锂光子波导的混合集成外腔可调谐激光器。

背景技术

基于薄膜铌酸锂(LN)的大规模光子集成电路(PIC)正在成为实现高速和高容量光互连的有前途的技术。绝缘体上的铌酸锂薄膜可以形成低损耗的波导器件，尤其是铌酸锂薄膜调制器具有低驱动电压、超高电光带宽和比传统体铌酸锂调制器结构尺寸小得多的特点。然而，铌酸锂晶体缺乏发光功能，为了实现实用的光学I/O芯片，必须结合电泵浦光源。

对此，目前主要通过使用单片集成、异质集成和混合集成，制备基于绝缘体上硅(SOI)的高性能激光器，其中，单片集成需要在衬底上直接外延生长Ⅲ-Ⅴ族材料；而通过晶圆键合或转移印刷技术，Ⅲ-Ⅴ族材料可以异质集成在硅芯片上。然而，上述两种方法都需要复杂的制造工艺，且所制备的可调谐激光器的波长可调范围较小，存在一定局限性。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的需要复杂的制造工艺、波长可调范围较小的缺陷，提供一种基于铌酸锂光子波导的混合集成外腔可调谐激光器。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于铌酸锂光子波导的混合集成外腔可调谐激光器，包括反射型半导体光放大器和铌酸锂光子芯片，其中，所述铌酸锂光子芯片包括依次连接的模斑转换器、游标滤波器、布拉格反射光栅和输出波导；所述反射型半导体光放大器的输出端与所述模斑转换器的输入端的端面耦合；所述游标滤波器上覆盖设置有镍铬合金电极和金电极；通过对所述镍铬合金电极和金电极施加电压并对电压进行调节，对输出的激光波长进行调谐。

本技术方案中，反射型半导体光放大器以端面耦合的方式与铌酸锂光子芯片组成构成激光法布里-珀罗谐振腔，具体的，模斑转换器、游标滤波器、布拉格反射光栅构成可调谐激光器的外腔，且与反射型半导体光放大器构成法布里-珀罗谐振腔。其中，反射型半导体光放大器用于为可调谐激光器提供增益介质；模斑转换器用于将反射型半导体光放大器中的增益波导与相位调节模块中的波导的模斑尺寸进行匹配；游标滤波器用于对波长进行调节；布拉格反射光栅用于实现光反射功能；输出波导用于输出调谐激光。

作为优选方案，所述反射型半导体光放大器的输入端镀设有增透膜，所述反射型半导体光放大器的输出端镀设有增反膜，所述增透膜和增反膜之间通过增益波导连接。

作为优选方案，所述增透膜的反射率小于或等于0.01％，所述增反膜的反射率大于或等于10％。

作为优选方案，所述模斑转换器包括倒锥形波导耦合器。

作为优选方案，所述模斑转换器的输入端设置有三波导，所述模斑转换器的输出端设置有单铌酸锂脊形波导。

作为优选方案，所述游标滤波器包括两个半径不同且级联的微环谐振腔，且两个微环谐振腔的自由光谱范围不同。

作为优选方案，所述微环谐振腔为基于LNOI的微环，包括由下至上依次连接的硅衬底、二氧化硅、铌酸锂薄膜和二氧化硅，其中所述铌酸锂薄膜为脊形铌酸锂薄膜，所述硅衬底上覆盖设置有镍铬合金电极和金电极。

作为优选方案，还包括用于进行相位调节的相位调节模块，所述相位调节模块包括铌酸锂光子波导以及覆盖设置在所述铌酸锂光子波导上方的金属电极；所述铌酸锂光子波导的一端与所述模斑转换器的输出端耦合，所述铌酸锂光子波导的另一端与所述游标滤波器的输入端耦合。通过对金属电极施加电压，金属电极产生热量，与金属电极连接的铌酸锂光子波导中的铌酸锂材料发生热光效应，进而改变铌酸锂光子波导的折射率，此时法布里-珀罗腔的光学腔长变化，纵模间距改变，进而调节光的相位。

作为优选方案，所述布拉格反射光栅包括切趾型布拉格光栅。

作为优选方案，所述输出波导的端面耦合设置有拉锥光纤。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明通过采用反射型半导体光放大器以端面耦合的方式与铌酸锂光子芯片即可构成混合集成外腔可调谐激光器，具有集成度高、制作工艺简单、成本低廉、器件性能优越、有利于耦合封装及量产化的特点；本发明还通过对镍铬合金电极和金电极施加电压并进行电压调节，即可实现对输出的激光波长进行调谐，具有波长可调范围大，窄线宽、高边模抑制比，高输出功率等优越的器件性能。

附图说明

图1为实施例1的混合集成外腔可调谐激光器的结构示意图。

图2为实施例1的反射型半导体光放大器的结构示意图。

图3为实施例1的模斑转换器的结构示意图。

图4为实施例1的游标滤波器的结构示意图。

图5为实施例1的微环谐振腔的剖面图。

图6为实施例1的级联微环谐振腔形成的游标效应的原理图。

其中，1-反射型半导体光放大器，101-增透膜，102-增反膜，103-增益波导，2-模斑转换器，201-三波导，202-单铌酸锂脊形波导，3-相位调节模块，301-铌酸锂光子波导，302-金属电极，4-游标滤波器，401-微环谐振腔，402-镍铬合金电极，403-金电极，5-布拉格反射光栅，6-输出波导，7-拉锥光纤。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施例提出一种基于铌酸锂光子波导的混合集成外腔可调谐激光器，如图1所示，为本实施例的基于铌酸锂光子波导的混合集成外腔可调谐激光器的结构示意图。

本实施例提出的基于铌酸锂光子波导的混合集成外腔可调谐激光器中，包括反射型半导体光放大器1和铌酸锂光子芯片。其中，铌酸锂光子芯片包括依次连接的模斑转换器2、相位调节模块3、游标滤波器4、布拉格反射光栅5和输出波导6；反射型半导体光放大器1的输出端与模斑转换器2的输入端的端面耦合；游标滤波器上覆盖设置有镍铬合金电极402和金电极403；通过对镍铬合金电极402和金电极施加电压，对输出的激光波长进行调谐。

本实施例中，反射型半导体光放大器1以端面耦合的方式与铌酸锂光子芯片组成构成激光法布里-珀罗谐振腔，具体的，模斑转换器2、相位调节模块3、游标滤波器4、布拉格反射光栅5构成可调谐激光器的外腔，且与反射型半导体光放大器1构成法布里-珀罗谐振腔。

其中，反射型半导体光放大器1用于为可调谐激光器提供增益介质；模斑转换器2用于将反射型半导体光放大器1中的增益波导103与相位调节模块3中的波导的模斑尺寸进行匹配；相位调节模块3用于对相位进行调节；游标滤波器4用于对波长进行调节；布拉格反射光栅5用于实现光反射功能；输出波导6用于输出调谐激光。

本实施例中，反射型半导体光放大器1的输入端镀设有增透膜101，其反射率小于或等于0.01％，而本实施例中的增透膜101的反射率为0.01％；反射型半导体光放大器1的输出端镀设有增反膜102，其反射率大于或等于10％，而本实施例中增反膜102的反射率为10％。如图2所示，为本实施例的反射型半导体光放大器1的结构示意图。

进一步的，增透膜101和增反膜102之间通过增益波导103连接。铌酸锂光子芯片位于增透膜101一侧，构成整个法布里-珀罗激光谐振腔。反射型半导体光放大器1通过光电转换将电压转化为宽带的自发辐射光子，一部分特定频率的光子在反射型半导体光放大器1的谐振腔内往返传播多次满足阈值条件，实现振荡放大，形成激光从增透膜101一侧射出。

本实施例中，模斑转换器2采用倒锥形波导耦合器，其长度设置约为500μm；其输入端设置有三波导201，其输出端设置有单铌酸锂脊形波导202。其中，三波导201的一端与反射型半导体光放大器1的增益波导103端面耦合，单铌酸锂脊形波导202的一端与相位调节模块3中的铌酸锂光子波导301端面耦合，实现反射型半导体光放大器1与铌酸锂光子波导301之间的模斑尺寸匹配。在使用过程中，通过调整三波导201之间的距离及波导的宽度，实现高效率的端面耦合，可进一步提高激光输出的功率。如图3所示，为本实施例的模斑转换器2的结构示意图。

本实施例中，相位调节模块3包括铌酸锂光子波导301以及覆盖设置在铌酸锂光子波导301上方的金属电极302。通过金属电极302对相位调节模块3施加电压，金属电极302产生热量，铌酸锂材料发生热光效应，进而改变铌酸锂光子波导301的折射率，此时法布里-珀罗腔的光学腔长变化，纵模间距改变。

本实施例中，游标滤波器4包括两个半径不同且级联的微环谐振腔401，且两个微环谐振腔401的自由光谱范围不同，但相差较小。其中，本实施例的微环谐振腔401为基于LNOI的微环，包括由下至上依次连接的硅衬底、二氧化硅、铌酸锂薄膜和二氧化硅，其中所述铌酸锂薄膜为脊形铌酸锂薄膜，所述硅衬底上覆盖设置有镍铬合金电极402，以及用于对镍铬合金电极402施加电压而引出的金电极403，且对其打线可将芯片封装。如图4～5所示，为本实施例的游标滤波器4的结构示意图及微环谐振腔401的剖面图。

其中，本实施例中的级联微环谐振腔401形成游标效应，通过对其施加电压产生热量，铌酸锂材料发生热光效应，游标滤波器4的谐振峰红移，且在其谐振腔投射峰完全重叠的地方出现激光，具有窄线宽及高边模抑制比的优势。如图6所示，为本实施例的级联微环谐振腔形成的游标效应的原理图。

级联的微环在本实施例中作为滤波器，以从法布里-珀罗腔模中选择激光波长，而游标滤波器4的自由光谱范围应大于增益芯片的放大自发辐射光谱的带宽，以实现稳定的单模发射。

微环的半径必须足够小以实现足够大的自由光谱范围，但是当微环半径过小时，会受到严重泄漏损耗的影响，微环谐振腔401的Q值反而会降低。本实施例通过级联多个微环，利用其游标效应实现单模激光及连续可调。微环谐振腔401的谐振峰重叠处的透射率达到最大值，这决定了外腔激光器的激光波长。通过调节施加在镍铬合金电极402的电压，热调节重叠透射峰的位置，可以调节激光波长，其可调整的范围Δλ受到游标滤波器4的自由光谱范围的限制。其表达式如下：

式中，FSR1、FSR2分别为级联微环谐振腔401的自由光谱范围。

为了获得足够高的边模抑制比，需要获得较大的模式增益差异，其由级联微环的传输特性确定，取决于级联微环的耦合系数及其自由光谱范围。主导激光模式和最接近的旁侧模式之间的模式传输差异显著影响边模抑制比和激光器的稳定性，当增益差太小时，激光的波长将会不稳定，在一些情况下可能会导致多模震荡。本实施例通过调整级联微环谐振腔401的耦合系数、调整耦合长度及耦合间距可实现较大的模式增益差异。

本实施例中的布拉格反射光栅5采用切趾型布拉格光栅。布拉格反射光栅5是基于铌酸锂光子波导的大带宽反射光栅，其中心波长的反射率为90％，用于对从游游标滤波器4输出的光进行反射，提供另一个反射腔面，从而与反射型半导体光放大器1中的增反膜102共同构成法布里-珀罗激光腔。

进一步的，本实施例中的输出波导6采用铌酸锂直波导，且输出波导6直接与拉锥光纤7进行端面耦合，用于将激光器的单纵模激光耦合输出到拉锥光纤7。本实施例通过调节铌酸锂直波导的尺寸，即可实现高耦合效率。

在使用过程中，反射型半导体光放大器1为激光器提供增益介质，依次经过模斑转换器2的模斑尺寸匹配，经相位调节模块3的相位调节，经游标滤波器4的波长调节，经布拉格反射光栅5的反射，最后经输出波导6耦合输出到拉锥光纤7。其中，利用游标滤波器4中微环的游标效应，实现了大可调范围及高边模抑制比，在操作过程中只需要对游标滤波器4上的镍铬合金电极402施加电压并进行电压调节，即可实现波长可调操作。

而在器件的制备过程中，通过将反射型半导体光放大器1与铌酸锂光子波导301芯片端面耦合即可构成混合集成外腔可调谐激光器，且利用紫外固化胶即可将反射型半导体光放大器1与铌酸锂光子芯片进行简易封装。

进一步的，本实施例的外腔可调谐激光器可结合高性能的铌酸锂薄膜调制器可以实现基于铌酸锂波导的光发射端。

本实施例提出的混合集成外腔可调谐激光器不需要额外的准直透镜系统、及复杂光学透镜系统，也不需要其他材料系统，具有制备工艺简单的特点，仅需要传统的光刻、刻蚀工艺，不需要键合、转印等复杂工艺。相对于传统分立元件较多的外腔激光器，本实施例的外腔可调谐激光器具有集成度高、制作工艺简单、成本低廉、器件性能优越、有利于耦合封装及量产化的特点。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。