一种高功率双端口输出的硅基可调谐外腔激光器制造技术

本发明专利技术涉及一种高功率双端口输出的硅基可调谐外腔激光器，其采用混合集成方案，使用低成本低损耗的硅基微环波导芯片作为外腔中波长调节单元，与III‑V族反射型半导体增益管芯通过两个准直透镜实现端面耦合，结构简单，克服了单片集成半导体激光器复杂的工艺限制，外腔中无活动部件，有效地提高了可靠性和稳定性。通过对硅基微环波导芯片结构的优化设计，大大降低了激光在硅基波导微环谐振腔中非线性光学效应产生机率，提高了该结构激光器允许输出的最大光功率。外腔准直光路中带通滤波器的加入，有效地降低了对硅基微环波导芯片的技术要求，可提高耦合封装的效率、适合于低成本批量生产。

A silicon based tunable external cavity laser with high power two output ports

Silicon based tunable external cavity laser of the invention relates to a high power double output ports, the hybrid integrated scheme, using low cost and low loss silicon based micro ring waveguide chip as the wavelength of the external cavity adjustment unit, and III V reflective semiconductor gain tube core end coupling, through two collimating lens has the advantages of simple structure, overcomes the limitation of monolithic integrated semiconductor laser technology complex, no moving parts in the external cavity, effectively improves the reliability and stability. By optimizing the design of Micro Ring waveguide structure on the silicon chip, greatly reducing the laser in silicon waveguide micro ring resonator optical nonlinearity generated in the probability of improving the maximum light power of the laser structure allows the output. The addition of band pass filter in the external cavity collimator effectively reduces the technical requirements for silicon-based microring waveguide chips, and improves the efficiency of coupling packaging and is suitable for mass production at low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种高功率双端口输出的硅基可调谐外腔激光器
本专利技术涉及一种光通信器件，尤其涉及一种高功率双端口输出的硅基可调谐外腔激光器，具体而言是涉及一种将III-V族的激光器增益芯片与硅基微环光波导芯片混合集成的双端口输出的外腔可调谐激光器的实现方案，该可调谐外腔激光器适用于灵活波长栅格的相干光通信网络，属于光通信

技术介绍
相干光通信技术具有接收灵敏度带宽高、中继距离长、波长选择性好、通信容量大等纵多优点，近年来，已逐渐成为干线传输网的主要技术。在高速相干通信系统中，高性能的可调谐激光器不可或缺。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，低成本等特性指标要求。当前，能够满足相关光通信系统要求的可调谐激光器技术方案按波长调谐机构与有源放大区的组合方式可大致分为单片集成型和外腔型两大类。其中，单片集成型主要有SGDBR(Sampledgratingdistributedbraggreflector，取样光栅分布布拉格反射)、阵列DFB(DistributedFeedBack，分布反馈)和Y波导等方案。单片集成结构的可调谐激光器需要采用高精度的光刻技术，工艺难度高，难以实现低成本高成品率的生产。外腔型包括传统的外腔调谐方案和混合集成外腔方案。传统的外腔可调谐激光器波长调谐机构采用外部体光学元件与有源放大区共同构成，通过机械控制方式，如旋转光栅、反射镜或平移反射镜等选择不同的振荡波长，具有调谐范围大、相位噪声低、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，但机械稳定性较差。近年来，硅光子集成技术发展迅速，利用成熟的CMOS半导体规模化制造工艺可制作各种光子集成平台，被证实不仅可以制造小型化、低损耗波导和各种低成本光无源器件，还在光的调制、探测、交换等方面展现出了优异的性能和实用化的前景。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。如何利用低成本、低功耗和小尺寸的硅光波导芯片制作低成本高功率高性能的混合集成可调谐激光器成为当前研究的热点。目前业界普遍认同的方案是将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。现有的基于双环硅基芯片与III-V族的激光器增益管芯(SOA：SemiconductorOpticalAmplifier)直接对接结构的混合集成外腔激光器，其中微环芯片普遍采用如图1和图2所示微环结构。图1中的硅基芯片包括反射环101和两个Drop端互连的微环滤波器102和103。图2中的硅基芯片集成了一个1×2多模干涉光耦合器(MMI：MultimodeInterference)201和两个Drop端互连的微环滤波器202和203。相关文献已经指出，图1所示的微环芯片不适合用于制作高光功率输出的可调激光器，因为激光器高光功率的输出会要求增大硅基微环谐振腔小截面波导中单向通过的光功率密度，容易在硅基光波导微环谐振腔中形成一系列非线性光学效应，从而影响采用此类微环芯片的可调谐激光器的输出稳定性，同时导致这种激光器的线宽被展宽。图2所示的改进微环芯片可以显著地降低微环谐振腔中非线性光学效应，虽然有文献指出采用这种微环结构制作的混合集成外腔可调谐激光器可稳定工作的最大输出光功率可达38.5mW(15.8dBm)，勉强能够达到目前相干通信系统中商用可调谐激光器的光功率水平。但是考虑到高速相干通信系统对高功率输出的可调谐激光器高可靠性和稳定性要求，采用图2所示微环结构制作高光功率可调谐激光器所存在的输出不稳定的风险仍不容忽视。要在混合集成硅基双环激光器中实现窄线宽，通常需要较长的外腔结构，现有的双环激光器采用硅基双环芯片直接与SOA对接方式耦合，硅基芯片上需设计长的无源硅波导。而长的硅波导的引入，必然会增大外腔的损耗，最终降低SOA相同驱动条件下激光器输出光功率。可调谐激光器一个关键的指标是波长可调范围，能够覆盖CBand是当前光通讯系统对激光器的可调谐波长范围最基本的要求。一般来说，当SOA增益谱的谱宽大于CBand时，其长短波增益也会存在明显的不平坦，现有可调谐激光器采用双环硅基芯片与SOA直接对接结构，在理论设计上必须要保证硅基芯片双环游标效应的合成光谱的自由光谱范围(FSR：FreeSpectrumRange)大于CBand，即要求两个微环滤波器有较大的自由光谱范围及较小的自由光谱范围差别，从而导致会大大增加硅基微环波导芯片制作的工艺控制精度要求和加工难度。
技术实现思路
针对现有的技术中存在的缺陷，本专利技术解决的主要技术问题包括：进一步增大微环激光器可稳定输出的最大光功率、从设计上保证了激光器窄线宽特性、降低了微环芯片的制作工艺难度。即本专利技术的目的在于通过低成本的硅基微环波导芯片与III-V族的激光器增益芯片混合集成，实现一种低成本、高功率、双端口输出的可调谐外腔激光器，同时具有体积小、稳定性好、相位噪声低、线宽窄、低能耗等优点，满足当前相干波分光通信系统发送端光源和接收端本振源采用同一激光器的特殊应用需求。为达到上述的目的，本专利技术提供了一种高功率双端口输出的硅基可调谐外腔激光器。所述激光器包括光探测器、反射型半导体增益芯片、准直透镜、波导耦合透镜、硅基微环芯片；其中，所述反射型半导体增益芯片的两端面分别镀有高反射膜与增透膜，所述光探测器设置于所述反射型半导体增益芯片的镀有高反射膜的一侧，所述准直透镜、波导耦合透镜和硅基微环芯片依次同光轴设置于所述反射型半导体增益芯片镀有增透膜的一侧；其特征在于：所述硅基微环芯片与所述反射型半导体增益芯片镀有高反膜的端面之间形成该硅基可调谐外腔激光器的谐振腔，所述准直透镜和波导耦合透镜之间进一步设置有带通滤波器，所述带通滤波器的通带光谱宽度小于所述反射型半导体增益芯片的增益谱谱宽。在上述技术方案中，所述硅基微环芯片单片集成有第一硅基微环滤波器和第二硅基微环滤波器、两级多模干涉耦合分光结构、输出光波导和模场转换波导结构；进入所述硅基微环芯片的激光先经过所述模场转换波导结构的模斑转换，经所述输出光波导后再通过两级多模干涉耦合分光结构逐级分光，分别进入所述第一硅基微环滤波器和第二硅基微环滤波器。在上述技术方案中，所述第一硅基微环滤波器的自由光谱范围FSR1和第二硅基微环滤波器的自由光谱范围FSR2之间的关系满足：FSR3大于所述带通滤波器的通带光谱半宽度。在上述技术方案中，所述硅基微环芯片中进一步包括有第一微环滤波器加热探测装置、第二微环滤波器加热探测装置，分别对所述第一硅基微环滤波器和第二硅基微环滤波器的温度进行监测和控制，通过调谐所述第一硅基微环滤波器和第二硅基微环滤波器的温度来移动微环谐振腔谐振峰，以实现所述硅基可调谐外腔激光器输出波长的调谐。在上述技术方案中，所述第一硅基微环滤波器和第二硅基微环滤波器之间还设置有隔绝温度串扰的隔热槽。在上述技术方案中，所述硅基微环芯片中进一步包括有光波导加热探测装置，对所述输出光波导的温度进行监测和控制，通过调谐所述输出光波导的温度来调节所述硅基可调谐外腔激光器的相位。在上述技术方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高功率双端口输出的硅基可调谐外腔激光器，所述激光器包括光探测器(1)、反射型半导体增益芯片(2)、准直透镜(3)、波导耦合透镜(6)、硅基微环芯片(7)；其中，所述反射型半导体增益芯片(2)的两端面分别镀有高反射膜与增透膜，所述光探测器(1)设置于所述反射型半导体增益芯片(2)的镀有高反射膜的一侧，所述准直透镜(3)、波导耦合透镜(6)和硅基微环芯片(7)依次同光轴设置于所述反射型半导体增益芯片(2)镀有增透膜的一侧；其特征在于：所述硅基微环芯片(7)与所述反射型半导体增益芯片(2)镀有高反膜的端面之间形成该硅基可调谐外腔激光器的谐振腔，所述准直透镜(3)和波导耦合透镜(6)之间进一步设置有带通滤波器(5)，所述带通滤波器(5)的通带光谱宽度小于所述反射型半导体增益芯片(2)的增益谱谱宽。

【技术特征摘要】
1.一种高功率双端口输出的硅基可调谐外腔激光器，所述激光器包括光探测器(1)、反射型半导体增益芯片(2)、准直透镜(3)、波导耦合透镜(6)、硅基微环芯片(7)；其中，所述反射型半导体增益芯片(2)的两端面分别镀有高反射膜与增透膜，所述光探测器(1)设置于所述反射型半导体增益芯片(2)的镀有高反射膜的一侧，所述准直透镜(3)、波导耦合透镜(6)和硅基微环芯片(7)依次同光轴设置于所述反射型半导体增益芯片(2)镀有增透膜的一侧；其特征在于：所述硅基微环芯片(7)与所述反射型半导体增益芯片(2)镀有高反膜的端面之间形成该硅基可调谐外腔激光器的谐振腔，所述准直透镜(3)和波导耦合透镜(6)之间进一步设置有带通滤波器(5)，所述带通滤波器(5)的通带光谱宽度小于所述反射型半导体增益芯片(2)的增益谱谱宽。2.如权利要求1所述的高功率双端口输出的硅基可调谐外腔激光器，其特征在于：所述硅基微环芯片(7)单片集成有第一硅基微环滤波器(7-1)和第二硅基微环滤波器(7-2)、两级多模干涉耦合分光结构、输出光波导(7-6)和模场转换波导结构(7-8)；进入所述硅基微环芯片(7)的激光先经过所述模场转换波导结构(7-8)的模斑转换，经所述输出光波导(7-6)后再通过两级多模干涉耦合分光结构逐级分光，分别进入所述第一硅基微环滤波器(7-1)和第二硅基微环滤波器(7-2)。3.如权利要求2所述的高功率双端口输出的硅基可调谐外腔激光器，其特征在于：所述第一硅基微环滤波器(7-1)的自由光谱范围FSR1和第二硅基微环滤波器(7-2)的自由光谱范围FSR2之间的关系满足：FSR3大于所述带通滤波器(5)的通带光谱半宽度。4.如权利要求2-3中任一项所述的高功率双端口输出的硅基可调谐外腔激光器，其特征在于：所述硅基微环芯片(7)中进一步包括有第一微环滤波器加热探测装置(7-9)、第二微环滤波器加热探测装置(7-10)，分别对所述第一硅基微环滤波器(7-1)和第二硅基微环滤波器(7-2)的温度进行监测和控制，通过调谐所述第一硅基微环滤波器(7-1)和第二硅基微环滤波器(7-2)的温度来移动微环谐振腔谐振峰，...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤学胜，陈义宗，钱坤，胡毅，曹薇，焰烽，马卫东，
申请(专利权)人：武汉光迅科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42