一种基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器制造技术

本申请公开了一种基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器，包括平面光波导和半导体光放大器，平面光波导包括衬底层、下包层、波导芯层、上包层和电极层，波导芯层分为无机波导芯层区域和有机波导芯层区域，无机波导区域包括环形反射器、第一双锥形模式转换器、直波导芯层、第二双锥形模式转换器和平行信道单微环滤波器，直波导芯层上键合有半导体光放大器，有机波导芯层区域包括无机有机锥形模式转换器以及热光开关阵列和波导光栅滤波器，波导光栅滤波器的另一端为输出端口，环形反射器、平行信道单微环滤波器、热光开关阵列和波导光栅滤波器的上部均设置有加热电极，既具有窄线宽优点，调谐范围又宽，而且输出的激光具有高边模抑制比。

A tunable narrow linewidth laser based on organic-inorganic hybrid waveguide

【技术实现步骤摘要】
一种基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器
本专利技术属于半导体激光器
，特别是涉及一种基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器。
技术介绍
硅光子技术的核心是“以光代电”传输数据，能够将光源、调制器、波导、探测器等有源及无源器件集成在同一硅基衬底上，具有集成度高、成本下降潜力大、波导传输性能优异等优势，在光通信、数据中心、国防、智能汽车与无人机等领域具有重要应用。但硅是间接带隙材料，缺少高性能的光源严重制约了硅光子技术的发展。目前，从制造工艺上实现硅基单片集成激光器的技术有硅基拉曼激光器、硅基外延激光器和硅基混合集成激光器三类。硅基拉曼激光器已实现了连续激光输出，但光致发光和转换效率低使其难以集成应用；硅基外延激光器外延生长工艺难、泵浦结构复杂使其近阶段难以实用化；硅基混合集成激光器是一种利用键合技术实现半导体增益芯片与硅基光子平台混合集成的新型激光器，它不仅吸收了III-V族半导体激光器体积小、重量轻、效率高、寿命长和可靠性高的优点，而且综合了硅波导折射率差大并与时下CMOS工艺兼容的优势，是目前硅基单片集成激光器的最优选择。这种硅基混合集成激光器按结构可分为基于微环滤波器的硅基混合集成激光器和基于波导光栅滤波器的硅基混合集成激光器。其中，基于微环滤波器的硅基混合集成激光器，通过微环的自由光谱区调谐，能实现较宽的波长调谐范围，比如40nm-65nm，然而由于微环滤波器影响的纵模增益差(即边模抑制比)与光谱线宽存着一种取舍关系，纵模增益差只与微环滤波器的谐振峰有关，当腔长增加时，纵模间距会变小，纵模增益差减小，很容易产生多模震荡，一般微环自由光谱区选取要远大于纵模自由光谱区，使得线宽压缩在100kHz左右，在不牺牲边模抑制比指标的前提下很难低于10kHz。基于光栅结构的硅基激光器，通过光栅的优化设计容易实现小于10kHz的窄线宽，光栅滤波器波长调谐范围很小，即使一些特殊结构也很难超过10nm。综上可见，基于微环滤波器和基于波导光栅滤波器的硅基混合集成激光器，一个是调谐范围大，但是线宽不够窄，另一个是线宽可以做到足够窄，但是调谐范围不够宽，也就是说都无法兼具线宽窄和调谐范围宽的优点。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器，既具有窄线宽的优点，又具有调谐范围宽的优点，而且输出的激光具有高边模抑制比。本专利技术提供的一种基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器，包括平面光波导和半导体光放大器，所述平面光波导包括从下至上依次设置的衬底层、下包层、波导芯层、上包层和电极层，其中，所述波导芯层分为无机波导芯层区域和有机波导芯层区域，其中，所述无机波导区域包括依次连接的环形反射器、第一双锥形模式转换器、直波导芯层、第二双锥形模式转换器和平行信道单微环滤波器，所述直波导芯层上键合有所述半导体光放大器，所述有机波导芯层区域包括与所述平行信道单微环滤波器连接的无机有机锥形模式转换器以及与所述无机有机锥形模式转换器的另一端依次连接的热光开关阵列和波导光栅滤波器，所述波导光栅滤波器的另一端为所述激光器的输出端口，所述环形反射器、所述平行信道单微环滤波器、所述热光开关阵列和所述波导光栅滤波器的上部均设置有位于所述电极层内的加热电极。优选的，在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器中，所述无机波导芯层区域为硅波导芯层区域、氮化硅波导芯层区域、氮氧化硅波导芯层区域或掺杂氧化硅波导芯层区域，且所述无机波导芯层区域上面的上包层为二氧化硅上包层、SU-8上包层或苯并环丁烯上包层。优选的，在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器中，所述有机波导芯层区域为苯并环丁烯波导芯层区域、SU-8波导芯层区域或NOA波导芯层区域，且所述有机波导芯层区域上面的上包层为PMMA上包层或二氧化硅上包层。优选的，在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器中，所述无机波导芯层区域为单模矩形波导或单模脊形波导，所述有机波导芯层区域为单模矩形波导或单模脊形波导。优选的，在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器中，所述环形反射器为圆环形反射器、椭圆环形反射器或跑道圆环形反射器。优选的，在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器中，所述半导体光放大器为InP基外延光放大器、GaAs基外延光放大器或GaN基外延光放大器。优选的，在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器中，所述热光开关阵列为1×4阵列，且可通过所述加热电极选通所述1×4阵列的4个输出端口中的任意一个，所述4个输出端口分别与4个所述波导光栅滤波器相连接。优选的，在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器中，所述1×4阵列包括1×4MMI热光开关，通过所述加热电极选通所述4个输出端口中的任意一个。优选的，在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器中，所述1×4阵列由3个相同的2×2光开关单元级联而成，所述2×2光开关单元为2×2全内反射热光开关、2×2DC-MZI热光开关或2×2MMI-MZI热光开关，通过所述加热电极选通所述2×2光开关单元中的任意一个进行组合实现选通所述4个输出端口中的任意一个。优选的，在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器中，所述衬底层为硅基衬底层，所述下包层为二氧化硅下包层。通过上述描述可知，本专利技术提供的上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器中，所述波导芯层分为无机波导芯层区域和有机波导芯层区域，其中，所述无机波导区域包括依次连接的环形反射器、第一双锥形模式转换器、直波导芯层、第二双锥形模式转换器和平行信道单微环滤波器，所述直波导芯层上键合有所述半导体光放大器，所述有机波导芯层区域包括与所述平行信道单微环滤波器连接的无机有机锥形模式转换器以及与所述无机有机锥形模式转换器的另一端依次连接的热光开关阵列和波导光栅滤波器，所述波导光栅滤波器的另一端为所述激光器的输出端口，所述环形反射器、所述平行信道单微环滤波器、所述热光开关阵列和所述波导光栅滤波器的上部均设置有位于所述电极层内的加热电极，采用有机无机混合波导实现的光开关阵列和波导光栅滤波器是激光器的前反射镜，即等效减反面，该“前反射镜”可通过光开关阵列上不同的电极工作组合选通任意一个波导光栅滤波器，由于多个波导光栅滤波器有相同的反射率，可将一部分光输出，另一部分光反射回集成光回路中，每个光栅滤波器的中心波长不同，从上到下依次增加或减小，相邻中心波长间隔相等，每个光栅滤波器上都有加热电极，使得光栅滤波器中心波长调谐范围大于等于相邻端口中心波长间距，可见其利用热光开关和波导光栅阵列实现了大范围可调谐窄带滤波，而且能够对激光器纵模进行二次选频，因此进一步压缩了线宽，从而该激光器既具有窄线宽的优点，又具有调谐范围宽的优点，而且利用了中间的平行信道单微环滤波器做一次选频，因此输出的激光具有高边模抑制比。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器，其特征在于，包括平面光波导和半导体光放大器，所述平面光波导包括从下至上依次设置的衬底层、下包层、波导芯层、上包层和电极层，其中，所述波导芯层分为无机波导芯层区域和有机波导芯层区域，其中，所述无机波导区域包括依次连接的环形反射器、第一双锥形模式转换器、直波导芯层、第二双锥形模式转换器和平行信道单微环滤波器，所述直波导芯层上键合有所述半导体光放大器，所述有机波导芯层区域包括与所述平行信道单微环滤波器连接的无机有机锥形模式转换器以及与所述无机有机锥形模式转换器的另一端依次连接的热光开关阵列和波导光栅滤波器，所述波导光栅滤波器的另一端为所述激光器的输出端口，所述环形反射器、所述平行信道单微环滤波器、所述热光开关阵列和所述波导光栅滤波器的上部均设置有位于所述电极层内的加热电极。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器，其特征在于，包括平面光波导和半导体光放大器，所述平面光波导包括从下至上依次设置的衬底层、下包层、波导芯层、上包层和电极层，其中，所述波导芯层分为无机波导芯层区域和有机波导芯层区域，其中，所述无机波导区域包括依次连接的环形反射器、第一双锥形模式转换器、直波导芯层、第二双锥形模式转换器和平行信道单微环滤波器，所述直波导芯层上键合有所述半导体光放大器，所述有机波导芯层区域包括与所述平行信道单微环滤波器连接的无机有机锥形模式转换器以及与所述无机有机锥形模式转换器的另一端依次连接的热光开关阵列和波导光栅滤波器，所述波导光栅滤波器的另一端为所述激光器的输出端口，所述环形反射器、所述平行信道单微环滤波器、所述热光开关阵列和所述波导光栅滤波器的上部均设置有位于所述电极层内的加热电极。


2.根据权利要求1所述的基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器，其特征在于，所述无机波导芯层区域为硅波导芯层区域、氮化硅波导芯层区域、氮氧化硅波导芯层区域或掺杂氧化硅波导芯层区域，且所述无机波导芯层区域上面的上包层为二氧化硅上包层、SU-8上包层或苯并环丁烯上包层。


3.根据权利要求1所述的基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器，其特征在于，所述有机波导芯层区域为苯并环丁烯波导芯层区域、SU-8波导芯层区域或NOA波导芯层区域，且所述有机波导芯层区域上面的上包层为PMMA上包层或二氧化硅上包层。


4.根据权利要求1所述的基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器，其特征在于，所述无机波导芯层区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁磊，贾鹏，秦莉，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22