硅光子外腔可调谐激光器的波长控制方法技术

描述了一种可调谐固态激光设备，该可调谐固态激光设备包括基于半导体的增益芯片和具有调谐能力的硅光子滤波器芯片。硅光子滤波器芯片包括输入

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】硅光子外腔可调谐激光器的波长控制方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2019年3月1日提交的Gao等人的题为“Method For Wavelength Control Of Silicon Photonic External Cavity Tunable Laser”的待审美国临时申请62/812,455的优先权，该专利申请通过引用并入本文。


[0003]本专利技术涉及一种混合外腔激光器，其具有半导体增益芯片，诸如，III
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V族半导体二极管结构；以及基于硅光子的可调滤波器芯片，与增益芯片相互接口以形成可调谐激光腔。本专利技术进一步涉及一种用于具有期望的热控制的外腔激光器的硅光子芯片。

技术介绍

[0004]相干光通信系统被普遍认为是针对范围自几百米上至全球范围的距离进行互联互通的主要方式。随着增加的需求推动光纤容量达到100Gbs/波长或更高，相干光学系统的部署数量不断增加。相干可调谐激光器是这种网络的重要且有利的元素。这些通常被称为“可调谐激光器”，但这些激光器的操作要求比这个简单术语所暗示的要具体得多。尽管这些激光器的可调谐性通常用波长来表示，但用光学频率来表达这些行为通常更能说明问题。相关性始终由简单的方程来支配：频率＝(光速)/波长。因此，在1520nm和1570nm(典型范围)之间大致可调的激光器在约197THz和191THz(THz＝10
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Hz)之间相应地可调。为了使这种可调谐激光器满足新兴和即将出现的相干系统的要求，在许多其他要求中，它应该：(A)对目标1GHz范围内(即，约200000分之一)的频率设置(因此，波长)进行响应；以及(B)展现出小于500KHz，优选小于100KHz的线宽(约十亿分之一的小带宽)。
[0005]为了实现这些行为，可调谐激光器总是被设计为外腔激光器(ECL)。这意味着ECL结构包括光学放大元件和形成复合光学谐振器的其他光学元件。这与标准半导体激光二极管形成对比，在标准半导体激光二极管中，放大元件和光学谐振器在单个管芯上基本上是一体的。调整复合光学腔内的光学滤波器以选择预期的光学频率并保持所需的光学线宽。可以跨整个6
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THz(或左右)调谐范围调谐单个通带并还提供200
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KHz(或左右)线宽的单个滤波器目前不实用(或甚至不接近实用)。因此，这种实用的ECL可调谐激光器在复合谐振器中使用两个可调谐滤波器。可调谐滤波器中的每一个跨整个调谐范围提供窄通带梳，并且每个滤波器被独立调整使得每个滤波器之间只有一条线重叠，并且可调谐激光器以该重叠频率发射窄带光。

技术实现思路

[0006]在第一方面，本专利技术涉及包括基于半导体的增益芯片和具有调谐能力的硅光子滤波器芯片的可调谐固态激光器设备。通常，硅光子滤波器芯片包括输入
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输出硅波导、连同硅波导形成的至少两个环形谐振器、与环形谐振器相互接口的一个或多个连接硅波导、与每个环形谐振器相关联的单独加热器、被配置为测量芯片温度的温度传感器、以及连接到
温度传感器和单独加热器的并设计有反馈回路以维持滤波器温度从而提供经调谐频率的控制器。在硅光子芯片内，一个或多个连接硅波导通常被配置为将与至少两个环形谐振器中的每一个环形谐振器谐振的光重定向回通过输入
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输出硅波导。在一些实施例中，硅光子滤波器芯片的输入
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输出硅波导通过光斑尺寸转换器耦接到基于半导体的增益芯片，以提供模式尺寸匹配从而减少由于接口引起的损耗。
[0007]在另一方面，本专利技术涉及一种用于稳定可调谐外腔激光器的输出的方法，其中可调谐外腔激光器包括用光斑尺寸转换器彼此耦接以形成激光腔的基于半导体的增益芯片和硅光子滤波器芯片。在一些实施例中，硅光子滤波器芯片包括：电阻式温度传感器，被配置为远离任何加热元件地测量芯片温度；以及多个环形谐振器，具有单独的集成电阻式加热器。该方法可以包括：使用由控制器驱动的控制回路，控制器被配置为从电阻式温度传感器获得读数并调整电阻式加热器的功率以将激光频率维持在容差范围内。
[0008]在另一方面中，本专利技术涉及一种光学芯片，包括：
[0009]输入波导；
[0010]Sagnac干涉仪，与所述输入波导光学连接，包括：
[0011]分束器/耦合器，与所述输入波导连接；
[0012]两个波导分支，与分束器
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耦合器连接，并且每个分支终止于一端；
[0013]两个环形谐振器，每一个环形谐振器耦接到单独的波导分支并通过介入的弯曲波导彼此耦接，以使相应环形谐振器中的光学旋转方向反转，其中介入的弯曲波导可以包括或可以不包括另外的环形谐振器；以及
[0014]电阻式加热器，与每个环形谐振器相关联，
[0015]其中，进入输入波导的光被分入特定的波导分支，并且如果所述光与两个环形谐振器和任何介入的环形谐振器谐振，则所述光然后通过一个环形谐振器、沿着介入的弯曲波导、并通过另一环形谐振器进入相对的波导分支中，返回到分束器
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耦合器。在一些实施例中，光学芯片通过硅波导和二氧化硅包层实现，使得光学芯片可以被认为是硅光子芯片。
附图说明
[0016]图1是与当前商用ECL相比，随不同热串扰水平而变化的基于硅光子的外腔激光器(ECL)的经计算的额外频率误差的图。
[0017]图2是包括硅光子滤波器芯片和基于半导体的增益芯片的可调谐固态激光器的实施例的示意性透视图，基于半导体的增益芯片可以耦接到半导体光学放大器(SOA)。
[0018]图3是硅光子滤波器芯片的实施例的一部分的侧截面图。
[0019]图4是可以耦接到硅光子滤波器芯片的基于半导体的增益芯片的实施例的透视图。
[0020]图5是可调谐激光器系统的实施例的框图。
[0021]图6是对环形谐振器的环温度传感器(RTD)与激光频率误差的图。
[0022]图7是芯片加热器功率与环温度传感器(RTD)读数变化率的图。
[0023]图8是硅光子滤波器芯片的另一实施例的俯视图，该芯片具有一对环形谐振器和终止于反射器的波导。
[0024]图9是硅光子滤波器芯片的再一实施例的俯视图，该芯片具有并排布置的多个环
形谐振器。
[0025]图10是硅光子滤波器芯片的另一实施例的实施例，该芯片具有分叉波导和多个耦接环形谐振器。
[0026]图11是在环形谐振器四周包括热隔离沟槽的硅光子滤波器芯片的实施例的顶部透视图。
[0027]图12是图11的硅光子滤波器芯片的实施例的俯视图。
[0028]图13是包括L形热隔离沟槽的硅光子滤波器芯片的另一实施例的顶部透视图，L形热隔离沟槽部分围绕环形谐振器。
[0029]图14是包括一对热隔离沟槽的硅滤波器芯片的又一实施例的顶部透视图。
[0030]图15是图14的具有一对热隔离沟槽的硅滤波器芯片的实施例的俯视图。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种可调谐固态激光设备，包括：基于半导体的增益芯片；以及具有调谐能力的硅光子滤波器芯片，其中，硅光子滤波器芯片包括：输入
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输出硅波导；与硅波导一起形成的至少两个环形谐振器；与所述环形谐振器相互接口的一个或多个连接硅波导；与每个环形谐振器相关联的单独加热器；被配置为测量芯片温度的温度传感器；以及控制器，连接到所述温度传感器和所述单独加热器，并设计有反馈回路以维持滤波器温度从而提供经调谐的频率，其中所述一个或多个连接硅波导被配置为将与所述至少两个环形谐振器中的每一个谐振的光重定向回通过所述输入
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输出硅波导，其中所述硅光子滤波器芯片的所述输入
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输出硅波导利用光斑尺寸转换器耦接到基于半导体的增益芯片，以提供模式尺寸匹配从而减少由于接口引起的损耗。2.根据权利要求1所述的可调谐固态激光没备，其中，所述硅光子滤波器芯片还包括与每个环形谐振器相关联的单独电阻式温度传感器，其中所述控制器被连接以接收来自单独环温度传感器的信号从而考虑在所述反馈回路中的测量。3.根据权利要求1或权利要求2所述的可调谐固态激光设备，其中，所述硅光子滤波器芯片包括光学连接到所述输入
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输出硅波导的光学分束器
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合束器，并且其中所述一个或多个连接硅波导包括设置有Sagnac干涉仪的回路的两个分支波导，每个分支波导连接到所述光学分束器
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合束器的分束侧，并且其中所述环形谐振器闭合所述干涉仪的回路以形成多次滤波Sagnac干涉仪。4.根据权利要求3所述的可调谐固态激光设备，其中，所述至少两个环形谐振器为两个环形谐振器，其中所述一个或多个连接硅波导还包括被配置为将所述两个环形谐振器彼此光学连接的大致U形硅波导，并且其中每个环形谐振器分别耦接到分束器
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合束器的分支以形成一配置，在所述配置中，如果从分束器
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耦合器行进的光与两个谐振环适当地谐振，则所述光耦合进入第一环形谐振器中、沿着所述大致U形硅波导、然后沿着另一环形谐振器、并耦合进入来自所述分束器
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合束器的另一分支中朝向所述分束器
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耦合器。5.根据权利要求3所述的可调谐固态激光设备，其中，所述至少两个环形谐振器为三个环形谐振器，其中每两个环形谐振器分别耦接到分束器
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合束器的分支，并且其中第三环形谐振器位于其间且光学连接到另外两个环形谐振器以形成一配置，在所述配置中，如果从分束器
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耦合器行进的光与所有三个环形谐振器适当地谐振，则所述光从一个分支耦合到第一环形谐振器中、沿着第三环形谐振器、然后沿着另一谐振环、并耦合进入另一分支，以使Sagnac干涉仪的回路完整，其中光被定向为朝向所述分束器
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耦合器。6.根据权利要求1至5中的任一项所述的可调谐固态激光设备，其中，包层中的沟槽将所述加热器的至少一部分与至少两个环形谐振器热隔离。7.根据权利要求1至6中的任一项所述的可调谐固态激光设备，其中，所述增益芯片包括p
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n二极管，所述p
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n二极管包括III
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V半导体层。8.根据权利要求1至7中的任一项所述的可调谐固态激光设备，其中，所述控制器被设计为执行对环形谐振器温度的比例
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积分
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微分闭环控制。9.根据权利要求1至8中的任一项所述的可调谐固态激光设备，还包括被配置为接收所述增益芯片的输出并进一步输出放大的光学信号的半导体光学放大器。10.根据权利要求1至8...

【专利技术属性】
技术研发人员：高永康，罗建昌，
申请(专利权)人：新飞通光电公司，
类型：发明
国别省市：