本發(fā)明涉及光通信的集成光學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種波長(zhǎng)可調(diào)、功率可調(diào)的硅基外腔激光器。
背景技術(shù)：
近年來，隨著相干光通信技術(shù)的發(fā)展，高性能的可調(diào)諧激光器不可或缺。高速相干通信系統(tǒng)對(duì)可調(diào)諧激光器提出了寬調(diào)諧范圍、高頻率穩(wěn)定性、窄線寬、大功率、低功耗、小體積、低成本等特性指標(biāo)要求。當(dāng)前，能夠滿足相干光通信系統(tǒng)要求的可調(diào)諧激光器技術(shù)方案分為單片集成型和外腔型兩大類。其中，單片集成型主要有SGDBR(Sampled grating distributed bragg reflector，取樣光柵分布布拉格反射)、陣列DFB(Distributed Feed Back，分布反饋)和Y波導(dǎo)等方案。單片集成結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧激光器需要采用高精度的光刻技術(shù)，工藝難度高，難以實(shí)現(xiàn)低成本高成品率的生產(chǎn)。外腔型包括傳統(tǒng)的外腔調(diào)諧方案和混合集成外腔方案。傳統(tǒng)的外腔可調(diào)諧激光器波長(zhǎng)調(diào)諧機(jī)構(gòu)采用外部體光學(xué)元件與有源放大區(qū)共同構(gòu)成，通過機(jī)械控制方式，如旋轉(zhuǎn)光柵、反射鏡或平移反射鏡等選擇不同的振蕩波長(zhǎng)，具有調(diào)諧范圍大、相位噪聲低、線寬窄等優(yōu)點(diǎn)，已有商用產(chǎn)品成功的運(yùn)用于高速多通道相干通信系統(tǒng)，但是傳統(tǒng)外腔結(jié)構(gòu)激光器體積較大，不利于小型化；為了滿足應(yīng)用的需求近些年提出了微機(jī)械調(diào)諧的器件，體積大大縮小，調(diào)諧速度提高，但機(jī)械穩(wěn)定性較差。
利用成熟的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)半導(dǎo)體規(guī)?；圃旃に嚳芍谱鞲鞣N光子集成平臺(tái)，被證實(shí)不僅可以制造小型化、低損耗波導(dǎo)和各種低成本光無源器件，還在光的調(diào)制、探測(cè)、交換等方面展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能和實(shí)用化的前景。但由于硅是間接帶隙材料，發(fā)光效率非常低，在硅基發(fā)光器件的研究上有著很難逾越的困難。如何利用低成本、低功耗和小尺寸的硅光波導(dǎo)芯片制作低成本高功率、高性能的混合集成可調(diào)諧激光器，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。目前，業(yè)界普遍認(rèn)同的方案是將III-V族的激光器增益管芯與硅基光波導(dǎo)芯片混合集成構(gòu)成外腔激光器。
可調(diào)諧激光器一個(gè)關(guān)鍵的指標(biāo)是波長(zhǎng)可調(diào)范圍，能夠覆蓋C Band是當(dāng)前光通訊系統(tǒng)對(duì)激光器的可調(diào)諧波長(zhǎng)范圍最基本的要求。在靈活的光網(wǎng)絡(luò)中，可調(diào)諧激光器的另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是功率可調(diào)。但是，現(xiàn)有的外腔激光器基本可以滿足波長(zhǎng)可調(diào)范圍，卻無法滿足功率可調(diào)，導(dǎo)致可調(diào)諧激光器的使用范圍受限。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種波長(zhǎng)可調(diào)、功率可調(diào)的硅基外腔激光器，滿足波長(zhǎng)可調(diào)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)功率可調(diào)，增加可調(diào)諧激光器的使用范圍。
為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取一種波長(zhǎng)可調(diào)、功率可調(diào)的硅基外腔激光器，包括：光源、第一硅基光耦合器、第一多模干涉儀、第二多模干涉儀、第一硅基微環(huán)濾波器和第二硅基微環(huán)濾波器，所述光源的輸出端連接第一硅基光耦合器的輸入端，第一硅基光耦合器的輸出端連接第一多模干涉儀，第一多模干涉儀的輸出端分別連接第一硅基微環(huán)濾波器和第二硅基微環(huán)濾波器的輸入端，第一硅基微環(huán)濾波器和第二硅基微環(huán)濾波器之間設(shè)置第二多模干涉儀，所述第二多模干涉儀有兩個(gè)輸出端，一個(gè)連接第二硅基微環(huán)濾波器，另一個(gè)為整個(gè)硅基外腔激光器的輸出端；所述硅基外腔激光器還包括一個(gè)非對(duì)稱馬赫-曾德干涉儀，其設(shè)置于第一硅基光耦合器與第一多模干涉儀之間、第一多模干涉儀與第一硅基微環(huán)濾波器之間、第一多模干涉儀與第二硅基微環(huán)濾波器之間、或者第一硅基微環(huán)濾波器和第二硅基微環(huán)濾波器之間；兩個(gè)硅基微環(huán)濾波器和非對(duì)稱馬赫-曾德干涉儀上分別加載有熱電阻。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述第一硅基微環(huán)濾波器未連接第一多模干涉儀連接的兩個(gè)端口、第二硅基微環(huán)濾波器未連接第一多模干涉儀連接的兩個(gè)端口、以及第二多模干涉儀未連接第二硅基微環(huán)濾波器的端口均設(shè)有第二硅基光耦合器。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述第二硅基光耦合器為光柵耦合器或端面耦合器，所述第二硅基光耦合器部分相同或全部相同。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，通過熱電阻調(diào)節(jié)兩個(gè)硅基微環(huán)濾波器的諧振峰的位置，選擇諧振波長(zhǎng)。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，通過熱電阻調(diào)節(jié)非對(duì)稱馬赫-曾德干涉儀的輸出功率，調(diào)節(jié)硅基外腔激光器的輸出功率。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述第一硅基微環(huán)濾波器和第二硅基微環(huán)濾波器的自由光譜范圍通過公式得到，其中，F(xiàn)SR微環(huán)為自由光譜范圍，λ為硅基微環(huán)濾波器的波長(zhǎng)，△λ為硅基微環(huán)濾波器的相鄰諧振峰的波長(zhǎng)間隔，c為光速，ng為硅基微環(huán)濾波器的波導(dǎo)群折射率，π為圓周率，R為硅基微環(huán)濾波器的微環(huán)半徑。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述第一硅基微環(huán)濾波器和第二硅基微環(huán)濾波器的自由光譜范圍為5～50nm，且兩個(gè)硅基微環(huán)濾波器的自由光譜范圍錯(cuò)開50GHz～500GHz。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述第一硅基光耦合器為端面耦合器或光柵耦合器。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述光源采用SOA芯片或LD芯片。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，各元器件之間通過硅基波導(dǎo)傳輸信號(hào)。
本發(fā)明的有益效果在于：
1、利用兩個(gè)硅基微環(huán)濾波器的游標(biāo)效應(yīng)選擇共振波長(zhǎng)，通過熱調(diào)諧使得它們的自由光譜范圍移動(dòng)，用以選擇波長(zhǎng)。由公式其中ΔN表示兩個(gè)硅基微環(huán)濾波器的自由光譜范圍最小公倍數(shù)，c為光速，λ0表示中心波長(zhǎng)，F(xiàn)SR1表示第一硅基微環(huán)濾波器的自由光譜范圍，F(xiàn)SR2表示第二硅基微環(huán)濾波器的自由光譜范圍，可以看出，本發(fā)明的最大波長(zhǎng)調(diào)諧范圍取決于兩個(gè)硅基微環(huán)濾波器的自由光譜范圍，使得光進(jìn)入硅基微環(huán)濾波器的上下話路時(shí)，硅基微環(huán)濾波器的Q值較高，以保證激光得到窄線寬。
2、本發(fā)明的非對(duì)稱馬赫-曾德干涉儀，通過熱調(diào)諧改變輸出比，輸出功率由下式?jīng)Q定：
其中neffA和neffB為兩個(gè)調(diào)制臂的有效折射率，αA和αB分別為兩個(gè)調(diào)制臂的損耗，a為輸入端分束比，αβ為附加損耗，為兩輸出光的相位差，k0為波矢，LA和LB分別為兩個(gè)調(diào)制臂的臂長(zhǎng)。由以上公式可知，非對(duì)稱馬赫-曾德干涉儀中光分束器的分束效果、合束器的合束效果、兩調(diào)制臂中光場(chǎng)的均衡性、相位差等因素都會(huì)影響輸出場(chǎng)的干涉疊加效果，從而直接決定了輸出臂的輸出功率特性。本發(fā)明通過在調(diào)制臂上加載熱電阻，調(diào)諧臂的損耗、光程都會(huì)改變，從而改變輸出功率。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實(shí)施例波長(zhǎng)可調(diào)、功率可調(diào)的硅基外腔激光器示意圖。
附圖標(biāo)記：
光源1，第一硅基光耦合器2，第一多模干涉儀31，第二多模干涉儀32，第一硅基微環(huán)濾波器41，第二硅基微環(huán)濾波器42，非對(duì)稱馬赫-曾德干涉儀5，第二硅基光耦合器6。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1所示，本發(fā)明波長(zhǎng)可調(diào)、功率可調(diào)的硅基外腔激光器，包括光源1、第一硅基光耦合器2、第一多模干涉儀31、第二多模干涉儀32、第一硅基微環(huán)濾波器41、第二硅基微環(huán)濾波器42和非對(duì)稱馬赫-曾德干涉儀5。光源1的輸出端連接第一硅基光耦合器2的輸入端，優(yōu)選的，光源采用SOA芯片或LD芯片，第一硅基光耦合器2為端面耦合器或光柵耦合器。第一硅基光耦合器的輸出端2連接第一多模干涉儀(MMI)31的輸入端，第一多模干涉儀31的輸出端分別連接第一硅基微環(huán)濾波器41和第二硅基微環(huán)濾波器42的輸入端。第一硅基微環(huán)濾波器41和第二硅基微環(huán)濾波器42之間，設(shè)置相連的第二多模干涉儀32和非對(duì)稱馬赫-曾德干涉儀5，第二多模干涉儀32有兩個(gè)輸出端，一個(gè)輸出后端連接第二硅基微環(huán)濾波器42，另一個(gè)輸出端為整個(gè)硅基外腔激光器的輸出端，兩個(gè)硅基微環(huán)濾波器和非對(duì)稱馬赫-曾德干涉儀5上分別加載有熱電阻。
所述第一硅基微環(huán)濾波器41不與第一多模干涉儀31連接的兩個(gè)端口、第二硅基微環(huán)濾波器42不與第一多模干涉儀31連接的兩個(gè)端口、以及第二多模干涉儀32未連接第二硅基微環(huán)濾波器42的端口均設(shè)有一個(gè)第二硅基光耦合器6，且上述所有元器件之間通過硅基波導(dǎo)傳輸信號(hào)。所述第二耦合器6為光柵耦合器或端面耦合器，多個(gè)第二硅基光耦合器6可以全部相同設(shè)置，也可以部分相同設(shè)置。
除上述實(shí)施例外，所述非對(duì)稱馬赫-曾德干涉儀5還可以設(shè)置于第一硅基光耦合器2與第一多模干涉儀31之間、第一多模干涉儀31與第一硅基微環(huán)濾波器41之間、第一多模干涉儀31與第二硅基微環(huán)濾波器42之間，并且硅基外腔激光器的其他元器件連接關(guān)系不變。
所述第一硅基微環(huán)濾波器41和第二硅基微環(huán)濾波器42的自由光譜范圍為5～50nm，通過熱電阻調(diào)節(jié)諧振波長(zhǎng)，且兩個(gè)硅基微環(huán)濾波器的自由光譜范圍錯(cuò)開50GHz～500GHz。所述第一硅基微環(huán)濾波器41和第二硅基微環(huán)濾波器42的自由光譜范圍通過公式：
得到，其中，F(xiàn)SR微環(huán)為自由光譜范圍，λ為硅基微環(huán)濾波器的波長(zhǎng)，Δλ為硅基微環(huán)濾波器的相鄰諧振峰的波長(zhǎng)間隔，c為光速，ng為硅基微環(huán)濾波器的波導(dǎo)群折射率，π為圓周率，R為硅基微環(huán)濾波器的微環(huán)半徑。
本發(fā)明硅基外腔激光器的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍取決于兩個(gè)硅基微環(huán)濾波器的自由光譜范圍：
其中，ΔN表示兩個(gè)硅基微環(huán)濾波器的自由光譜范圍最小公倍數(shù)，c為光速，λ0表示中心波長(zhǎng)，F(xiàn)SR1表示第一硅基微環(huán)濾波器的自由光譜范圍，F(xiàn)SR2表示第二硅基微環(huán)濾波器的自由光譜范圍，因此波長(zhǎng)調(diào)諧范圍由兩個(gè)硅基微環(huán)濾波器共同決定；非對(duì)稱馬赫-曾德干涉儀通過熱電阻調(diào)節(jié)，從而使輸出功率可調(diào)。
所述兩個(gè)硅基微環(huán)濾波器和非對(duì)稱馬赫-曾德干涉儀5均配有熱調(diào)諧，熱調(diào)諧的調(diào)諧方式為在兩個(gè)硅基微環(huán)濾波器和非對(duì)稱馬赫-曾德干涉儀5上加載熱電阻，通過熱電阻調(diào)節(jié)第一硅基微環(huán)濾波器41和第二硅基微環(huán)濾波器42諧振峰的位置，從而選擇諧振波長(zhǎng)；通過熱電阻調(diào)節(jié)非對(duì)稱馬赫-曾德干涉儀5的調(diào)制臂，從而控制功率輸出。
本發(fā)明不局限于上述實(shí)施方式，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。