波長可調(diào)諧外腔激光器及可調(diào)光發(fā)射模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光發(fā)射器件，尤其涉及一種波長可調(diào)諧外腔激光器以及可調(diào)光發(fā)射模塊的實(shí)現(xiàn)方法，具體地說，涉及一種混合集成的基于硅基波導(dǎo)微環(huán)的外腔可調(diào)激光器。該激光器可用于多波長光通信網(wǎng)以及相干光通信系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]外腔可調(diào)激光器因具有窄線寬(小于10kHz)、優(yōu)良的邊摸抑制比(大于45dB)、寬波長調(diào)諧范圍(大于40nm)等特性已成為lOOGbit/s及以上相干波分光通信系統(tǒng)發(fā)送端光源和接收端本振激光器的主流選擇。
[0003]另夕卜，在使用波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)(Wavelength divis1nmultiplexing-passive optical network, WDM-PON)以及混合時(shí)分-波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)(Time and wavelength divis1n multiplexing-passive optical network TWDM-PON)技術(shù)的接入網(wǎng)業(yè)務(wù)中同樣需要使用多波長可調(diào)諧的光發(fā)送模塊。
[0004]隨著用戶對(duì)模塊尺寸和功耗的要求愈發(fā)嚴(yán)苛，采用混合集成或者集成方案的光模塊因?yàn)槟軌蛟诒ＷC發(fā)射性能的基礎(chǔ)上有效地降低功耗，縮小器件及模塊尺寸而受到了廣泛關(guān)注。特別是近幾年，硅基光電芯片技術(shù)由于具有和CMOS工藝兼容的特點(diǎn)正在光通信領(lǐng)域得到前所未有的重視，已經(jīng)逐漸從實(shí)驗(yàn)室階段往商用轉(zhuǎn)換。由于硅屬于間接帶隙材料，本身很難產(chǎn)生激光，因此如果使用硅基光電技術(shù)制作激光器，則一般是使用三五族半導(dǎo)體增益芯片和硅基芯片的混合集成的方式。
[0005]中國專利申請(qǐng)公布文件CN 103904555A中公開了一種可用于TWDM-PON系統(tǒng)的可調(diào)激光器以及實(shí)現(xiàn)可調(diào)激光器的方法。其中，F(xiàn)P(法布里波羅)激光器輸出的多縱模激光信號(hào)進(jìn)入微環(huán)濾波器，調(diào)整微環(huán)諧振頻率與FP輸出多縱模相匹配，并將該所選縱模的光信號(hào)分兩路，一路輸入FP激光器進(jìn)行注入鎖定鎖模，另一路作為輸出光信號(hào)。但是該類型激光器的輸出光信號(hào)波長由FP激光器自由光譜范圍決定，與ITU-T規(guī)定的波長通道值難以精確對(duì)準(zhǔn)；采用注入鎖定方案所產(chǎn)生的多FP腔效應(yīng)在光功率穩(wěn)定性上也存在問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是通過一種盡可能簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一種既具有寬波長范圍多通道調(diào)諧功能，同時(shí)又具有單通道光信號(hào)窄線寬和低的強(qiáng)度和相位噪聲特性的可調(diào)激光器技術(shù)。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0008]1、半導(dǎo)體光放大器芯片提供寬帶增益，對(duì)外腔優(yōu)選反饋的縱模提供放大。根據(jù)不同的應(yīng)用可選擇性地在芯片另一側(cè)提供穩(wěn)定的單縱模光信號(hào)輸出。
[0009]2、柵格濾波器與微環(huán)濾波器組合成的可調(diào)濾波器，通過游標(biāo)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)需要的波長所對(duì)應(yīng)外腔縱模選擇反饋。
[0010]3、光路中加入可調(diào)的相位元件實(shí)現(xiàn)波長的精確對(duì)準(zhǔn)以及波長鎖定功能實(shí)施。
[0011]4、微環(huán)濾波器通過透鏡耦合實(shí)現(xiàn)管芯與硅基芯片波導(dǎo)模斑的匹配，保證自由空間光到波導(dǎo)傳輸?shù)牡蛽p耗。
[0012]5、硅基芯片上的MZI—端可以作為調(diào)制后的光信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)了激光器與調(diào)制器的集成。
[0013]本發(fā)明提供了一種波長可調(diào)諧外腔激光器，包括半導(dǎo)體光放大器芯片和激光器外腔，所述激光器外腔包括柵格濾波器、相位調(diào)整器和硅基微環(huán)芯片；其中，所述柵格濾波器與所述硅基微環(huán)芯片組成并一個(gè)波長可調(diào)諧的光濾波器，通過所述柵格濾波器和/或所述硅基微環(huán)芯片的譜線調(diào)諧來實(shí)現(xiàn)其所組成的光濾波器的波長調(diào)諧。
[0014]在上述技術(shù)方案中，所述半導(dǎo)體光放大器芯片在注入電流后產(chǎn)生受激輻射，所述半導(dǎo)體光放大器芯片的出光端面一端鍍AR膜、另一端鍍HR膜，其增益區(qū)為斜直線波導(dǎo)或者弧線波導(dǎo)的半導(dǎo)體增益放大器。
[0015]在上述技術(shù)方案中，所述半導(dǎo)體光放大器芯片是兩端都鍍反射膜的激光管芯。
[0016]在上述技術(shù)方案中，所述柵格濾波器為固定柵格濾波器或可調(diào)柵格濾波器。
[0017]在上述技術(shù)方案中，所述硅基微環(huán)芯片和所述相位調(diào)整器之間通過第一透鏡進(jìn)行耦合；所述半導(dǎo)體光放大器芯片和柵格濾波器之間通過第二透鏡進(jìn)行耦合。
[0018]在上述技術(shù)方案中，所述柵格濾波器的自由光譜范圍(Free spectral range，F(xiàn)SR)為25GHz、50GHz或者其它DWDM的通道間隔頻率。
[0019]在上述技術(shù)方案中，所述相位調(diào)整器為是帶熱調(diào)和/或電調(diào)功能的改變光程的光學(xué)元件。
[0020]在上述技術(shù)方案中，所述柵格濾波器是法布里波羅柵格濾波器，所述法布里波羅柵格濾波器為帶溫度探測(cè)和區(qū)域加熱金屬薄膜的硅標(biāo)準(zhǔn)具，用于形成固定的柵格周期譜線。
[0021]在上述技術(shù)方案中，所述硅基微環(huán)芯片包括分束耦合器和微環(huán)環(huán)形波導(dǎo)；所述分束親合器公共端作為親合入光口和諧振后回光出口、分束親合器的兩個(gè)分光光口與微環(huán)環(huán)形波導(dǎo)的一側(cè)的兩個(gè)端口相接，該兩端口任意一個(gè)與另一個(gè)互為drop端與in端。
[0022]在上述技術(shù)方案中，所述微環(huán)環(huán)形波導(dǎo)中設(shè)置有實(shí)現(xiàn)自由載流子濃度控制的結(jié)構(gòu)，利用硅的等離子色散效應(yīng)實(shí)現(xiàn)所述微環(huán)環(huán)形波導(dǎo)諧振峰的調(diào)諧；和/或，所述微環(huán)環(huán)形波導(dǎo)周圍設(shè)置有加熱薄膜電阻，通過改變所述微環(huán)環(huán)形波導(dǎo)的溫度實(shí)現(xiàn)所述微環(huán)環(huán)形波導(dǎo)諧振峰的調(diào)諧。
[0023]在上述技術(shù)方案中，所述硅基微環(huán)芯片包括第一分束耦合器、微環(huán)環(huán)形波導(dǎo)、第二分束耦合器和硅基MZI調(diào)制器；產(chǎn)生的激光從第一分束耦合器進(jìn)入微環(huán)環(huán)形波導(dǎo)后由微環(huán)環(huán)形波導(dǎo)的兩個(gè)through端輸出，兩路光信號(hào)經(jīng)第二分束耦合器合波后進(jìn)入MZI調(diào)制器，調(diào)制后的激光在MZI調(diào)制器的后端輸出。
[0024]在上述技術(shù)方案中，所述微環(huán)環(huán)形波導(dǎo)和MZI調(diào)制器中設(shè)置有實(shí)現(xiàn)自由載流子濃度控制的結(jié)構(gòu)，利用硅的等離子色散效應(yīng)實(shí)現(xiàn)所述微環(huán)環(huán)形波導(dǎo)諧振峰的調(diào)諧和MZI調(diào)制器的強(qiáng)度調(diào)制；和/或，所述微環(huán)環(huán)形波導(dǎo)和MZI調(diào)制器周圍設(shè)置有加熱薄膜電阻，通過改變所述微環(huán)環(huán)形波導(dǎo)和MZI調(diào)制器的溫度可以分別實(shí)現(xiàn)所述微環(huán)環(huán)形波導(dǎo)諧振峰和MZI調(diào)制器偏置工作點(diǎn)的調(diào)諧。
[0025]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
[0026]①混合集成的硅基微環(huán)的外腔可調(diào)諧激光器相比于其他自由空間光學(xué)方案，具有同等優(yōu)良的輸出特性以及調(diào)諧范圍特性外，還易于集成其他功能，該方案拓展了外腔可調(diào)諧激光器的應(yīng)用范圍。
[0027]②采用微環(huán)濾波器實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧功能，可以在傳統(tǒng)的外腔激光器制造工藝上直接升級(jí)換代。
[0028]③微環(huán)濾波器和調(diào)制器等核心元件采用傳統(tǒng)集成電路的CMOS工藝制備，具有成本低廉、成品率尚、易于批量制作等優(yōu)點(diǎn)。
[0029]④硅基制作的波導(dǎo)器件尺寸小，相應(yīng)的調(diào)諧功耗低，有利于小型化的光模塊制作。具有廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0030]圖1一根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的微環(huán)濾波器與柵格濾波器的譜線關(guān)系示意。
[0031]圖2—根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的微環(huán)濾波器與柵格濾波器合成的濾波器選模的原理性示
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[0032]圖3—根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的硅基外腔可調(diào)諧激光器的實(shí)施例。
[0033]圖4一根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的集成外調(diào)制器的可調(diào)諧發(fā)送模塊的光路結(jié)構(gòu)圖。
[0034]圖5—根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的硅基外腔可調(diào)諧激光器的又一實(shí)施例。
[0035]圖6—根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)所實(shí)施例的實(shí)測(cè)眼圖。
[0036]其中:
[0037]I一硅基微環(huán)芯片；
[0038]2—微環(huán)環(huán)形波導(dǎo)
[0039]3—加熱電阻
[0040]4—1X2的分束親合器；
[0041]5—透鏡；
[0042]6—相位調(diào)整器
[0043]7—法布里波羅柵格濾波器；
[0044]8—外腔耦合透鏡
[0045]9一半導(dǎo)體光放大器芯片；
[0046]1—輸出端透鏡；
[0047]11—光隔離器；
[0048]12—光電探測(cè)器；
[0049]13—分光片；
[0050]14—準(zhǔn)直器；
[0051]15一1X2的分束親合器
[0052]16—MZI 調(diào)制器
【具體實(shí)施方式】
[0053]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說明。
[0054]圖3為硅基外腔可調(diào)諧激光器的一個(gè)具體實(shí)施實(shí)例，該硅基外腔可調(diào)諧激光器包含有半導(dǎo)體光放大器芯片9，注入電流后產(chǎn)生受激輻射；法布里波羅柵格濾波器7、相位調(diào)整器6和硅基微環(huán)芯片I共同構(gòu)成了激光器的外腔，硅基微環(huán)芯片I與半導(dǎo)體光放大器芯片9的左側(cè)端面為該激光器的兩個(gè)反饋端面。
[0055]該半導(dǎo)體光放大器芯片9的出光端面一端鍍AR膜、另一端鍍HR模，其增益區(qū)為斜直線波導(dǎo)或者弧線波導(dǎo)的半導(dǎo)體增益放大器。
[0056]該相位調(diào)整器6是帶熱調(diào)和/或電調(diào)功能的改變光程的光學(xué)元件。
[0057]光隔離器11，阻止輸出光路上的端面反射光；分光片13、光電探測(cè)器12和準(zhǔn)直器14構(gòu)成該硅基外腔可調(diào)諧激光器的耦合輸出部分。硅基微環(huán)芯片I和相位調(diào)整器6之間設(shè)置有透鏡5，半導(dǎo)體光放大器芯片9兩端分別設(shè)置有外腔耦合透鏡8和輸出端透鏡10，以進(jìn)行光路耦合對(duì)準(zhǔn)。半導(dǎo)體光放大器芯片9右側(cè)端面的出射光線通過外腔耦合透鏡8準(zhǔn)直后依次經(jīng)過法布里波羅柵格濾波器7、相位調(diào)整器6后經(jīng)透鏡5聚焦耦合進(jìn)硅基微環(huán)芯片1，光經(jīng)硅基微環(huán)芯片I的微環(huán)環(huán)形波導(dǎo)2自環(huán)反射后沿輸入路徑返回至半導(dǎo)體光放大器芯片9，反饋光又經(jīng)半導(dǎo)體光放大器的左側(cè)端面反射，進(jìn)而構(gòu)成了