混合集成複合腔波長可調諧雷射發射器的製造方法
2023-09-17 01:24:45 4
混合集成複合腔波長可調諧雷射發射器的製造方法
【專利摘要】本發明公開一種混合集成複合腔波長可調諧雷射發射器，無源光子晶片的光波導上依次包括相位控制區、第一反射光柵、相位耦合區、第二反射光柵，上述各部分組成可調諧雷射外腔體；連接相位耦合區的光波導為具有兩個非對稱波導臂的Y-分支波導耦合器，所述第二反射光柵設在其中一個波導臂上，另一個波導臂上設有波導雷射強度調製器；可調諧雷射在複合反射鏡的中間分光輸出，再從設有波導雷射強度調製器的波導臂埠以其雷射強度調製的速率發射輸出。本發明採用非對稱Y-分支波導耦合器的兩個波導臂上分別設有第二反射光柵區和波導雷射強度調製器，減小了器件的尺寸；波導雷射強度調製器可實現雷射發射的高速率傳輸。
【專利說明】混合集成複合腔波長可調諧雷射發射器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種半導體雷射器，特別涉及ー種混合集成複合腔波長可調諧雷射發射器。
【背景技術】
[0002]波分復用技術(WDM)在光纖光通訊系統中已廣泛應用。波分復用的光電轉調器包含一個雷射器，一個調製器，一個接收器和相關的電子設備。波分復用轉換器的運行可通過一個近紅外波長在1550nm的固定波長雷射器實現。由於很易於操作和高度可靠性，分布反饋式(DFB)雷射器在波分復用傳輸系統廣泛地應用。在DFB雷射器中，提供光學反饋的衍射光柵位於整個增益共振腔的上方，這樣雷射會在固定波長下獲得一個穩定的單模振蕩。並且，在低數字速率的信息傳輸也可通過直接對DFB雷射器調製實現。
[0003]波分多路系統的構成實施是通過在每個ITU (國際電信聯盟)規定的每一波長通道格點上使用一個雷射器。然而，DFB雷射器不具有較寬的波長調諧範圍，因此，必須對每個波長使用不同的雷射器，這便導致了昂貴的波長管理的成本，同時要求很大的餘料庫存來隨時解決雷射器故障等問題。
[0004]為了克服現有DFB雷射器的這ー缺點同時獲得大範圍波長單模運行，可調諧雷射器應運而生。可調諧雷射器就是單個雷射器的波長變化可覆蓋很多ITU規定的波長通道，並在應用中根據需要可隨時變化到所需波長通道。因此，一個可調諧雷射器可以為很多波長通道做光源備份，需要作為WDM轉換器庫存備件的雷射器會大量減少。可調諧雷射器還可在波分復用的定位中提供靈活的方案，即可以根據需要將某些波長通道從光網中添補加或移除。相應地，可調諧雷射器可以幫助運營商在整個光纖網絡中有效地進行波長管理。
[0005]可調諧雷射器可以被大致分為兩大類:一類的調諧機制由雷射器元件內部提供，另ー類的調諧機制由雷射器元件外提供。
[0006]傳統的可調諧雷射器方案的代表為DBR(分布布拉格反射光柵)雷射器,它的特點是產生増益的有源區和產生反射的DBR區在同一個雷射元件中形成，但是它的可調諧範圍不寬，一般不超過10nm。改進型的DBR雷射器使用非均勻衍射光柵，它的特點是增益區位於前後兩個DBR區之間，並且位於在同一個雷射波導結構元件中位於前後的DBR區各產生若干反射峰，並且前後反射峰之間的間隔略微有所不同。但是，由於現有的方案中將可調諧雷射器，放大器，強度調製器等生長結構截然不同的都在同一個晶片上實現；因此，在製作過程中要經過多次刻蝕和再生長，產品的良率和產出都收到了限制。另外，由於同一個波導器件上按順序實現波長調諧，光放大，輸出信號調製等功能，使得需要的波導較長，從而使整個器件的尺寸會較大。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在於提供ー種混合集成複合腔波長可調諧雷射發射器，能夠實現高速率數據傳輸，並且可大幅減小器件的尺寸。[0008]本發明的目的通過以下技術方案實現:一種混合集成複合腔波長可調諧雷射發射器，主要包括有源增益晶片及無源光子晶片，兩個晶片經波導芯耦合對接；所述無源光子晶片上的光波導依次包括相位控制區、第一反射光柵、相位耦合區、第二反射光柵，所述相位控制區、第一反射光柵、相位耦合區和第二反射光柵均設有對應的用於改變波導折射率的電極，上述各部分組成可調諧雷射外腔體；
[0009]其特徵在於:連接相位耦合區的光波導為具有兩個非對稱波導臂的Y-分支波導耦合器，所述第二反射光柵設在其中一個波導臂上，用於雷射波長調諧反饋，另一個波導臂上設有波導雷射強度調製器，用於雷射強度輸出調製；可調諧雷射外腔體產生的可調諧雷射米取了腔內分光形式，在第一反射光柵和第二反射光柵之間由Y-分支波導I禹合器分光輸出，再從設有波導雷射強度調製器的波導臂埠以其雷射強度調製的速率發射輸出。
[0010]本發明採用非對稱Y-分支波導耦合器的兩個波導臂上分別設有第二反射光柵區和波導雷射強度調製器，來同時提供波長選擇和輸出雷射強度調製，波導雷射強度調製器可實現雷射發射的高速率傳輸。由於反射反饋和波導雷射強度調製器不在一個波導上實現，因此可以根據需要採用不同的波導結構，另外，反射反饋和波導雷射強度調製器在非對稱Y-分支波導耦合器的兩個輸出波導臂平行實現，因此減小了器件的尺寸。
[0011]本發明所述第一反射光柵和第二反射光柵分別採用取樣光柵或超結構光柵。
[0012]本發明所述非對稱Y-分支波導耦合器兩個波導臂呈平行設置。
[0013]本發明所述非對稱Y-分支波導耦合器兩個波導臂具有完全不同的結構。
[0014]本發明所述相位控制區位於增益晶片和第一反射光柵之間。
[0015]本發明所述增益晶片與無源光子晶片的耦合端面鍍有抗反射膜，增益晶片的另一端面鍍有高反射膜。
[0016]本發明無源光子晶片上的相位控制區、第一反射光柵、相位耦合區及第二反射光柵的電極設于波導芯的上包層的表面；或者設于波導芯兩側的波導包層表面。
[0017]本發明所述相位控制區的相位電驅動採用一個低調頻以提供相位抖動。
[0018]本發明在所述非對稱Y-分支波導耦合器具有第二反射光柵的波導臂的端部設有用於對雷射的功率和強度進行檢測並提供控制反饋的光學探測器，所述光學探測器採用波導光電探測器，或者將一分立的波導光電探測器晶片面朝下安裝在波導包層表面上，且光電探測器晶片的感光區域對準波導芯的V形槽。
[0019]本發明所述第二反射光柵反射強度接近100%。
[0020]與現有技術相比，該發明技術具有以下優點:
[0021]I)本發明採用非對稱Y-分支波導耦合器可以對輸出的雷射進行強度調製，實現雷射發射的高速率傳輸；同時雷射器可通過操作無源光子晶片上反射光柵之間的兩個光譜響應來進行波長選擇，實現了較大範圍雷射輸出波長的分步或連續調諧。
[0022]2)本發明由於反射反饋和波導雷射強度調製器不在一個波導上實現，因此可以根據需要採用不同的波導結構。
[0023]3)本發明由於反射反饋和波導雷射強度調製器在Y-分支波導耦合器的兩個輸出波導臂平行實現，因此減小了器件的尺寸。
[0024]4)本發明在晶片上集成的雷射功率探測器，可以提供雷射輸出的監測反饋。【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進ー步的詳細說明。
[0026]圖1為本發明的俯視結構原理示意圖；
[0027]圖2為無源光子晶片上電極位置橫截面的結構原理示意圖之ー(電極設于波導芯兩側的波導包層表面);
[0028]圖3為無源光子晶片上電極位置橫截面的結構原理示意圖之ニ(電極設于波導芯的上包層的表面);
[0029]圖4為無源光子晶片上光柵刻蝕處縱向剖視面的結構原理示意圖；
[0030]圖5為分立的光電探測器晶片安裝在波導包層表面上結構示意圖；
[0031]圖6為第一反射光柵(實線)和第二反射光柵(虛線)反射峰的波譜示意圖；
[0032]圖7為經調諧後圖6中其中ー個反射峰重疊的波譜示意圖。
【具體實施方式】
[0033]如圖1所示，是本發明的俯視結構原理示意圖，它包含一個有源増益晶片4，用於產生寬帶自發輻射光子，作為激發光源；一個無源光子晶片24，作為外腔提供波長可調諧反饋，產生可調諧波長的雷射輸出，雷射強度的輸出調製和雷射輸出功率的監測。
[0034]有源増益晶片4和無源光子晶片24的光波導上各具有一個波導芯3、17 ;有源增益晶片4和無源光子晶片24的對接是通過將每個晶片上波導芯3、17進行精確的光學對準達到最佳耦合來實現。有源増益晶片4的左、右端面鍍有高反射膜I和抗反射膜2，無源光子晶片24光波導的兩個端面22、23鍍有抗反膜，雷射將從無源光子晶片24的右端面23離開反饋外腔。
[0035]有源増益晶片4可由常用III一V化合物半導體材料InP系列來製成。有源増益晶片光波導芯上全部或部分覆蓋有用於向有源區注入電子的金屬電極5、6，通過電子-光子轉換在某一中心波長附近產生寬帶自發輻射光子，通過波導芯3、17耦合傳輸到作為反饋外腔的無源光子晶片24。
[0036]無源光子晶片24上的光波導包括一個相位控制區36、第一反射光柵20、相位f禹合區35及具有兩個非対稱波導臂的Y-分支波導耦合器，它們構成本發明可調諧雷射器的外腔反饋和雷射輸出。相位控制區36位於增益晶片和第一反射光柵20之間；另外存在ー個相位稱合區35位於第一反射光柵20和非對稱Y-分支波導稱合器之間。非對稱Y-分支波導耦合器的兩個波導臂15、18由無源光子晶片的波導芯分支而成且兩個波導臂呈平行設置，其中ー個波導臂18上設有第二反射光柵19，用於雷射波長調諧反饋；另ー個波導臂15上設有波導雷射強度調製器16,用於雷射強度輸出調製；第一反射光柵20和第二反射光柵19分別採用取樣光柵或超結構光柵，上述相位控制區、第一反射光柵、相位耦合區和第二反射光柵的波導上均帶有局部對應的金屬電極，金屬電極用於改變其對應覆蓋部分波導的折射率,可以通過金屬電極發熱改變溫度,產生熱-光效應而改變波導折射率；也可通過金屬電極上電流的改變，產生電-光效應來進行改變波導折射率；波導折射率的改變用於實現雷射的調諧。上述相位控制區36、第一反射光柵20、相位耦合區35、第二反射光柵19及其對應的金屬電極組成可調諧雷射外腔體，可調諧雷射外腔體產生的可調諧雷射採取了腔內分光形式，在第一反射光柵和第二反射光柵的之間分光輸出到Y-分支波導稱合器的另ー個波導臂上，再從設有波導雷射強度調製器的波導臂端ロ以其雷射強度調製的速率發射輸出。
[0037]無源光子晶片24上的相位控制區36或相位耦合區35是通過調節光子的光學路徑的長度，即波導光的折射率和物理長度的乘積，提供一個產生雷射所需的相位條件。因此，可以通過對應覆蓋的金屬電極7、8、11、12發熱改變溫度而改變相位控制區36或相位耦合區35的波導折射率，滿足相位條件。另外，上述波導折射率也可通過對應覆蓋的金屬電極利用電-光效應來進行改變。上述相位控制區36是用於提供一個產生雷射所需的相位條件，它也可以設於有源増益晶片4內的波導上，也是可以達到同樣的作用。
[0038]一個布拉格光柵的最大反射波長由以下通用關係決定:
[0039]入=2 ? neff ? A(I)
[0040]其中\是布拉格光柵反射峰的波長，neff是單模波導的有效折射率，A是布拉格反射光柵的周期。？由方程(I)可見，當波導折射率被改變時，布拉格光柵反射峰波長便可被調諧，因此，可以通過對應覆蓋的金屬電極來改變波導折射率，使其反射峰波長得到調諧。對於取樣光柵(SG)或超結構光柵(SSG)，它們的光譜表現為梳狀分布的反射峰，當整個波導光柵被金屬電極改變折射率時，所有梳狀的反射峰的波長會按(I)同步變化或調諧。？
[0041]第一反射光柵20和第二反射光柵19米用取樣光柵(SG)或超結構光柵(SSG),但它們的自由光譜範圍不相同可以相接近。當局部電極通過熱-光或電-光效應改變波導的光學折射率時，取樣光柵/超結構光柵的反射波長將被改變，即整個梳狀反射光譜將相對于波長進行移動。取樣光柵/超結構光柵的反射譜的特點是在較寬波長範圍內有一個梳狀的反射峰分布，相鄰反射峰之間的波長間隔被稱作自由光譜範圍(FSR)。當對應覆蓋的局部金屬電極通過熱-光或電-光效應改變波導的光學折射率時，取樣光柵/超結構光柵的反射波長將被調諧，即整個梳狀反射光譜將相對于波長進行移動。取樣光柵/超結構光柵具有合適的反射峰強度來給雷射形成提供最佳反饋和適當的自由光譜範圍以便它可以在波長調諧中完成。
[0042]如圖2、4所示，無源光子晶片24中各部分波導上的金屬電極對稱設於該部分波導芯兩側的波導包層表面，在絕緣體28上設有矽結構27，而矽結構27上設有波導包層26，金屬電極對稱波導芯兩側25 ;相位控制區36的波導芯兩側對稱設有金屬電極7、8，第一反射光柵20的波導芯兩側對稱設有金屬電極9、10，相位耦合區35的波導芯兩側對稱設有金屬電極11、12，第二反射光柵19波導光柵附近設有的金屬電極13、14。另外，如圖3、4所示，各金屬電極放置位置也可以只設于波導芯的上包層26的表面29上。
[0043]無源光子晶片24的波導材料應選用在折射率上具有較大熱-光或電-光係數的材料，比如矽或聚合物材料等等，這樣，可以對單模波導的折射率地進行有效的調諧。比如，絕緣體上矽結構(SOI)上的矽波導就是實現調諧的很好選擇。無源光子晶片中各個反射光柵可以刻蝕在SOI波導心上，參見圖2、3，然後覆蓋包層。該波導本身具有很簡單的結構，很容易利用現有成熟的微電子半導體矽エ藝來進行生產，另外，最近，矽光子技術最近取得了很大進展。通過局部電極實現熱調諧的優勢在於較快的調諧速度和較低的調諧成本。由於絕緣體上矽結構波導的折射率對比很高，與増益晶片中的波導接近，因此，在兩個晶片的對接處，也可以通過使它的波導光學模與增益晶片的波導光學模儘量匹配來獲得最優的光學耦合。[0044]從有源增益晶片波導抗反射鍍膜端面2發射的光，對準耦合到光子集成(PIC)晶片即無源光子晶片的波導芯17中，第一個反射光柵是具有適當反射率的取樣光柵(SG)或超結構光柵(SSG)，行進中部分光子被第一個反射光柵的反射回到有源增益晶片，其餘光子經非對稱Y-分支波導耦合器分光到兩個波導臂上，非對稱Y-分支波導耦合器可以是3dB分光或其它的分光比。由於雷射輸出不是在雷射諧振腔的端面反射鏡處進行，而是採取了腔內分光形式，因此，位於非對稱Y-分支波導耦合器的一個波導臂的第二反射光柵19具有很高(接近100%)的反射強度，來保證雷射在Y-分支波導耦合器的另一個波導臂的有效輸出和較小的腔內光學損失。
[0045]如圖6、7所不,第一反射光柵或第二反射光柵的對應梳狀反射峰50、51 ;52、53 ；54,55 ;56、57 ;58、59有著相近的波長位置。從兩個反射光柵的梳狀反射譜選中一對波長相近的反射峰54、55來進行調諧。首先，通過微調其中一個反射光柵的波導折射率，來實現選中的一對梳狀反射峰54、55的反射波長重疊。然後，改變相位耦合區35的波導折射率以便使重疊的梳狀反射峰的反射實現相干相長的疊加，光子在該波長產生最大的反饋和最低的損耗。並進一步調節相位控制區，滿足在該波長產生雷射的位相條件，實現在該波長的雷射，該波長的雷射在第一反射光柵和第二反射光柵之間由Y-分支波導I禹合器分光輸出到另一個波導臂上，再通過Y-分支波導耦合器的另一個波導臂上的波導雷射強度調製器進行輸出雷射強度的高調製速率輸出，這樣雷射將從無源光子晶片的右端面輸出。來自取樣光柵/超結構光柵的其它梳狀反射峰由於強度不充分在雷射產生過程競爭會被抑制不能產生雷射。通過重複第一反射光柵和第二反射光柵的其餘反射峰50、51 ;52、53 ;56、57 ;58、59的重疊，並相應調節相位耦合區和相位控制區，從而實現雷射輸出波長的步幅式調諧。
[0046]在上述兩個反射光柵的相應反射峰的重疊基礎上，再同步改變兩個反射光柵和相位耦合區的波導折射率，使上述重疊處兩個梳狀反射峰的波長位置同步移動，產生波峰重疊處波長的連續變化，由相位控制區36為波長調諧雷射的產生提供一個相干的腔內往返相位條件產生雷射，而實現輸出雷射波長的連續式調諧。
[0047]在具體使用中，可以根據產生波長的需要，先選中一對波長相近的光柵梳狀譜中的反射峰並實現波長重疊，然後，它們朝長波長方向同步、連續地調諧，直到完成取樣光柵或超結構光柵的一個自由光譜範圍。然後，選下一對鄰近的梳狀反射峰被選中並以相似的方式重複調諧過程，從而覆蓋廣泛的波長範圍。
[0048]位於非對稱Y-分支波導耦合器的另一波導臂上設有雷射強度調製器，可以對輸出的雷射進行強度調製，實現雷射發射的高速率傳輸。由於反射反饋和調製器不在一個波導上實現，因此它們可以根據需要非對稱Y-分支波導耦合器的兩個波導臂上的波導結構可以不同，如在矽光子SOI的材料中採用PIN或MOS結構來製作高速率調製器，或II1-V化合物半導體的情況下採用EA調製器結構。另外，反射反饋和調製器在Y-分支的兩個輸出波導臂平行實現，減小了器件長度。
[0049]在具體應用中，可以在相位控制區的相位電驅動引進一個低調頻以提供相位抖動。另外，在Y-分支波導耦合器的第二反射光柵波導反射光柵的波導的右端製作一個光學探測器來對雷射的功率和強度進行檢測並提供控制反饋。該光電探測器可以是波導光電探測器。在無源外腔晶片是基於SOI的矽光子晶片的情況下，波導光電探測器也可以如下方式來實現，將一分立的光電探測器晶片21面朝下安裝到SOI晶片焊盤31上，如圖5所示，該光電探測器晶片21的安裝方式可使感光區域對準波導芯一端的ー個V型槽30。V型槽阱表面有反射光柵面。所以，從波導芯出射光將被反射到感光區域32，在那裡，可將被檢測到的光子轉換成電子。
[0050]本發明的實施方式不限於此，根據上述內容，按照本領域的普通技術知識和慣用手段，在不脫離本發明上述基本技術思想前提下，本發明還可以做出其它多種形式的等效修改、替換或變更，均可實現本發明目的。
【權利要求】
1.一種混合集成複合腔波長可調諧雷射發射器，主要包括有源增益晶片及無源光子晶片，兩個晶片經波導芯耦合對接混合集成；所述無源光子晶片的光波導上依次包括相位控制區、第一反射光柵、相位耦合區和第二反射光柵，所述相位控制區、第一反射光柵、相位耦合區和第二反射光柵均設有對應的用於改變波導折射率的電極，上述各部分組成可調諧雷射外腔體； 其特徵在於:連接相位耦合區的光波導為具有兩個非對稱波導臂的Y-分支波導耦合器，所述第二反射光柵設在其中一個波導臂上，用於雷射波長調諧反饋，另一個波導臂上設有波導雷射強度調製器，用於雷射強度輸出調製；可調諧雷射外腔體產生的可調諧雷射在第一反射光柵和第二反射光柵之間由Y-分支波導I禹合器分光輸出，再從設有波導雷射強度調製器的波導臂埠以其雷射強度調製的速率發射輸出。
2.根據權利要求1所述的混合集成複合腔波長可調諧雷射發射器，其特徵在於:所述第一反射光柵和第二反射光柵分別米用取樣光柵或超結構光柵。
3.根據權利要求1或2所述的混合集成複合腔波長可調諧雷射發射器，其特徵在於:所述非對稱Y-分支波導耦合器兩個波導臂呈平行設置。
4.根據權利要求3所述的混合集成複合腔波長可調諧雷射發射器，其特徵在於:所述非對稱Y-分支波導耦合器兩個波導臂具有完全不同的結構。
5.根據權利要求4所述的混合集成複合腔波長可調諧雷射發射器，其特徵在於:所述增益晶片與無源光子晶片的耦合端面鍍有抗反射膜，增益晶片的另一端面鍍有高反射膜。
6.根據權利要求5所述的混合集成複合腔波長可調諧雷射發射器，其特徵在於:無源光子晶片上的相位控制區、第一反射光柵、相位耦合區及第二反射光柵的電極設于波導芯的上包層的表面；或者設于波導芯兩側的波導包層表面。
7.根據權利要求6所述的混合集成複合腔波長可調諧雷射發射器，其特徵在於:所述相位控制區的相位電驅動採用一個低調頻以提供相位抖動。
8.根據權利要求7所述的混合集成複合腔波長可調諧雷射發射器，其特徵在於:在所述具有第二反射光柵的波導臂的端部設有用於對雷射的功率和強度進行檢測並提供控制反饋的光學探測器。
9.根據權利要求8所述的混合集成複合腔波長可調諧雷射發射器，其特徵在於:所述光學探測器採用波導光電探測器，或者將一分立的波導光電探測器晶片面朝下安裝在波導包層表面上，且光電探測器晶片的感光區域對準波導芯的V形槽。
10.根據權利要求1所述的混合集成複合腔波長可調諧雷射發射器，其特徵在於:所述第二反射光柵反射強度接近100%。
【文檔編號】H01S5/187GK103457155SQ201310319835
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年7月26日 優先權日:2013年7月26日
【發明者】李若林 申請人:李若林