專利名稱：基于波導反射光柵陣列的波長可調諧外腔激光器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及波長可調諧激光器的技術領域，特別涉及基于波導反射光柵陣列的波長可調諧外腔激光器。
背景技術：
波分復用技術(WDM)在光纖光通訊系統(tǒng)中已廣泛應用。波分復用的光電轉調器包含一個激光器，一個調制器，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的固定波長激光器實現(xiàn)。由于很易于操作和高度可靠性，分布反饋式(DFB)激光器在波分復用傳輸系統(tǒng)廣泛地應用。在DFB激光器中，提供光學反饋的衍射光柵位于整個增益共振腔的上方，這樣激光會在固定波長下獲得一個穩(wěn)定的單模振蕩。并且，在低數(shù)字速率的信息傳輸也可通過直接對DFB激光器調制實現(xiàn)。波分多路系統(tǒng)的構成實施是通過在每個ITU (國際電信聯(lián)盟)規(guī)定的每一波長通道格點上使用一個激光器。然而，DFB激光器不具有較寬的波長調諧范圍，因此，必須對每個波長使用不同的激光器，這便導致了昂貴的波長管理的成本，同時要求很大的余料庫存來隨時解決激光器故障等問題。為了克服現(xiàn)有DFB激光器的這ー缺點同時獲得大范圍波長單模運行，可調諧激光器應運而生?？烧{諧激光器就是單個激光器的波長變化可覆蓋很多ITU規(guī)定的波長通道，并在應用中根據(jù)需要可隨時變化到所需波長通道。因此，一個可調諧激光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?zhèn)浼募す馄鲿罅繙p少?？烧{諧激光器還可在波分復用的定位中提供靈活的方案，即可以根據(jù)需要將某些波長通道從光網中添補加或移除。相應地，可調諧激光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?？烧{諧激光器可以被大致分為兩大類一類的調諧機制由激光器元件內部提供，另ー類的調諧機制由激光器元件外提供。傳統(tǒng)的可調諧激光器方案的代表為DBR(分布布拉格反射鏡)激光器,它的特點是產生增益的有源區(qū)和產生反射的DBR區(qū)在同一個激光元件中形成，但是它的可調諧波長范圍不寬，一般不超過10nm，并且激光線寬較寬。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供ー種基于波導反射光柵陣列的波長可調諧外腔激光器，實現(xiàn)選擇性地并大范圍地調諧輸出激光的波長。本發(fā)明的目的通過以下技術方案實現(xiàn)ー種基于波導反射光柵陣列的波長可調諧外腔激光器，包括用于產生寬帶自發(fā)輻射光子的有源増益芯片和用于外腔反饋及產生可調諧波長的無源光子芯片，有源増益芯片 和無源光子芯片內各具有波導，兩芯片的波導通過微光學系統(tǒng)耦合并形成激光共振腔，所述可調諧外腔激光器的微光學系統(tǒng)包括沿微光學系統(tǒng)光路設置的用于對光束進行擴束準直的第一光學透鏡、可轉動調節(jié)反射角度的MEMS反射鏡、用于對光束進行收束聚集的第二光學透鏡；所述無源光子芯片內的波導至少為兩個，并呈陣列排列；所述無源光子芯片內的姆個波導均包括波導布拉格光柵部分，姆個波導布拉格光柵部分的波導布拉格光柵反射峰的中心波長各不相同；所述激光共振腔內具有激光相位控制部分；通過轉動調節(jié)反射鏡的反射角度，使經第二光學透鏡輸出的聚集光束任意選擇耦合到無源光子芯片內陣列波導上的其中ー個，由有源増益芯片發(fā)出的光束在激光共振腔內多次反射，并經激光相位控制部分相干相長獲得最大反射，獲得激光，實現(xiàn)輸出激光波長的選擇性連續(xù)調諧。在上述基礎上，本發(fā)明可作如下改進 本發(fā)明所述激光相位控制部分設于無源光子芯片內的每個波導上，或設于有源增益芯片內的波導上，激光相位控制部分用于保證激光形成的相位條件。所述無源光子芯片內每個波導布拉格光柵部分和每個激光相位控制部分均設有對應的用于改變波導折射率的電極，通過相應電極增大或減小波導的折射率，來增大或減小被選擇的波導布拉格光柵的最大反射波長，實現(xiàn)輸出激光波長的雙向連續(xù)調諧。所述被選擇的波導布拉格光柵輸出激光波長的單向調諧范圍覆蓋波導布拉格光柵陣列中與其相鄰波導布拉格光柵中相鄰中心波長反射峰的間距，實現(xiàn)輸出激光波長的大范圍波長調諧。當激光相位控制部分設于有源増益芯片內的波導上時，所述無源光子芯片的底部可設加熱器或制冷器，通過改變加熱器或制冷器的輸出溫度來同時增大或減小每個波導的折射率，進而增大或減小被選擇的波導布拉格光柵的最大反射波長，實現(xiàn)輸出激光波長的雙向調諧。所述被選擇的波導布拉格光柵輸出激光波長的單向調諧范圍覆蓋波導布拉格光柵陣列中與其相鄰波導布拉格光柵中相鄰中心波長反射峰的間距，實現(xiàn)輸出激光波長的大范圍波長調諧。本發(fā)明所述有源増益芯片發(fā)出寬帶自發(fā)輻射光子的的一端鍍有抗反射膜，有源增益芯片的另一端鍍有高反射膜或半透半反射膜。本發(fā)明所述波長可調諧外腔激光器還包括用于所述波長可調諧外腔激光器保持恒溫工作環(huán)境的恒溫裝置，該恒溫裝置位于所述波長可調諧外腔激光器的下方或外國。與現(xiàn)有技術相比，該發(fā)明技術具有以下優(yōu)點(I)本發(fā)明通過可轉動的反射鏡來選擇無源光子芯片內波導陣列中不同中心波長反射峰的波導布拉格光柵，進行波長范圍選擇，并且可通過相應電極的電-光效應或電熱效應或來改變波導的折射率，或通過改變制冷器或加熱器輸出的溫度來改變波導的折射率，進行輸出激光波長的連續(xù)調諧；通過MEMS反射鏡實現(xiàn)中心波長各不相同的波導光柵的調諧累加，可獲得大范圍的波長調諧；(2)本發(fā)明可通過恒溫裝置以保持在恒定溫度下工作，以保證波導折射率不受外部環(huán)境溫度影響；(3)本發(fā)明由于采用了外腔結構和較長的諧振腔，保證了該激光器的線寬大大窄于傳統(tǒng)可調諧DFB或DBR激光器，而窄線寬是下一代40G/100相干通信的一種關鍵指標。


圖I為本發(fā)明實施例一的放大結構示意圖；圖2為本發(fā)明實施例一有源増益芯片的放大圖3為本發(fā)明實施例一的輸出激光的波長光譜示意圖；圖4為本發(fā)明實施例ニ的放大結構示意圖；圖5為本發(fā)明實施例三的放大結構示意圖；圖6為本發(fā)明實施例ニ和實施例三中有源増益芯片的放大圖。圖中1 .有源増益芯片，2.高反射膜或半透半反射膜，3.抗反射膜，4.有源増益芯片內的波導，5、6.有源增益芯片內波導的電極,7.第一光學透鏡,8.反射鏡,9.第二光學透鏡，10.無源光子芯片，11、12、13、14、15、16、17、18、19、20.激光相位控制部分的電極，21、22、23、24、25、26、27、28、29、30.波導布拉格光柵處的電極，31、32、33、34、35.無源光子芯片內的波導，36、37、38、39、40.波導布拉格光柵部分的波導布拉格光柵,41.加熱器或制冷器，42、43.有源増益芯片內激光相位控制部分的電極。
具體實施例方式實施例一如圖I、圖2所示的基于波導反射光柵陣列的波長可調諧外腔激光器具體實施例，它包括一個有源増益芯片1，由化合物半導體材料制成，用于產生寬帶自發(fā)輻射光子，作為激發(fā)光源；一個無源光子芯片10，提供波長可調諧反饋，產生可調諧波長的激光輸出。有源増益芯片I和無源光子芯片10內各具有波導(即光波導)，無源光子芯片內的波導4材料選用在折射率上具有較大熱-光或電-光系數(shù)的材料，如SOI (絕緣體上硅結構)上的硅波導。兩芯片的波導經微光學系統(tǒng)稱合并形成激光共振腔；微光學系統(tǒng)和波導反射光柵構成了激光器的外腔。在有源増益芯片I和無源光子芯10片之間的微光學系統(tǒng)包括沿微光學系統(tǒng)光路設置的用于對光束進行擴束準直的第一光學透鏡7、可轉動調節(jié)反射角度的反射鏡8、用于對光束進行收束聚集的第二光學透鏡9 ;其中，反射鏡8為可轉動的MEMS反射鏡，即利用現(xiàn)有常用的MEMS (微機電系統(tǒng))技術的可轉動反射鏡，該反射鏡8由現(xiàn)有成熟的半導體ICエ藝制造，具有體積小，不需要機械驅動，通過電控可實現(xiàn)精密轉動的特點；也可采用現(xiàn)有其他結構形式的反射鏡，來達到轉動調節(jié)反射角度。無源光子芯片內的波導可設置五個，并呈陣列排列，無源光子芯片內的波導31、32、33、34、35形成波導陣列。也可根據(jù)波長調諧范圍的需要，設置兩個以上任意數(shù)量的波導。無源光子芯片實際的大小比透鏡要小，圖I中是為了方便顯示出本發(fā)明結構特點的放大示意圖。無源光子芯片10內的每個波導中均包括波導布拉格光柵部分和激光相位控制部分，姆個波導布拉格光柵部分只產生ー個反射峰。各個波導布拉格光柵的反射峰41、42、43、44、45的中心波長各不相同，但具有相近的反射強度，并且，在波導陣列中，各相鄰波導布拉格光柵反射峰的中心波長間隔相近或相等。本實施例中，布拉格光柵可以刻蝕在波導芯上，然后再覆蓋包層。第一光學透鏡7、MEMS反射鏡8依次設有有源増益芯片I的右側，第二光學透鏡9、無源光子芯片10依次設于MEMS反射鏡8的下側，第一光學透鏡7、MEMS反射鏡
8、第二光學透鏡9、無源光子芯片10共同構成無源外腔反饋區(qū)。在無源光子芯片10內姆個波導布拉格光柵部分和姆個激光相位控制部分的波導芯上，均全部或部分覆蓋有對應的用于改變波導折射率的電極，實現(xiàn)電極對波導布拉格光柵的雙向調諧。
電極為金屬電極，金屬電極放置在波導包層的頂部，可以位于波導芯的兩側或波導芯上方?？梢酝ㄟ^金屬電極發(fā)熱改變溫度，產生熱-光效應而改變波導折射率；也可通過注入電流，通過金屬電極上電流的改變，產生電-光效應而増大或減小波導折射率。波導布拉格光柵的最大反射波長由以下通用關系決定入=2 neff A (I)式(I)中入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。因此，由式(I)可見，當波導折射率被改變時，波導布拉格光柵反射峰波長便可被調諧。同時，有源増益芯片內的波導芯上也可設置電極，用于向有源區(qū)注入電子，通過電子-光子轉換在某一中心波長附近產生寬帶自發(fā)輻射光子。在有源増益芯片I發(fā)出寬帶自發(fā)輻射光子的的一端即右端鍍有抗反射膜3(AR 膜)，在有源増益芯片I的另一端即左端可鍍高反射膜(HR膜)或半透半反射膜2 (PR膜)。本實施例中，為避免外部環(huán)境對本波長可調諧外腔激光器的影響，故在本波長可調諧外腔激光器保持恒溫工作環(huán)境的恒溫裝置，該恒溫裝置位于波長可調諧外腔激光器的下方或外圍，該恒溫裝置為熱電致冷器(TEC)。當在有源増益芯片的左端面鍍高反射膜(反射率大于95% )時，設置波導陣列中波導布拉格光柵的具有較低的反射率，由有源増益芯片I右端發(fā)出光束，經過第一光學透鏡7擴束準直，然后經過反射鏡8以調節(jié)的角度反射，再經過第二光學透鏡9收束聚集耦合在被選擇的無源光子芯片10內的波導上，光束在被選擇的波導內的波導內傳輸，再經該波導布拉格光柵反射，按原光路返回至有源増益芯片I的左端被高反射膜2反射，如此在激光共振腔內多次反射，同時改變激光相位控制部分的電極11、12、13、14、15、16、17、18、19、20，調節(jié)光子的光學路徑的長度，該長度即波導光的折射率和物理長度的乘積，為激光的產生提供所須的共振腔內往返相位相干條件，從而通過激光相位控制部分相干相長獲得最大反射，獲得激光，并從無源光子芯片10的右端輸出。在選擇好波導布拉格光柵陣列中的波導后，通過驅動MEMS反射鏡8旋轉，以轉動調節(jié)反射鏡8的反射角度，使反射鏡8反射的光束經第二光學透鏡9輸出聚焦耦合到無源光子芯片10內被選擇的波導上，MEMS反射鏡9 一次僅選擇陳列中的ー個波導布拉格光柵作為波長調諧的外部反饋，而每次轉動MEMS反射鏡9都可選擇不同的波導布拉格光柵，實現(xiàn)輸出激光波長的選擇性連續(xù)調諧；其中，轉動MEMS反射鏡9可以是按波長遞增或遞減的順序選擇波導布拉格光柵，形成連續(xù)的激光波長調諧，也可以是根據(jù)輸出激光波長的需要進行任意的選擇。因各個波導布拉格光柵的反射峰中心波長各不相同，并且相鄰中心波長的間距被電極或加熱器或制冷器的單向調諧范圍所覆蓋，獲得調諧累加，本可調諧外腔激光器則可獲得很寬的波長調諧范圍。還可通過改變波導布拉格光柵處的電極21、22、23、24、25、26、27、28、29、30，來增
大或減小波導布拉格光柵的最大反射波長(反射峰的中心波長)，實現(xiàn)輸出激光波長的雙向連續(xù)調諧。輸出激光的波譜如圖3所示，對于任一被選擇的反射峰43，可通過電極或加熱器或制冷器調諧使其向左或向右移動，即實現(xiàn)雙向調諧；而反射峰43向左或向右移動的調諧范圍，將覆蓋反射峰43與反射峰42的間距,或覆蓋反射峰43與反射峰44的間距，當反射峰43調諧移動至反射峰44處后，則可通過MEMS反射鏡選擇該反射峰44的波導布拉格光柵，再對反射峰44調諧移動，如此實現(xiàn)連續(xù)調諧，并獲得調諧的累加，具有很寬的波長調諧范圍。另外，在有源増益芯片I的左端面鍍半透半反射膜時，通過設置使波導陣列中的波導布拉格光柵具有較高的反射率，有源増益芯片I右端發(fā)出光束的光束經激光共振腔多次反射形成激光后，將從有源増益芯片I的左端輸出。實施例ニ 如圖4、圖6所示的基于波導反射光柵陣列的波長可調諧外腔激光器是本發(fā)明的實施例ニ，本實施例ニ與實施例一的不同之處在于本實施例中，無源光子芯片10的姆個波導上不設激光相位控制部分，而在有源増益芯片內的波導上加設激光相位控制部分，在該激光相位控制部分的全部或部分覆蓋有用于改變波導折射率的電極，該有源増益芯片內激光相位控制部分的電極42、43為金屬電極，可以通過金屬電極發(fā)熱改變溫度，產生熱-光效應而改變波導折射率；也可通過注入電流，通過金屬電極上電流的改變，產生電-光效應而改變波導折射率。改變該有源増益芯片內激光相位控制部分的電極42、43，為激光的產生提供所須的共振腔內往返相位相干條件。本實施例同樣可通過轉動調節(jié)反射鏡實現(xiàn)輸出激光波長的選擇性連續(xù)調諧，通過相應電極改變波導的折射率，來改變被選擇的波導布拉格光柵的最大反射波長，實現(xiàn)輸出激光波長的連續(xù)調諧。實施例三如圖5、圖6所示的基于波導反射光柵陣列的波長可調諧外腔激光器是本發(fā)明的實施例三，本實施例三與實施例ニ的不同之處在于本實施例中，省去了波導陣列中各波導處的電扱，而在無源光子芯片的底部設有加熱器或制冷器41，通過改變加熱器或制冷器41的輸出溫度來同時改變波導陣列的每個波導的折射率，進而改變被選擇的波導布拉格光柵的最大反射波長，同樣實現(xiàn)輸出激光波長的連續(xù)調諧。本發(fā)明的實施方式不限于此，根據(jù)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(fā)明上述基本技術思想前提下，本發(fā)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(xiàn)本發(fā)明目的。
權利要求
1.ー種基于波導反射光柵陣列的波長可調諧外腔激光器，包括用于產生寬帶自發(fā)輻射光子的有源増益芯片、用于外腔反饋及產生可調諧波長的無源光子芯片、激光相位控制部分，有源増益芯片和無源光子芯片內各具有波導，兩芯片的波導通過微光學系統(tǒng)耦合井形成激光共振腔，其特征在于所述可調諧外腔激光器的微光學系統(tǒng)包括沿微光學系統(tǒng)光路設置的用于對光束進行擴束準直的第一光學透鏡、可轉動調節(jié)反射角度的MEMS反射鏡、用于對光束進行收束聚集的第二光學透鏡；所述無源光子芯片內的波導至少為兩個，并呈陣列排列；所述無源光子芯片內的姆個波導均包含波導布拉格光柵部分，姆個波導布拉格光柵部分的波導布拉格光柵反射峰的中心波長各不相同； 通過轉動調節(jié)反射鏡的反射角度，使經第二光學透鏡輸出的聚集光束任意選擇耦合到無源光子芯片內陣列波導上的其中ー個，由有源増益芯片發(fā)出的光束在激光共振腔內多次反射，并經激光相位控制部分相干相長獲得最大反射，獲得激光，實現(xiàn)輸出激光波長的選擇性連續(xù)調諧。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于波導反射光柵陣列的波長可調諧外腔激光器，其特征在于所述激光相位控制部分設于無源光子芯片內的每個波導上。
3.根據(jù)權利要求I所述的基于波導反射光柵陣列的波長可調諧外腔激光器，其特征在于所述激光相位控制部分設于有源増益芯片內的波導上。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于波導反射光柵陣列的波長可調諧外腔激光器，其特征在于所述無源光子芯片的底部設有加熱器或制冷器，通過改變加熱器或制冷器的輸出溫度來同時增大或減小每個波導的折射率，進而增大或減小被選擇的波導布拉格光柵的最大反射波長，實現(xiàn)輸出激光波長的雙向連續(xù)調諧。
5.根據(jù)權利要求4所述的基于波導反射光柵陣列的波長可調諧外腔激光器，其特征在干所述被選擇的波導布拉格光柵輸出激光波長的單向調諧范圍覆蓋波導布拉格光柵陣列中與其相鄰波導布拉格光柵中心波長反射峰的間距。
6.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的基于波導反射光柵陣列的波長可調諧外腔激光器，其特征在于所述無源光子芯片內每個波導布拉格光柵部分和每個激光相位控制部分均設有對應的用于改變波導折射率的電極，通過相應電極增大或減小波導的折射率，來増大或減小被選擇的波導布拉格光柵的最大反射波長，實現(xiàn)輸出激光波長的雙向連續(xù)調諧。
7.根據(jù)權利要求6所述的基于波導反射光柵陣列的波長可調諧外腔激光器，其特征在于所述被選擇的波導布拉格光柵輸出激光波長的單向調諧范圍覆蓋波導布拉格光柵陣列中與其相鄰波導布拉格光柵中心波長反射峰的間距。
8.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的基于波導反射光柵陣列的波長可調諧外腔激光器，其特征在干所述有源増益芯片發(fā)出寬帶自發(fā)輻射光子的的一端鍍有抗反射膜，有源増益芯片的另一端鍍有高反射膜或半透半反射膜。
9.根據(jù)權利要求8所述的基于波導反射光柵陣列的波長可調諧外腔激光器，其特征在于所述波長可調諧外腔激光器還包括用于所述波長可調諧外腔激光器保持恒溫工作環(huán)境的恒溫裝置，該恒溫裝置位于所述波長可調諧外腔激光器的下方或外國。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于波導反射光柵陣列的波長可調諧外腔激光器，包括有源增益芯片和無源光子芯片，有源增益芯片和無源光子芯片內各具有波導，可調諧外腔激光器還包括沿微光學系統(tǒng)光路設置的第一光學透鏡、反射鏡、第二光學透鏡；無源光子芯片內的波導至少為兩個，并呈陣列排列；無源光子芯片內的每個波導均包括波導布拉格光柵部分，每個波導布拉格光柵部分的波導布拉格光柵反射峰的中心波長各不相同；激光共振腔內具有激光相位控制部分；通過轉動調節(jié)反射鏡的反射角度，使經第二光學透鏡輸出的聚集光束任意選擇耦合到無源光子芯片內陣列波導上的其中一個，實現(xiàn)輸出激光波長的選擇性連續(xù)調諧。本發(fā)明實現(xiàn)了選擇性地并大范圍地調諧輸出激光的波長。
文檔編號H01S5/06GK102646927SQ201210104638
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月11日 優(yōu)先權日2012年4月11日
發(fā)明者李若林 申請人:四川馬爾斯科技有限責任公司