[发明专利]一种基于阵列波导光栅的混合集成外腔可调激光器

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于阵列波导光栅的混合集成外腔可调激光器技术，具体地说是一种采用半导体增益管芯与硅基光波导器件芯片混合集成的外腔可调谐激光器实现技术方案，该发明的激光器可用于光通信技术领域。

背景技术

近几年，随着网络应用需求的不断增加，尤其是高清视频和高速数据业务的迅速发展，对网络的带宽需求越来越高。现有通信系统正在向100Gbit/s，甚至更高速率的400Gbit/s通信系统发展。在高速DWDM通信系统中，高性能的可调谐激光器扮演着重要的角色，高速相干通信系统对可调谐激光器提出了宽调谐范围、高频率稳定性、窄线宽、大功率、低功耗、小体积等特性指标要求。

目前，实现系统要求的可调谐激光器技术方案主要有单片集成半导体可调谐激光器、外腔可调谐激光器和硅基激光器等。其中，单片集成型半导体可调谐激光器主要是通过改变光栅区折射率或改变管芯温度的方法实现波长的可调谐，具有体积小、稳定性好等优点，已有商用产品运用于高速多通道相干通信系统，但是单片集成多段波导技术难度很大，复杂结构的光栅制作更是困难，难以实现低成本大规模的生产。传统的外腔可调谐激光器通过机械的方式改变外腔衍射光栅的位置选择不同的振荡波长，具有调谐范围大、线宽窄等优点，也已有商用产品成功的运用于高速多通道相干通信系统，但是传统外腔结构激光器体积较大，不利于小型化，为了满足应用的需求近些年提出了微机械调谐的器件，体积大大缩小，调谐速度提高，但稳定性较差。硅基光电子集成具有十分诱人的前景。但由于硅是间接带隙材料，发光效率非常低，在硅基发光器件的研究上有着很难逾越的困难。硅基混合型激光器的出现给硅基光子学研究带来了极大的鼓舞，随着硅基光子器件的深入研究，硅基长波长探测器、硅基光调制器和光开关获得了突破性进展，但是相对于其他硅基光子器件，硅基发光和激光器是目前最薄弱的环节，目前普遍认同的是将III-V族的激光器增益管芯与硅基光波导芯片混合集成构成外腔激光器的方法。本工作提出一种基于阵列波导光栅的混合集成外腔可调激光器技术方案，采用光波导芯片与半导体增益管芯端面耦合的方式制作可调谐激光器，克服了单片集成半导体激光器复杂的工艺限制，同时其外腔部分采用芯片集成方式，解决了传统外腔可调激光器由于外腔分立元件多带来的稳定性差的问题。另外，由于该结构激光器的集成度较高，提高了耦合封装的效率、有利于后期的批量生产。

发明内容

本发明的目的是通过半导体增益管芯与基于阵列波导光栅的光波导芯片端面耦合方式，获得一种基于阵列波导光栅的混合集成外腔可调谐激光器，具有稳定性好、线宽窄、易于集成等优点。

本发明的实现方式为：

1、通过半导体增益管芯与基于阵列波导光栅的光波导芯片端面耦合构成外腔可调激光器，该激光器主要由带有阵列波导光栅和阵列波导反射可控组件的光波导器件芯片、半导体增益管芯、准直耦合透镜、光隔离器、分光束器、光探测器、输出耦合透镜、输出光纤、半导体制冷器、热敏电阻和控制与驱动单元等几部分构成。

2、基于阵列波导光栅的光波导芯片中的阵列波导反射可控组件通过控制激光器不同波长通道内谐振腔的损耗改变激光器的输出波长。

3、阵列波导反射可控组件可为阵列通/断式开关结构，每个开关的直波导端面镀有高反膜，此端面与半导体增益管芯的镀有高反膜的端面构成激光器的谐振腔。当阵列开关处于全关状态时，每个通道谐振腔腔内损耗都很大，没有一个通道满足激光器起振条件，激光器无激光输出。若改变某一个通道开关的驱动条件为开状态，使其所在通道的谐振腔腔内损耗减少，此时只有这一个通道满足谐振条件起振，激光器输出与阵列波导光栅该通道波长相对应的激光。

4、阵列波导反射可控组件可为可控阵列布拉格光栅，为了防止端面反射，每个布拉格光栅的直波导端面镀有增透膜，每个布拉格光栅与半导体增益管芯的镀高反膜端面构成激光器的谐振腔。在初始驱动条件下，每个布拉格光栅的中心波长与其所对应的阵列波导光栅通道的中心波长有一定的偏差，由于布拉格光栅在阵列波导光栅中心波长处反射率不高无法构成有效反射，激光器无法达到起振条件无激光输出。改变驱动条件调整某一路布拉格光栅的中心波长与对应阵列波导光栅中心波长一致即可实现该通道对应波长激光输出。

5、为了降低激光器的功耗同时简化控制逻辑，该激光器方案中的阵列波导光栅采用无热阵列波导光栅，其输出通道间隔由该激光器应用的系统通道间隔决定。

6、利用激光器的光探测器反馈的光电流，调整增益管芯驱动电流的大小可以实现激光器输出功率的可调谐。