波長快速調諧的單片集成外腔振蕩激光器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光電子技術和平面光波導集成領域，涉及一種波長快速可調的外腔振蕩激光器結構。
【背景技術】
[0002]近年來，為了突破“電子瓶頸”的局限，光子作為新的信息的載體得到了廣泛的重視。在長距離通信領域，光通信以高帶寬、低損耗等優勢取得了巨大的成功；隨著技術的發展，光通信將朝著更高的集成密度和更短傳輸距離發展，即光器件的規模化和單片集成化。由于硅材料具有大的晶圓面積、CMOS工藝兼容等優勢，利用硅波導體系實現集成光學的方案受到了越來越廣泛的關注。目前，在SOI (Silicon on Insulator)材料上已經實現了多種無源器件以及有源的調制器、光開關等，具有良好的發展前景。
[0003]可調諧的半導體激光器在數據交換和數據的復用上有著非常廣泛的應用。如，可調諧激光器和波分復用器件組合使用可以構成波長路由單元；可調諧激光器還可實現信號的波分、時分復用。因而，在片上集成波長快速切換、工作穩定、能耗小的可調諧激光器是實現更高速、更清潔的光通信、光交換的一大需求。
[0004]可調諧激光器的實現方式有多種，相比于傳統的DBR激光器，外腔振蕩的可調諧激光器的可調諧帶寬更寬(傳統DBR激光器帶寬僅1nm左右)，可達30nm?40nm ;且外腔振蕩的可調諧激光器便于集成，不但能直接在芯片上制作電光和熱光的控制結構，而且容易和片上其他器件級聯工作。在現有的單片集成波長可調外腔振蕩激光器中，如文獻“基于雙微環諧振腔和傾斜多模干涉耦合器的單片集成可調激光器”("MonolithicallyIntegrated Tunable Laser Using Double-Ring Resonators With a Tilted MultimodeInterference Coupler"，PTL.21，P.851 (2009))和“使用娃納米線微環諧振腔制作的、低損耗的、緊湊的可調諧激光器”("Compact, lower-power-consumpt1n wavelengthtunable laser fabricated with silicon photonic-wire waveguide micro-ringresonators"，0E.17，P.14063(2009))中提出的激光器，均是基于材料的熱光效應，波長切換速度較慢，切換時間均在微秒量級以上。
[0005]因此，本發明擬提出一種波長快速調諧的單片集成外腔振蕩激光器，激光器的波長切換基于快速的載流子色散效應或電光效應，可以以低于微秒級的切換時間調諧波長，同時擁有大于30nm的調諧范圍和良好的兼容性。
【發明內容】
[0006]鑒于此，本發明要解決傳統可調激光器帶寬窄、難以單片集成，現有的單片集成方案及調諧方式不能實現高速切換波長的問題，擬在激光器外腔振蕩區組合微環和馬赫-增德爾干涉結構，采用電光調諧，耦合輸入增益區，提供一種波長快速調諧的單片集成外腔振蕩激光器。
[0007]為實現上述目的，根據本發明，波長快速調諧的單片集成外腔振蕩激光器，設計和制作基于平面光波導技術和半導體工藝。設計結構的示意圖如附圖1，激光器包含增益區、頻率調諧區和諧振腔(圖中諧振腔由反射鏡和半導體光放大器SOA(SemiconductorOptical Amplifier)的一端組合構成)。
[0008]其中增益區是一種光放大器；增益區實現寬波段的光放大，通常是由InP等II1-V族材料構成；頻率調諧區和增益區的材料構成可以相同，也可以不同。若增益區和頻率調諧區采用不同的半導體材料(例如:分別為InP和SOI)，需采用一些方法在不同材料或不同尺寸波導間耦合光場，這些方法可以是鍵合材料耦合、光柵耦合、模斑轉換器耦合和波導直接對準耦合。
[0009]激光器的諧振腔由增益區的一端和頻率調諧區共同構成；頻率調諧區的反射結構，包含波導回路、反射光柵、波導端口鍍反射膜等。如圖2所示的結構，是由增益區的端面和外腔振蕩部分中的環形反射鏡構成的諧振腔；如圖3所示結構，是由增益區的端面和整個外腔區波導行程的類似環形的光學路徑共同構成的諧振腔。
[0010]激光器的輸出端可以是增益區反射鏡、頻率調諧區反射結構、微環的端口或功率分流結構，輸出端的位置取決于參數設計和結構設計。如附圖2和附圖3中所示均采用微環端口作為激光器的輸出。
[0011]這種波長快速調諧的單片集成外腔振蕩激光器，要實現快于微秒級的波長切換，在原理上，使用半導體材料的載流子色散效應或電光效應改變外腔的諧振頻率；在結構上，頻率調諧區是包含微環、馬赫-增德爾干涉等光學結構的組合，光學結構組合交互、頻譜疊加，實現選頻功能。以圖2和圖3所示的兩種外腔振蕩部分為例，頻率選擇功能的實現是由一個熱調節的微環和一個電調節的馬赫-增德爾干涉結構組成；微環實現穩定頻率的功能，保證通過的光波頻率穩定在固定的一組值上；馬赫-增德爾干涉結構通過電光調節，以PIN結中載流子的擴散，快速地改變干涉相長的峰值頻率；熱調節微環和電調節馬赫-增德爾干涉結構的頻譜疊加，選出不同的諧振頻率。
[0012]從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果:
[0013]1.本發明提供的這種波長快速調諧的單片集成外腔振蕩激光器，相比于傳統的DBR波長可調激光器，具有調諧范圍寬的優點。本發明中激光器的調諧范圍取決于外腔振蕩選頻的波長調諧范圍，可達到30nm以上，覆蓋C波段或L波段。
[0014]2.本發明提供的這種波長快速調諧的單片集成外腔振蕩激光器，具有低于微秒級的頻率切換時間。以往發表的單片集成外腔振蕩激光器中，均使用熱光效應切換諧振波長，切換時間較長；本發明中使用電光效應切換諧振波長，具有較快的頻率切換速率。
[0015]3.本發明提供的這種波長快速調諧的單片集成外腔振蕩激光器，使用外腔式振蕩結構，便于集成，電光和熱光的控制結構均可集成在片上，便于和片上其他器件級聯工作。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明提供的波長快速調諧的單片集成外腔振蕩激光器一種結構的示意圖；
[0017]圖2為本發明提供的波長快速調諧的單片集成外腔振蕩激光器的一種外腔振蕩結構的示意圖1 ;
[0018]圖3為本發明提供的波長快速調諧的單片集成外腔振蕩激光器的一種外腔振蕩結構的不意圖2 ；
[0019]圖4為本發明具體實施例的說明，即基于往返結構的單片集成波長快速調諧外腔振蕩激光器；
[0020]圖5為本發明具體實施例的說明，即基于循環結構的單片集成波長快速調諧外腔振蕩激光器；
[0021]圖6為具體實施例的仿真說明，即往返經過一次往返外腔結構的頻率譜線；
[0022]圖7為具體實施例的仿真說明，(I)為往返外腔結構隨馬赫-增德爾干涉臂長的改變參數的變化；(2)為循環外腔結構隨馬赫-增德爾干涉臂長的改變參數的變化。
[0023]附圖標記說明:
[0024]1.半導體光放大器
[0025]2.覆蓋氮氧化硅的倒錐形模斑變換器
[0026]3.覆蓋氮化鈦熱電極的微環
[0027]4.電調馬赫