专利名称：空气槽分束法布里-珀罗谐振腔耦合激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体激光器，特别涉及一种可单纵模运转的空气槽分束法布 里-珀罗谐振腔耦合激光器。
背景技术：
1962年出现的半导体激光器，以其转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高、可单 片集成等特点，成为信息技术中的关键器件，被广泛应用于干涉测量、光谱学、光通信、光传 感、激光加工等多个领域。特别是在光通信领域，随着波分复用技术的发展，对半导体激光 器性能和制造方面的要求越来越高。在光网络中需要大量使用半导体激光器，提高半导体 激光器的性价比是降低光网络成本的关键因素，也是当前光通信器件的研究重点。半导体激光器根据谐振腔的结构不同，可以分为分布反馈式激光器、分布反射式 激光器、环形谐振腔激光器，法布里_珀罗腔激光器等多种类型。环形谐振腔激光器是一种体积小、结构简单的半导体激光器，其制造工艺简单。相 较分布反馈式激光器和分布反射式激光器需要电子束光刻和再生长，环形谐振腔激光器不 需要附加这些高精度工艺，从而简化了制造过程、降低了制造成本。同时，环形谐振腔激光 器具有比分布反射式激光器具有更好的窄带滤波特性。但由于环形结构本身的限制，在设计过程中，环的直径要满足制造的要求，不可以 无限制缩小，且需要足够的折射率差保证波导中单模，导致了这种谐振腔激光器的自由光 谱范围受到限制，不能满足一些特定的应用需求。比如在增益介质的增益谱范围较大的情 况下，由于环形谐振腔激光器的自由光谱范围较小，会出现同时有多个模式被激发的情况， 输出波长不再具有单色性。为了克服以上缺点，可通过级联两个环形谐振腔增大半导体激光器的自由光 谱范围。一个背景技术如日本电信电话株式会社(NTT)的光电子实验室在2007年 发表在 Photonics Technology Letters 上的文章"Full C-Band Tuning Operation ofSemiconductor Double-Ring Resonator-Coupled Laser With Low Tuning Current，，中 所描述的，如图1所示，包括有源波导1，相位匹配电极11，第一环形谐振腔7和第二环形谐 振腔8;即该半导体激光器包含一个增益区间、一个相位控制区间和两个自由光谱范围不 同的环形谐振腔。每个环形谐振腔均通过一个3dB多模干涉耦合器与直波导耦合。增益区 间产生的光只有同时在两个环形谐振腔都获得足够的反射，即两个环形谐振腔反射峰重合 处，才可以在形成激光。由于游标效应，如图2所示，通过级联两个反射谱线不同的环形谐 振腔，得到的双环形谐振腔的反射峰间距大于其中任何一个环形谐振腔的反射峰间距，即 双环形谐振腔的自由光谱范围大于单个环形谐振腔的。这种方法扩大了自由光谱范围，但 增加了结构的复杂度，提高了制造成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空气槽分束法布里_珀罗谐振腔耦合激光器，使用两
4根波导构成法布里_珀罗谐振腔，具有大自由光谱范围，可实现激光器的单纵模运转。本发明采用的技术方案是技术方案1 本发明它包括一个提供增益的有源波导，一个产生梳状反射谱的法布里_珀罗谐 振腔和一个反射镜。所述法布里-珀罗谐振腔是由一个与有源波导倾斜为30° 70°的、 里面填充空气或低折射率介质的、用于将有源波导内产生的光部分透射进法布里_珀罗谐 振腔的、未被透射的光部分反射损失掉的空气槽，第一波导，第二波导，第一高反镜和第二 高反镜组成；第一波导与有源波导同轴放置，分别位于空气槽的两侧；第二波导和第一波 导与空气槽之间夹角相等，位于空气槽同侧；第二波导与空气槽的连接端口和第一波导与 空气槽的连接端口部分重合；第一高反镜和第二高反镜分别设置于第一波导和第二波导的 非空气槽连接端口处。所述第一波导，第二波导全部或部分覆盖有可改变其光学长度从而改变反射峰位 置输出波长的一体的调谐电极；有源波导部分区域覆盖有相位匹配电极。所述第二波导全部或部分覆盖有可改变其光学长度从而改变反射峰位置输出波 长的第二波导调谐电极；第一波导与第二波导的光学长度之和与有源波导与第一波导的光 学长度之和不相等。技术方案2:本发明它包括一个提供增益的有源波导，一个产生梳状反射谱的法布里_珀罗谐 振腔，另一个产生梳状反射谱的法布里_珀罗谐振腔和输出波导。所述法布里_珀罗谐振 腔是由一个与有源波导倾斜为30° 70°的、里面填充空气或低折射率介质的、用于将有 源波导内产生的光部分透射进法布里_珀罗谐振腔的、未被透射的光部分反射损失掉的空 气槽，第一波导，第二波导，第一高反镜和第二高反镜组成；第一波导与有源波导同轴放置， 分别位于空气槽的两侧；第二波导和第一波导与空气槽之间夹角相等，位于空气槽同侧； 第二波导与空气槽的连接端口和第一波导与空气槽的连接端口部分重合；第一高反镜和第 二高反镜分别位于第一波导和第二波导的非空气槽连接端口处；所述输出波导和有源波导 与空气槽之间夹角相等，位于空气槽同侧；输出波导与空气槽连接端口和有源波导与空气 槽连接端口部分重合；所述另一个法布里_珀罗谐振腔位于有源波导与法布里_珀罗谐振 腔连接端口的另一端；所述另一个法布里-珀罗谐振腔是由一个与有源波导倾斜为30° 70°的、里面填充空气或低折射率介质的、用于将有源波导内产生的光部分透射进另一个 法布里_珀罗谐振腔的、未被透射的光部分反射损失掉的另一个空气槽，第三波导，第四波 导，第三高反镜和第四高反镜组成；第三波导与有源波导同轴放置，分别位于另一个空气槽 的两侧；第四波导和第三波导与另一个空气槽之间夹角相等，位于另一个空气槽同侧；第 三波导与另一个空气槽连接端口和第四波导与另一个空气槽连接端口部分重合；第三高反 镜和第四高反镜分别位于第三波导和第三波导的非空气槽连接端口处；所述第一波导、第 二波导光学长度之和与第三波导、第四波导光学长度之和不相等。以上两种技术方案中，所述第一高反镜、第二高反镜、第三高反镜和第四高反镜镜 面上均镀有高反射膜。本发明具有的有益效果是本发明通过空气槽对光的反射和透射进行分束，取代了 3dB多模干涉耦合器，具有结构简单且制造方便的优点。通过附加两根波导构成法布里_珀罗谐振腔进行选模，取 代了环型谐振腔，具有自由光谱范围大且制造难度低的优点。通过调节波导的光学长度，可 对激光器输出波长大范围调谐。这种激光器可单纵模运转。
图1是一个现有技术的双环形谐振腔激光器的结构示意图。图2是自由光谱区间的游标效应示意图。图3是本发明第一种实施方式结构示意图。图4是利用多次干涉理论推导得到的法布里_珀罗谐振腔的反射谱示意图。图5是本发明第二种实施方式结构示意图。图6是本发明第三种实施方式结构示意图。图7是本发明第四种实施方式结构示意图。图中1、有源波导，2、法布里_珀罗谐振腔，3、法布里_珀罗谐振腔，4、输出波导， 5、反射镜，7、第一环形谐振腔，8、第二环形谐振腔，11、相位匹配电极，21、空气槽，23、第一 波导，24、第二波导，25、第一高反镜，26、第二高反镜，27、调谐电极，28、第二波导调谐电极， 32、空气槽，33、第三波导，34、第四波导，35、第三高反镜，36、第四高反镜。
具体实施例方式下面根据附图和实施例对本发明作进一步的说明。如图3所示，是本发明的半导体激光器的第一种实施方式结构示意图。这种空气 槽分束法布里_珀罗谐振腔耦合激光器包括一个提供增益的有源波导1，一个产生梳状反 射谱的法布里_珀罗谐振腔2和一个反射镜5。所述法布里_珀罗谐振腔2是由一个与有 源波导1倾斜为30° 70°的、里面填充空气或低折射率介质的、用于将有源波导1内产 生的光部分透射进法布里_珀罗谐振腔2的、未被透射的光部分反射损失掉的空气槽21， 第一波导23，第二波导24，第一高反镜25和第二高反镜26组成；第一波导23与有源波导 1同轴放置，分别位于空气槽21的两侧；第二波导24和第一波导23与空气槽21之间夹角 相等，位于空气槽21同侧；第二波导24与空气槽21的连接端口和第一波导23与空气槽21 的连接端口部分重合；第一高反镜25和第二高反镜26分别设置于第一波导23和第二波导 24的非空气槽连接端口处。有源波导1中产生的光在空气槽21与反射镜5之间来回反射。在此的过程中，部 分光通过空气槽21透射进入第一波导21，然后在空气槽21、第一高反镜25和第二高反镜 26间多次反射。每次光在第二波导24与空气槽21界面发生反射的时，没有光通过空气槽 21透射进入有源波导1。每次光在第一波导23与空气槽21界面发生反射的时，均有部分 光通过空气槽21透射进入有源波导1，形成反馈。为了分析光在法布里_珀罗谐振腔2多次反射后，透射进入有源波导1的反馈光 谱，设最初从有源波导1射向空气槽21方向的入射光振幅为A(i)，经过空气槽21从有源波 导1到第一波导23方向的透射率为t，经过空气槽21从第一波导23方向到有源波导1的 透射率为t'，经过空气槽21侧壁从第一波导23或第二波导24到有源波导1方向的反射 率为r'，第一高反镜25的反射率为r/，第二高反镜26的反射率为r2‘。得到经过空气
6槽21透射后进入第一波导23后，第一次透射返回有源波导1的光束振幅为tt' 相对于这第一次透射的振幅，此后各次复振幅分别为 tt ‘ r ‘ 2T1 ‘ 2T2 , eiSA⑴、tt ,ι·,、, 3r2 , tt' r' V V V38A ⑴、tt' r' V V 4ei45A(i)...
r/ A⑴,
V2 sA⑴.
其中S为相邻两次透射光之间的光程差引起的相位差
δ 二~^-^-+φι+Ψι =~--/+^1(ι) λc
li、I2分别为第一波导23和第二波导24的光学长度，夠、夠分别为第一波导23 和第二波导24末端高反镜反射引起的相位变化，c是光在真空中的传播速度，f是光的频率。对多次透射光的复振幅求和，得到合成复振幅为Α"' = ΧΑ；0 = "V1Mw +tt'r'2 rx'2η’3 r2’2 ei2SA^ + …⑵
(0
那么，从法布里-珀罗谐振腔2反馈到有源波导1的光强为
=_(昨‘)2-/W(3)
(I-^2T1V2')2+ 4r'2 ^r2'sin2 ^
=_1_/(ο
t 1 rar2\2 4r,2r2' . 2 δ
(---2-y + -W^r1- sin —
Vr/ tf iV2r/ 2
根据公式(1)和(3)，可以得到I(t)/I(i)随频率f的变化的示意图4，反射谱呈梳状
分布。相邻两个反射峰之间的频率差值为 _2] = (4)仅与第一波导23和第二波导24的光学长度总值1广12相关(c为真空中的光速)。而自由光谱范围为FSR=力(5)其中nd是波导的有效群折射率，λ是中心波长。由以上推导可知，法布里_珀罗谐振腔2可以看成是一个梳状反射谱的滤波反射 镜。且自由光谱范围仅与第一波导23和第二波导24的光学长度相关。通过减小第一波导 23和第二波导24的光学长度总值，可以增大自由光谱范围。另外，通过在第一高反镜25和第二高反镜26镜面上镀高反射膜，可增大第一高反 镜25的反射率r/和第二高反镜26的反射率r2'。由公式(3)可知，当第一高反镜25的 反射率r/或第二高反镜26的反射率r2'的增大后，Ιω/Ιω对相位差δ的变化更为敏 感。由公式(1)可知，相位差δ取决于频率f。综合可得，第一高反镜25的反射率r/或第二高反镜26的反射率r2'的增大，会导致法布里_珀罗谐振腔2的反射谱更加尖锐，提 高了激光器的模式选择特性。如图5所示，是本发明第二种实施方式结构示意图。它除了包含一个有源波导1、 一个产生梳状反射谱的法布里_珀罗谐振腔2和一个反射镜5，还包含一个调谐电极27和 一个相位匹配电极11。调谐电极27覆盖第一波导23，第二波导24全部或部分区域，可通 过调节注入电流改变波导的光学长度，从而改变反射峰的位置。相位匹配电极11覆盖有源 波导1的部分区域。由于处于工作状态的半导体激光器需要满足激光器谐振条件2k0la+2k0lp+<ji = 2mJi，m = 1，2，3· · ·(6)其中Ictl是该输出波长在真空中的波矢，Ia是有源波导1的光学长度，Ip是相位匹 配电极11覆盖下波导的光学长度，Φ是由于法布里-珀罗谐振腔2反射引起的相位变化， 随着第一波导23，第二波导24光学长度的变化而变化。在调节调谐电极27改变法布里_珀罗谐振腔2反射峰位置的同时，第一波导23， 第二波导24光学长度改变了，引起反射相位Φ的变化，激光器谐振条件被破坏。在本实施 方式中，通过相位匹配电极11调节15的长度，补偿反射相位Φ的改变，对于不同输出波长， 都能满足激光器谐振条件。在同时调节调谐电极27和相位匹配电极11的注入电流后，就 可实现对半导体激光器输出波长的调谐。如图6所示，是本发明第三种实施方式结构示意图。它除了包含一个有源波导1、 一个产生梳状反射谱的法布里_珀罗谐振腔2和一个反射镜5，还包含一个覆盖第二波导 24全部或部分区域，可通过调节注入电流改变波导的光学长度的第二波导调谐电极28。由公式(4)可知，法布里-珀罗谐振腔2的频谱间隔为Δ/ι=Ι^(7)其中Ip I2分别为第一波导23和第二波导24的光学长度，c为真空中的光速。第一波导23、有源波导1、第一高反镜25和反射镜5共同构成一个有源法布里-珀 罗谐振腔。该有源法布里-珀罗谐振腔得频谱间隔为Afe=W^ij(8)其中Ip Ia分别为第一波导23和有源波导1的光学长度，c为真空中的光速。由于第一波导与第二波导的光学长度之和与有源波导与第一波导的光学长度之 和不相等，使得八^与Δ f；存在微小差别。此时，激光器只有在两个法布里-珀罗谐振腔 的反射峰重合处，才能得到足够的反馈，从而在该波长满足激光阈值条件。如图2所示，两 个谐振腔串联后，反射谱上相邻反射峰之间的间距为
ΑΓ_ ^fAfe
_2] (9) 由于放大因子Δ ;/| Af1-AfJ的存在，双法布里-珀罗谐振腔半导体激光器比 单法布里-珀罗谐振腔的自由光谱范围要大。在有源波导的增益范围内，可以保证两个法 布里_珀罗谐振腔只有一个反射峰重合，半导体激光器单纵模运转。通过调节第二波导调 谐电极28的注入电流，改变改变法布里-珀罗谐振腔的光学长度，从而改变Af1，在放大因子Afyl Af1-Afe的作用下，可以实现激光器输出波长的大范围调谐。如图7所示，是本发明第四种实施方式结构示意图。它包括一个提供增益的有 源波导1，一个产生梳状反射谱的法布里_珀罗谐振腔2，另一个产生梳状反射谱的法布 里_珀罗谐振腔3和输出波导4。所述法布里-珀罗谐振腔是由一个与有源波导1倾斜为 30° 70°的、里面填充空气或低折射率介质的、用于将有源波导1内产生的光部分透射 进法布里_珀罗谐振腔2的、未被透射的光部分反射损失掉的空气槽21，第一波导23，第二 波导24，第一高反镜25和第二高反镜26组成；第一波导23与有源波导1同轴放置，分别 位于空气槽21的两侧；第二波导24和第一波导23与空气槽21之间夹角相等，位于空气槽 21同侧；第二波导4与空气槽21的连接端口和第一波导23与空气槽21的连接端口部分 重合；第一高反镜25和第二高反镜26分别位于第一波导23和第二波导24的非空气槽连 接端口处；所述输出波导4和有源波导1与空气槽21之间夹角相等，位于空气槽21同侧； 输出波导4与空气槽21连接端口和有源波导1与空气槽21连接端口部分重合；所述另一 个法布里_珀罗谐振腔3位于有源波导1与法布里-珀罗谐振腔2连接端口的另一端；所 述另一个法布里-珀罗谐振腔3是由一个与有源波导1倾斜为30° 70°的、里面填充空 气或低折射率介质的、用于将有源波导1内产生的光部分透射进另一个法布里-珀罗谐振 腔3的、未被透射的光部分反射损失掉的另一个空气槽31，第三波导33，第四波导34，第三 高反镜35和第四高反镜36组成；第三波导33与有源波导1同轴放置，分别位于另一个空 气槽31的两侧；第四波导34和第三波导33与另一个空气槽31之间夹角相等，位于另一个 空气槽31同侧；第三波导33与另一个空气槽31连接端口和第四波导34与另一个空气槽 31连接端口部分重合；第三高反镜35和第四高反镜36分别位于第三波导33和第四波导 34的非空气槽连接端口处。所述第一波导23、第二波导24光学长度之和与第三波导33、第 四波导34光学长度之和不相等，这样得到的法布里_珀罗谐振腔2和另一个法布里-珀罗 谐振腔3的反射谱分布不同。由公式(4)可知，法布里_珀罗谐振腔2的频谱间隔为(10)其中Ip I2分别为第一波导23和第二波导24的光学长度，c为真空中的光速。另一个法布里_珀罗谐振腔3的频谱间隔为(11)其中13、I4分别为第三波导33和第四波导34的光学长度。通过选择第一波导23，第二波导24光学长度之和与第三波导33，第四波导34光 学长度之和不同，使得八&与Af2存在差别。此时，激光器只有在两个法布里-珀罗谐振 腔的反射峰重合处，才能得到足够的反馈，从而在该波长满足激光阈值条件。如图2所示，
两个谐振腔串联后，反射谱上相邻反射峰之间的间距为 _2] (12) 由于放大因子Af2/| Af1-Af2的存在，双法布里-珀罗谐振腔半导体激光器比 单法布里-珀罗谐振腔的自由光谱范围要大。在有源波导的增益范围内，可以保证两个法布里-珀罗谐振腔只有一个反射峰重合，半导体激光器单纵模运转。通过改变其中一个或 两个法布里_珀罗谐振腔的光学长度，可以实现激光器输出波长的大范围调谐。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和 权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
权利要求
一种空气槽分束法布里 珀罗谐振腔耦合激光器，它包括一个提供增益的有源波导(1)，一个产生梳状反射谱的法布里 珀罗谐振腔(2)和一个反射镜(5)；其特征在于所述法布里 珀罗谐振腔(2)是由一个与有源波导(1)倾斜为30°～70°的、里面填充空气或低折射率介质的、用于将有源波导(1)内产生的光部分透射进法布里 珀罗谐振腔(2)的、未被透射的光部分反射损失掉的空气槽(21)，第一波导(23)，第二波导(24)，第一高反镜(25)和第二高反镜(26)组成；第一波导(23)与有源波导(1)同轴放置，分别位于空气槽(21)的两侧；第二波导(24)和第一波导(23)与空气槽(21)之间夹角相等，位于空气槽(21)同侧；第二波导(24)与空气槽(21)的连接端口和第一波导(23)与空气槽(21)的连接端口部分重合；第一高反镜(25)和第二高反镜(26)分别设置于第一波导(23)和第二波导(24)的非空气槽连接端口处。
2.根据权利要求1所述的一种空气槽分束法布里_珀罗谐振腔耦合激光器，其特征在 于所述第一波导(23)，第二波导(24)全部或部分覆盖有可改变其光学长度从而改变反 射峰位置输出波长的一体的调谐电极(27)；有源波导(1)部分区域覆盖有相位匹配电极(II)。
3.根据权利要求1所述的一种空气槽分束法布里_珀罗谐振腔耦合激光器，其特征在 于所述第二波导(24)全部或部分覆盖有可改变其光学长度从而改变反射峰位置输出波 长的第二波导调谐电极(28)；第一波导(23)与第二波导(24)的光学长度之和与有源波导 (1)与第一波导(21)的光学长度之和不相等。
4.根据权利要求1所述的一种空气槽分束法布里_珀罗谐振腔耦合激光器，其特征在 于所述第一高反镜(25)和第二高反镜(26)镜面上均镀有高反射膜。
5.一种空气槽分束法布里_珀罗谐振腔耦合激光器，它包括一个提供增益的有源波导 (1)，一个产生梳状反射谱的法布里-珀罗谐振腔(2)，另一个产生梳状反射谱的法布里-珀 罗谐振腔(3)和输出波导(4)；其特征在于所述法布里-珀罗谐振腔(2)是由一个与有源 波导(1)倾斜为30° 70°的、里面填充空气或低折射率介质的、用于将有源波导(1)内 产生的光部分透射进法布里-珀罗谐振腔(2)的、未被透射的光部分反射损失掉的空气槽 (21)，第一波导(23)，第二波导(24)，第一高反镜(25)和第二高反镜(26)组成；第一波导 (23)与有源波导(1)同轴放置，分别位于空气槽(21)的两侧；第二波导(24)和第一波导 (23)与空气槽(21)之间夹角相等，位于空气槽(21)同侧；第二波导⑷与空气槽(21)的 连接端口和第一波导(23)与空气槽(21)的连接端口部分重合；第一高反镜(25)和第二高 反镜(26)分别位于第一波导(23)和第二波导(24)的非空气槽连接端口处；所述输出波导 ⑷和有源波导⑴与空气槽(21)之间夹角相等，位于空气槽(21)同侧；输出波导⑷与 空气槽(21)连接端口和有源波导(1)与空气槽(21)连接端口部分重合；所述另一个法布 里-珀罗谐振腔(3)位于有源波导(1)与法布里-珀罗谐振腔(2)连接端口的另一端；所 述另一个法布里-珀罗谐振腔(3)是由一个与有源波导(1)倾斜为30° 70°的、里面填 充空气或低折射率介质的、用于将有源波导(1)内产生的光部分透射进另一个法布里-珀 罗谐振腔(3)的、未被透射的光部分反射损失掉的另一个空气槽(31)，第三波导(33)，第四 波导(34)，第三高反镜(35)和第四高反镜(36)组成；第三波导(33)与有源波导(1)同轴 放置，分别位于另一个空气槽(31)的两侧；第四波导(34)和第三波导(33)与另一个空气 槽(31)之间夹角相等，位于另一个空气槽(31)同侧；第三波导(33)与另一个空气槽(31)连接端口和第四波导(34)与另一个空气槽(31)连接端口部分重合；第三高反镜(35)和第 四高反镜(36)分别位于第三波导(33)和第四波导(34)的非空气槽连接端口处；所述第一 波导(23)、第二波导(24)光学长度之和与第三波导(33)、第四波导(34)光学长度之和不相等。
6.根据权利要求5所述的一种空气槽分束法布里_珀罗谐振腔耦合激光器，其特征在 于所述第一高反镜(25)、第二高反镜(26)、第三高反镜(35)和第四高反镜(36)镜面上均 镀有高反射膜。
全文摘要
本发明公开了一种空气槽分束法布里-珀罗谐振腔耦合激光器。法布里-珀罗谐振腔是由与有源波导倾斜、可填充介质的空气槽，两个波导和两个高反镜组成；一个波导与有源波导同轴分别位于空气槽的两侧；两个波导与空气槽之间夹角相等，位于空气槽同侧，并与空气槽连接端口处部分重合；高反镜分别设置于两个波导的非空气槽连接端口。或者再在两个波导上覆盖调谐电极和在有源波导覆盖相位匹配电极。本发明通过空气槽对光的反射和透射进行分束。附加两根波导构成法布里-珀罗谐振腔进行选模，具有自由光谱范围大且制造难度低。通过调节波导的光学长度，可对激光器输出波长大范围调谐。这种激光器可单纵模运转。
文档编号H01S5/10GK101976799SQ20101029536
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者何建军, 张璇, 王磊 申请人:浙江大学