基于微环的提升光源抗反射的方法

本发明涉及半导体激光器的技术领域，尤其涉及一种基于微环的提升光源抗反射的方法，主要用在多芯片混合封装中提升光源抗反射能力。

背景技术：

半导体激光器作为一种小型光源被广泛应用于硅基系统中。半导体激光器的输出特性对于外部反射极为敏感，不稳定的外部反射会使得激光器的相位稳定性劣化，输出光功率波动。更强的外部反射则会进一步导致激光器进入多模态、混沌态。对于集成光子系统来说，由于片上内部反射造成的光源性能劣化则会导致噪声增加，限制了大规模光子系统的应用。

硅光系统中的片内反射难以避免，由于光刻工艺精度限制，制作的波导侧壁粗糙度会造成背向散射并耦合进输入波导，这一现象已经被广泛地在实验中观测到。片上其他功能性结构也会造成反射，例如在多模干涉仪(multimodeinterference,mmi)中，由于输入端分束的两光场分布的强度不平衡和相位不平衡，由模式自在现导致的“自谐振模”会造成约10^-4·|r|²倍的反射功率，其中r为两光场分布强度。若mmi作为功率分配器使用，则相位不平衡性会导致严重的背向反射。

对于片上可能存在的各种内部反射，目前主要的解决思路是设计一种二端口非互易的片上隔离器。这种方法类似于体隔离器，在硅晶圆上键合磁光材料，在磁化条件下实现单向传输。这种键合工艺并不与cmos工艺兼容，提高了器件制备成本。也有的研究利用非线性现象，例如在宇称-时间对称(parity-time-symmetric)的回音壁模式谐振腔(whisperinggallerymode,wgm)中实现非互易的光传输，实现了一种四端口的单向光传输隔离器。然而实现pt对称的实现条件极为苛刻，对制备工艺有极高的要求，器件实现难度很大。总而言之，在片上实现一种同时满足高隔离度和低插损的光隔离器，目前为止还很难做到。

技术实现要素：

为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种基于微环的提升光源抗反射的方法，其针对于光源对外部反射具有容忍性，可应用于任何光子集成平台，可用于大规模的多芯片集成系统，避免为了制作光隔离器而引入异质集成、晶圆键合、磁化条件等其他制备工艺。

本发明的技术方案是：这种基于微环的提升光源抗反射的方法，在原有的硅基光子芯片结构前增加一个微环结构，该微环结构与激光器采用端面水平直接耦合连接；通过多模干涉器将微环结构的drop端口和input端口连接起来形成直波导；微环结构的through端口作为输出端口与其他片上光链路结构连接；由于该微环结构，激光器工作在自注入锁定状态，同时由through端反馈回的反射光被滤除。

本发明针对于片上光源，利用外腔的反馈自注入，使光源进入自注入锁定状态，对外部反射具有容忍性。同时自注入锁定状态下谐振腔在激光输出波长附近谐振，对于谐振腔外部的背向反射具有滤波衰减作用，进一步增加了光源的反射容忍度。这一具有反馈注入的微环谐振腔可应用与任何光子集成平台，在微环谐振腔输出端口后可继续设计其他任何片上光波导结构，不影响光子系统的功能，使得其可用于大规模的多芯片集成系统，避免为了制作光隔离器而引入异质集成、晶圆键合、磁化条件等其他制备工艺。

附图说明

图1示出了根据本发明的基于微环的提升光源抗反射的方法的示意图。

图2示出了微环结构的示意图，其中图2(1)是传统微环结构，图2(2)是自注入微环谐振腔。

图3示出了微环through透射谱测量点和拟合曲线，drop端反射谱示意图。

图4示出了片上隔离方法的测试方案。

图5示出了反射率与输出光谱smsr关系。

其中：

1-微环结构2-半导体激光器3-激光器与硅光芯片耦合端面4-硅光芯片与单模光纤耦合端面5-单模光纤6-光纤环形器7-光谱仪8-可调光衰减器9-微环drop端10-微环add端11-微环input端12-微环through端13-相位热调电极14-1×2多模干涉器15-微环热调电极16-微环输出端口

具体实施方式

本发明提出的基于外腔自注入锁定的片上隔离方案可以有效的抵抗片上内部结构的背向反射。在小于激光器输出功率-4.31db，即小于输出光功率的37.1％时，激光器单模工作状态不受影响，本方案的片上背向反射功率容忍度即为37.1％。这一结果可以应用在较高损耗的硅基波导平台，以及具有背向散射风险的片上结构中，保护激光器免受反射光影响，有利于大规模光子集成系统的应用。

如图1所示，这种基于微环的提升光源抗反射的方法，在原有的硅基光子芯片结构前增加一个微环结构，该微环结构与激光器采用端面水平直接耦合连接；通过多模干涉器将微环结构的drop端口和input端口连接起来形成直波导；微环结构的through端口作为输出端口与其他片上光链路结构连接；由于该微环结构，激光器工作在自注入锁定状态，同时由through端反馈回的反射光被滤除。

本发明针对于片上光源，利用外腔的反馈自注入，使光源进入自注入锁定状态，对外部反射具有容忍性。同时自注入锁定状态下谐振腔在激光输出波长附近谐振，对于谐振腔外部的背向反射具有滤波衰减作用，进一步增加了光源的反射容忍度。这一具有反馈注入的微环谐振腔可应用于任何光子集成平台，在微环谐振腔输出端口后可继续设计其他任何片上光波导结构，不影响光子系统的功能，使得其可用于大规模的多芯片集成系统，避免为了制作光隔离器而引入异质集成、晶圆键合、磁化条件等其他制备工艺。

优选地，在所述直波导部分的上方和微环上方均设置热调电极。

优选地，所述微环结构和激光器端面耦合的直波导部分设计一段宽度渐变的锥形波导作为模斑变换器。

优选地，将所述微环结构与dfb半导体激光器耦合，调节热调电极使dfb工作在自注入锁定状态，实现低噪声单纵模的稳定输出，并提高光源抗反射能力。

优选地，所述多模干涉器为1×2多模干涉器。

以下更详细地说明本发明。

本发明以dfb激光器和硅基氮化硅微环谐振腔为例进行说明，光源隔离方案如图1。

为了提供反馈自注入，微环谐振腔的input端口和drop端口使用mmi连接起来，外腔谐振器与dfb激光器在本例中采用直接对准耦合，端面1为接触端面，考虑到激光器和波导的端面处理精度，端面1往往会有1um的空气间隙，会形成空气fp腔，造成端面反射。由于耦合后，相对位置固定，此空气fp腔的长度和结构被固定下来，连同片上硅基微环谐振腔共同组成复合腔。此端面的反射由于是固定结构外腔，并不会形成不稳定反射，这种反射与我们需要隔离的微环外的片内背向反射不同。

激光器与和微环谐振腔共同构成了光源隔离方案，这一结构能够大大提升微环输出后的片内反射光强容忍度。本结构应用于系统级集成光子系统中，图1中微环输出后为其他片上结构，这些结构可以包括无源的调制器、滤波器、延迟线，也可以包括有源的探测器等等。在硅光芯片的输出端一般采用透镜或其他方式将光束耦合进单模光纤，耦合过程中形成的端面反射一并汇同片上其他结构的背向反射耦合进微环的输出端。由于微环自注入锁定的作用，这一反射光将不能影响dfb激光器的自注入锁定状态，激光器的性能和工作状态将不受片上系统的内部反射影响。

对于传统的硅基光子系统来说，在光源和功能性系统结构中间设计一种自注入谐振腔即可保护激光器免受片上系统的内部反射影响，这是一种基于原有系统的改进，无需增加额外工艺，无需增加额外器件，仅仅需要设计一个结构，具有简单、低成本的优势。

常见微环结构如图2(1)所示，由input端口注入，through端口输出。为了使drop端口的反馈光注入到激光器中，设计微环结构如图2(2)，使用多模干涉器将drop端何input端口连接起来。激光器输出光从直波导进入，经过多模干涉器后分为两部分，分别经过微环后从另一端注入回激光器。另外，为了调谐微环谐振波长和外腔的相位匹配，还在直波导上方和微环上方设计了热调电极，在图2(2)中用灰色部分表示。此外，和激光器端面耦合部分设计了一段宽度渐变锥形波导作为模斑变换器用以提升激光器和微环的耦合效率。理论和实验结果表明，耦合效率的改善，提高了激光器自注入反馈效率，提高了激光器抗反射能力。

这样一个反馈自注入的微环被用来作为半导体激光器外腔，用以降低激光器噪声，抑制线宽。将其于fp半导体激光器耦合，利用“游标卡尺效应”(verniereffect),其构成的复合腔可以实现窄线宽单纵模输出。也有使用多级微环级联与半导体光放大器(osa)耦合实现单模震荡输出并表现出窄线宽可调谐特性。

以上提出的半导体激光器或半导体光放大器与微环谐振器耦合，用于构成复合腔，实现单模激射，抑制半导体激光器自发辐射噪声，抑制本征线宽。本发明则提出半导体激光器与微环谐振腔耦合除上述用途之外，还具有提高激光器抗反射能力的作用。这一用途可以在已经设计好的光链路前端设计一个额外的微环谐振腔，并将其与半导体激光耦合。通过调谐微环谐振腔谐振波长和相位后，激光器进入自注入锁定状态，此时除了表现出上述窄线宽、低噪声、稳定单模输出特性以外，还提升了半导体激光器的抗外部反射能力。此时由于微环后片上其他光链路的内部反射，和外部光纤反射都不会影响锁定态下的激光器单纵模工作状态。

基于外腔自注入锁定的原理早在上世纪就已经被详细分析过，稳定的外腔自注入可以抑制激光器自发辐射噪声，缩窄洛伦兹线宽，降低rin(relativeintensitynoise)等众多好处，然而很少有文献报道这一基于反馈自注入锁定的激光器还具有良好的抗反射特性。本发明则在理论上说明并实验证明了在自注入锁定态下，激光器的单模输出状态对于外部反射有很好的抗干扰作用。图3显示微环through端和drop端在1550nm附近归一化输出光谱图，其中黄色点为through端测量输出光谱，蓝色曲线为根据测量点拟合曲线，紫色曲线为根据拟合参数做出的相应drop端输出光谱。

通过调谐微环和相位上的热调电极，使激光器工作在自注入锁定状态，工作频率应当在图3中的a点(through端透射谱)，和b点(drop端反射谱)，设该工作点频率为ν0，则该工作频率的透射谱强度为t(v0)(a点)，反射谱强度为r(ν0)(b点)，设微环外部反射率为rext，由lang-kobayashi(lk)方程可解得临界外部反射率为：

其中，kc为反馈强度k的最小值，是连续波激射激光器变为不稳定状态的临界值，该值为：

γr为外腔激光器的弛豫震荡阻尼因子，由下式给出：

其中τe为载流子寿命，约为1ns，g为差分增益，约为8.5·10^-17cm²，αm为总损耗，其中包含有源介质损耗和端面耦合损耗，外腔传输损耗。ηi为内量子效率，约为0.76.ibias和ith分别为偏置电流和阈值电流，v则为有源区体积，约为1.5·10^-16m³，根据图3拟合出的t(v0)和r(v0)，可计算出rext约为-3.2db。为了提高临界反馈强度rext，则需要提升阻尼系数γr，而阻尼系数受损耗αm影响。减小端面耦合损耗，降低外腔波导损耗是提高临界反馈率的关键因素之一。同时这一结论也与注入锁定相吻合，外腔激光器提高注入强度即减小端面耦合损耗，降低波导损耗提高q值则有助于减小外腔激光器的输出洛伦兹线宽。这对于片上谐振器的设计给出了一些思路，对于fp外腔、微环谐振腔，需要降低损耗，提高q值，提升腔内存储光强度，降低激光器和外腔之间的端面损耗，提升外腔等效腔长等。

为了模拟片上其他结构的背向反射光，设计测试方案如图4。相较于图1，微环输出后直接耦合进单模光纤，并外接环形器，将环形器的端口1和端口3连接用以模拟图1中的片上其他器件结构造成的背向反射。光衰减器控制反射光功率。本次实验估计芯片与光纤直接耦合(端面2处)的透镜耦合损耗约为-1.5db，下文的反射光功率一律为考虑耦合损耗后的注入微环内功率。

抗反射特性建立在强自注入锁定基础之上，首先需要调谐微环和直波导上的热调电极，使其进入锁定态。通常，可以从几个方面判定是自注入锁定态：(1)激光器表现为稳定的单模窄线宽输出。(2)输出功率相较于自由状态有几个db的下降。(3)表现有明显的迟滞效应。依据以上判断，实验调谐激光器(1)输出洛伦兹线宽为2khz@3db(20km延迟自外差测量方法)。(2)输出功率0.63dbm相较于自由状态输出功率2.21dbm有1.58db的下降。(3)调谐过程中从多模态-混沌态-锁定态，有明显迟滞效应。以上表明激光器进入锁定态，在此基础上调节光衰减器，测试抗反射性能。

反馈注入功率相较于输出功率的比值为外部反馈率rext，光谱仪测量输出光谱的边模抑制比(smsr,side-modesuppressionratio)作为抗反射性能的参考指标，如图5(1)。对于锁定状态，在c点之前，即反射率小于-4.31db(反射功率小于37.1％)时，smsr都保持在43db以上，均为单模工作，输出光谱如图5(2)中c图。大于-4.31db的反射率，则输出跳变到多模态，此时由于外部无序注入光强干扰，激光器有源区出现多个谐振模式，无法工作在单模状态，如图5(1)中d点，其输出光谱如图5(2)中(d)图。为了对比无自注入状态时反射容忍性，将激光器调谐到自由工作状态，此时有最大输出光功率，为2.21dbm，且无窄线宽特征。此时重复上述实验，得到图5(1)中自由状态下曲线。其在多模态跳变前后的输出光谱如图5(2)中的(a)(b)图，分别对应图中(a)(b)点。自由状态下的反射容忍度为-19.71db,即反射光功率小于1.1％才能维持单模态工作。本文提出的自注入锁定的抗反射方案，将背向反射容忍度由-19.71db提升至-4.31db，提升15.4db，这一结果足够保护混合封装中光源免受外部反射的干扰，使系统可稳定工作。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。