波长可调谐外腔激光器及可调光发射模块的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种激光发射器件，尤其涉及一种波长可调谐外腔激光器以及可调光发射模块的实现方法，具体地说，涉及一种混合集成的基于硅基波导微环的外腔可调激光器。该激光器可用于多波长光通信网以及相干光通信系统。
【背景技术】
[0002]外腔可调激光器因具有窄线宽(小于10kHz)、优良的边摸抑制比(大于45dB)、宽波长调谐范围(大于40nm)等特性已成为lOOGbit/s及以上相干波分光通信系统发送端光源和接收端本振激光器的主流选择。
[0003]另夕卜，在使用波分复用无源光网络(Wavelength divis1nmultiplexing-passive optical network, WDM-PON)以及混合时分-波分复用无源光网络(Time and wavelength divis1n multiplexing-passive optical network TWDM-PON)技术的接入网业务中同样需要使用多波长可调谐的光发送模块。
[0004]随着用户对模块尺寸和功耗的要求愈发严苛，采用混合集成或者集成方案的光模块因为能够在保证发射性能的基础上有效地降低功耗，缩小器件及模块尺寸而受到了广泛关注。特别是近几年，硅基光电芯片技术由于具有和CMOS工艺兼容的特点正在光通信领域得到前所未有的重视，已经逐渐从实验室阶段往商用转换。由于硅属于间接带隙材料，本身很难产生激光，因此如果使用硅基光电技术制作激光器，则一般是使用三五族半导体增益芯片和硅基芯片的混合集成的方式。
[0005]中国专利申请公布文件CN 103904555A中公开了一种可用于TWDM-PON系统的可调激光器以及实现可调激光器的方法。其中，FP(法布里波罗)激光器输出的多纵模激光信号进入微环滤波器，调整微环谐振频率与FP输出多纵模相匹配，并将该所选纵模的光信号分两路，一路输入FP激光器进行注入锁定锁模，另一路作为输出光信号。但是该类型激光器的输出光信号波长由FP激光器自由光谱范围决定，与ITU-T规定的波长通道值难以精确对准；采用注入锁定方案所产生的多FP腔效应在光功率稳定性上也存在问题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是通过一种尽可能简单的结构，实现一种既具有宽波长范围多通道调谐功能，同时又具有单通道光信号窄线宽和低的强度和相位噪声特性的可调激光器技术。
[0007]本发明的目的是这样实现的:
[0008]1、半导体光放大器芯片提供宽带增益，对外腔优选反馈的纵模提供放大。根据不同的应用可选择性地在芯片另一侧提供稳定的单纵模光信号输出。
[0009]2、栅格滤波器与微环滤波器组合成的可调滤波器，通过游标效应实现需要的波长所对应外腔纵模选择反馈。
[0010]3、光路中加入可调的相位元件实现波长的精确对准以及波长锁定功能实施。
[0011]4、微环滤波器通过透镜耦合实现管芯与硅基芯片波导模斑的匹配，保证自由空间光到波导传输的低损耗。
[0012]5、硅基芯片上的MZI—端可以作为调制后的光信号输出，实现了激光器与调制器的集成。
[0013]本发明提供了一种波长可调谐外腔激光器，包括半导体光放大器芯片和激光器外腔，所述激光器外腔包括栅格滤波器、相位调整器和硅基微环芯片；其中，所述栅格滤波器与所述硅基微环芯片组成并一个波长可调谐的光滤波器，通过所述栅格滤波器和/或所述硅基微环芯片的谱线调谐来实现其所组成的光滤波器的波长调谐。
[0014]在上述技术方案中，所述半导体光放大器芯片在注入电流后产生受激辐射，所述半导体光放大器芯片的出光端面一端镀AR膜、另一端镀HR膜，其增益区为斜直线波导或者弧线波导的半导体增益放大器。
[0015]在上述技术方案中，所述半导体光放大器芯片是两端都镀反射膜的激光管芯。
[0016]在上述技术方案中，所述栅格滤波器为固定栅格滤波器或可调栅格滤波器。
[0017]在上述技术方案中，所述硅基微环芯片和所述相位调整器之间通过第一透镜进行耦合；所述半导体光放大器芯片和栅格滤波器之间通过第二透镜进行耦合。
[0018]在上述技术方案中，所述栅格滤波器的自由光谱范围(Free spectral range，FSR)为25GHz、50GHz或者其它DWDM的通道间隔频率。
[0019]在上述技术方案中，所述相位调整器为是带热调和/或电调功能的改变光程的光学元件。
[0020]在上述技术方案中，所述栅格滤波器是法布里波罗栅格滤波器，所述法布里波罗栅格滤波器为带温度探测和区域加热金属薄膜的硅标准具，用于形成固定的栅格周期谱线。
[0021]在上述技术方案中，所述硅基微环芯片包括分束耦合器和微环环形波导；所述分束親合器公共端作为親合入光口和谐振后回光出口、分束親合器的两个分光光口与微环环形波导的一侧的两个端口相接，该两端口任意一个与另一个互为drop端与in端。
[0022]在上述技术方案中，所述微环环形波导中设置有实现自由载流子浓度控制的结构，利用硅的等离子色散效应实现所述微环环形波导谐振峰的调谐；和/或，所述微环环形波导周围设置有加热薄膜电阻，通过改变所述微环环形波导的温度实现所述微环环形波导谐振峰的调谐。
[0023]在上述技术方案中，所述硅基微环芯片包括第一分束耦合器、微环环形波导、第二分束耦合器和硅基MZI调制器；产生的激光从第一分束耦合器进入微环环形波导后由微环环形波导的两个through端输出，两路光信号经第二分束耦合器合波后进入MZI调制器，调制后的激光在MZI调制器的后端输出。
[0024]在上述技术方案中，所述微环环形波导和MZI调制器中设置有实现自由载流子浓度控制的结构，利用硅的等离子色散效应实现所述微环环形波导谐振峰的调谐和MZI调制器的强度调制；和/或，所述微环环形波导和MZI调制器周围设置有加热薄膜电阻，通过改变所述微环环形波导和MZI调制器的温度可以分别实现所述微环环形波导谐振峰和MZI调制器偏置工作点的调谐。
[0025]本发明具有以下优点和积极效果:
[0026]①混合集成的硅基微环的外腔可调谐激光器相比于其他自由空间光学方案，具有同等优良的输出特性以及调谐范围特性外，还易于集成其他功能，该方案拓展了外腔可调谐激光器的应用范围。
[0027]②采用微环滤波器实现可调谐功能，可以在传统的外腔激光器制造工艺上直接升级换代。
[0028]③微环滤波器和调制器等核心元件采用传统集成电路的CMOS工艺制备，具有成本低廉、成品率尚、易于批量制作等优点。
[0029]④硅基制作的波导器件尺寸小，相应的调谐功耗低，有利于小型化的光模块制作。具有广阔的应用前景。
【附图说明】
[0030]图1一根据本发明设计的微环滤波器与栅格滤波器的谱线关系示意。
[0031]图2—根据本发明设计的微环滤波器与栅格滤波器合成的滤波器选模的原理性示
O
[0032]图3—根据本发明设计的硅基外腔可调谐激光器的实施例。
[0033]图4一根据本发明设计的集成外调制器的可调谐发送模块的光路结构图。
[0034]图5—根据本发明设计的硅基外腔可调谐激光器的又一实施例。
[0035]图6—根据本发明设计所实施例的实测眼图。
[0036]其中:
[0037]I一硅基微环芯片；
[0038]2—微环环形波导
[0039]3—加热电阻
[0040]4—1X2的分束親合器；
[0041]5—透镜；
[0042]6—相位调整器
[0043]7—法布里波罗栅格滤波器；
[0044]8—外腔耦合透镜
[0045]9一半导体光放大器芯片；
[0046]1—输出端透镜；
[0047]11—光隔离器；
[0048]12—光电探测器；
[0049]13—分光片；
[0050]14—准直器；
[0051]15一1X2的分束親合器
[0052]16—MZI 调制器
【具体实施方式】
[0053]下面结合附图和实施例进一步说明。
[0054]图3为硅基外腔可调谐激光器的一个具体实施实例，该硅基外腔可调谐激光器包含有半导体光放大器芯片9，注入电流后产生受激辐射；法布里波罗栅格滤波器7、相位调整器6和硅基微环芯片I共同构成了激光器的外腔，硅基微环芯片I与半导体光放大器芯片9的左侧端面为该激光器的两个反馈端面。
[0055]该半导体光放大器芯片9的出光端面一端镀AR膜、另一端镀HR模，其增益区为斜直线波导或者弧线波导的半导体增益放大器。
[0056]该相位调整器6是带热调和/或电调功能的改变光程的光学元件。
[0057]光隔离器11，阻止输出光路上的端面反射光；分光片13、光电探测器12和准直器14构成该硅基外腔可调谐激光器的耦合输出部分。硅基微环芯片I和相位调整器6之间设置有透镜5，半导体光放大器芯片9两端分别设置有外腔耦合透镜8和输出端透镜10，以进行光路耦合对准。半导体光放大器芯片9右侧端面的出射光线通过外腔耦合透镜8准直后依次经过法布里波罗栅格滤波器7、相位调整器6后经透镜5聚焦耦合进硅基微环芯片1，光经硅基微环芯片I的微环环形波导2自环反射后沿输入路径返回至半导体光放大器芯片9，反馈光又经半导体光放大器的左侧端面反射，进而构成了