用于扩展C波段可调谐激光器的边模抑制的制作方法

用于扩展c波段可调谐激光器的边模抑制
技术领域
1.本发明涉及光通信技术。更具体地，本发明提供了一种抑制基于具有扩展c波段的反射式半导体光放大器的波长可调谐激光器的边模的方法、一种用于具有边模抑制的扩展c波段上的可调谐激光器的反射式半导体光放大器的增益芯片、以及一种具有该增益芯片的波长可调谐激光器。


背景技术：

2.在过去的几十年中，通信网络的使用呈爆炸式增长。在早期的互联网中，流行的应用仅限于电子邮件、公告板，并且大多是信息性和基于文本的网页浏览，并且所传输的数据量通常相对较小。今天，互联网和移动应用需要大量带宽来传输照片、视频、音乐和其他多媒体文件。例如，如facebook等社交网络每天处理超过500tb的数据。由于对数据和数据传输的要求如此高，需要改进现存数据通信系统来满足这些需求。
3.现有单模光纤上的40-gbit/s并且然后是100-gbit/s数据速率宽带dwdm(密集波分复用)光传输是下一代光纤通信网络的目标。芯片级宽带波长可调谐激光器在诸如宽带dwdm通信和波长控制光检测和测距(lidar)感测等很多应用中备受关注。最近，光学元件被集成在硅(si)衬底上以用于制造与微电子芯片共存的大规模光子集成电路。包括滤波器、(解)复用器、分路器、调制器和光电探测器在内的全系列光子组件都已经得到展示，主要是在绝缘体上硅(soi)平台中。soi平台特别适用于1300nm和1550nm的标准wdm通信频段，因为硅(n＝3.48)及其氧化物sio2(n＝1.44)都是透射性的，并且形成非常适合于中高集成度的硅光子集成电路(spic)的高指数对比度、高限制波导。
4.硅光子学平台中的波长可调谐半导体激光器已经被实现为用于宽带光纤通信的很多应用的关键元件，其中光谱效率得到提高。诸如相移键控(psk)和正交幅度调制(qam)等各种频谱高效的调制格式不依赖于相当复杂的光学锁相环。然而，存在技术挑战，诸如在硅光子学平台下制作小尺寸的可调谐滤波器的vernier环，以在基于反射式半导体光放大器的扩展宽带波长可调谐激光器中扩大自由光谱范围并且具有足够边模抑制比。因此，需要改进的技术和方法。


技术实现要素：

5.本发明涉及光通信技术。更具体地，本发明提供了一种扩展c波段上的波长可调谐激光器的干涉光谱的边模抑制方法、一种具有用于抑制长波长边模的降低的反射率和用于抑制短波长边模的具有额外损耗的修正增益曲线的被配置为从高反射率(hr)刻面射出激光的反射式半导体光放大器的增益芯片、一种具有用于用扩展c波段上的光波长来调谐从同一增益芯片发射的激光的vernier环反射器调谐器的波长可调谐激光器，尽管其他应用也是可能的。
6.在一个实施例中，本发明提供了一种用于改进宽带波长可调谐激光器的方法。该方法包括纵向地关于第一刻面与第二刻面之间的增益区域并且横向地关于p型包覆层与n
型包覆层之间的具有有源层的pn结来配置增益芯片。该方法还包括将在有源层中激发、并且至少部分地从第二刻面反射以穿过第一刻面的光耦合到波长调谐器，波长调谐器被配置为在由联合自由光谱范围(jfsr)分离的隔离的光谱峰值中生成具有多个模式的联合干涉光谱。此外，该方法包括将第二刻面配置为对于从基模jfsr峰值增加到长波长边模jfsr峰值的波长具有降低的光反射率。此外，该方法包括重新配置增益芯片以具有吸收层，以针对比最长波长短的波长引入增益损耗，该最长波长与短波长边模jfsr峰值相关联，所述吸收层被设置在n型包覆层中，位于有源层附近。此外，该方法包括放大在增益芯片中在基模jfsr峰值处的光。
7.在备选实施例中，本发明提供了一种用于宽带波长可调谐激光器的反射式半导体光放大器的增益芯片。增益芯片包括增益区域，该增益区域纵向配置为第一刻面与第二刻面之间的线性脊形波导并且横向配置为p型包覆层和n型包覆层的pn结。增益芯片还包括有源层，该有源层形成在p型包覆层与n型包覆层之间并且被配置为激发光。此外，增益芯片包括吸收层，该吸收层在n型包覆层中，位于有源层附近，并且具有重叠的能量分布，以针对比预定值短的波长在光的增益曲线中引入额外损耗。增益芯片还包括被配置在第一刻面处的抗反射光学特征。此外，增益芯片包括被配置在第二刻面处的部分反射光学特征。此外，在有源层中激发的光在第二刻面处被部分反射并且穿过第一刻面进入波长调谐器，波长调谐器在由联合自由光谱范围(jfsr)分离的隔离的光谱峰值中生成具有多个模式的联合干涉光谱。多个模式的基模jfsr峰值由波长调谐器在宽带波长上调谐，并且在作为激光光离开之前在增益区域中被放大，而长波长边模jfsr峰值和短波长jfsr峰值被抑制。
8.在又一备选实施例中，本发明提供了一种波长可调谐半导体激光器。该波长可调谐半导体激光器包括增益芯片，该增益芯片包括增益区域，该增益区域纵向配置为具有抗反射特征的第一刻面与对于较长波长具有降低的光反射率的具有低反射特征的第二刻面之间的线性波导，并且横向配置为包括p型包覆层与n型包覆层之间的用于激发光的有源层的pn结。波长可调谐半导体激光器还包括在n型包覆层中形成在有源层附近的吸收层，以在增益区域中的光的增益曲线中引入额外损耗。此外，波长可调谐半导体激光器包括波长调谐器，该波长调谐器形成在硅光子衬底中并且耦合到第一刻面以接收从第二刻面部分反射的光。此外，波长可调谐半导体激光器包括耦合到波长调谐器的反射器，以将光反射回扩展腔中的增益区域，以生成具有由联合自由光谱范围(jfsr)分隔的多个模式的联合干涉光谱。此外，jfsr峰值的多个模式中的光包括基模，该模式通过波长调谐器在从约1526nm到约1568nm的扩展c波段中可调谐，并且在扩展腔中放大，然后经由第二刻面射出，而长波长边模通过对于在第二刻面处提供的较长波长具有降低反射率的低反射特征而被抑制，而短波长边模则通过由吸收层引入的增益曲线中的额外损耗而被抑制。
9.在又一备选实施例中，本发明提供了一种波长可调谐半导体激光器。该波长可调谐半导体激光器包括第一增益芯片，该第一增益芯片包括第一增益区域，该第一增益区域纵向配置为具有抗反射特征的第一刻面与具有高反射特征但对于比扩展c波段的高端更长的特定波长具有光反射率下降的第二刻面之间的线性波导，并且横向配置为包括p型包覆层与n型包覆层之间的用于激发光的有源层的pn结。波长可调谐半导体激光器还包括在n型包覆层中形成在有源层附近的吸收层，以在第一增益区域中的光的增益曲线中引入额外损耗。此外，波长可调谐半导体激光器包括波长调谐器，该波长调谐器形成在硅光子衬底中并
且耦合到第一刻面以接收从第二刻面反射的光，以在第一增益区域与第二刻面形成扩展腔，以生成具有由联合自由光谱范围(jfsr)分隔的多个模式的联合干涉光谱。波长调谐器被配置为在jfsr峰值的多个模式下调谐基模的波长，而长波长边模通过对于在第二刻面处提供的较长波长具有降低反射率的低反射特征而被抑制，而短波长边模则通过由吸收层引入的增益曲线中的额外损耗而被抑制。此外，波长可调谐半导体激光器包括波长锁定器，该波长锁定器耦合到波长调谐器，以接收在从约1526nm到约1568nm的扩展c波段中的、由波长调谐器调谐的基模的波长的光，并且微调和锁定该波长。此外，波长可调谐半导体激光器包括耦合到更远离第一增益芯片的波长锁定器的激光出口端口，以射出具有该波长的光。可选地，激光出口端口耦合到半导体光放大器的第二增益芯片的刻面，半导体光放大器耦合到波长锁定器。
10.本发明在具有波长调谐器的波长可调谐激光器的已知技术的上下文中实现了这些优点和其他优点，波长调谐器可选地包括反射器、波长锁定器和半导体光放大器。然而，通过参考说明书的后面部分和附图，可以实现对本发明的本质和优点的进一步理解。
附图说明
11.以下图示仅为示例，不应当过度限制本文中的权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到很多其他变化、修改和备选。还应当理解，本文中描述的示例和实施例仅用于说明目的，本领域技术人员将根据其提出的各种修改或变化将被包括在本方法的精神和范围内以及所附权利要求的范围内。
12.图1是根据本发明的实施例的基于与波长调谐器加反射器耦合的反射式半导体光放大器的可调谐激光器的示意图；
13.图2示出了根据本发明的实施例的来自基于与反射器耦合的两个vernier环的波长调谐器的个体和联合反射光谱的图；
14.图3是根据本发明的实施例的在c波段中具有可调谐波长的激光光谱的示例图；
15.图4是根据本发明的实施例的(a)具有高反射(hr)刻面和抗反射(ar)刻面的增益区域的俯视图和(b)具有有源层和吸收层的增益区域的截面图的简化图；
16.图5是根据本发明的实施例的(a)图4的增益区域的有源层周围的能量密度的空间分布的横截面图和(b)沿y方向与增益区域的有源层交叉的能量密度的竖直分布的图；
17.图6示出了根据本发明的具体实施例的1)具有jfsr＝85nm的调谐器透射率和c波段的低端(约1526nm)的基模，2)在rsoa+的增益区域中的激光器的增益曲线，以及3)由hr刻面涂层生成的反射率曲线的示例图；
18.图7示出了根据本发明的另一具体实施例的1)具有jfsr＝-85nm的调谐器透射率和在c波段的高端(约1568nm)的基模，2)在光波长《1490nm具有/不具有吸收率的rsoa+的增益区域中的激光器的增益曲线，以及3)由hr刻面涂层生成的反射率曲线的示例图；以及
19.图8是根据本发明的另一实施例的基于具有波长调谐器和可选地具有半导体光放大器的反射式半导体光放大器的可调谐激光器的示意图。
具体实施方式
20.本发明涉及光通信技术。更具体地，本发明提供了一种扩展c波段上的波长可调谐
激光器的干涉光谱的边模抑制方法、一种具有用于抑制长波长边模的降低的反射率和用于抑制短波长边模的具有额外损耗的修正增益曲线的被配置为从高反射率(hr)刻面射出激光的反射式半导体光放大器的增益芯片、一种具有用于用扩展c波段上的光波长来调谐从同一增益芯片发射的激光的vernier环反射器调谐器的波长可调谐激光器，尽管其他应用也是可能的。
21.以下描述被提供以使得本领域普通技术人员能够制造和使用本发明，并且被并入特定应用的上下文中。各种修改以及在不同应用中的各种用途对于本领域技术人员来说将是很清楚的，并且本文中定义的一般原理可以应用于各种实施例。因此，本发明不旨在限于所呈现的实施例，而是符合与本文中公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。
22.在以下详细描述中，阐述了很多具体细节以提供对本发明的更透彻的理解。然而，对于本领域技术人员来说很清楚的是，本发明可以被实践而不必限于这些具体细节。在其他情况下，众所周知的结构和设备以框图形式而不是详细示出，以避免混淆本发明。
23.读者的注意力涉及在与本说明书同时提交并且与本说明书一起公开供公众查阅的所有论文和文档，并且所有这些论文和文档的内容通过引用并入本文。除非另有明确说明，否则本说明书(包括任何随附的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征都可以被替换为用于相同、等效或相似目的的备选特征。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅是等效或相似特征的一般系列的一个示例。
24.此外，权利要求中未明确说明“用于执行特定功能的手段”或“用于执行特定功能的步骤”的任何要素不应当被解释为“手段”或“步骤”条款，如在《美国法典》第35章第112条第6段中规定的。特别地，本文中的权利要求中使用
“……
的步骤”或
“……
的动作”并非旨在援引《美国法典》第35章第112条第6段的规定。
25.请注意，如果使用，则标签内、外、左、右、前、后、顶、底、端、前向、反向、顺时针和逆时针仅为方便目的而使用，并非意在暗示任何特定的固定方向。相反，它们用于反映对象的不同部分之间的相对位置和/或方向。
26.在一个方面，本公开提供了一种对于各种通信应用在扩展宽带上改进波长可调谐激光器性能的方法。在图1所示的实施例中，可调谐激光器10设置有耦合到波长调谐器400的激光器倒装芯片100加上反射器410和波长锁定器300。激光器倒装芯片100结合到硅光子学衬底，激光器倒装芯片100包括增益芯片111，该增益芯片111具有增益区域112，该增益区域112在纵向配置为反射式半导体光放大器(rsoa)的线性波导中，横向具有pn结二极管。特别地，rsoa的增益区域112包括沿抗反射(ar)刻面102与高反射(hr)刻面101之间的线性波导的激光腔。可以从pn结中的有源层激发光。在一个实施例中，在离开ar刻面102之前，在有源层中激发的光可以在hr刻面101处以高反射率在激光腔中被放大。对于rsoa配置的具有正常增益芯片的可调谐激光器，从ar刻面102出来的光进入波长调谐器400和波长锁定器300。具有已调谐波长的激光最终离开离hr刻面101更远的出口端口。在图1所示的备选实施例中，与主要用作反射器的rsoa配置的正常增益芯片不同，rsoa+配置的增益芯片111被设计为将hr刻面101配置为部分反射和部分透射，并且在光被耦合到ar刻面102的波长调谐器400调谐之后用作激光出口端口。hr刻面以rsoa高反射方面的传统术语命名。而rsoa+配置的增益芯片111的hr刻面101可以被设置为相对较低(《30％)的值。
27.在基于rsoa+倒装芯片100的可调谐激光器10的一个具体实施例中，hr刻面101被
配置为在从约1526nm到1568nm的扩展c波段上平均只有约5％的反射率，而具有相对较高的透射率以用作输出激光的出口端口。ar刻面102仍然允许99.99％的高透光率，使得在有源区112中激发的光可以容易地经由耦合器202耦合到波导120中，以进入形成在硅光子学衬底中的波长调谐器400中。在具体实施例中，波长调谐器400被提供作为vernier环调谐器，vernier环调谐器包括形成在硅光子学衬底中的至少两个环形波导，例如环形谐振器r1和环形谐振器r2。与反射器410相关联的扩展腔中的每个环形谐振器r1或r2在反射器410与增益芯片111的hr刻面101之间的扩展腔中提供在从1520nm到1620nm的宽波长范围内具有多个谐振峰值的反射光谱(如图2的上部所示)。可选地，反射器410是对宽波段的光提供》95％的反射率的反射波导镜。多个谐振峰值之间的波长间隔取决于用于形成环形波导的介质材料的相应环直径和光学指数。在与波长调谐器400和反射器410的组合相关联的扩展腔中，两个反射光谱在相同波长范围内生成联合干涉光谱(称为r1*r2)，如图2的底部所示。联合干涉光谱的特征在于多个谐振峰值或所谓的模式，具有联合自由光谱范围(jfsr)作为两个相邻主要干涉jfsr峰值之间的波长间隔。jfsr的值取决于两个环形波导的环直径。
28.在一个实施例中，用于宽带可调谐激光器的波长调谐器400优选被设计为使jfsr远大于期望的可调谐范围，以允许基模(basic mode)jfsr峰值通过，同时让最近的边模jfsr峰值被抑制。在一个示例中，使jfsr大至85nm，以用于在从1526nm到1568nm的扩展c波段中进行所提出的波长调谐。在jfsr设置为85nm的情况下，对于约1526nm的第一波长处的基模jfsr峰值，将在约1611nm的第二波长处找到对应的最近的长波长边模jfsr峰值。对于约1568nm的第一波长处的基模jfsr峰值，可以在约1483nm的第二波长处找到对应的最近的短波长边模jfsr峰值。长波导边模和短波长边模均优选被充分抑制以提高宽带可调谐激光器10的性能。可选地，波长调谐器400可以被提供作为双标准具滤波器(dual-etalon filter)以使仅基模jfsr峰值通过并且使用反射器将其反射回增益芯片。
29.原则上，波长调谐器加上反射器配置充当波长选择滤波器或波长调谐器，以将返回的调谐器透射与联合干涉光谱一起引入回增益芯片111。返回的调谐器透射包含基模jfsr峰值并且所有边模jfsr峰值可以在增益芯片111中被整形以消除或至少抑制所有边模。在一个实施例中，用于扩展c波段的波长可调谐激光器是通过实现rsoa+配置的增益芯片111来配置的，其中激光从hr刻面射出。基模jfsr峰值可以从低端波长c_low＝1526nm调谐到高端波长c_high＝1568nm。当基模调谐到c_low时，约1611nm处的jfsr峰值的大部分长波长边模应当在返回透射中被抑制，以避免其被包括在出射激光中。当基模调谐到c_high时，jfsr峰值的大部分短波长边模应当被抑制以提高可调谐激光器的性能。如果边模激光被适当抑制，则基模jfsr峰值可以整形增益曲线的中心或最佳位置，以确定具有单个波长的尖峰的激光发射。而与基模jfsr峰值相对应的波长可以基于波长调谐器加上反射器配置的设计，通过改变其温度来改变其中每个波导的光学指数来进行调谐。例如，通过使用提供给与两个谐振器r1和r2相关联的电阻加热器的预校准电压来设置最佳温度，基模jfsr峰值最初被设置为某个波长。如图1所示，预校准电压vr1和vr2可以存储在存储器的查找表中，每次都可以读取该查找表以初始化基于硅光子的可调谐激光设备。通过改变两个环形谐振器r1和r2周围的温度，以在最佳增益曲线位置附近的扩展可调范围内调谐波长，可以实现粗略波长调谐。温度变化使用由所施加的电压vr1和vr2驱动的电加热器(未示出)来控制。此外，可以通过改变波长锁定器300周围的温度来进行精细波长调谐。
30.图3是根据本发明的实施例的由激光波长被调谐的可调谐激光器输出的激光光谱的示例图。如图所示，激光发射波长由通过将基模jfsr峰值与激光发射的增益曲线叠加而整形的光谱的峰值位置给出。在该示例中，激光发射波长从1555nm调谐到1535nm。对于宽带波长调谐，优选地使针对可调谐激光器而设计的jfsr尽可能宽，以实现更好的模式选择，从而在基模处具有强大的单波长光发射，同时使边模处的干涉最小化。但是为了在vernier环中实现宽jfsr，需要非常小的环形谐振器直径，并且需要在硅光子衬底中形成更复杂的波导结构，以实现模式选择/抑制和稳定性。设计和构建具有超小直径的环形谐振器或者添加附加元件以改善硅光子衬底上的模式选择在技术上具有挑战性，同时在很多方面在经济上不利。
31.在一个方面，本发明提供了一种通过抑制短波长和长波长边模jfsr峰值两者，改善来自与波长调谐器和反射器耦合的rsoa的增益芯片的在扩展c波段之外的可调谐激光发射的基模波长选择的方法。该方法基于通过修改hr刻面处的光反射率并且修改光吸收来重新配置增益芯片。图4是根据本发明的实施例的(a)具有hr刻面和ar刻面的增益区域的俯视图和(b)具有有源层和吸收层的增益区域的截面图的简化图。该图仅为示例，不应当过度限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到很多变化、备选和修改。参考图4的部分(a)并且还参考图1，rsoa+100的增益芯片111的增益区域112纵向(在z方向上)被配置具有hr刻面101和ar刻面102的线性波导。即，ar刻面102被制成抗反射光学特征，其中透光率被设置为99.99％或更高，以使宽波长范围内的光通过。特别地，在增益区域中激发的光很容易穿过ar刻面和增益芯片111的边缘处的耦合器202进入硅光子衬底中的波导120(参见图1)。此外，波导中的光被引导到形成在同一硅光子衬底中的波长调谐器加上反射器配置。在一个实施例中，hr刻面101设置有部分反射光学特征。一方面，部分反射光学特征可选地提供低反射率(《30％)，以将在增益芯片中激发的光反射到rsoa+配置的ar刻面。可选地，对于应用于c波段的波长可调的可调谐激光器的rsoa+增益芯片，低反射率设置为《10％。另一方面，部分反射光学特征提供高透射率，以用于以由波长锁定器锁定的波长来激发在与波长调谐器和反射器相关联的rsoa+的扩展腔中生成激光。
32.此外，部分反射光学特征包括光反射率的波长依赖性特征。在优选实施例中，光反射率被配置为随着波长的增加而单调降低。在一个示例中，光反射率从约1483nm处的约10％单调降低到约1568nm处的《4％。可选地，应用于hr刻面的倾斜ar涂层可以实现该特征。可选地，涂层包括由选自al2o3、ta2o5、si、sio2或这些材料的组合中的一种材料制成单层或三层结构。由于在与波长调谐器和反射器相关联的rsoa+扩展腔中生成的联合干涉光谱，hr刻面处对于较长波长光的较低反射率自然抑制了返回增益芯片的联合干涉频谱中的长波长边模jfsr峰值。长波长边模jfsr抑制特别有利于波长可调谐激光器将基模调谐到扩展c波段的低端。
33.可选地，hr刻面被配置为提供对c波段上波长的光具有高反射率同时对长波长边模jfsr峰值附近的波长具有反射率下降(《50％)的部分反射光学特征。rsoa的增益芯片的这种hr刻面配置可以在波长可调谐激光器中实现，其中激光出口端口在波长调谐器的更远离rsoa的增益芯片的hr刻面的另一端处。可选地，出口端口在另一半导体光放大器(soa)的一个刻面处。更多细节可以在图8和下面的相关描述中找到。
34.参考图4的(b)部分，其是增益区域112的横截面示意图，增益区域112在xy平面中
横向地被配置为pn结二极管，其中有源层1120夹在p型半导体材料与n型半导体材料中间。可选地，p型半导体材料和n型半导体材料均为具有不同电掺杂剂的磷化铟(inp)材料。pn结的横截面被提供作为更宽基座上的脊形结构。p型半导体材料沿竖直y方向在脊形结构中在作为n型包覆层的n型半导体材料之上形成p型包覆层。n型包覆层在水平x方向上具有比脊部宽的基部。可选地，有源层1120为由ingaas或ingaasp或algainas制成的应变层量子阱结构。一般而言，有源层1120被指定为在pn结的受限空间内引起光发射，以诱导激光的光能以与特定波长相对应的增益值在增益区域112的激光腔中被放大。对于光波长在扩展c波段上被调谐的可调谐激光器，通过将增益值绘制为激光波长的函数来获取正常增益曲线。
35.在该实施例中，通过将吸收层1121放置在有源层1120附近，以向至少部分正常增益曲线提供指定额外损耗来重新配置增益芯片。特别地，吸收层1121旨在为短波长引入增益曲线的损耗以抑制短波长边模jfsr峰值，从而增强基模jfsr峰值处的激光发射。特别地，当波长调谐器将基模波长调谐到扩展c波段的高端时，最近的短波长边模jfsr峰值相当接近扩展c波段的低端，并且应当被适当地抑制。可选地，吸收层1121设置在n型包覆层中在有源层1120附近，因为pn结的n型侧具有较低的自由载流子吸收损耗。可选地，吸收层1121被配置为吸收波长短于预定值(例如，1490nm或更短)的光，该预定值可以是与短波长边模jfsr峰值相关联的最长波长。可选地，吸收层1121由gainasp或algainas半导体材料层制成，gainasp或algainas半导体材料带隙小于短波长边模jfsr峰值的波长(约1483nm)，目的是通过在联合干涉光谱中过滤其和较短波长来抑制短波长边模jfsr峰值。
36.可选地，提供吸收层以对于指定短波长引入额外增益损耗的增益芯片重新配置适用于rsoa+配置的增益芯片，以用于激光出口在hr刻面处的波长可调谐激光器。可选地，上述增益芯片重新配置也适用于rsoa配置的增益芯片，以用于激光出口在距rsoa的增益芯片更远的波长调谐器的另一端处的波长可调谐激光器。可选地，激光出口端口与添加到波长调谐器的另一端和波长锁定器(参见图8)的半导体光放大器(soa)配置的另一增益芯片相关联。
37.图5是根据本发明的实施例的(a)图4的增益区域的有源层周围的能量密度的空间分布的横截面图，以及(b)沿y方向与有源层交叉的能量密度的竖直分布的图。该图仅仅是用于重新配置的增益芯片的示例性设计的能量分布图。如图5的(a)部分所示，分布的中心平面沿着增益区域的有源层1120。由于有源层1120的折射率总是远高于inp材料的包覆层周围的折射率，因此光学聚焦效应导致从有源层发出的光的基模以高能量密度被限制在其上。如图5的(a)部分所示，高能量密度主要沿x方向分布在有源层1120的中心平面周围，并且在y方向上扩展到有源层1120上方或下方约
±
2μm的狭窄范围。参考图5的(a)部分，在一个实施例中，吸收层1121设置在有源层1120附近，以有效地引起如上所述的能量分布的改变。在具体实施例中，吸收层1121在y方向上设置在n型包覆层中在有源层1120附近2μm范围内。吸收层1121需要与有源层1120的基模显著重叠以有效地起到修改增益曲线的作用。可选地，吸收层1121被设计为处于与有源层1120相关联的量子阱的约20-30％限制因子的优选模式重叠范围内。结果，增益区域中能量密度的空间分布改变为相对于有源层周围的中心平面不那么对称。
38.进一步如图5的部分(b)所示，能量密度竖直分布中的尖锐主峰值表明，由于相对于上面或下面的包覆层的低折射率的有源层的高折射率而引起的光学聚焦效应，增益区域
中有源层的光发射的基模沿x方向主要被限制在中心平面周围。但是，与附近具有inp材料的包覆层相比折射率也相对较高的吸收层也会在主峰的尾部生成重叠的小峰。因此，以与有源层重叠的显著能量分布设置的吸收层1121充分地暴露于来自有源层的光发射，使得足够量的光可以被吸收层吸收。此外，光吸收的性质取决于为吸收层而设计的带隙。在一个实施例中，吸收层的带隙被设置为低于预定波长，使得具有波长短于预定波长值(例如，1490nm)的任何光可以大部分被吸收层吸收，以修改对应波长范围内的rsoa+的增益芯片的增益曲线。
39.图6示出了根据本发明的具体实施例的1)具有jfsr＝85nm的调谐器透射率和c波段的低端(约1526nm)的基模，2)rsoa+的激光发射的增益曲线，以及3)由hr刻面涂层生成的反射率曲线的示例图。该图仅为示例，不应当过度限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到很多变化、备选和修改。在该示例中，在具有在85nm处提供有联合干涉光谱的联合自由光谱范围(jfsr)的特定波长调谐器设计下，联合干涉光谱可以包括在扩展c波段中可调谐的基模jfsr峰值和附近的几个边模jfsr峰值。由于基模jfsr峰值在扩展c波段(c_low)的低端附近被调谐到1526nm，参考图6，所以长波长边模jfsr峰值将出现在约1611nm处。对于示例性增益芯片设计，在相同波长范围内的增益曲线(由虚线表示)在扩展c波段上具有相当平坦和宽阔的增益范围，峰值在1540nm附近，并且朝向约1526nm处的基模jfsr峰值和约1611nm处的长波长边模jfsr峰值，增益值相对减小(但仍然大于50％的峰值)。这表示，增益芯片可能会在基模jfsr峰值(约1526nm)(这是首选)和长波长边模jfsr峰值(约1611nm)(这是不需要的)处产生激光。在这种情况下，需要rsoa+的重新配置的增益芯片，其具有用于抑制jfsr峰值的长波长边模的波长处的、不需要的激光的特征。
40.在图4(a)所示的rsoa+的增益芯片的实施例中，本发明的增益芯片被配置为使hr刻面设置有随波长增加而光反射率单调降低的光学特征。参考图6，光反射率至少从基模jfsr峰值位置的波长到长波长边模jfsr峰值位置的波长单调降低。在图6所示的示例中，反射率曲线(由点划线表示)表明，基模位置约1526nm处的光反射率r＝6.2％在长波长边模位置处降低到2.1％。这转化为约3倍的边模抑制比(smsr)，以充分抑制长波长边模jfsr峰值，从而消除rsoa+的增益芯片中的、不需要的激光发射。对于高反射率刻面被配置为纯反射器的rsoa的增益芯片，高反射率刻面可以被配置为对c波段的光提供高反射率，但对约1611nm处的长波长边模jfsr峰值附近的波长的光的反射率下降，以抑制不需要的边模激光。
41.图7示出了根据本发明的另一具体实施例的1)具有jfsr＝-85nm的调谐器透射率和在c波段的高端(约1568nm)的基模，2)在光波长《1490nm具有/不具有吸收率的rsoa+的激光发射的增益曲线，以及3)由hr刻面涂层生成的反射率曲线的示例图。该图仅为示例，不应当过度限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到很多变化、备选和修改。在该示例中，在相同波长调谐器设计下，jfsr在85nm处给出，在与波长调谐器和增益芯片相关联的扩展腔中生成的联合干涉光谱包括在扩展c波段的高端(c_high)可调谐高达约1568nm的基模jfsr峰值。参考图7，当基模jfsr峰值设置在约1568nm时，作为与扩展c波段最接近的边模的短波长边模jfsr峰值约为1483nm。同样如图7所示，同一波长范围内的增益曲线(由虚线表示)相当平坦，峰值在1530nm附近，并且朝向约1568nm处的基模jfsr峰值和约1483nm处的短波长边模jfsr峰值，增益值相对减小(但仍大于峰值的60％)。增益芯片可能会在基模jfsr峰值(约1568nm)(这是首选)和短波长边模jfsr峰值(约1483nm)(这是不需要的)处产
生激光。在这种情况下，需要rsoa+的重新配置的增益芯片，以提供用于消除边模激光或专门抑制jfsr峰值的短波长边模的特征。此处绘制了来自hr刻面处的低反射率涂层的反射率曲线(由点划线表示)，但对抑制短波长边模没有影响，因为其反射率实际上在较短波长处更高。
42.在图4(b)所示的实施例中，本发明的rsoa的增益芯片重新配置为具有在靠近有源层的n型包覆层中添加的吸收层，以吸收波长小于与联合干涉传输中的短波长边模jfsr峰值相关联的最长波长。参考图6，具有被添加的吸收层的增益曲线会在波长短于1490nm的情况下生成显著的增益值损耗，有效地抑制了约1483nm处的短波长边模jfsr峰值，以消除对应边模激光。
43.另一方面，本公开还提供了一种用于波长可调谐激光器的反射式半导体光放大器(rsoa)中的增益芯片。可选地，增益芯片采用rsoa+配置，其旨在从具有部分反射部分透射特征的高反射(hr)刻面发射激光，并且将光经由具有基本高透射率的抗反射(ar)刻面传递到波长调谐器，以调谐扩展c波段的波长。可选地，波长调谐器被提供作为具有形成在硅光子衬底中的两个谐振环波导的vernier环调谐器。可选地，波长调谐器被提供作为双标准具滤波器。可选地，包括与波长调谐器耦合的反射器以生成具有增益芯片的hr刻面的扩展腔。可选地，在波长调谐器与增益芯片之间添加波长锁定器。如上所述，rsoa+的增益芯片包括增益区域，该增益区域纵向配置为ar刻面和hr刻面之间的用于出射激光的脊形波导。增益区域横向配置为具有p型包覆层与n型包覆层之间的在中心平面中的有源层的pn结二极管。ar刻面包括抗反射涂层，以使从增益区域中的有源层发出的光能够以99.99％或更高的透射率穿过ar刻面。hr刻面包括部分反射涂层，这与正常rsoa配置的增益芯片中的常规高反射率(》90％)涂层不同，以为从有源层发射的波长在扩展c波段的光提供低反射率(《10％)，并且提供部分透射率以允许通过rsoa+放大的激光射出。另外，rsoa+的增益芯片包括吸收层，该吸收层在有源层的量子阱附近的重叠位置处在增益区域中插入pn结二极管的n型包覆层中。hr刻面的低反射率涂层和有源层附近的吸收层都用于修改rsoa+的增益芯片，以抑制不需要的边模激光，同时允许波长在扩展c波段可调谐的所需要的基模激光。
44.在一个实施例中，hr刻面处的部分反射涂层被配置为具有反射率随着波长增加而单调降低的倾斜的抗反射涂层。由于波长调谐器调谐从hr刻面部分反射并且穿过ar刻面的光的波长，因此在与波长调谐器、反射器和增益芯片相关联的扩展腔中生成的联合干涉光谱直接受到hr刻面处的涂层的反射率减小的影响。出现在较长波长处的联合干涉光谱中的jfsr峰值受到反射率减小的抑制。例如，对于jfsr＝85nm设计的vernier环反射器调谐器，当基模jfsr峰值调谐在c波段并且在扩展腔中作为激光放大时，长波长边模(最近的一个约在1611nm处)可以在来自rsoa+的激光中被相应地抑制。
45.在一个实施例中，吸收层被插入pn结二极管中在约4μm范围内在有源层附近以及有源层量子阱的20-30％的限制因子被指定以暴露由有源层引起的激光发射的足够光能并且至少针对在对应波长范围内引起光吸收。同时，吸收层的带隙设计为小于需要与短波长边模jfsr峰值相关联进行过滤的最长jfsr波长。因此，吸收层通过吸收波长短于最长波长的光来为增益曲线提供额外损耗，最长波长与联合干涉光谱中的短波长边模jfsr峰值相关联。可选地，增益曲线的改变导致波长小于1490nm的增益值下降近50％，从而大大抑制了hr刻面rsoa+之外的激光器中约1483nm处的短波长边模jfsr峰值。可选地，对增益曲线的类似
改变导致波长小于1490nm的增益值下降近50％，以大大抑制了从与位于距rsoa+的增益芯片更远的波长调谐器的另一端的半导体光放大器(soa)的增益芯片相关联的出口端口出来的激光器中约1483nm处的短波长边模jfsr峰值。
46.在又一方面，本公开提供了一种基于本文中描述的以反射式半导体光放大器(rsoa+)配置的增益芯片的宽带波长可调谐激光器。rsoa+的增益芯片具有抗反射刻面，该抗反射刻面耦合到波长调谐器加上硅光子学平台中的反射器，以生成具有由联合自由光谱范围(jfsr)分离的多个模式的jfsr峰值的联合干涉光谱。可选地，波长调谐器被提供作为vernier环调谐器，该vernier环调谐器被配置为在宽波长范围(诸如扩展c波段)上调谐基模jfsr峰值。可选地，波长调谐器被提供作为被配置为仅使基模通过的双标准具滤波器。rsoa+的增益芯片还具有高反射率刻面，该高反射率刻面被配置为波长由波长调谐器在扩展c波段上进行调谐的激光的出口端口。如整个说明书中所述的rsoa+的增益芯片在高反射率刻面处提供低反射率光学特征，随着波长增加反射率降低，以在设置在反射器与高反射率刻面之间的扩展腔中抑制联合干涉光谱中最近的长波长边模jfsr峰值。在波长调谐器的jfsr设置为85nm的示例中，最近的长波长边模jfsr峰值位于约1611nm处，因为基模jfsr峰值设置为约1526nm处的c波段的低端。由于高反射率刻面的光学特征被配置为在约1611nm处的反射率降低约2.1％，而在约1568nm处的反射率降低约6.2％，因此可以以至少3x的边模抑制比(smsr)有效地抑制约1611nm处的长波长边模jfsr峰值。此外，增益芯片被重新配置，其中吸收层被设置为与有源层量子阱部分重叠，从而通过在短波长范围内提供额外损耗来改变增益曲线，从而抑制短波长边模jfsr峰值。在jfsr＝85nm的示例中，最近的短波长边模jfsr峰值在约1483nm处，因为基模jfsr峰值设置为约1568nm处的c波段的高端。由于吸收层被配置为具有小于约1490nm的预定波长值的带隙，所以由于吸收层的光吸收，波长小于约1490nm的有源层激发的光的增益可以减少一半。因此，这种短波长边模jfsr峰值(其波长为约1483nm《1490nm)可以被充分抑制。因此，波长可调谐激光器仅在基模jfsr峰值处发射出具有单波长的激光，该峰值在rsoa+的高反射率刻面之外在从1526nm到1568nm的c波段中可调谐。
47.在备选实施例中，本公开提供了一种包括本文中描述的反射式半导体光放大器(rsoa)中的增益芯片的基于硅光子学的宽带波长可调谐激光器。图8是根据本发明的实施例的在反射式半导体光放大器的增益芯片的高反射率刻面添加薄膜滤波器的波长可调谐半导体激光器模块的示意图。该图仅为示例，不应当过度限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到很多变化、备选和修改。如图所示，可调谐激光器模块20包括倒装接合到硅光子衬底上的第一激光二极管芯片410。芯片410具有限定在第一刻面401与第二刻面402之间的增益区域415。第一刻面401被配置为高反射率刻面，该高反射率刻面用作在增益区域415中被激发的光的反射器。第二刻面402被配置为抗反射特征，以允许在增益区域415中被激发并且被第一刻面401反射的光穿过。第二刻面402经由边缘耦合器430耦合到形成在硅光子衬底中的第一波导491。第一波导491被引导到波长调谐器470，即，可调谐滤波器，波长调谐器470被配置为在增益区域415中产生具有第一刻面401(作为反射器)的扩展腔以在其中生成干涉光谱。干涉频谱的特征在于jfsr峰值的多个模式被联合自由频谱范围(jfsr)隔开。可选地，波长调谐器470被提供作为被配置为在宽波长范围(诸如扩展c波段)上调谐基模jfsr峰值的vernier环调谐器(如图8所示)。可选地，波长调谐器470被提供作为被配置
为仅使基模通过的双标准具滤波器。可选地，波长调谐器470调谐的波长的光将被输出到第二波导492，或者可选地首先耦合到波长锁定器480以精细调谐，并且锁定到扩展c波段内的特定波长。可选地，波长锁定器480选择其波长的光将被激光发射出去。可选地，在激光出口端口440之前增加配置在半导体光放大器(soa)中的与第二波导492耦合的第二激光芯片460。soa提供增益区域465以在经由激光出口端口440出射之前进一步放大激光的增益。
48.类似地，在与波长调谐器470和增益区域415相关联的扩展腔中生成的干涉光谱包括多个边模jfsr峰值。例如，将jfsr设置为85nm，对于设置为约1526nm处的c波段的低端的基模，长波长边模jfsr峰值出现在约1611nm处；对于设置为约1568nm处的c波段的高端的基模，短波长边模jfsr峰值出现在约1483nm处。这些边模接近可调范围，即，扩展c波段，成为波长可调谐激光器20的潜在、但不需要的激光模式。在该实施例中，rsoa 410的芯片的第一刻面401被配置为添加涂层以在约1611nm的长波长边模jfsr峰值周围引入反射率下降，同时保留短于1580nm的波长的高反射率(至少》90％)。例如，与c波段中相比，涂层导致约1611nm处的光反射率下降50％。结果，有效抑制了干涉光谱中的长波长边模jfsr峰值。此外，在该实施例中，具有pn结以及作为普通激光二极管的有源层的rsoa 410的芯片的增益区域415可以重新配置以在n型包覆层中在有源层附近引入吸收层(例如，参见图4)。吸收层的位置设置在自由载流子密度高的n型包覆层，以帮助减少吸收损耗。吸收层的位置设置在有源层附近，使得其与在有源层中激发的光的高能量分布区域显著重叠。例如，有源层在pn结中形成为应变量子阱结构，并且吸收层设置为有源层量子阱的20-30％的量子限制因子。此外，吸收层被配置为具有被设置为小于预定值的带隙的半导体材料，使得光吸收仅对短于特定值(例如，约1490nm)的波长发生。例如，使用由gainasp或algainas制成的吸收层，具有适当设计的带隙，可以为波长短于1490nm的增益曲线提供额外的50％的损耗。通过在增益区域415中添加本文中描述的吸收层，可以基本上抑制波长为约1483nm＜1490nm的短波长边模jfsr峰值。因此，波长可调谐激光器20仅在基模jfsr峰值处发射出具有单波长的激光，其在1526nm至1568nm的c波段中是可调的。
49.虽然以上是具体实施例的完整描述，但是可以使用各种修改、备选构造和等效物。因此，以上描述和图示不应当被视为限制由所附权利要求限定的本发明的范围。