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CN110544874B - 一种基于交错光栅的硅基可调谐激光器及实现方法 - Google Patents

一种基于交错光栅的硅基可调谐激光器及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于交错光栅的硅基可调谐激光器及实现方法。采用交错光栅将硅波导中的基模变换为高阶模，使模式的有效折射率降低，从而增大取样光栅滤波器的尺寸，降低了可调谐激光器的制造难度，解决现有的硅基可调谐激光器光栅加工难度大的问题。该方案不仅可用于外腔结构的可调谐激光器，也可用于键合方式的可调谐激光器。共同相位区和支路相位区的共同作用使得激光器的模式更稳定。由于两个取样光栅在增益芯片的同侧，相比于取样光栅在增益芯片异侧的可调谐激光器，可以获得更好的边模抑制比。

Description

一种基于交错光栅的硅基可调谐激光器及实现方法
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种基于交错光栅的硅基可调谐激光器及实现方法。
背景技术
硅基光子集成芯片具有尺寸小、带宽高、功耗低、无电磁兼容等优点，是实现数据中心及超级计算机芯片间光互连最有效的方案。根据市场分析公司YoleDevelopment预测，未来硅基光子集成技术将迎来井喷式发展，到2025年市场规模将达到百亿美金。
由于硅是间接带隙半导体，自身不能发光，因此目前的集成光源大多是通过混合集成方式实现的。在各种集成光源器件中，可调谐激光器是一个难点，它通常包含增益区、相位调节区及适当的滤波器。混合集成的可调谐激光器主要分为两类，其一是将III-V族增益材料通过键合方式与硅基芯片集成，然后再进行增益区的波导刻蚀、电极生长等后续工艺制作，例如分子力键合、BCB键合、金属键合等技术；其二是通过外腔的方式将制作好的增益芯片与硅基波导上的滤波器进行耦合封装。无论采用哪种方案，都涉及绝缘衬底上的硅(Siliconon insulator，SOI)上滤波器的设计和制造问题。
硅基混合集成可调谐激光器通常采用的滤波器有微环谐振腔和取样光栅，其中微环谐振腔的工艺稳定性较差，波长难以精确控制，而普通取样光栅又面临着尺寸小、加工难度大的问题。通信波段单横模硅波导的一阶布拉格波导光栅周期小于300nm，线宽小于150nm，目前的硅基光电子CMOS工艺很难达到光栅的加工精度要求，这限制了硅基可调谐激光器的量产和大规模应用。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种基于交错光栅的硅基可调谐激光器及实现方法，通过交错光栅进行模式变换的方法增大取样光栅滤波器的尺寸，采用交错光栅将硅波导中的基模变换为高阶模，使模式的有效折射率降低。根据布拉格公式λ＝2neffΛ，当波导模式有效折射率降低时，光栅滤波器的周期增加，因此降低了可调谐激光器的制造难度，解决现有的硅基可调谐激光器光栅加工难度大的问题。
本发明提供一种基于交错光栅的硅基可调谐激光器，包括增益芯片、第一多模干涉耦合器、第一光栅耦合器、第二光栅耦合器、共同相位区、第二多模干涉耦合器、支路相位区、第一模式变换区、第二模式变换区、第一取样光栅、第二取样光栅、第一探测器和第二探测器，所述增益芯片与第一多模干涉耦合器连接，所述第一多模干涉耦合器与第二光栅耦合器连接，第一光栅耦合器和共同相位区分别与第一多模干涉耦合器连接，所述第二多模干涉耦合器与共同相位区连接，支路相位区与第二多模干涉耦合器连接，所述第一模式变换区与支路相位区连接，第一取样光栅与第一模式变换区连接，第一探测器与第一取样光栅连接，所述第二模式变换区与第二多模干涉耦合器连接，第二取样光栅与第二模式变换区连接，第二探测器与第二取样光栅连接，第一模式变换区和第二模式变换区由交错光栅构成，将输入的低阶波导模式变换为高阶模式。
进一步改进在于：所述交错光栅由两段反射式光栅Gmj和Gim组成，其中Gmj实现m模式到j模式的反射变换，Gim实现i模式到m模式的反射变换，m为中间模式，两段光栅叠加实现i模式到j模式的正向传输变换。
进一步改进在于：所述交错光栅的传播常数满足β1＝β2+Kmj-Kim，其中β2和β1分别为i模式和j模式的传播常数，Kmj和Kim分别为Gmj和Gim的光栅矢量。
进一步改进在于：所述交错光栅结构在波导横向或纵向上是切趾的。
进一步改进在于：所述第一取样光栅和第二取样光栅的模式为高阶波导模式，有效折射率小于λ/4d，光栅周期大于2d，其中d为最小加工精度，λ所述硅基可调谐激光器的工作波长。
进一步改进在于：所述第一取样光栅和第二取样光栅为超结构取样光栅，在一个取样大周期内光栅周期是呈线性变化的。
所述的可调谐激光器包含增益芯片、第一多模干涉耦合器、第一光栅耦合器、第二光栅耦合器、共同相位区、第二多模干涉耦合器、支路相位区、第一模式变换区、第二模式变换区、第一取样光栅、第二取样光栅、第一探测器和第二探测器。
在上述可调谐激光器中，第一、第二模式变换区为相同或者不同的交错光栅，每个交错光栅由两段相对独立的反射式光栅Gmj和Gim组成，其中Gmj实现m模式到j模式的反射变换，Gim实现i模式到m模式的反射变换，m为中间模式，两段光栅叠加实现i模式到j模式的正向传输变换，功能是将从第二多模干涉耦合器输出的基模变换为折射率较小的高阶模式。
在上述可调谐激光器中，所述第一、第二模式变换区的交错光栅的传播常数满足β1＝β2+Kmj-Kim，其中β2和β1分别为i模式和j模式的传播常数，Kmj和Kim分别为Gmj和Gim的光栅矢量。
在上述可调谐激光器中，所述第一、第二模式变换区的交错光栅结构在波导横向或纵向上是切趾的，可以降低两段光栅之间的相互串扰。在上述可调谐激光器中，所述增益芯片为宽带的InGaAsP反射式半导体光放大器，其与SOI芯片耦合的一端输出波导倾斜且镀增透膜以减少反射，另一端镀高反膜，高反膜与第一、第二取样光栅之间形成激光谐振腔。
在上述可调谐激光器中，所述第一多模干涉耦合器将增益芯片输出的光分为两部分，其中一部分进入第一光栅耦合器用以对耦合过程和效率进行监测，另一部分进入共同相位区。
在上述可调谐激光器中，共同相位区输出的光由第二多模干涉耦合器分为两部分，每一个臂上均有相应的模式变换区、取样光栅和探测器。两个臂上的取样光栅反射谱具有不同的自由光谱范围，它们的重叠峰为可调谐激光器的激射波长。所述的第一、第二探测器用以对可调谐激光器的性能进行监控和反馈。
在上述可调谐激光器中，所述第一、第二取样光栅的有效折射率小于λ/4d，光栅周期大于2d，其中d为CMOS工艺的最小加工精度，λ为可调谐激光器的中心波长。
在上述可调谐激光器中，所述第一、第二取样光栅为超结构取样光栅，在一个取样大周期内光栅周期是线性变化的。
在上述可调谐激光器中，所述的第二光栅耦合器为激光器的输出端口。
在上述可调谐激光器中，所述的支路相位区对两个臂的相对相位进行调节，所述的共同相位区对可调谐激光器的整体相位进行调节。
本发明还提供一种基于交错光栅的硅基可调谐激光器的实现方法，其特征在于：所述实现方法步骤如下：
步骤一：制备InGaAsP基反射式增益芯片和SOI芯片；
步骤二：将增益芯片和SOI芯片通过模斑变换器进行耦合；
步骤三：将增益芯片耦合输入SOI芯片的光通过第一、第二多模干涉耦合器分成两路；
步骤四：通过第一、第二模式变换区将基模变换为高阶模式；
步骤五：通过增益芯片高反射端面与第一取样光栅和第二取样光栅之间形成激光器谐振腔；
步骤六：通过支路相位区和共同相位区对激光器两臂的相对相位差以及整体相位进行调节；
步骤七：通过第一光栅耦合器及第二光栅耦合器和第一探测器及第二探测器进行监测和反馈。
本发明的有益效果是：采用交错光栅作为模式变换区，将增益芯片耦合进SOI芯片的波导基模转换为高阶模，使得第一、第二取样光栅的尺寸大于CMOS工艺允许的最小加工精度，降低了可调谐激光器的制造难度。该方案不仅可用于外腔结构的可调谐激光器，也可用于键合方式的可调谐激光器。共同相位区和支路相位区的共同作用使得激光器的模式更稳定。由于两个取样光栅在增益芯片的同侧，相比于取样光栅在增益芯片异侧的可调谐激光器，可以获得更好的边模抑制比。
附图说明
图1是本发明的硅基外腔可调谐激光器结构组成示意图。
图2是本发明的交错光栅实现模式变换的原理图。
图3是本发明的交错光栅切趾方式示意图。
图4是本发明的第一取样光栅及第二取样光栅采用的超结构光栅示意图。
图5是本发明的第一取样光栅及第二取样光栅采用的超结构光栅反射谱图。
图6是本发明的实现方法流程图。
其中：1-增益芯片，2-第一多模干涉耦合器，3-第一光栅耦合器，4-第二光栅耦合器，5-共同相位区，6-第二多模干涉耦合器，7-支路相位区，8-第一模式变换区，9-第二模式变换区，10-第一取样光栅，11-第二取样光栅，12-第一探测器，13-第二探测器。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。如图1-6所示，本实施例提供一种基于交错光栅的硅基可调谐激光器，包括增益芯片1、第一多模干涉耦合器2、第一光栅耦合器3、第二光栅耦合器4、共同相位区5、第二多模干涉耦合器6、支路相位区7、第一模式变换区8、第二模式变换区9、第一取样光栅10、第二取样光栅11、第一探测器12和第二探测器13，所述增益芯片1与第一多模干涉耦合器2连接，所述第一多模干涉耦合器2与第二光栅耦合器4连接，第一光栅耦合器3和共同相位区5分别与第一多模干涉耦合器2连接，所述第二多模干涉耦合器6与共同相位区5连接，支路相位区7与第二多模干涉耦合器6连接，所述第一模式变换区8与支路相位区7连接，第一取样光栅10与第一模式变换区8连接，第一探测器12与第一取样光栅10连接，所述第二模式变换区9与第二多模干涉耦合器6连接，第二取样光栅11与第二模式变换区9连接，第二探测器13与第二取样光栅11连接，第一模式变换区8和第二模式变换区9由交错光栅构成，将输入的低阶波导模式变换为高阶模式。所述的增益芯片1为增益带宽80nm的InGaAsP反射式半导体光放大器，其与SOI芯片耦合的一端波导具有8度的倾斜角且端面镀增透膜，反射率小于1％，另一端端面镀高反射膜，反射率大于99％，高反射膜与两个取样光栅之间形成激光器的谐振腔。
所述的第一多模干涉耦合器2和第二多模干涉耦合器6的耦合比为1:1，在增益芯片1的增益带宽范围内，耦合比变化较小。
所述的第一光栅耦合器3用于监测耦合过程的功率损耗，光栅耦合器4为所述可调谐激光器的出光端。
所述的共同相位区5和支路相位区7为硅波导上制作的pn结，共同相位区5调节激光器的整体相位，支路相位区7调节激光器两个取样光栅分别形成的谐振腔之间的相对相位。
所述的第一模式变换区8和第二模式变换区9为相同或不同的交错光栅，它们将从增益芯片1方向过来的光波导模式进行变换，将基模变换成高阶模。每一个交错光栅由两段相互独立的反射型光栅Gmj和Gim组成，可以实现i模式到j模式的前向传输变换。
所述的第一模式变换区8和第二模式变换区9的交错光栅的传播常数满足β1＝β2+Kmj-Kim，其中βl和βl分别为i模式和j模式的传播常数，Kmj和Kim分别为Gmj和Gim的光栅矢量。
所述的第一模式变换区8和第二模式变换区9的交错光栅结构在波导横向或纵向上是切趾的，降低了交错光栅内部两段反射型光栅之间的串扰。如图3，横向切趾是指调节光栅宽度与波导宽度的比值w/w0，纵向切趾是指调节光栅的占空比P/P0。
所述的第一取样光栅10和第二取样光栅11的模式为高阶波导模式，有效折射率小于λ/4d，光栅周期大于2d，其中d为最小加工精度，λ所述硅基可调谐激光器的工作波长。
所述的第一取样光栅10和第二取样光栅11为超结构取样光栅，在一个取样大周期内其周期是线性变化的，使得光栅反射谱各个级次的强度基本相同。
所述的第一探测器12和第二探测器13对光功率进行监测，通过反馈比较来调节两个支路的相位差。
本实施例还提供一种基于交错光栅的硅基可调谐激光器的实现方法，其特征在于：所述实现方法步骤如下：
步骤一：制备InGaAsP基反射式增益芯片和SOI芯片；
步骤二：将增益芯片和SOI芯片通过模斑变换器进行耦合；
步骤三：将增益芯片耦合输入SOI芯片的光通过第一、第二多模干涉耦合器分成两路；
步骤四：通过第一、第二模式变换区将基模变换为高阶模式；
步骤五：通过增益芯片高反射端面与第一取样光栅和第二取样光栅之间形成激光器谐振腔；
步骤六：通过支路相位区和共同相位区对激光器两臂的相对相位差以及整体相位进行调节；
步骤七：通过第一光栅耦合器及第二光栅耦合器和第一探测器及第二探测器进行监测和反馈。

Claims (7)

1.一种基于交错光栅的硅基可调谐激光器，包括增益芯片(1)、第一多模干涉耦合器(2)、第一光栅耦合器(3)、第二光栅耦合器(4)、共同相位区(5)、第二多模干涉耦合器(6)、支路相位区(7)、第一模式变换区(8)、第二模式变换区(9)、第一取样光栅(10)、第二取样光栅(11)、第一探测器(12)和第二探测器(13)，第一模式变换区(8)和第二模式变换区(9)由交错光栅构成，将输入的低阶波导模式变换为高阶模式，其特征在于：所述增益芯片(1)与第一多模干涉耦合器(2)连接，所述第一多模干涉耦合器(2)与第二光栅耦合器(4)连接，第一光栅耦合器(3)和共同相位区(5)分别与第一多模干涉耦合器(2)连接，所述第二多模干涉耦合器(6)与共同相位区(5)连接，支路相位区(7)与第二多模干涉耦合器(6)连接，所述第一模式变换区(8)与支路相位区(7)连接，第一取样光栅(10)与第一模式变换区(8)连接，第一探测器(12)与第一取样光栅(10)连接，所述第二模式变换区(9)与第二多模干涉耦合器(6)连接，第二取样光栅(11)与第二模式变换区(9)连接，第二探测器(13)与第二取样光栅(11)连接。
2.如权利要求1所述的一种基于交错光栅的硅基可调谐激光器，其特征在于：所述交错光栅由两段反射式光栅Gmj和Gim组成，其中Gmj实现m模式到j模式的反射变换，Gim实现i模式到m模式的反射变换，m为中间模式，两段光栅叠加实现i模式到j模式的正向传输变换。
3.如权利要求1或2所述的一种基于交错光栅的硅基可调谐激光器，其特征在于：所述交错光栅的传播常数满足βj＝βi+Kmj-Kim，其中βi和βj分别为i模式和j模式的传播常数，Kmj和Kim分别为Gmj和Gim的光栅矢量。
4.如权利要求1所述的一种基于交错光栅的硅基可调谐激光器，其特征在于：所述交错光栅结构在波导横向或纵向上是切趾的。
5.如权利要求1所述的一种基于交错光栅的硅基可调谐激光器，其特征在于：所述第一取样光栅(10)和第二取样光栅(11)的模式为高阶波导模式，有效折射率小于λ/4d，光栅周期大于2d，其中d为最小加工精度，λ所述硅基可调谐激光器的工作波长。
6.如权利要求1所述的一种基于交错光栅的硅基可调谐激光器，其特征在于：所述第一取样光栅(10)和第二取样光栅(11)为超结构取样光栅，在一个取样大周期内光栅周期是呈线性变化的。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的基于交错光栅的硅基可调谐激光器的实现方法，其特征在于：所述实现方法步骤如下：
步骤一：制备InGaAsP基反射式增益芯片和SOI芯片；
步骤二：将增益芯片和SOI芯片通过模斑变换器进行耦合；
步骤三：将增益芯片耦合输入SOI芯片的光通过第一、第二多模干涉耦合器分成两路；
步骤四：通过第一、第二模式变换区将基模变换为高阶模式；
步骤五：通过增益芯片高反射端面与第一取样光栅和第二取样光栅之间形成激光器谐振腔；
步骤六：通过支路相位区和共同相位区对激光器两臂的相对相位差以及整体相位进行调节；
步骤七：通过第一光栅耦合器及第二光栅耦合器和第一光栅耦合器及第二探测器进行监测和反馈。
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