基于耦合器的硅基异质集成可调谐激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于耦合器的硅基异质集成可调谐激光器。内部带有增益区的有源谐振腔，无源选模腔；无源选模腔内的模斑转换器的一端与有源谐振腔连接；无源选模腔中的π相耦合器第一端口经第二调谐区与第一反射镜连接，第二端口与模斑转换器的另一端连接；第三、第四端口分别与无源环形谐振腔连接，无源环形谐振腔内的第一调谐区的光程占无源环形谐振腔的总光程的比例和第二调谐区的光程占有源谐振腔和无源选模腔内的传输波导的总光程的比例相等。还可在传输波导上串、并按多个耦合器和无源环形谐振腔。采用单个或多个环形谐振腔配合一个有源谐振腔来实现半导体激光器工作，从而使激光器的各个性能得到提升，且环形谐振腔的直径大小不受限制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体激光器，尤其涉及一种基于耦合器的硅基异质集成可调谐激光 器。
技术介绍
可调谐激光器由于它很强的相干性，这几年在光电子器件领域都得到了相当高的 关注，在波分复用、光交互联、光路由、光调制、波长转换等方面有广泛应用。而相对于其他 的例如基于分布式布拉格反射（DBR)的可调谐激光器需要制作光栅或者反射镜等反馈结 构提供反射机制，环形谐振腔结构紧凑，具有尖锐的滤波峰，因此一经提出，就作为理想的 选模结构应用到很多半导体激光器结构中。 传统的单个环形谐振腔耦合半导体激光器利用环形谐振腔尖锐的滤波特性来提 高激光器的边模抑制比，线宽和啁嗽特性。单环耦合的半导体激光器为了维持单模工作，通 常需要把环形谐振腔的弯曲半径做的比较小来扩大环形谐振腔的自由光谱范围（FSR)，如 SeoijinPark等人在他们的文章 "Single-ModeLasingOperationUsingaMicroring ResonatorasaWavelengthSelector'，，IEEEJ.QuantumElectron,Vol. 38,pp270 ~ 273, 2002中制作了直径为5~20μm的环形谐振器，其最大自由光谱范围为42nm，以足够 大的自由光谱范围来保证激光器的单模工作。但小的弯曲半径也会引入较大的波导弯曲损 耗，与此同时，小直径环形谐振腔的耦合器的设计与制作也有很大的困难，通常需要使用电 子束光刻技术来制作相应親合比的方向親合器。 最近，基于半波耦合器的单环谐振腔耦合的半导体激光器受到很多的关注，如Lin Wu等人在他们的文章"DoubleHalf-Wave-CoupledRectangularRing-FPLaserwith 35XIOOGHzWavelengthTuning'ThotonicsTechnologyLetters28626_2014.R中利用两 个串联的有源环形谐振腔和主增益有源谐振腔通过两个半波耦合器进行耦合来实现激光 器的选模，并在1549. 4nm~1576. 7nm的范围内实现了无跳模调谐，并且最大的边模抑制比 达到了 41db。双环谐振腔耦合的方式使对环形谐振腔半径的限制大大放宽，双环的游标效 应还能增加激光器的边模抑制比，并能进一步利用游标效应扩大激光器的调谐范围。但是， 双环谐振腔耦合半导体激光器的反射镜侧面要求较高，制作工艺复杂，同时对于多模干涉 耦合器结构来实现半波耦合器对于间隔和长度的影响非常敏感，这对于激光器的工艺制作 要求和难度非常大，大大降低了成品率。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于耦合器的硅基异质集成可 调谐激光器。 为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案有以下三种： -、第一种基于耦合器的硅基异质集成可调谐激光器 本专利技术包括内部带有增益区的有源谐振腔，无源选模腔；无源选模腔内的模斑转 换器的一端与内部带有增益区的有源谐振腔连接；无源选模腔，包括传输波导，相位耦 合器和无源环形谐振腔；相耦合器有四个端口，第一端口经第二调谐区与第一反射镜连 接，第二端口经传输波导与模斑转换器的另一端连接；第三端口第四端口分别与无源环形 谐振腔连接，无源环形谐振腔内有第一调谐区；第一调谐区的光程占无源环形谐振腔的总 光程的比例和第二调谐区的光程占内部带有增益区的有源谐振腔和无源选模腔内的传输 波导的总光程的比例相等。 二、第二种基于耦合器的硅基异质集成可调谐激光器 本专利技术包括内部带有增益区的有源谐振腔，无源选模腔；无源选模腔内的模斑转 换器的一端与内部带有增益区的有源谐振腔连接；无源选模腔，包括传输波导，η相位耦 合器，π/2相位耦合器和两个无源环形谐振腔；π/2相位耦合器有四个端口，第一端口经 第二调谐区与第一反射镜连接，第二端口经传输波导与模斑转换器的另一端连接；第三端 口第四端口分别与第一无源环形谐振腔连接，第一无源环形谐振腔内有第一调谐区^相 位耦合器有四个端口，第一端口和第二端口分别与第一无源环形谐振腔连接，第三端口第 四端口分别与第二无源环形谐振腔连接，第二无源环形谐振腔内有第一调谐区；两个第一 调谐区的光程占各自无源环形谐振腔的总光程的比例和第二调谐区的光程占内部带有增 益区的有源谐振腔和无源选模腔内的传输波导的总光程的比例相等。 三、第三种基于耦合器的硅基异质集成可调谐激光器 本专利技术包括内部带有增益区的有源谐振腔，无源选模腔；无源选模腔内的模斑转 换器的一端与内部带有增益区的有源谐振腔连接；无源选模腔，包括传输波导，两个η相 耦合器和两个无源环形谐振腔；两个η相耦合器均有四个端口，第一η相耦合器的第一端 口经第二调谐区与第一反射镜连接，第二端口经传输波导与第二η相耦合器的第一端口 连接，第三端口第四端口分别与第一无源环形谐振腔连接，第一无源环形谐振腔内有第一 调谐区；第二η相耦合器的第二端口经传输波导与模斑转换器的另一端连接；第三端口 第四端口分别与第二无源环形谐振腔连接，第二无源环形谐振腔内有第一调谐区；两个第 一调谐区的光程占各自无源环形谐振腔的总光程的比例和第二调谐区的光程占内部带有 增益区的有源谐振腔和无源选模腔内的传输波导的总光程的比例相等。 以上三种基于耦合器的硅基异质集成可调谐激光器，所述内部带有增益区的有源 谐振腔是环形谐振腔或法布里-珀罗谐振腔，是基于有源量子阱材料，输出TE模，通过倒装 焊接或键合将增益芯片异质集成到基于SOI材料的无源选模腔上；所述第一调谐区和第二 调谐区通过各自电极正向注入电流或施加反向电压实现电调谐，或通过镀上镍铬合金并注 入正向电流来实现热调谐；所述η相位耦合器，由三根由等间距排列的波导构成，或多模 干涉耦合器来实现。 所述模斑转换器，采用渐变波导宽度的楔形波导结构，能实现有源量子阱波导和 无源SOI波导的模斑匹配。 本专利技术与
技术介绍
相比，具有的有益效果是： 本专利技术需要单个或多个环形谐振腔配合一个有源谐振腔来实现半导体激光器的 单模工作，其中：采用的π相位耦合器，相比较以往的π/2相位耦合器具有很强的选模特 性，从而使激光器的各个性能得到提升；采用的半波耦合器由于采用SOI材料，理论上可以 获得完美的η相位，性能和效果都可以达到最好，而且制作工艺也相对简单，并且容差也 很大；采用的无源SOI选模腔既可以做在有源谐振腔内也可以做在腔外，这在设计上可以 获得更大的自由度；采用的无源SOI环形谐振腔的直径大小不受限制，尺寸大大减少，简化 了制作工艺；采用的无源SOI环形谐振腔既可以并联也可以串联多个环来寻求更优的性 能，以及更大的调谐范围；采用的模斑转换器可以实现在焊接或键合过当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于耦合器的硅基异质集成可调谐激光器，其特征在于：包括内部带有增益区的有源谐振腔(1)，无源选模腔(2)；无源选模腔(2)内的模斑转换器(23)的一端与内部带有增益区的有源谐振腔(1)连接；无源选模腔(2)，包括传输波导(24)，π相位耦合器(3)和无源环形谐振腔(4)；π相耦合器(3)有四个端口，第一端口经第二调谐区(21)与第一反射镜(22)连接，第二端口经传输波导(24)与模斑转换器(23)的另一端连接；第三端口第四端口分别与无源环形谐振腔(4)连接，无源环形谐振腔(4)内有第一调谐区(41)；第一调谐区(41)的光程占无源环形谐振腔(4)的总光程的比例和第二调谐区(21)的光程占内部带有增益区的有源谐振腔(1)和无源选模腔(2)内的传输波导(24)的总光程的比例相等。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：廖晓露，何建军，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33