基于微环的提升光源抗反射的方法技术

基于微环自注入提升光源抗反射的方法，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。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。

【技术实现步骤摘要】
基于微环的提升光源抗反射的方法
本专利技术涉及半导体激光器的
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为克服现有技术的缺陷，本专利技术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。本专利技术的技术方案是：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。本专利技术针对于片上光源，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示出了根据本专利技术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专利技术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。本专利技术针对于片上光源，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专利技术。本专利技术以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激光器的自注本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于微环的提升光源抗反射的方法，其特征在于：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。/n

【技术特征摘要】
1.基于微环的提升光源抗反射的方法，其特征在于：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。


2.根据权利要求1所述的基于微环的提升光源抗反射的方法，其特征在于：在所述直波导部分的上方和微环上方均设置热调电极。
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈明华，汤黎伟，李佳琛，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11