使用环形滤波器的多波长激光发生器的制作方法

1.本公开的实施例总体上涉及激光器的领域，并且特别地涉及多波长激光发生器。


背景技术：

2.计算平台越来越多地使用基于硅的光子元件。这些光子元件可以作为附接到单模光纤或多模光纤的光子集成电路(pic)来实现。
附图说明
3.通过以下结合附图的详细描述，将容易理解实施例。为了便于该描述，相同的附图标记表示相同的结构元件。在附图中通过示例而非限制的方式示出了实施例。
4.图1是根据各种实施例的八波长梳状激光器的示例光谱。
5.图2是根据各种实施例的基于环的梳状激光装置的框图。
6.图3示出了根据各种实施例的环形滤波器透射率谱和分布式布拉格反射器(dbr)反射率谱的叠加曲线图。
7.图4示出了根据各种实施例的环形滤波器透射率谱和激光腔的法布里-珀罗腔模式的叠加曲线图。
8.图5示出了根据各种实施例的用于生成梳频激光的激光器架构的第一实施例。
9.图6示出了根据各种实施例的用于生成梳频激光的激光器架构的第二实施例。
10.图7是根据各种实施例的用于创建梳频激光发生器的过程。
11.图8示意性地示出了根据一个实施例的计算设备800。
具体实施方式
12.本公开的实施例涉及一种多波长激光发生器，其在激光腔(laser cavity)中使用环形滤波器和一个或多个dbr反射镜(mirror)。环形滤波器的半径用于设置被生成的多波长激光的频率间距。dbr阻带宽度确定激光发射模式的数量。在一些实施例中，还采用了相位调谐器。相位调谐器被布置为通过确保腔模式与环形滤波器模式实质上对齐来减少或最小化模式损耗。
13.在实施例中，多波长激光发生器可以产生带有具有等距间隔频率线的频率梳的光。在各种实施例中，激光发生器包括至少五个组件。首先，使用半导体增益元件向被生成的光提供增益。第二，环形谐振器滤波器或环形滤波器用于选择波长梳间距。第三，使用窄带dbr或窄带反射镜来选择发出激光的波长数量。第四，宽带或窄带反射镜用于提供光反馈并形成光学腔。第五，相位调谐器部件(section)用于将腔模式与环形谐振(即，环形滤波器模式)对齐，以便减少或最小化模式损耗。在实施例中，环形滤波器(与激光源的组合)发射具有在频率上等距间隔的峰的光。具有在频率上等距间隔的峰的光也可以被称为频率梳状。
14.本文描述的实施例涉及一种激光发生器设计，其用于生成定制频率或波长梳状
谱，该频率或波长梳状谱具有在频率/波长上均匀间隔开的任意数量的输出波长。在实施例中，激光发生器设计可以仅使用一个增益元件。实施例可以包括反射镜设计，其包括环形滤波器和使用硅光子技术的分布式dbr。与包括激光器阵列的传统技术相比，本文描述的实施例允许更紧凑的梳状激光源。在此描述的实施例可以用于具有高达100gb及以上的单个或多个电路的波分复用(wdm)。
15.用于实现梳状谱的传统架构通常关注于单模操作、多环滤波器或实现多个单模激光器。在本文描述的实施例通过改变环形滤波器和/或dbr设计使得能够使用单个激光器架构来创建具有各种波长间距和多个波长的多波长激光器。
16.在实施例中，通过使用环形滤波器，例如使用iii-v族材料，波长选择与增益元件的构成解耦。环形滤波器确保波长独立于iii-v族材料中的和来自二极管电流的波动(该波动可能会导致增益元件自热)，从而提高可制造性和波长目标要求。在实施例中，环形滤波器的半径可以指示环形滤波器如何正被用于多波长梳生成或用于单模窄线宽操作。环的半径用于设置环模式的自由谱范围(fsr)。
17.在下面的描述中，将使用由本领域技术人员通常采用的术语来描述说明性实施方式的各个方面，以将他们的工作的实质传达给本领域的其他技术人员。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本公开的实施例可以仅通过所描述的一些方面来实践。出于解释的目的，阐述了具体数字、材料和配置以提供对说明性实施方式的透彻理解。对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有具体细节的情况下实践本公开的实施例。在其他情况下，公知的特征被省略或简化，以免模糊说明性的实施方式。
18.在下面的详细描述中，对形成其一部分的附图进行了参考，其中，相同的数字始终表示相同的部分，并且其中，通过说明性实施例的方式进行示出，在说明性实施例中可以实践本公开的主题。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构或逻辑改变。因此，以下详细描述不应被视为限制性的，并且实施例的范围由所附权利要求及其等同物限定。
19.出于本公开的目的，短语“a和/或b”是指(a)、(b)或(a和b)。出于本公开的目的，短语“a、b和/或c”是指(a)、(b)、(c)、(a和b)、(a和c)、(b和c)或(a、b和c)。
20.描述可以使用基于透视的描述，例如顶部/底部、内/外、上/下等。这样的描述仅用于促进讨论并且不旨在将本文描述的实施例的应用限制于任何特定朝向。
21.该描述可以使用短语“在一个实施例中”或“在实施例中”，这些短语均可以指代一个或多个相同或不同的实施例。此外，关于本公开的实施例所使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义词。
22.术语“与
……
耦合”及其派生词可以在本文中使用。“耦合”可以意味着以下一项或多项。“耦合”可能意味着两个或更多个元件直接物理或电接触。然而，“耦合”也可以表示两个或更多个元件间接相互接触，但仍相互配合或相互作用，并且可以表示一个或多个其他元件耦合或连接在所谓彼此耦合的元件之间。术语“直接耦合”可以表示两个或更多个元件直接接触。
23.图1是根据各种实施例的示例激光器的八波长梳的示例光谱。波长谱100包括8个等距间隔开的波长102、104、106、108、110、112、114、116。这些波长中的每一个(其可以通过符号λ称为信道(ch)、频率、线或激光发射线(lasing line)可以用于编码将被光学传输的
数据或数据部分。
24.在实施例中，每个波长(例如，波长106)可以落入某个波长范围118内。在实施例中，这可以表示为δλ，其是该梳状波长的可接受误差。波长之间的距离(例如，波长108和波长110之间的距离)可以落入波长范围120加上或减去因子y内，其中，y对应于环形滤波器的fsr。在其他实施例中，在波长谱100内，可以有n个不同的波长，数据或数据部分可以在n个不同的波长上被编码和传输。注意，不同的实施例可以使用不同的波长间距，这可以由下面描述的组件的特性来确定。在实施例中，等距间隔的波长可以用作wdm或其他应用的光源。
25.如图2是根据各种实施例的基于环的梳状激光装置的框图。图200包括反射镜222、230，它们充当激光腔的波长选择反射镜。在实施例中，反射镜222、230中的至少一个是被设计为仅允许n个模式发出激光的dbr。另一个反射镜可以是宽带反射镜，例如环形反射镜或另一个dbr。注：窄带dbr用于选择激光发射波长的数量。下面，将参照图5来更详细地讨论反射镜和它们的放置。
26.增益元件228是提供光学增益的激光器的有源部分，例如iii/v族有源区。在实施例中，增益元件228可以包括量子点，例如三维量子限制(quantum confinement)。在实施例中，增益元件228可以包括量子线，例如二维的量子限制。在实施例中，增益元件228可以包括量子阱，例如，一维的量子限制。在实施例中，增益元件228可以包括可以没有量子限制的块状材料(bulk material)。下面将参照图5进一步讨论增益元件。
27.可调谐的环形滤波器224选择模式之间的间距或fsr。该间距由以下等式给出：
[0028][0029][0030]
其中，c是光速，ng是组索引，δν和δλ分别是频率和波长空间中的fsr，并且r是环形滤波器的半径。
[0031]
因此，环形滤波器只允许这些谐振波长的能量从而以低损耗通过。例如，可以通过使用与环形滤波器集成的加热器来调谐绝对波长，这允许精确的波长定位。因此，环形滤波器的半径选择梳的频率间距，例如图1的波长距离120，而可调谐的环形滤波器允许绝对波长定位。
[0032]
相位调谐部件226影响腔的法布里-珀罗模式的绝对波长，其中，腔模式的fsr小于环形滤波器的fsr。这意味着腔模式和环模式之间可能存在未对齐，这会增加损耗。相位调谐部分226允许腔模式的波长被调谐以通过将它们与环的模式对齐来减少或最小化所有激光发射模式的总损耗。这在下面关于图4更详细地示出。
[0033]
图3示出了根据各种实施例的环形滤波器透射率谱(transmissivity spectrum)和dbr反射率谱(dbr reflectivity spectrum)的叠加曲线图。曲线图300示出了环形滤波器330的透射谱(transmission spectrum)(其也可以被称为环形谐振)，该透射谱与dbr反射率谱332重叠，dbr反射率谱332可以被称为光栅谱(grating spectrum)。
[0034]
环形滤波器的频谱中的透射峰330a在频率上都是等距间隔的，例如δν。在实施例中，这是生成梳状激光谱的基础。曲线330可以由环形滤波器调谐器在频率/波长上调谐，例
如通过使用引起温度变化的集成加热器，该加热器改变折射率，并且进而改变谐振波长δν。
[0035]
如图所示，仅dbr 332a的阻带内的环模式(ring mode)将被反射回来，例如作为反馈。dbr 332a阻带外的所有环模式都会经历高损耗，并且因此这些环模式不会发出激光。如曲线图300所示，大约五个环模式适于dbr 332a的阻带内。通过改变dbr光栅的深度、占空比、折射率对比度、光学模式与光栅的重叠(其可以被称为光栅的光学限制因子)改变dbr耦合系数，可以容易地改变该数量。例如，更高的耦合器系数增加dbr 332a的阻带宽度并包含更多模式。
[0036]
图4示出了根据各种实施例的环形滤波器透射率谱和激光腔的法布里-珀罗腔模式的叠加曲线图。曲线图400示出了环形滤波器的透射率谱430和激光腔的法布里-珀罗模式434的叠加。应注意的是，图3关于dbr和环形谱，这影响模式间距和激光发射模式的数量。图4关于环形滤波器和法布里-珀罗腔模式以及减少或最小化激光发射模式的光学损耗。
[0037]
图5示出了根据各种实施例的用于生成梳频激光的激光器架构的第一实施例。第一实施例500包括第一反射镜542，其与增益部件544光学耦合。增益部件544可以与相位调谐器546光学耦合，相位调谐器546转而与吸收器548光学耦合。在相位调谐器546和吸收器548之间可以有环形滤波器550。注意，相位调谐器546可以在增益部件544的任一侧。在实施例中，环形滤波器550可以是可调谐的环形滤波器。在实施例中，环形滤波器550可以与第二反射镜552光学耦合，这完成了光学腔。
[0038]
第一反射镜542或第二反射镜552中的一个是用于选择模式数量的dbr或窄带dbr。另一个反射镜可以是宽带反射镜，例如具有更宽阻带的dbr或环形反射镜。在实施例中，第一反射镜542和第二反射镜552用作用于激光腔的波长选择反射镜，其中，至少一个反射镜542、552是仅允许n个模式发出激光的dbr。
[0039]
增益部件544是激光器的有源部分并且可以包括iii/v族有源区以提供光学增益。通过将腔谐振与环形滤波器550模式对齐，相位调谐器546允许将腔模式调谐到腔谐振以减少激光发射模式的总损耗。关于图4示出了这一点的示例。吸收器548防止光子虚假反射回到光学腔中，这些光子的波长被环形滤波器550拒绝。相位调谐器546可以在增益部件544的任何一侧。在实施例中，环形滤波器550、增益部件544和相位调谐器546可以以任何顺序位于两个反射镜542、552内。
[0040]
该梳状激光器设计是高度可定制的，其中，环形滤波器550的半径设置频率梳间距，环形滤波器550的调谐控制绝对波长。dbr 542和/或552的阻带宽度或耦合系数确定激光发射模式的数量。相位调谐器546通过确保腔模式与环形滤波器模式对齐来最小化损耗。环形滤波器550谐振波长可以通过集成环形加热器(未示出)、通过电荷注入或通过耗尽来调谐。
[0041]
图6示出了根据各种实施例的用于生成梳频激光的激光器架构的第二实施例。第二实施例600可以类似于第一实施例500和图5。然而，在第二实施例600中，只存在一个反射镜642，其可以类似于图5的第一反射镜542，图5中的第一反射镜542耦合到增益部件644，增益部件644可以类似于增益部件544。反射镜642是dbr或窄带dbr，其用于选择可以发出激光的波长的数量。相位调谐器646可以类似于图5的相位调谐器546。然而，在相位调谐器646之后，光耦合分裂成两条光路647、651。在实施例中，环形滤波器650用作宽带反射镜。进入路
径647的光经由环形滤波器650通过路径651循环返回，反之亦然，通过环形滤波器650从路径651到647。路径647、651二者都与吸收器648、649耦合，吸收器648、649吸收其波长与环形滤波器650模式不共振的光子。
[0042]
图7是根据各种实施例的用于创建梳频激光发生器的过程。过程700可以使用如本文所描述并且特别是关于图1-6描述的组件和技术来实施。
[0043]
在框702处，该过程包括识别环形滤波器以产生透射谱。在实施例中，环形滤波器可以类似于图5的环形滤波器550。在实施例中，环形滤波器可以是可调谐的环形滤波器，其具有可调整的直径以控制发出激光的波长的数量。
[0044]
在框704处，该过程可以包括将dbr反射镜光学耦合到环形滤波器以产生反射率谱，其中，反射率谱的一部分包括透射谱的一部分，其中，透射谱的该部分是多波长梳状激光器。在实施例中，dbr反射镜可以类似于图5的第一反射镜542或第二反射镜552。环形滤波器可以包括图5的环形滤波器550。可以在图3的区域332a中示出反射率谱的该部分，其包括透射谱的一部分。
[0045]
本公开的实施例可以被实施到使用任何合适的硬件和/或软件来根据需要进行配置的系统中。图8示意性地示出了根据一个实施例的计算设备800。所描绘的计算机系统800(也称为电子系统800)可以体现根据多个公开实施例中的任一个及其在本公开中阐述的等同物的多波长梳频激光发生器。特别地，通信电路814、815中的一个或多个可以体现多波长梳频激光发生器。计算机系统800可以是诸如上网本计算机之类的移动设备。计算机系统800可以是诸如无线智能电话之类的移动设备。计算机系统800可以是台式计算机。计算机系统800可以是手持阅读器。计算机系统800可以是服务器系统。计算机系统800可以是超级计算机或高性能计算系统。
[0046]
在一个实施例中，电子系统800是包括系统总线820的计算机系统，该系统总线820用于以电气地和/或光学地耦合电子系统800的各种组件。根据各种实施例，系统总线820是单个总线、或多个总线的任何组合。电子系统800包括向集成电路810提供电力的电压源830。在一些实施例中，电压源830通过系统总线820向集成电路810提供电流。
[0047]
根据一个实施例，集成电路810电气地耦合到系统总线820并且包括任何电路、或多个电路的组合。在一个实施例中，集成电路810包括可以是任何类型的处理器812。如本文所用，处理器812可表示任何类型的电路，例如但不限于微处理器、微控制器、图形处理器、数字信号处理器、传感器或另一处理器。在一个实施例中，处理器812包括或耦合到多波长梳频激光发生器，如本文所公开的。在一个实施例中，sram实施例存在于处理器的存储器高速缓存中。可以被包括在集成电路810中的其他类型的电路是定制电路或专用集成电路(asic)，例如用于无线设备(例如，蜂窝电话、智能电话、寻呼机、便携式计算机、双向收音机和类似的电子系统)中的通信电路814或用于服务器的通信电路。在一个实施例中，集成电路810包括管芯上存储器816，例如静态随机存取存储器(sram)。在一个实施例中，集成电路810包括嵌入式管芯上存储器816，例如嵌入式动态随机存取存储器(edram)。
[0048]
在一个实施例中，集成电路810由后续的集成电路811补充。有用的实施例包括双处理器813和双通信电路815以及诸如sram之类的双管芯上存储器817。在一个实施例中，双集成电路810包括嵌入式管芯上存储器817，例如edram。
[0049]
在一个实施例中，电子系统800还包括外部存储器840，外部存储器840转而可以包
括适用于特定应用的一个或多个存储器元件，例如ram形式的主存储器842、一个或多个硬盘驱动器844、和/或处理可移动介质846的一个或多个驱动器，例如软盘、光盘(cd)、数字多功能磁盘(dvd)、闪存驱动器和本领域已知的其他可移动介质。根据一个实施例，外部存储器840还可以是嵌入式存储器848，例如管芯堆叠中的第一管芯。
[0050]
在一个实施例中，电子系统800还包括显示设备850、音频输出860。在一个实施例中，电子系统800包括诸如控制器870之类的输入设备，其可以是键盘、鼠标、轨迹球、游戏控制器、麦克风、语音识别设备或向电子系统中输入信息的任何其他输入设备800。在一个实施例中，输入设备870是相机。在一个实施例中，输入设备870是数字录音机。在一个实施例中，输入设备870是相机和数字录音机。
[0051]
如本文所示，集成电路810可以在多个不同的实施例中实现，包括封装(其具有根据多个公开的实施例中的任一个及其等同物的多波长梳频激光发生器)、电子器件系统、计算机系统、一种或多种制造集成电路的方法，以及一种或多种制造包括封装的电子组装件的方法，所述封装具有根据在各种实施例及其本领域认可的等同物中如本文阐述的所公开的多个实施例中的任一个的多层光耦合器。元素、材料、几何形状、尺寸和操作顺序都可以变化，以适应特定的i/o耦合要求，包括阵列触点数、阵列触点配置(其用于根据多个公开的多波长梳频激光器及其等同物中的任一个的嵌入处理器安装基板中的微电子管芯。可以包括基础多层pcb，如图8中的虚线所示。也可以包括无源设备，如图8所描绘的。
[0052]
理想地，每个块810、811和840应该具有它们自己的光收发器，使得它们彼此光学连接，即它们可以以光信号的形式发送来自和去往彼此的数据。光信号可以用于在一个块(810、811和840)内以及这些块之间进行通信。总线820可以代表光总线和电总线。
[0053]
各种实施例可以包括上述实施例的任何合适的组合，包括以上结合形式(和)描述的实施例的替代(或)实施例(例如，“和”可以是“和/或”)。此外，一些实施例可以包括其上存储有指令的一个或多个制品(例如，非暂时性计算机可读介质)，所述指令当被执行时引起上述实施例中的任一个的动作。此外，一些实施例可以包括具有用于执行上述实施例的各种操作的任何合适单元的装置或系统。
[0054]
所示实施方式的以上描述(包括在“摘要”中描述的内容)并非旨在穷举或将本公开的实施例限制为所公开的精确形式。尽管本文出于说明目的描述了具体实施方式和示例，但是相关领域的技术人员将认识到，在本公开的范围内可以进行各种等同修改。
[0055]
可以根据以上详细描述对本公开的实施例进行这些修改。所附权利要求中使用的术语不应被解释为将本公开的各种实施例限制为说明书和权利要求中公开的具体实施方式。相反，范围将完全由所附权利要求确定，这些权利要求将根据既定的权利要求解释原则进行解释。
[0056]
下面提供了一些非限制性示例。
[0057]
示例
[0058]
实施例1是一种激光装置，包括：用于输出光的激光源；一个或多个反射镜，其与所述激光源光学耦合并被布置为促进在多个模式下发射光；与所述反射镜光学耦合的增益元件；相位调谐器，其与所述增益元件光学耦合，以调谐所述激光源的多个模式的波长；以及环形滤波器，其与所述相位调谐器光学耦合，以选择所述激光的模式之间的间距。
[0059]
示例2包括示例1的装置，其中，环形滤波器包括可调谐的环形滤波器。
[0060]
示例3可以包括示例1的装置，其中，一个或多个反射镜中的至少一个是分布式布拉格反射器(dbr)或具有在激光发射波长范围处的可控阻带宽度的反射镜。
[0061]
示例4可以包括示例1的装置，其中，多个模式是预定的。
[0062]
示例5可以包括示例1的装置，其中，所述光的发射包括频率梳。
[0063]
示例6可以包括示例1的装置，其中，所述增益元件是所述激光装置中仅有的增益元件。
[0064]
示例7可以包括示例1的装置，其中，环形滤波器的半径确定所述激光的模式之间的频率间距。
[0065]
示例8可以包括示例1的装置，其中，一个或多个反射镜包括第一反射镜和第二反射镜；并且其中，第一反射镜是分布式布拉格反射器(dbr)，并且所述第二反射镜是宽带反射镜。
[0066]
示例9可以包括示例1的装置，还包括吸收器，该吸收器与所述环形滤波器光学耦合以防止光子反射回到光学腔中。
[0067]
示例10可以包括示例1的装置，其中，相位调谐器和所述环形滤波器与具有第一光路和第二光路的分离光路(split optical path)光学耦合。
[0068]
示例11可以包括示例1-10中任一个的装置，还包括吸收器，该吸收器与第一光路或第二光路光学耦合以防止光子反射回到光学腔中。
[0069]
示例12可以是一种用于在确定的频率范围上产生在频率上等距间隔的透射峰的频率梳的方法，该方法包括：通过环形滤波器对输入光进行滤波以产生具有在频率上等距间隔的透射峰的透射谱的输出光；以及将由光学耦合分布式布拉格反射器(dbr)反射镜反射的来自环形滤波器的输出光限制为所述dbr反射镜的反射率谱，其中，所述频率梳的确定的频率范围是所述dbr反射镜的反射率谱。
[0070]
示例13可以包括示例12的方法，其中，具有在频率上等距间隔的透射峰的透射谱的输出光形成频率梳状。
[0071]
示例14可以包括示例12的方法，其中，环形滤波器是可调谐的环形滤波器。
[0072]
示例15可以包括示例14的方法，其中，可调谐的环形滤波器的直径随着所述透射峰之间的距离而改变。
[0073]
示例16可以包括示例12-15中任一个的方法，还包括将另一个反射镜光学耦合到所述环形滤波器，其中，所述另一个反射镜是宽带反射镜或宽带环形反射镜。
[0074]
示例17是一种系统，包括：光连接器；与所述光连接器光学耦合的激光装置，该激光装置包括：反射镜，其用于在多个模式下提供由激光源产生的光的光学反馈；与所述反射镜光学耦合的增益元件，以向光的多个模式提供增益；相位调谐器，其与所述增益元件光学耦合，以调谐光的多个模式的波长；以及环形滤波器，与所述相位调谐器光学耦合，以选择光波长之间的间距。
[0075]
示例18可以包括示例17的系统，激光装置还包括激光腔；并且其中，所述激光腔的多个模式还包括所述激光腔的多个法布里-珀罗模式。
[0076]
示例19可以包括示例17的系统，其中，增益元件是所述激光装置中仅有的增益元件。
[0077]
示例20可以包括示例17-19中任一个的系统，其中，环形滤波器的半径选择光波长
之间的频率间距。