基于聚合物波导的可调谐激光器模块的制作方法

专利名称：基于聚合物波导的可调谐激光器模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于聚合物波导的可调谐激光器模块。
背景技术：
当前被应用到大多数骨干网和城域网的波分复用(WDM)光通信技 术是一种通过在由一根光纤构成的光路上执行波分复用来将多个高速信 号发送到该光路上的技术。根据WDM方案的传输网络实际上需要能够 选择性地使某些光波长分支出来/耦合进去而不执行光电转换并且能够使 某些波长通过的光分插复用器(OADM: Optical Add/Drop Multiplexer) 功能。OADM连接在存在于波长单元中的传输线中的中间节点之间，使 得能够扩展网络的连接性并提高网络效率。ROADM (可重构OADM) 能够重构分支/耦合波长，并且能够有效地远程地而不需要安排技术专家 来重构整个网络的波长连接状态，以便灵活处理业务拿情况的变化，使 得能够惊人地减少网络的维护成本。
所使用的ROADM主要分成基于交换的结构和基于广播选择(BS: broadcast and select)方案的结构。近来，BS方案在容纳多个节点时路径 损耗较小，使得它能够成为ROADM系统中的优选方案。在BS方案中 作为构建ROADM系统的核心元件有光分路器(optical distributor)、波长 复用器/解复用器、可调光衰减器(VOA)、可调谐滤波器和可调谐激光 器等。具体地说，作为ROADM系统的最重要的元件，集成了集成可调 谐滤波器和可调谐激光器的可调谐转发器(tunable transponder)提供了 能够远程地对波长进行调谐来重构网络的功能，使得网络运营商能够减 小用于备份的光学元件的库存负担，减少管理网络所需要的时间，并且 在选择上路(add) /下路(dropp)的波长时使任何波长上路/下路，以便 有效地处理业务量情况的变化，使得能够最有效地减少网络的维护成本。
5然而，可调谐滤波器技术还没有发展起来，并且可调谐激光器非常 昂贵，使得开发可调谐转发器非常难。
55^ 口J l周l白i虑i皮&， 目n!j已fen^P^!^f^吏/甲了 ^6^^7^纟千^ $2^^^1^9§ 的滤波器；然而，它具有5秒钟的非常慢的可调谐响应时间，并且非常 昂贵，使得它在商业系统中没有得到良好地利用。
就可调谐激光器来说，已经开发并使用了利用分布式反馈(DFB) 结构的激光器；然而，DFB激光器具有10nm的非常窄的可调谐范围， 使得为了在C波段(1535nm到1565nm)内支持所有波长需要使用三四 套可调谐DFB激光器模块。而且，利用了 DFB激光器的可调谐转发器 的光源非常昂贵，使得转发器需要多通道转发器用于备份。因此，利用 了 DFB激光器的可调谐转发器没有提供减小网络运营商的库存负担的有 效解决方案。
因此，为了实现用于ROADM系统的具有高效而又经济的可调谐转 发器，需要开发一种基于利用了可调谐滤波器的外腔的可调谐光源，该 可调谐滤波器能够对WDM波段(例如C波段)的所有必需波长进行调 谐，并通过使用一个模块提供宽带调谐功能。
作为可调谐滤波器技术，存在可调谐法布里一珀罗滤波器、微机械
器件、马赫一曾德尔干涉仪、光纤布拉格光栅、声光可调谐滤波器、电 光可调谐滤波器、阵列波导光栅(AWG)、有源滤波器、环形谐振腔可调 谐滤波器等。
D.Sadot和E. Boimovich在1998年12月的IEEE Communications Magazine的第50-55页发表的"Tunable Optical Filters for Dense WDM Networks"中详细地描述了这种可调谐滤波器等。
M. Oh等人在1998年12月(no 2)的Applied Physics Letters的第 2543-2545页发表的"Tunable wavelength filters with Bragg gratings in polymer waveguides"中首先实现了基于利用布拉格光栅的聚合物波导的 可调谐滤波器技术，并且与其相关的技术也在2001年注册了美国专利 (US 6， 303， 040B1)。
实现基于聚合物波导的可调谐滤波器的相关技术(其为通过利用热光效应改变介质中的折射率而选择性反射或者透射具有需要的特定波长的光的技术)使用了能够对波导的上端局部生成热量的加热元件(通常是金属薄膜)，以便通过改变聚合物波导中的有效折射率来对该滤波器的工作波长进行调谐。
然而，因为当外部温度变化时金属加热元件中生成的热值和滤波器的必需工作波长之间的关系根据外部环境而变化，因此利用了金属加热元件的相关技术不能使滤波器在任何时候都与外部环境无关地提供均匀的工作波长。
另外，G. Jeong等人在2006年10月(no. 20)正EE PhotonicsTechnology Letters的第2102-2104页发表的"over 26-nm wavelengthtunable external cavity laser based on polymer waveguide platforms forWDM access networks"中提出了将基于聚合物波导的可调谐滤波器用作外腔型可调谐激光的输出耦合器的技术。
在已公开的文章中，可调谐技术利用了该可调谐技术，并且可调谐方法利用了作为M. Oh等人设计的方法的金属薄膜加热元件。然而，在这种情况下，该文章依然存在前述可调谐滤波器工作时金属薄膜加热元件存在的问题。因此，当将基于聚合物波导的可调谐滤波器用作基于外腔的激光器的输出耦合器时，其在工作特性与外部环境无关、保证重复工作中稳定性方面仍存在问题。
因为G. Jeong等人提出的基于外腔的激光器通过利用倒装连接法利用了使宽带光源的激光二极管芯片与聚合物布拉格光栅滤波器对准和耦合的结构，当输入输出从激光二极管输出到包括布拉格光栅的波导的光时，光源的幅度和波导模式彼此不同，因此激光器存在低耦合效率的问题。对于该低耦合效率，据报道在公开的技术中可调谐激光器的输出功率为-5dBm的输出特性。当前ROADM的光通信系统需要0dBm或更大的可调谐激光器的光输出功率，因此公开技术不满足该系统的要求。
另外，G. Jeong等人提出的倒装法的激光二极管安装技术需要4.5,的非常小的波导芯高度，使得安装该激光二极管来给出均匀的耦合效率非常难。因此，激光二极管安装技术存在大规模生产过程中成品率低的问题。另外，因为由G.Jeong等人提出的基于外腔的激光器的激光二极管芯片利用了没有封装的开放结构，因此还存在热/电/机械稳定性低的问题
发明内容
技术问题
为解决前述问题，本发明的一个目的是提供一种基于新外腔的激光器模块，其有效地将从激光二极管输出的光耦合到包含布拉格光栅的波导中；并提供一种基于外腔的可调谐激光器模块，其能够生成具有与外部环境无关的稳定性、再现性和可靠性的激光振荡波长，以高输出功率和窄带宽对宽达30nm或更宽的波长进行调谐，并具有高产品合格率，同时确保激光二极管芯片本身的热/电/机械稳定性。
技术方案
本发明的基于外腔谐振波导的可调谐激光器模块包括生成光的基于ni-V族半导体外腔的宽带光源；波导；在所述波导上形成的至少一个布拉格光栅；设置在所述光源和所述波导之间设置的光学透镜；第一温控器件，其包括在设置有所述布拉格光栅的波导上形成的薄膜加热器；以及第二温控器件，其包括温度传感器和热电冷却器，其中，从所述光源输出的光经过所述光学透镜聚焦会聚，并输入到所述波导，并通过第一温控器件利用热光效应控制所述布拉格光栅的反射波段，并通过第二温控器件与外部温度环境无关地控制振荡波长调谐。
所述宽带光源为用于TO-can封装的宽带波长振荡的半导体激光二极管芯片，激光束的发射面设置有反射率为1%或更小的抗反射涂层，所述发射面的对应面设置有反射率为80%或更大的高反射涂层。优选地，所述波导利用聚合物形成。
所述TO-can封装的内部或外部设置有具有温度传感器和热电冷却器的第三温控器件，由此将所述半导体激光二极管芯片的温度控制在特定温度。
优选的是，所述第二温控器件的温度传感器设置在设置有所述布拉格光栅的波导的下方，所述第二温控器件的热电冷却器设置在形成有所述布拉格光栅的波导的下方，并且所述第一温控器件的薄膜加热器设置在所述布拉格光栅的上方。更优选地，所述波导设置在基板的上方，所述第二温控器件的温度传感器定位于所述基板的下方，温度传感器支撑层设置在所述温度传感器的下方，而所述热电冷却器设置在所述温度传感器支撑层的下方。
所述聚合物波导如同所述布拉格光栅一样也是由聚合物材料制成的聚合物布拉格光栅，形成所述波导或者所述布拉格光栅的聚合物包括卤族元素和通过紫外线或加热进行固化的官能团。优选地，形成所述波导
或者所述布拉格光栅的聚合物具有从-9.9xl0—4到-0.5xl0'4 xr1的热光系数，更优选地，为-3.5xl0-4到-1.5xl0—4 。C"。
通过所述第一温控器件将所述布拉格光栅的反射波段的中心波长控制到30nm或更宽以便将所述振荡激光束的中心波长控制到30nm或更宽，并且所述振荡激光束的功率为OdBm或更大，所述振荡激光束的中心波长的全宽半峰(FWHM)为0.3nm或更小。
波导由芯和包层构成，该芯或包层可以形成有布拉格光栅，形成所述芯的材料的折射率高于形成所述包层的材料的折射率，并且形成所述布拉格光栅的材料的折射率优选地为从所述芯的材料的折射率到形成所述包层的材料的折射率。
两个或更多个布拉格光栅周期性串联连接到单个波导上，两个或更多个布拉格光栅的级次彼此独立地具有l、 3、 5、 7级次，优选的是，所述波导的几何形状为肋结构、脊结构、反肋结构、反脊结构或通道结构。
所述透镜的两侧优选地形成有抗反射涂层，并且所述透镜设置在所述TO-can封装的内部或外部，以便与所述TO-can封装相集成。
所述波导的光入射面优选地形成有反射率为1%或更小的抗反射涂层，并且所述波导的光入射面或所述入射面的至少包括芯的部分优选地为倾斜面，该倾斜面以与所述入射光的行进方向的垂直面成3°到13°角倾斜。当所述倾斜面形成在所述波导的光入射面处时，包括所述波导芯中形成所述入射面的芯的部分以满足斯涅耳(Sndl)定律的角度形成。
所述基于外腔谐振波导的可调谐激光器模块还包括所述波导端部的
9V形槽形式的光纤支持器，并且以有源对准方案安装所述基于外腔谐振 波导的可调谐激光器模块。 有益效果
本发明的基于外腔谐振波导的可调谐激光器模块在光源与波导之间 具有聚光透镜，使得能够提高光源与输出耦合器之间的光耦合效率，并
提高了可调谐激光器的输出；并且利用了具有高热光系数的聚合物波导 布拉格光栅滤波器，使得能够利用单个激光器模块生成作为光通信波段 之一的C波段或L波段内的所有波长。另外，本发明的基于外腔谐振波 导的可调谐激光器模块利用了在光源和布拉格光栅中分别具有温度传感 器的温控器件，以便创造与外部环境无关的热环境，使得能够稳定地获 得具有高再现性和可靠性的波长。本发明的基于外腔谐振波导的可调谐 激光器模块利用了 TO-can封装光源，使得能够提高宽带振荡激光二极管 芯片的热/电/机械稳定性，并且通过在安装布拉格光栅滤波器、TO-can 封装光源和V形槽时引入有源对准结构来提高成品率。


根据结合附图给出的对优选实施方式的以下描述，本发明的上述及
其他目的、特征和优点将变得清楚，其中
图1是本发明的基于外谐振的激光器模块的一个示例的结构图2示出了本发明的基于外腔谐振的激光器模块的有源安装方法的
一个示例；
图3是本发明的基于外腔谐振波导的可调谐激光器模块的结构图的 一个示例；
图4示出了本发明的基于外腔谐振光波导的激光器模块的有源安装 方法的一个示例；
图5是本发明的基于外腔谐振光波导的激光器模块的宽带光源的波
长谱；
图6是用于说明本发明的基于外腔谐振波导的可调谐激光器模块的 调谐及振荡的工作原理的简图；图7是示出了本发明的基于外腔谐振波导的可调谐激光器模块的详
细结构及布拉格光栅的形成位置的一个示例的图8是本发明的基于外腔谐振波导的可调谐激光器模块的具有表面 浮雕结构的布拉格光栅的扫描电子显微镜(SEM)照片；
图9是示出了本发明的基于外腔谐振波导的可调谐激光器模块的波 导的光入射面的详细结构的一个示例的图10是示出了本发明的基于外腔谐振波导的可调谐激光器模块的 振荡激光束的测量的图；以及
图ll是示出了根据由于本发明的基于外腔谐振波导的可调谐激光器 模块的薄膜加热器的工作导致的相对于可调谐激光器模块的温度的振荡 激光束的中心波长测量的图。
主要元件的详细描述
100，100': TO-can封装光源
110，110':激光二极管芯片
120，120':光学透镜
200，200':波导
210，220， 210'， 220': 包层
240，240':布拉格光栅
250: 基板
300，300':光纤支持器
410，510:温度传感器
420:薄膜加热器
430:热电冷却器
520:热电冷却器
1:紫外或热固化树脂
具体实施例方式
此后，将参考附图详细描述本发明的基于外腔谐振波导的可调谐激 光器模块。作为一个示例提供了下面提出的附图，以便将本发明的思想
11充分地传达给本领域的技术人员。因此，本发明并不限于下面提出的附 图，而是能够以其他形式来实施。并且，整个说明书中相同的标号表示 相同的部件。
此时，除非另有定义，本说明书中使用的技术术语和科学术语具有 本领域的技术人员所理解的含义，并且在以下描述和附图中省略了己知 功能和结构的详细描述，以便不致由于不必要的细节而使本发明的主题不清。
图1是本发明的基于外腔谐振波导的可调谐激光器模块的一个示例 的结构图。从图1可以看出，该模块包括生成光的基于外腔的光源110; 包含布拉格光栅240的波导200;以及光学透镜120。从光源110输出的 光经过光学透镜120会聚并输入到波导200。优选地，该光源为TO-can 封装(100)半导体激光二极管110，而透镜120设置在该TO-can封装 100内部。
优选地，透镜120的两侧形成有1%或者更小的反射率的抗反射涂层， 用来防止从光源输出的光从该透镜反射。如图1的虚线箭头所示，光源 110和波导200经过透镜120的会聚处理连接起来，这是本发明的核心特 征，该链接不是物理连接。具体地说，波导200包括导致全反射的上包 层210和下包层220以及透射光的芯230，其中，经过透镜会聚的光输入 到芯230。优选地，面向波导200的透镜表面的焦点是接收来自透镜120 的光的芯230的输入面。此时，光波导200可以设置在用于物理支撑的 基板250上。
如图1的标号300所示，该模块还可以包括在波导200的一端支持 和固定光纤的V形槽形式的光纤支持器300。
利用通过透镜120连接光源110和波导200的结构，可以将包括透 镜、波导200和光纤支持器300的TO-can封装100按有源对准方案安装 在用于物理支撑的机械台上。
详细地说，如图2所示，波导200和光纤支持器300利用紫外线或 者热固化聚合物树脂1安装在机械台上，并且可以通过与机械台的机械 耦合来安装TO-can封装lOO。更具体地说，可以结合利用了激光焊接机的光轴对准来进行机械耦合。
本发明的基于外腔的激光器模块具有经过光学透镜连接光源和波导 的结构，而不是在物理上连接它们的结构，这使得能够通过波导的有源 对准方法显著增大耦合效率、增大生产效率、降低缺陷率。
透镜的两侧形成有抗反射涂层以防止从光源输出的光由此反射。优
选地，透镜设置在TO-can封装内部，来向波导输入通过经过TO-can封 装的有源安装的透镜会聚的光。
本发明的基于外腔谐振波导的可调谐激光器模块还可以包括在波导 的输出光的端部设置V形槽形式的光纤支持器，并且本发明的基于外腔 谐振波导的可调谐激光器模块可以以有源对准方案来安装。
图1和图2是用于详细说明作为本发明的基于外腔谐振波导的可调 谐激光器模块的典型结构的透镜的图。本发明的基于外腔谐振波导的优 选可调谐激光器模块具有如图3所示的结构。
图3是本发明的基于外腔谐振波导的可调谐激光器模块的结构图。 如参考图1所述，因为通过透镜连接光源和波导，并且通过热光效应控 制振荡激光束的波长波段，类似于图1的结构利用符号(')表示。因此， 在以下描述中，图1的结构的描述类似地适用于由符号(')表示的结构 的详细描述。
从图3可以看出，本发明的基于外腔谐振波导的可调谐激光器模块
包括生成光信号的基于外腔的宽带光源110';波导200';在波导上形
成的一个或更多个布拉格光栅240';第一温控器件，其包括在光源110' 和波导200'之间设置的光学透镜120'和薄膜加热器420;以及第二温控器 件，其包括温度传感器410和热电冷却器430，其中，从光源110'输出的 光经过光学透镜120'会聚，然后输入到波导200'，并通过第一温控器件 根据热光效应控制布拉格光栅240'的反射波段，而通过第二温控器件与 外部温度环境无关地控制该反射波段。优选地，宽带光源110'为用于进 行宽带波长振荡的TO-can封装(IOO')半导体激光二极管芯片110'。
在该宽带光源110'中，激光发射面设置有反射率为1%或更小的抗反 射涂层，发射面的对应表面设置有反射率为80%或更大的高反层，从布拉格光栅240'反射的波长通过反馈(其将反射波长输回给发射面)进行 振荡，以获取具有该布拉格光栅的反射波段和该反射波段的中心波长的 激光束。
而且，该模块包括与第二温控器件无关地控制的第三温控器件510 和520。包括温度传感器510和热电冷却器520的第三温控器件设置在 TO-can封装100'的内部或者外部，来与外部温度环境无关地控制半导体 激光二极管芯片110'的温度。通过第三温控器件与外部温度环境无关地 控制半导体激光二极管芯片110'的温度，从而对半导体激光二极管芯片 110'的法布里-珀罗谐振模式的中心波长进行控制。此时，所控制的中心 波长优选与从布拉格光栅240'反射的波长一致。当从半导体激光二极管 振荡出的法布里-珀罗谐振模式的中心波长与布拉格光栅的中心波长不一 致时，会出现激光输出没有最大化的情况。在这种情况下，第三温控器 件用来使法布里-珀罗谐振模式的中心波长与布拉格滤波器的中心工作波 长一致。
为了生成有效并且准确的热光效应，优选地，将第二温控器件的温 度传感器410设置在形成了布拉格光栅240'的波导的下方，将第二温控 器件的热电冷却器430设置在形成了布拉格光栅240'的波导的下方，而 将第一温控器件的薄膜加热器420设置在形成了布拉格光栅240'的波导 的上方。
作为第一温控器件的薄膜加热器420，可以使用能够在施加能量时 生成热量的所有通用金属薄膜加热器，但优选的是，使用包含从由Cr、 Ni、 Cu、 Ag、 Au、 Pt、 Ti、 Al元素及其合金(例如，镍铬合金)制成的 堆叠薄膜构成的组中选出的薄膜型加热元件的加热器。
第二温控器件的温度传感器410和第三温控器件的温度传感器510 可以由用于通过热量改变其电属性(电压、电阻或者电流量)的通用温 度传感器的元件构成，但优选的是使用热敏电阻。
作为第二温控器件的热电冷却器430或者第三温控器件的冷却器， 可以一起使用用于对集成器件或者装置进行冷却的冷却器，但优选的是 使用具有热电元件的冷却器。
14如上所述的本发明的基于外腔谐振波导的可调谐激光器模块使用了
包括聚光透镜120'的TO-can封装(IOO')宽带光源110'和以具有包括布 拉格光栅240'的波导200'结构的可调谐滤波器作为输出耦合器，同时使 用了热电冷却器430和薄膜加热器420来与外部环境无关地对滤波器中 心工作波长进行调谐。
此时，第二温控器件或者第三温控器件的热电冷却器优选地能够以
小于o.rc的温度精度控制温度，并且温度传感器能够以小于o.rc的温 度精度测量温度。
详细地说，使用了通过利用波导200'的热光效应控制从布拉格滤波 器240'反射的波长来控制激光器输出波长的方法。通过将具有布拉格光 栅240'的波导200'定位于热电冷却器430的上部而使激光器输出的中心 波长具有与外部环境无关的稳定波长输出特性。通过根据从安装在波导 200'的上包层210'上的薄膜加热器420生成的热量而改变该波导的有效折 射率来对滤波器的中心工作波长进行调谐，因此通过这样的控制器(未 示出)来调谐振荡激光的中心波长，S卩，该控制器电连接到温度传感器 410和热电冷却器430以便基于从温度传感器410输入的温度生成和吸收 来自薄膜加热器420和热电冷却器430的热量。此时，控制器(未示出) 可以包括运行控制程序的普通微处理器和计算机可读存储介质。
为了确保激光二极管芯片110'本身的电学/机械稳定性，利用TO-can 封装100'来安装激光二极管芯片110'，并且第三温控器件独立地控制 TO-can封装100'自身的温度，以便确保激光二极管芯片IIO怖热稳定性。 控制第三温控器件的控制器(未示出)可以具有与第二温控器件的控制 器类似的结构。
优选地，透镜120'的两侧设置有反射率为1%或更小的抗反射涂层， 以防止从光源输出的光从该透镜反射，并且透镜120'同样被设置TO-can 封装100'内部来通过TO-can封装100'的有源安装将经过透镜120'会聚的 光输入到波导200'。
优选地，该波导设置在基板250'的上方，将第二温控器件的温度传 感器410定位于基板250'的下方，温度传感器支撑层411被设置在温度传感器410的下方，而热电冷却器430设置在温度传感器支撑层411的 下方。支撑波导的基板250'可以是硅基板、聚合物板、玻璃板等。
第三温控器件的温度传感器510位于TO-can封装100'的下方，温度 传感器支撑层511被设置在温度传感器510的下方，而热电冷却器520 被设置在温度传感器支撑层511的下方。
如图3的标号300'所示，该模块还可以包括在波导200输出光的一 端支撑和固定光纤的V形槽形式的光纤支持器300'。
如图4所示，可以以有源对准方案来将基于外腔谐振波导的可调谐 激光器模块安装在用于物理支撑的机械台上。优选地，该机械台由具有 高热传导性的金属制成。详细地说，如图4所示，利用紫外线或热固化 聚合物树脂1将第二温控器件的热电冷却器430和第三温控器件的热电 冷却器520安装在机械台上，利用紫外线或热固化聚合物树脂1来安装 第二温控器件的温度传感器510和第三温控器件的温度传感器410中的 各传感器。通过机械台的机械耦合和激光焊接机来安装TO-can封装100'。
图4示出了用于详细说明能够增加耦合效率并根据TO-can封装光源 的结构以及使用透镜的连接方法中的特性执行有源安装的本发明的优点 的一个示例。有源安装方法及构造本发明的各组件的顺序以及安装结构 不限于图4。
优选地，激光二极管芯片110'具有将光斑大小转换器集成到InP量 子阱结构和法布里-珀罗谐振腔结构的激光二极管中的结构。而且，作为 激光器的波长谱，在振荡时，优选使宽带谱激光器如图5中进行振荡。
参考图6来描述利用了具有如图5所示的宽带谱的光源的可调谐激 光器的工作原理。在入射到波导200'上的多波长宽带光信号(入1，X2，...，
中，具有满足由布拉格光栅限定的以下布拉格条件的特定波长的某 些光信号(图6的？d)被反射并被返回到输入单元中，并且所有具有其 余波长的光信号被输出到输出单元。
mX=2nA(公式1) (在公式l中，m为表示布拉格光栅级次的奇数1、 3、 5、 7， n是 波导的有效折射率，而A为光栅周期)此时，返回到输入单元的具有特定波长(图6的M)的光的强度在 半导体激光二极管芯片中被放大，并且该特定波长被反馈到形成有布拉 格光栅的波导，因此使得具有窄线宽的波长Xi的激光发生振荡。(图6 的箭头表示光的行进方向，各箭头的粗度表示光的强度)。
聚合物波导200'由聚合物材料制成，聚合物布拉格光栅240'由聚合 物材料制成，而形成波导(包层210'和220'及芯230')的聚合物或者形 成布拉格光栅240'的聚合物包括低损耗光学聚合物。低损耗光学聚合物 包括卣族元素或者重氢，优选地包括加热或紫外线固化官能团。另外，
形成波导或布拉格光栅的聚合物优选具有-9.9xio4到-o.5xi0—4 rc'1)的
热光系数。作为一个示例，优选使用用氟取代氢的紫外固化丙烯酸盐系 列聚合物、氟系列聚酰亚胺(fluorine series polyimide)、氟化聚丙烯酸酯 (fluorinatedpolyacrylate)、氟化甲基丙烯酸月旨(fluorinatedmethacrylate)、 聚石圭氧烷(polysiloxane)、氟系聚芳醚(fluorine series polyarylene ether)、 全氟代环丁烷系聚合物(perfluoro cyclobutane series polymer)等。而且， 可以利用韩国注册专利10-0350412、 10-0536439和10-0511100或美国专 利6，946,534B2来实现波导或者布拉格光栅。
参考图7来详细描述波导的详细200'结构和布拉格光栅在芯230'内 形成的位置。波导200'由芯230'和包层210'和220'构成，并且如图7所示， 芯、上包层或下包层可以形成有布拉格光栅，并且如从图7可以看出，波 导的几何结构可以是肋结构、脊结构、反肋结构、反脊结构或通道结构。
作为基于布拉格滤波器的聚合物波导的一个示例，利用LFR (LFR: loss free resin)的波导材料制造可调谐滤波器。优选地，在波导芯 (4.5|imx4.5 jim方形)与上包层(折射率1.37 (1550nm波长))之间 的如图8所示的表面浮雕结构中使用了布拉格光栅作为用于滤波器操作 的布拉格光栅。这时，布拉格光栅使用了光栅周期在m=l级时大约为 568nm的光栅，蚀刻的光栅高度小于0.5pm，使得布拉格光栅的反射率大 约为40%，并且优选使用方形波导来制造该可调谐滤波器。
如上述的一个示例中，形成布拉格光栅240'的材料可以与形成芯230' 的材料相同或者不同。在形成材料不同的情况下，优选使用折射率比芯230'的材料的折射率高的聚合物。更优选地是，布拉格光栅240'的折射率 为芯230'的折射率到包层210'和220'的折射率之间的范围。当制造布拉 格光栅240'的聚合物材料的折射率高于波导芯230'的材料折射率时，可 以用来增加布拉格光栅240'的反射率。因为波导200'的有效折射率是布 拉格光栅的位置、布拉格光栅的厚度、布拉格光栅的通断比(ON/OFF ratio)、布拉格光栅的级次、芯和包层聚合物材料的折射率以及芯的物理 形状的函数，因此难以从理论上预期图7所示的各种结构中的滤波器工 作(反射特定波段中的波长的工作)的中心波长，并且因为制造过程还 会包括误差，因此难以进行准确预期。因此，本发明利用了第一和第二 温控器件来控制一部分形成有布拉格光栅240'的波导200'的温度，因此 容易控制波导的有效折射率，使得能够容易地将滤波器的中心工作波长 固定或调谐到特定波长上。
将形成有起滤波器和外部耦合器作用的布拉格光栅240'的波导构造 成使得在单个波导中以串联方式周期性地形成多个布拉格光栅，其中优 选串联级次为1、 3、 5和7的多个布拉格光栅。因为在同一布拉格光栅 的厚度和通断比中，布拉格光栅的级次越高，反射谱带宽变得更窄，并 且反射率变得越低，因此应当使用具有3级次或更高级次的多个光栅。 在聚合物波导中，1级布拉格光栅周期大约为550nm, 3级布拉格光栅周 期大约为1650nm， 5级布拉格光栅周期，而7级布拉格光栅周期大约为 3850nm。这时，滤波器的中心工作波长为大约1550nm。
现有布拉格光栅滤波器主要利用1级布拉格光栅来制造可调谐滤波 器(在本说明书中，滤波器是指物理上形成有布拉格光栅的波导，为了 清楚， 一起使用了通常利用诸如布拉格光栅对特定波段的波长进行反射 的属性的滤波器)。然而，本发明除1级布拉格光栅外还包括从3、 5、 7 和9级选出的一个或更多个更高级的布拉格光栅。在这些更高级的布拉 格光栅的情况下，因为如上所述周期是1500nm或更大，所以可以应用利 用光掩模作为光栅制造方法的光刻法。能够通过比复杂的现有方法(例 如激光干涉法、电子束写入法、纳米压印(nano-imprinting)法)和精确 方法更简单的光刻法来制造布拉格光栅，使得可以提供能够大量轻松制
18造布拉格光栅的方法。这时，因为布拉格光栅的级次变得越来越高，反 射率变得更低，并且谱带宽变窄，这使得当需要高反射率或者宽带宽时，优选使用通过增加更高级次(3、 5和7级)布拉格光栅的厚度来提升反射率或者通过使更高级次布拉格光栅的长度变长来加宽反射谱带宽的方法。参考图1到8来描述实现本发明的构思的实施方式。这时，为了更 有效地通过透镜连接光源和波导，波导的光入射面形成有如图9 (a)所 示的抗反射涂层231，或者优选的是，波导的入射面或至少包含芯的面是 相对于入射光行进方向的垂直面倾斜的倾斜面。为了解释清楚，在假设 在使光行进方向的垂直面倾斜之前该垂直面就是波导入射面的情况下而 示出图9 (a)。如图9 (a)所示，以倾斜角oc形成波导的光入射面中至 少包含芯的面。该倾斜面或抗反射涂层231用于防止由于空气和波导材 料之间的折射率差导致的光反射(大约4%)而将波导的入射光经过透镜 入射回光源中。如上所述，防止了反射光入射回光源中，因此该激光器 能够以有限噪声更稳定地工作。可以通过干蚀刻和湿蚀刻来形成倾斜面， 并且倾斜角a优选为3°到12°，而抗反射涂层231优选地形成为1%或更 小的反射率。而且，如图9 (a)和9 (b)所示，当在波导的光入射面上形成倾斜 面时，为防止满足斯涅耳(Sndl)定律的光损耗，包含在入射面中的、 构成波导芯中的芯的部分优选弯成P角。P角可以通过空气和芯形成材料 的折射率(分别为n:s， n^)和基于芯的入射面的光入射角a来确定(图 9是在假设在使光行进方向的垂直面倾斜之前该垂直面就是波导入射面的 情况下而示出的)，其中，该角满足斯涅耳定律n空气.sin(a)^n芯.sin(p)。图10是示出了实际制造的基于外腔谐振波导的可调谐激光器模块 的振荡激光束的波长和功率的测量的图；利用本发明的构思，如图3所 示，有源地安装TO-can封装光源(基于法布里-珀罗谐振腔的半导体激光 芯片)、连接光源和波导的透镜、基于LRF的光学聚合物(折射率1.39 (1550nm波长)，热光系数-2.8><10-4 )材料和布拉格光栅(m=l级时 周期大约为568nm，表面浮雕结构，反射率大约为40%)构成的芯(4.5pm x4.5pm方形)、基于LFR的光学聚合物(折射率1.37 (1550nm波长)，19热光系数-2.8x10")材料构成的包层、支撑波导的硅(Si)基板、金 属薄膜加热器、由热电元件构成的热电冷却器、由压敏电阻器构成的温 度传感器。从图10的结果可以看出，激光器在布拉格光栅的中心工作波长处具有小于0.2nm的窄线宽，最大光功率集中在振荡波长处，并且其 余波长的光以相对来说非常低的功率输出。具体地说，可以看到，具有 小于0.2nm的窄线宽的激光器的功率为2dBm或更高。与G. Jeong相比， 这生成了 7dB或更高的改善输出。可以证实的是，通过具有本发明的特 征的透镜，提高了耦合效率。图11是示出了相对于实际制造的基于外腔谐振波导的可调谐激光器 模块的温度(对图11的薄膜施加的功率大小)的振荡特性的测量的图， 其中，光源保持在25"C的温度，滤波器的温度从2(TC到13(TC改变。可 以按照以下公式2来从理论上描述图11的结果。这里，dX/Dt是中心波长相对于温度的变化量，(1/n) Mn/dT是聚合 物波导材料的热光系数相对于温度的相对变化量，(1/A) * (dA/dT)是 热膨胀系数相对于温度的相对变化量。当滤波器的中心工作波长为用于 光通信的C波段内的特定波长1550nm时，用于制造滤波器的波导的材 料为可从Cam Optics公司(Cam Optics Co.)得到的基于无损耗树月旨(LFR: loss free resin)的光学聚合物(折射率1.39，热光系数-2.8xl(T4 ) 材料，使得可以得到-0.308nmTC的结果，作为相对于可调谐滤波器的温 度的中心可调谐属性。这时，所使用的材料的热膨胀系数(公式2)使用 了Si基板的热膨胀系数(2.63xlO- mm—"C")。因为在Si基板(厚度约 为1 mm)上按小于0.1mm的厚度制造了可调谐滤波器的聚合物波导，所 以聚合物波导的热膨胀系数取决于相对厚的基板的热膨胀系数。因此， 合适的是在公式2中使用Si基板的热膨胀系数。对于公式2的结果，本发明的基于外腔谐振波导的可调谐激光器模块能够针对温度改变rc而IJ 、《1 U=-0.3080^2/0C)(公式2)将波长调谐0.308nm，并能够与温度改变大约IO(TC相应地调谐作为光通 信波长波段的全部C波段1535nm到1565nm (30nm带宽)。图11的各点测量了具有如图10的波形的振荡激光束的中心频率。 因此，在图11的各点处，在基于法布里-珀罗谐振腔的半导体激光器芯片 中生成了具有宽带波长宽度的激光振荡，该振荡宽带波长的大约40%返 回到可调谐滤波器中的半导体激光器芯片，而发射其余的60%。这时， 反射并返回的波长具有小于0.2nm的窄的半宽度，并且入射到法布里-珀 罗谐振腔中，使得具有窄线宽的入射激光起到法布里-珀罗谐振腔中种子 的作用，使得谐振腔内具有窄线宽的光实现输出高增益，并且预定光通 过可调谐滤波器被反馈回谐振腔中，而其他部分则经过可调谐滤波器在 具有小于0.2nm的窄线宽的激光器中振荡。从图10和图11可以看出，本发明的基于外腔谐振波导的可调谐激 光器模块可以通过温控器件与外部环境无关地控制布拉格光栅的反射波 段的中心波长达30nm或者更多，并且控制激光束的中心波长可达30nm 或者更多，其特征在于，激光束的功率为OdBm或更高，而激光束的中 心波长的全宽半峰(FWMH: full width half maximum)为0.3nm或更小。 可以看出，图11的结果理论上满足公式2的解释。本领域的技术人员可以理解的是，很容易将先前描述中公开的概念 和具体实施方式
用作修改或者设计用于执行本发明的相同目的的其他实 施方式的基础。本领域的技术人员还可以理解的是，这种等同的实施方 式并没有脱离所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。工业实用性本发明的基于外腔谐振波导的可调谐激光器模块可以广泛应用于 WDM光通信系统、基于ROADM和WDM的无源光网络(PON)等中。 而且，当本发明的基于外腔谐振波导的可调谐激光器模块用于光通信时， 它以低功耗提供了稳定的可调谐功能，并且利用了大热光系数的、具有 显著加宽了可调谐带宽的布拉格光栅的聚合物波导，使得能够降低 ROADM和WDN-PON系统中转发 的价格。
权利要求
1、一种基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器模块，该可调谐激光器模块包括生成宽带光的基于外腔的宽带光源；波导；在所述波导中形成的至少一个布拉格光栅；设置在所述光源的输出端和所述波导的输入端之间的光学透镜；第一温控器件，其包括在设置有所述布拉格光栅的波导上形成的薄膜加热器；以及第二温控器件，其包括温度传感器和热电冷却器，其中，从所述宽带光源输出的光经过所述光学透镜聚焦会聚并输入到所述波导的输入端，以及通过所述第一温控器件和所述第二温控器件利用热光效应来控制所述布拉格光栅的反射波段，并且通过第二温控器件与外部温度环境无关地控制振荡波长。
2、 根据权利要求1所述的基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器模 块，其中，所述宽带光源为封装在TO-can封装中用于进行宽带波长振荡 的半导体激光二极管芯片，所述激光二极管芯片束的发射面表面设置有 反射率为1%或更小的抗反射涂层，所述激光二极管芯片表面的相对于所 述发射面的相应另一面设置有反射率为80%或更大的高反射涂层。
3、 根据权利要求1所述的基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器模 块，其中，所述波导利用聚合物形成。
4、 根据权利要求2所述的基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器模 块，其中，所述TO-can封装的内部或外部设置有具有温度传感器和热电 冷却器的第三温控器件，由此将所述半导体激光二极管芯片的温度控制 在特定温度。
5、 根据权利要求1所述的基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器模 块，其中，所述第二温控器件的温度传感器设置在具有所述布拉格光栅的波导的下方，所述第二温控器件的热电冷却器设置在形成有所述布拉 格光栅的波导的下方，并且所述第一温控器件的薄膜加热器设置在所述 布拉格光栅的上方。
6、 根据权利要求5所述的基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器模块，其中，所述波导设置在基板的上方，所述第二温控器件的温度传感 器设置位于所述基板的下方，在所述温度传感器的下方设置有包括温度 传感器支撑层的支撑层，并且所述热电冷却器设置在包括所述温度传感 器支撑层的支持层的下方。
7、 根据权利要求3所述的基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器模 块，其中，所述布拉格光栅为由聚合物材料制成的聚合物布拉格光栅，形成所述波导或者所述布拉格光栅的聚合物材料包括卣族元素和通 过紫外线或加热进行固化的官能团。
8、 根据权利要求7所述的基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器模 块，其中，形成所述波导或者所述布拉格光栅的聚合物材料具有范围从 -9.9x10-4到画0.5xl0—4 °C"的热光系数。
9、 根据权利要求8所述的基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器模 块，其中，所述布拉格光栅的反射波段的中心波长通过所述第一温控器 件控制在30nm或更宽的调谐带宽内，以便控制所述可调谐激光器振荡激 光束的激光发射中心波长为30nm或更宽。
10、 根据权利要求8所述的基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器 模块，其中，可调谐振荡激光束的功率为OdBm或更大。
11、 根据权利要求11所述的基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器 模块，其中，所述可调谐振荡激光束的中心波长的全宽半峰(FWHM) 为0.3腦或更小。
12、 根据权利要求8所述的基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器 模块，其中，所述波导由芯和包层构造构成，所述芯或所述包层形成有 所述布拉格光栅。
13、 根据权利要求12所述的基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器 模块，其中，形成所述芯的材料的折射率高于形成所述包层的材料的折射率，并且形成所述布拉格光栅的材料的折射率处于形成所述芯的材料 的折射率和形成所述包层的材料的折射率之间的范围内。
14、 根据权利要求12所述的基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器 模块，其中，两个或者更多个布拉格光栅周期在从400nm到4000nm的 范围内，该范围对应于l、 3、 5、 7的光栅级次，在该范围内，两个或者更多个布拉格光栅周期性串联连接到单个波 导上，两个或更多个布拉格光栅的级次彼此独立地具有l、 3、 5、 7级次。
15、 根据权利要求1所述的基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器 模块，其中，所述波导的几何形状为肋结构、脊结构、反肋结构、反脊 结构或通道结构。
16、 根据权利要求1所述的基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器 模块，其中，所述透镜的两侧形成有抗反射涂层。
17、 根据权利要求2所述的基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器 模块，其中，所述透镜设置在所述TO-can封装的内部或外部，以与所述 TO-can封装相集成。
18、 根据权利要求1所述的基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器 模块，其中，所述基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器模块还包括连 接到所述波导的端部的输出端的V形槽形式的光纤支持器。
19、 根据权利要求1所述的基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器 模块，其中，利用有源对准手段使来自TO-Can封装的发射光束方向与所 述波导对准，以有源对准方案安装基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器模块。
20、 根据权利要求3所述的基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器 模块，其中，所述波导的光入射面表面形成有反射率为1%或更小的抗反 射涂层。
21、 根据权利要求3所述的基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器 模±央，其中，来自所述TO-can的光入射到相对于正常入射面呈3。到13° 的范围倾斜输入面的波导中，以便减小由空气间隙造成的反射损耗。
22、 根据权利要求21所述的基于外腔结构谐振波导的可调谐激光器 模块，其中，所述波导的倾斜输入面以满足斯涅耳定律的倾斜面形成。
全文摘要
本发明涉及基于在宽波长波段中可调谐的波导的激光器模块。更具体地说，该激光器模块包括生成光信号的基于外腔的宽带光源；波导；在波导上形成的至少一个布拉格光栅；设置在光源和波导之间的光学透镜；由薄膜加热器构成的第一温控器件；以及第二温控器件，其包括温度传感器和热电冷却器，其中，从光源输出的光经过光学透镜会聚，并输入到波导，并通过热光效应控制布拉格光栅的反射波段，而通过第二温控器件与外部温度环境无关地控制振荡波长。
文档编号H04B10/13GK101652941SQ200880010295
公开日2010年2月17日 申请日期2008年7月25日 优先权日2007年7月27日
发明者卢永郁, 尹智圣, 李哲熙, 李炯宗 申请人:化光通信技术有限公司