用于耦合腔激光器的相位相关的多模干涉装置的制作方法

本发明涉及激光器。具体而言，本发明涉及包括多模干涉的光学波导。

背景技术：

在文献资料中，已知具有用于n个输入和m个输出的相等和不相等的分束比的多模干涉装置(mmi)的示例。所报道的几何形状为了切换应用而进行了优化，但是，到目前为止，用于耦合的激光器的mmi的工作较少。对于后者，当两个输出信号具有与常规90°相比较的180°的相位差时，mmi是较为理想的选择。

所需要的是一种mmi装置，其能够集成光学滤波器与可宽泛调谐的激光器架构。

技术实现要素：

为了解决本领域中的需求，提供了一种3×3多模干涉耦合装置，该装置包括长度l、宽度w、中心输入端口和一对外部输入端口、以及中心输出端口和一对外部输出端口，其中中心输入端口设置在一对外部输入端口之间，其中每个外部输入端口与中心输入端口的距离为w/3，其中中心输出端口设置在一对外部输出端口之间，每个外部输出端口与中心输出端口的距离为w/3，其中，所述3×3多模干涉装置能够在其中支持cbar耦合系数，ccen耦合系数和cx耦合系数，其中当所述一对外部输入端口由具有180°相位差的输入信号同等激励时，当传播长度l为lπ/2的整数倍时，来自每个外部输入端口的ccen耦合系数相消干涉，其中该3×3多模干涉装置从每个外部输出端口输出激光模式，其中当传播长度为lπ/2的整数倍时，输出激光模式具有同等强度。

根据本发明的一个方面，长度l包括5lπ/2的长度，其中cbar≈0.78，ccen≈0.57e^jπ/3和cbar≈0.21e^jπ。

根据本发明的另一个方面，长度l包括lπ/2的长度，其中cbar≈0.21，ccen≈0.57e^jπ/3和cx≈0.78e^jπ。

在本发明的一个实施例中，提供了一种3×3多模干涉耦合装置，其包括长度l＝5lπ/4和宽度w；一对输入/输出端口，其中每个输入/输出端口与中心轴线的距离为w/3；和反射表面，其中所述反射表面包括与所述输入端口相距长度l＝5lπ/4的平坦表面，其中所述3×3多模干涉装置能够在其中支持cbar耦合系数、ccen耦合系数和cx耦合系数，其中，当所述一对输入/输出端口由具有180°相位差的输入信号同等激励时，来自每对输入/输出端口的ccen耦合系数相消干涉，其中所述3×3多模干涉装置从每对输入/输出端口输出激光模式，其中cbar≈0.78，ccen≈0.57e^jπ/3和cbar≈0.21e^jπ。

在本发明的另一个实施例中，所述反射表面包括设置在中心轴线的相对两侧上的一对对称的反射表面，其中所述一对对称的反射表面设置为彼此呈90度角，其中所述90度角的顶点沿所述中心轴线，其中长度l＝lπ/4，其中cbar≈0.78，ccen≈0.57e^jπ/3和cx≈0.21e^jπ。

附图说明

图1a-1d示出了根据本发明的一个实施例的(图1a)3×3mmi的几何形状、(图1b)mmi的单输入激励的bpm仿真、(图1c)具有180度相位差的mmi的激励，以及(图1d)具有排除的中间波导的相关mmi耦合器的几何结构。

图2示出了根据本发明的一个实施例的在图1d中所示的耦合mmi反射器的每个输出端口中的有关于输入间相位差的归一化功率的曲线图。

图3a-3b示出了根据本发明的一个实施例的(图3a)具有在5lπ/4处的平面镜的3×3mmi的几何形状，以及(图3b)具有180度相位差的mmi的激励，呈现拍长5lπ/4。

图4示出了根据本发明的一个实施例的通过使用在图1d中所示的反射器而形成的耦合腔激光器。

图5a-5b示出了根据本发明的一个实施例的常规的迈克尔逊干涉仪(图5a)与使用在图1d中所示的mmi反射器而形成的干涉仪(图5b)之间的比较。

图6示出了根据本发明的图5a中所示的常规迈克尔逊干涉仪相比于采用图5b中所示mmi反射器所形成的干涉仪的模拟光谱响应。

图7示出了根据本发明的使用在图1d中所示的mmi反射器而形成的可宽泛调谐的耦合腔的一个实施例。

图8示出了根据本发明的一个实施例的耦合腔的调谐原理的示意图。

图9a示出了根据本发明的一个实施例的将图7中的耦合腔激光器与使用了图1d中所示的两个mmi反射器的干涉仪集成在一个腔内的示意图。

图9b示出了根据本发明的一个实施例的图9a中集成了耦合腔激光器与干涉仪的模式选择的示意图。

图10示出了根据本发明的一个实施例的环形耦合腔激光器。

图11a-11b示出了根据本发明的一个实施例的制造的耦合腔激光器的光谱结果。

具体实施方式

本发明为多模干涉装置(mmi)，其实现了新的集成的光学滤波器和可宽泛调谐的激光器架构。根据一个实施例，制造基于uv光刻，这使得激光在通信和传感领域的低成本应用方面特别具有吸引力。本发明的实施例也与任何用于光子集成电路的通用集成平台相兼容。并且，一个或多个波导被连接到明显更宽的多模波导。根据一个实施例，更宽的多模波导内的一组模式是通过在预设位置放置输入而激励的。通过多模部分传播后，所激励的模式的叠加会导致输入字段的周期成像。成像的类型和周期性很大程度上依赖于所激励的模式组。在文献中，用于n个输入和m个输出的相等和不相等的分束比的例子给予了良好的解释。所报道的几何形状为了切换应用而进行了优化，但是，到目前为止，用于耦合的激光器的mmi的工作较少。对于后者，本发明的mmi输出具有180°相位差的两个信号，而不是传统的90°。

本发明的一个实施例包括如图1a所示的传输中的3x3一般干涉mmi。该3×3几何结构在拍长lπ处产生相同强度的图像。在此，导模传输方法(mpa)用于说明在mmi装置上的自成像效应。在这一方面，在mmi区域中的多模的传输常数βi(i＝0，1，2，3，...，n，其中n是导模的数目)在在近轴近似中由下式给出：

其中，lπ定义为基模(i＝0)和第1阶模(i＝1)之间的拍长(或耦合长度)：

其中，λ是自由空间波长，we是所述mmi区域的有效宽度：

其中，w是所述mmi区域的物理宽度，nr和nc分别是有效芯折射率和有效包层折射率；整数σ＝0表示te模，σ＝1表示tm模。

在图1b中，示出了本发明的一个实施例的多模区段内的传播的数字示例，其中指示了lπ。这里可以看出，在lπ/2处，三个图像呈现出不相等的强度，使得cbar≈0.21，ccen≈0.57e^jπ/3，和cx≈0.78e^jπ。通过实现cx与cbar之间的相位差为180°，当排除中心波导时，提供了在3×3几何结构中的2×2耦合器。虽然这意味着通常情况下显著的成像损失，但是如果两个外部输入由几乎相等的强度和180°相位差来同时激发，则没有光损失。这里，中心输出在lπ/2的倍数处发生相消干涉，如图1c所示。

在lπ/2的各个倍数处，振幅耦合系数各不相同。根据本发明，对于振幅耦合系数存在六个不同的可能的解决方案，在表1中示出。对于l较大的取值，系数重复。

表1：3x3mmi的不同长度的耦合系数

在一个实施例中，如图1d所示，通过在如表1所列的距离的一半处放置直角反射镜而得到一个全反射装置。由于直角反射，耦合系数被互换。要注意的是，在上方表中所列出的理想值仅仅在两个输入的强度相等并且二者的相位差为180°时在反射中发生。对于图1c所示图像中所有其它的相位差不是最佳的，并会发生损耗。这一特性使得本发明的当前实施例也是相位相关的反射器。对于输入之间不同相位差，每个输入端口的归一化反射在图中2描绘。

在另一个实施例中，如图3a所示，通过在5lπ/4处放置平面反射镜而得到全反射装置，其中该装置的长度(参照图3b)是图1d中所示装置长度的5倍。再次强调，在上方表1中所列出的理想值仅仅在两个输入的强度相等并且二者的相位差为180°时在反射中发生。这一特性使得本发明的当前实施例也是相位相关的反射器。

根据本发明的各个实施例的各方面，两个耦合腔以如下方式耦合：少量光在耦合腔之间交换，如在表1中所示，例如cx＜cbar且相对相位为(π)，其中耦合系数概括用于如图1a所示的传输中的3x3mmi。在此，仅仅对于长度5lπ/2和3lπ的重复率，可获得适宜的耦合系数。

本发明的其他实施例包括具有长度lπ/2的3x3mmi，其中cx＞cbar的限制通过采用空腔以使得它们在物理上彼此交叉而得以克服。进而，如果长度减半，并且终结于由如图1d中所示的直角反射表面，则实现了该装置的mmi反射器。此处，直角反射器交换/反转耦合系数，使得cx，变为cbar并且cbar，变为cx，在此情况下，实现了耦合的法布里-珀罗几何结构。

现在转向这些装置的一些示例性应用，其中，法布里-珀罗耦合腔激光器示于图4。根据本发明的该示例性实施例，通过耦合两个多模激光腔以产生单一可调谐激光器而形成激光器。这是基于游标效应(verniereffect)。使用图1d中所示的耦合反射镜完成耦合。根据本发明的其它方面，所述mmi用于耦合两个腔，诸如法布里-珀罗耦合腔激光器，基于mmi反射器的干涉仪，可宽泛调谐的耦合腔激光器，设计具有两个内部空腔滤波器的激光器，和环形耦合腔激光器，或者一个法布里-珀罗和一个环。

图5a提供了一个集成的迈克尔逊干涉仪。在进一步的示例性实施例中，使用图1d中实施例的相位相关的反射，可形成如图5b所示的基于迈克尔逊干涉仪的滤光器。通过使用该组件主要对于两个输入之间的180°相位差而反射的事实，周期性迈克尔逊响应的各个第二峰被抑制(参见图6)。这使得，该滤光器的有效自由光谱范围增强了两倍，而不改变该滤光器或覆盖区(footprint)的频谱宽度。这在采用类似干涉仪的激光器中最终实现了两倍的可调谐范围。

现在转向使用本发明扩展的耦合腔激光器的设计，其中两个激光腔(参见图7)(其本身发出多种波长)通过如图1d所示的反射镜耦合在一起。在这一示例性的应用中，所述腔具有不同的长度，并且它们中的一个可包含一个波长相关的可调节的反射镜(例如干涉仪)。激光波长可以通过在一个腔中借助电流注入的方法来微调，以及通过改变有效反射镜来粗调，如图9a所示。

最终的激光模式选择说明如下。图7和图9a所示的激光器1和激光器2内的两种可能的激光模式之间的网格间距取决于各个激光器的长度。其中两个网格间距一致，选择稍有不同，耦合加强激光发射波长。

根据图7和图9a所示的实施例，如果电流注入所述激光器中的一个，由于这两个可能的激光网格相对于彼此移位，从而激光可被调谐。但是，因为这两个网格是周期性的，它们也可能在第二波长进一步地重叠。这通常限制了整体的调谐范围。为了区分所需的波长和不必要的副本，在所述空腔中的一个里面采用波长相关滤光器。通过调节该反射镜，可选择剩余可能性之一。这种效应在图8和图9b中示意性地示出，其中粗线代表最终的激光模式。

模式选择机制示于图9b。具有由δl1和腔长决定的fsr的两个腔之间的游标效应用于从法布里-珀罗梳状频谱中选择一个波长。失调的δl2被选择用于抑制竞争的波长远离腔体2内的目标模式一个fsr。因此，该耦合系统在所述fsr上操作，其与干涉仪的最大反射一致。由实现粗调，具有由δl2的选择而确定的范围。细调是通过调整采用了相位区段的空腔的纵模来实现的。在此过程中，在检测器上产生光电流，其具有与所选纵模相关的幅度。激光模式，其与干涉仪反射峰重合，产生最小的电流。以这种方式，激光器可以通过将检测器的电流最小化而得到稳定。

根据图7和图9a中所示的实施例，提供了一种基于具有双倍的自由光谱范围的迈克尔逊干涉仪的可宽泛调谐的耦合腔激光器。示出的是与具有长度差为δl1的两个耦合的法布里-珀罗腔，每个包含一放大器(soa)和一个相位调谐区段两个空腔通过双端口的mir耦合反射镜耦合，该反射镜在其端口引入180°的相移，而不是通常的90°。这对于确保具有高smsr的波长选择是很重要的。一个腔包含具有失调的δl2和相位区段的可调谐干涉仪，从而制约了有效往返增益带宽，并允许波长粗调。另一个腔由一解理的(cleaved)波导终端r1形成。该2×2多模干涉分路器位于所述干涉仪的输入端，通过一个端口连接到用于稳定性控制的集成光电探测器。干涉仪的反射光谱类似于迈克尔逊干涉仪，但是它精确地提供了两倍的自由光谱范围(fsr)，同时保持了相同的半峰全宽(fwhm)。

使用4mm长的腔(其中2mm为移相器)耦合在一起的样机已经制成。该装置耦合到有透镜的光纤，具有9mw的全功能。典型的光谱结果显示在图11a-11b中，具有40db以上的smsr和25nm以上的可调谐能力。

现在转到环形耦合腔激光器，其中法布里-珀罗腔耦合到环。该结构示于图10。用于该结构中的耦合装置长为5lπ/2，如表1中所示。这种结构益处在于使用将有效的反射涂层用作反射镜的可能性。这对于具有集成性较差的反射镜的平台而言是一个很好的替代。可选择地，法布里-珀罗腔也可以由环代替，或环由法布里-珀罗腔代替。

现已根据几个示例性实施例对本发明进行了描述，其意图是在所有方面进行说明，而非限制性的目的。因此，本发明能够基于具体的实施例而进行许多变型，其可以由本领域的普通技术人员从本发明所包含的描述中获得。例如，两个环形耦合激光器，两个法布里-珀罗型激光器，或其混合。有效的反射镜可以由任何类型的干涉仪来实现，例如，马赫-曾德尔，迈克尔逊，环形谐振腔，也可以是具有波长相关的插入损耗的装置，例如，多路复用器，阵列波导光栅或阶梯光栅。进一步地，所述装置可用于将多个腔耦合在一起，例如三个或四个腔。

所有这些变化都被认为是由以下权利要求及其合法等效物所限定的本发明的范围和精神之内。