一种可调谐窄线宽激光器的制作方法

本发明属于半导体激光器技术领域，特别是涉及一种可调谐窄线宽激光器。

背景技术：

硅光子技术具有传输速度快、信息容量大、集成度高、成本低、功耗小、与coms工艺兼容等优点，是解决下一代超高速信息和数据传输瓶颈的关键技术。随着数据通信带宽的日益增长，频率资源越来越紧张，通常需要提高波长利用率、增加波长调谐范围的方式应对，而硅是间接带隙材料，高性能的光源的缺少严重制约了硅光子技术的发展。采用键合技术能有效结合iii-v族半导体激光器和硅光子平台的优势，但目前的硅基激光器输出线宽不够窄，或调谐范围不够宽，难以满足超高速和超大容量通信对带宽的要求。

传统的硅基激光器，当采用微环谐振器实现波长调谐时，由于微环谐振器影响的纵模增益差(即边模抑制比)与光谱线宽存着一种取舍关系，纵模增益差只与微环谐振器的谐振峰有关，当腔长增加时，纵模间距会变小，纵模增益差减小，很容易产生多模震荡，一般微环自由光谱区选取要远大于纵模自由光谱区，使得线宽压缩在100khz左右。

因此，如何在保证调谐范围和边模抑制比都足够大的同时，研制一种能够满足激光通信所用的超窄线宽单端口输出可调谐激光器，且保证制造工艺简单，性能稳定，成本低，这是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种可调谐窄线宽激光器，能够在保证调谐范围和边模抑制比都足够大的同时，满足激光通信所用的超窄线宽的要求，且保证制造工艺简单，性能稳定，成本低。

本发明提供的一种可调谐窄线宽激光器，包括平面光波导和半导体光放大器，所述平面光波导包括从下至上依次设置的衬底层、下包层、波导芯层、上包层和电极层，其中，所述波导芯层包括依次连接的非对称马赫增德尔干涉仪、第一平行信道单微环谐振滤波器、第二平行信道单微环谐振滤波器、y型分束器、第一锥形模式转换器、直波导芯层、第二锥形模式转换器和环形反射器，所述直波导芯层上键合有所述半导体光放大器，所述电极层包括位于所述非对称马赫增德尔干涉仪的非对称长臂上面的电极、位于所述第一平行信道单微环谐振滤波器和所述第二平行信道单微环谐振滤波器上面的电极和位于所述环形反射器上面的电极。

优选的，在上述可调谐窄线宽激光器中，所述半导体光放大器的中间呈条形，两端呈锥形，且其衬底片上具有刻蚀阻挡层。

优选的，在上述可调谐窄线宽激光器中，所述波导芯层为硅基光波导芯层。

优选的，在上述可调谐窄线宽激光器中，所述波导芯层中的各个器件为单模矩形波导或单模脊形波导。

优选的，在上述可调谐窄线宽激光器中，所述衬底层为硅基衬底层，所述下包层为二氧化硅下包层，所述上包层为二氧化硅上包层或苯并环丁烯上包层，所述电极层为金电极层、铝电极层或钛电极层。

优选的，在上述可调谐窄线宽激光器中，所述第一平行信道单微环谐振滤波器包括第一环形波导、作为上信道的第一直波导和作为下信道的第二直波导，所述第一直波导与所述非对称马赫增德尔干涉仪连接，所述第二直波导与所述y型分束器的一个输出端口连接。

优选的，在上述可调谐窄线宽激光器中，所述第二平行信道单微环谐振滤波器包括第二环形波导、作为上信道的第三直波导和作为下信道的第四直波导，所述第三直波导与所述非对称马赫增德尔干涉仪的另一端连接，所述第四直波导与所述y型分束器的另一个输出端口连接。

优选的，在上述可调谐窄线宽激光器中，所述第一环形波导和所述第二环形波导为圆环形波导、椭圆环形波导或跑道圆环形波导。

优选的，在上述可调谐窄线宽激光器中，所述环形反射器包括第三环形波导、第四环形波导、第五直波导和第六直波导，其中，所述第三环形波导和所述第五直波导定向耦合，所述第四环形波导和所述第六直波导非定向耦合。

优选的，在上述可调谐窄线宽激光器中，所述第三环形波导为四分之三圆环形波导、四分之三椭圆环形波导或四分之三跑道圆环形波导；

所述第四环形波导为半圆环加四分之一圆环形波导、半椭圆环加四分之一圆环形波导或半跑道圆环加四分之一圆环形波导。

通过上述描述可知，本发明提供的上述可调谐窄线宽激光器中，所述波导芯层包括依次连接的非对称马赫增德尔干涉仪、第一平行信道单微环谐振滤波器、第二平行信道单微环谐振滤波器、y型分束器、第一锥形模式转换器、直波导芯层、第二锥形模式转换器和环形反射器，所述直波导芯层上键合有所述半导体光放大器，所述电极层包括位于所述非对称马赫增德尔干涉仪的非对称长臂上面的电极、位于所述第一平行信道单微环谐振滤波器和所述第二平行信道单微环谐振滤波器上面的电极和位于所述环形反射器上面的电极，能够在保证调谐范围和边模抑制比都足够大的同时，满足激光通信所用的超窄线宽的要求，且保证制造工艺简单，性能稳定，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种可调谐窄线宽激光器的示意图；

图2为本申请提供的一种可调谐窄线宽激光器的局部细节示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种可调谐窄线宽激光器，能够在保证调谐范围和边模抑制比都足够大的同时，满足激光通信所用的超窄线宽的要求，且保证制造工艺简单，性能稳定，成本低。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请提供的一种可调谐窄线宽激光器的实施例如图1和图2所示，图1为本申请提供的一种可调谐窄线宽激光器的示意图，图2为本申请提供的一种可调谐窄线宽激光器的局部细节示意图，该可调谐窄线宽激光器包括平面光波导1和半导体光放大器2，平面光波导1包括从下至上依次设置的衬底层11、下包层12、波导芯层13、上包层14和电极层15，其中，波导芯层13包括依次连接的非对称马赫增德尔干涉仪131、第一平行信道单微环谐振滤波器132、第二平行信道单微环谐振滤波器133、y型分束器134、第一锥形模式转换器135、直波导芯层136、第二锥形模式转换器137和环形反射器138，直波导芯层136上键合有半导体光放大器2，电极层15包括位于非对称马赫增德尔干涉仪131的非对称长臂上面的电极151、位于第一平行信道单微环谐振滤波器132和第二平行信道单微环谐振滤波器133上面的电极152和位于环形反射器138上面的电极153。

需要说明的是，上述波导芯层13可以但不限于为硅基光波导芯层，环形反射器138通过定向耦合，将一部分光反射回光路，将另一部分光作为输出，作为激光器的前腔面，通过其上面的电极153加热，可以调节反射波长，y型分束器134、第一平行信道单微环谐振滤波器132、第二平行信道单微环谐振滤波器133和非对称马赫增德尔干涉仪131构成的光路能选择性反射某单一波长光，这两个平行信道单环谐振滤波器不完全相同，它们的自由光谱区略有差别，合成的自由光谱区可有效抑制边纵模，自由光谱区可以由电极加热器微调节。非对称马赫增德尔干涉仪的两个调制臂是重度非对称，此时其自由光谱区与纵模自由光谱区相近，自由光谱区可以由电极加热器微调节，两个调制臂的光程差使得非对称马赫增德尔干涉仪满足其fsr与整体硅基可调谐窄线宽激光器的纵模fsr相比拟，非对称臂上的电极能通过热光效应调节非对称马赫增德尔干涉仪的fsr大小，选择要输出的激射波长。上述半导体光放大器2的芯片4可以但不限于如图1所示的通过键合层3键合在直波导芯层136上，置于第一锥形模式转换器135和第二锥形模式转换器137之间，该芯片4具有多层结构，包括但不限于以下八层：p电极接触层、上限制层、上波导层、有源层、下波导层、下限制层、n电极接触层和化学减薄阻挡层，该有源区可以是量子阱结构，也可以是量子点结构。第一锥形模式转换器135和第二锥形模式转换器137能够实现光场在波导芯层和半导体光放大器芯片之间的高效率耦合，其可以是锥形结构，也可以是双锥形结构，此处并不限制，而且该半导体光放大器的芯片可以是inp基、gaas基或gan基多层外延结构。

该实施例采用的半导体光放大器可以是硅基可调谐窄线宽激光器的增益介质，环形反射器可以是硅基可调谐窄线宽激光器的等效前腔面反射镜，两个微环谐振器、非对称马赫增德尔干涉仪和y型分束器共同组成可调谐窄线宽激光器的等效后腔面反射镜，双微环谐振器、非对称马赫增德尔干涉仪和纵模的自由光谱区进行两次游标选频，能将线宽压缩到khz量级，它们的电极加热器可以调节选频实现波长调谐功能，环形反射器上的电极加热器同样可以调节反射中心波长，因此该实施例提供的可调谐窄线宽激光器可以实现波长调谐和线宽压缩并实现激光输出。

在该实施例中，其等效后反射镜由第一平行信道单微环谐振滤波器132、第二平行信道单微环谐振滤波器133以及非对称马赫增德尔干涉仪131组成，线宽压缩依靠它们的共同作用(这种作用叫游标效应)，可以看成3个谐振腔的3个后反射镜，非对称马赫增德尔干涉仪131的自由光谱区范围很窄，对线宽压缩起主要作用，第一平行信道单微环谐振滤波器132和第二平行信道单微环谐振滤波器133的半径差的很小，使得它们的自由光谱区范围也相差很小，这样它们可以重新组合成一个非均匀自由光谱区范围，主要起到限制边纵模增大边模抑制比的作用，而且其等效前反射镜由环形反射器138组成，反射率低，一般为1％-15％，而且该激光器为单端口输出。

通过上述描述可知，本申请提供的上述可调谐窄线宽激光器的实施例中，波导芯层包括依次连接的非对称马赫增德尔干涉仪、第一平行信道单微环谐振滤波器、第二平行信道单微环谐振滤波器、y型分束器、第一锥形模式转换器、直波导芯层、第二锥形模式转换器和环形反射器，直波导芯层上键合有半导体光放大器，电极层包括位于非对称马赫增德尔干涉仪的非对称长臂上面的电极、位于第一平行信道单微环谐振滤波器和第二平行信道单微环谐振滤波器上面的电极和位于环形反射器上面的电极，能够在保证调谐范围和边模抑制比都足够大的同时，满足激光通信所用的超窄线宽的要求，且保证制造工艺简单，性能稳定，成本低。

在上述可调谐窄线宽激光器的一个具体实施例中，半导体光放大器2的中间可以呈条形，两端可以呈锥形，且其衬底片上具有刻蚀阻挡层，其芯片与硅基芯片的键合方式可以但不限于是分子键合、阳极键合或聚合物键合。

在上述可调谐窄线宽激光器的另一个具体实施例中，波导芯层13中的各个器件为单模矩形波导或单模脊形波导导，这样能够保证激光器为单横模输出，与多模波导相比，这样光束质量更好，光束质量更加接近衍射极限。

在上述可调谐窄线宽激光器的又一个具体实施例中，衬底层11可以为硅基衬底层，下包层12可以为二氧化硅下包层，上包层14可以为二氧化硅上包层或苯并环丁烯上包层，电极层15可以为金电极层、铝电极层或钛电极层，波导芯层13可以采用硅材料或者掺锗的二氧化硅或氮化硅等材料，此处并不限制，其中，下包层12的厚度可以根据波导芯层材料和上包层材料以及波导形貌来确定，只要保证光场不泄露到硅基衬底层即可。

在一个优选实施例中，继续参考图2，图2为本申请提供的一种可调谐窄线宽激光器的局部细节示意图，该第一平行信道单微环谐振滤波器132包括第一环形波导1321、作为上信道的第一直波导1322和作为下信道的第二直波导1323，第一直波导1322与非对称马赫增德尔干涉仪131连接，第二直波导1323与y型分束器134的一个输出端口连接，其fsr远大于整体硅基可调谐窄线宽激光器的纵模fsr。

进一步的，可继续参考图2，第二平行信道单微环谐振滤波器133包括第二环形波导1331、作为上信道的第三直波导1332和作为下信道的第四直波导1333，第三直波导1332与非对称马赫增德尔干涉仪131的另一端连接，第四直波导1333与y型分束器134的另一个输出端口连接，其fsr远大于整体硅基可调谐窄线宽激光器的纵模fsr。

特别的，通过电极加热器，可以将第一平行信道单微环谐振滤波器132和第二平行信道单微环谐振滤波器133的自由光谱区的中心波长、非对称马赫增德尔干涉仪131的自由光谱区的中心波长和目标激射纵模波长相重合，以输出目标波长。

更进一步的，上述第一环形波导1321和第二环形波导1331为圆环形波导、椭圆环形波导或跑道圆环形波导，这样都能够更好的形成等波长间隔反射，其中波长间隔就是自由光谱区。

在另一个优选实施例中，环形反射器包括第三环形波导、第四环形波导、第五直波导和第六直波导，其中，第三环形波导和第五直波导定向耦合，第四环形波导和第六直波导非定向耦合。

可选的，第三环形波导为四分之三圆环形波导、四分之三椭圆环形波导或四分之三跑道圆环形波导；第四环形波导为半圆环加四分之一圆环形波导、半椭圆环加四分之一圆环形波导或半跑道圆环加四分之一圆环形波导，这样都能够更好的形成等波长间隔反射，其中波长间隔就是自由光谱区。

在一些替选实现中，上述y型分束器134可以采用两个四分之一圆弧相外切构成，也可以由倾斜直波导构成，拐角处圆滑处理以减少弯曲损耗。

综上所述，上述实施例提供的可调谐窄线宽激光器，容易应对硅基平台缺少单片集成式可调谐窄线宽的应用，能够在实现宽光谱调谐、窄频率线宽和高边模抑制比的激光功率输出，可以实现与硅基平台其他光子器件片上光互联。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。