基于锥形波导增益的高功率硅基III-V族外腔激光器的制作方法

基于锥形波导增益的高功率硅基iii-v族外腔激光器
技术领域
1.本发明涉及硅基光电子学与集成光电子学领域，具体涉及一种基于锥形波导增益的高功率硅基iii-v族外腔激光器。


背景技术：

2.高功率、窄线宽、宽调谐范围的激光器在相干光通信、激光雷达、微波光子学等领域具有重要应用。当前的商用固态激光器、光纤激光器、半导体体式外腔激光器虽然在性能上能够满足要求，但在尺寸、体积、功耗等方面无法与半导体芯片集成式激光器相媲美。
3.常见的iii-v族本体激光器包括分布反馈式激光器(dfb)、垂直腔面发射激光器(vcsel)、分布式布拉格光栅激光器(dbr)等。这些激光器具有体积小、功耗低的优点。但由于腔长短和光栅自由光谱范围有限等限制，本体激光器的线宽较大(最小在百khz量级)，同时调谐范围也较小(通常小于70nm)。
4.为了压缩iii-v族半导体激光器的线宽并增大调谐范围，同时控制激光器的体积和成本，可以将iii-v族增益和硅基芯片异构集成实现外腔激光器。基于硅基波导平台低损耗和高集成密度的优势，外腔芯片具备窄通带、宽调谐、大自由光谱范围的滤波器，并提供低损耗大延时功能，使得线宽与调谐范围等性能有很大提升。但是，由于外腔激光器引入了耦合损耗、外腔损耗，激光输出功率偏低。
5.传统iii-v族单横模半导体激光器采用的是窄脊形波导，脊宽约2-3微米。这样的脊宽利于输出单横模光斑，可以和常规的硅基外腔芯片高效耦合。但窄脊波导由于饱和功率低、散热差，所允许的输入电流较低，无法实现高功率(瓦级别)的输出。多横模宽波导iii-v族半导体激光器显著增加了波导的散热面积和饱和功率，可以较大程度提高注入电流，显著提升输出功率，但由于多横模的存在，不利于与硅基芯片进行异构集成形成单横模激光器。


技术实现要素：

6.针对当前硅基外腔激光器中功率低的问题，本发明提供了一种基于锥形波导增益的高功率硅基iii-v族外腔激光器。该激光器中锥形波导增益芯片具有饱和功率高、散热特性好的优势，提供高输出功率。得益于一段单横模波导和锥形变化结构、外腔单横模反馈特性，锥形波导增益芯片输出扁平状单横模光场。非线性模斑耦合器将扁平的单模光场逐渐压缩至与外腔波导匹配的单模光场。该发明提供了大功率、窄线宽、宽调谐的片上激光器，能够在大规模光电芯片系统中应用。
7.本发明的技术解决方案如下：一种基于锥形波导增益的高功率硅基iii-v族端面耦合外腔激光器，包括反射型半导体光放大器和硅基光子外腔芯片，该硅基光子外腔芯片上集成有模斑转换器和其余外腔器件。所述的半导体光放大器采用后端窄波导、前端锥形波导的结构。宽波导部分增大了波导面积，显著提高了输入电流上限，进而可以有效提升输出功率，窄脊波导部分能够对光
的模式进行限制，让光以单横模的状态从锥形波导部分输出。由于外腔只反馈单横模，所述的半导体光放大器也可以整体采用宽波导的结构。所述的半导体光放大器后端具有高反射率，反射率≥90％，前端具有高透射率，反射率≤0.005％。半导体光放大器有源区采用啁啾量子阱结构，通过将多个量子阱增益曲线交叠，实现更平缓、更宽的光谱，提高了半导体光放大器的带宽，为实现宽调谐范围提供增益基础，有源区还可以采用量子线结构或量子点结构。所述的模斑转换器用于耦合所述的反射型半导体光放大器和其余外腔器件。模斑转换器端面结构和所述的半导体光放大器锥形端面结构模式匹配程度高，模斑转换器通过非线性的渐变结构逐步缩小光斑的横向大小，直至和外腔波导完全匹配。非线性的渐变结构能以较小的尺寸实现较高的模场转换效率。为减小寄生反射的影响，耦合端面的波导可以采用倾斜处理。进一步，所述的半导体光放大器与所述的硅基外腔芯片采用端面耦合的方式集成，锥形波导半导体光放大器的锥形前端输出为扁平的单模光斑(横向尺寸为几十微米，比如120微米，纵向尺寸约1-3微米)，而传统窄脊半导体光放大器的输出为很小的单模光斑(横向尺寸约为2-5微米，纵向尺寸约为1-3微米)。由于大光斑相比小光斑更容易对齐，因此，在水平方向上，锥形波导半导体光放大器的耦合容差比传统窄脊半导体光放大器提升显著，可以降低耦合设备的对准精度，显著提升生产效率。
15.所述的激光器只需所述的半导体光放大器与所述的硅基外腔芯片进行一次端面耦合，封装成本低，芯片可靠性高。进一步，所述的其余外腔器件，包括第一移相器、第二移相器、第一多模干涉耦合器、第二多模干涉耦合器、第一微环滤波器、第二微环滤波器、定向耦合器。所述的半导体光放大器前端与所述的模斑转换器前端进行端面耦合，所述的模斑转换器后端与所述的第一移相器前端相连，所述的第一移相器后端与所述的第一多模干涉耦合器前端相连，所述的第一多模干涉耦合器后端两个通道分别与第一微环滤波器前端和第二微环滤波器前端相连，所述的第一微环滤波器和第二微环滤波器后端与所述的定向耦合器前端相连，所述的定向耦合器后端两条通道分别与所述的第二移相器前端和所述的第二多模干涉耦合器前端一条通道相连，所述的第二移相器后端与第二多模干涉耦合器前端另一条通道相连，所述的第二多模干涉耦合器后端即为激光的输出端。除半导体光放大器外，其他部件共同构成硅基外腔芯片。优选的，所述的第一移相器和第二移相器采用热光移相器或电光移相器。优选的，所述的第一微环滤波器和第二微环滤波器为两个半径略有不同的微环结构，也可采用光栅等其他具有滤波功能的结构。优选的，所述的第一多模干涉耦合器、两个微环滤波器、定向耦合器以及连接它们的波导共同构成sagnac环形反射器，也可采用布拉格光栅等其他具有反射功能的结构。优选的，所述的定向耦合器分光比对应输出和反馈比例。该定向耦合器也可以用相同效果的2
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2的多模干涉仪和其他具有2
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2通道耦合功能的绝热定向耦合器代替。除所述的半导体光放大器外，其余部件都可由氮化硅材料、硅材料或二氧化硅材料等具有波导功能的材料实现。与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)对所述的激光器高功率、窄线宽和宽调谐三个指标的关系进行解耦，使得该外
腔激光器在实现窄线宽和宽调谐性能的同时，能够输出高功率。解决了宽波导与硅基外腔耦合效率低、多横模输出等问题，能够在大规模光电芯片系统中应用。2)利用fdtd软件进行仿真得出，在1％的模式损耗条件下，非线性模斑转换器长度相比线性模斑转换器长度短30％左右，这可以有效缩小激光器尺寸，进而提高系统集成度。3)半导体光放大器的有源区采用啁啾量子阱结构，通过将多个量子阱增益曲线交叠，实现更平缓、更宽的光谱，解决了功率和带宽的制约关系，实现高功率输出的同时提高了半导体光放大器的带宽，为实现宽调谐范围提供增益基础。
附图说明
23.图1为基于锥形波导增益的高功率硅基iii-v族外腔激光器的实施例示意图。
24.图中：101—半导体光放大器，102—模斑转换器，103-1—第一移相器，103-2—第二移相器，104-1—第一多模干涉耦合器，104-2—第二多模干涉耦合器，105-1—第一微环滤波器，105-2—第二微环滤波器，106—定向耦合器。
具体实施方式
25.为了进一步阐明本技术方案的目的、技术方案及核心优势，下文结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。所描述的实施例是本技术的一种实施例，而不是全部的实施例。
26.在本技术中，当描述到特定部件位于第一部件和第二部件之间时，在该特定部件与第一部件或第二部件之间可以存在居间部件，也可以不存在居间部件；当描述到特定部件连接其它部件时，该特定部件可以与所述其它部件直接连接而不具有居间部件、也可以不与所述其它部件直接连接而具有居间部件。
27.由图1所述的实施例可见，一种基于锥形波导增益的高功率硅基iii-v族端面耦合外腔激光器，包含半导体光放大器、模斑转换器、第一移相器、第二移相器、第一多模干涉耦合器、第二多模干涉耦合器、第一微环滤波器、第二微环滤波器、定向耦合器。所述的半导体光放大器前端与所述的模斑转换器前端进行端面耦合，所述的模斑转换器后端与所述的第一移相器前端相连，所述的第一移相器后端与所述的第一多模干涉耦合器前端相连，所述的第一多模干涉耦合器后端两个通道分别与第一微环滤波器前端和第二微环滤波器前端相连，所述的第一微环滤波器和第二微环滤波器后端与所述的定向耦合器前端相连，所述的定向耦合器后端两条通道分别与所述的第二移相器前端和所述的第二多模干涉耦合器前端一条通道相连，所述的第二移相器后端与第二多模干涉耦合器前端另一条通道相连，所述的第二多模干涉耦合器后端即为激光的输出端。除半导体光放大器外，其他部件共同构成硅基外腔芯片。
28.在图1所述的实施例中，半导体光放大器101采用后端窄波导、前端锥形波导的结构，也可以采用弯曲锥形波导、宽波导、弯曲宽波导等具有高输入电流的波导结构。锥形宽波导部分增大了波导面积，提高了输入电流上限，进而大大提升功率，窄脊波导部分能够对光的模式进行限制，让光以单横模的状态从锥形波导部分输出。
29.在图1所述的实施例中，半导体光放大器101的外延结构采用的是iii-v族材料，iii-v族材料为直接带隙半导体，具有很高的发光效率。半导体光放大器101的外延结构也
可以采用ii-vi族材料。
30.在图1所述的实施例中，半导体光放大器101的有源区采用啁啾多量子阱结构，通过将多个量子阱增益曲线交叠，实现更平缓、更宽的光谱，提高了半导体光放大器的带宽，为实现宽调谐范围提供增益基础，有源区还可以采用量子线结构或量子点结构。
31.在图1所述的实施例中，半导体光放大器101的后端具有高反射率，反射率≥90％，前端具有高透射率，反射率≤0.005％。
32.在图1所述的实施例中，模斑转换器102的端面结构和半导体光放大器101的锥形端面结构具有很高的模式匹配度，模斑转换器通过非线性的渐变结构逐步缩小光斑的横向大小，直至和外腔波导完全匹配。利用fdtd软件进行仿真得出，在1％的模式损耗条件下，非线性模斑转换器长度相比线性模斑转换器长度短30％左右，可以大大缩小激光器尺寸，进而提高系统集成度。
33.在图1所述的实施例中，第一移相器103-1和第二移相器103-2采用的是热光移相器，也可以采用电光移相器。
34.在图1所述的实施例中，半径略有不同的微环滤波器构成滤波器系统，两个微环的传输谱构成游标效应，在增益带宽内实现较大的fsr，因此可以实现单纵模激光。两个微环的fsr表示为：其中r1、r2为微环的半径，ng为群速度，λ为波长。根据游标效应，可以由下式计算拓展的fsr：两个微环的透射谱fsr略微不同，因此只有对齐的谐振峰损耗较低，实现了fsr的扩展。滤波器也可采用光栅等其他具有滤波功能的结构。
35.在图1所述的实施例中，所述的第一多模干涉耦合器、两个微环滤波器、以及连接它们的波导共同构成sagnac环形反射器，也可采用布拉格光栅等其他具有反射功能的结构。
36.在图1所述的实施例中，定向耦合器106的分光比决定激光器镜面输出和反馈的比例。该定向耦合器也可以用相同效果的2
×
2的多模干涉仪和其他具有2
×
2通道耦合功能的绝热定向耦合器代替。
37.在图1所述的实施例中，除半导体光放大器101外，其余部件都可由氮化硅材料、硅材料或二氧化硅材料等具有波导功能的材料实现。
38.在图1所述的实施例中，半导体光放大器101与硅基外腔芯片采用端面耦合的方式集成，锥形波导半导体光放大器的锥形前端输出为扁平的单模光斑(横向尺寸约为120微米)，而传统窄脊半导体光放大器的输出为很小的单模光斑(横向尺寸约为5微米)。由于大光斑相比小光斑更容易对齐，因此在进行端面耦合时锥形波导半导体光放大器的水平耦合容差相比传统窄脊半导体光放大器大很多，在具体实施上可以显著降低生产成本，提高生产效率。
39.在图1所述的实施例中，激光器只需所述的半导体光放大器101与所述的硅基外腔芯片进行一次端面耦合，封装成本低，芯片可靠性高。
40.在图1所述的实施例中，半导体光放大器101通过电注入实现激励，超过阈值电流后产生激光输出。激光通过模斑耦合器102耦合进入硅基外腔芯片，之后经过第一移相器
103-1进入第一多模干涉耦合器104-1，再从第一多模干涉耦合器104-1输出的两个通道分别进入第一微环谐振器105-1和第二微环谐振器105-2，之后经过第一微环谐振器105-1和第二微环谐振器105-2的输出端，到达定向耦合器106，从定向耦合器106的另两个端口输出至第二多模干涉耦合器104-2。定向耦合器的功率耦合系数决定输出和反馈的比例。所述的半导体光放大器101、模斑耦合器102、第一多模干涉耦合器104-1、第一微环谐振器105-1、第二微环谐振器105-2、以及连接第一微环谐振器105-1和第二微环谐振器105-2的输出端的波导，共同构成了激光器的谐振腔。通过锥形波导半导体光放大器101的大电流注入，增加了出射光功率。
41.在图1所述的实施例中，通过调节移相器和微环滤波器，将半导体光放大器的法布里-珀罗腔谐振波长与微环游标效应的谐振波长对准实现选模，激光器输出波长因此能够连续可调。
42.在图1所述的实施例中，位于第二多模干涉耦合器104-2一臂上的移相器103-2调节相位，补偿第二多模干涉耦合器104-2两臂的相位差，实现两臂输出的相干相长，保证输出功率的最大化。
43.在图1所述的实施例中，激光器高功率、窄线宽和宽调谐三个指标的关系得以解耦，使得该外腔激光器在实现高功率输出的同时还具有窄线宽和宽调谐的性能。
44.实施例：半导体光放大器采用inp基啁啾量子阱外延结构，带宽约100nm，中心波长约为1550nm。波导后端(直波导部分)采用0.5mm的长度和3μm的宽度，波导前端(锥形部分)采用1mm的长度和从3μm到120μm线性变化的宽度，半导体光放大器输出功率约1w。模斑耦合器采用氮化硅波导材料实现，总长度2mm，前端宽度120μm，后端宽度1μm，氮化硅波导宽度与长度的非线性关系函数为：w(x)＝0.00133*(2000-x)
1.5
1。半导体光放大器经过端面耦合工艺与模斑耦合器的耦合损耗仅3db。
45.本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。