[發明專利]集成邁克爾遜干涉儀-雙程放大器的III-V/硅基端面耦合外腔激光器

有效

• 申請號: 202010103855.2
• 申請日: 2020-02-20
• 公開（公告）號: CN111342342B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 周林杰;郭宇耀;趙瑞玲;陸梁軍;陳建平
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01S5/14
• 分類號: H01S5/14
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種集成邁克爾遜干涉儀?雙程放大器的III?V/硅基端面耦合外腔激光器，該外腔激光器的反射型半導體光放大器芯片的一個增益通道通過硅基光斑尺寸轉換器連接到硅基移相器，之后再經過兩個微環諧振腔級聯構成的窄帶濾波器，連接到環形反射鏡，以此構成硅基外腔激光器。為了增加輸出光功率，反射鏡的輸出端經過一個移相器連接到邁克爾遜干涉儀。該邁克爾遜干涉儀由硅基定向耦合器與反射型半導體光放大器芯片的另外兩個增益通道端面對準構成。本發明能同時實現激光器的窄線寬和高功率，增益芯片和硅芯片只通過一個端面耦合，具有結構緊湊、封裝簡單和可靠性高的優點。

技術領域

本發明涉及光通信的集成光學領域，特別是一種集成邁克爾遜干涉儀-雙程放大器的III-V/硅基端面耦合外腔激光器。

背景技術

窄線寬、高功率激光器在相干光通信，光學傳感，激光雷達，微波光子學等領域有重要應用。當前的商用固態激光器、光纖激光器、半導體空間光外腔激光器雖然在性能上能夠滿足要求，但在尺寸、體積、功耗等方面無法與半導體激光器相媲美。

半導體激光器的線寬受諸多因素影響，根據Schawlow-Townes公式，分布式反饋(DFB)半導體激光器線寬很難降到100kHz以下，這是因為其用來減小線寬的光柵要么刻蝕在增益芯片的包層中，要么刻蝕在增益芯片的有源區當中，而在III-V材料中，線寬會因為波導折射率和相位變化以及增益-折射率耦合而變寬，這源于內部光場強度變化，除此之外，激光器內部無法避免的自發輻射也會帶來一定程度的光場相位和強度改變，它們都會使線寬出現不同程度的展寬。相較于DFB激光器，III-V/硅基外腔激光器將諧振腔拓展至硅光芯片中，增大了激光器的Q值，脫離光放大區域的外腔由于其對空間變化和相位/增益變化不敏感，且諧振腔腔長可由無源波導長度控制，從而可以大幅減小線寬。

從工藝角度看，可以通過片上異質集成和端面對接耦合兩種方式完成III-V材料和硅基外腔集成。前者具有集成密度高、封裝成本低等優勢，但是其技術門檻高，散熱性弱，成品率較低；另一方面，對于集成規模不大的應用場合，端面對接耦合由于芯片單獨優化和提前測試，可以保證性能和良品率，其較好的散熱性不僅可以提高峰值功率，還可以減小熱串擾。

對于硅基外腔濾波器，常見的是基于雙微環游標效應的結構，該結構利用兩個微環自由光譜范圍(FSR)微小的差異，擴展濾波器的FSR。通過將整個激光器的法珀腔模式對準濾波器峰值波長，一方面通過微環諧振增加腔長，另一方面通過窄帶濾波器限制增益，進而得到線寬窄、邊模抑制比(SMSR)高的激光。

然而，當III-V增益芯片運行在較高泵浦狀態時，SMSR會隨著泵浦電流的進一步增大而減小，這意味著SMSR和高功率存在制約關系。另一方面，硅波導受雙光子吸收的影響，其波導功率上限較低(對于500nm×220nm波導尺寸，峰值功率在100mW左右)，這進一步限制了激光輸出功率的增長。

在激光器輸出端串接光放大器(Booster)將激光進行放大，一方面可以將上述SMSR和功率的制約關系進行解耦，另一方面可以規避硅基波導功率限制的問題，因此是提高輸出功率的常見思路，日本NEC公司、美國Neo Photonics公司基于這種方法，有效地提高了輸出功率。然而，前兩者的激光輸出處于增益芯片端，其串接Booster后，功率沒有直接輸出于硅基芯片，不能夠直接利用，若在Booster后集成硅光芯片，則需要四個芯片對接耦合，這不僅使得封裝成本高，同時也容易降低芯片系統的可靠性。

為了能夠將放大的激光回饋到硅光回路，美國的Bell實驗室將定向耦合器放置于III-V增益芯片中，之前由硅芯片出射的窄線寬激光可通過定向耦合器的一端波導耦合進入該III-V增益芯片當中，再通過該增益芯片中的定向耦合器的另一端波導耦合進入硅芯片的其他光學回路，整個過程使用了兩次耦合，較上述方案有較為明顯的優勢。然而，一方面，定向耦合器工藝容差小，芯片切割帶來的誤差也容易影響到分光比例，另一方面，如果定向耦合器采用和Booster部分同樣的波導結構，則較近的通道間隔使得散熱問題嚴重，如果定向耦合器采用和Booster部分不一樣的波導結構，即無源波導，那么會顯著增加工藝成本。