CN113937617A - 一种多波长激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种多波长激光器。该多波长激光器包括阵列波导光栅、半导体光放大器阵列、相位区阵列和反射单元；阵列波导光栅包括n个多波长端口和2m个单波长端口；反射单元用于将多波长端口的输出光反射回阵列波导光栅；半导体光放大器阵列包括m个半导体光放大器，半导体光放大器的输入端和输出端分别和光谱通带重合的两个单波长端口耦合；相位区阵列包括m个相位区，相位区用于将每个光回路中的光相位调制为2π的整数倍；其中，n和m均为大于1的整数。本发明实施例提供一种易于实现的、各波长通道可独立控制的多波长激光器，各通道的波长可由设计决定，并经过波分复用后输出；解决了光通信和光传感等领域对多波长光源的需求。

Description

一种多波长激光器
技术领域
本发明实施例涉及激光器技术，尤其涉及一种多波长激光器。
背景技术
随着各种应用对带宽需求的提高，波分复用(WDM)技术普遍地运用在各类光通信、光互连、光传感等***中。传统的WDM***需为每个波长配备一个独立的高性能半导体激光器，使得***结构复杂、成本高昂。用一个多波长光源替代***中数十个半导体激光器，可以极大地简化***、降低成本，是一个极具吸引力的解决方案。
目前的多波长激光器方案主要有：(1)基于锁模光纤激光器；(2)基于III-V族半导体的量子点、量子线多波长激光器；(3)基于阵列波导光栅(AWG)滤波的多波长激光器。
锁模光纤多波长激光器通常选用半导体光放大器(SOA)或掺铒光纤放大器(EDFA)作为增益介质，用光纤光栅或者法布里-珀罗滤波器选择波长。由于采用多个分立元件，器件体积庞大、成本高昂，不适合用于对成本敏感的光通信应用；基于III-V族半导体量子点或量子多波长激光器通常多个波长的功率不均匀、和设计值有偏差，而多个波长不能独立调谐，各波长光功率不高，导致总体性能和应用需求有差距。
现有的基于AWG滤波的多波长激光器包含分立元件太多，结构复杂、体积较大；而且AWG器件、特别是大通道数的DWDM-AWG尺寸大，导致该器件的总体成本很高，集成度越高工艺良率也越低。因此，需要有一种能够兼顾小尺寸、低成本、同时能够各波长独立调谐，能够满足***应用多方面需求的多波长激光器方案。
发明内容
本发明实施例提供一种易于实现的、各波长通道可独立控制的多波长激光器，各通道的波长可由设计决定，并经过波分复用后输出；该多波长激光器解决了光通信和光传感等领域对多波长光源的需求。
本发明实施例提供一种多波长激光器，包括阵列波导光栅、半导体光放大器阵列、相位区阵列和反射单元；
所述阵列波导光栅包括n个多波长端口和2m个单波长端口，多个波长的光从所述多波长端口输入时，每个所述单波长端口输出一个波长的光；光从两个所述多波长端口输入时，所述阵列波导光栅包括m个成对的光谱通带重合的单波长端口；
所述反射单元的反射面位于一个所述多波长端口的一侧，所述反射单元用于将所述多波长端口的输出光反射回所述阵列波导光栅；
所述半导体光放大器阵列包括m个半导体光放大器，所述半导体光放大器的输入端和输出端分别和光谱通带重合的两个所述单波长端口耦合；
所述相位区阵列包括m个相位区，所述相位区位于光谱通带重合的两个所述单波长端口之间的光路上，用于将每个光回路中的光相位调制为2π的整数倍；
其中，n和m均为大于1的整数。
可选的，还包括梳状滤波器，所述梳状滤波器的输入端与所述多波长端口耦合，所述梳状滤波器包括多个透射通道，所述透射通道与所述单波长端口的光谱通带匹配，且所述透射通道的带宽小于所述光谱通带的带宽。
可选的，所述梳状滤波器包括相移结构，所述相移结构用于调节所述透射通道的中心波长。
可选的，所述梳状滤波器包括微环谐振腔、采样布拉格反射器或光学标准具。
可选的，所述阵列波导光栅、所述反射单元和所述梳状滤波器集成在同一芯片上，或者
所述梳状滤波器和所述半导体光放大器阵列集成在同一芯片上。
可选的，所述阵列波导光栅、所述梳状滤波器、所述相位区阵列和所述半导体光放大器阵列中至少两者的耦合端面设置有增透膜。
可选的，所述阵列波导光栅、所述梳状滤波器、所述相位区阵列和所述半导体光放大器阵列中至少两者的耦合端面之间设置有透镜。
可选的，所述相位区阵列和所述阵列波导光栅集成在同一芯片上，或者
所述相位区阵列和所述半导体光放大器阵列集成在同一芯片上。
可选的，所述反射单元包括Sagnac反射镜或设置在所述多波长端口端面的增反膜。
可选的，还包括设置于所述多波长激光器的输出端的隔离器。
可选的，还包括反射镜，所述反射镜用于将所述半导体光放大器的光耦合入光回路中。
可选的，所述阵列波导光栅由氮化硅波导、二氧化硅波导或硅波导实现。
本发明实施例提供的多波长激光器，包括阵列波导光栅、半导体光放大器阵列、相位区阵列和反射单元；阵列波导光栅包括n个多波长端口和2m个单波长端口，多个波长的光从多波长端口输入时，每个单波长端口输出一个波长的光；光从两个多波长端口输入时，阵列波导光栅包括m个成对的光谱通带重合的单波长端口；反射单元的反射面位于一个多波长端口的一侧，反射单元用于将多波长端口的输出光反射回阵列波导光栅；半导体光放大器阵列包括m个半导体光放大器，半导体光放大器的输入端和输出端分别和光谱通带重合的两个单波长端口耦合；相位区阵列包括m个相位区，相位区位于光谱通带重合的两个单波长端口之间的光路上，用于将每个光回路中的光相位调制为2π的整数倍；其中，n和m均为大于1的整数。通过反射单元、阵列波导光栅的多波长端口、成对的光谱通带重合的单波长端口以及对应的相位区和半导体光放大器形成谐振腔的光回路，通过半导体光放大器阵列实现光电转换和光增益功能；通过相位区调节各个波长回路上的光相位，使环路光相位满足谐振条件(即2π的整数倍)；通过反射单元的反射面作为谐振腔的一个端面，具有宽谱的光反射功能；通过阵列波导光栅实现波分复用和解复用功能，多个波长的光从未设置反射单元的多波长端口输出，解决了光通信和光传感等领域对多波长光源的需求。
附图说明
图1为一种阵列波导光栅的结构示意图；
图2为光从I1端口到各个输出端口的透射光谱的示意图；
图3为光从I2端口到各个输出端口的透射光谱的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种多波长激光器的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种多波长激光器的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种梳状滤波器的光谱示意图；
图7～图9分别为本发明实施例提供的又一种多波长激光器的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的又一种多波长激光器的结构示意图；
图11为本发明实施例提供的又一种多波长激光器的结构示意图；
图12为本发明实施例提供的又一种多波长激光器的结构示意图；
图13为本发明实施例提供的又一种多波长激光器的结构示意图；
图14为本发明实施例提供的又一种多波长激光器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为一种阵列波导光栅的结构示意图。示例性的，该阵列波导光栅AWG设计为2进N出(N为大于2的整数)结构，其端口分别定义为I1、I2、O1、O2、O3、O4、O5、O6……(右侧可以有更多端口，简洁起见未画出)。根据AWG工作原理，该AWG可以设计为：光从I1端口输入时，O1～O6分别为不同光谱通道的光信号(简称为不同波长)，记为λ1～λ6；当光从I2端口输入时，光波长λ1～λ6分别在相邻的输出端口输出。由于光路可逆，这里的输入和输出可以对调。图2为光从I1端口到各个输出端口的透射光谱的示意图，图3为光从I2端口到各个输出端口的透射光谱的示意图。可见I1-O1(表示从I1到O1、或从O1到I1，以下类似)和I2-O2的透射光谱通带是重合的；类似地，I1-O3和I2-O4的透射光谱通带重合，I1-O5和I2-O6的透射光谱通带重合，更多输出端口可以依次类推。
因此，将O1和O2光路相连构建的I1-O1-O2-I2的回路，其透射波长为λ1；将O3和O4光路相连构建的I1-O3-O4-I2的回路，其透射波长为λ3；将O5和O6光路相连构建的I1-O5-O6-I2的回路，其透射波长为λ5；更多通道可依次类推。图中λ1和λ1′指相同波长，符号“′”是为了和AWG的输入端口对应。
利用AWG的上述性质，本发明实施例提供一种多波长激光器。示例性的，图4为本发明实施例提供的一种多波长激光器的结构示意图，参考图4，该多波长激光器包括阵列波导光栅AWG10、半导体光放大器SOA阵列20、相位区阵列30和反射单元40；AWG10包括n个多波长端口和2m个单波长端口，其中，n和m均为大于1的整数(本实施例中示意性以n＝2，m＝3为例，并不是对本发明实施例的限定)。多个波长的光从多波长端口输入时，每个单波长端口输出一个波长的光，即实现波分解复用功能；光从两个多波长端口输入时，阵列波导光栅包括m个成对的光谱通带重合的单波长端口(参考图1)；反射单元40的反射面位于一个多波长端口的一侧，反射单元40用于将多波长端口的输出光反射回AWG10；SOA阵列20包括m个SOA21，SOA21的输入端和输出端分别和光谱通带重合的两个单波长端口耦合；相位区阵列30包括m个相位区31，相位区31位于光谱通带重合的两个单波长端口之间的光路上，用于将每个光回路中的光相位调制为2π的整数倍。
其中，反射单元40的反射面作为谐振腔的一个端面，该反射面具有宽谱反射功能，其反射谱要覆盖所有单波长端口中的各个波长。AWG10与反射单元40对应的多波长端口、对应光谱通带重合的两个单波长端口、SOA21和相位区31共同形成谐振腔，SOA21实现光电转换和光增益的功能，相位区31用于调节谐振腔中的光相位，使环路光相位满足写着条件(即2π的整数倍)。具体实施时，相位区31可以通过热控或电控机制调节光的相位，具体实施时可以根据实际情况选择。例如在某一实施例中，通过调节各个SOA21和各个相位区31的驱动电流，可以实现激光器各个波长的控制。
在具体实施时，AWG10为无源器件，可以集成于高性能、低成本的对应材料的芯片上，例如AWG由氮化硅波导、二氧化硅波导或硅波导实现。SOA为形成光增益的有源器件，需要在高成本的III-V族材料体系实现。本发明实施例的技术方案，将两者分别在各自最适合的材料体系上实现，可以通过混合集成方式实现紧凑、高性能、低成本的多波长激光器，是最满足应用综合性需求的方案。
本实施例的技术方案，通过反射单元、阵列波导光栅的多波长端口、成对的光谱通带重合的单波长端口以及对应的相位区和半导体光放大器形成谐振腔的光回路，通过半导体光放大器阵列实现光电转换和光增益功能；通过相位区调节各个波长回路上的光相位，使环路光相位满足谐振条件(即2π的整数倍)；通过反射单元的反射面作为谐振腔的一个端面，具有宽谱的光反射功能；通过阵列波导光栅实现波分复用和解复用功能，多个波长的光从未设置反射单元的多波长端口输出，解决了光通信和光传感等领域对多波长光源的需求。
在上述技术方案的基础上，一般情况下AWG的通带比较宽，不能满足单纵模条件，需要添加梳状滤波器从AWG通带中进一步选模。图5为本发明实施例提供的另一种多波长激光器的结构示意图。参考图5，可选的，该多波长激光器还包括梳状滤波器50，梳状滤波器50的输入端与多波长端口耦合，梳状滤波器50包括多个透射通道，透射通道与单波长端口的光谱通带匹配，且透射通道的带宽小于光谱通带的带宽。
可以理解的是，梳状滤波器50和反射单元40与不同的多波长端口耦合，例如图1中示出的AWG的I1端口与反射单元40耦合，I2端口与梳状滤波器50耦合。图6为本发明实施例提供的一种梳状滤波器的光谱示意图。参考图6，本实施例中，梳状滤波器的反射谱需和上述光回路的透射谱对齐，图6中实线表示没有SOA、没有梳状滤波器时AWG回路的透射光谱，虚线表示梳状滤波器的反射谱。又由于梳状滤波器具有带通反射性质，充当了激光器谐振腔的另一个反射端面。在具体实施时，可能需要调节梳状滤波器的反射波长来与AWG通带对齐，可选的，梳状滤波器包括相移结构，相移结构用于调节透射通道的中心波长。例如可以涉及热控或电控的相移结构，实现梳状滤波器各通道中信波长的调节，以实现与AWG的匹配。
本发明实施例提供的多波长激光器，并不对梳状滤波器的种类进行限定，例如在某些实施例中，可选的，梳状滤波器包括微环谐振腔、采样布拉格反射器或光学标准具。
示例性的，图7～图9分别为本发明实施例提供的又一种多波长激光器的结构示意图。参考图7，本实施例中，梳状滤波器50由微环谐振腔实现，微环谐振腔集成在微环滤波器芯片100上，SOA阵列20和相位区阵列30集成在SOA阵列芯片200上，AWG芯片300的上边沿镀高反射膜301完成宽谱反射镜功能。可选的，阵列波导光栅、梳状滤波器、相位区阵列和半导体光放大器阵列中至少两者的耦合端面设置有增透膜。例如本实施例中，AWG芯片300的左右两边、SOA阵列芯片200的左边、微环滤波器芯片100的右边都镀了减反射膜302以减少回路损耗。其中微环的环长需精细设计使其反射谱中心波长间隔和AWG通带间隔匹配，微环内圆弧波导和直波导的耦合系数需根据所需的反射率和通带宽度设计，微环滤波器芯片100中耦合器的耦合系数需精细设计使得部分光信号能够从耦合器的一个端口输出，另外可以为微环设计热控或电控相移结构以便调节其反射波长来与AWG通带对齐。在其他实施例中，各个芯片的光输入输出端口可以采用模斑变换结构，以使得相互之间的光耦合效率最大。
参考图8，本实施例中，梳状滤波器50由采样光栅分布式布拉格反射器(SampledGrating Distributed Bragg Reflector，简称SGDBR)实现，其它部分与图7中相同。设计SGDBR的光栅周期、光栅耦合系数、采样周期、采样数量、采样占空比等参数以实现所需的反射谱。类似地，可以设计热控或电控折射率调节结构以便使其反射波长与AWG通带对齐。
参考图9，本实施例中，梳状滤波器50由光学标准具(Etalon)实现，其它部分与图7中相同。设计Etalon的介质、厚度使其自由谱范围(Free Spectral Range，简称FSR)与图6中所示回路的通带间隔相同，设计Etalon的膜层获得所需的透射率。
图7～图9的实施例中，反射单元通过在AWG芯片的端面设置高反射膜(增反膜)实现，在另一实施例中，可选的，反射单元可以通过Sagnac反射镜实现。示例性的，图10为本发明实施例提供的又一种多波长激光器的结构示意图。参考图10，本实施例中，反射单元由集成在微环滤波器芯片100上的Sagnac反射镜a实现，其反射率可通过调节Sagnac反射镜a中定向耦合器的耦合系数来实现。此外，微环滤波器波导回路的拓扑与图7不同，通过设计Sagnac反射镜b的反射率可以达到与图7中微环滤波器相同的反射光谱。由于Sagnac反射镜a实现反射单元的功能，AWG芯片的输入波导回路与图7不同，且不需做高反射率端面镀膜。其它结构与图7相同。
本发明实施例不对各器件的集成方式进行限定，可选的，阵列波导光栅、反射单元和梳状滤波器集成在同一芯片上，或者梳状滤波器和半导体光放大器阵列集成在同一芯片上。
示例性的，图11为本发明实施例提供的又一种多波长激光器的结构示意图。参考图11，本实施例中，AWG芯片和微环滤波器、Sagnac反射镜单片集成。图12为本发明实施例提供的又一种多波长激光器的结构示意图。参考图12，本实施例中，微环滤波器和SOA阵列芯片在同一颗芯片上实现。通过调整AWG芯片的波导回路拓扑使其输入和输出端在芯片的同侧(需要高反射率的那根波导除外)，可以仅用两颗芯片实现所述的多波长激光器。针对此时微环滤波器的波导和包层材料，采用与图7中类似的方法，调整其环长、弯曲半径、耦合系数等参数得到所需的梳状滤波光谱。
在另一实施例中，可选的，还可以设计相位区阵列和阵列波导光栅集成在同一芯片上，或者相位区阵列和半导体光放大器阵列集成在同一芯片上，具体实施时可以根据实际情况设计。
为了提高芯片之间的耦合效率，可选的，阵列波导光栅、梳状滤波器、相位区阵列和半导体光放大器阵列中至少两者的耦合端面之间设置有透镜。为了减小回波影响，多波长激光器还包括设置于多波长激光器的输出端的隔离器。
示例性的，图13为本发明实施例提供的又一种多波长激光器的结构示意图。参考图13，在图7所示的结构的基础上，本实施例为芯片之间增加了透镜60以提高芯片间耦合效率，激光器的输出端增加了隔离器70以减小回波光信号对激光器的影响。
上述实施例中，SOA阵列芯片200设置有U型弯曲波导，在另一实施例中也可以不设置U型弯曲波导，通过反射镜和芯片波导耦合构建光纤回路。图14为本发明实施例提供的又一种多波长激光器的结构示意图。参考图14，可选的，该多波长激光器还包括反射镜80，反射镜80用于将SOA21的光耦合入光回路中。
需要指出的是，芯片回路拓扑、AWG的输出端口、反射率的取值、芯片端面所镀的高反射或高透射的膜系、透镜、反射镜的实现方式、梳状滤波器的实现方式、芯片之间光学耦合的方法有多种甚至无数种变化，并且AWG芯片可以设置更多的多波长端口和单波长端口，这些不同条件可以有无数种组合，以上仅列出几种代表性的实施例，各结构之间的其他组合也属于保护范围。
本发明实施例提出了一种能够兼顾高性能、小尺寸和低成本的多波长激光器方案，可切实满足通信等***应用的综合性需求。
高性能，体现于本方案选用SOA阵列，一方面使激光器每个波长都有足够高的光增益，即足够高的光功率；另一方面各个波长可以独立调谐，使各波长满足标准规格、各波长功率均匀。此外，无源光器件选用其最适合的材料体系也有益于低损耗、多波长高均匀性等高性能的实现。
小尺寸，体现于本方案最少可仅用两颗芯片即能实现多波长激光器。相比于光纤激光器其体积大大减小，相比于单片集成多波长激光器其体积也不遑多让。
低成本，体现于本方案可将尺寸较大的无源器件和尺寸较小的SOA阵列分别选用不同的材料体系，AWG等无源器件在SiO2或SiN材料体系上可大大降低器件总成本。这对于成本敏感型的光通信、光互连应用是至关重要的。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (12)

1.一种多波长激光器，其特征在于，包括阵列波导光栅、半导体光放大器阵列、相位区阵列和反射单元；
所述阵列波导光栅包括n个多波长端口和2m个单波长端口，多个波长的光从所述多波长端口输入时，每个所述单波长端口输出一个波长的光；光从两个所述多波长端口输入时，所述阵列波导光栅包括m个成对的光谱通带重合的单波长端口；
所述反射单元的反射面位于一个所述多波长端口的一侧，所述反射单元用于将所述多波长端口的输出光反射回所述阵列波导光栅；
所述半导体光放大器阵列包括m个半导体光放大器，所述半导体光放大器的输入端和输出端分别和光谱通带重合的两个所述单波长端口耦合；
所述相位区阵列包括m个相位区，所述相位区位于光谱通带重合的两个所述单波长端口之间的光路上，用于将每个光回路中的光相位调制为2π的整数倍；
其中，n和m均为大于1的整数。
2.根据权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，还包括梳状滤波器，所述梳状滤波器的输入端与所述多波长端口耦合，所述梳状滤波器包括多个透射通道，所述透射通道与所述单波长端口的光谱通带匹配，且所述透射通道的带宽小于所述光谱通带的带宽。
3.根据权利要求2所述的多波长激光器，其特征在于，所述梳状滤波器包括相移结构，所述相移结构用于调节所述透射通道的中心波长。
4.根据权利要求2所述的多波长激光器，其特征在于，所述梳状滤波器包括微环谐振腔、采样布拉格反射器或光学标准具。
5.根据权利要求2所述的多波长激光器，其特征在于，所述阵列波导光栅、所述反射单元和所述梳状滤波器集成在同一芯片上，或者
所述梳状滤波器和所述半导体光放大器阵列集成在同一芯片上。
6.根据权利要求2所述的多波长激光器，其特征在于，所述阵列波导光栅、所述梳状滤波器、所述相位区阵列和所述半导体光放大器阵列中至少两者的耦合端面设置有增透膜。
7.根据权利要求2所述的多波长激光器，其特征在于，所述阵列波导光栅、所述梳状滤波器、所述相位区阵列和所述半导体光放大器阵列中至少两者的耦合端面之间设置有透镜。
8.根据权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，所述相位区阵列和所述阵列波导光栅集成在同一芯片上，或者
所述相位区阵列和所述半导体光放大器阵列集成在同一芯片上。
9.根据权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，所述反射单元包括Sagnac反射镜或设置在所述多波长端口端面的增反膜。
10.根据权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，还包括设置于所述多波长激光器的输出端的隔离器。
11.根据权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，还包括反射镜，所述反射镜用于将所述半导体光放大器的光耦合入光回路中。
12.根据权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，所述阵列波导光栅由氮化硅波导、二氧化硅波导或硅波导实现。
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