混合集成激光器的制作方法

1.本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种混合集成激光器。


背景技术：

2.现有半导体激光器主要有dfb激光器(distributed feedback laser，分布反馈式激光器)、dbr(distributed bragg reflector，分布式布拉格反射器)激光器以及eml(electro-absorption modulated laser，电吸收调制激光器)。前两者既可以作为连续波激光器，也可以作为电光强度调制的激光器，eml则是dfb激光器和eam(electro absorption modulator，电吸收调制器)的单片集成。
3.dfb激光器由于将用于滤波选模的布拉格光栅分布于有源增益区，尺寸小、成本低，因此在光通信和光传感领域应用广泛。但它的缺点是受驰豫振荡影响电光调制的带宽较低，另外调制啁啾比较大，不适合宽带、远距离传输应用。
4.dbr激光器则是将用于滤波选模的布拉格光栅放置在有源增益区的外部，可以实现较窄带的滤波，但除了激光器线宽比dfb激光器较窄，在调制带宽和调制啁啾上并无改善，而其尺寸相对dfb激光器较大，因而大多作为连续波激光器，应用较少。dbr激光器主要应用是采用游标效应构建波长可调谐激光器，但现有技术大多是基于有源区增益区材料单片集成，虽集成度高，但是工艺实现难度大、成本高。
5.eml将dfb激光器作为连续波激光器，用电吸收调制器实现光强度调制，在调制带宽和啁啾上有所改善，但在大带宽、长距离传输应用中仍然困难。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种混合集成激光器，以在实现一种窄线宽半导体激光器的同时，保证窄线宽半导体激光器具有较低的工艺难度与制作成本，并在此基础上，进一步实现窄线宽半导体激光器大带宽、啁啾可调的高速调制，满足中远距离光通信的应用需求。
7.第一方面，本发明实施例提供了一种混合集成激光器，包括：光学增益区、第一光反射器、第二光反射器和相位区，所述第一光反射器包括dbr反射器；
8.所述光学增益区设置于第一芯片上，所述光学增益区包括半导体光学放大元件；所述第一光反射器集成于第二芯片上，所述第二光反射器集成于所述第一芯片或者所述第二芯片上，所述第一光反射器、所述第二光反射器以及两者之间的光波导回路构成所述混合集成激光器的光学谐振腔；
9.所述半导体光学放大元件和所述相位区均位于所述光学谐振腔内；所述相位区集成于所述第一芯片上或者所述第二芯片上，所述相位区用于控制所述光学谐振腔中由所述第一光反射器和所述第二光反射器级联后光谱通带的光波长满足谐振条件；
10.其中，所述第二光反射器包括sagnac反射器或者设置于所述半导体光学放大元件中的波导上的反射端面。
11.可选地，所述半导体光学放大元件包括直波导和第一半导体光学放大器；
12.所述第二光反射器包括所述反射端面，所述反射端面设置于所述直波导的第一端口上，所述直波导的第二端口位于所述第一芯片的端面上而作为光传输端；所述dbr反射器的第一端与所述光传输端光学耦合，所述光学谐振腔中的一部分激光透过所述dbr反射器的第二端而输出；
13.所述直波导为直线型有源波导且所述直线型有源波导为所述第一半导体光学放大器内部的波导；或者，所述直波导为直线型无源波导且所述第一半导体光学放大器内部的波导为直波导或者弯波导。
14.可选地，所述第二芯片的光传输波导的芯层材料为薄膜铌酸锂，所述第二芯片上还集成了马赫-曾德尔调制器；
15.所述马赫-曾德尔调制器的第一端与所述第一光反射器的第二端通过所述第二芯片内的光传输波导相连，所述马赫-曾德尔调制器的第二端输出由所述第一光反射器的第二端所输出的激光。
16.可选地，所述半导体光学放大元件包括u型波导和第一半导体光学放大器；所述u型波导的两个端口分别与所述第一芯片内的对应的直波导相连，与所述u型波导的两个端口所对应的两段所述直波导分别延伸至所述第一芯片的同一端面，从而在所述第一芯片的该端面上形成第一光传输端和第二光传输端；
17.所述第二光反射器包括sagnac反射器；所述sagnac反射器的第一端与所述第一光传输端光学耦合，所述dbr反射器的第一端与所述第二光传输端光学耦合，所述光学谐振腔中的一部分激光透过sagnac反射器的第二端或者所述dbr反射器的第二端而输出；
18.所述u型波导为u型有源波导且所述u型有源波导为所述第一半导体光学放大器内部的波导；
19.或者，所述u型波导为u型无源波导且所述第一半导体光学放大器内部的波导为直波导或者弯波导。
20.可选地，所述第二芯片的光传输波导的芯层材料为薄膜铌酸锂，所述第二芯片上还集成了马赫-曾德尔调制器；
21.所述马赫-曾德尔调制器的第一端与所述sagnac反射器的第二端通过所述第二芯片内的光传输波导相连，所述马赫-曾德尔调制器的第二端输出由所述sagnac反射器的第二端所输出的激光。
22.可选地，所述混合集成激光器还包括：第二半导体光学放大器；
23.所述第二半导体光学放大器用于放大并输出由马赫-曾德尔调制器的第二端所输出的激光。
24.可选地，所述第一芯片和第二芯片进行光学耦合的端面中的至少一个端面上设置有减反射膜。
25.可选地，所述混合集成激光器还包括：微透镜；所述第一芯片和所述第二芯片之间通过所述微透镜光学耦合，和/或所述混合集成激光器的激光输出端面与外部光纤之间通过所述微透镜光学耦合。
26.可选地，所述混合集成激光器还包括：光隔离器；所述光隔离器设置于所述混合集成激光器的激光输出端面与外部光纤之间。
27.第二方面，本发明实施例还提供了一种多通道混合集成激光器，包括多个如上述
第一方面所述的混合集成激光器；
28.所述多个混合集成激光器共用同一所述第一芯片，以及共用同一所述第二芯片。
29.本发明实施例提供的混合集成激光器包括光学增益区、第一光反射器、第二光反射器和相位区；光学增益区设置于第一芯片上，光学增益区包括半导体光学放大元件。
30.通过设置第一光反射器包括dbr反射器，使得激光器输出激光线宽较窄，以满足相干光通信系统对激光器的窄线宽要求，同时通过设置第二光反射器包括sagnac反射器或者设置于半导体光学放大元件中的波导上的反射端面，第一光反射器、第二光反射器以及两者之间的光波导回路构成混合集成激光器的光学谐振腔，光学增益区和相位区均位于光学谐振腔内，且第一光反射器集成于第二芯片上，第二光反射器集成于第一或者第二芯片上，从而在实现窄线宽半导体激光器的同时，通过芯片间混合集成的方式保证窄线宽半导体激光器具有较低的工艺难度与制作成本。
31.并且，将光学增益区和第一光反射器分别集成于第一芯片和第二芯片上，第一芯片和第二芯片的材料可以不同。在设置第二芯片采用薄膜铌酸锂晶圆的情况下，便可以进一步地将高速电光调制器集成于第二芯片中，从而实现可高速调制的混合集成激光器，大幅度提升带宽和传输距离，即实现窄线宽半导体激光器大带宽、啁啾可调的高速调制，并满足中远距离光通信的应用需求。
32.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1是本发明实施例提供的一种混合集成激光器的俯视结构示意图；
35.图2是本发明实施例提供的一种混合集成激光器的光反射谱图；
36.图3是本发明实施例提供的另一种混合集成激光器的俯视结构示意图；
37.图4是本发明实施例提供的另一种混合集成激光器的俯视结构示意图；
38.图5是本发明实施例提供的另一种混合集成激光器的俯视结构示意图；
39.图6是本发明实施例提供的另一种混合集成激光器的俯视结构示意图；
40.图7是本发明实施例提供的一种多通道混合集成激光器的俯视结构示意图。
具体实施方式
41.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
42.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第
二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
43.图1是本发明实施例提供的一种混合集成激光器的俯视结构示意图。参考图1，混合集成激光器10包括：光学增益区、第一光反射器、第二光反射器和相位区122，第一光反射器包括dbr反射器121；光学增益区设置于第一芯片11上，光学增益区包括半导体光学放大元件；第一光反射器集成于第二芯片12上，第二光反射器集成于第一芯片11或者第二芯片12上，第一光反射器、第二光反射器以及两者之间的光波导回路构成混合集成激光器10的光学谐振腔；半导体光学放大元件和相位区122均位于光学谐振腔内，相位区122集成于第一芯片11或者第二芯片12上，相位区122用于控制光学谐振腔中由第一光反射器和第二光反射器级联后光谱通带的光波长满足谐振条件；其中，第二光反射器包括sagnac反射器或者设置于半导体光学放大元件中的波导上的反射端面1111。
44.具体地，光学增益区用于实现光学增益功能。半导体光学放大元件包括半导体光学放大器和波导两部分。第一光反射器、第二光反射器以及两者之间的光波导回路构成混合集成激光器10的光学谐振腔，光波导回路中可包括第一芯片11和/或第二芯片12内的光传输波导，半导体光学放大元件和相位区122均位于光学谐振腔内，相位区122用于调节光学谐振腔内光的相位，即使得光在光学谐振腔内往返一周其相位为2π的整数倍。光学谐振腔中的光经过光学增益区和相位区122，于第一光反射器和第二光反射器之间往返振荡。
45.本发明实施例通过设置第一光反射器包括dbr反射器121，dbr反射器121作为窄带滤波器，实现从光学谐振腔内满足谐振条件的多个纵模中选模输出的功能，使得激光器10输出激光线宽较窄，以满足相干光通信系统对激光器10的窄线宽要求；图2是本发明实施例提供的一种混合集成激光器10的光反射谱图，横轴为光波长λ，纵轴为反射率db，如图2所示例性示意的，光反射谱图中包括通带中心波长λc，dbr反射器121在通带中心波长λc处一部分反射，一部分透射作为激光输出。在此基础上，通过设置光学增益区位于第一芯片11上，第一光反射器集成于第二芯片12上，第二光反射器集成于第一芯片11或者第二芯片12上，以此实现了混合集成dbr激光器10，从而在实现窄线宽半导体激光器10的同时，通过芯片间混合集成的方式保证窄线宽半导体激光器10具有较低的工艺难度与制作成本。
46.此外，图1中示例性示意地将相位区122集成于第二芯片12上，混合集成激光器10的激光输出可由第一光反射器或者第二光反射器实现。
47.以上是本发明实施例的主要发明构思，下面基于上述技术方案以第二光反射器包括sagnac反射器或者设置于所述半导体光学放大元件中的波导上的反射端面两种情况对混合集成激光器10进行详细说明。
48.可选地，继续参考图1，在本发明的一种实施方式中：半导体光学放大元件为带有直线型波导的半导体光学放大器111，其包括直波导和第一半导体光学放大器，直波导包括两个相对的端口，即第一端口和第二端口，第一端口上设置有反射端面1111，第二端口位于第一芯片11的端面上而作为光传输端a，光传输端a与dbr反射器121的第一端光学耦合，从
而光学谐振腔中的一部分激光透过dbr反射器121的第二端而输出，作为激光器10的激光输出；其中，dbr反射器121的第一端和第二端相对，该第一端和第二端的光学性能相同，既可以反射也可以透射。
49.具体地，dbr反射器121、反射端面1111以及两者之间的光波导回路构成混合集成激光器10的光学谐振腔。反射端面1111为高反射面。反射端面1111可以是直接由第一端口的端面构成，此时可设置第一端口端面的反射率大于第二端口端面的反射率，即第一端口端面为高反射面，第二端口端面为低反射面，而第一端口端面为高反射面可以通过在第一端口端面镀高反射膜的方式实现，第二端口端面为低反射面可以通过在第二端口端面镀低反射膜的方式实现。镀高、低反射膜作为可选方案，因为即使在第一、第二端口不镀膜，基于晶体端面自身的反射率也能够配合第一光反射器构成光学谐振腔，镀膜只是使得激光器10的输出光功率更大。图1中将反射端面1111示例性地示意在了第一芯片11的远离第二芯片12的端面上，这是因为半导体光学放大元件中的直波导的端口可以直接延伸至第一芯片11的端面上或者通过第一芯片11内的光传输波导延伸至第一芯片11的端面上。
50.本发明实施例将光学增益区和光反射器分别集成于第一芯片11和第二芯片12上，从而能够设置第一芯片11和第二芯片12的材料不同。本发明实施例中，第二芯片12内的光传输波导的芯层材料可以是薄膜铌酸锂(linbo3)、硅(si)、氮化硅(si3n4)或者二氧化硅(sio2)。
51.而在上述各实施例的基础上，可选地，图3是本发明实施例提供的另一种混合集成激光器的俯视结构示意图，参考图3，在第二芯片12内的光传输波导的芯层材料为薄膜铌酸锂的情况下，基于铌酸锂波导材料的高速电光效应，在第二芯片12上进一步集成马赫-曾德尔调制器124(mach-zehnder调制器)，即第二芯片12上将dbr反射器121和马赫-曾德尔调制器124集成并联级，从而实现可高速调制的混合集成激光器10，大幅度提升带宽和传输距离，即实现窄线宽半导体激光器10大带宽、啁啾可调的高速调制，并满足中远距离光通信的应用需求。
52.其中，马赫-曾德尔调制器124的第一端与第一光反射器的第二端通过第二芯片12内的光传输波导相连，马赫-曾德尔调制器124的第二端输出由第一光反射器的第二端所输出的激光，作为激光器10的输出激光；马赫-曾德尔调制器124可通过调节直流偏置工作点、mach-zehnder干涉仪相移臂的射频电压来调节其啁啾，利用适当的啁啾可补偿光纤色散。据此，相比dfb激光器和eml，本发明实施例提供的混合集成激光器10可大幅度提升带宽和传输距离。
53.可选地，在本发明的一种实施方式中，上述直波导为直线型有源波导且直线型有源波导为第一半导体光学放大器内部的波导；或者，上述直波导为直线型无源波导且第一半导体光学放大器内部的波导为直波导或者弯波导。
54.可选地，图4是本发明实施例提供的另一种混合集成激光器的俯视结构示意图，参考图4，在本发明的另一种实施方式中：半导体光学放大元件为带有u型波导的半导体光学放大器112，其包括u型波导和第一半导体光学放大器，u型波导的两个端口分别与第一芯片11内的对应的光传输直波导相连，与u型波导的两个端口所对应的两段光传输直波导分别延伸至第一芯片11的同一端面，从而在第一芯片11的该端面上形成第一光传输端a1和第二光传输端a2；第二光反射器包括sagnac反射器125，sagnac反射器125的第一端与第一光传
输端a1光学耦合，dbr反射器121的第一端与第二光传输端a2光学耦合，光学谐振腔中的一部分激光透过sagnac反射器125的第二端或者dbr反射器121的第二端而输出，作为激光器10的激光输出。
55.具体地，第一光传输端a1与sagnac反射器125级联，第二光传输端a2与dbr反射器121级联，dbr反射器121、sagnac反射器125以及两者之间的光波导回路构成混合集成激光器10的光学谐振腔。可选地，u型波导是u型有源波导时，u型有源波导为第一半导体光学放大器内部的波导；u型波导为u型无源波导时，第一半导体光学放大器内部的波导为直波导或者弯波导。
56.在上述各实施例的基础上，可选地，图5是本发明实施例提供的另一种混合集成激光器的俯视结构示意图，参考图5，在第二芯片12内的光传输波导的芯层材料为薄膜铌酸锂的情况下，在第二芯片12上进一步集成马赫-曾德尔调制器124，从而实现可高速调制的混合集成激光器10，大幅度提升带宽和传输距离，即实现窄线宽半导体激光器10大带宽、啁啾可调的高速调制，并满足中远距离光通信的应用需求。其中，马赫-曾德尔调制器124的第一端与sagnac反射器125的第二端通过第二芯片12内的光传输波导相连，马赫-曾德尔调制器124的第二端输出由第一光反射器的第二端所输出的激光，作为激光器10的激光输出。此外，sagnac反射器125的反射率可以通过其中定向耦合器的耦合系数设置来设计为所需要的值；当然，也可以将sagnac反射器125与马赫-曾德尔调制器124级联，此时一般将sagnac反射器125设计为高反射率。
57.在上述各实施例的基础上，所述混合集成激光器10还包括：第二半导体光学放大器，第二半导体光学放大器用于放大并输出由马赫-曾德尔调制器124的第二端所输出的激光，以提高混合集成激光器10的输出功率，下面以图5所示意的混合集成激光器10为例来说明激光器10还包括第二半导体光学放大器的情况：
58.示例性地，图6是本发明实施例提供的另一种混合集成激光器的俯视结构示意图，参考图6，第二半导体光学放大器为带有直波导的半导体光学放大器113(与带有直线型波导的半导体光学放大器111为相同器件)，带有直波导的半导体光学放大器113集成于第一芯片11上，带有直波导的半导体光学放大器113的第一端与马赫-曾德尔调制器124的第二端相连，带有直波导的半导体光学放大器113的第二端放大并输出由马赫-曾德尔调制器124的第二端所输出的激光，即光学谐振腔中的一部分激光依次透过sagnac反射器125的第二端、马赫-曾德尔调制器124的第二端以及带有直波导的半导体光学放大器113的第二端而输出，以此可提高混合集成激光器10的输出功率。
59.在上述各实施例的基础上，可选地，第一芯片11和第二芯片12进行光学耦合的端面及激光器10的激光输出端面中的至少一个端面上设置有减反射膜123。
60.具体地，光学增益区和第一芯片11的关系可理解为设置有光学增益区的芯片为第一芯片11，第一光反射器、第二光反射器及马赫-曾德尔调制器124和第二芯片12的关系可理解为，集成有第一光反射器、第二光反射器及马赫-曾德尔调制器124的芯片为第二芯片12，故第一芯片11和第二芯片12进行光学耦合本质上是光反射器与光传输端于第一芯片11和第二芯片12相对的端面上进行光学耦合，继续参考图6，本实施例设置该进行光学耦合的端面中的至少一个端面上设置有减反射膜123，以保证光反射器与光传输端之间的光传输效率。
61.激光输出端面即混合集成激光器10输出激光的端面，参照上述实施例中的技术方案，示例性地，激光输出端面可以是dbr反射器121的第二端、sagnac反射器125的第二端、马赫-曾德尔调制器124的第二端或者带有直波导的半导体光学放大器113的第二端等，激光输出端面上镀减反射膜123，以保证激光输出端面的激光输出效率。
62.在上述各实施例的基础上，作为本发明的一种实施方式，可选地，混合集成激光器10还包括：微透镜；第一芯片11和第二芯片12之间通过微透镜光学耦合，和/或，混合集成激光器10的激光输出端面与外部光纤之间通过微透镜光学耦合。具体地，第一芯片11和第二芯片12之间通过微透镜光学耦合，以进一步提高光反射器和光传输端之间的光学耦合效率；混合集成激光器10的激光输出端面与外部光纤之间通过微透镜光学耦合，以进一步提升激光输出端面的光输出效率。
63.在上述各实施例的基础上，作为本发明的一种实施方式，可选地，混合集成激光器10还包括：光隔离器，光隔离器设置于混合集成激光器10的激光输出端面与外部光纤之间，即在激光输出端面与外部光纤之间设置光隔离器，以避免系统回波对混合集成激光器10的影响。
64.本发明实施例还提供了一种多通道混合集成激光器，图7是本发明实施例提供的一种多通道混合集成激光器的俯视结构示意图。参考图7，多通道混合集成激光器包括多个如上述任意实施例实施的混合集成激光器10(图7中示例性示意出了四个混合集成激光器10)，多个混合集成激光器10共用同一第一芯片11且共用同一第二芯片12。
65.具体地，多个混合集成激光器10的光学增益区均集成于同一个第一芯片11上，多个混合集成激光器10的第一光反射器均集成于同一个第二芯片12上，如图7示例性示意的，多个混合集成激光器10的第二光反射器均包括反射端面1111。多通道混合集成激光器可按需同时输出多个不同的光波长，而共用第一芯片11和第二芯片12可提高多通道混合集成激光器的集成度。
66.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。