[发明专利]集成迈克尔逊干涉仪-双程放大器的III-V/硅基端面耦合外腔激光器

说明书

一种集成迈克尔逊干涉仪‑双程放大器的III‑V/硅基端面耦合外腔激光器，该外腔激光器的反射型半导体光放大器芯片的一个增益通道通过硅基光斑尺寸转换器连接到硅基移相器，之后再经过两个微环谐振腔级联构成的窄带滤波器，连接到环形反射镜，以此构成硅基外腔激光器。为了增加输出光功率，反射镜的输出端经过一个移相器连接到迈克尔逊干涉仪。该迈克尔逊干涉仪由硅基定向耦合器与反射型半导体光放大器芯片的另外两个增益通道端面对准构成。本发明能同时实现激光器的窄线宽和高功率，增益芯片和硅芯片只通过一个端面耦合，具有结构紧凑、封装简单和可靠性高的优点。

技术领域

本发明涉及光通信的集成光学领域，特别是一种集成迈克尔逊干涉仪-双程放大器的III-V/硅基端面耦合外腔激光器。

背景技术

窄线宽、高功率激光器在相干光通信，光学传感，激光雷达，微波光子学等领域有重要应用。当前的商用固态激光器、光纤激光器、半导体空间光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激光器相媲美。

半导体激光器的线宽受诸多因素影响，根据Schawlow-Townes公式，分布式反馈(DFB)半导体激光器线宽很难降到100kHz以下，这是因为其用来减小线宽的光栅要么刻蚀在增益芯片的包层中，要么刻蚀在增益芯片的有源区当中，而在III-V材料中，线宽会因为波导折射率和相位变化以及增益-折射率耦合而变宽，这源于内部光场强度变化，除此之外，激光器内部无法避免的自发辐射也会带来一定程度的光场相位和强度改变，它们都会使线宽出现不同程度的展宽。相较于DFB激光器，III-V/硅基外腔激光器将谐振腔拓展至硅光芯片中，增大了激光器的Q值，脱离光放大区域的外腔由于其对空间变化和相位/增益变化不敏感，且谐振腔腔长可由无源波导长度控制，从而可以大幅减小线宽。

从工艺角度看，可以通过片上异质集成和端面对接耦合两种方式完成III-V材料和硅基外腔集成。前者具有集成密度高、封装成本低等优势，但是其技术门槛高，散热性弱，成品率较低；另一方面，对于集成规模不大的应用场合，端面对接耦合由于芯片单独优化和提前测试，可以保证性能和良品率，其较好的散热性不仅可以提高峰值功率，还可以减小热串扰。

对于硅基外腔滤波器，常见的是基于双微环游标效应的结构，该结构利用两个微环自由光谱范围(FSR)微小的差异，扩展滤波器的FSR。通过将整个激光器的法珀腔模式对准滤波器峰值波长，一方面通过微环谐振增加腔长，另一方面通过窄带滤波器限制增益，进而得到线宽窄、边模抑制比(SMSR)高的激光。

然而，当III-V增益芯片运行在较高泵浦状态时，SMSR会随着泵浦电流的进一步增大而减小，这意味着SMSR和高功率存在制约关系。另一方面，硅波导受双光子吸收的影响，其波导功率上限较低(对于500nm×220nm波导尺寸，峰值功率在100mW左右)，这进一步限制了激光输出功率的增长。

在激光器输出端串接光放大器(Booster)将激光进行放大，一方面可以将上述SMSR和功率的制约关系进行解耦，另一方面可以规避硅基波导功率限制的问题，因此是提高输出功率的常见思路，日本NEC公司、美国Neo Photonics公司基于这种方法，有效地提高了输出功率。然而，前两者的激光输出处于增益芯片端，其串接Booster后，功率没有直接输出于硅基芯片，不能够直接利用，若在Booster后集成硅光芯片，则需要四个芯片对接耦合，这不仅使得封装成本高，同时也容易降低芯片系统的可靠性。

为了能够将放大的激光回馈到硅光回路，美国的Bell实验室将定向耦合器放置于III-V增益芯片中，之前由硅芯片出射的窄线宽激光可通过定向耦合器的一端波导耦合进入该III-V增益芯片当中，再通过该增益芯片中的定向耦合器的另一端波导耦合进入硅芯片的其他光学回路，整个过程使用了两次耦合，较上述方案有较为明显的优势。然而，一方面，定向耦合器工艺容差小，芯片切割带来的误差也容易影响到分光比例，另一方面，如果定向耦合器采用和Booster部分同样的波导结构，则较近的通道间隔使得散热问题严重，如果定向耦合器采用和Booster部分不一样的波导结构，即无源波导，那么会显著增加工艺成本。