阅读说明：本技术 一种窄线宽可调谐激光器及其制备方法 (Narrow linewidth tunable laser and preparation method thereof ) 是由 魏思航 阳红涛 王任凡 于 2020-08-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种窄线宽可调谐激光器及其制备方法,该激光器芯片从下到上依次包括衬底层、下波导层和上波导层；下波导层和上波导层位于不同的平面,二者通过垂直耦合进行光能量交换；下波导层设有有源增益波导和下层无源波导,两者采用对接方式连接,下层无源波导通过设置多个弯曲波导延长腔长；上波导层设有上层无源波导和微环反射器,上层无源波导与下层无源波导通过耦合器垂直耦合,微环反射器与上层无源波导耦合连接,上层无源波导通过设置多个弯曲波导延长腔长。本发明的窄线宽可调谐激光器不但激光器芯片尺寸小、可调谐、线宽窄,而且成本低、稳定性高。(The invention discloses a narrow linewidth tunable laser and a preparation method thereof, wherein a laser chip sequentially comprises a substrate layer, a lower waveguide layer and an upper waveguide layer from bottom to top; the lower waveguide layer and the upper waveguide layer are positioned on different planes and perform light energy exchange through vertical coupling; the lower waveguide layer is provided with an active gain waveguide and a lower passive waveguide which are connected in a butt joint mode, and the cavity length of the lower passive waveguide is prolonged by arranging a plurality of bent waveguides; the upper waveguide layer is provided with an upper passive waveguide and a micro-ring reflector, the upper passive waveguide and the lower passive waveguide are vertically coupled through a coupler, the micro-ring reflector is coupled and connected with the upper passive waveguide, and the upper passive waveguide is provided with a plurality of bent waveguides to prolong the cavity length. The narrow linewidth tunable laser not only has small size, tunability and narrow linewidth of a laser chip, but also has low cost and high stability.)

一种窄线宽可调谐激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种窄线宽可调谐激光器及其制备方法。

背景技术

由于相干技术适合长距离传输，因此主干网以及数据中心互联等通信领域主要采用400G以及大于400G传输速率的相干光模块。其中的相干技术对激光发射器的相位噪声（即线宽）有严苛的要求。随着传输带宽的增加，激光器线宽的要求也不断增加，例如400G相干技术中要求激光器线宽小于100kHz。此外为了利用波分复用技术进一步拓展带宽，相干技术更倾向于使用波长可调谐光源。目前的窄线宽光源技术主要包含外腔可调谐激光器技术和硅光可调谐激光器技术。虽然这两种方案都可以满足100kHz线宽和波长调谐功能，但存在成本高、外部光学耦合部件稳定性差以及尺寸较大等诸多缺点，难以进行大规模应用。低成本、高稳定性的半导体激光器芯片，例如DBR或DFB阵列，都可以解决以上困难，但是由于半导体激光器芯片的等效腔长较短，输出信号的线宽往往大于300kHz，无法满足相干技术中的窄线宽需求。

理论上将半导体激光器芯片腔长提高至厘米量级也能够获得100kHz线宽的输出信号，但是无论采用直波导还是弯曲波导，芯片尺寸都会在5-10mm之间。相比硅光方案窄线宽激光器，一方面没有明显降低器件尺寸，另一方面由于晶圆产出器件数量少，成本也没有明显改善。激光器芯片尺寸越大，翘曲就越严重，尺寸引起的翘曲将严重影响芯片端面镀膜和贴装工艺，导致芯片成品率下降，可靠性下降等后果。

发明内容

为了达到小尺寸、可调谐、窄线宽，且低成本的目的，本发明提供一种小尺寸窄线宽激光器芯片、安装有该小尺寸窄线宽激光器芯片的激光器以及制备该小尺寸窄线宽激光器芯片的方法。

本发明基于垂直耦合和微环反射技术提供了一种小尺寸窄线宽激光器芯片，该激光器芯片从下到上依次包括衬底层、下波导层和上波导层；

下波导层设有有源增益波导和下层无源波导，两者采用对接方式连接，下层无源波导通过设置多个弯曲波导延长腔长；下波导层和上波导层位于不同的平面，二者通过垂直耦合进行光能量交换；

上波导层设有上层无源波导和微环反射器，上层无源波导与下层无源波导通过耦合器垂直耦合，微环反射器与上层无源波导耦合连接，上层无源波导通过设置多个弯曲波导延长腔长。

进一步地，有源增益波导为半导体光放大器或DFB激光器。

进一步地，该激光器芯片包括多个上下分布的上层无源波导，相邻上层无源波导之间通过耦合器垂直耦合，位于最下层的上层无源波导通过耦合器与下层无源波导垂直耦合连接，微环反射器为闭环结构，微环反射器与最上层的上层无源波导耦合连接。

进一步地，耦合器为光栅辅助垂直耦合器或1/4波长耦合器。

进一步地，光栅辅助垂直耦合器的光栅位于下层无源波导或上层无源波导中。

进一步地，通过对微环反射器和光栅辅助垂直耦合器进行热调谐或电注入实现波长调谐。

进一步地，微环反射器包括单个或多个微环。

进一步地，上层无源波导的芯区大于下层无源波导的芯区。

本发明还提供一种小尺寸窄线宽激光器，该激光器包括上述的小尺寸窄线宽激光器芯片。

本发明还提供一种根据上述的小尺寸窄线宽激光器芯片的制备方法，包括以下步骤：

在衬底上外延生长出下层无源波导层和SOA有源区，采用对接生长技术完成下层无源波导层和SOA有源区的对接；

在下层无源波导层中生成光栅结构；

腐蚀下层无源波导区域和SOA有源区，形成SOA波导结构和具有多个弯曲波导的下层无源波导结构；

用掩膜保护SOA区域，向上生长出上层无源波导层，通过光栅结构完成两层无源波导的垂直耦合；

采用刻蚀技术刻蚀出微环结构和具有多个弯曲波导的上层无源波导结构。

本发明的有益效果是：本发明基于垂直耦合和微环反射技术提供了一种小尺寸窄线宽激光器芯片，该激光器芯片的有源增益波导，用于提供信号增益；下层无源波导作为有源增益波导的拓展腔，压缩输出信号的线宽；上层无源波导借由垂直耦合技术与下层无源波导交换光信号，延长了腔长，进一步压缩了信号线宽；微环反射器与上层无源波导耦合，一方面起到反射镜的作用，另一方面也压缩了激光器的线宽；下层无源波导和上层无源波导垂直耦合，并且在各自波导所在平面通过设置多个弯曲波导延长腔长，由此实现三维结构，不仅可以减小激光器芯片的尺寸，还压缩了信号线宽；同时其制备工艺和激光器芯片工艺兼容，适合批量生产，降低了成本。

进一步地，该激光器芯片包括多个上下分布的上层无源波导，相邻上层无源波导之间通过耦合器垂直耦合连接，进一步延长了器件的腔长，压缩线宽；通过对微环反射器和光栅辅助垂直耦合器进行热调谐或电注入实现波长可调谐功能。

进一步地，通过光栅辅助垂直耦合器的选模效果，可以提高输出波长的稳定性；增加上层无源波导尺寸，使上层无源波导的芯区大于下层无源波导的芯区来提高传输光的光斑尺寸，降低光束发散角，就能够将下层无源波导较差光斑转换为优化的上层无源波导光斑，使器件输出光斑的发散角更小光束质量更高，更有利于与外部光纤的耦合。

附图说明

图1为本发明小尺寸窄线宽激光器芯片的立体图；

图2为本发明小尺寸窄线宽激光器芯片的俯视图；

图3为本发明有源波导和无源波导对接处示意图；

图4为本发明不同设计下器件的输出线宽；

图5为本发明微环反射谱、FP腔透射谱以及波长相关的耦合效率谱；

图6为微环反射谱与FP透射谱对准时激光器芯片输出该处的波长图；

图7为小尺寸窄线宽激光器芯片的制备方法流程图。

图中：1-半导体光放大器SOA，2-下层无源波导，3-上层无源波导，4-光栅辅助垂直耦合器，41-光栅，5-微环反射器，6-微环热调谐金属电极，7-光栅热调谐金属电极。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的窄线宽可调谐激光器芯片及其制备方法、激光器作进一步的说明：

本发明基于垂直耦合和微环反射技术提供了一种小尺寸窄线宽激光器芯片，该激光器芯片的有源增益波导，用于提供信号增益；下层无源波导作为有源增益波导的拓展腔，压缩输出信号的线宽；上层无源波导借由垂直耦合技术与下层无源波导交换光信号，延长了腔长，进一步压缩了信号线宽；微环反射器与上层无源波导耦合，一方面起到反射镜的作用，另一方面也压缩了激光器的线宽；下层无源波导和上层无源波导垂直耦合，并且在各自波导所在平面通过设置多个弯曲波导延长腔长，由此实现三维结构，不仅可以减小激光器芯片的尺寸，还压缩了信号线宽；同时其制备工艺和激光器芯片工艺兼容，适合批量生产，降低了成本。

本发明实施例的小尺寸窄线宽激光器芯片，如图1和图2所示，该激光器芯片从下到上依次包括衬底层、下波导层和上波导层；下波导层和上波导层位于不同的平面，二者通过垂直耦合进行光能量交换。

下波导层设有有源增益波导1和下层无源波导2，如图3所示，有源增益波导1和下层无源波导2的一端采用对接方式连接，下层无源波导2在下波导层通过设置弯曲波导延长腔长。有源增益波导1，用于提供器件中的信号增益。有源增益波导可以为半导体光放大器1或DFB激光器。其中，半导体光放大器SOA将输入载流子转换为光子，提供器件中的信号增益。下层无源波导2作为SOA的拓展腔，压缩输出信号的线宽。

上波导层设有上层无源波导3和微环反射器5，上层无源波导3的一端通过耦合器与下层无源波导2的另一端垂直耦合连接，微环反射器5与上层无源波导3耦合连接，上层无源波导3在上波导层通过设置弯曲波导延长腔长。上层无源波导3，位于下层无源波导2的上层，上层无源波导3借由垂直耦合技术与下层无源波导2交换光信号，作用为增加腔长，进而压缩信号线宽。其中，耦合器可以为光栅辅助垂直耦合器4或1/4波长耦合器，也可以用其他耦合器替代；优选光栅辅助垂直耦合器4，光栅辅助垂直耦合器的光栅41可以位于下层无源波导2或上层无源波导3中，光栅辅助垂直耦合器是借由光栅辅助的垂直耦合技术，使上层无源波导与下层无源波导交换光信号，同时还能起到光栅选模的作用。微环反射器5，其具有较高的Q值，与上层无源波导3耦合连接，起到反射镜的作用。需要强调的是，微环反射器是一种闭环结构，除了调节波长外，还有增加有效腔长的效果。闭环结构的微环反射器比非闭环反射器（例如环形反射器）增加了有效腔长，进一步起到压缩激光器线宽的作用。微环反射器5可以包括单个或多个闭合微环。

下层无源波导2和上层无源波导3垂直耦合，且两者在各自波导所在的波导层通过设置弯曲波导延长腔长。由于两波导层并不处于一个平面，因此可以通过该三维结构，在增加器件腔长的同时不额外增加芯片尺寸。

该激光器芯片的谐振腔包括SOA腔、下层无源波导和上层无源波导的光学腔以及微环反射器的等效腔。通过延长该激光器芯片的谐振腔的总腔长，来实现窄线宽的目的。

本发明中，光从SOA中产生，接着进入下层无源波导，通过垂直耦合结构进入上层无源波导，并与微环反射器耦合，光进入微环反射器后，光在微环反射器传输过程中耦合一部分符合要求的波长后反射回到上层无源波导，从而在谐振腔内进行谐振。谐振腔内的光场稳定后，光从上层无源波导末端激射出。

为了进一步增加器件的腔长，该激光器芯片可以包括多个上下分布的上层无源波导，相邻上层无源波导之间通过耦合器垂直耦合连接，位于最下层的上层无源波导的一端通过耦合器与下层无源波导2的另一端垂直耦合连接，微环反射器5则与最上层的上层无源波导耦合连接。

在本发明中，存在微环反射器5和光栅辅助垂直耦合器4两种波长选择器件，为了实现波长可调谐的功能，可以通过对以上两种器件进行热调谐或者电注入等方式实现。例如，通过加热微环反射器之上的金属，改变微环波导的折射率使反射率曲线发生平移，当微环反射率曲线的峰值和器件FP纵模重合时，器件输出该位置的波长信号。如果继续升高微环波导温度，则器件输出下一个FP纵模的波长信号。采用微环和光栅辅助垂直耦合器进行波长调谐时，调谐范围能铺盖C或L整个波段。

本发明首先实现小尺寸的目的，然后再通过多平面波导垂直耦合、微环反射器以及平面波导内设置弯曲波导来拓展腔长，进而实现窄线宽的目的。其窄线宽原理如下：

由激光器芯片的线宽公式可以得出器件输出信号的线宽v：

式中，v ₀ 表示SOA两端镀膜后，所对应FP激光器单个纵模的输出线宽，f _ex 表示反馈信号光强，即为由无源波导返回SOA增益区的光强，n _w1 l _w1 和n _w2 l _w2 为无源波导的光学腔长，n _r l _r 为微环反射器的等效腔长，等效腔长可以由下式表示：

式中，k是直波导与微环的耦合系数，R为微环半径。当耦合系数很小的情况下，等效腔长会远远高于微环的实际周长，但是耦合系数很小时，微环腔内的传输损耗也必须很小。

从线宽公式中可以直观的发现，提高反馈系数f _ex ，提高无源波导长度n _w1 l _w1 和n _w2 l _w2 、以及提高微环等效腔长n _r l _r 都可以显著降低激光器线宽。然而使用常见的平面2维波导结构实现厘米长度腔长必定会导致芯片尺寸也接近厘米量级。为了避免芯片尺寸的大幅增加，通过垂直耦合技术使下层无源波导的光功率和上层无源波导的光功率相互耦合，实现了一种3维波导结构。其中，光栅可以位于下层无源波导或者上层无源波导中，光栅周期Λ满足下式：

式中，β ₂ 为上层无源波导的传播常数，β ₁ 为上层无源波导的传播常数，m为正整数，此公式对应上下层无源波导的背向耦合条件。当器件中传输的光波长满足上述公式时上层和下层无源波导发生耦合，此时垂直耦合器的耦合效率能够达到80%以上。由于耦合效率和波长相关，因此该结构同时具有一定的选模效果，提高了输出波长的稳定性。通过对上层无源波导传输模式进行优化设计，例如增加波导尺寸提高传输光的光斑尺寸，降低光束发散角，就能够将下层无源波导较差光斑转换为优化的上层无源波导光斑，使器件输出光斑的发散角更小光束质量更高，更有利于器件与外部光纤的耦合。

本发明根据上述原理，设计了一种小尺寸窄线宽激光器芯片，该芯片是一种单片集成器件，采用单片集成的方式，所有材料与结构均可以在有源材料衬底（InP或GaAs）上生长制作，不涉及有源III-V材料和硅基波导集成，因此工艺更为简单，可以使用晶圆级流片工艺制备，适合大批量生产且减低了成本。如图1和图2所示，芯片总体长度为1.5mm，宽度为2mm。其中：

半导体光放大器1长度为900um，宽度为1.8um，末端弯曲角度需要大于5°以避免反射。S0A增益谱峰值位于1.55um附近，光谱宽度大于55nm。

下层无源波导2包含5处弯曲波导，但是由于弯曲波导的半径都大于300um且波导介质与周围介质相对折射率差较大，因此损耗不超过0.4%。其中前四个弯曲波导起到传输作用，第5个弯曲波导起到避免反射的作用。下层无源波导2和有源波导采用对接方式连接，波导厚度约为0.4um，对接耦合损耗不超过10%。按照该结构估算，下层无源波导2总长度将大于7mm。

光栅垂直耦合结构长度为500um，位置处于第五弯曲波导之前。下层无源波导2的光信号借由光栅衍射作用耦合进入上层无源波导3，传输方向相反。两波导间隔约0.4um左右，下层无源波导模式传播常数为14um^-1，上层无源波导传播常数为12um^-1,因此依照光栅周期计算公式,光栅周期为0.238um，光栅数量约为2100个。由图5可以得出两无源波导的耦合效率在1.55019um处约为82%。

上层无源波导3宽度为1.9um,厚度约为0.8um，上层无源波导3包含两处弯曲波导，损耗也不超过0.4%。按照该结构估算，上层无源波导5总长度将大于5mm。

微环反射器5半径为500um,微环波导宽度1.9um,厚度为0.8um。在微环耦合系数为0.3um^-1的情况下，反射率约为88%，此时器件的反馈系数约为0.45，器件的无源波导总长度约为12mm，正常情况下InP基900um腔长FP激光器的纵模线宽小于1MHz,根据图4（曲线fex=0.45 k=0.3）可以得出器件的输出线宽约为10kHz。

当对微环热调谐金属电极6进行热调谐时，波导的折射率发生改变，图6中微环的反射谱往长波长移动,而FP腔的透射谱保持不变。当微环反射峰值和FP峰值发生重合时，激光器波长就发生了变化。为了保持垂直耦合结构的耦合效率，也需要对光栅热调谐金属电极电极7进行调节，使调谐后波长处的耦合效率最高。图5中耦合器曲线表示其他波长的耦合效率都低于激射波长，因此垂直耦合结构利用这种波长相关的损耗机制就能够保持器件波长的稳定性。光信号经过以上过程后，线宽压缩至100kHz以下，由上层无源波导输出。位于上层的波导相对下层的波导有更大的芯区，且芯区厚度和宽度更接近，因此出射光有小发散角和高光束质量的特性，更适合光纤耦合。

本发明还提供一种小尺寸窄线宽激光器，该激光器包括上述的小尺寸窄线宽激光器芯片。

本发明还提供一种根据上述的小尺寸窄线宽激光器芯片的制备方法，如图7所示，包括以下步骤：

S1、在衬底上外延生长出下层无源波导层和SOA有源区，采用对接生长技术完成下层无源波导层和SOA有源区的对接；

S2、在下层无源波导层中生成光栅结构；

S3、腐蚀下层无源波导区域和SOA有源区，形成SOA波导结构和具有多个弯曲波导的下层无源波导结构；

S4、用掩膜保护SOA区域，向上生长出上层无源波导层，通过光栅结构完成两层无源波导的垂直耦合；

S5、采用刻蚀技术刻蚀出微环结构和具有多个弯曲波导的上层无源波导结构。

本发明最后给出一种C波段可调窄线宽激光器芯片的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：选取InP衬底，依次外延生长N型InP下限制层，InGaAsP下波导层,InGaAsP量子阱有源区结构，以及盖层InP。

步骤2：依照示意图，保留900um长度的量子阱，去除其他位置的量子阱结构。采用对接生长技术依次生长InP、InGaAsP芯层、InP盖层，完成下层无源波导和SOA有源区的对接，并利用部分全息曝光技术形成周期为0.238um的光栅结构

步骤3：采用BH激光器工艺，制作mesa结构，同时腐蚀有源区域和下层无源波导区域，完成SOA波导结构和下层无源波导结构，然后生长P-N型InP形成反向节，最后去除掩膜后生长1.4um左右P型InP完成BH的SOA。也可以将BH激光器结构替换为脊波导结构或掩埋脊波导结构等波导结构。

步骤4：用掩膜保护SOA区域，腐蚀其他区域至下层无源波导之上100nm附近，然后依次生长 300nm InP,800nm InGaAsP的上层无源波导芯区和300nm InP。并采用刻蚀技术，向下刻蚀700nm左右，完成上层无源波导和微环结构。

步骤5：采用介质膜或BCB等材料将SOA以外区域的金属电极和波导隔开，完成示意图中的结构，前端面采用70-95%反射率进行镀膜，后端面采用5-50%反射率镀膜，由后端面输出光信号并耦合进入光纤。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。