本發(fā)明涉及一種激光器，具體地涉及用在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的激光器。更具體地說，本發(fā)明涉及一種外腔激光器(ecl)及制造這種激光器的方法。

背景技術(shù)：

未來的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，范圍從高性能計算機到光纖到戶，將依靠成本效益高、功率高效的光學收發(fā)機來阻止急劇的能量消耗。在ibm最新的超級計算機power775中，使用一共668,000個vcsel/光纖，每個都承載相同的波長。在下一代，所需信道的數(shù)量預計將增加近兩個量級，而每比特消耗的能量應(yīng)減少一個數(shù)量級。在所消耗的物理空間和光纖成本基礎(chǔ)限制的情況下，這在vcsel和多模光纖的框架中是難以想象的。

光源被認為是數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中的主要問題。目前相對成功的基于vcsel的方法主要受制于其效率。將來，預期數(shù)據(jù)通信將必須使用密集波分復用(wdm)。vcsel的一個問題是，由于波長控制不良和將多個vcsel耦合到單個多模光纖的困難，它們與wdm很大程度上不兼容。

存在實現(xiàn)窄線寬單模半導體激光器的多個方式。存在兩大組，單片半導體激光器和外腔激光器。兩者都使用頻率穩(wěn)定來在操作條件范圍內(nèi)實現(xiàn)單模輸出。光增益元件位于高反射率鏡之間，通常是增益元件的經(jīng)涂覆的背刻面和頻率選擇組件之間。波長選擇性通常由分布布拉格反射器(dbr)提供。在單片器件中，這采用有源層的波紋形式，其產(chǎn)生光柵。在外腔器件中，光柵可以在光纖中實現(xiàn)，從而產(chǎn)生光纖光柵激光器，或在硅波導中實現(xiàn)。

已知激光器的困難在于需要調(diào)制激光器輸出以便發(fā)送數(shù)據(jù)。增益的調(diào)制是一個選項，但馳豫振蕩導致高啁啾輸出，并且?guī)捰邢蕖Ｍ獠空{(diào)制器用在高帶寬應(yīng)用中。然而，這些部件的集成是復雜的，并且分立的組件在穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上是不期望的。此外，難以實現(xiàn)具有顯著電容(皮法)的組件的功率高效的高速調(diào)諧。還必須提供復用。在單片系統(tǒng)中，這可以由iii-v族半導體陣列波導光柵提供，但是iii-v族的高熱光系數(shù)提供差的熱穩(wěn)定性。此外，光學傳播損耗和材料損耗是高的。平面光波回路提供高性能復用。然而，這些是使組裝復雜的分立組件。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明，提供了一種激光器，包括：波長選擇元件，其具有垂直耦合到諸如光子晶體諧振器之類的至少一個諧振器的波導，所述波導和所述諧振器被布置成提供在所述諧振器的至少一個模式和所述波導的至少一個模式之間的波矢匹配；光學增益介質(zhì)，例如半導體光放大器，用于產(chǎn)生用于耦合到所述波導中的光，以及在增益介質(zhì)的端部處的反射器，所述反射器和所述諧振器限定了激光腔。

在使用中，由半導體光放大器產(chǎn)生的光耦合到所述波導中。這是許多不同波長的寬帶光。與諧振器的諧振波長相同波長的光耦合到所述諧振器中。這種光中的一些被反射回反射器，一些被輸出。由激光器輸出的光的波長由諧振器的諧振波長確定。

本發(fā)明提供了一種基于光子晶體器件和增益芯片的外腔激光器，其提供具有小占地面積和低功率操作的可調(diào)窄線寬發(fā)射。光子晶體器件包括位于光子晶體諧振器正上方的大模場面積波導。增益芯片的背刻面可以具有高反射率涂層，并且前刻面具有抗反射涂層。增益芯片的前刻面與光子晶體芯片上的波導耦合。在諧振時，光子晶體諧振器提供具有非常窄線寬的反射，而沒有旁瓣[physicalreviewe62,7389-7404(2000)]，從而建立了激光器諧振器并提供對激射波長的控制?？梢愿咚俚卣{(diào)諧光子晶體反射器的諧振波長，并且利用合適的參數(shù)選擇，可以實現(xiàn)直接頻率調(diào)制激光器。大模場面積波導為復用和其他高級功能提供了平臺[laserandphotonicsreviews7，506-538(2013)]。

至少一個諧振器可以是具有與波導na的折射率不同折射率的材料。至少一個諧振器可以在折射率nb的層中。該器件還可以包括折射率nc的阻擋層，其中nc<na和nc<nb，以及折射率nd<nb的下包層；其中所述諧振器層在所述阻擋層和所述下包層之間，并且所述波導在阻擋層的頂部上并與至少一個諧振器對準。

所述波導可以承載單?；虿▽Э梢允嵌嗄５?。

至少一個諧振器可以承載多種模式，其中至少一個腔體模式與至少一個傳播通過波導的模式在空間上重疊，從而允許從波導到諧振器的光耦合。

激光器可以具有n個波長特定的諧振器，其中n大于1，以便可操作以輸出n個不同的波長。波導可以是玻璃、triplex或hydex波導，或聚合物波導或由氮氧化硅、氮化硅制成的波導或電介質(zhì)波導。

諧振器可以是光子晶體，其具有孔的網(wǎng)絡(luò)，形成由一組參數(shù)限定的規(guī)則晶格，并且其中所述參數(shù)被選擇以提供在所述諧振器的至少一個模式和所述波導的至少一個模式之間的波矢匹配。。光子晶體可以由硅或氮化硅或iii-v族半導體材料如磷化銦、砷化鎵、氮化鎵或磷化銦鎵制成。調(diào)制器可以與每個諧振器相關(guān)聯(lián)。調(diào)制器可以可操作以改變其相關(guān)聯(lián)諧振器的諧振波長。

至少一個諧振器可以具有可變輸出。例如，至少一個諧振器可以嵌入在形成諧振器調(diào)制器的pin或pn結(jié)(包括p型和n型摻雜區(qū))中。

附圖說明

現(xiàn)在將參考附圖，以僅作為示例的方式對本發(fā)明的各種方面進行描述，其中：

圖1(a)是圍繞窄線寬光子晶體反射器和半導體光放大器構(gòu)建的激光器的示意圖；

圖1(b)是通過圖1(a)的激光器的橫截面；

圖1(c)是圖(a)的激光器的示意圖，但是具有允許調(diào)制激光器輸出波長的調(diào)制器；

圖2示出了針對各種不同光子晶體孔位置的歸一化光譜功率相對于諧振波長；

圖3是針對光子晶體激光器的強度相對于波長的圖；

圖4(a)是示出由均具有不同諧振波長的三個腔組成的多波長激光源的示意圖；

圖4(b)是通過圖4(a)的激光器的橫截面；

圖5是針對圖4的激光器的光子晶體反射率相對于入射功率的曲線；

圖6(a)示出了具有不同長度的臂的不對稱mzi；

圖6(b)是作為mzi臂之間長度差的函數(shù)的在兩個不同波長處的傳輸曲線，；

圖7是示出圍繞反射半導體光放大器和窄線寬光子晶體反射器構(gòu)建的另一激光器的示意圖，以及

圖8是已經(jīng)使用倒裝芯片技術(shù)組裝的基于窄線寬光子晶體反射器和半導體光放大器的激光器的示意圖。

具體實施方式

圖1(a)和(b)示出了具有增益部分的波長選擇組件的激光器，其組合以形成外腔激光器。波長選擇元件具有材料折射率為na的波導3，其可以具有與光子晶體諧振器2集成并且位于光子晶體諧振器2正上方的大模式面積。波導和光子晶體諧振器中的模式是垂直耦合和重疊的。增益部分具有產(chǎn)生相對寬帶的光(例如具有50-100nm的帶寬)的電泵浦半導體光放大器1，所述相對寬帶的光使用例如對接耦合直接耦合到波長選擇組件的波導中。反射器6被設(shè)置在半導體光放大器1的后表面上。可選地，在半導體光放大器1的前表面上設(shè)置抗反射層。反射器6和光子晶體諧振器2限定了外部激光腔。

光子晶體諧振器2在折射率nb的材料中，其被布置在折射率nc的阻擋層4和折射率nd的包層電介質(zhì)層5之間。包層5在襯底層7上，其具有折射率ne。在大多數(shù)情況下，所使用的材料為nb>1.8。而且，在實踐中nb不等于na。通常，阻擋層為100-200nm厚。在一些情況下，可以在波導和光子晶體諧振器之間設(shè)置間隙，在這種情況下，阻擋層通常將包括空氣。

光子晶體諧振器2由光子晶體中的結(jié)構(gòu)缺陷或腔體創(chuàng)建，該光子晶體形成局部于缺陷區(qū)的光學模式。腔體模式的模式體積足夠小以產(chǎn)生寬的波矢分布，導致與波導增加的耦合。特別地，腔體的模式體積小于十個立方波長(cubicwavelength)，其中波長是腔體的諧振波長。諧振器具有唯一的諧振波長。只有諧振頻率處的波導模式耦合到腔體。

波導3沿著光子晶體的縱向軸線延伸并且被放置在阻擋層的頂部上，以便與諧振器2垂直對準。阻擋層5的厚度分布可以變化以促進或抑制在該器件不同部分中的波導和缺陷腔之間的耦合。選擇折射率na、nb、nc和nd的相對值以促進通過波導3傳播的至少一個模式與通過諧振腔傳播的模式之間的垂直漸逝耦合。當滿足以下條件時，通常會實現(xiàn)這一點：

{nc＜na，nc＜nb，nb≠na，nd＜nb，nd＜na}

在使用中，由半導體光學放大器1產(chǎn)生的光至少部分地被光子晶體諧振器2反射。激射波長由光子晶體諧振器2的波長設(shè)定。當入射光與光子晶體腔諧振時，一部分耦合到腔體中并經(jīng)歷π/2相移。當這從腔體耦合時，它經(jīng)歷附加的π/2相移。在前向方向上，來自腔體的一些光破壞性地干擾由波導攜帶的前向傳播光的一部分，并且一些前向傳播。在向后的方向上，耦合到腔體外的光向激光腔/諧振器提供反饋。這導致光子晶體腔的諧振波長處的光在激光腔中成為主導。因此，從激光器輸出的光的波長由光子晶體腔的諧振波長確定。光子晶體諧振器發(fā)射入射光的一部分?？梢酝ㄟ^光子晶體諧振器和波導的合適設(shè)計來控制發(fā)射和反射光的水平。

光子晶體諧振器具有小的模式尺寸。因此，它具有允許與波導相位匹配的擴展波矢空間，波導通常由低模態(tài)指數(shù)聚合物制成。在諧振時，光耦合在光子晶體諧振器中，并在相反的方向上向外耦合(out-coupled)?？梢岳貌▽?諧振器系統(tǒng)和理想激光反射鏡的合適設(shè)計來實現(xiàn)在10-90％范圍內(nèi)和0.1nm線寬或更好的反射率。

如上所述，光子晶體反射器控制激光波長。在實踐中，波長由晶體中的孔的位置限定。位置的小變化可能導致諧振波長的顯著變化，以及因此激射波長的顯著變化。圖2示出了作為孔位置的函數(shù)的諧振波長。

本發(fā)明的激光器使用光子晶體反射器。這相對于分布式布拉格反射器具有許多優(yōu)點。反射光譜不展現(xiàn)出dbr典型的旁瓣，從而實現(xiàn)高邊模抑制比的激射。在添加單個縱向模式的選擇的情況下，線寬也窄得多(<0.1nm)。這在圖3中示出。使用光子晶體反射器是實現(xiàn)激射波長精確控制的更便宜的手段，因為激射波長僅由光子晶體腔限定，并且與用于提供增益的材料無關(guān)。相比之下，對于dfb或dbr激光器，相同的材料系統(tǒng)(通常為iii-v半導體)針對增益和反射器兩者使得精確控制更加困難。

圖1(a)和(b)的激光器可以適于實現(xiàn)經(jīng)調(diào)制激光器，例如頻率調(diào)制激光器。這可以通過將諸如pin或pn二極管的調(diào)諧元件與(一個或多個)光子晶體諧振器組合來完成。激射波長將跟蹤光子晶體腔的諧振波長，所述光子晶體腔提供其波長隨時間變化的激光器。作為示例，諧振器可以嵌入在光子晶體板的p摻雜區(qū)10和n摻雜區(qū)11之間以形成諧振器調(diào)制器，如圖1(c)所示。可以分別通過改變施加到相關(guān)聯(lián)的p和n摻雜區(qū)10和11的電壓來單獨地控制諧振波長。

圖4(a)和(b)示出了具有多個具有片外增益部分的波長選擇組件的激光器，其組合以制成多個外部激光腔。在這種情況下，波長選擇器的基本層結(jié)構(gòu)與圖1相同。然而，多個光子晶體諧振器被串聯(lián)設(shè)置，每個光子晶體諧振器垂直耦合到波導。每個諧振器被布置成具有不同的諧振波長。芯片外增益部分具有反射半導體光放大器，其一端具有寬帶(100nm+)反射器。多個光子晶體諧振器和反射鏡組合以制成多個外部激光腔。在每個腔內(nèi)，不同波長的光循環(huán)，波長由光子晶體諧振器限定。

盡管未示出，但是應(yīng)當理解，圖4的每個光子晶體諧振器可以與調(diào)制器相關(guān)聯(lián)，使得其輸出可被調(diào)制。例如，每個都可以具有參考圖1(c)描述的p和n摻雜區(qū)。可以通過改變施加到相關(guān)聯(lián)的p和n摻雜區(qū)的電壓來單獨地控制諧振波長。每個光子晶體諧振器可以單獨地或一起控制。

圖4的激光器具有可以同時提供多個不同波長的光輸出，同時保持穩(wěn)定的連續(xù)波操作。由于光子晶體反射器的性質(zhì)和腔體-波導垂直耦合結(jié)構(gòu)，多個腔體可以級聯(lián)在一起。這里，每個腔體具有稍微不同的諧振波長，因此反射不同的波長。每個腔體與半導體光放大器1另一側(cè)上的反射鏡6一起形成具有不同波長的不同的激光腔。最小化激光模式之間的競爭對于最小化相對強度噪聲至關(guān)重要。兩光子吸收的影響，每個光子晶體反射器的反射率隨著耦合功率的增加而減小，見圖5。這均衡每個激光模式的功率并穩(wěn)定多波長輸出?？梢酝ㄟ^在波導腔耦合和由兩個光子吸收引入的損耗之間取得平衡來實現(xiàn)該效果。腔體q因子由下式給出：

其中qtotal是總體q因子，qintrinsic是無負載q因子(在沒有由于tpa而導致的損耗的情況下)，qcoupling是與諧振器和波導之間的耦合相關(guān)聯(lián)的q因子，并且qtpa與由于兩個光子吸收而導致的損耗相關(guān)聯(lián)，其是入射功率的函數(shù)。

光子晶體反射器的反射率(r)由下式給出：

通過適當?shù)馗淖僸coupling，反射率可以對兩個光子吸收的影響更多或更少地敏感。為了提供均衡反射率的模式，在期望的功率(通過功率對phc反射器的影響的詳細研究確定)處的qcoupling(通過設(shè)計控制)和qtpa應(yīng)該被選擇為使得入射功率的變化顯著地改變反射率(例如從多于20％到少于10％)，見圖5。

在另一個實施例中，相同光子晶體腔的陣列耦合在一起，并用于通過四波混頻將多波長反饋提供到增益介質(zhì)中。光子晶體在提高其他弱非線性現(xiàn)象的效率方面非常有效[opticsexpress18,26613-26624(2010)，opticsexpress20,17474-17479(2012)]，從而以毫瓦和微瓦功率水平在硅中產(chǎn)生顯著的頻率轉(zhuǎn)換。利用合適的耦合硅光子腔的集合，在相同的波長處的每個諧振，發(fā)生模式分裂，并且可以實現(xiàn)具有在頻率中均勻間隔的多個諧振的系統(tǒng)。最初的單波長激光將與中心諧振中的一個相匹配，光將在耦合的腔體系統(tǒng)中積聚起來，起到泵的作用。參量處理發(fā)生在耦合的光子晶體腔體系統(tǒng)中，以產(chǎn)生信號和空閑波，其通過來自經(jīng)由分裂諧振耦合到耦合腔體系統(tǒng)中的半導體光放大器的自發(fā)發(fā)射來提供種子(seed)。信號波和空閑波將與泵相位匹配，并且將被耦合回到半導體光放大器中，從而在與初始線具有固定相位關(guān)系的附加縱向模式上產(chǎn)生激光。這提供了一種相位鎖定機制，其最小化模式競爭并提供低模態(tài)相對強度噪聲。此外，利用適當設(shè)計的系統(tǒng)，可以進行級聯(lián)的四波混頻，從而提供在大量波長處的激射。

在所有上述示例中，調(diào)頻激光器可以通過將諸如pin或pn二極管之類的調(diào)諧元件與(一個或多個)光子晶體諧振器組合來實現(xiàn)，該調(diào)諧元件可操作以調(diào)諧(改變)(一個或多個)諧振光子晶體諧振器的波長。激射波長將跟蹤光子晶體腔的諧振波長，所述光子晶體腔提供其波長隨時間變化的激光。

代替波長調(diào)制，也可以實現(xiàn)強度或幅度調(diào)制。這可以使用非對稱的馬赫曾德(machzehnder)干涉儀來完成，如圖6所示。不對稱的馬赫曾德干涉儀具有臂，在這種情況下為材料環(huán)，其從波導上的第一位置延伸到在光傳輸方向上的第二下游位置。臂由與波導的材料相同的材料制成。沿著波導傳輸?shù)墓庵械囊恍﹤鬟f進入臂，一些沿著波導的長度繼續(xù)。由于臂長度的差異，當臂中的光重新加入主波導時，傳輸是波長依賴的。例如，在δl＝558.8μm附近，由于兩臂之間的結(jié)構(gòu)性干涉，波長1550nm處的光完全透射，而在1551nm處，由于兩個臂之間的破壞性干涉，幾乎不可能透射。通過選擇臂的適當長度，可以實現(xiàn)幅度調(diào)制。

圖7是示出圍繞反射半導體光放大器和窄線寬光子晶體反射器構(gòu)建的激光器的示意圖。在輸出波導上添加無源環(huán)形諧振器，以實現(xiàn)頻率調(diào)制到幅度調(diào)制轉(zhuǎn)換。在這種情況下，可以與耦合到環(huán)形諧振器的第一波導平行地設(shè)置附加波導。該附加波導可用作激光器輸出。

在另一個實施例中，反射器在半導體光放大器的背刻面上的反射率減小，從而產(chǎn)生輸出光束。根據(jù)應(yīng)用，可以從激光的任一側(cè)取得輸出。

本發(fā)明的商業(yè)應(yīng)用是在低能量光學鏈路中，特別是對諸如由因特爾和ibm開發(fā)的計算機芯片光學網(wǎng)絡(luò)的需要來減少電連接的使用。光子晶體反射器的小電容產(chǎn)生了一個關(guān)鍵的優(yōu)點。常規(guī)地，激光器或外部調(diào)制器具有數(shù)百皮法范圍的電容，從而在調(diào)制期間產(chǎn)生高功率消耗。在這里，只有光子晶體反射器被調(diào)制，并且千萬億分之一切換能量已經(jīng)被實驗證明。因此，對于現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備，激光器的功耗主要是增益元件的功耗，其可以小于20mw。在10-20gbit/s的比特率下，每比特的能量接近1pj，一個開創(chuàng)性的數(shù)字。此外，驅(qū)動皮法調(diào)制器所需的電子電路便宜得多，并且與較高電容組件所需的功率相比消耗更少的功率。

本發(fā)明的激光器不限于光通信中的應(yīng)用。它還可以用在光學感測(例如遠程光學感測)中，其中光子晶體腔的諧振頻率響應(yīng)于一些激勵而改變?？梢允褂门c光電二極管組合的濾波器來檢測這種改變。

本發(fā)明的激光器可以使用倒裝芯片接合來制成。這種類型的接合提供了優(yōu)于1微米精度的芯片放置。當與大模式面積波導相結(jié)合時，這允許以低成本方式組裝的光子晶體和增益芯片，也給出了非常高的耦合效率。這與基于晶片接合的方法有利地相結(jié)合，其中將iii-v族晶片或iii-v族管芯連接到硅晶片，然后圖案化，這總是浪費了顯著比例的iii-v族材料。相反地，基于倒裝芯片接合的方法使得高效地使用昂貴的iii-v族材料。

在另一個實施例中，如圖8所示，包含光子晶體的硅芯片和包含基于玻璃或聚合物的波導的芯片被獨立地制造，并使用倒裝芯片接合進行組裝，并且隨后附接增益芯片。在這種情況下，每個芯片可以在組裝之前進行測試，從而提高產(chǎn)量。焊盤9用于將芯片連接在一起。

可以使用多種材料以用于構(gòu)建波長選擇器件。波導可以是聚合物或氮氧化硅或更復雜的復合結(jié)構(gòu)，例如triplex^tm或hydex^r。阻擋層可以是使用化學氣相沉積技術(shù)或玻璃上旋涂而沉積的電介質(zhì)材料，例如二氧化硅。光子晶體板可以在硅、氮化硅或iii-v族半導體材料如磷化銦、砷化鎵、磷化銦鎵或氮化鎵中制造。它也可以由硅/鍺多層制成。光子晶體晶格的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)規(guī)格以及缺陷腔諧振器和諧振器-調(diào)制器的數(shù)量和設(shè)計而變化。下包層通常由二氧化硅制成，盡管在某些情況下空氣是可能的。襯底是硅或iii-v族半導體。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不脫離本發(fā)明的情況下，所公開的配置的變化是可能的。例如，可選功能的數(shù)量可以并入器件中。例如，在提供多個諧振器的情況下，每個可以執(zhí)行不同的信號處理功能，包括濾波器、通/斷開關(guān)、幅度調(diào)制器和色散補償器的信號處理功能。同樣地，rsoa和硅芯片也可以組合在包含可移動微透鏡的基于mems的平臺上。在這種情況下，使用具有相對較低精度的常規(guī)組裝工具將光學組件安裝到mems裝配件上。零件可以偏離最佳位置幾十微米，彼此之間沒有光學連接。微透鏡可移動以引導光學組件實現(xiàn)高效的耦合。一旦達到最佳對準，微透鏡被鎖定下來，見us8346037。通過使用不同的材料(例如用于增益芯片的gaas和用于光子晶體的碳化硅)，窄線寬、高邊模抑制激光可以在其它波長下實現(xiàn)。因此，具體實施例的上述描述僅作為示例而做出，而不是為了限制的目的。技術(shù)人員將清楚，可以對所描述的操作進行微小的修改而沒有顯著變化。