本發(fā)明涉及光通信器件和超快光學(xué)物理領(lǐng)域，具體涉及一種硅基混合集成的波長可調(diào)被動鎖模激光器。

背景技術(shù)：

鎖模激光器由于能夠產(chǎn)生超短光脈沖，在光通信、光纖傳感、生物醫(yī)療、精密加工、測量與診斷等諸多領(lǐng)域有著廣闊的前景和重要應(yīng)用價(jià)值。鎖模激光器的鎖模方式可分為主動鎖模、被動鎖模以及混合鎖模技術(shù)，其中，被動鎖模激光器利用可飽和吸收體對輸入光脈沖響應(yīng)強(qiáng)度相關(guān)的特性，實(shí)現(xiàn)各縱模的相位鎖定，進(jìn)而產(chǎn)生超短脈沖。

近年來，石墨烯、氧化石墨烯、二硫化鉬、碳納米管以及黑磷等材料紛紛被發(fā)現(xiàn)在很寬的波長范圍內(nèi)具有可飽和吸收效應(yīng)，并與光纖激光器進(jìn)行集成實(shí)現(xiàn)了性能很好的被動鎖模激光器，然而以上被動鎖模激光器基于光纖諧振腔，存在以下缺點(diǎn)：

(1)可飽和吸收體的轉(zhuǎn)移和集成難度大，一致性差；

(2)光纖諧振腔的長度較長，使得輸出光脈沖的重復(fù)頻率較低；

(3)光纖濾波器的可調(diào)光譜范圍較窄，調(diào)諧速率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是解決傳統(tǒng)的被動鎖模激光器集成難度大、重復(fù)頻率較低以及調(diào)諧速率較低的問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種硅基混合集成的波長可調(diào)被動鎖模激光器，包括硅光芯片、可飽和吸收體薄膜以及依次放置在所述可飽和吸收體薄膜上方，并且與所述硅光芯片上的光路形成光學(xué)諧振腔的半導(dǎo)體光放大器、準(zhǔn)直透鏡和反射棱鏡；

所述可飽和吸收體薄膜，覆蓋在所述硅光芯片表面，產(chǎn)生光學(xué)非線性吸收，實(shí)現(xiàn)被動鎖模；

所述半導(dǎo)體光放大器，作為增益介質(zhì)，在光傳輸方向上的兩個(gè)端面分別鍍有反射膜和增透膜，鍍有反射膜的端面靠近所述光纖諧振腔的外側(cè)，鍍有增透膜的端面靠近所述準(zhǔn)直透鏡；

所述準(zhǔn)直透鏡，實(shí)現(xiàn)所述半導(dǎo)體光放大器與所述硅光芯片之間的光束模場和數(shù)值孔徑匹配；

所述反射棱鏡，對所述硅光芯片的入射光束進(jìn)行垂直折轉(zhuǎn)或?qū)Τ錾涔馐M(jìn)行水平折轉(zhuǎn)。

在上述技術(shù)方案中，所述硅光芯片從下至上依次為襯底硅、埋氧層、光波導(dǎo)層以及沉積在所述光波導(dǎo)層上的光隔離層；

所述光波導(dǎo)層，集成有垂直光耦合器、可調(diào)濾波器和反射器，所述垂直光耦合器對所述硅光芯片的入射光束進(jìn)行水平折轉(zhuǎn)，或?qū)Τ錾涔馐M(jìn)行垂直折轉(zhuǎn)，輸出至所述反射棱鏡進(jìn)行水平折轉(zhuǎn)；所述可調(diào)濾波器用于選模，通過電光效應(yīng)或熱光效應(yīng)調(diào)諧波長；所述反射器實(shí)現(xiàn)光束反射，并與所述半導(dǎo)體光放大器鍍有反射膜的端面構(gòu)成所述光纖諧振腔的兩個(gè)反射端面；

所述光隔離層，實(shí)現(xiàn)所述光波導(dǎo)層與所述可飽和吸收體薄膜之間的光學(xué)隔離，抑制所述可飽和吸收體薄膜對所述光波導(dǎo)層的內(nèi)部器件的影響。

在上述技術(shù)方案中，所述硅光芯片采用CMOS兼容工藝制作，且具有平整的表面。

在上述技術(shù)方案中，所述可飽和吸收體薄膜通過旋涂、薄膜轉(zhuǎn)移或?yàn)R射工藝覆蓋在所述光隔離層的表面。

在上述技術(shù)方案中，所述垂直光耦合器為光柵耦合器，所述可調(diào)濾波器為一維光子晶體微諧振腔，所述反射器為分布布拉格反射鏡。

在上述技術(shù)方案中，所述垂直光耦合器為光柵耦合器，所述可調(diào)濾波器為add-drop型微環(huán)諧振腔，所述反射器為分布布拉格反射鏡。

在上述技術(shù)方案中，

所述垂直光耦合器為光柵耦合器，所述可調(diào)濾波器為add-drop型微環(huán)諧振腔，所述反射器為add-drop型微環(huán)反射鏡；

所述add-drop型微環(huán)諧振腔與所述add-drop型微環(huán)反射鏡具有不同半徑，產(chǎn)生光譜游標(biāo)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)單模激射。

在上述技術(shù)方案中，所述垂直光耦合器為光柵耦合器；所述可調(diào)濾波器為add-drop型微環(huán)諧振腔；所述反射器為環(huán)形反射器，具有光分束和回環(huán)功能，實(shí)現(xiàn)寬譜光反射。

在上述技術(shù)方案中，所述垂直光耦合器的出射角與所述硅光芯片表面的法線的夾角范圍為-30°～30°。

在上述技術(shù)方案中，所述光隔離層采用的沉積方法為PECVD或LPCVD。

本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)緊湊、易于加工制備和波長可調(diào)諧的被動鎖模激光器，實(shí)現(xiàn)增益介質(zhì)、硅光芯片和可飽和吸收體薄膜的三維硅基集成，便于光纖諧振腔的縮小和可飽和吸收體薄膜覆蓋，實(shí)現(xiàn)超小型、高重復(fù)頻率和波長可調(diào)諧。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的一種硅基混合集成的波長可調(diào)被動鎖模激光器的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；

圖2為本發(fā)明提供的光波導(dǎo)層的實(shí)施例1的俯視圖；

圖3為本發(fā)明提供的光波導(dǎo)層的實(shí)施例2的俯視圖；

圖4為本發(fā)明提供的光波導(dǎo)層的實(shí)施例3的俯視圖；

圖5為本發(fā)明提供的光波導(dǎo)層的實(shí)施例4的俯視圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明做出詳細(xì)的說明。

本發(fā)明提供了一種硅基混合集成的波長可調(diào)被動鎖模激光器，如圖1所示，包括硅光芯片100、可飽和吸收體薄膜150以及依次放置在可飽和吸收體薄膜150上方，并且與硅光芯片100上的光路形成光學(xué)諧振腔的反射棱鏡160、準(zhǔn)直透鏡170和半導(dǎo)體光放大器180。

可飽和吸收體薄膜150，覆蓋在硅光芯片100表面，產(chǎn)生光學(xué)非線性吸收，實(shí)現(xiàn)被動鎖模。

半導(dǎo)體光放大器180，作為鎖模激光器的增益介質(zhì)，基于III-V族多量子阱或量子點(diǎn)材料，在光傳輸方向上的兩個(gè)端面分別鍍有反射膜和增透膜，鍍有反射膜的端面靠近光纖諧振腔的外側(cè)，鍍有增透膜的端面靠近準(zhǔn)直透鏡170，半導(dǎo)體光放大器180的反射膜的反射率根據(jù)需要在10％～100％之間任意選取。

準(zhǔn)直透鏡170，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體光放大器180與硅光芯片100之間的光束模場和數(shù)值孔徑匹配，降低光學(xué)損耗和耦合損耗，準(zhǔn)直透鏡170可采用微球透鏡。

反射棱鏡160，對硅光芯片100的入射光束進(jìn)行垂直折轉(zhuǎn)或?qū)Τ錾涔馐M(jìn)行水平折轉(zhuǎn)，具體地，在水平方向，將經(jīng)過半導(dǎo)體光放大器180和準(zhǔn)直透鏡170的入射光束垂直折轉(zhuǎn)，使其垂直透過可飽和吸收體薄膜150，入射至硅光芯片100；在垂直方向，將硅光芯片100的出射光束水平折轉(zhuǎn)，使其經(jīng)準(zhǔn)直透鏡170和半導(dǎo)體光放大器180出射。

硅光芯片100基于絕緣體上的(silicon-on-insulator)材料加工制備，采用CMOS兼容工藝制作，并且具有平整的表面，利于可飽和吸收體薄膜的覆蓋，有利于提升被動鎖模激光器的性能一致性和量產(chǎn)能力。硅光芯片100從下到上依次為襯底硅110、埋氧層120、光波導(dǎo)層130以及沉積在光波導(dǎo)層130上的光隔離層140。

本發(fā)明，通過CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)兼容的光刻與刻蝕工藝，在光波導(dǎo)層130中集成了垂直光耦合器131、可調(diào)濾波器132和反射器133，垂直光耦合器131對硅光芯片100的入射光束進(jìn)行水平折轉(zhuǎn)，或?qū)Τ錾涔馐M(jìn)行垂直折轉(zhuǎn)，輸出至反射棱鏡160進(jìn)行水平折轉(zhuǎn)；可調(diào)濾波器132用于選模，通過電光效應(yīng)或熱光效應(yīng)調(diào)諧波長；反射器133實(shí)現(xiàn)光束反射，并與半導(dǎo)體光放大器180鍍有反射膜的端面構(gòu)成光纖諧振腔的兩個(gè)反射端面，鎖模激光器的光脈沖可以從半導(dǎo)體光放大器180的鍍有反射膜的端面輸出，也可以從硅光芯片100上的反射器133輸出，也可以從以上兩者同時(shí)輸出。

光隔離層140，采用PECVD、LPCVD、旋涂或?yàn)R射等CMOS兼容工藝覆蓋覆蓋在光波導(dǎo)層130上，實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)層130與可飽和吸收體薄膜150之間的光學(xué)隔離，抑制可飽和吸收體薄膜150對光波導(dǎo)層130的內(nèi)部器件的影響。其中，可飽和吸收體薄膜150通過旋涂、薄膜轉(zhuǎn)移或?yàn)R射工藝覆蓋在光隔離層140的表面。

上述硅襯底110的材質(zhì)通常為單晶硅；埋氧層120的材質(zhì)通常為厚度為0.1～5μm的二氧化硅；光波導(dǎo)層130的材質(zhì)可以是單晶硅、多晶硅、非晶硅、氮化硅、氮氧化硅、III-V或LiNbO₃(鈮酸鋰)等折射率高于埋氧層120和光隔離層140的材料，而光波導(dǎo)層130的優(yōu)選材質(zhì)為厚度在0.4μm以內(nèi)的單晶硅、厚度在1μm以內(nèi)的氮化硅或者厚度在1μm以內(nèi)的LiNbO₃；光隔離層140可以是二氧化硅、氮氧化硅、SU-8、BCB、PMMA等低折射率材料，其優(yōu)選材料是二氧化硅，優(yōu)選沉積方法為PECVD或LPCVD；可飽和吸收體薄膜150可以是石墨烯、氧化石墨烯、二硫化鉬、碳納米管或黑磷等材料，采用旋涂、薄膜轉(zhuǎn)移或?yàn)R射等工藝覆蓋在光隔離層140的表面，使光束從硅光芯片100上垂直出射或入射時(shí)會充分穿透可飽和吸收體薄膜150。

上述垂直光耦合器131的優(yōu)選方案為光柵耦合器，也可以是其它可以將光束實(shí)現(xiàn)水平/垂直折轉(zhuǎn)的光耦合結(jié)構(gòu)，其中，垂直型光耦合器131的出射角與硅光芯片100表面的法線的夾角范圍在-30°～30°內(nèi)；反射器133的優(yōu)選方案為寬譜光反射器或者帶有濾波特性的反射器，可調(diào)濾波器132和反射器133也可以由其它同時(shí)具備濾波和反射功能的光學(xué)元件或光學(xué)元件組合替代，反射器133的反射率可根據(jù)輸出光功率的需要，在10％～100％之間具體選擇。

如圖2所示，為本發(fā)明光波導(dǎo)層130的實(shí)施例1。其中，光柵耦合器231作為垂直光耦合器131，一維光子晶體微諧振腔232作為可調(diào)濾波器132，分布布拉格反射鏡(DBR)233作為反射器133。

如圖3所示，為本發(fā)明光波導(dǎo)層130的實(shí)施例2。其中，光柵耦合器331作為垂直光耦合器131，add-drop型微環(huán)諧振腔332作為可調(diào)濾波器132，分布布拉格反射鏡(DBR)333作為反射器133。

如圖4所示，為本發(fā)明光波導(dǎo)層的實(shí)施例3。其中，光柵耦合器431作為垂直光耦合器131，add-drop型微環(huán)諧振腔432作為可調(diào)濾波器132，add-drop型微環(huán)反射鏡433作為反射器133。add-drop型微環(huán)諧振腔432和add-drop型微環(huán)反射鏡433具有不同半徑，可以產(chǎn)生光譜游標(biāo)效應(yīng)(Vernier effect)，實(shí)現(xiàn)單模激射。

如圖5所示，為本發(fā)明光波導(dǎo)層的實(shí)施例4。其中，光柵耦合器531作為垂直光耦合器131，add-drop型微環(huán)諧振腔532作為可調(diào)濾波器132，環(huán)形反射器533作為反射器133。環(huán)形反射器533具有光分束和回環(huán)功能，可實(shí)現(xiàn)寬譜光反射。

上述可調(diào)濾波器132還可以是基于微環(huán)諧振腔、微盤諧振腔、光子晶體諧振腔或側(cè)壁波導(dǎo)光柵的級聯(lián)結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、利用反射棱鏡和垂直光耦合器實(shí)現(xiàn)光束“水平-垂直”折轉(zhuǎn)，便于硅基三維混合集成，便于光束充分透過可飽和吸收體薄膜，提升鎖模效果；

2、基于高度緊湊的硅基集成方案，光纖諧振腔長度短，易于實(shí)現(xiàn)超高重復(fù)頻率、超穩(wěn)定的光脈沖；

3、利用硅光芯片上的可調(diào)濾波器實(shí)現(xiàn)激光波長可調(diào)，具有調(diào)諧功耗低、調(diào)諧速率高的優(yōu)點(diǎn)；

4、通過準(zhǔn)直透鏡進(jìn)行光束折轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體光放大器和垂直光耦合器之間的光束模場和數(shù)值孔徑匹配，從而減小耦合損耗；

5、硅光芯片基于CMOS兼容工藝制備，其平整的表面有利于可飽和吸收體薄膜的覆蓋，有利于提升被動鎖模激光器的性能一致性和量產(chǎn)能力。

本發(fā)明不局限于上述最佳實(shí)施方式，任何人在本發(fā)明的啟示下作出的結(jié)構(gòu)變化，凡是與本發(fā)明具有相同或相近的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。