技术领域
[0001] 本
发明涉及调频激光器，具体涉及一种高速高线性的硅-铌酸锂外腔调频激光器。
背景技术
[0002] 硅光技术发展至今，在
光源、
调制器、
波导、探测器等光电器件上已取得不少突破和成果。硅基材料成本低且延展性好，可以利用成熟的硅CMOS工艺制作光器件，方便与其他现有的元器件集成。同时硅波导光传输性能优异，对1.1-1.6um的通信波段透明，为将来高速且大容量的通信打开了另一扇大
门。
[0003] 在现有的加工平台上，硅波导的损耗为2-3dB/cm，受制于硅中心对称的晶格特性，其线性电光效应微弱，使得硅中的光调制主要依赖于自由载流子色散效应。然而，由于自由载流子色散的本征吸收和非线性特性，会降低光调制的振幅，并且在使用高级调制格式时可能导致
信号失真。这使得硅光调制器要么显示出较低的光电带宽，要么显示出较高的工作
电压。
[0004] 与之相比，铌酸锂材料作为光波导具有比硅波导更低的损耗，其1dB/cm的传输损耗能在极大程度上降低能耗。泡克
耳斯系数大，且晶体中仅存在
电场作用，不存在载流子的输运过程，使其具有优异的一阶泡克耳斯线性电光效应，更容易实现低功耗、高速率的调制器，仍是实现高性能光调制器的绝佳选择。但常规的铌酸锂调制器是由光学限制较弱的低折射率
对比度波导形成的，这使得光学模式没有很好的被限制在铌酸锂波导内，而
微波电极必须放在远离光学模式的地方以尽可能的减小吸收损耗，为此包层厚度必须增加，这导致铌酸锂调制器体积过大的同时也增大了驱动电压，为了降低调制电压不得不增加调制臂长度，这使得器件体积更大，调制效率也无法得到更好的提升。
[0005] 随着工艺
水平的提高，制备超薄铌酸锂
薄膜成为可能。混合硅/铌酸锂材料系统将硅
光子的可扩展性与薄膜铌酸锂的出
色调制性能结合在一起，有望实现同时满足低损耗、低驱动电压、大带宽、高线性度、占地面积小、低制造成本的高性能片上调制器。近年来，国内外不少学者证明了将铌酸锂薄膜键合到绝缘体上硅平台的可操作性，将无图案的薄膜铌酸锂或
刻蚀成波导的薄膜铌酸锂组合在一起，弥补了硅波导本身调制能
力的
缺陷，又利用了硅光平台良好的可扩展性和低成本特点。2019 年5月，中山大学的研究团队发表在《Nature Photonics》的基于
异质结构的硅/铌酸锂
马赫-曾德尔调制器的研究成果展现了在单驱动电压操作下插入损耗2.5dB，电压- 长度积为2.2V·cm，电光带宽至少70Hz，调制速率112Gb/s和100Gb/s的
开关键控 (OOK)优异调制性能。
发明内容
[0006] 本发明提供一种高速高线性的硅-铌酸锂外腔调频激光器，该激光器借助铌酸锂薄膜和硅波导的异质集成技术，将其用于外腔激光器中，以获得高速高线性调频激光器。通过铌酸锂薄膜和硅波导的异质集成，使得光学模式部分进入或通过垂直绝热
耦合器完全进入到铌酸锂波导当中，这样可以通过铌酸锂材料的线性电光效应实现对光波导
相位的调节。该激光器充分结合了硅光器件集成性能好，铌酸锂薄膜线性电光效应强的优势，使得外腔激光器在线宽、线性度、调制速度、能耗等指标上表现得更加优异。
[0007] 本发明的技术解决方案如下：
[0008] 一种高速高线性的硅-铌酸锂外腔调频激光器，其特点在于包括反射型
半导体光放大器、光斑尺寸转换器、
移相器、第一微环
滤波器、第二微环滤波器和反射镜；所述反射型
半导体光放大器的输出端与所述的光斑尺寸转换器的输入端相连，所述的光斑尺寸转换器的输出端与所述的移相器相连，所述的移相器的输出端与所述的第一微环滤波器的输入端相连，所述的第一微环滤波器的输出端与所述的第二微环滤波器的输入端相连，所述的第二微环滤波器的输出端与反射镜连接，该反射镜的输出端即激光器的输出端，所述的移相器、第一微环滤波器、第二微环滤波器和反射镜由硅波导和铌酸锂薄膜异质集成构成。
[0009] 所述的反射型
半导体光放大器的一端具有高反射率(反射率≥90％),另一端具有低反射率(反射率≤0.005％)，所述的低反射率端即反射型半导体光放大器的输出端；所述的反射型半导体光放大器的增益
波长处于通信波段，可以用III-V
量子阱或
量子点材料实现。
[0010] 所述的光斑尺寸转换器采用倒锥型耦合器或悬空波导模斑变换器等结构实现。
[0011] 所述的反射镜采用萨尼亚克(Sagnac)反射环或布拉格光栅结构,其反射率约40％。
[0012] 所述的铌酸锂薄膜可以考虑使用
聚合物辅助键合、选择性
氧化物基键合、
晶圆键合等方式与硅波导键合在一起，铌酸锂薄膜可以是无蚀刻的平板层也可以是脊形波导结构。
[0013] 所述半导体光放大器和硅芯片可以通过端面对接耦合进行对准。
[0014] 所述的硅波导可结合实际需求用氮化硅波导或者氧化硅波导代替。
[0015] 在上述技术方案的
基础上，通过调节所述的移相器、所述的第一微环滤波器及所述的第二微环滤波器，激光器法珀腔与游标效应的谐振波长对准实现选模，激光器输出波长因此能够连续可调。
[0016] 在上述技术方案的基础上，所述第一微环滤波器的大小与第二微环滤波器的大小略有不同，因而可以利用两微环的游标效应扩大级联滤波器的自由
频谱范围。
[0017] 和
现有技术相比，本发明有益效果主要体现在如下方面：
[0018] 铌酸锂薄膜损耗小，可增大微环Q值，使得反馈回III-V增益介质腔的纵模
能量升高，稳定激光器的单模输出，提升出射的单模激光功率，减小出射激光线宽。
[0019] 铌酸锂薄膜电光效应强，线性度好，相较于硅基外腔激光器可以实现更高的调频线性度和更快的调频速度。
附图说明
[0020] 图1为铌酸锂平板薄膜键合在绝缘体上硅波导平台的
实施例示意图，包括移相器截面示意图。
[0021] 图2为刻蚀成脊波导的铌酸锂薄膜键合在绝缘体硅波导平台上实施例示意图，包括移相器截面示意图和光通过垂直绝热耦合器进入到铌酸锂脊形波导的示意图。
具体实施方式
[0022] 为了进一步阐明本技术方案的目的、技术方案及核心优势，下文结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。下述具体实施例仅起解释目的，并不用于限定本发明。
[0023] 如图1、图2所示，本发明高速高线性的硅-铌酸锂外腔调频激光器，包括反射型半导体光放大器101、光斑尺寸转换器102、移相器103、第一微环滤波器104、第二微环滤波器105和反射镜106；所述反射型半导体光放大器101的输出端与所述的光斑尺寸转换器102的输入端相连，所述的光斑尺寸转换器102的输出端与所述的移相器103相连，所述的移相器
103的输出端与所述的第一微环滤波器104的输入端相连，所述的第一微环滤波器104的输出端与所述的第二微环滤波器105的输入端相连，所述的第二微环滤波器105的输出端与反射镜106连接，该反射镜106 的输出端即激光器的输出端，所述的移相器103、第一微环滤波器104、第二微环滤波器105和反射镜106由硅波导和铌酸锂薄膜异质集成构成。
[0024] 在图1、图2所述实施例中，所述的反射型半导体光放大器101一端设为高反射率(反射率≥90％)，另一端设为低反射率(反射率≤0.005％)，所述的低反射率端与光斑尺寸转换器102相连。
[0025] 在图1、图2所述实施例中，所述的光斑尺寸转换器102采用倒锥型耦合器或悬空波导模板变换器等结构实现。
[0026] 在图1、图2所述实施例中，所述的第一微环滤波器104、第二微环滤波器105 也可采用其他具有滤波功能的结构。在图1、图2所述实施例中，所述的反射镜106 为反射率约40％的Sagnac反射环，在实际实施过程中，也可以采用布拉格光栅等其他反射结构。
[0027] 图1外腔结构中的移相器103、第一微环滤波器104、第二微环滤波器105和反射镜106都基于铌酸锂和硅混合集成波导，波导相位的高速调节通过铌酸锂的线性电光效应实现。
[0028] 在图1所述实施例中，铌酸锂薄膜通过DVS-BCB
粘合剂与硅波导键合在一起。光学模式以超模状态存在于硅和铌酸锂复合波导中。
[0029] 在图1、图2所述实施例中，所述的硅波导也可结合实际需求用氮化硅波导或氧化硅波导代替。
[0030] 在图2所述实施例中，光通过垂直绝热耦合器进入上层铌酸锂薄膜脊形波导。
[0031] 在图2所述实施例中的截面立体图展示了光通过垂直绝热耦合器进入到铌酸锂脊形波导的过程，其中垂直绝热耦合器采用了最简单的倒锥形绝热耦合器结构。
[0032] 在图1、图2所述实施例中，除反射型半导体光放大器101外，其余部件均由硅-铌酸锂复合波导实现。所述的反射型半导体光放大器101和硅-铌酸锂外腔芯片通过对接耦合方式进行对准。
[0033] 在图1、图2所述实施例中，所述的第一微环滤波器104和第二微环滤波器105 的自由
光谱范围 其中λ为微环的谐振波长，Δλ为相邻谐振峰之间的波长间隔，ng为微环的波导群折射率，Lr为微环的周长。所述的第一微环滤波器 104和第二微环滤波器105的
自由光谱范围FSR1和FSR2相差较小，可以形成游标效应滤波器，其自由光谱范围第二微环滤波器谐振波长与第一微环滤波器中心波长可分别通过各自的移相器进行调节。
[0034] 在图1、图2所述实施例中，通过调节移相器103、第一微环滤波器104及第二微环滤波器105，激光器法珀腔与游标效应的谐振波长对准实现选模，激光器输出波长因此能够连续可调。
[0035] 在图1所述实施例中，反射型半导体光放大器101发出的激光通过光斑尺寸转换器102耦合进入硅-铌酸锂外腔芯片，光学模式便以超模形式同时存在于硅和铌酸锂材料中，其中绝大部分能量存在于硅波导中。光经移相器103从第一微环滤波器 104的输入端输入，从第一微环滤波器104的输出端输出，再通过第二微环滤波器 105的输入端输入，从第二微环滤波器105的输出端输出，进入反射镜106，部分透射，部分反馈。受益于铌酸锂薄膜的低损耗特性，微环Q值得以提高，游标效应选出的纵模能量变强，整个
谐振腔Q值得以提高，这减小了最终出射的激光线宽，增加了输出功率；受益于铌酸锂薄膜高线性电光系数，调制速度快的优势，激光器在调频过程中可以有更快的调频速度，同时也保证了调频线性度。
[0036] 在图2所述实施例中，反射型半导体光放大器101发出的激光通过光斑尺寸转换器102耦合进入硅-铌酸锂外腔芯片，光学模式通过垂直绝热耦合器从硅波导耦合到铌酸锂波导中，绝大部分能量存在于铌酸锂波导中。光经移相器103从第一微环滤波器104的输入端输入，从第一微环滤波器104的输出端输出，再通过第二微环滤波器105的输入端输入，从第二微环滤波器105的输出端输出，进入反射镜106，部分透射，部分反馈。受益于铌酸锂薄膜的低损耗特性，微环Q值得以提高，游标效应选出的纵模能量变强，整个谐振腔Q值得以提高，这减小了最终出射的激光线宽，增加了输出功率；受益于铌酸锂薄膜高线性电光系数，调制速度快的优势，激光器在调频过程中可以有更快的调频速度，同时也保证了调频线性度。
[0037] 本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本
说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
