本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器，尤其涉及一種新型多材料體系集成的高功率窄線寬大范圍可調(diào)諧激光器。

背景技術(shù)：

1、隨著光通信技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)半導(dǎo)體激光器的光譜調(diào)諧范圍和線寬特性提出了更高的要求。未來6g網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用將進(jìn)一步關(guān)注3d沉浸式體驗(yàn)，包括擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)、智慧交互、全息通信、數(shù)字孿生等新應(yīng)用。這些新應(yīng)用的興起將對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時(shí)延和可靠性提出更高的要求。此外，隨著骨干網(wǎng)（超過1000km）和城域網(wǎng)（100-1000km）的升級(jí)擴(kuò)容，以及分布式數(shù)據(jù)中心對(duì)大帶寬和長(zhǎng)距離光互連需求（80-120km）的增加，運(yùn)營(yíng)商迫切需要最大化頻譜和成本效率，運(yùn)營(yíng)商希望在傳輸距離不變的情況下，提升速率容量，持續(xù)降低單比特成本，并盡可能減少設(shè)備所占用的物理空間。但現(xiàn)有相干光通信用的激光器存在功率、線寬和調(diào)諧范圍等關(guān)鍵性能指標(biāo)的限制，已經(jīng)無法滿足未來中長(zhǎng)距離超高速相干光通信的需求。從相干光通信傳輸技術(shù)角度來看，通過擴(kuò)展波特率和調(diào)制碼型階數(shù)，能夠有效提升單波速率，增加并行通道數(shù)可以進(jìn)一步增加信息傳輸容量。比如在100g-qpsk時(shí)代，80波只需要32gbaud波特率和c波段4thz帶寬，而進(jìn)入400g-qpsk時(shí)代后，則需要擴(kuò)展到128gbaud波特率和c+l波段12thz帶寬，隨著單波800g以上時(shí)代的到來，高波特率配合高階調(diào)制、密集波分復(fù)用/超密集波分復(fù)用技術(shù)，波道間隔越來越小，波道數(shù)越來越多，將覆蓋s+c+l波段。

2、除了光通信場(chǎng)景以外，激光雷達(dá)的運(yùn)用也是一個(gè)極大的熱點(diǎn)?；谡{(diào)頻連續(xù)波的光學(xué)相控陣（fmcw-opa）激光雷達(dá)技術(shù)是目前前景廣闊的方向之一，該技術(shù)不僅需要激光器窄線寬的特性以增加探測(cè)距離，而且需要激光器的高速寬調(diào)諧范圍的特性提升激光器雷達(dá)的掃描范圍。

3、實(shí)現(xiàn)大范圍窄線寬激光器的比較成熟的方案有dfb激光器、dbr激光器，由于dfb激光器和dbr激光器是通過光柵濾波器進(jìn)行線寬壓縮，通過注入不同濃度的載流子引起光柵結(jié)構(gòu)折射率的改變，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧功能，單管的線寬壓縮和波長(zhǎng)調(diào)諧能力都受到很大限制。通常dfb激光器的單管線寬壓縮在100khz量級(jí)，調(diào)諧范圍只有2-3nm，想要實(shí)現(xiàn)100nm以上的調(diào)諧范圍，dfb激光器陣列的設(shè)計(jì)和工藝難度極大；dbr激光器的單管線寬壓縮在mhz量級(jí)，調(diào)諧范圍有5-10nm，雖然調(diào)諧范圍比dfb激光器大，但線寬壓縮能力有限。

4、實(shí)現(xiàn)超大范圍的波長(zhǎng)調(diào)諧的另一個(gè)方案是外腔型可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器，通過外腔實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧和線寬壓窄的功能。具體方案包括基于衍射光柵、光纖光柵以及微環(huán)諧振器作為外腔的方案。光柵外腔型的可調(diào)諧窄線寬激光器雖然線寬性能優(yōu)異、調(diào)諧范圍廣，但其體積較大、封裝復(fù)雜、光路對(duì)準(zhǔn)困難、機(jī)械調(diào)諧滯后嚴(yán)重，這將降低激光器的可靠性。微環(huán)諧振腔型的可調(diào)諧窄線寬激光器通過游標(biāo)效應(yīng)增加激光器的調(diào)諧范圍；同利用熱光效應(yīng)、載流子注入效應(yīng)或電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)切換。微環(huán)諧振腔型的可調(diào)諧窄線寬激光器在可靠性、低功耗性、波長(zhǎng)可調(diào)諧性、線寬特性等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于基于光柵元件的可調(diào)諧窄線寬激光器。

5、基于微環(huán)諧振器的可調(diào)諧窄線寬激光器采用sion、si、si3n4、linbo3（鈮酸鋰）等不同的波導(dǎo)材料?；谶@些材料體系的硅基窄線寬可調(diào)諧激光器的研究均取得了一定的進(jìn)展，但都存在各自的缺點(diǎn)：sion外腔波導(dǎo)折射率對(duì)比度低，尺寸大，熱光系數(shù)小，功耗高，比如日本電氣股份有限公司研制的基于sion波導(dǎo)的外腔激光器，尺寸比基于si波導(dǎo)的外腔激光器大了近10倍，調(diào)諧范圍60nm；si外腔波導(dǎo)存在雙光子吸收效應(yīng)，導(dǎo)致波導(dǎo)損耗增加，輸出功率受到限制，嚴(yán)重影響激光器的線寬壓縮，盡管加州大學(xué)通過特殊的工藝優(yōu)化降低了si波導(dǎo)損耗，實(shí)現(xiàn)了100hz以下的線寬壓縮和118nm的調(diào)諧范圍，但非線性效應(yīng)的局限沒有得到根本解決，根據(jù)其他基于si波導(dǎo)的外腔激光器的報(bào)道顯示，線寬仍然在幾十khz以上，調(diào)諧范圍不到60nm左右；鈮酸鋰外腔波導(dǎo)的制備工藝不成熟，波導(dǎo)損耗較大，且與硅光子平臺(tái)工藝不兼容，而且鈮酸鋰與ⅲ-ⅴ族材料的折射率差異較大，難以實(shí)現(xiàn)高效率耦合集成。此外，在x切的lnoi平臺(tái)上的脊型波導(dǎo)的電光調(diào)諧效率可以通過淺刻蝕來有效提高，淺刻蝕的鈮酸鋰脊波導(dǎo)沒有很強(qiáng)的光束縛特性，必須選用足夠大半徑的彎曲波導(dǎo)才能保證微環(huán)的低損傳輸。另一方面，高效的電光調(diào)諧需要足夠長(zhǎng)的調(diào)制臂來滿足，上述限制導(dǎo)致鈮酸鋰微環(huán)的周長(zhǎng)偏大，使得其自由光譜范圍（fsr）非常小，較難實(shí)現(xiàn)超大范圍的波長(zhǎng)調(diào)諧；si3n4外腔波導(dǎo)在線寬壓縮和調(diào)諧范圍上具有一定的優(yōu)勢(shì)，但si3n4的熱光系數(shù)較小，利用熱光效應(yīng)調(diào)諧時(shí)功耗較大，波長(zhǎng)切換速率較慢，僅為微秒級(jí)。此外，在大范圍調(diào)諧時(shí)，主要問題是增益芯片的增益光譜范圍和輸出功率譜無法與之相匹配，難以實(shí)現(xiàn)大范圍高功率輸出。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明創(chuàng)造旨在提供一種利用不同波導(dǎo)材料進(jìn)行單片集成，實(shí)現(xiàn)高功率、窄線寬、大范圍調(diào)諧的半導(dǎo)體激光器。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明創(chuàng)造的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、一種新型多材料體系集成的高功率窄線寬大范圍可調(diào)諧激光器，包括硅襯底和設(shè)置在硅襯底上的二氧化硅埋氧層，還包括分別設(shè)置在二氧化硅埋氧層上的ⅲ-ⅴ族增益芯片、模式轉(zhuǎn)換器、由硅波導(dǎo)構(gòu)成的與ⅲ-ⅴ族增益芯片鍵合的可調(diào)諧薩格納克環(huán)、由鈮酸鋰/氮化硅復(fù)合構(gòu)成的與模式轉(zhuǎn)換器鍵合的串聯(lián)三微環(huán)諧振器，串聯(lián)三微環(huán)諧振器與可調(diào)諧薩格納克環(huán)組成等效諧振腔。

4、進(jìn)一步的，串聯(lián)三微環(huán)諧振器整體采用氮化硅波導(dǎo)，在氮化硅波導(dǎo)的周圍沉積有第一二氧化硅包層，氮化硅波導(dǎo)包括與模式轉(zhuǎn)換器相連的相位調(diào)制臂、與相位調(diào)制臂相連的第一彎曲波導(dǎo)、與第一彎曲波導(dǎo)相連的輸入端波導(dǎo)、與輸入端波導(dǎo)耦合的第一跑道型微環(huán)諧振器、與第一跑道型諧振器耦合的第一級(jí)聯(lián)波導(dǎo)、與第一級(jí)聯(lián)波導(dǎo)耦合的第二跑道型微環(huán)諧振器、與第二跑道型微環(huán)諧振器耦合的第二級(jí)聯(lián)波導(dǎo)、與第二級(jí)聯(lián)波導(dǎo)耦合的第三跑道型微環(huán)諧振器、與第三跑道型微環(huán)諧振器耦合的第三級(jí)聯(lián)波導(dǎo)、與第三級(jí)聯(lián)波導(dǎo)相連的第二彎曲波導(dǎo)、與第二彎曲波導(dǎo)相連的輸出端波導(dǎo)，在第一跑道型諧振器、第二跑道型諧振器和第三跑道型諧振器的上方鍵合有鈮酸鋰薄膜，在鈮酸鋰薄膜上位于第二跑道型微環(huán)諧振器的兩側(cè)沉積有用于高速切換波長(zhǎng)的第一金電極，在鈮酸鋰薄膜上避開第一金電極的區(qū)域沉積有第二二氧化硅包層，在第二二氧化硅包層上對(duì)應(yīng)于第一跑道型微環(huán)諧振器、第二跑道型微環(huán)諧振器、第三跑道型微環(huán)諧振器的位置分別沉積有用于調(diào)諧波長(zhǎng)的鎳鉻加熱電極，在第二彎曲波導(dǎo)上沉積有用于調(diào)相的鎳鉻加熱電極。

5、進(jìn)一步的，在氮化硅波導(dǎo)上沉積有與鈮酸鋰薄膜厚度相同的第三二氧化硅包層，可調(diào)諧薩格納克環(huán)整體采用硅波導(dǎo)且沉積在第三二氧化硅包層上，在硅波導(dǎo)的周圍沉積第二二氧化硅包層，硅波導(dǎo)包括與模式轉(zhuǎn)換器相連的第一直波導(dǎo)、與第一直波導(dǎo)相連的第一定向耦合器、與第一定向耦合器相連的第二直波導(dǎo)，與第二直波導(dǎo)相連的第二定向耦合器、與第二定向耦合器相連的環(huán)形波導(dǎo)、與第二直波導(dǎo)相對(duì)稱的且一端與第二定向耦合器相連，另一端與第一定向耦合器相連的第三直波導(dǎo)、與第一定向耦合器相連的反饋端波導(dǎo)，在第二直波導(dǎo)上沉積有用于調(diào)相的鎳鉻加熱電極，ⅲ-ⅴ族增益芯片鍵合在第一直波導(dǎo)上，在ⅲ-ⅴ族增益芯片上沉積有第三金電極。

6、進(jìn)一步的，相位調(diào)制臂的電極為沉積在鈮酸鋰薄膜上的且位于第一彎曲波導(dǎo)兩側(cè)的用于電光調(diào)制的第二金電極。

7、進(jìn)一步的，模式轉(zhuǎn)換器由硅模斑轉(zhuǎn)換器和氮化硅模斑轉(zhuǎn)換器組成，硅模斑轉(zhuǎn)換器為形成在第一直波導(dǎo)遠(yuǎn)離第一定向耦合器一端的錐頭，氮化硅模斑轉(zhuǎn)換器為形成在第一彎曲波導(dǎo)遠(yuǎn)離輸入端波導(dǎo)一端的錐頭，硅模斑轉(zhuǎn)換器和氮化硅模斑轉(zhuǎn)換器在不同的高度錯(cuò)開布置。

8、進(jìn)一步的，第一跑道型微環(huán)諧振器、第二跑道型微環(huán)諧振器與第三跑道型微環(huán)諧振器的周長(zhǎng)均不相同，第一跑道型微環(huán)諧振器和第二跑道型微環(huán)諧振器的周長(zhǎng)相差不大，為提高邊模抑制比，第三個(gè)跑道型微環(huán)諧振器的周長(zhǎng)比第一和第二跑道型微環(huán)諧振器的周長(zhǎng)相差較大。

9、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明創(chuàng)造能夠取得如下有益效果：

10、1、鈮酸鋰/氮化硅復(fù)合波導(dǎo)的串聯(lián)三微環(huán)諧振器和硅波導(dǎo)的可調(diào)諧薩格納克環(huán)構(gòu)成等效諧振腔結(jié)構(gòu)，用于突破自由光譜范圍內(nèi)的波長(zhǎng)調(diào)諧限制，實(shí)現(xiàn)s+c+l大范圍單縱模的精細(xì)調(diào)控。其中，窄線寬大范圍可調(diào)諧激光器的一端采用串聯(lián)三微環(huán)諧振器，通過設(shè)計(jì)并優(yōu)化基于三微環(huán)串聯(lián)的諧振腔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高縱模增益差的大范圍自由光譜區(qū)，并通過定向耦合器實(shí)現(xiàn)反射率的可調(diào)節(jié)，窄線寬大范圍可調(diào)諧激光器的另一端采用可調(diào)諧薩格納克環(huán)，利用熱光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由光譜范圍的諧振切換，從而使調(diào)諧范圍不受自由光譜范圍的限制。

11、2、串聯(lián)三微環(huán)諧振器采用鈮酸鋰/氮化硅復(fù)合波導(dǎo)，優(yōu)化多物理場(chǎng)相互耦合與功能調(diào)控機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多材料體系的多功能片上集成。充分融合鈮酸鋰薄膜的電光效應(yīng)、氮化硅波導(dǎo)的低損耗、硅波導(dǎo)的低功耗和ⅲ-ⅴ族增益芯片的高增益優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化多物理協(xié)同作用機(jī)制，將ⅲ-ⅴ族增益芯片與無源外腔硅波導(dǎo)芯片異質(zhì)集成，減小體積降低功耗。設(shè)計(jì)異質(zhì)集成過渡層，實(shí)現(xiàn)ⅲ-ⅴ族增益芯片有源波導(dǎo)與氮化硅波導(dǎo)的高效耦合。利用超薄鍵合技術(shù)，將氮化硅波導(dǎo)與鈮酸鋰薄膜異質(zhì)集成，實(shí)現(xiàn)線寬壓縮與波長(zhǎng)快速切換。

12、3、采用量子結(jié)構(gòu)增強(qiáng)效應(yīng)精準(zhǔn)控制外延材料特性，解決ⅲ-ⅴ族增益芯片的增益光譜范圍受限的難題，實(shí)現(xiàn)大范圍、平坦化、高增益輸出光譜。一方面，提出寬光譜啁啾量子阱結(jié)構(gòu)，消除對(duì)光子頻率的固定能帶邊界限制，實(shí)現(xiàn)更寬范圍的光子頻率吸收和發(fā)射。另一方面，探索高密度量子點(diǎn)的外延生長(zhǎng)技術(shù)，通過形成離散的能級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)能量的選擇性吸收和發(fā)射。在此基礎(chǔ)上，拓展ⅲ-ⅴ族增益芯片的增益光譜，同時(shí)通過減少自由載流子相互作用，壓縮激光器的線寬。

13、4、采用電泵浦相位匹配陣列損耗波導(dǎo)，克服單模尺寸效應(yīng)的功率限制，實(shí)現(xiàn)窄線寬可調(diào)諧激光器的高功率激光輸出。通過增加單模有源波導(dǎo)的寬度產(chǎn)生多個(gè)高階模式，并構(gòu)造有效折射率與有源激射波導(dǎo)中高階模式嚴(yán)格匹配的側(cè)向耦合損耗結(jié)構(gòu)，保證激光的基模不損耗，同時(shí)將高階模式損耗掉，提升基模與高階模式的模式增益差。這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)在高電流注入下，仍然保持有源波導(dǎo)單橫模輸出并將輸出功率提升數(shù)倍。