CN100428589C - Q-调制半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Q-调制半导体激光器，包含第一个光学腔和第二个光学腔，所述第一个光学腔是一个包含增益区域的谐振腔，所述第二个光学腔是一个包含调制器区域的反谐振腔；所述第二个光学腔通过一个部分反射的分隔元件与第一个光学腔相耦合，并作为激光器的后反射体；所述调制器区域的吸收系数通过一电致方法被调制并导致所述后反射体反射率和激光器Q值的调制从而改变激光发射的阈值和输出能量。本发明有多种不同具体结构，其中第一个光学腔可分别基于分布反馈光栅、法布里一泊罗谐振腔、分布式布拉格光栅和波长可变的复合谐振腔结构。本发明的Q-调制半导体激光器具有集成化、高速、高消光比、低波长啁啾和低成本等优点。

Description

Q-调制半导体激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器和调制器，尤其涉及一种与利用电流注入或电吸收效应来改变激光器后反射体反射率的Q-调制器单片集成的Q-调制半导体激光器。

背景技术

高速半导体激光器和调制器是当今光导纤维通信系统的关键元件。互联网传输量的迅速增加要求这些光学元件能处理更加大的比特率。通过改变激光器的偏置电流来直接进行光信号强度调制是最简单的方法，它不需要一个外部调制器。但是，直接调制的激光器有根本的速度限制，并且还显示瞬变振荡，其频率等于它的弛豫振荡频率。波长啁啾是直接调制激光器的另一问题。当激光器的输入驱动电流改变时，载流体密度以及折射率都随着变化，从而使波长也随着改变。当脉冲上升和下降时激光波长分别向相反方向变化。比特率越高，啁啾越是明显，其效果使激光线宽加宽。由于光纤的色散作用，脉冲变宽现象在更宽的激光线宽情况下越是严重，从而限制传输距离。

人们也很希望有波长可调谐或可切换的半导体激光器，用于可动态重组的光网络。但是，直接调制激光器所伴随固有的位相变化经常会与波长调谐机制和激光稳定性相干扰，使得可调谐激光器通常不能和直接调制相兼容。

人们可以让激光器工作在连续波(CW)状态，而用一个外置调制器来调制它。这样可以消除上述瞬变振荡的问题，并减少啁啾。电吸收调制器(EAM)是作为外置调制器的一个很好选择，它通过施加一个电信号来改变它的吸收系数。当调制器是在开的状态时激光器的输出光束能低损耗地穿过调制器，而当调制器是在关的状态时光能量将被大部吸收。这种电吸收调制器与其它调制器比较的优点是：低驱动电压，小尺寸，并且可以与分布反馈(DFB)或分布布拉格反射器(DBR)激光器单片集成。电吸收调制器的结构与激光器非常相似，只是它的有源层禁带带隙稍微不同。另一区别是它是工作在反向偏压状态。当输入数据信号改变调制器的反向偏压，调制器波导的吸收系数改变，从而导致输出光学功率的变化。

虽然相对直接调制激光器电吸收调制器显著改进了啁啾性能，啁啾问题仍然存在，因为折射率变化不可避免地伴随着吸收系数的调制。而且调制器啁啾是动态的，随着实际驱动电压的变化而变化。现在电吸收调制器可提供大约10Gb/s的调制速率，能否达到更高的速度(如40Gb/s以上)而同时不引起相当大的寄生相位调制还不能肯定。而且它的消光比性能不理想，与插入损耗和速率等性能之间存在相互妥协。另外，单片集成的电吸收调制激光器(EML)需要多次外延成长，因此工艺复杂，制造成本昂贵。

另一种调制光的方法是使用马赫-曾特(Mach-Zehnder，简称MZ)干涉仪，用具有强的电光效应的材料(如铌酸锂LiNbO3晶体)制作。通过施加电压改变折射率和光学路径长度，使得光学信号在MZ干涉仪每条道路里传播的相对位相被调制。将二个不同相位调制的光束结合起来就可将相位调制转换成强度调制。如果在两条光路里的相位调制正好大小相等但符号相反，此调制器将无任何啁啾，这意味着输出信号只有强度调制而不存在寄生的相位或频率调制。但是，这种外置调制器是非常昂贵的，且很难与激光器单片集成，目前只用在长距离和超长距离传输系统中。

随着用于宽带接入的光纤到户(FTTP)技术的发展以及高密度波分复用器件(DWDM)在城域和局域网中的推广，低成本半导体激光器和调制器已变得越来越重要。法布里-泊罗(Fabry-Perot)激光器被普遍应用于接入网和企业网，以及存储局域网的光纤通道。法布里-泊罗激光器的动态波长稳定性对传输距离有重大影响，尤其是使用多模光纤时更是如此。因此迫切需要一种高速、低成本的调制器，能够减小激光波长啁啾并保持激光器的动态稳定性，它不仅对长距离传输和城域网，而且对接入网和企业网也具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种Q-调制半导体激光器，解决了传统半导体激光器和调制器成本高，不易集成，波长啁啾，制作复杂等问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种Q-调制半导体激光器，包含第一个光学腔和第二个光学腔，所述的第一个光学腔是一个包含增益区域的谐振腔，所述的第二个光学腔是一个包含调制器区域的反谐振腔；所述的第二个光学腔通过一个部分反射的分隔元件与第一个光学腔相耦合，并作为激光器的后反射体；所述的调制器区域的吸收系数通过一电致方法被调制并导致所述的后反射体反射率和激光器Q值的调制从而改变激光发射的阈值和输出能量。

所述的分隔元件是一个边壁垂直的深刻蚀空气槽。

所述的深刻蚀空气槽的宽度尺寸等于四分之一波长的奇数倍。

所述的分隔元件是一个分布式布拉格光栅。

所述的调制器区域的吸收系数是通过正向偏置的电流注入来调制的。

所述的调制器区域的吸收系数是通过反向偏置的电吸收效应来调制的。

第一种具体的技术方案是：所述的第一个光学腔包含增益区域，所述的增益区域是由夹在增益区域的上电极和接地电极中的第一段光波导组成的，所述的增益区域的上电极和接地电极是用来在第一段光波导中注入电流以提供光增益的一对电极；所述的调制器区域是由夹在调制器区域的上电极和接地电极中的第二段光波导组成的，所述的调制器区域的上电极和接地电极是用来提供一个电信号以调制所述第二段光波导的光损耗，从而调制激光器的阈值和输出能量的一对电极。

所述的第一段光波导的波导芯层的上表面包含分布反馈光栅或者所述的第一段光波导和第二段光波导的波导芯层的上表面均包含分布反馈光栅。

第二种具体的技术方案是：所述的第一个光学腔包含增益区域和相位区域，所述的增益区域是由夹在增益区域的上电极和接地电极中的第一段光波导组成的，所述的第一段光波导的波导芯层的上表面包含一个分布反馈光栅，所述的增益区域的上电极和接地电极是用来在第一段光波导中注入电流以提供光增益的一对电极；所述的相位区域是由夹在相位区域的上电极和接地电极中的第三段光波导组成的，所述的相位区域的上电极和接地电极是用一种电致方法来调节所述第三段光波导的有效折射率的一对电极；所述的调制器区域是由夹在调制器区域的上电极和接地电极中的第二段光波导组成的，所述的调制器区域的上电极和接地电极是用来提供一个电信号以调制所述第二段光波导的光损耗，从而调制激光器的阈值和输出能量的一对电极。

所述的第一段光波导，第二段光波导和第三段光波导的波导芯层的上表面均包含分布反馈光栅。

本发明具有的有益效果是：

1.本发明的Q-调制半导体激光器利用一个新的原理机制将半导体激光器与高速、低啁啾Q-调制器单片集成，实现高性能、小尺寸的激光发射器，同时具有与直接调制激光器相类似的低成本和制作简单的优点。

2.本发明的Q-调制半导体激光器有多种不同具体结构形式，包括基于分布反馈激光器、法布里-泊罗激光器、分布式布拉格光栅激光器和波长可调复合腔激光器等不同结构。

3.本发明的Q-调制半导体激光器将调制功能与增益区域相分离，后者是被恒流泵浦的，这不仅减少了波长啁啾，也提高了调制速度，因此相对于直接调制或外置电吸收调制器，本发明的调制器长度要短得多，从而有更小的电容，更高的速率。

4.本发明的Q-调制半导体激光器，在Q-调制器与法布里-泊罗激光器或波长可变多腔激光器集成的情况下，由调制器带来的相位变化非常小，这样使得波长稳定性很好，模式跳频减少，也从而减少了相对强度噪声。

5.本发明的Q-调制半导体激光器具有集成化、高速、高消光比、低波长啁啾和低成本等优点。

附图说明

图1是本发明提出的与一个Q-调制器单片集成的半导体激光器的示意框图。

图2是基于本发明的第一种实现方法的Q-调制半导体激光器的示意图。

图3是空气槽的反射率和透射系数在1550nm波长随空气槽宽度尺寸变化的函数。

图4是对于两个不同归一化吸收系数αL＝0和αL＝2.4，由置于两个刻蚀空气槽之间的调制器区域组成的激光腔后反射体的反射率(a)和反射相位改变(b)随波长变化的光谱函数。

图5是在两个不同归一化吸收系数αL＝0和αL＝2.4的调制器状态下，激光器结构的小信号增益光谱函数。

图6是激光阈值增益系数(a)和波长变化(b)随归一化调制器吸收系数αL变化的函数。

图7是对于不同调制器区域吸收值，激光后反射体的反射率光谱函数。假设调制器区域的波导有效折射率实部和虚部之比为1.5。

图8是对应调制器区域反谐振光学腔的不同工作点，阈值增益系数(a)和波长变化(b)随归一化调制器吸收系数αL变化的函数。

图9是基于本发明第二种实现方法的Q-调制半导体激光器的示意图，其结构包含了分布反馈光栅。

图10是激光阈值增益(a)和波长(b)随相位区域折射率变化而变化的函数，对应光栅被空气槽在一个光栅周期范围内四个不同位置截断的四种情况：高折射率段中间，低折射率段末端，低折射率段中间和高折射率段末端。

图11是在归一化吸收系数αL＝0和αL＝2.4两种调制器状态下，在三个区域都包含有DFB光栅的激光器结构的小信号增益光谱函数。

图12是在归一化调制器吸收系数αL＝0和αL＝2.4两种情况下，激光主模式周围几个不同模式(由标志标出)的阈值增益。

图13是基于本发明第三种实现方法的Q-调制半导体激光器的示意图，该激光器是一个简单的法布里-泊罗激光器(a)或是额外带有通过深刻蚀制作的模式选择器的法布里-泊罗激光器(b)。

图14是在调制器开(αL＝0)和关(αL＝1.2)两种状态下后反射体反射率以及模式选择器反射率的光谱函数。

图15是在调制器开(αL＝0)和关(αL＝1.2)两种状态下，在设计的中心波长1550nm周围，不同纵模的激光发射阈值。

图16是在归一化调制器吸收系数αL＝0和αL＝1.2两种情况下，图13(b)的激光器结构的小信号增益光谱函数。

图17是针对图13(b)激光器结构的激光阈值增益系数(a)和波长变化(b)随归一化调制器吸收变化的函数。

图18是基于本发明第四种实现方法的Q-调制半导体激光器的示意图，该激光器是包含一个信道选择区域的多腔波长可变激光器。

图19是基于本发明第五种实现方法的Q-调制半导体激光器的示意图，该激光器包含分布式布拉格光栅。

图中：100、发射输出光束的前端面，101、增益区域，102、相位区域，103、调制器区域，104、光探测器，105、分隔调制器区域103和相位区域102的分隔元件，106、分隔光探测器104和调制器区域103的分隔元件，107、分隔模式选择器108和增益区域101的分隔元件，108、模式选择器，110、分隔元件或者解理面，112、表面覆盖层，114、波导芯层，116、缓冲层，118、基底，120、接地电极，201、增益区域101的上电极，202、相位区域102的上电极，203、调制器区域103的上电极，204、光探测器104的上电极，208、模式选择器108的上电极，301、分布反馈光栅，404、分隔耦合波导区域409和增益区域101的分隔元件，406、分隔信道选择区域408和耦合波导区域409的分隔元件，407、分隔信道选择区域408和增益区域101的分隔元件，408、信道选择区域，409、耦合波导区域，500、505、510、分布式布拉格光栅，508、信道选择区域408的上电极

具体实施方式

下面根据附图和实施例，详细说明本发明。

如图1所示，一种Q-调制半导体激光器，包含第一个光学腔和第二个光学腔，所述第一个光学腔是一个包含增益区域的谐振腔，所述第二个光学腔是一个包含调制器区域的反谐振腔；所述第二个光学腔通过一个部分反射的分隔元件与第一个光学腔相耦合，并作为激光器的后反射体；所述调制器区域的吸收系数通过电流注入或电吸收效应被调制并导致所述后反射体反射率和激光器Q值的调制从而改变激光发射的阈值和输出能量。本发明的Q-调制半导体激光器有多种不同具体结构，其中第一个光学腔可分别基于分布反馈光栅、法布里-泊罗谐振腔、分布式布拉格光栅和波长可变的复合谐振腔结构。

激光器光学谐振腔的Q因子或称品质因子是用来衡量有多少来自激光器增益介质的光通过光学谐振腔被反馈回来，高的Q因子意味着光在谐振腔中传播每个来回受到较小的损失。Q-调制的原理是利用一个可改变谐振腔Q因子的装置来改变激光输出光功率，这已经应用在产生周期性短脉冲的调Q染料或固体激光器中。通常实现调Q的现有技术方法包括：在光学谐振腔中使用旋转镜，或使用电光或声光调制器。但这些方法对于微小的半导体激光器来说都不可行。

对于半导体激光器的调制，减少波长啁啾是非常重要的一个需要考虑的方面。在一九八七年五月十九日授权的美国专利4,667,331中R.C.Alfemess等描述了在激光谐振腔中放置电调制器的方法，但这种方法并不优越可行，因为除了增加制作复杂程度外，还会引入和直接调制激光器类似的显著的波长啁啾。

在二零零三年二月十一日授权的的美国专利6,519,270中，H.B.Kim and J.J.Hong描述了一个由单模分布反馈激光器与无源光波导区域集成形成的复合腔激光器。通过调制无源波导的折射率，从而调制无源波导后解理面有效反射率的相位，进而调制激光频率，然后通过在激光器前面放置一个象由Mach-Zehnder干涉仪构成的窄带光滤波器，将频率调制转化为强度调制。虽然这个调制器也是放置在激光器的后端，但它改变的并不是激光器的Q值，而只是相位，导致频率的调制而不是强度调制。将频率调制转化为强度调制所需要的窄带滤波器使它很难实际应用于普通的通讯系统，所需要的有源-无源波导集成也使器件的制作变得困难和昂贵。

一篇题为“Q-modulation of a surface emitting laser and an integrated detunedcavity”，S.R.A.Dods，and M.Ogura，IEEE Journal of Quantum Electronics，vol.30，pp.1204-1211，1994的论文描述并分析了与一个失谐谐振腔竖直集成的表面发射垂直腔激光器，通过改变失谐谐振腔中的折射率可以实现激光强度的调制。同样的原理被应用在二零零四年四月十日授权的B.Sartorius and M.Moehrle的美国专利6,215,805中。在以上两个现有技术中，激光器腔的一个反射体是一个微量失谐的谐振腔，它在激光器工作波长上的反射率高度色散，也就是说反射率光谱在激光波长附近展现出一个尖锐的负尖峰。高的反射率色散是必需的，这样失谐的谐振腔中微小的折射率变化就能引起反射体反射率的很大改变，从而调制激光输出。然而，这个现有技术方法有很大的缺陷：1)在近谐振条件下，反射率高度依赖于波长，因此需要根据事先确定的两个谐振腔之间的失谐要求来精确校正它们的谐振波长，这非常困难，对制作也很敏感。2)失谐谐振腔中折射率改变引起的反射率改变伴随着很大的相位改变，这将导致激光波长的很大啁啾。

本发明克服了先前技术方法的缺陷，通过使用一个反谐振腔作为半导体激光器的后反射体，此反射体的反射率可以通过改变反谐振腔内波导材料的光学吸收来改变。与谐振腔相比，反谐振腔的反射率和由光学损耗调制引起的反射率变化对波长的依赖大大减弱，反射率改变时所引起的相位变化也相当小，因此波长啁啾非常低。作为调制器的反谐振腔内波导光学损耗变化可以通过电流注入来实现，可以使用与激光增益介质相同的材料，因此大大简化了制作。下面将详细描述实现以上机制的单片Q-调制半导体激光器结构的细节。

图2是本发明的第一种具体实施结构，它是一个与电吸收Q-调制器单片集成的单模分布反馈半导体激光器。该激光器包含了发射输出光束的前端面100，作为激光器后反射体的调制器区域103，刻蚀在增益区域101用来稳定单模激光工作频率的分布反馈(DFB)光栅301，以及相位区域102。Q-调制器在调制器区域103，包括分隔调制器区域103和相位区域102的分隔元件105(这里是一个空气槽)，另一分隔元件或解理面110以及这两者之间的电吸收波导。空气槽105和分隔元件或解理面110组成了反谐振法布里-泊罗Fabry-Perot腔，它的反射率可以通过改变腔内的波导吸收来改变。除去调制器部分的激光器的工作原理与J.-J.He and M.Cada在一篇题为″Phase-matched combineddistributed-feedback/Fabry-Perot structure for semiconductor lasers″，OpticsCommunications，vol.110，pp.115-119，1994的论文中描述的结构类似。分布反馈光栅可以是部分增益耦合结构以提高激光器的单模选择性。一般来说(但并非必须)，前端面100是解理面，可以镀上增透膜以将随机反射相位效应减至最小。

波导结构一般包括缓冲层116，电泵浦时提供光增益的波导芯层114以及表面覆盖层112，它们都沉积在基底118上。波导芯层114最好包含多量子阱结构，而且各层中有象传统激光器结构层那样适当掺杂。在横截面上，波导被加工成标准的脊型波导，以在水平方向也得到光模式的限制。上电极201，202，203被分别沉积在增益区域101，相位区域102，调制器区域103三个区域的上表层，基底的背面也沉积了另一个接地电极120作为接地面。通过电极可以在增益区域101注入电流产生光增益，在调制器区域103利用一种电致方法(通过反偏电压或电流注入)来改变波导的吸收系数，从而改变激光器后反射体的反射系数。在相位区域102，使用一种电致方法使此段波导充分透明并调节它的有效折射率，使得对于激光模式，后反射体的反射相位与光栅相位相匹配，这样就能够达到最低的激光发射阈值和最高的边模抑制比率。

上述三个区域的波导材料可以不同，使得具有不同功能的每个单独区域的结构独立优化。这可以利用刻蚀再生长技术或诸如量子阱混合技术的生长后能带间隙工程方法来达到上述目的。另一个更简单的方法是在三个区域都利用相同的激光器的层状结构，但是施加不同的电压或电流，以得到三个区域不同的性能。

本发明器件的一个重要结构组分是作为分隔元件的竖直深刻蚀空气槽，它形成了电吸收Q-调制器的反谐振腔并组成了激光器的后反射体。过去的几年中，制作竖直、平滑深刻蚀面的干化刻蚀技术取得了巨大进步，例如，在一篇名为“Monolithic integrated wavelength demultiplexer based on a waveguide Rowlandcircle grating in InGaAsP/InP”，J.Lightwave Tech.Vol.16，pp.631-638，1998的论文中，J.-J.He，B.Lamontagne，A.Delage，L.Erickson，M.Davies，and E.S.Koteles在以InP为基础的材料系统上得到了非常好的刻蚀面质量。高质量刻蚀面的一个应用是基于波导的阶梯光栅器件，它已经被商业开发。竖直、光滑刻蚀边壁和空气槽制作技术的成熟也为本发明器件的技术可行性提供了基础。

空气槽在这个器件结构中起了部分反射镜的作用。当空气槽宽度尺寸为四分之一波长的奇数倍时，也就是λ/4，3λ/4，5λ/4，...时，能够得到高的反射率。图3是空气槽的反射率和透射率在1550nm波长上随宽度变化的函数。当宽度尺寸为四分之一波长的偶数倍的时候(也就是λ/2，λ，3λ/2，...等等)，空气槽的反射率几乎可以忽略不计。

理论上，当空气槽宽度最小时，也就是λ/4左右，能够达到最佳性能。这是因为光束的发散，使得空气槽的损耗随着宽度尺寸变大而变大。因此，如图4所示，反射率峰值逐渐下降。同时，随着宽度尺寸增大，反射率的波长依赖性越来越强。但另一方面，如果宽度尺寸减小，制作将变得更加困难，因为对于1550nm的波长来说，λ/4的宽度只有0.3875μm。5λ/4到9λ/4的宽度，对应的尺寸为1.94μm到3.49μm，是一个不错的折中选择。无论空气槽宽度尺寸如何，基于InP材料系统的空气槽在宽度上的容差为±0.1μm量级，这对于目前的工艺制作技术来说是可以达到的。随着技术的进步，我们可以预期能够达到的宽度尺寸会越来越小。为了说明本发明器件的工作原理，我们在下面的数值举例中暂时忽略由光束发散导致的空气槽损耗。

空气槽宽度尺寸的设计也可以偏离四分之一波长奇数倍的原则，使得空气槽可以有最佳反射率。在这种情况下，空气槽的反射会产生一个非零的相位改变Φ。

按照本发明的一个实施方式，电吸收调制器的波导被放置在由两个刻蚀空气槽(或一个刻蚀空气槽和一个解理面)组成的反谐振腔中。当光学腔工作在高反射状态，腔内能量密度小时，称其为反谐振腔。调制器区域和空气槽构成激光器的后反射体，它的反射率可以通过电吸收效应被改变。这里的电吸收效应是对通过反向偏置电压或电流注入等电致方法来改变波导的吸收系数的通称。调制器区域的光学路径长度被设计为接近以下的反谐振条件：

$\frac{4\mathrm{\πn}}{\mathrm{\λ}}L+2\mathrm{\Φ}=(2m+1)\mathrm{\π}---\left(1\right)$

其中L为调制器区域的长度，n为有效折射率，λ为真空中波长，Φ为空气槽反射率的相位，m为整数。

作为数值举例，我们假设λ＝1550nm，n＝3.215，以及m＝50。空气槽的宽度尺寸选择为1.15λ＝1.7825μm。计算得到的空气槽的反射率为0.85，相位为-0.3943。根据式(1)，得到调制器区域长度为L＝12.2μm。图4(a)显示了当调制器区域的吸收系数为α＝0和α＝2000cm^-1(分别对应于归一化吸收系数αL＝0 and αL＝2.4)时，后反射体的两个反射率光谱函数。图4(b)显示了相应的反射率相位改变随波长的变化，这两条对应于不同调制器吸收值的曲线相交在λ＝1550.5nm。我们可以看到，在1550nm附近，反射率随着调制器吸收系数的改变而变化很大，而相应的相位变化却小得可以忽略不计。正如我们后面将展示的，反射率的改变将导致激光腔Q值的改变，从而改变激光发射阈值。理论上，除了反谐振条件，调制器也可以工作在谐振条件，也就是

$\frac{4\mathrm{\πn}}{\mathrm{\λ}}L+2\mathrm{\Φ}=2m\mathrm{\π}---\left(2\right)$

这对应于图4(a)中的反射率最小值，也就是λ＝1536.1nm或λ＝1565.3nm。在这种情况下，反射率随调制器吸收系数的变化也有显著变化(变化方向与反谐振情况相反)，但是可以从图4(b)看出，它对应的相位变化也非常大，这样就会使激光器的啁啾性能变差。除此之外，在谐振条件附近波长依赖性也非常强，导致很窄的工作波长带宽和很小的制作容许误差。

图5显示了针对图2的完整激光器结构的小信号增益光谱函数。分布反馈光栅DFB区域的长度为400μm，假设光栅有效折射率分布为矩形函数，高折射率段n1＝3.215，低折射率段n2＝3.21(Δn＝0.005)，周期为Λ＝0.2412μm。它的归一化耦合系数由下式计算得到

我们进一步假设光栅是部分增益耦合的，增益只产生在高折射率段。G.P.Li，T.Makino，and H.Lu在“Simulation and interpretation of longitudinal-modebehavior in partly gain-coupled InGaAsP/InP multiquantum-well DFB lasers”，IEEEPhotonics Technology Letters，vol.4，no.4，pp.386～388，1993这篇论文中描述了一个增益耦合分布反馈激光器的例子。在我们的数值举例中，相位区的长度被设定为L_p＝50.2μm。图6中的两个光谱函数是当增益系数为g＝9.1cm^-1而归一化吸收系数分别为αL＝0 and αL＝2.4时计算的。

鉴于光学增益是在光栅高折射率段产生的，所以光栅禁带的长波长侧的分布反馈激光模式具有最低阈值。当调制器处于透明状态(α＝0)时，在禁带长波长侧的激光主模(λ＝1550.25nm)的阈值增益系数为9.1cm^-1，同时在禁带短波长侧的第一个模(λ＝1548.51nm)的阈值为65cm^-1。如此大的阈值差保证激光器工作在单模状态并具有很高的边模抑止率。当调制器处于吸收状态αL＝2.4时，上述两个模式的波长不变而阈值增益系数分别上升到37.6cm^-1和71.3cm^-1。激光主模在两个调制器状态下如此大的阈值差别(9.1cm^-1和37.6cm^-1)说明了调制器对激光产生了很有效的Q调制。当激光器增益区域被恒定电流泵浦，其产生的光增益低于调制器吸收状态的激光阈值而又高于透明(或低吸收)状态的激光阈值时，激光输出就能够有效地被施加在调制器上的信号所调制。与Q-调制相随的相位变化可忽略不计从而导致很小的波长啁啾是本发明激光调制器件的重要优点。

图6(a)是激光增益系数随调制器吸收系数变化的曲线。我们可以看到调制器吸收系数只需要500cm^-1(相应于αL＝0.6)就可以获得100％的阈值差。如果调制器的光学路径长度设计使得激光波长处在图4(b)两条曲线的交点处(也就是λ＝1550.5nm)，整个结构的激光波长由于调制器吸收值变化的偏移将可以小得忽略不计。当激光波长远离该最佳工作点时，偏移将会增大。尽管如此，偏移量仍旧比直接调制激光器小几个量级。图6(b)显示了上例结构中激光波长随调制吸收系数变化的函数。此激光工作波长为λ＝1550.25nm，偏移最佳工作点0.25nm。当归一化调制吸收αL从0变化到2.4时，阈值变化了四倍(从9.1cm^-1到37.6cm^-1)，而波长变化量小于0.007nm。相比之下，传统直接调制分布反馈激光器有高达几个纳米量级的波长啁啾。

在半导体材料中，根据Kramer-Kronig关系，吸收的改变伴随着折射率的改变，这个折射率变化在一定工作条件下可以非常大。通过在反谐振条件附近适当选择调制器腔的工作参数，折射率改变可以被用来增强激光阈值的调制。图7显示了相对于不同的调制器吸收系数αL＝0，αL＝0.24，αL＝0.6，αL＝1.2 andαL＝2.4，后反射体的反射率光谱函数。我们假设了调制器波导有效折射率实部和虚部改变之比为1.5。我们可以看到在工作波长1550nm附近，随着吸收值的增大，折射率改变引起的光谱偏移进一步降低了反射率。

调制器腔的工作条件可以由一个分数参量f(0≤f＜1)描述，在调制器吸收为零时(透明状态)时，该参量由下面的方程定义：

$\frac{4\mathrm{\πn}}{\mathrm{\λ}}L+2\mathrm{\Φ}=2(m+f)\mathrm{\π}---\left(3\right)$

图8显示了激光阈值增益系数(a)和相应的波长变化(b)在f＝0.5(对应准确的反谐振条件)，f＝0.6和f＝0.73的条件下随着调制器吸收系数变化的函数。我们可以看到阈值变化斜率比图6(a)大，说明了折射率变化增加了激光阈值的变化。当f参量从0.5上升时，对给定阈值变化所需要的调制器吸收系数变化降低了。例如，对于f＝0.73，从0到500cm^-1(相应于αL从0变化到0.6)的调制器吸收系数改变能够引起阈值增益系数从12.8cm^-1增大到52.3cm^-1，超过四倍的变化量。而相应的波长变化仅为0.039nm。

在本发明的以上实施方式中，相位区域的光学路径长度对于器件工作是很重要的，需要调整它以使得法布里-泊罗Fabry-Perot谐振模的场分布与分布反馈光栅DFB谐振模的场分布是相长干涉的。因此，为了获得完整的调整范围，相位区域的长度要足够长以能够通过改变施加的电流或电压产生π的相位改变。实际工作时，可以在调制器设定为开的状态下，通过将激光发射阈值最小化或将输出能量最大化来决定所需要的施加在相位区的直流电压或电流。施加在这个区域的直流偏压也可以用来细微地调节激光的工作波长。

在以上的实施方式中，分布反馈光栅只被制作在激光器的增益区域101，而相位区域102和调制器区域103没有光栅。对于传统分布反馈激光器，光栅是通过利用两光束干涉的全息曝光方法来刻画的。如果只在晶片特定的部分区域刻画光栅会提高制作的复杂度。幸运的是，如下所示，光栅在相位和调制区域中的存在并不影响器件的工作。这样就允许我们通过在整个晶片上刻画光栅来简化制作过程。

图9显示了本发明的第二种实施方式。它包括三个区域：增益区域101，相位区域102和调制器区域103。这个器件是通过在晶片上刻画上均匀的分布反馈光栅301而制作的。每个区域有一个分离的上电极(分别为201、202和203)和在底面的共同的接地电极120。调制器区域和相位区域被分隔元件105分隔，这里是一个穿过波导芯层的竖直深刻蚀空气槽，而增益区域101和相位区域102的波导是连续连接的。增益区域101被注入大量电流为激光提供光学增益。相位区域102被泵浦到基本透明状态，同时通过对它的偏置电流的调节为被分隔元件105(这里是一个空气槽)和调制器区域103反射的光波提供相位控制。调制器区域103上施加了电信号，使得其波导材料性质在基本透明(或小增益)和基本吸收状态间振荡变化。调制器区域的另一端被另一个分隔元件106所截断，106可以是刻蚀空气槽或一个解理面。一个带有单独上电极204的光探测器104也可被集成在同一器件上。

由于调制器区域103的长度相对较短，光栅的作用几乎可以忽略不计。除了调制器波导上加上有周期为Λ＝0.2412μm、Δn＝0.005的光栅，我们用与图4相同的参数计算了后反射体的反射率光谱，结果与图4的光谱几乎完全一致。

相位区域102也是不管有无光栅，其效果几乎不受影响。除了在调制器和相位区域中加上光栅结构，我们使用与上面例子相同的参数来模拟一个激光调制结构。图10显示了当相位区域的折射率改变时，激光阈值增益(a)和激光发射波长(b)的变化。相位区域的长度大约为L_p＝50.2μm。四条曲线分别代表光栅被空气槽在一个光栅周期内的四个不同位置截断的情况：高折射率段的中间，低折射率段的末端，低折射率段的中间和高折射率段的末端。我们可以看到无论光栅在哪里被截断，我们都可以调整相位区域的折射率来得到激光器的最低发射阈值。当相位区域被调节时，激光发射波长小量偏移(在一个纳米量级)，同时当阈值到达一定高的水平时会发生跳模。然而，当相位区域调节而达到最低阈值时，激光发射波长基本上不依赖于光栅的末端相位(在这个例子中为1550.4nm)。

图11显示了在增益系数为g＝9.8cm^-1，归一化调制器吸收系数分别为αL＝0和αL＝2.4时计算得到的上述激光器结构的小信号增益光谱。我们可以看到它们与图5的几乎完全相同，说明在调制器区域和相位区域中的光栅对器件工作几乎没有影响。

在图12中我们给出了相对于归一化调制器吸收系数分别为αL＝0和αL＝2.4时激光发射主模1550.4nm周围模式的阈值增益，不同模式的位置用记号标出。由于使用部分增益耦合分布反馈光栅DFB，阈值区别很大，这确保了激光器的动态单模工作。调制器吸收系数的改变导致基模阈值从9.8cm^-1上升到32cm^-1，显示了有效的Q调制机制。

对于一个本领域的内行来说显而易见的是在以上两种实施方式中，如果在制造时空气槽相对于分布反馈光栅的相位位置能够被精确控制，那么相位区域可以被省去。另一方面，作为调制器的反谐振腔中可以添加一个相位区域，以调整Q调制器的工作点。同样也可以用带有三个或更多电极的多区域分布反馈来代替上面例子中的DFB和相位区域来提高激光器的波长可调性。

图13(a)显示了本发明的第三种实施方式，其中Q-调制器与一个法布里-泊罗激光器集成在一起，它包括了增益区域101和调制器区域103。每个区域有一个单独的上电极(分别为201和203)和在底部的共同的接地电极120。调制器区域103和增益区域102被分隔元件105分隔，这里是一个穿过波导芯层的竖直深刻蚀空气槽。此外，如图13(b)所示，我们也可以将由一个或更多个法布里-泊罗腔构成的模式选择器108集成在同一芯片上来获得激光器的单模式工作。模式选择器108起到光学滤波的作用，可通过分隔元件107(这里是另外一个深刻蚀空气槽)来与增益区域101相分隔。模式选择器区域的顶部可以沉积一个上电极208，以注入电流使下面的波导基本透明，并改变其折射率以便调节模式选择器的中心波长。由于不需要分布反馈光栅，这个器件制作非常简单，同时在波长稳定性和调制速度上远好于直接调制的法布里-泊罗激光器。它在城域和接入网络中的应用具有很大的潜力，因为低成本的元器件对这方面的应用极为重要。

值得注意的是法布里-泊罗激光器对于激光发射波长总是工作在谐振条件下，因此腔内具有高的能量密度，而本发明中的调制器区域和模式选择器的光学腔最好是工作在接近于反谐振条件。作为一个例子，我们设调制器区域、增益区域和模式选择器的波导长度分别为12.2μm，200μm和24.5μm，空气槽为1.78μm。图14显示了在调制器区域状态为开(αL＝0)和关(αL＝1.2)的情况下调制器光学腔反射率以及模式选择器光学腔反射率的光谱函数(从增益区域入射)。模式选择器和调制器光学腔反射率光谱的乘积决定了选择激光模式的滤波函数。该光谱滤波函数的峰位一般是设计成与材料增益光谱函数的峰位基本重合，这样在此峰位附近的有源腔模式将拥有最低的激光发射阈值。图15显示了对于调制器开与关两个状态，在设计的中心波长1550nm附近不同纵模相应的激光发射阈值。上述计算中，并没有考虑波导材料的增益光谱分布，而材料的增益光谱分布将进一步提高模式的选择性。当调制器从开状态转换到关状态的时候，最低阈值从8.8cm^-1上升到21cm^-1。

图16显示了增益系数为g＝8.8cm^-1，归一化调制器吸收系数分别为αL＝0和αL＝1.2时计算得到的如图13(b)激光器结构的小信号增益光谱。激光器工作在单模状态，且在被调制时，其波长偏移量非常小。

图17显示了激光器阈值增益系数(a)和相应的波长变化(b)随调制器吸收系数变化的函数。当归一化调制器吸收系数αL从0变化到1.2时，阈值从8.8cm^-1变化为21cm^-1，同时波长变化量小于0.02nm。

本发明的Q调制器也可以与一个基于多重法布里-泊罗腔的波长可调激光器集成在一起，该激光器可见J.-J.He的美国专利申请No.10/908,362，题为“Wavelength switchable semiconductor laser”。图18描述了本发明的第四种实施方式。它包括一个近反谐振的调制器区域103，一个谐振的增益区域101和一个谐振的信道选择区域408。调制器区域103和增益区域101被一个分隔元件105(这里是部分反射的深刻蚀空气槽)所分隔，其尺寸基本上是四分之一波长的奇数倍。信道选择区域408通过另一个分隔元件407(这里是一个有损耗的空气腔)与增益区域101相连，空气腔的尺寸正好为半波长的倍数。调制器区域103如同前面的实施方式一样是在一个近反谐振的光学腔内，同时增益区域101和信道选择区域408是在谐振的光学腔内并且通过电泵浦来为激光产生光学增益。通过设计增益区域101的长度和由此得到的自由光谱宽度，可以使其谐振波长正好对应一系列离散的等间隔的工作信道。信道选择区域408的长度与增益区域101长度稍有不同，使得在有源波导材料的光谱增益窗口中，其光学腔只有一个谐振波长与增益区域101的光学腔的一个谐振波长相重合，这样激光发射将发生在这个共同的谐振波长上。这两个腔通过一个分隔元件407相连，这里是一个引入一定的耦合损耗并使相邻两个谐振腔光场有相叠加的相位关系的空气槽。工作时，增益区域101被注入基本固定的电流，而注入信道选择区域的电流可以改变，从而可将激光波长切换到所选择的由增益区域101决定的一系列离散工作波长中的一个信道。作为一种变更方式，空气槽407可由一个如图18(b)所示耦合波导区域409替代，尺寸正好等于四分之一波长奇数倍的空气槽404和406被用来分隔相邻的增益区域101、耦合波导区域409和信道选择区域408，其中耦合波导区域409的光学路径长度正好等于半波长的倍数，这样增益区域101和信道选择区域408在谐振条件下能够相位匹配。耦合区域的波导通常是吸收性的，以改善单模特性。它可以施加偏压以提供可调节的损耗，从而为波长可调激光器获得最优的单模选择性。

图19显示了本发明的第五种实施方式，其中Q-调制器和一个分布式布拉格反射光栅(DBR)激光器集成在一起。它包括增益区域101，调制器区域103和三个DBR光栅500、505和510。它可以被看成是一个传统DBR激光器的后反射体被分成了两个区域(505和510)，然后将一个调制器区域103嵌入在它们之间。Q-调制器波导的长度通过设计使得Q-调制器腔满足(1)式形成反谐振。DBR光栅为激光器提供了良好的波长选择性，这些DBR光栅区域的波导材料最好是透明的，与增益和调制器区域的材料不同，这可通过刻蚀再生长技术或是诸如量子阱混合技术的生长后能隙调整方法来实现。增益区域101和调制器区域103各有一个单独的上电极(分别为201和203)，共用的接地电极120沉积在底部。在增益区域101的电极提供了注入电流而产生光增益，在调制器区域103的电极用来施加一种电致方法(电流注入或反偏电压)以改变波导的吸收系数，从而改变后反射体(也就是分布布拉格反射光栅505和510)的反射率，最后导致对激光器阈值和输出能量的调制。

本发明的激光调制集成器件有很多优点。由于调制功能与增益区域相分离，后者是被恒流泵浦的，这不仅减少了波长啁啾，也提高了调制速度，因此相对于直接调制或外置电吸收调制器，本发明的调制器长度要短得多，从而有更小的电容和更高的速率。相对于放置在输出激光束路径上的电吸收调制器，由于使用Q开关机制本发明调制器的消光比也要高的多，且不需要很长的调制器长度。而且，它并不像外置电吸收调制器那样不可避免地会产生能量损耗。在Q-调制器与法布里-泊罗激光器或波长可调多腔激光器集成的情况下，由调制器带来的相位变化非常小，这样使得波长稳定性很好，模式跳频减少，也从而减少了相对强度噪声。

应该指出的是本发明器件的调制机理是用一个反谐振腔结构组成半导体激光器的后反射体并在其中引入损耗调制。在本发明说明书的举例中我们主要使用电吸收或电流注入作为损耗调制的机制，但其它用来制作可变光衰减器和光开关的现有技术都可以被用来做同样的功能，这并不背离本发明的思想和范围。

还可以构想出许多其它的具体实施方式，例如分隔各个区域的单个空气槽可以用多重空气槽所替代，这些空气槽也可以用诸如氧化硅或氮化硅这样的具有中间折射率的材料来充填。

本发明的实施例只是用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种Q-调制半导体激光器，其特征在于包含第一个光学腔和第二个光学腔，所述的第一个光学腔是一个包含增益区域的谐振腔，所述的第二个光学腔是一个包含吸收系数可变的调制器区域的反谐振腔；所述的第二个光学腔通过一个部分反射的分隔元件与第一个光学腔相耦合，并作为激光器的后反射体；所述的调制器区域的吸收系数通过一电致方法被调制并导致所述的后反射体反射率和激光器Q值的调制从而改变激光发射的阈值和输出能量。

2.根据权利要求1所述的一种Q-调制半导体激光器，其特征在于所述的分隔元件是一个边壁垂直的深刻蚀空气槽。

3.根据权利要求2所述的一种Q-调制半导体激光器，其特征在于所述的深刻蚀空气槽的宽度尺寸等于四分之一激光波长的奇数倍。

4.根据权利要求1所述的一种Q-调制半导体激光器，其特征在于所述的分隔元件是一个分布式布拉格光栅。

5.根据权利要求1所述的一种Q-调制半导体激光器，其特征在于所述的调制器区域的吸收系数是通过正向偏置的电流注入来调制的。

6.根据权利要求1所述的一种Q-调制半导体激光器，其特征在于所述的调制器区域的吸收系数是通过反向偏置的电吸收效应来调制的。

7.根据权利要求1所述的一种Q-调制半导体激光器，其特征在于所述的第一个光学腔包含增益区域(101)，所述的增益区域(101)是由夹在增益区域的上电极(201)和接地电极(120)中的第一段光波导组成的，所述的增益区域的上电极(201)和接地电极(120)是用来在第一段光波导中注入电流以提供光增益的一对电极；所述的调制器区域(103)是由夹在调制器区域(103)的上电极(203)和接地电极(120)中的第二段光波导组成的，所述的调制器区域(103)的上电极(203)和接地电极(120)是用来提供一个电信号以调制所述第二段光波导的光损耗，从而调制激光器的阈值和输出能量的一对电极。

8.根据权利要求7所述的一种Q-调制半导体激光器，其特征在于所述的第一段光波导的波导芯层的上表面包含分布反馈光栅或者所述的第一段光波导和第二段光波导的波导芯层的上表面均包含分布反馈光栅。

9.根据权利要求1所述的一种Q-调制半导体激光器，其特征在于所述的第一个光学腔包含增益区域(101)和相位区域(102)，所述的增益区域(101)是由夹在增益区域的上电极(201)和接地电极(120)中的第一段光波导组成的，所述的第一段光波导的波导芯层的上表面包含一个分布反馈光栅，所述的增益区域的上电极(201)和接地电极(120)是用来在第一段光波导中注入电流以提供光增益的一对电极；所述的相位区域(102)是由夹在相位区域(102)的上电极(202)和接地电极(120)中的第三段光波导组成的，所述的相位区域(102)的上电极(202)和接地电极(120)是用一种电致方法来调节所述第三段光波导的有效折射率的一对电极；所述的调制器区域(103)是由夹在调制器区域(103)的上电极(203)和接地电极(120)中的第二段光波导组成的，所述的调制器区域(103)的上电极(203)和接地电极(120)是用来提供一个电信号以调制所述第二段光波导的光损耗，从而调制激光器的阈值和输出能量的一对电极。

10.根据权利要求9所述的一种Q-调制半导体激光器，其特征在于所述的第一段光波导，第二段光波导和第三段光波导的波导芯层的上表面均包含分布反馈光栅。

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