CN100463312C - V型耦合腔波长可切换半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种V型耦合腔波长可切换半导体激光器。它包含两个光学谐振腔，每个腔包含一段光波导和两端的部分反射元件。两段光波导排列在芯片上形成一个V字型，在开口端没有耦合，而在闭口端存在一定的交叉耦合，使得激光器有最佳的单模选择性。第一个光学谐振腔有固定光学长度使得其谐振频率落在一系列分立的等间隔信道上，第二个光学谐振腔与第一个光学谐振腔存在一定长度差异，通过改变第二个光学谐振腔内部分波导的有效折射率可以使激光器波长在由第一个光学谐振腔决定的一系列信道上相互切换。该激光器还可以进一步包含在腔外增加的一个或两个Y分支耦合器或者方向耦合器来改善对外部器件的耦合效率、提供附加的调制或空间开关等功能。

Description

V型耦合腔波长可切换半导体激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器，尤其涉及一种单片集成的波长可切换单模半导体激光器。

背景技术

宽带可调谐的激光器在城域网和长距离远程通信中都有着非常广泛的应用。除了用作替换光源，可以减少库存数目和成本，还可以为设计更有效、更灵活的网络结构提供了可能性。例如，可调谐激光器和波长路由器的结合可以实现空间光开关以及可重组光分插复用功能等。

与用分离元件构成的外腔可调谐激光器相比，单片集成的半导体可调谐激光器有许多优点，如结构紧凑，成本低，而且由于没有活动部件，因而具有更高的可靠性。传统的单片集成可调谐半导体激光器通常需要用多个电极来连续调谐。图1为一个基于分布布拉格反射光栅的传统可调谐半导体激光器的结构示意图，它包含一个有源增益区6，一个相移区7，以及一个布拉格光栅8。三个区域上部分别有一个控制电极，当通过注入电流或者调节电极电压来改变布拉格光栅的反射峰值波长来调谐激光器的波长时，相移区必须跟着以一定关系同时调节来防止激光器的模式跳变。而且由于受到调谐区材料折射率调节范围的限制，这种激光器波长的调节范围通常只有10nm左右。

V.Jarayman，Z.M.Chuang，以及L.A.Coldren在他们的文章“Theory，design，and performance of extended tuning range semiconductor lasers with sampledgratings”IEEE J.Quantum Electron.Vol.29，pp.1824-1834，1993中描述了一种更复杂的调谐结构，能够实现更大范围的调谐。它包含四个电极分别控制两个分布反射布拉格光栅，以及相移区和增益区。波长的调节需要同时调节三个电极，其电流需要满足精确的相互关系，需要复杂的控制电路。这样调节的复杂性大大降低了制造的成品率，增加了生产成本，同时也带来了器件的可批量生产性以及长期稳定性的问题。

宽带可调谐或者波长可切换的激光器还可以由两个长度相异的谐振腔之间的耦合来实现。其波长调节范围可以通过利用Vernier效应而显著增加。这种耦合腔激光器可以通过在解理的法布里-珀罗激光器中刻蚀一个沟槽来实现(具体见“Monolithic two-section GaInAsP/InP active-optical-resonator devices formed byreactive-ion-etching”，by L.A.Coldren et al，Appl.Phys.Lett.vol.38，pp.315～317，1981中的详细描述)，或者通过解理耦合腔的结构(具体见“Thecleaved-coupled-cavity(C3)laser”，by W.T.Tsang，Semiconductors and Semimetals，vol.22，p.257，1985中的描述)来实现。然而，上述的耦合腔激光器在模式选择方面的特性很难令人满意，这大大限制了它在实际中的应用。

此前，另一种Y型结构的耦合腔也有人研究过，详见文章“The Y-laser：AMultifunctional Device for Optical Communication Systems and SwitchingNetworks”，O.Hildebrand，M.Schilling，D.Bums，W.Idler，K.Dotting，G.Lube，andK.Winsted，Journal of Light wave Technology，vol.11，no.2，pp.2066-2074，1993。图2为该Y型耦合腔的结构示意图，它包括直波导段1、3、4和Y-型耦合波导段2，各波导段之间用浅刻蚀的绝缘隔离槽分开，谐振腔由两端的解理端面形成。这种Y型耦合腔结构具有容易单片集成，并且不需要垂直深刻蚀矩形槽，制造难度小的优点，但是，其单模选择性能很差，主模与一级边模的阈值增益系数差对于450微米长的激光器只有1cm^-1左右，相对于一般的分布反馈(DFB)激光器的典型值是10cm^-1以上。这对于要求具有稳定工作模式的单模激光器是远远不够的，尤其是当激光器被直接调制时。

发明内容

本发明提出了一种V型耦合腔的改善结构，它可以容易地优化两个谐振腔之间的耦合系数，从而实现很好的单模选择特性，同时又具有一个很宽的波长调谐范围。

许多实际应用并不需要连续地调节激光器的波长，而只需要激光器能够在一系列分立的波长信道上工作，例如国际电信联盟ITU(InternationalTelecommunication Union)规定的标准波长信道网格，可应用于备用线卡，波长路由和分插复用等。对这些应用中的波长可调谐激光器的关键要求在于：1)工作波长能够与一系列分立的预先确定的波长精确匹配；2)波长切换的控制要简单可靠；3)要有高的边模抑制比以及低的串扰；4)高的波长切换速度；5)容易制造且成本低廉。

本发明的目的就是提供一种能够满足上述所有要求的单片集成波长可切换的单模半导体激光器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种半导体激光器，包含两个相互耦合的光学谐振腔，第一个光学谐振腔包含第一个光波导和分别位于它两端的两个部分反射元件，第二个光学谐振腔包含第二个光波导和分别位于它两端的另两个部分反射元件，第一个和第二个光波导中至少各有一部分上带有用来注入电流为两个光学谐振腔提供基本相等的回路增益的电极；第一个光波导和第二个光波导有着不同的光学长度，它们并排在芯片上形成一个V字型，在V字型的开口端两个波导没有相互耦合，而在闭合端有一个小于30％的耦合系数使得激光器具有高单模选择性。

所述第一个光学谐振腔具有一定的光学长度使得它的谐振频率对应一系列等间隔的工作信道，所述第二个光学谐振腔具有不同的光学长度使得它在激光器材料的增益光谱范围内只有一个谐振频率与第一个谐振腔的谐振频率重合，所述第二个光学谐振腔中的第二个光波导至少有一部分带有用来施加电流或电压的电极使得它的有效折射率发生改变从而使得激光器的频率在由第一个光学谐振腔决定的一系列分立的工作信道上相互切换。

所述部分反射元件是解理端面的一部分或者是由一个边壁垂直的穿过波导横截面的深刻蚀空气槽构成。

所述第一个和第二个光波导所发出的光在谐振腔外的至少一端由一个Y型耦合器耦合到输出端口，所述Y型耦合器同时作为电吸收调制器、Q调制器或功率监测器。

所述第一个和第二个光波导所发出的光在谐振腔外的输出端由一个2x2耦合器耦合到两个输出口，通过调节第一个和第二个光波导的光学长度差使得激光器的输出在两个输出口之间切换。

所述第一个和第二个光波导中的至少一个通过一个光学输入口接收一个输入光信号，使得激光器的输出光根据输入光信号被调制。

一种半导体激光器，由一个马赫-真德干涉仪组成，该马赫-真德干涉仪包含并排放置、两端耦合而中间不耦合的第一个和第二个波导臂，第一个和第二个波导臂在中间非耦合区分别刻有第一个和第二个部分反射的深刻蚀槽，在一端的耦合区刻有第三个部分反射的深刻蚀槽同时穿过第一个和第二个波导臂，在第一个波导臂的第一个和第三个深刻蚀槽之间形成第一个光学谐振腔，在第二个波导臂的第二个和第三个深刻蚀槽之间形成第二个光学谐振腔，第一个和第二个光学谐振腔中至少各有一部分光波导上带有用来注入电流为两个光学谐振腔提供基本相等的回路增益的电极；第三个深刻蚀槽的位置使得第一个光学谐振腔和第二个光学谐振腔之间有一定的交叉耦合以获得良好的单模选择性。

所述第一个光学谐振腔具有一定的光学长度使得它的谐振频率对应一系列等间隔的工作信道，所述第二个光学谐振腔具有不同的光学长度使得它在激光器材料的增益光谱范围内只有一个谐振频率与第一个光学谐振腔的谐振频率重合，所述第二个光学谐振腔中的至少有一部分光波导带有电极用来施加电流或电压使得它的有效折射率发生改变从而使得激光器的频率在由第一个光学谐振腔决定的一系列分立的工作信道上相互切换。

所述部分反射的深刻蚀槽具有垂直边壁且宽度是四分至一波长的奇数倍。

本发明的激光器具有潜在的低成本、高性能和多功能的特点，在发展下一代可重构的光网络中有很大应用前景。具体的有益效果包括：

1、相对以前的Y型耦合腔激光器可以实现更高的边模抑制比；

2、达到与传统的DFB激光器相当的边模抑制比，同时能够在一个很宽的范围内切换波长。

3、在工艺方面，不需要制造复杂的光栅结构。

4、可以同时实现波长切换和空间光开关功能。

附图说明

图1为背景技术的一种可调谐半导体激光器，它包括一个有源增益区6，相移区7，以及布拉格反射光栅区8。

图2为背景技术的Y型耦合腔半导体激光器，包括直波导段1、3、4和Y-型耦合波导段2，各波导段之间用浅刻蚀的绝缘隔离槽分开，谐振腔由两端的解理端面形成。

图3为本发明的单片集成V型耦合腔波长可切换半导体激光器的俯视图。

图4(a)为图3的V型耦合腔在端面10’的一个截面图。

图4(b)为用来绝缘隔离的浅刻蚀槽15的截面结构示意图。

图5为显示固定增益腔和信道选择腔的两套谐振频率位置关系的示意图，以及激光工作物质的增益光谱曲线。

图6为激光器工作在阈值条件下，信道选择腔(虚线)和固定增益腔(实线)的反射率修正因子随波长变化的曲线图。

图7为激光器工作在阈值附近，信道选择腔(实线)以及固定增益腔(虚线)的小信号透射增益谱。

图8为当两个谐振腔波导的交叉耦合系数分别为0.1(实线)和0.5(虚线)时，反射率修正因子随波长变化的曲线图.

图9为当交叉耦合系数分别为0.1(圆圈)和0.5(十字叉)时激光器各模式的阈值增益系数。

图10(a)为阈值最低(实线)和次低(虚线)的谐振模的阈值增益系数随谐振腔交叉耦合系数变化的曲线图。

图10(b)是阈值最低模与次低模之间阈值增益系数差随谐振腔交叉耦合系数变化的曲线图。

图11(a)是在两个谐振腔波导中的泵浦条件分别为gL＝g′L′以及g＝g′条件下，阈值最低模(实线和虚线)以及阈值次低模(点线和虚点线)的阈值增益系数随谐振腔交叉耦合系数的变化曲线。与图10(a)相比，两个谐振腔的腔长差增大了一倍。

图11(b)是在两个谐振腔波导中的泵浦条件分别为gL＝g′L′(实线)以及g＝g′(虚线)条件下，阈值最低模与阈值次低模的阈值增益系数差随谐振腔交叉耦合系数的变化曲线。与图10(b)相比，两个谐振腔的腔长差增大了一倍。

图12为背景技术Y型耦合腔的一个结构示意图。

图13(a)为Y型耦合腔的阈值最低模(实线)以及次低模(虚线)的阈值增益随Y耦合区耦合系数的变化曲线。

图13(b)为Y型耦合腔的阈值最低模与次低模的阈值增益系数差随Y耦合区耦合系数的变化曲线.

图14(a)是本发明的一个主要实施方式的结构示意图。

图14(b)是图14(a)沿波导101中心的横截面示意图，说明深刻蚀槽10和20的结构。

图15深刻蚀矩形槽的反射率和透射率在λ＝1550nm时随刻蚀槽宽度的变化曲线。

图16为本发明的同时具有波长切换和空间开关功能的实施方式的结构示意图。

图17为本发明的另一种实施方式，其中非耦合区的两个深刻蚀槽放置在沿波导方向的不同位置上，分别穿过各自的波导臂。

图18为本发明的另一个带有波长转换器功能的实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例，详细说明本发明。

图3是本发明的单片集成波长可变V型耦合腔激光器的第一个实施方式的示意图，它包含两个光学波导臂(分别为图中的光波导101和102)，并排排列在半导体芯片上构成一个V字型的形状。两个光波导在一端靠得很近(闭口端)，但是在另一端分开得较远(开口端)。每个光波导的两端各有一个反射元件，可以是解理反射面(分别为图3中的端面10’和端面20’)或者是矩形的深刻蚀槽(如图14，16，17和18中的10和20)。每个光波导和其两端的反射元件构成了一个法布利-珀罗谐振腔。在端面20’附近由于两个波导靠得很近或者相接触，通过倏逝波耦合或模式光场相互重叠，一部分光将会从一个波导谐振腔耦合到另一个波导谐振腔中去。光波导101的顶部有一个电极121，而光波导102分成两段102a和102b，上面各有一个电极122a和122b，两段光波导之间由一个用来绝缘隔离的浅刻蚀槽15分开。激光器工作时，从电极121和122a上注入恒定的电流，产生激光泵浦增益，而电极122b的注入电流或者电压是可变的，用来调节光波导102b段的折射率从而改变激光器的工作波长。折射率可变的光波导102b段位置离耦合区较远，使得其折射率的改变几乎不影响两个谐振腔之间的耦合系数。

图4(a)是V型谐振腔在垂直波导方向的截面图。波导结构通常包括一个下包层116，一个在注入电流时可提供光学增益的波导芯层114，以及一个上包层112，整个结构生长在基底118上，基底的背面有一个金属电极层120用来接地。波导芯层一般采用的是多层量子阱结构，而这些波导层与普通激光器结构一样被适当掺杂，其中的材料一般为化合物半导体材料，如InGaAsInP/InP。在横向方面，采用脊型的光波导101、102对光场的模式进行限制。该结构还可以包括一个电流隔离层来改善激光器的电学特性。

用来作波长切换的光波导102b段的芯层带隙最好是比增益区的光波导101以及102a段大，这样当施加电流或电压使得光波导102b段的折射率在一个较大的范围发生改变时不会引起谐振腔的增益产生显著的变化。要在同一块材料中的不同部分获得不同的带隙，可以采用量子阱混合技术，或刻蚀后再生长方法。电极122a和电极122b用一个浅刻蚀槽15分开，浅刻蚀槽15的截面结构如图4(b)所示。我们也可以把光波导102a段和102b段简化成一整段提供增益的光波导，通过调节电流使得它的折射率同时可变。

根据本发明的一个实施方式，固定增益腔的光波导101的长度要根据激光器的工作波长来确定，使得固定增益腔的谐振频率的间隔与预先要求的频率间隔一致，例如根据ITU的规定，各个通信波长的间隔为200GHz、100GHz或者50GHz等。谐振腔的频率间隔可由下式确定：

$\mathrm{\Δf}=\frac{c}{2n_{g}L}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

其中C是真空中的光速，n_g是波导的有效群折射率，L是固定增益腔光波导101的长度。

同样，由光波导102构成的第二个谐振腔(下面称为信道选择腔)的频率间隔Δf′由(2)式决定：

$\mathrm{\Δf}\′=\frac{c}{2n_g^{\′}L\′}=\frac{c}{2(n_a{L}_a+n_b{L}_b)}....................\left(2\right)$

其中L_a和L_b分别为光波导102a段以及102b段的长度，同样n_a和n_b分别为光波导102a以及102b段的有效群折射率。L′＝L_a+L_b是光波导102段的总长度，n′_g＝(n_aL_a+n_bL_b)/L′是信道选择腔的光波导102的平均有效群折射率。

信道选择腔的频率间隔Δf′选择为与固定增益腔的频率间隔Δf有一个微小的差别，这使得在工作物质的增益窗口内，两者只有一个谐振峰恰好重合(如图5所示)。两个谐振腔相邻的互相重合的谐振峰之间的间隔为组合腔的自由光谱范围(FSR)，其大小由(3)式决定：

$\mathrm{\Δ}{f}_c=\frac{\mathrm{\Δf\Δf}\′}{|\mathrm{\Δf}-\mathrm{\Δf}\′|}.................................\left(3\right)$

为了避免两个波长同时被激发，Δf_c一般来讲必须大于激光器工作物质增益窗口的宽度。

固定增益腔以及信道选择腔的谐振频率分别为：

$f=\frac{\mathrm{mc}}{2\mathrm{nL}}..................................................\left(4a\right)$

$f\′=\frac{m\′c}{2n\′L\′}......................................................\left(4b\right)$

其中m和m′都是整数，n和n′分别为两个腔的平均有效折射率，L和L′分别为两个腔的长度。信道选择腔的谐振频率f′可以通过改变光波导102b段的折射率n_b从而改变整个腔的有效折射率n′而改变。频率调谐量由下式决定：

$\frac{\mathrm{\δf}\′}{f\′}=-\frac{\mathrm{\δn}\′}{n\′}=-\frac{\mathrm{\δ}{n}_b{L}_b}{n_{b}L\′}.......................................\left(5\right)$

由于激光器的工作频率为固定增益腔与信道选择腔谐振峰重合的频率，因此一个较小的变化|Δf-Δf′|将会导致激光器工作频率跳变一个信道。因此，激光器工作频率的改变量被放大了一个因子Δf/|Δf-Δf′|，即：

$\mathrm{\δf}=\frac{\mathrm{\Δf}}{|\mathrm{\Δf}-\mathrm{\Δf}\′|}\mathrm{\δf}\′........................................................\left(6\right)$

本发明的优点之一就是显著增加了激光器工作波长的调节范围。具体可以从一个例子更明显地看出：假设Δf＝100GHz，Δf′＝90GHz，则激光器工作频率的调节范围与仅靠调节折射率相比扩大了10倍。在上述数据下，设波导的有效群折射率为3.215，则固定增益腔以及信道选择腔的长度分别为：L＝466.24μm，L′＝518.31μm，其长度与传统的DFB以及法布里-珀罗激光器相当。

本发明的V型耦合腔与以往的Y型耦合腔的一个重要区别就是光波从一个谐振腔耦合到另一个谐振腔不需要先进入一段共同的波导。从后面可以看到，这可以使得我们能够控制从一个谐振腔耦合到另一个谐振腔的光能量(交叉耦合)与返回到原谐振腔的光能量(自耦合)达到一个最佳的比例，从而使得V型耦合腔可以实现很好的单模选择性。

再回到图3，设图中解理端面10’和20’的振幅反射率分别为r₁、r₂，两个波导的耦合发生在端面20’。我们把从光波导101耦合到102(交叉耦合)、101返回到101(自耦合)、102耦合到101(交叉耦合)、102返回到102(自耦合)的振幅耦合系数分别记为C₁₂，C₁₁，C₂₁和C₂₂。作一个简单近似，我们假设没有额外的耦合损耗。因此我们有|C₁₁|²+C₁₂|²＝1以及|C₂₁|²+|C₂₂|²＝1。从光波传播的互逆性，我可知C₁₂＝C₂₁。注意，上述耦合系数没有考虑端面的反射率，端面20’的反射率下面将会单独分开考虑。

在下面为了分析的简便性同时又不失一般性，我们把光波导102看成一段均匀的波导，其折射率为n′＝(n_aL_a+n_bL_b)/L′。在下面分析V型耦合腔激光器时，我们把其中一个谐振腔看成主谐振腔，而将它与另外一个谐振腔的耦合效应包含在耦合端面的反射率里。首先，我们把包含光波导101的固定增益腔看作主谐振腔，将耦合作用考虑进去后，反射端面20’的振幅有效反射率可以写作：r_2c＝ηr₂，其中η是考虑到光波导102与101之间的耦合效应后的反射率修正因子，它可以由下式计算：

$\mathrm{\η}=C_{11}+C_{21}{C}_{12}{r}_1{r}_2{e}^{2(g\′+\mathrm{ik}\′)L\′}(1+C_{22}{r}_1{r}_2{e}^{2(g\′+\mathrm{ik}\′)L\′}+{C^2}_{22}{r_1}^2{r_2}^2{e}^{4(g\′+\mathrm{ik}\′)L\′}+...)$

$=C_{11}+\frac{C_{21}{C}_{12}{r}_1{r}_2{e}^{2(g\′+\mathrm{ik}\′)L\′}}{1-C_{22}{r}_1{r}_2{e}^{2(g\′+\mathrm{ik}\′)L\′}}.......................................................\left(7\right)$

因此激光器的阈值工作条件可以写为：

r₁ηr₂e^2(g+ik)L＝1.......................................................(8)

在式(8)中，k(＝2πn/λ)和g分别为光波导101的传播常数和增益系数，k′(＝2πn′/λ)和g′分别为光波导102的平均传播常数以及平均有效增益系数。

同样，我们也可以把由光波导102构成的信道选择腔看作主谐振腔。考虑到和光波导101的耦合效应，端面20’的有效反射率可以写作：r_2e′＝η′r₂，其中η′是考虑到光波导101与102之间的耦合效应后的反射率修正因子，可由下式计算得到：

$\mathrm{\η}\′=C_{22}+C_{21}{C}_{12}{r}_1{r}_2{e}^{2(g+\mathrm{ik})L}(1+C_{11}{r}_1{r}_2{e}^{2(g+\mathrm{ik})L}+{C^2}_{11}{r_1}^2{r_2}^2{e}^{4(g+\mathrm{ik})L}+...)$

$=C_{22}+\frac{C_{21}{C}_{12}{r}_1{r}_2{e}^{2(g+\mathrm{ik})L}}{1-C_{22}{r}_1{r}_2{e}^{2(g+\mathrm{ik})L}}........................................................\left(9\right)$

激光器工作的阈值条件同样可以写为：

$r_1\mathrm{\η}\′r_2{e}^{2(g\′+\mathrm{ik}\′)L\′}=1................................................\left(10\right)$

将(7)式代入(8)中，(9)代入到(10)中，结果可以发现，(8)式和(10)式是完全等效的，都可以等效简化成下式，即V型耦合腔激光器的阈值条件：

$C_{11}{r}_1{r}_2{e}^{2(g+\mathrm{ik})L}+C_{22}{r}_1{r}_2{e}^{2(g\′+\mathrm{ik}\′)L\′}-(C_{11}{C}_{22}-C_{21}{C}_{12}){r_1}^2{r_2}^2{e}^{2(g+\mathrm{ik})L}{e}^{2(g\′+\mathrm{ik}\′)L\′}=1$

......................................................(11)

方程(11)可以根据两边实部和虚部分别相等化成两个独立的方程，由此可以得到激光器的工作波长和相应的阈值增益系数。在无耦合的情况下，即C₁₂＝C₂₁＝0以及C₁₁＝C₂₂＝1，此时η＝η′＝1，则方程(8)、(10)以及(11)都简化成普通的法布里-珀罗激光器的阈值条件。

现在我们再用具体的数字实例来说明V型耦合腔激光器的特性。考虑前面提到的结构，各个参数分别如下：n＝n′＝3.215，L＝466.24μm(Δf＝100GHz)以及L′＝518.31μm(Δf′＝90GHz)。由(4a)，(4b)式可得出两个谐振腔在λ＝1550.12nm有共同的谐振峰，对应的共振频率为193400GHz。设C₁₁＝C₂₂＝0.95，C₁₂＝C₂₁＝0.31，两个谐振腔的反射面由解理面构成，所以有：r₁＝r₂＝(n-1)/(n+1)＝0.5255。选择适当的泵浦条件使得两个腔有相同的回路增益，即gL＝g′L′。在两个腔的共振峰1550.12nm处，由方程(11)可以解得阈值最低模的增益系数(强度增益)为G＝2g＝22.6cm^-1及G′＝2g′＝20.4cm^-1。作为比较，非耦合腔相应的阈值增益分别为G₀＝27.6cm^-1及G₀′＝24.8cm^-1。

V型耦合腔的模式选择特性和波长转换功能可从耦合端面的反射率修正因子η和η′的光谱特性看出。η和η′都是随着波长的变化而变化的，而且在特定的一系列波长处形成谐振峰。图6所示分别为激光工作在阈值时|η|²(虚线)和|η′|²(实线)随波长变化的曲线(平方表示对光强的反射率修正因子，η和η′是振幅的反射率修正因子)。反射率修正因子|η|²周期性的谐振峰，与信道选择腔(波导102)的谐振频率的峰值相一致。我们可等效地看作反射率修正因子|η|²调制了固定增益腔的端面20’的反射率，产生一系列梳状的反射峰值，类似于先前技术的取样DBR光栅，但是不需要有制造光栅的复杂工艺，而且不会增加器件的长度。这样，与|η|²的峰值重合的一个固定增益腔的谐振模将会被选择为激光器的工作模式。由于反射率修正因子|η′|²的周期性谐振峰对应固定增益腔的谐振模，因此，在|η|²与|η′|²峰值重合的位置即为激光器的工作波长。

图7所示的是在激光器工作阈值附近，信号通过光波导101(点线)以及光波导102(实线)的小信号增益谱。从图中可以看出，激光器有多个工作波长能够被激发，由(3)式可得，相邻两个同时被激发的波长间隔为7.2nm(900GHz)。上述计算没有考虑工作物质的增益变化。实际上，由于激光工作物质有限的增益光谱宽度，激光器会工作在单模模式，另外也可以在激光腔内部增加一个滤波器或在端面镀上一层限制带宽的光学薄膜。

激光器的模式选择特性，即边模抑制比，影响波长切换时信道之间的串扰，是设计本发明激光器的一个重要考虑因素。激光器的模式选择特性可以通过选择合适的两个谐振腔之间的交叉耦合系数来优化。为了说明耦合系数的影响，我们计算了不同的耦合系数下反射率修正因子随波长的变化函数。图8比较了强度交叉耦合系数(即|C₁₂|²＝|C₂₁|²)为0.1(实线)以及为0.5(虚线)时，反射率修正因子随波长的变化曲线。激光器工作在阈值条件，即G＝22.6cm^-1及G′＝20.1cm^-1。从图中我们可以看到，随着交叉耦合系数的减小，反射率修正因子|η|²的谐振峰变窄，但是同时对比度也降低。

由于对边模的抑制是基于固定增益腔的谐振峰和信道选择腔的谐振峰的错位来实现的，因此反射率修正因子的谐振峰越窄，模式选择特性越好，尤其是对相邻模。作为定量的分析，激光器的选模特性可以由主模(阈值最低的模)和边模(阈值次低模)之间的阈值差来衡量。图9所示为在两个腔之间的交叉耦合系数分别为0.1(图中圆圈所示的曲线)和0.5(十字线所示的曲线)时，各个模式的阈值增益值。由图中可以看出，当交叉耦合系数为0.1时，阈值最低模与次低模的之间的阈值差异约为7.4cm^-1，但是当交叉耦合系数为为0.5时，两个模式的阈值差仅为1.2cm^-1。而相应的阈值最低的模对应的增益分别为22.6cm^-1(耦合系数为0.1)和20.1cm^-1(耦合系数为0.5)。

在图10(a)中，我们分别作出了阈值最低模(实线)和次低模(虚线)的阈值增益随交叉耦合系数变化的曲线。图10(b)给出了这两个模式的阈值差。从图中可以看出，在交叉耦合系数为0.5时，主模即阈值最低模的阈值增益系数达到最低，但当交叉耦合系数为0.1时，主模与次模之间有最大的阈值增益差。从图中可以看出，当交叉耦合系数从1减小到0.1，阈值最低模与次低模之间的阈值增益差逐渐增大。这是因为随着交叉耦合系数的减小，反射率修正因子|η|²峰值的宽度逐渐减小，从而导致更好的单模选择性。随着耦合系数的进一步减小到0.1以下，阈值增益差反而又减小了，这是因为此时反射率修正因子|η|²谐振峰的宽度已经减小到模式间隔以下，|η|²宽度的减小就不再影响到阈值增益的差异了，而这时|η|²的对比度随着耦合系数的减小进一步下降，从而导致阈值增益差异反而减小。

通过增加固定增益腔与信道选择腔的长度差异，可以增加阈值最低模与次低模之间的阈值差，但同时会降低自由光谱范围Δf_c(FSR，见(3)式)。我们同样发现，当两个谐振腔中的回路增益(即光在谐振腔中往返一个来回的增益)相等时，最低模与次低模的阈值差异达到最大。如果两个谐振腔的反射镜反射率相等，等回路增益即为gL＝g′L′，否则即为 $r_1{r}_2{e}^{2\mathrm{gL}}={r\′}_1{r\′}_2{e}^{2g\′L\′}$ 。为了说明这一点，我们考虑当L＝466.24μm(Δf＝100GHz)，L′＝570.38μm(Δf′＝81.7GHz)的情况，其他参数与上面例子相同。图11(a)所示分别为等回路增益(gL＝g′L′)和等单位长度增益(g＝g′)泵浦条件下，最低模(实线和虚线)以及次低模(点线和虚点线)的阈值增益随交叉耦合系数的变化曲线。图11(b)为gL＝g′L′(实线)和g＝g′(虚线)泵浦条件下，最低模与次低模的阈值增益差随交叉耦合系数的变化曲线。与前面例子中的计算结果相比较，两个谐振腔的长度差异增加了一倍，自由光谱范围Δf_c由900GHz减小到446GHz。最大可达到的阈值增益差由7.4cm^-1增加到14.5cm^-1(在等回路增益gL＝g′L′条件下)，同时最佳交叉耦合系数(阈值增益差达到最大时的耦合系数)由0.1增加到0.26。

同时，我们从图11中也可以看到，最大可达到的阈值增益差随着泵浦条件偏离等回路增益(gL＝g′L′)条件而减小。因此，当改变信道选择腔的折射率来改变工作波长时，应尽量避免回路增益的波动。这可以通过在信道选择腔中做一个分开的调节区(由光波导102b和电极122b构成)并将它做成无源的或者尽可能低的增益和损耗，如图3所示。这也可以使得激光器工作波长发生切换时，不影响激光器的输出功率及其它特性。

另外，我们也可以考虑将光波导101也分为两段，每段加上一个独立的控制电极，其中一段用来提供固定增益，另一段用来在一个信道间隔范围内连续调节“固定”增益腔的谐振频率网格。将这种波长连续调节与前述信道选择腔的波长切换功能相结合，就可以在一个很宽的波长范围内实现激光器的波长连续调节。这个连续调节也可以用来作为微调，以补偿固定增益腔谐振峰与工作信道网格之间可能存在的微量的不完全重合。

现在我们再来比较本发明的V型耦合腔激光器和以前的Y型耦合腔激光器的性能差别。如图12所示的Y型耦合腔由两个波导分支A，B，以及一段公共的波导C组成，其长度分别为L_a，L_b和L_c。三段波导上的电极由浅刻蚀槽15分开。从公共段C耦合到A、B段的振幅耦合系数分别记为C₁、C₂，从A，B段耦合到公共段C的振幅耦合系数分别记为C₁′、C₂′。由光波传播的可逆性，可以得到C₁＝C₁′以及C₂＝C₂′。如果假设没有耦合损耗，则有|C₁|²+|C₂|²＝1。

和前面分析V型耦合腔激光器一样，我们先把包含波导A和波导C的固定腔作为主谐振腔，则其阈值条件为：

$\mathrm{\τ\τ}\′r_1{r}_2{e}^{2(g_a+{\mathrm{ik}}_a)L_a}{e}^{2(g_c+{\mathrm{ik}}_c)L_c}=1.......................\left(12\right)$

其中g和k分别为增益系数和传播常数，下标表示对应波导段。r₁、r₂分别为两端解理面的光的振幅反射系数。τ′＝C₁′是从波导A到波导C的振幅透射系数。而τ是从从C到A的有效振幅透射系数。由波导B与波导C构成的信道选择腔对主谐振腔的耦合作用可在有效透射系数τ中考虑，τ可由下式计算得到：

$\mathrm{\τ}=C_1+C_1{C}_2{C}_2^{\′}{r}_1{r}_2{e}^{2(g_b+{\mathrm{ik}}_b)L_b}{e}^{2(g_c+{\mathrm{ik}}_c)L_c}+C_1{\left(C_2{C}_2^{\′}{r}_1{r}_2{e}^{2(g_b+{\mathrm{ik}}_b)L_b}{e}^{2(g_c+{\mathrm{ik}}_c)L_c}\right)}^2+....$

$=\frac{C_1}{1-C_2{C}_2^{\′}{r}_1{r}_2{e}^{2(g_b+{\mathrm{ik}}_b)L_b}{e}^{2(g_c+{\mathrm{ik}}_c)L_c}}.........................................\left(13\right)$

将τ和τ′的表达式代入到方程(12)中，化简后可以得到Y型耦合腔激光器的阈值条件为：

$C_1{C}_1^{\′}{r}_1{r}_2{e}^{2(g+\mathrm{ik})L}+C_2{C}_2^{\′}{r}_1{r}_2{e}^{2(g\′+\mathrm{ik}\′)L\′}=1.........................\left(14\right)$

其中，L＝L_a+L_c，L′＝L_b+L_c是固定增益腔和信道选择腔的总长度；而g＝(g_aL_a+g_cL_c)/L和g′＝(g_bL_b+g_cL_c)/L′是两个腔中的平均增益系数；另外k＝(k_aL_a+k_cL_c)/L以及k′＝(k_bL_b+k_cL_c)/L′则分别为两个腔的平均传播常数。

采用与上面图10中V型腔同样的参数，即L＝466.24μm，L′＝518.31μm，且两个腔工作在等泵浦增益(即gL＝g′L′)条件下。图13(a)所示为Y型耦合腔阈值最低模的阈值增益(实线)以及次低模的阈值增益(虚线)随耦合系数|C₂|²的变化曲线。最低模与次低模的阈值差如图13(b)所示。由图中可以看到，主模(阈值最低模)的阈值增益为G＝2g＝27.6cm^-1，不随耦合系数的变化而变化，且与同长度的非耦合腔相同。它与次低模的阈值差最大只有1.2cm^-1，发生在当耦合系数|C₂|²＝0.5的时候，即当Y型波导为一个等能量分束器的时候。而如前面计算所示，同参数下的V型耦合腔激光器可到达的主模阈值增益为22.6cm^-1，主模与次模的阈值增益差可达到7.4cm^-1(当耦合系数为0.1时)。由此可见，V型耦合腔比Y型耦合腔有更好的边模抑制能力，而同时有更低的阈值。

从阈值条件方面考虑，Y型耦合腔激光器等效于一个特殊的V型耦合腔，即一个满足C₁₁C₂₂-C₁₂C₂₁＝0的V型耦合腔激光器，它的耦合系数对应于：C₁₁＝C₁C₁′，C₂₂＝C₂C₂′，C₁₂＝C₁′C₂以及C₂₁＝C₂′C₁。将这些代入方程(11)中我们就可以得到方程(14)。另外我们可以看到，无论Y型耦合器的分光比例为多少，方程C₁₁C₂₂-C₁₂C₂₁＝0总是成立。这个限制对一般V型耦合腔就不存在了，因此V型耦合腔允许我们选择更合适的耦合系数，从而实现更大的主模和边模之间的阈值差，达到更好的单模选择特性。

图3中所示的V型耦合腔，还可以通过端面20’作镜像，得到一个X型结构，并且有相似的特性；同样还可以相对端面10’作镜像，而得到菱形结构，同样也有类似的特性。

图3所示的结构存在一个缺点，即在激光器的两端光能量是从两个分支的波导中辐射出来，如果要将辐射的能量耦合到一根单模光纤中，这将会严重限制光能的利用率。这个缺点可以通过在腔外添加一个光耦合器克服，可以以单片集成的方式，也可以采用分立器件。图14(a)所示为本发明的一个实施方式的结构示意图。图3中所示的解理端面10’和20’分别由深刻蚀的矩形槽10和20来代替，作为激光器谐振腔的部分反射元件。深刻蚀槽的横截面如图14(b)所示，它具有垂直的槽壁，且完全穿过波导层114。Y型耦合器130及140分别在激光器两端将光波导101和光波导102中的光能量耦合到一根单模波导。激光能量的输出端口，既可以选择在Y型耦合器130侧的输出口，也可以选择在Y型耦合器140侧的输出口，或者从两边同时输出。如图中所示，如果选择Y型耦合器130作为光的输出口，光能的输出端面30必须镀上增透膜，使得很少光能量从端面30反射回谐振腔。Y型耦合器130需要通过加上适当的泵浦或者通过量子阱混合技术或刻蚀再生长方法使得它对出射光是基本透明的。在激光器的另一端，Y型耦合器140可以反向偏置，作为一个片上能量监测器。这种情况下，透过矩形槽20的光将会在到达端面40以前基本被吸收掉，因此不会有光从端面40反射回谐振腔。

深刻蚀槽的反射率会随着槽宽的变化而变化。图15是在波长为1550nm时深刻蚀槽的反射率和透射率随宽度的变化曲线。为了使深刻蚀槽作为一个高反射镜，刻蚀槽的宽度需要基本上是四分之一波长的奇数倍，即

等，尤其是对于后反射镜(深刻蚀槽20)，一般最好有较高的反射率。刻蚀槽的反射率越高，激光器的工作阈值就越低，而且不影响V型耦合腔边模与主模的阈值增益差。

对于激光器谐振腔外的Y型耦合器，两段波导分支最好有相同的臂长，或者是它们的光学长度差是半波长的整数倍，使得从光波导101和102辐射出来的激光主模的光在输出面将会有相同的相位从而是相长相干，而且即使波长从一个信道切换到另一个信道也不影响，只要是在由(3)式决定的同一级自由光谱范围内。激光器的谐振条件方程(4)使得光波导101与光波导102的长度差必须为半波长的整数倍。在激光器的耦合端(图14中的深刻蚀槽20)，两段波导中光的相位是相同的。通过调节电极122b上的偏置可以使得两段波导的光学长度差为半波长的偶数倍，这样当两个腔的谐振峰重合时，从光波导101和102辐射出的光在到达Y型耦合器130的输出面时处于同相位。与此同时，对于相距一个自由光谱宽度Δf_c的下一个重合的谐振峰，两个腔的光学长度差自动变为半波长的奇数倍，从而使光波导101以及102辐射出的光到达Y型耦合器130的输出面时相位变为相反，因而相干相消。因此耦合腔外两臂之间的干涉效应有助于过滤或减少激光器主模邻近不需要的振荡模式。

为了避免调制信号与激光器波长切换机制之间的干扰，本发明的激光器一般更适合工作在连续波模式下，用腔外调制器来调制信号而不用直接调制。腔外调制器可以采用电吸收调制器(EAM)的方式，直接单片集成在激光器的同一芯片上。一个具体的实例结构可以是将图14所示的Y型耦合器130同时作为电吸收调制器(EAM)。EAM的波导材料一般需要比激光器的波导材料有稍大的带隙宽度，使得能够通过电吸收效应较大范围地改变EAM的吸收系数。同样，不同带隙的材料可以通过量子阱混合、选择性外延或者刻蚀再生长等方法获得。

波长啁啾是半导体激光器在高速调制下的一个重要特性参数。尽管与直接调制相比，EAM腔外调制大大改善了激光器的啁啾，但是由EAM本身的折射率随着吸收系数的调制也会发生变化，使得仍然有一定的啁啾存在。同时，EAM也不可避免地带来一定的附加插入损耗。本发明人在一篇题为“Q调制半导体激光器”的中国发明专利申请(申请号为200610050484.6)中，描述了一个将电致吸收波导放置在一个反谐振的法布里-珀罗腔中作为激光器的后反射体的Q调制技术，这样一个集成的Q调制机制也可以用在本发明的V型耦合腔激光器中。在这种情况下，图14所示的腔外Y型耦合器140由一个在反向电压偏置或者电流注入时能改变吸收系数的电吸收波导构成，深刻蚀槽20与解理端面40(或由另一个深刻蚀槽代替)构成了一个最好是反谐振的法布里-珀罗腔。Y型耦合器140中吸收系数的调制将导致激光器后反射镜反射率的调制，进而调制Q因子和阈值，从而调制激光器的输出功率。这样一个集成的Q调制激光器具有啁啾小，调制速率高，消光比高等优点，同时又具有V型耦合腔激光器的高单模选择性和波长切换功能。

图16是本发明V型耦合腔的另一个实施方式的结构示意图。它将前面所述的腔外Y型耦合器由一个带有两个输出端口的2×2的方向耦合器135代替，通过改变光波导101和102的光学长度差(可通过电极122b调节)，使得当它们之间的光学长度差从半波长的偶数倍改变为半波长的奇数倍时(即将信道选择腔的梳状频谱移位一个频率间隔Δf′)，激光器的光输出将会从一个端口切换到另外一个端口，所以这个实施方式可以通过调节电极122b同时实现波长切换功能和空间光开关功能。当然，我们也可以在谐振腔内或者腔外的波导分支上增加一个电极，单独控制空间光开关的功能。另外，方向耦合器135也可以被替换为双端口的多模干涉耦合器(MMI)或者其它类型的2×2光学耦合器。

在图14或图16所示的实施方式中，本发明激光器可以看作是一个由两段光波导臂构成的一个有源的马赫-真德(Mach-Zehnder，或称MZ)干涉仪，它的两个波导臂的每一个都被两个部分反射的深刻蚀槽切割，其中一个深刻蚀槽在波导臂的非耦合区，而另一个深刻蚀槽的在两个波导的耦合区，从而形成两个互相耦合的光学谐振腔。在两个波导的耦合区的深刻蚀槽的位置需要适当选择使得两个谐振腔之间存在一个最佳交叉耦合系数，从而使激光器有好的单模选择性。显然，非耦合区的深刻蚀槽可以是两个分离的深刻蚀槽，如图17所示的深刻蚀槽10和12，可以放置在沿波导方向的不同位置上，分别穿过各自的波导臂。另外，在图17种沿光波导101的谐振腔外增加了一个电极123，单独控制输出光在两个输出端口之间的切换。

图18是本发明V型耦合腔激光器的另一种实施方式，可以实现可变的波长转换功能。一个输入光信号，经过片上放大器150放大后，进入V型耦合腔中的一个波导臂。放大器的输入端面镀上增透膜，使得它不影响激光器的谐振腔。由于非线性效应，激光器的输出功率将受到输入光信号的调制。在输出端，波长转换了的输出信号通过Y型耦合器140后输出，同样其输出端面40也镀上增透膜。与前述实施方式的波长切换机制一样，输出信号的波长能够在一个很宽的范围内切换。该实施方式还可以有一个光子探测器160集成在一起作为功率监测器。由于Y型耦合器140同样也可以设计为电吸收调制器，所以此激光器既可以用电调制也可以用输入光信号调制，给此器件带来更多的灵活性。

本发明的V型耦合腔波长可切换激光器有许多优点。与Y型耦合腔激光器相比，它可以实现更高的边模抑制比，可以与传统的DFB激光器相当，同时它能够在一个很宽的范围内切换波长。在工艺方面，它不需要制造复杂的光栅结构。因此本发明的激光器具有潜在的低成本、高性能和多功能的特点，在发展下一代可重构的光网络中有很大应用前景。

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。例如，本发明也适用于圆形谐振腔或者圆盘形谐振腔半导体激光器。将两个谐振腔紧靠着放置或者部分重叠，使它们相互耦合，圆形谐振腔的长度(或者圆盘的周长)以及最佳耦合系数都可以根据上述V型耦合腔的类似方法来确定。

Claims (10)

1.一种半导体激光器，其特征在于包含两个相互耦合的光学谐振腔，第一个光学谐振腔包含第一个光波导和分别位于它两端的两个部分反射元件，第二个光学谐振腔包含第二个光波导和分别位于它两端的另两个部分反射元件，第一个和第二个光波导中至少各有一部分上带有用来注入电流为两个光学谐振腔提供基本相等的回路增益的电极；第一个光波导和第二个光波导有着不同的光学长度，它们并排在芯片上形成一个V字型，在V字型的开口端两个波导没有相互耦合，而在闭口端反射耦合区两个波导靠得很近或者相接触，通过倏逝波耦合或模式光场部分重叠使得一部分光从一个波导谐振腔交叉耦合到另一个波导谐振腔中去，而不需要先进入一段共同的波导，从而使得激光器具有高单模选择性。

2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器，其特征在于所述第一个光学谐振腔具有一定的光学长度使得它的谐振频率对应一系列等间隔的工作信道，所述第二个光学谐振腔具有不同的光学长度使得它在激光器材料的增益光谱范围内只有一个谐振频率与第一个谐振腔的谐振频率重合，所述第二个光学谐振腔中的第二个光波导至少有一部分带有用来施加电流或电压的电极使得它的有效折射率发生改变从而使得激光器的频率在由第一个光学谐振腔决定的一系列分立的工作信道上相互切换。

3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器，其特征在于所述部分反射元件是解理端面的一部分。

4.根据权利要求1所述的一种半导体激光器，其特征在于所述部分反射元件是由一个边壁垂直的穿过波导横截面的深刻蚀空气槽构成。

5.根据权利要求1所述的一种半导体激光器，其特征在于所述第一个和第二个光波导所发出的光在谐振腔外的至少一端由一个Y型耦合器耦合到输出端口，所述Y型耦合器同时作为电吸收调制器、Q调制器或功率监测器。

6.根据权利要求1所述的一种半导体激光器，其特征在于所述第一个和第二个光波导所发出的光在谐振腔外的输出端由一个2x2耦合器耦合到两个输出口，通过调节第一个和第二个光波导的光学长度差使得激光器的输出在两个输出口之间切换。

7.根据权利要求1所述的一种半导体激光器，其特征在于所述第一个和第二个光波导中的至少一个通过一个光学输入口接收一个输入光信号，使得激光器的输出光根据输入光信号被调制。

8.一种半导体激光器，由一个马赫-真德干涉仪组成，其特征在于该马赫-真德干涉仪包含并排放置、两端耦合而中间不耦合的第一个和第二个波导臂，第一个和第二个波导臂在中间非耦合区分别刻有第一个和第二个部分反射的深刻蚀槽，在一端的耦合区刻有第三个部分反射的深刻蚀槽同时穿过第一个和第二个波导臂，在第一个波导臂的第一个和第三个深刻蚀槽之间形成第一个光学谐振腔，在第二个波导臂的第二个和第三个深刻蚀槽之间形成第二个光学谐振腔，第一个和第二个光学谐振腔中至少各有一部分光波导上带有用来注入电流为两个光学谐振腔提供基本相等的回路增益的电极；第三个深刻蚀槽的位置使得第一个光学谐振腔和第二个光学谐振腔之间有一定的交叉耦合以获得良好的单模选择性。

9.根据权利要求8所述的一种半导体激光器，其特征在于所述第一个光学谐振腔具有一定的光学长度使得它的谐振频率对应一系列等间隔的工作信道，所述第二个光学谐振腔具有不同的光学长度使得它在激光器材料的增益光谱范围内只有一个谐振频率与第一个光学谐振腔的谐振频率重合，所述第二个光学谐振腔中的至少有一部分光波导带有电极用来施加电流或电压使得它的有效折射率发生改变从而使得激光器的频率在由第一个光学谐振腔决定的一系列分立的工作信道上相互切换。

10.根据权利要求8所述的一种半导体激光器，其特征在于所述部分反射的深刻蚀槽具有垂直边壁且宽度是四分至一波长的奇数倍。

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