CN101325312B - 一种高速调制半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的高速调制半导体激光器，包括一个谐振腔和一条弓形光波导，谐振腔位于弓形光波导的凹侧，并与弓形光波导形成两耦合区，谐振腔为产生增益的增益区域，位于两耦合区之间的弓形光波导具有一个相位调谐区域和一个加载调制信号并对吸收系数或增益系数或相位进行调制的调制区域，相位调谐区域和调制区域相隔。在相位调谐区域加载某一恒定电流，利用电致效应实现相位微调，使得弓形光波导的相位与谐振腔的相位相匹配，在弓形波导的调制区域引入一个调制信号以改变激光振荡的阈值，从而实现高速调制。本发明具有低阈值、低啁啾的优点，且结构简单、制作方便、易于集成。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器，尤其是一种高速调制半导体激光器，属于光电子器件领域。
背景技术
近年来，随着互联网以及信息交互的迅猛发展，人们对光通信网络数据传输提出了高速率、大带宽的要求。要实现高速率(如大于40Gb/s)，就必须发展高速调制的激光器。起初，人们通过直接调制激光器注入电流的方法获得了一定的调制速率。这是一种最为简便的方法，同时却也因为啁啾而存在固有的调制速率限制。此后，人们采用外置调制器的方式对一个连续输出的激光实现了高速调制。相比于直接调制方式，这种外置调制器方式在调制速率方面有很大的改进，但这种方式仍然存在一些不足之处：调制器与激光器分离，难以实现单片集成，存在一定啁啾，难以满足更高调制速率要求，且消光比较小，还存在成本过高的问题。由于光通信的日益普及，甚至要进入千家万户，也就是所谓的“光纤到户”。在这种形势下，高性能、低成本的高速调制激光器是一个极为关键的器件。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的是提供一种具有低阈值、低啁啾的高速调制半导体激光器。
为达上述目的，本发明的高速调制半导体激光器包括一个谐振腔和一条弓形光波导，谐振腔位于弓形光波导的凹侧，并与弓形光波导形成两耦合区，谐振腔为产生增益的增益区域，位于两耦合区之间的弓形光波导具有一个相位调谐区域和一个加载调制信号并对吸收系数或增益系数或相位进行调制的调制区域，相位调谐区域和调制区域相隔，弓形光波导的端口发射随调制信号发生改变的激光。
为了监控激光器功率，可在两耦合区之间的弓形光波导上接入三端口的功分器，功分器接入方式有以下两种：一种是功分器的输入端口与弓形光波导的调制区域连接，功分器的一个输出端口与弓形光波导的相位调谐区域连接，功分器的另一个输出端口与探测器相连；另一种是功分器的输入端口与弓形光波导的相位调谐区域连接，功分器的一个输出端口与弓形光波导的调制区域连接，功分器的另一个输出端口与探测器连接。
本发明中，所说的吸收系数或增益系数或相位调制是电流注入或电吸收调制。
本发明中，所说的谐振腔可以是微环、微盘和光子晶体微腔中的任意一个，或任意两个或多个组合所构成的复合谐振腔。
本发明中，所说的谐振腔与弓形光波导的耦合可以是基于倏逝波耦合，其耦合方式是横向耦合或垂直耦合。也可以是基于多模干涉耦合，其耦合方式是横向耦合或垂直耦合。
高速调制半导体激光器的工作过程：在相位调谐区域加载某一恒定电流，利用电致效应实现相位微调，使得弓形光波导的相位与谐振腔的相位相匹配。在谐振腔增益区域加载恒定的泵浦源，使激光增益介质达到粒子数反转状态，获得一定的光增益G。同时，在弓形波导的调制区域引入一个调制信号，通过光致方法或电致方法来改变调制区域的吸收系数或增益系数或相位，从而改变激光振荡的阈值Gth。当谐振腔增益Gth＜G，则产生激光；反之，则不产生激光。通过这种调制方式，可以实现高速调制。
本发明的高速调制半导体激光器具有低阈值、低啁啾的优点，且结构简单、制作方便、易于集成；可以实现高速调制。
附图说明
图1是高速调制半导体激光器的构成示意图；
图2是高速调制半导体激光器的另一种构成示意图；
图3是高速调制半导体激光器中采用微盘结构谐振腔示意图；
图4是阈值增益系数Gth随调制区域吸收系数αm的变化情况；
图5是谐振波长λres随调制区域吸收系数αm的变化情况；
图6是调制区域吸收系数αm＝0、2.0cm-1时的小信号增益谱；
具体实施方式
参照图1，高速调制半导体激光器包括一个谐振腔1和一条弓形光波导2，谐振腔1位于弓形光波导2的凹侧，在谐振腔1与弓形光波导2距离最接近的A、B处形成两耦合区3、4，谐振腔1为产生增益的增益区域，位于两耦合区3、4之间的弓形光波导2具有一个相位调谐区域2c和一个加载调制信号并对吸收系数或增益系数或相位进行调制的调制区域2b，相位调谐区域2c和调制区域2b相隔，弓形光波导2的端口2a发射随调制信号发生改变的激光。
图2所示具体结构，是在图1高速调制半导体激光器的两耦合区3、4之间的弓形光波导2上接入三端口的功分器5，此例中，功分器5的输入端口5a与弓形光波导2的调制区域2b连接，功分器5的一个输出端口5b与弓形光波导2的相位调谐区域2c连接，功分器5的另一个输出端口5c与探测器6相连。
在以上图1、图2所示结构中，谐振腔1均采用微环结构；或者也可以采用微盘结构(见图3)。
在以上图1、图2所示结构中，谐振腔1与弓形光波导2的耦合是基于倏逝波耦合，并采用横向耦合方式，或者也可以采用垂直耦合方式。
上述的谐振腔1与弓形光波导2的耦合也可以是基于多模干涉耦合，采用横向或垂直耦合方式。
下面以图1所示高速调制激光器为例，说明本发明具有高速调制、低啁啾的特点。
此例中，谐振腔采用微环结构，微环半径R≈20.06μm，耦合区耦合系数K＝0.707。假设位于两耦合区之间的谐振腔部分对应的圆心角θ＝π，则其长度为L1＝Rθ。假设位于两耦合区之间的弓形波导部分的长度为L2＝69.556μm，则两部分的长度差ΔL＝L2-L1≈6.56μm，并通过调节相位调谐区域使得它们之间的相位差为0.85π(对于中心波长而言)。调制区域的长度L2b＝60μm，相位调谐区域的长度为L2c＝9.556μm。假设调制区域的吸收系数αm＝0(即调制区域透明)，谐振腔内增益区域的阈值增益系数Gth约为6.425dB/cm(对应于谐振波长1541.5045nm)。而当在高速调制区域引入电致吸收时，阈值增益系数Gth迅速增高。例如，当αm＝6.0cm-1，Gth约为24.04dB/cm(将近αm＝0时的增益系数的近四倍)。图4给出了阈值增益系数Gth随高速调制区域吸收系数αm的变化情况。当高速调制区域吸收系数变化时，其折射率也发生一定变化Δn。设Δn＝γαm，其中γ＝1.85×10-5cm。图5给出了谐振波长λres随高速调制区域吸收系数αm的变化情况。由此可见，即使高速调制区域吸收系数αm增大到20.0cm-1，谐振波长λres变化量仅为0.037nm。而实际工作时，仅需将高速调制区域吸收系数αm在0～6.0cm-1变化，对应的谐振波长漂移仅为0.012nm。这表明波长啁啾非常小。在图6中，曲线#1、#2分别给出了高速调制区域吸收系数αm＝0、6.0cm-1时的小信号增益谱(取增益区域的增益系数Gth＝6.425dB/cm)。由此可见，通过高速调制区域吸收系数即可实现激光器输出的调制。
上述实施例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 (7)
1.一种高速调制半导体激光器，其特征在于包括一个谐振腔(1)和一条弓形光波导(2)，谐振腔(1)位于弓形光波导(2)的凹侧，并与弓形光波导(2)形成两耦合区(3)、(4)，谐振腔(1)为产生增益的增益区域，位于两耦合区(3)、(4)之间的弓形光波导(2)具有一个相位调谐区域(2c)和一个加载调制信号并对吸收系数或增益系数或相位进行调制的调制区域(2b)，相位调谐区域(2c)和调制区域(2b)相隔，弓形光波导(2)的端口(2a)发射随调制信号发生改变的激光。
2.根据权利要求1所述的高速调制半导体激光器，其特征是在两耦合区(3)、(4)之间的弓形光波导(2)上接有三端口的功分器(5)，功分器(5)的输入端口(5a)与弓形光波导(2)的调制区域(2b)连接，功分器(5)的一个输出端口(5b)与弓形光波导(2)的相位调谐区域(2c)连接，功分器(5)的另一个输出端口(5c)与探测器(6)相连。
3.根据权利要求1所述的高速调制半导体激光器，其特征是在两耦合区(3)、(4)之间的弓形光波导(2)上接有三端口的功分器(5)，功分器(5)的输入端口(5a)与弓形光波导(2)的相位调谐区域(2c)连接，功分器(5)的一个输出端口(5b)与弓形光波导(2)的调制区域(2b)连接，功分器(5)的另一个输出端口(5c)与探测器(6)连接。
4.根据权利要求1所述的高速调制半导体激光器，其特征在于所说的吸收系数或增益系数或相位调制是电流注入或电吸收调制。
5.根据权利要求1所述的高速调制半导体激光器，其特征在于谐振腔(1)是微环、微盘和光子晶体微腔中的任意一个，或任意两个或多个组合所构成的复合谐振腔。
6.根据权利要求1所述的高速调制半导体激光器，其特征在于谐振腔(1)与弓形光波导(2)的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式是横向耦合或垂直耦合。
7.根据权利要求1所述的高速调制半导体激光器，其特征在于谐振腔(1)与弓形光波导(2)的耦合是基于多模干涉耦合，其耦合方式是横向耦合或垂直耦合。
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