CN101800397B - 一种用半波耦合环形谐振腔选模的半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用半波耦合环形谐振腔选模的半导体激光器。至少包括有源或无源的环形谐振腔、内部带有增益区的有源谐振腔和耦合器；所述耦合器为π相位四端口耦合器包含四个端口，其中第一端口和第二端口与有源谐振腔相连，第三端口第四端口与环形谐振腔相连。本发明只需要单个环形谐振腔配合一个有源谐振腔以及一个π相位四端口耦合器实现半导体激光器的单模工作，并且环形谐振腔的直径大小不受限制，简化了制作工艺，π相位四端口耦合器的制作工艺也相对简单。此外，在作为可调谐半导体激光器应用时，单个环形谐振腔的半导体激光器在可调谐的应用中能够简化调谐的控制。

Description

一种用半波耦合环形谐振腔选模的半导体激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器，尤其涉及一种用半波耦合环形谐振腔选模的半导体激光器。

背景技术

环形谐振腔结构紧凑，具有尖锐的滤波峰，并且不需要外加的反射镜或者光栅反射器等反馈结构，因此一经提出在有源和无源集成光电子器件领域都得到了相当高的关注，在波分复用、光开关、光路由、光调制、波长转换、半导体激光器等方面有广泛应用。而环形谐振腔耦合半导体激光器由于其体积小，并且不需要解离面作为反射镜，从而成为了光子集成电路中理想的光源。环形谐振腔耦合半导体激光器特有的行波工作方式使它不但可以避免激光腔内的空间烧孔效应，而且对外界反馈不敏感，从而保持稳定单模工作。

传统的单个环形谐振腔耦合半导体激光器如图1所示，这类器件利用环形谐振腔尖锐的洛仑兹滤波特性来提高激光器的边模抑制比，线宽和啁啾特性。单环耦合的半导体激光器为了维持单模工作，通常需要把环形谐振腔的弯曲半径做的比较小来扩大环形谐振腔的自由光谱范围(FSR)，如Seoijin Park等人在他们的文章“Single-Mode Lasing Operation Using a Microring Resonator as aWavelength Selector”，IEEE J.Quantum Electron，Vol.38，pp270～273，2002中制作了直径为5～20μm的环形谐振器，其最大自由光谱范围为42nm，以足够大的自由光谱范围来保证激光器的单模工作。但小的弯曲半径也会引入较大的波导弯曲损耗，与此同时，小直径环形谐振腔的耦合器的设计与制作也有很大的困难，通常需要使用电子束光刻技术来制作相应耦合比的方向耦合器。因此，单环半导体激光器的制作成本比较高，在大规模产业化中通常不使用。

最近，双环谐振腔耦合的半导体激光器受到很多的关注，如T.Segawa等人在他们的文章“Full C-Band Tuning Operation of Semiconductor Double-RingResonator-Coupled Laser With Low Tuning Current”IEEE Photon.Tech.Lett.，Vol.19，pp.1322～1324，2007中利用两个互相耦合的无源环形谐振腔的游标效应来实现激光器的选模，并在50nm的范围内实现了无跳模调谐。双环谐振腔耦合的方式使对环形谐振腔半径的限制大大放宽，双环的游标效应还能增加激光器的边模抑制比，并能进一步利用游标效应扩大激光器的调谐范围。但是，双环谐振腔耦合半导体激光器的工作需要在两个环形谐振腔上分别加电极以保证两个环形谐振腔滤波峰的对准，并且双环在激光器调谐控制时需要更为复杂的电流控制操作。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用半波耦合环形谐振腔选模的半导体激光器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明至少包括有源或无源的环形谐振腔、内部带有增益区的有源谐振腔和耦合器；所述耦合器为π相位四端口耦合器包含四个端口，分别是第一端口，第二端口，第三端口和第四端口，其中第一端口和第二端口与有源谐振腔相连，第三端口第四端口与环形谐振腔相连。

所述环形谐振腔中还设有折射率能改变的第一调谐区。

所述π相位四端口耦合器与有源谐振腔的第一端口或第二端口外侧设有折射率能独立改变或与第一调谐区同步改变的第二调谐区。

所述第一调谐区和第二调谐区通过同一个电极正向注入电流或施加反向电压，并且第一调谐区的光程占环形谐振腔的总光程的比例和第二调谐区的光程占有源谐振腔的总光程的比例相等。

所述内部带有增益区的有源谐振腔是环形谐振腔。

所述的π相位四端口耦合器由三根由上而下等间距排列的波导构成。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

本发明只需要单个环形谐振腔配合一个有源谐振腔以及一个π相位四端口耦合器实现半导体激光器的单模工作，并且环形谐振腔的直径大小不受限制，简化了制作工艺，π相位四端口耦合器的制作工艺也相对简单。此外，在作为可调谐半导体激光器应用时，单个环形谐振腔的半导体激光器在可调谐的应用中能够简化调谐的控制。

附图说明

图1为本发明第一种实施方式结构示意图；

图2为普通π/2相位耦合环形半导体激光器的结构示意图；

图3为普通π/2相位耦合单环半导体激光器和π相位耦合单环半导体激光器的中起滤波作用的无源环形谐振腔透射系数对比图；

图4为相同耦合系数下普通π/2相位耦合单环半导体激光器和π相位耦合单环半导体激光器的阈值增益差的对比图；

图5为本发明第二种实施方式结构示意图；

图6为本发明第三种实施方式结构示意图；

图7为π相位耦合环形谐振腔与有源谐振腔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8为图5中所示的工作方式下激光器波长数字式调谐的效果图；

图9为本发明第四种实施方式结构示意图；

图10为本发明第四种实施方式下激光器无跳模调谐的效果图；

图11为本发明第五种实施方式结构示意图；

图12为本发明π相位耦合器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

图2是本发明用半波耦合环形谐振腔选模的半导体激光器的第一个实施方案。本发明至少包括有源或无源的环形谐振1、内部带有增益区的有源谐振2和耦合器；所述耦合器为π相位四端口耦合3包含四个端口，分别是第一端口31，第二端口32，第三端口33和第四端口34，其中第一端口31和第二端口32与有源谐振腔2相连，第三端口33第四端口34与环形谐振腔1相连；所述内部带有增益区的有源谐振腔2是环形谐振腔或者法布里-珀罗谐振腔。所述π相位四端口耦合器是带有损耗的，损耗和第一端口和第三端口的输入光强及相位相关。在环形谐振腔的谐振波长上，从第一端口进入的光和第三端口入射的光在第二端口相干加强，耦合器的损耗由于相干作用而抵消，使得谐振波长的光能够以较低损耗从第一端口通过到第二端口。环形谐振腔和π相位四端口耦合器共同对有源谐振腔中的多个纵模产生选择性，使得激光器在环形谐振腔的谐振波长或其附近单模激射。

该激光器的有源谐振腔2包括一段增益波导和第一反射镜22和第二反射镜23两个反射镜，整个激光器可以看作一个腔内放置了环形谐振腔的以第一反射镜22和第二反射镜23作为反射镜的法布里-珀罗(FP)腔。无源环形谐振腔1通过一个π相位四端口耦合器3与有源谐振腔2发生能量耦合。这里π相位四端口耦合器3采用的是耦合相位为π的对称耦合器。

当有源谐振腔2中传播的光到达π相位四端口耦合器3时，会有一小部分光耦合到无源环形谐振腔1里，并在里面发生谐振，当无源环形谐振腔1的光程(光程为无源环形谐振腔1的几何长度乘以其折射率)满足光波长的整数倍时，该波长称为无源环形谐振腔1的谐振波长。π相位四端口耦合器3是带损耗的，当输入端(如第一端口31和第三端口33)输入的光波的相位差为π且振幅相等时，该耦合器能无损耗工作，而当输入端相位差非π时，该耦合器将有能量损耗。因此，只有无源环形谐振腔1的谐振波长上的光能无损耗地通过π相位四端口耦合器3耦合回有源谐振腔2中。所以，只有满足无源环形谐振腔1和有源谐振腔2的谐振条件的波长，才能在该激光器中激射。

在这里，无源环形谐振腔1和π相位四端口耦合器3共同起到了一个激光腔内滤波器的作用，无源环形谐振腔1和π相位四端口耦合器3的滤波作用以第一端口31到第二端口32的透射系数t来描述。并且，由于该结构的对称性，第一端口31到第二端口32与第二端口32到第一端口31的透射系数是相同的：

$t=\frac{c+(c^{\text{'}2}-c^2)e^{i{k}_0{n}_1{L}_1}}{1-{\mathrm{ce}}^{{\mathrm{ik}}_0{n}_1{L}_1}}---\left(1\right)$

其中，c表示从第一端口31到第二端口32的耦合系数，c’表示从第一端口31到第四端口34的耦合系数，n₁L₁表示环形谐振腔的折射率和长度，k₀是光在真空中的波数。由(1)可得到半半导体激光器的谐振条件：

$r_1{r}_2{e}^{2L_2(i{k}_0{n}_2+g_{\mathrm{th}})}{t}^2=1---\left(2\right)$

其中，r₁，r₂是第一反射镜22和第二反射镜23的反射系数，n₂是有源谐振腔2的折射率，L₂是有源谐振腔2的长度，g_th是其阈值增益系数，k₀是光在真空中的波数。

普通的单个无源环形谐振腔激光器所带的耦合器为π/2相位耦合器，当它工作在如图1的状态时，由于π/2相位耦合器对任何输入相位差都是无能量损耗的，任何波长的光最终都能通过π/2相位耦合器耦合回有源谐振腔，这种情况下，无源环形谐振腔在该激光器中没有起到任何波长选择作用，整个激光器相当于一个FP腔激光器。所以，普通的π/2相位耦合单环半导体激光器需要工作在如图2所示的方式下，它由无源环形谐振腔1，有源谐振腔2，第一π/2相位耦合器4和第二π/2相位耦合器5，第一反射镜22第二反射镜23，以及第一吸收波导6和第二吸收波导7组成。当有源谐振腔2中向右传播的光到达波导与无源环形谐振腔1耦合的区域时，会有一小部分光耦合到无源环形谐振腔1里，并在里面发生谐振，满足无源环形谐振腔1谐振波长的光才能被从环形谐振腔1中耦合回有源谐振腔2中，向左继续传播，而不满足无源环形谐振腔1谐振条件的大部分光能量将会从第一π/2相位耦合器4的42端口耦合到第一吸收波导6中被吸收，无法再回到激光器中。同理，从有源谐振腔2向右传播的光波的波长也必须满足无源环形谐振腔1的谐振条件才能在激光器中传播，与谐振波长偏离得越远的光波，则通过无源环形谐振腔1的时候损耗越大。

在普通π/2相位耦合单环半导体激光器中，无源环形谐振腔1单独起到了激光腔内滤波器的作用。类似地，我们用有源谐振腔2中光波通过无源环形谐振腔1的透射系数t’来描述无源环形谐振腔1在该结构中的滤波作用，由于结构的对称性，无源环形谐振腔内顺时针和逆时针传播的光的透射系数是相同的：

$t^{\′}=\frac{c^{\text{'}2}{e}^{i{k}_0{n}_1{L}_{11}}}{1-c^2{e}^{i{k}_0{n}_1{L}_1}}---\left(3\right)$

其中，c为第一π/2相位耦合器4中由41到42的耦合系数，c’为41到44的耦合系数，n₁L₁表示无源环形谐振腔1的折射率和长度，L₁₁为无源环形谐振腔一半的腔长，k₀是光在真空中的波数。由此可得到该激光器的谐振条件：

$r_1{r}_2{e}^{2L_2(i{k}_0{n}_2+g_{\mathrm{th}})}{t}^{\text{'}2}=1---\left(4\right)$

其中，r₁，r₂是第一和第二反射镜22，23的反射系数，n₂是有源谐振腔2的折射率，L₂是有源谐振腔2的长度，g_th是其阈值增益系数，k₀是光在真空中的波数。

如图3是普通π/2相位耦合单环半导体激光器和π相位耦合单环半导体激光器的中起滤波作用的无源环形谐振腔1透射率的对比。这里设耦合器的直通耦合系数c＝0.8，两种情况下环形谐振腔长度相等，均为414μm，有源谐振腔长372.7μm无源环形谐振腔波导折射率n＝3.215，激光器工作在1550nm。可以看到，在远离环形谐振腔谐振波长的区域，π相位耦合器结合环形谐振腔的滤波性能低于普通π/2相位耦合环形谐振腔，而在靠近环形谐振腔谐振波长的区域(见图3中的细节图)π相位耦合器结合环形谐振腔的滤波性能优于普通π/2相位耦合环形谐振腔。激光器谐振波长附近的滤波性能的提高能大大提高激光器的边模抑制比(SMSR)。由此可见，作为半导体激光器的腔内滤波器，π相位耦合器结合环形谐振腔优于普通π/2相位耦合环形谐振腔。

通过分析阈值方程(2)、(4)可以得到π相位耦合环形谐振腔激光器与π/2相位耦合环形谐振腔激光器的模式选择特性的优劣。我们通过分析阈值增益最低模式与次低模式之间的阈值增益差来对比两种激光器选模特性。图4给出了在不同的耦合系数c下，π相位耦合环形谐振腔激光器与π/2相位耦合环形谐振腔激光器的阈值增益差。可以看到，在耦合系数从0到0.88的区域内，π相位耦合环形谐振腔激光器的阈值增益差都比π/2相位耦合环形谐振腔激光器要大。

由此可见，π相位耦合环形谐振腔激光器的耦合器设计容差比π/2相位耦合环形谐振腔激光器要大，并且，当耦合系数在0到0.88的区域内，相同耦合系数下，π相位耦合环形谐振腔激光器的阈值增益差要比π/2相位耦合环形谐振腔激光器大得多，从而激光器的边模抑制比将会得到明显提高，达到实际应用的水平。

图5是本发明用半波耦合环形谐振腔选模的半导体激光器的第二种实施方案。所述环形谐振腔1中还设有折射率能改变的第一调谐区11。激光器由无源环形谐振腔1，有源谐振腔2，第一反射镜22，第二反射镜23，以及π相位耦合器3组成，无源环形谐振腔1内包含一段折射率可变的第一折射率调谐区11，通过改变电极的注入电流或者偏置电压可以改变第一折射率调谐区11的折射率。单独改变其折射率，就可以通过两个谐振腔之间的游标效应实现激光器工作波长的数字式调谐。图7给出了半导体激光器数字式调谐工作的示意图，当两个谐振腔的长度比较接近时，它们的腔纵模间隔有极小的差别，分别是Δf和Δf’。两个谐振腔互相重合的谐振峰之间的间隔为整个激光器的自由光谱范围Δf_c。因此，通过适当地选择腔长参数，能保证在材料的增益范围内只有一个互相重合的谐振频率增益最大而激发。图8为所述激光器数字式调谐的效果图，当无源谐振腔1中有一段20μm的波导折射率发生改变时无源环形谐振腔1的谐振频率整体发生平移，使重合的频率在各个纵模之间切换。

图6是本发明用半波耦合环形谐振腔选模的半导体激光器的第三种实施方案。所述π相位四端口耦合器3与有源谐振腔2的第一端口31或第二端口32外侧设有折射率能独立改变或与第一调谐区11同步改变的第二调谐区21。与第二种实施方式不同之处在于，有源谐振腔2也包含一个折射率能改变的区域，称为第二折射率调谐区21。单独改变其折射率，就可以通过两个谐振腔之间的游标效应实现激光器工作波长的数字式调谐。此外，通过同步的改变第一折射率调谐区11和第二折射率调谐区21的折射率，可以实现激光器输出频率的连续调谐。

图9是本发明用半波耦合环形谐振腔选模的半导体激光器的第四种实施方案。所述第一调谐区11和第二调谐区21通过同一个电极正向注入电流或施加反向电压，并且第一调谐区11的光程占环形谐振腔1的总光程的比例和第二调谐区21的光程占有源谐振腔2的总光程的比例相等。该实施方式的结构与实施方式三的区别在于第一调谐区11和第二调谐区21使用同一个电极20注入电流或者加电压偏置，并且第二调谐区21的光程占有源谐振腔2的比例等于第一调谐区11占无源环形谐振腔1的光程比例，当电极20注入电流或者偏置电压改变时，可以实现激光器波长的无跳模调谐。

无源环形谐振腔1的谐振条件为：

$n{L}_{11}+n_1{L}_{12}=m{\mathrm{\λ}}_{r_1}---\left(5\right)$

有源谐振腔2的谐振条件为：

$2(n{L}_{21}+n_2{L}_{22})=m{\mathrm{\λ}}_{r_2}---\left(6\right)$

其中，L₁₁和L₂₁分别是调谐区11和21的几何长度，L₁₂为无源环形谐振腔1除去调谐去11后剩余的长度，L₂₂为有源谐振腔2除去调谐去21后剩余的长度，n为调谐区波导折射率，n₁，n₂为无源环形谐振腔1和有源谐振腔2波导折射率，m为谐振级次，λ_r1和λ_r1分别是无源环形谐振腔1和有源谐振腔2的谐振波长。

对(5)、(6)求微分得到两个谐振腔的谐振波长随折射率n的变化率：

$\left\{\begin{array}{cc}\frac{d{\mathrm{\λ}}_{r1}}{\mathrm{dn}}=\frac{L_{11}{\mathrm{\λ}}_{r_1}}{n{L}_{11}+n_1{L}_{12}}& \\ \frac{d{\mathrm{\λ}}_{r_2}}{\mathrm{dn}}=\frac{L_{21}{\mathrm{\λ}}_{r_2}}{n{L}_{21}+n_2{L}_{22}}& \end{array}---\left(7\right)\right.$

为了得到无跳模波长调谐的效果，两波长的变化率必须保持同步即(7)中两式相等，得到：

$\frac{n_1{L}_{12}}{L_{11}}=\frac{n_2{L}_{22}}{L_{21}}---\left(8\right)$

满足上述无跳模调谐的条件，就能利用一个电极实现激光器无跳模调谐，如图10。

图11是本发明的用半波耦合环形谐振腔选模的半导体激光器的第五种实施方案。所述内部带有增益区的有源谐振腔2是环形谐振腔。激光器由无源环形谐振腔1，有源环形谐振腔7，π相位耦合器3，π/2相位耦合器4以及输出波导8组成。

图12是本发明的用半波耦合环形谐振腔选模的半导体激光器的π相位耦合器3的一个实例，该π相位耦合器由3根并排排列中间有一定间距的的波导构成，通过选取不同的波导长度，即可获得不同的耦合比，耦合器的31、32端口与外侧波导101连接，耦合器的33、34端口与外侧波导102连接。

Claims (2)

1.一种用半波耦合环形谐振腔选模的半导体激光器，至少包括有源或无源的环形谐振腔(1)、内部带有增益区的有源谐振腔(2)和耦合器；所述耦合器为半波四端口耦合器(3)包含四个端口，分别是第一端口(31)，第二端口(32)，第三端口(33)和第四端口(34)，其中第一端口(31)和第二端口(32)与有源谐振腔(2)相连，第三端口(33)和第四端口(34)与环形谐振腔(1)相连；所述环形谐振腔(1)中还设有折射率能改变的第一调谐区(11)；所述内部带有增益区的有源谐振腔(2)是环形谐振腔；所述半波四端口耦合器(3)与有源谐振腔(2)的第一端口(31)或第二端口(32)外侧设有折射率能独立改变或与第一调谐区(11)同步改变的第二调谐区(21)；其特征在于：

所述第一调谐区(11)和第二调谐区(21)通过同一个电极正向注入电流或施加反向电压，并且第一调谐区(11)的光程占环形谐振腔(1)的总光程的比例和第二调谐区(21)的光程占有源谐振腔(2)的总光程的比例相等。

2.根据权利要求1所述一种用半波耦合环形谐振腔选模的半导体激光器，所述的半波四端口耦合器(3)由三根由上而下等间距排列的波导构成。

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