CN101859981A - 单片集成串联耦合腔波长可切换半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单片集成串联耦合腔波长可切换半导体激光器。包括三个串联耦合的法布里-珀罗谐振腔，第一与第二法布里-珀罗谐振腔之间和第二与第三法布里-珀罗谐振腔之间，分别通过刻蚀的各自的空气槽相隔开。所述的两个空气槽刻蚀深度超过半导体激光器的有源芯层，第一和第三法布里-珀罗谐振腔通过电泵浦的方式产生光学增益从而输出激光，同时第二法布里-珀罗谐振腔产生损耗用于优化激光器的单模特性；其中：第一和第三法布里-珀罗谐振腔的一个端面为解离形成的反射面，另一个为通过刻蚀形成垂直侧壁的空气槽。这种激光器的波长可以在一系列离散的数值上精确切换，具有单模特性好，波长切换控制方法可靠，制作工艺简单成本较低等优点。

Description

单片集成串联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，尤其是涉及一种单片集成的波长可切换半导体激光器。

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格式无关的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，一个相移区，以及一个布拉格光栅。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。

关于串联耦合腔激光器的研究兴起于20世纪80年代初，当时的串联耦合腔激光器有两类工艺制作方式，一种是在解离出来的法布里-珀罗腔激光器上刻蚀凹槽得到，(具体见“Monolithic two-section GaInAsP/InP active-optical-resonatordevices formed by reactive-ion-etching”，by L.A.Coldren et al，Appl.Phys.Lett.vol.38，pp.315～317，1981中的详细描述)，另外一种为通过解理耦合腔的结构来实现(具体见“The cleaved-coupled-cavity(C3)laser”，by W.T.Tsang，Semiconductorsand Semimetals，vol.22，p.257，1985中的描述)。然而，这些早期的串联耦合腔激光器在模式选择性能上不能令人满意，因而此后很少有人再做相关的研究。本发明提出了一系列创新性设计，包括波长切换机理和引入一个损耗可调的中间增益腔，从而大大提高了串联耦合腔激光器的模式选择性能。

在很多应用中，并不需要连续调谐激光器的波长，而只是要求激光器能在一系列的离散波长上任意切换，比如世界电信联盟定义的一系列相同信道间隔的工作波长。这样的激光器可以用于可重构型光分插复用以及基于波长的光交换等。这类激光器的关键技术要求包括：(1)激光器可切换波长与事先所定义的一系列离散波长的精准匹配(例如国际典型联盟的某类标准定义)；(2)简单同时可靠的波长切换控制；(3)高切换速度；(4)低信道串扰；(5)工艺简单，成本较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单片集成串联耦合腔波长可切换半导体激光器，可以实现波长切换的功能同时满足上述激光器关键技术的要求。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括三个串联耦合的法布里-珀罗谐振腔，第一法布里-珀罗谐振腔与第二法布里-珀罗谐振腔之间和第二法布里-珀罗谐振腔与第三法布里-珀罗谐振腔之间，分别通过刻蚀的各自的空气槽相隔开。所述的两个空气槽刻蚀深度超过半导体激光器的有源芯层，第一法布里-珀罗谐振腔和第三法布里-珀罗谐振腔通过电泵浦的方式产生光学增益从而输出激光，同时第二法布里-珀罗谐振腔产生损耗用于优化激光器的单模特性；其中：第一法布里-珀罗谐振腔的一个端面为解离形成的反射面，另一个为通过刻蚀形成垂直侧壁的空气槽；第三法布里-珀罗谐振腔的一个端面为解离形成的反射面，另一个为通过刻蚀形成垂直侧壁的空气槽。

所述的两个空气槽的宽度必须等于四分之一中心工作波长的奇数倍；第二法布里-珀罗谐振腔的光学长度必须等于二分之一中心工作波长的整数倍。

所述的第一法布里-珀罗谐振腔和第三法布里-珀罗谐振腔的长度和信道间隔频率满足如下公式的关系，其中Δf和Δf′为各自法布里-珀罗谐振腔的信道间隔频率，n_g和n_g′为各自法布里-珀罗谐振腔的群折射率，c为真空中的光速，L和L′分别为第一法布里-珀罗谐振腔和第三法布里-珀罗谐振腔的长度：

$L=\frac{c}{2n_g\mathrm{\Δf}}$

$L^{\′}=\frac{c}{2{n_g}^{\′}\mathrm{\Δ}{f}^{\′}}$

所述的两个法布里-珀罗谐振腔的长度差异小于20％。

所述的其中一个法布里-珀罗谐振腔的长度和Δf＝100GHz的信道间隔频率相对应，或其中一个法布里-珀罗谐振腔的长度和Δf＝50GHz的信道间隔频率相对应。

本发明具有的有益效果是：

(1)激光器的可切换波长与事先所定义的一系列离散波长的精准匹配(例如国际电信联盟的某类标准定义)；

(2)波长切换速度较高；

(3)简单同时可靠的波长切换控制方式；

(4)激光器的单模特性好，信道串扰低；

(5)具备后期调节能力补偿制作误差；

(6)工艺简单，成本较低。

为了方便阐述技术原理，下文中第一法布里-珀罗谐振腔(101)也称为固定增益腔，第三法布里-珀罗谐振腔(102)也称为信道选择腔，第二法布里-珀罗谐振腔(103)也称为中间损耗腔。

附图说明

图1是背景技术介绍中提到的一种可调谐半导体激光器，它包括一个有源增益区(Gain)，相移区(Phase)，以及布拉格反射光栅区(Grating)。

图2是本发明的单片集成串联耦合腔波长可切换半导体激光器的侧视图。其中101，102，103为三个法布里-珀罗谐振腔；106，108为空气槽；波导结构中：116为缓冲层，114为有源芯层，112为上包层，118为基底，120、121、122和123为电极

图3是表示固定增益腔(Fixed gain cavity)和信道选择腔(Channel selectorcavity)的两套谐振频率位置关系的示意图，中间耦合腔(Coupling cavity)的传输函数以及激光工作物质的增益光谱曲线(Material gain)。

图4是在1550nm波长情况下，空气槽的反射(实线)和透射(虚线)系数随着空气槽宽度的变化曲线。

图5是空气槽宽度为别为λ/4，3λ/4，5λ/4，7λ/4，9λ/4，11λ/4和13λ/4时在1500nm到1600nm波段的反射光谱，λ为中心波长，此时为1550nm。

图6是将中间耦合腔和信道选择腔等效成一个整体之后，其对于固定增益腔的反射光谱，此时中间耦合腔的单程损耗为4.9dB。

图7是计算所得的激光器小信号增益情况，此时通过注入电流，固定增益腔和信道选择腔的增益都处于激射阈值增益附近。

图8是将中间耦合腔和信道选择腔等效成一个整体之后，其对于固定增益腔的反射光谱随着中间耦合腔不同耦合损耗的变化关系，中间耦合腔的单程损耗为1.23dB(a图)和12.3dB(b图)。

图9是不同激射模式的阈值增益同中间耦合腔不同耦合损耗的变化关系，图示的耦合损耗为0，1.23dB，2.46dB，4.9dB，7.4dB和12.3dB。

图10是不同激射模式的阈值差异(Threshold difference)和中间耦合腔耦合损耗(Coupling loss)的变化关系，a图为相邻的不同激射模式之间的关系，b图为相距很远的不同激射模式之间的关系。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步的说明。

图2是本发明的单片集成串联耦合腔波长可切换半导体激光器的实施例示意图。包括三个串联耦合的法布里-珀罗谐振腔101，103、102，第一法布里-珀罗谐振腔101与第二法布里-珀罗谐振腔103之间和第二法布里-珀罗谐振腔103与第三法布里-珀罗谐振102之间，分别通过刻蚀的各自的空气槽106、108相隔开；其特征在于：所述的两个空气槽106、108刻蚀深度超过半导体激光器的有源芯层114，第一法布里-珀罗谐振腔101和第三法布里-珀罗谐振腔102通过电泵浦的方式产生光学增益从而输出激光，同时第二法布里-珀罗谐振腔103产生损耗用于优化激光器的单模特性；其中：第一法布里-珀罗谐振腔101的一个端面为解离形成的反射面，另一个为通过刻蚀形成垂直侧壁的空气槽106；第三法布里-珀罗谐振腔102的一个端面为解离形成的反射面，另一个为通过刻蚀形成垂直侧壁的空气槽108。

第一法布里-珀罗谐振腔101和第三法布里-珀罗谐振腔102的长度和信道间隔频率满足如下公式的关系，其中Δf和Δf′为各自法布里-珀罗谐振腔的信道间隔频率，n_g和n_g′为各自法布里-珀罗谐振腔的有效群折射率，c为真空中的光速，L和L′分别为第一法布里-珀罗谐振腔101和第三法布里-珀罗谐振腔102的长度：

$L=\frac{c}{2n_g\mathrm{\Δf}}$

$L^{\′}=\frac{c}{2{n_g}^{\′}\mathrm{\Δ}{f}^{\′}}$

法布里-珀罗谐振腔101和102通过电泵浦的方式产生光学增益从而输出激光，同时中间耦合腔103产生一定的损耗用于优化激光器的单模特性。

为了让空气槽106及108具有高反射率镜面的性能，空气槽的宽度必须等于四分之一中心工作波长的奇数倍，例如λ/4，3λ/4，5λ/4等(λ为中心工作波长)。中间耦合腔103的光学长度等于二分之一中心工作波长的整数倍，从而在激光器谐振条件下，两个法布里-珀罗谐振腔101和102的输出满足相位匹配的条件。

所述的两个法布里-珀罗谐振腔101、102的长度差异小于20％。

所述的其中一个法布里-珀罗谐振腔的长度和Δf＝100GHz的信道间隔频率相对应，或其中一个法布里-珀罗谐振腔的长度和Δf＝50GHz的信道间隔频率相对应。

激光器工作时，其中一个法布里-珀罗谐振腔(例如101)加上一个固定的电流偏置(本文中称这个增益腔为固定增益腔)，同时另外一个法布里-珀罗谐振腔(例如102，本文中称为信道选择腔)上所加的电流偏置可以改变，从而达到波长切换的效果。中间耦合腔103可以通过电学方法(例如电流注入或者反向偏置)达到损耗可变的效果，用于优化激光器的模式选择性能。

这个激光器的波导结构由如下部分组成：缓冲层116，在电泵浦下提供光学增益的有源芯层114，上包层112，这些层状结构均在基底118上通过外延生长方法得到。电极121，123和122分别沉积在法布里-珀罗谐振腔101，103和102上表面。基底118的底部同时也沉积另外一层电极120。电极121和122用于注入电流产生光学增益，同时对于信道选择腔来说，通过电极注入的电流也用于改变谐振腔的折射率从而实现波长切换的功能。有源芯层通常为多量子阱结构，其他相关层状结构也和目前主流的半导体激光器外延基片一样，分别进行不同的掺杂。在激光器的纵向方向，也需要制作标准的用于侧向限制激光模式的条形或脊型波导。

在本发明中，固定增益腔101的长度是特定的，其长度能使其自由光谱范围和某一系列特定工作波长的频率间隔相匹配，例如国际电信联盟定义的系列波长间隔(比如100GHz或50GHz)。自由光谱范围在频域中的定义如下面公式所示：

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

其中c为真空中的光速，n_g为激光器波导的有效群折射率，L为固定增益腔101的长度。

同理可得，信道选择腔102的自由光谱范围的定义如下面公式所示：

$\mathrm{\Δ}{f}^{\′}=\frac{c}{2{n_g}^{\′}{L}^{\′}}---\left(2\right)$

其中n_g′和L′分别为信道选择腔102的有效群折射率和长度。

信道选择腔的自由光谱范围Δf′和固定增益腔的自由光谱范围Δf有一定的差异，因此在激光器的频谱增益窗口范围内两个腔只有一个谐振峰相互重合，如图3所示。两个重合的谐振峰之间的距离由如下公式表示：

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

为了防止同时有两个重合的谐振峰同时输出，Δf_c必须要大于波导材料的频谱增益窗口宽度。

固定增益腔和信道选择腔的谐振频率由下面公式所决定：

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

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

其中m和m′为整数，n和n′为两个谐振腔各自的平均有效折射率，L和L′为两个腔的长度。信道选择腔的谐振频率f′可以通过改变n′进行调节。两个参数之间的变化关系如下式所示：

$\frac{\mathrm{\δ}{f}^{\′}}{f^{\′}}=-\frac{\mathrm{\δ}{n}^{\′}}{n^{\′}}---\left(5\right)$

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：

$\mathrm{\δf}=\frac{\mathrm{\Δf}}{|\mathrm{\Δf}-\mathrm{\Δ}{f}^{\′}|}\mathrm{\δ}{f}^{\′}---\left(6\right)$

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′＝98GHz，则激光器工作频率的调节范围与仅靠调节折射率所能产生的调节范围相比扩大了50倍。在上述数据条件下，设波导的有效群折射率为3.5，则固定增益腔以及信道选择腔的长度分别为：L＝428.5μm，L′＝437.4μm，其长度与传统的DFB以及一般法布里-珀罗激光器相当。

为了使空气槽(如图2中的106和108)能够作为一个高反射率的反射镜，空气槽的宽度必须等于四分之一中心波长的奇数倍，例如λ/4，3λ/4，5λ/4等(λ为中心工作波长)。图4所示为空气槽的反射系数和透射系数随着空气槽宽度的变化关系，此时中心波长为1550nm。另外一种情况，如果空气槽的宽度等于四分之一中心波长的偶整数倍，例如λ/2，3λ/2，5λ/2等，而且假设光束传播过程中发散造成的损耗可以忽略的话，空气槽此时的反射作用就基本上是可以忽略不计的。

理论上，当空气槽的宽度为λ/4的时候，其高反射性能是最好的。原因有如下两点：(1)由于空气槽部分没有波导的侧向限制，激光在空气槽中传播存在光束发散的损耗，而这种损耗是随着空气槽宽度的增加而增加的，因而空气槽越宽，反射性能越低，具体计算结果如图4所示。(2)当空气槽的宽度等于四分之一中心波长的奇数倍pλ/4时(p为奇数)，如果p的取值很大，和中心波长相距越远的信道波长的反射率就会和中心波长的反射率偏离越大，这样会导致严重的反射率不均匀性，进而对激光器的信道切换性能产生很大的影响。具体计算结果如图5所示，图中画出了空气槽宽度从λ/4，3λ/4，5λ/4一直变化到13λ/4时候不同波长的反射率的不均匀程度。然而另一方面，越小的空气槽宽度意味着越高的工艺制作难度。当中心波长为1550nm，空气槽宽度取值为λ/4时，其实际长度仅为0.3875μm，这在当今一般的光刻刻蚀工艺上实现具有一定的难度。而5λ/4到9λ/4的取值，等效成实际长度为1.94μm到3.49μm，虽然理论性能上不如λ/4时候的好，但是能显著降低工艺难度，更适合大规模商用化生产。而且通过理论分析，不论空气槽的具体宽度是多少，空气槽尺寸的误差必须控制在±0.1μm左右，这种精度要求对于目前的工艺技术上是可以实现的。

本发明中的中间耦合腔的长度相对较短，激光器工作时处于吸收状态。它的光学长度为二分之一中心波长的整数倍，可以表示成n″L″＝m″λ/2，其中m″为一个小的整数。这样的取值能保证固定增益腔和信道选择腔的模式处于相位匹配状态，其共同的谐振峰是干涉相长的。因为中间耦合腔的长度比较短，它会具有一个非常宽的滤波频谱范围，因此对于激光器的工作波长范围来说，它的滤波函数是波长不敏感的。中间耦合腔的作用是引入一定的损耗使得固定增益腔和信道选择腔达到最佳的耦合，从下文的分析可以看出，引入这种损耗对于提高激光器模式选择能力有非常重要的作用。

为了分析本发明中所提出的激光器，将其中的一个法布里-珀罗谐振腔(例如固定增益腔)作为激光器的主要谐振腔，同时将其它两个法布里-珀罗谐振腔(信道选择腔和中间耦合腔)等效成这个主要的谐振腔的一个反射面。考虑一个具体的例子：设L＝428.5μm，L′＝437.4μm，L″＝2μm，空气槽的宽度为1.94μm(5λ/4)，同时假设固定增益腔和信道选择腔的增益系数相同(g′＝g″＝g)。如果中间耦合腔的损耗为4.9dB(等效为吸收系数α＝5676cm^-1)，计算所得的激光器的阈值增益g_th＝14.6cm^-1。图6所示为将信道选择腔和中间耦合腔等效成固定增益腔的一个反射面后计算所得的反射谱，可以看到这个反射谱表现出了和采样反射布拉格光栅相似的周期性极大值，然而却不需要后者那样复杂的制作工艺和相当长的长度。这些周期性极大值所对应的波长由公式(4b)决定，周期性极大值之间的间隔距离由公式(2)决定。

同时，激光器的激射波长也必须满足公式(4a)所描述的固定增益腔的谐振条件。当信道选择腔通过调谐使得它的某一个反射极大值和固定增益腔的某一波长重合，就会有这个波长的激光产生激射输出。

为了表现本发明提出的串联耦合腔激光器的波长选择能力，使用传输矩阵的方法分析了这个激光器的小信号增益模型。图7所示为计算所得的激光器小信号增益结果，此时固定增益腔和信道选择腔都通过电泵浦达到激射阈值g_th＝14.6cm^-1，此时上述两个谐振腔的折射率都为3.5。激射的波长为1550.12nm.可以看到此时激光器可以达到很高的边模抑制比。

上面的例子中，在信道间隔为100GHz的情况下激光器切换一个信道，信道选择腔的折射率需要变化3.7×10^-5。在C-波段切换完整的40个信道需要的折射率改变也仅仅为1.48×10^-3，或者表示为0.042％，这样小的折射率变化量可以通过电流注入或者反向偏置电光效应很容易地达到。

本发明所提出的激光器，其波长切换能力是离散而不是连续的。如果信道选择腔的折射率被调谐到了两个相邻激射模式的中间位置，此时激光器输出模式的边模抑制比会降低，但是不会得到一个不在预设波长系列中的错误激射波长。在说明图7的具体例子中，通过计算可以得出，当折射率调谐发生偏差，信道选择腔与固定增益腔重合的模式偏离±12.5％信道间隔的情况下，仍然可以得到大于20dB的边模抑制比。在实际应用中，可以引入一个反馈电路监测和稳定折射率的变化，从而优化激光器的输出性能。

模式选择能力包括激光器的信道串扰水平以及边模抑制比大小，是本类激光器设计中一个重要的考虑因素。在本发明中，可以通过对中间耦合腔损耗进行恰当的取值得到优化的模式选择能力。为了表明中间耦合腔的损耗产生的作用，计算了将信道选择腔和中间耦合腔等效成固定增益腔的一个反射面后计算所得的反射谱和不同中间耦合腔损耗之间的关系。图8画出了损耗值为1.23dB和12.3dB所对应的反射谱。此时的激光器阈值增益分别为g_th＝13.8cm^-1以及15.9cm^-1。和图6所示的损耗为4.9dB的情况下的反射谱对比可以发现，随着损耗的增加，反射峰变得越尖锐，同时反射极大值和极小值之间的差异也变得越小。

因为良好的模式选择能力是通过两个增益腔的边模错位叠加产生的，因此反射峰越尖锐，模式选择能力越好，尤其是考虑和主模相邻的边模。然而，随着反射极大值和极小值之间的差异同时变小，对于距离主模较远的边模的抑制作用也随之减弱。因此，可以看到存在某一个特定的损耗值，使得中间耦合腔能达到最佳的模式选择作用。

模式选择能力可以用主模和边模之间的阈值差异来衡量。图9所示为不同波长的激射阈值和中间耦合腔损耗的关系，损耗取值分别为0，1.23dB，2.46dB，4.9dB，7.4dB和12.3dB。在图10中，绘制出了主模和边模的相对阈值差异和中间耦合腔损耗的关系，(a)图为相邻的主模和边模的情况，(b)图为主模边模相距较远的情况。可以看到当损耗取值处于4.9dB～7.4dB的范围内可以让相邻边模和较远边模同时达到比较理想的阈值差异。

中间耦合腔的损耗值可以在激光器制作完成后通过一定方法进行调节。由于工艺制作阶段会引入一定的尺寸误差和波导性能降低，例如空气槽侧壁的垂直度以及光滑程度，因此具备后期调节能力补偿工艺误差是本发明的一大优势。具体的调节可以通过在波导上加上反向偏置电压或者电流注入实现。

同时，可以增大固定增益腔和信道选择腔之间的波导长度差异来增加主模和相邻边模的阈值差异，不过这样会降低公式(3)决定的激光器的自由光谱范围。

本激光器的波长切换功能是基于电注入的方式实现的，理论分析可知在不同波长之间切换的速度可达到纳秒量级，具备高速切换的能力。

随着激光器制作工艺的进步，有理由认为空气槽的宽度将可以进一步变小从而达到更好的高反射性能。同时将单个空气槽替换为多个深刻蚀的空气槽也是一个可行的方案，这种情况下空气槽的反射效率会进一步增加，同时为了达到高的模式选择性能，所需的中间耦合腔的损耗也会随之变小；而且整个激光器的阈值也会降低。

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，以及其它根据本发明的基本结构所派生的创新方案，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种单片集成串联耦合腔波长可切换半导体激光器，包括三个串联耦合的法布里-珀罗谐振腔(101，103、102)，第一法布里-珀罗谐振腔(101)与第二法布里-珀罗谐振腔(103)之间和第二法布里-珀罗谐振腔(103)与第三法布里-珀罗谐振(102)之间，分别通过刻蚀的各自的空气槽(106、108)相隔开；其特征在于：所述的两个空气槽(106、108)刻蚀深度超过半导体激光器的有源芯层(114)，第一法布里-珀罗谐振腔(101)和第三法布里-珀罗谐振腔(102)通过电泵浦的方式产生光学增益从而输出激光，同时第二法布里-珀罗谐振腔(103)产生损耗用于优化激光器的单模特性；其中：第一法布里-珀罗谐振腔(101)的一个端面为解离形成的反射面，另一个为通过刻蚀形成垂直侧壁的空气槽(106)；第三法布里-珀罗谐振腔(102)的一个端面为解离形成的反射面，另一个为通过刻蚀形成垂直侧壁的空气槽(108)。

2.根据权利要求1所述的一种单片集成串联耦合腔波长可切换半导体激光器，其特征在于：所述的两个空气槽(106、108)的宽度必须等于四分之一中心工作波长的奇数倍；第二法布里-珀罗谐振腔(103)的光学长度必须等于二分之一中心工作波长的整数倍。

3.根据权利要求1所述的一种单片集成串联耦合腔波长可切换半导体激光器，其特征在于：所述的第一法布里-珀罗谐振腔(101)和第三法布里-珀罗谐振腔(102)的长度和信道间隔频率满足如下公式的关系，其中Δf和Δf′为各自法布里-珀罗谐振腔的信道间隔频率，n_g和n_g′为各自法布里-珀罗谐振腔的有效群折射率，c为真空中的光速，L和L′分别为第一法布里-珀罗谐振腔(101)和第三法布里-珀罗谐振腔(102)的长度：

$L=\frac{c}{2n_g\mathrm{\Δf}}$

$L^{\′}=\frac{c}{2{n_g}^{\′}\mathrm{\Δ}{f}^{\′}}$

4.根据权利要求3所述的一种单片集成串联耦合腔波长可切换半导体激光器，其特征在于：所述的两个法布里-珀罗谐振腔(101、102)的长度差异小于20％。

5.根据权利要求3所述的一种单片集成串联耦合腔波长可切换半导体激光器，其特征在于：所述的其中一个法布里-珀罗谐振腔的长度和Δf＝100GHz的信道间隔频率相对应，或其中一个法布里-珀罗谐振腔的长度和Δf＝50GHz的信道间隔频率相对应。

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