CN102545043B - 利用全内反射多边形谐振腔选模的半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用全内反射多边形谐振腔选模的半导体激光器。包括多边形谐振腔、有源FP谐振腔和耦合器；所述多边形谐振腔与FP谐振腔之间通过耦合器相互耦合。多边形谐振腔通过全内反射的原理实现光波在多边形谐振腔顶点处的转向，从而得到谐振回路，多边形谐振腔的每个边都和FP谐振腔一样采用浅刻蚀工艺，减小了损耗；多边形谐振腔充当滤波器的功能，与FP谐振腔相互耦合进行选模，实现激光器的单模工作。本发明无需制作光栅，结构简单，这种利用全内反射多边形谐振腔选模的设计可以用来实现无跳模式调谐或者数字式调谐的半导体激光器。

Description

利用全内反射多边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，尤其是涉及一种利用全内反射多边形谐振腔选模的半导体激光器。

背景技术

可调谐半导体激光器具有结构紧凑、集成度高、寿命长以及易于大量生产等优点，在干涉测量学和光通信等领域应用价值非常大。其中，无跳模可调谐的激光器光源对于干涉测量学尤其重要，测量中光源模式的跳跃，将会对被探测量的测量精度产生较大的影响，比如测量距离时，激光器光源跳模会降低测量的空间分辨率。对于无跳模调谐而言，当激射波长受某一波长选择因素影响而被调谐时，必须同步调整主谐振腔的光程长度来实现无跳模调谐。比如对于基于分布式布拉格反射(DBR)的无跳模激光器而言，当DBR区域的反射谱发生变化时，就必须同步改变注入电流来实现主谐振腔光程的相应改变。

目前所提出的无跳模可调谐激光器一般都是从分布反馈(DFB)或者分布式布拉格反射(DBR)激光器的基础上发展而来，如图1所示就是一种基于DBR激光器的无跳模可调谐激光器，该结构实现了4.6nm的无跳模调谐，被报道在“Atunable inter-digital electrode(TIE)DBR laser for single-current continuous tuning”，IEEE Photon.Technol.Lett.，Vol.7(11)，pp1246-1248，1995。这种无跳模调谐的半导体激光器由DBR区域、相位匹配区和有源增益区组成，DBR区域上的电极使用交错的指型电极，其中一部分与相位区电极相连，这样通过调节该电极上的注入电流，便同步改变了DBR区域的反射谱和主谐振腔的谐振波长，从而实现了无跳模调谐。当然这些以DFB或者DBR激光器为基础的无跳模激光器，由于需要制作光栅，工艺相当复杂，成本也很高；而且一些设计还是多电极协调进行调谐，也导致激光器的控制比较复杂。

另外，光通信中，为了降低成本，可以进行数字式调谐的半导体激光器也十分重要，此类激光器既可以用来做备份光源又可以用来增加DWDM系统配置的灵活性以及健壮性，意义重大。

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利用全内反射多边形谐振腔选模的半导体激光器。

本发明采用的技术方案是：

技术方案1：

本发明包括多边形谐振腔、有源FP谐振腔和耦合器；多边形谐振腔的所有顶点处均为深刻蚀全内反射面，耦合器的第一端口及第二端口串接在多边形谐振腔靠近有源FP谐振腔的一条边中，耦合器的第三端口和第四端口串接在有源FP谐振腔中，沿有源FP谐振腔方向，多边形谐振腔中对称设有波长调谐区，多边形谐振腔设置在有源FP谐振腔的一侧。

所述有源FP谐振腔中远离耦合器的部分设有有源增益区；多边形谐振腔中选取远离耦合器的部分对称设置第一波长调谐区，第一波长调谐区的长度占多边形谐振腔周长的比例与有源增益区长度占有源FP谐振腔总长度的比例相等；或者多边形谐振腔中选取远离耦合器的部分对称设置第二波长调谐区，第二波长调谐区的长度占多边形谐振腔周长的比例为30％～70％；耦合器、有源FP谐振腔中靠近耦合器的部分和多边形谐振腔靠近耦合器的部分一起作为第三波长调谐区。

所述的多边形谐振腔与有源FP谐振腔长度差为2％～25％。

技术方案2：

本发明包括两个多边形谐振腔、有源FP谐振腔和两个耦合器；两个多边形谐振腔结构相同，多边形谐振腔的所有顶点处均为深刻蚀全内反射面；第一耦合器的第一端口及第二端口串接在第一多边形谐振腔靠近有源FP谐振腔的一条边中，第一耦合器的第三端口和第四端口串接在有源FP谐振腔中；第二耦合器的第一端口及第二端口串接在第二多边形谐振腔靠近有源FP谐振腔的一条边中，第二耦合器的第三端口和第四端口串接在有源FP谐振腔中；沿有源FP谐振腔方向，第一多边形谐振腔中远离第一耦合器对称设有第五波长调谐区，同样第二多边形谐振腔中也远离第二耦合器对称设有第六波长调谐区；第一多边形谐振腔与第二多边形谐振腔分别设置在有源FP谐振腔的两侧。

所述的第一多边形谐振腔与第二多边形谐振腔的周长相差为10％～40％。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

本发明无需制作光栅，结构简单，由多边形谐振腔、有源FP谐振腔和耦合器组成，使得制作工艺相对简单，降低了制作成本；调谐时由于利用了谐振腔之间的游标效应，增大了激光器的调谐范围；从调谐控制机制上来讲，本发明提出的激光器只需要单电极调谐，波长控制上也相对容易很多。这种利用全内反射多边形谐振腔选模的设计可以用来实现无跳模式调谐或者数字式调谐的半导体激光器。

附图说明

图1是背景技术中基于分布式布拉格反射(DBR)激光器的无跳模可调谐激光器的结构示意图。

图2是本发明第1个实施例的结构示意图。

图3是第1个实施例中从耦合器第三端口到第四端口，三角形谐振腔的等效透过率t(λ)图。

图4是第1个实施例中三角形谐振腔不同损耗情况下的增益阈值差与耦合器直通耦合系数之间的关系图。

图5是第1个实施例中各个模式激射的增益阈值的示意图。

图6是本发明第2个实施例的结构示意图。

图7是本发明第3个实施例的结构示意图。

图8是本发明第4个实施例的结构示意图。

图9是第4个实施例中两个不同腔长的三角形谐振腔的等效透过率示意图。

图10是第4个实施例中两个不同腔长的三角形谐振腔的等效透过率乘积的示意图。

图中：1、三角形谐振腔，2、有源FP谐振腔，3、耦合器4、矩形谐振腔，5、第一耦合器，5’、第二耦合器，6、第一三角形谐振腔，6’、第二三角形谐振腔，11、三角形谐振腔的底边，12、第一波长调谐区，12’、第二波长调谐区，21、有源增益区31、耦合器的第一端口，32、耦合器的第二端口，33、耦合器的第三端口，34、耦合器的第四端口，41、第四波长调谐区，51、第一耦合器的第一端口，52第一耦合器的第二端口，53、第一耦合器的第三端口，54、第一耦合器的第四端口，51’、第二耦合器的第一端口，52’第二耦合器的第二端口，53’、第二耦合器的第三端口，54’、第二耦合器的第四端口，61、第一三角形谐振腔的底边，61’第二三角形谐振腔的底边，62、第五波长调谐区，62’、第六波长调谐区。

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是本发明利用全内反射多边形谐振腔选模的半导体激光器的第1个实施例。本发明包括三角形谐振腔1、有源FP谐振腔2和耦合器3；三角形谐振腔1的三个顶点均为深刻蚀全内反射面，耦合器3的第一端口31及第二端口32串接在三角形谐振腔1的底边11中，耦合器3的第三端口33和第四端口34串接在有源FP谐振腔2中，三角形谐振腔1设置在有源FP谐振腔2的一侧，三角形谐振腔1的两腰中均对称设有波长调谐区。

所述多边形谐振腔在本实施例中选用三角形谐振腔1，制作时三角形谐振腔的每个边都和有源FP谐振腔2一样采用浅刻蚀工艺。

所述有源FP谐振腔2中远离耦合器3的部分设有有源增益区21，三角形谐振腔1的两腰中选取远离底边11的部分对称设置第一波长调谐区12，第一波长调谐区12的长度占三角形谐振腔1周长的比例与有源增益区21长度占有源FP谐振腔2总长度的比例相等；耦合器3、有源FP谐振腔2中靠近耦合器3的部分、三角形谐振腔1的两腰中靠近底边的部分以及三角形谐振腔1的底边11一起作为第三波长调谐区。

所述三角形谐振腔1与有源FP谐振腔2之间通过耦合器3相互耦合，产生模式选择，实现激光器单模工作，实际上三角形谐振腔1在这里就是充当一个滤波器，对有源FP谐振腔2中振荡的纵模进行选择过滤，得到设计所需要的纵模。设从耦合器3第三端口33到第四端口34，三角形谐振腔的等效透过率为t(λ)，

$t\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{C-(C^2-C^{\′2}){\mathrm{Ae}}^{j2\mathrm{\πn}{L}_{\mathrm{tr}}/\mathrm{\λ}}}{1-\mathrm{CA}{e}^{j2\mathrm{\πn}{L}_{\mathrm{tr}}/\mathrm{\λ}}}---\left(1\right)$

其中C和C′分别为耦合器3的直通耦合系数和交叉耦合系数，L_tr为三角形谐振腔1的长度，幅度

γ_tr为三角形谐振腔1损耗的DB数，折射率近似都取为n，等效透过率的谱图见附图3，从图中可以看出三角形谐振腔1有明显的滤波效果，而且三角形谐振腔1的损耗越小，三角形谐振腔1的选模效果就越好。

另外，对于耦合器，选择C和C′的相位差为180度的整数倍时，即耦合器满足半波耦合器条件时，激光器会得到一个较好的特性。

三角形谐振腔1的谐振条件为：

n₁₁L₁₁+n₁₂L₁₂＝m₁λ(2)

其中L₁₁和L₁₂分别为第一波长调谐区12的长度和第三波长调谐区在三角形谐振腔1中的长度，n₁₁和n₁₂为相应区域的折射率。

(2)式中波长λ对折射率n₁₂求导数，可以得到三角形谐振腔1谐振波长随折射率n₁₂变化而变化的调谐速率为：

$\frac{\mathrm{d\λ}}{{\mathrm{dn}}_{12}}=\frac{\mathrm{\λ}{L}_{12}}{n_{11}{L}_{11}+n_{12}{L}_{12}}---\left(3\right)$

有源FP谐振腔2的谐振条件为：

2(n₂₁L₂₁+n₂₂L₂₂)＝m₂λ(4)

其中L₂₁和L₂₂分别为有源增益区21的长度和第三波长调谐区在有源FP谐振腔2中的长度，n₂₁和n₂₂为相应区域的折射率。

(4)式中波长λ对折射率n₂₂求导数，可以得到有源FP谐振腔2谐振波长随折射率n₂₂变化而变化的调谐速率为：

$\frac{\mathrm{d\λ}}{{\mathrm{dn}}_{22}}=\frac{\mathrm{\λ}{L}_{22}}{n_{21}{L}_{21}+n_{22}{L}_{22}}---\left(5\right)$

为了实现无跳模的波长调谐，此处应该保证三角形谐振腔1谐振波长的调谐速率与主谐振腔即有源FP谐振腔2谐振波长的调谐速率相等，即满足下式：

$\frac{L_{12}}{n_{11}{L}_{11}+n_{12}{L}_{12}}=\frac{L_{22}}{n_{21}{L}_{21}+n_{22}{L}_{22}}---\left(6\right)$

这样在进行调谐的过程中才能保证激光器的激射纵模不会发生模式跳变，而实现无跳模调谐。在本发明中，只需要将第一调谐区12的长度占三角形谐振腔1周长的比例与有源增益区21占有源FP谐振腔2总长的比例相等，这样就可以尽最大程度的满足6式，实现最大程度的无跳模调谐。而且调谐的时候，只需要控制第三调谐区的注入电流，就可以非常便捷的实现单电极的无跳模调谐。

三角形谐振腔1与有源FP谐振腔2的长度差为2％～25％，这样的长度关系可以使激光器在一定自由光谱范围内获得比较高的增益阈值差，从而得到更大的边模抑制比。增益阈值差就是基模与相邻纵模激射阈值的差值。取三角形谐振腔1腔长为350um，有源FP谐振腔2腔长为400um，计算得到的增益阈值差随直通耦合系数的变化的曲线见图4，由图4可见三角形谐振腔1的损耗越小，阈值增益值就越大，对边模抑制比的提高就越有利，而且合适的直通耦合系数对增益阈值差影响也非常大。

三角形谐振腔1腔长为350um，有源FP谐振腔2腔长为400um，耦合器3直通耦合系数取0.7，损耗为0时，计算出各个纵模的阈值如图5所示。由图5可见本发明中激光器的起振阈值大约为16DB/cm，这样激光器激射的阈值电流也会相对较小，无论从能耗上讲还是从热效应上来讲，激光器的性能都会更好。

图6是本发明利用全内反射多边形谐振腔选模的半导体激光器的第2个实施例。本发明与第1个实施例的差别在于本发明中多边形谐振腔选用的是矩形谐振腔4，有源FP谐振腔2中远离耦合器3的部分设有有源增益区21，沿有源FP谐振腔2方向，矩形谐振腔4中选取远离耦合器的部分对称设置第四波长调谐区41，第四波长调谐区41的长度占矩形谐振腔4周长的比例与有源增益区21长度占有源FP谐振腔2总长度的比例相等；耦合器3、有源FP谐振腔2中靠近耦合器3的部分、矩形谐振腔4中靠近耦合器的部分一起作为第三波长调谐区。

需要强调的是多边形谐振腔，不仅可以使用三角形谐振腔和矩形谐振腔，也可以使用其他的多边形谐振腔，比如五边形谐振腔、六边形谐振腔，甚至有更多边的谐振腔。当然，多边形谐振腔边数越多，所需要的全内反射面也就越多，带来的损耗也相对较多，这样就会制约激光器的性能，一般多边形谐振腔选取3到10以内即可。

图7是本发明利用全内反射多边形谐振腔选模的半导体激光器的第3个实施例。本发明包括三角形谐振腔1、有源FP谐振腔2和耦合器3；三角形谐振腔1的三个顶点均为深刻蚀全内反射面，耦合器3的第一端口31及第二端口32串接在三角形谐振腔1的底边11中，耦合器3的第三端口33和第四端口34串接在有源FP谐振腔2中，三角形谐振腔1设置在有源FP谐振腔2的一侧，三角形谐振腔1的两腰中选取远离底边的部分对称设置第二波长调谐区12’，第二波长调谐区12’的长度占三角形谐振腔1周长的比例为20％～40％，所述有源FP谐振腔2中远离耦合器3的部分设有有源增益区21。三角形谐振腔的每个边都和有源FP谐振腔2一样采用浅刻蚀工艺。

与第1个实施例相比，本实施例中三角形谐振腔1两腰中远离底边11对称设置的调谐电极长度不一样，此处通过把第二波长调谐区12’的长度设置为三角形谐振腔1周长的30％～70％，可以充分利用到三角形谐振腔1与有源FP谐振腔2之间的游标效应，通过改变第二调谐区12’的注入电流来略微改变三角形谐振腔1的谐振频率谱，就可以使三角形谐振腔1与有源FP谐振腔2的谐振频率谱发生略微的偏移，从而使三角形谐振腔1的谐振频率谱和有源FP谐振腔2谐振频率谱的相邻纵模式对齐，这样新对齐的模式就会激射，从而形成跳模，也就是产生了波长调谐，如果一直增大或者减小第二波长调谐区12’的注入电流，本发明就可以实现连续的数字式波长调谐。

同样，本实施例中，三角形谐振腔也可以采用其它类型的多边形谐振腔来代替，比如矩形谐振腔、五边形谐振腔、六边形谐振腔，甚至有更多边的谐振腔。当然，多边形谐振腔边数越多，所需要的全内反射面也就越多，带来的损耗也相对较多，这样就会制约激光器的性能，一般多边形谐振腔选取3到10以内即可。

图8是本发明利用全内反射多边形谐振腔选模的半导体激光器的第4个实施例。本发明包括两个三角形谐振腔6，6’、有源FP谐振腔2和两个耦合器5，5’；两个三角形谐振腔6，6’结构相同，它们的三个顶点均为深刻蚀全内反射面；第一耦合器5的第一端口51及第二端口52串接在第一三角形谐振腔6的底边61中，第一耦合器5的第三端口53和第四端口54串接在有源FP谐振腔2中；第二耦合器5’的第一端口51’及第二端口52’串接在第二三角形谐振腔6’的底边61’中，第二耦合器5’的第三端口53’和第四端口54’串接在有源FP谐振腔2中；第一三角形谐振腔6的两腰中远离耦合器对称设有第五波长调谐区62，同样第二三角形谐振腔6’的两腰中也远离耦合器对称设有第六波长调谐区62’；第一三角形谐振腔6与第二三角形谐振腔6’分别设置在有源FP谐振腔2的两侧。两个三角形谐振腔6，6’的每个边都和FP谐振腔一样采用浅刻蚀工艺。

第1个实施例中得到的三角形谐振腔的等效透射率t(λ)在此处依然适用，取第一三角形谐振腔6和第二三角形谐振腔6’的腔长相差为10％-40％，这样第一三角形谐振腔6和第二三角形谐振腔6’的等效透射率t(λ)谱图会有略微偏移，第一三角形谐振腔6和第二三角形谐振腔6’一起互相作用，它们的等效透射率t(λ)谱图相乘，极大的增大了滤波效果的自由光谱范围，对于提高激光器的边模抑制比以及调谐范围都有积极效果。另外通过调节第一三角形谐振腔6中的第五波长调谐区62或者第二三角形谐振腔6’中的第六波长调谐区62’的注入电流，就可以使两个三角形谐振腔6、6’的等效透过率谱发生变化，对准下一个相邻的纵模，这样利用第一三角形谐振腔6和第二三角形谐振腔6’间的游标效应，便可以实现大范围的波长调谐。

比如选取第一三角形谐振腔6的腔长为350um、第二三角形谐振腔6’的腔长为465um，两个谐振腔的等效折射率都近似取3.256，这样算的第一三角形谐振腔6和第二三角形谐振腔6’的等效透射谱图见图9，它们等效透射谱图的乘积见图10。从图9可以看出第一三角形谐振腔6和第二三角形谐振腔6’的等效透射谱略微有一点点偏移，相乘后从图10可以看出自由光谱范围提高了很多，而且透过率的峰值也变的更加尖锐，对于提高激光器的边模抑制比和波长调谐范围非常有意义。调谐时，只需调节第一三角形谐振腔6中第五波长调谐区62电极的注入电流，相应图9中第一三角形谐振腔4的等效透射率谱图会发生偏移，这样图10的透过率的峰值也会相应发生变化，如此便实现了波长调谐。

在有源FP谐振腔2上耦合更多的三角形谐振腔，理论上可以获取更宽的自由光谱范围和更尖锐的透过率峰值。

同样，本实施例列中，三角形谐振腔也可以采用其它类型的多边形谐振腔来代替，比如矩形谐振腔、五边形谐振腔、六边形谐振腔，甚至有更多边的谐振腔。当然，多边形谐振腔边数越多，所需要的全内反射面也就越多，带来的损耗也相对较多，这样就会制约激光器的性能，一般多边形谐振腔选取3到10以内即可。

另外，为了实现高质量的全内反射，必须制作深刻蚀槽，利用深刻蚀槽的侧壁即深刻蚀面来实现全内反射。全内反射对入射角的要求为：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}=\arcsin \left(\frac{n_{\mathrm{air}}}{n_{\mathrm{wg}}}\right)---\left(7\right)$

其中θ_in为光波的入射角，n_air为光疏介质的折射率，n_wg为光密介质的折射率。

比如波导折射率取3.256，深刻蚀槽中填充物为空气，折射率取1，则计算可得最小的入射角为17.9°，这样选取大于17.9°的入射角即可。

在制作深刻蚀面的时候，为了精确定位深刻蚀面的位置，可以采用多层掩膜的工艺来制作。

Claims (4)

1.一种利用全内反射多边形谐振腔选模的半导体激光器，其特征在于：包括多边形谐振腔、有源FP谐振腔(2)和耦合器(3)；多边形谐振腔的所有顶点处均为深刻蚀全内反射面，耦合器(3)的第一端口(31)及第二端口(32)串接在多边形谐振腔靠近有源FP谐振腔(2)的一条边中，耦合器(3)的第三端口(33)和第四端口(34) 串接在有源FP谐振腔(2)中，沿有源FP谐振腔(2)方向，多边形谐振腔中对称设有波长调谐区，多边形谐振腔设置在有源FP谐振腔(2)的一侧； 

所述有源FP谐振腔(2)中远离耦合器(3)的部分设有有源增益区(21)；多边形谐振腔中选取远离耦合器(3)的部分对称设置第一波长调谐区，第一波长调谐区的长度占多边形谐振腔周长的比例与有源增益区(21)长度占有源FP谐振腔(2)总长度的比例相等；或者多边形谐振腔中选取远离耦合器(3)的部分对称设置第二波长调谐区，第二波长调谐区的长度占多边形谐振腔周长的比例为30%~70%；耦合器(3)、有源FP谐振腔(2)中靠近耦合器(3)的部分和多边形谐振腔靠近耦合器的部分一起作为第三波长调谐区。

2.根据权利要求1所述的一种利用全内反射多边形谐振腔选模的半导体激光器，其特征在于：所述的多边形谐振腔与有源FP谐振腔(2)长度差为2%～25% 。

3.一种利用全内反射多边形谐振腔选模的半导体激光器，其特征在于：包括两个多边形谐振腔、有源FP谐振腔(2)和两个耦合器(5、5’)；两个多边形谐振腔结构相同，多边形谐振腔的所有顶点处均为深刻蚀全内反射面；第一耦合器(5)的第一端口(51)及第二端口(52)串接在第一多边形谐振腔靠近有源FP谐振腔(2)的一条边中，第一耦合器(5)的第三端口(53)和第四端口(54)串接在有源FP谐振腔(2)中；第二耦合器(5’)的第一端口(51’)及第二端口(52’)串接在第二多边形谐振腔靠近有源FP谐振腔(2)的一条边中，第二耦合器(5’)的第三端口(53’)和第四端口(54’)串接在有源FP谐振腔(2)中；沿有源FP谐振腔(2)方向，第一多边形谐振腔中远离第一耦合器(5)对称设有第五波长调谐区，同样第二多边形谐振腔中也远离第二耦合器(5’)对称设有第六波长调谐区；第一多边形谐振腔与第二多边形谐振腔分别设置在有源FP谐振腔(2)的两侧。

4.根据权利要求3所述一种利用全内反射多边形谐振腔选模的半导体激光器，其特征在于：所述的第一多边形谐振腔与第二多边形谐振腔的周长相差为10%~40%。

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