CN102931581A

CN102931581A - 一种基于长周期深刻蚀槽光栅的波长可调谐激光器

Info

Publication number: CN102931581A
Application number: CN2012104629013A
Authority: CN
Inventors: 王寅; 杨友光; 何建军
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明公开了一种基于长周期深刻蚀槽光栅的波长可调谐激光器，它包括深刻蚀反射面、第一深刻蚀槽光栅区、第二深刻蚀槽光栅区和输出波导；第一深刻蚀槽光栅区与第二深刻蚀槽光栅区由深刻蚀槽构成，两个区域具有不同的光栅周期并分别被两块独立电极覆盖，通过调节两个电极的注入电流可以实现波长；激光器制作在半导体外延片上，从下往上分别包括下包层，量子阱层和上包层以及以上所述各层之间的一些辅助层；本发明操作简便，能够实现单电极调谐信道；可应用于集成光路器件。

Description

一种基于长周期深刻蚀槽光栅的波长可调谐激光器

技术领域

本发明涉及一种波长可调谐激光器，尤其涉及一种基于长周期深刻蚀槽光栅的波长可调谐激光器。

背景技术

人类社会已经进入了一个信息交换量爆炸式急剧增长的时代，同时伴随着光纤和激光器技术的重大突破，光纤通信技术以其巨大的宽带潜力和无与伦比的传输性能等优点在通信领域。其中波分复用技术（wavelength-division multiplexing, WDM）是目前大容量光纤通信网普遍采用的技术。有线电视综合业务的开展,对网络带宽需求的日益增长，各类选择性服务的实施、网络升级改造经济费用的考虑等等，WDM的特点和优势在CATV传输系统中逐渐显现出来,表现出广阔的应用前景。

这项技术是将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输；在接收端再用某种方法，将各个不同波长的光信号分开的通信技术。这种技术可以同时在一根光纤上传输多路信号，每一路信号都由某种特定波长的光来传送，这就是一个波长信道。

可见波分复用技术是在同一根光纤上成倍提高传输容量，来实现光纤通信系统升级扩容并以较小的成本进一步提高通信容量。这其中一个关键技术就是波长可调谐激光器：要求具有较大调谐范围（比如：5~10nm），工作稳定、成本低廉、操作简单。

目前在光通讯领域中使用最为广泛的波长可调谐激光器有两种方案：通过温度调节的分布反馈激光器（DFB）、通过电流调节的分布反射光栅激光器（DBR）。典型DFB激光器的结构如图1所示，其中量子阱层被刻蚀成光栅的形状，为谐振腔提供反馈。通过调节DFB激光器的工作温度改变材料折射率，进而移动其反射峰的位置，可以实现波长调谐的效果。这种调谐方式的最大缺点是速度慢，另外其调谐范围比较小，大约3~5nm。

另一种常用结构是DBR激光器，其结构如图2。该器件在工作时，通过向有源区1加电流提供增益，光栅区3与另一端的反射面构成了激光器的谐振腔，同时向相位区2注入电流用于调节腔内相位使得所需波长达到谐振条件的相位要求。调节光栅区3的注入电流可以有效调节光栅的反射峰，从而实现波长调谐的效果。该结构的优点是调节范围较大，而且调节速度较快。但其缺点也是非常显著的，首先需要至少3个电极同时工作，而实际应用中一般是3~5个电极实现控制，需要复杂的外围电路支持；其次DBR激光器的制造中需要制作光栅、刻蚀光栅、二次外延等步骤，以上两点大大增加了该器件的成本。

以上两种激光器设计的共同之处是都使用光栅提供反馈，而由于光栅在上包层下，所以都粗要二次外延，有一种更为简单的替代方案是利用周期性的刻蚀槽阵列来代替光栅，为腔内提供反馈，这样就可以免去二次外延的工艺，简化设计，降低成本。University College Cork的一个研究组在这方面取得了许多不错的成果，图3所示是他们提出的一个设计，其中5是反射区，6是增益区。反射区波导交错放置着两组不同周期的刻蚀光栅，通过调节这两组光栅的注入电流，他们得到了37个通信信道，间隔为100GHz。但是该器件需要3电极支持，并要求同时调节两个电极的注入电流才可以实现调谐，这需要设计复杂的驱动电路，因此在实际使用时仍存在很大的麻烦。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术的不足，提供一种基于长周期深刻蚀槽光栅刻的波长可调谐激光器

本发明采用的技术方案是：一种基于长周期深刻蚀槽光栅的波长可调谐激光器，它主要由一体形成的深刻蚀反射面、第一深刻蚀槽光栅区、第二深刻蚀槽光栅区和输出波导等组成；所述的第一深刻蚀槽光栅区和第二深刻蚀槽光栅区分别由1~3个深刻蚀槽构成，每个深刻蚀槽的宽度是四分之一激光器中心波长的整数倍；所述的第一深刻蚀槽光栅区和第二深刻蚀槽光栅区具有不同的光栅周期，并分别被第一深刻蚀槽光栅区电极和第一深刻蚀槽光栅区电极覆盖，可以通过向第一深刻蚀槽光栅区电极或第一深刻蚀槽光栅区电极注入电流来调谐激光器的波长；所述激光器制作在半导体外延片上，从下往上生长下包层、量子阱层、上包层以及上述各层之间的辅助层；所述第一深刻蚀槽光栅区第二深刻蚀槽光栅区和深刻蚀反射面的刻蚀深度均到达下包层。

进一步地，所述第一深刻蚀槽光栅区和第二深刻蚀槽光栅区具有不同的光栅周期，两个周期长度的光程均为四分之一激光器中心波长的整数倍，并且其中至少有一个周期长度的光程为四分之一激光器中心波长的偶数倍。

进一步地，所述深刻蚀反射面与第二深刻蚀槽光栅区的尾部深刻蚀槽构成了激光器谐振腔的两个反射面，激光器的输出可以直接从深蚀反射面输出，也可以通过尾部深刻蚀槽耦合入输出波导输出。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：本发明操作简便，能够实现单电极调谐信道；可应用于集成光路器件。

附图说明

图1是分布反馈激光器（DFB）结构示意图

图2是分布反射光栅激光器（DBR）结构示意图

图3是。University College Cork研究组的激光器结构示意图

图4是基于长周期深刻蚀槽光栅的波长可调谐激光器结构示意图

图5是深刻蚀槽深度与反射率以及损耗的关系

图6是深刻蚀槽槽宽与反射率以及损耗的关系

图7是基于长周期深刻蚀槽光栅的波长可调谐激光器调谐前状态示意图

图8是基于长周期深刻蚀槽光栅的波长可调谐激光器调谐后状态示意图

图9是一个基于长周期深刻蚀槽光栅的波长可调谐激光器的一种设计的单电极扫描波长调谐图；

图中，有源区1、相位区2、3为光栅区3、量子阱层4、反射区5、增益区6、第一深刻蚀槽光栅区7、第二深刻蚀槽光栅区8、深刻蚀反射面9、输出波导10、下包层11、量子阱层12、上包层13、辅助层14、第一深刻蚀槽光栅区电极70、第二深刻蚀槽光栅电极80、尾部深刻蚀槽101、第一深刻蚀槽光栅区7生成的反射谱15、第二深刻蚀槽光栅区8生成的反射谱16。

具体实施方式

图4是本发明的一个实施方式，其结构包括第一深刻蚀槽光栅区7、第二深刻蚀槽光栅区8、深刻蚀反射面9、输出波导10、下包层11，量子阱层12、上包层13以及以上所述各层之间的辅助层14等。

第一深刻蚀槽光栅区7和第二深刻蚀槽光栅区8分别由1~3个深刻蚀槽构成。图5是设计波长在1550附近时，深刻蚀槽深度与反射率以及损耗的关系，当刻蚀深度小于在量子阱层（图中的MQW区域）的深度时，槽的损耗较大并且反射率较小；当刻蚀深度超过量子阱层深度时，槽的损耗逐渐降低并且反射率逐渐变大。因此为了给激光器腔内提供足够的反馈同时减小腔内的反馈，第一深刻蚀槽光栅区7和第二深刻蚀槽光栅区8中的每个深刻蚀槽的刻蚀深度都要超过量子阱层12到达下包层11，一般来说大于4微米。深刻蚀反射面9与上述两个深刻蚀槽光栅区具有相同的刻蚀深度。图6是设计波长在1550附近时深刻蚀槽槽宽与反射以及损耗的关系，当槽宽大约设计波长的四分之三时，反射最大，深刻蚀槽主要起反射作用；当槽宽大约等于设计波长时，反射最小，深刻蚀槽主要起透射作用。

第一深刻蚀槽光栅区7和第二深刻蚀槽光栅区8具有不同的光栅周期，并分别被第一深刻蚀槽光栅区电极70和第一深刻蚀槽光栅区电极80覆盖。为了满足激光器谐振的相位条件，对上述两个深刻蚀槽光栅区的光栅周期要求其光程为四分之一激光器中心波长的整数倍，并且第一深刻蚀槽光栅区7和第二深刻蚀槽光栅区8中至少有一个的光栅周期为四分之一激光器中心波长的偶数倍，以确保激光器中心波长能够在腔内起振。

根据具体设计要求，我们可以设定第一深刻蚀槽光栅区7的周期为

Figure 2012104629013100002DEST_PATH_IMAGE001

，第第二深刻蚀槽光栅区8的周期为

，其中

Figure 2012104629013100002DEST_PATH_IMAGE003

。因此得到两组不同周期的反射谱，如图7所示，15是第一深刻蚀槽光栅区7生成的反射谱，反射峰间隔为

，16是第二深刻蚀槽光栅区8生成的反射谱，反射峰间隔为

Figure 2012104629013100002DEST_PATH_IMAGE005

，由于

，所以

。当两组反射谱在

Figure 2012104629013100002DEST_PATH_IMAGE007

波长处对齐的时候，

成为唯一在第一深刻蚀槽光栅区7和第二深刻蚀槽光栅区8中能够形成谐振的波长，而其他波长则不满足谐振条件，最终在一定的自由光谱范围内仅有波长

形成振荡，此时激光器的输出波长为

。

当我们固定第一深刻蚀槽光栅区电极70入电流，增加第一深刻蚀槽光栅区电极80入电流，注入电流带来的折射率变化会使梳状激射峰向短波方向移动，而电流注入所带来的热效应则会使梳状激射峰向长波方向移动，而在激光器正常工作的时候，由于电流较大，引发的热效应占主导，因此激光器的输出波长是随着调节电极的注入电流增大而增大。如图8所示，第二深刻蚀槽光栅区8的反射谱整体向长波方向移动，此时两组激射峰在

Figure 2012104629013100002DEST_PATH_IMAGE009

波长处对齐，激光器的输出波长变为

。通过这个方式我们只需要固定第一深刻蚀槽光栅区电极70入电流，单独调节第一深刻蚀槽光栅区电极80入电流就可以实现信道的切换，信道间隔为

，调谐范围大约为，同时波长变化时随第一深刻蚀槽光栅区电极80入电流单调变化的，这可以大大简化电路设计和产品检测步骤。

图9是一个基于长周期深刻蚀槽光栅的波长可调谐激光器的一种设计的实测信道切换图。该器件为4段式激光器，长度分别为：453μm、453μm、408μm、408μm，4个深刻蚀槽的宽度以此为：1.15μm、1.67μm、1.67μm、1.67μm。两组周期性波导的周期长度差被设计为相差10%，因此在同一个FSR内可以得到大约9个信道，信道间隔约为100GHz，波长调谐范围从1577nm到1585nm，所有信道的SMSR均在30dB以上。我们将周期为453μm的深刻蚀槽光栅区的注入电流固定在80mA，调节周期为408μm的调节的深刻蚀槽光栅区的注入电流，可以看到电流从10mA到70mA的变化过程中出射波长有规律地切换。

本发明有以下三种结构上的变形：

1，激光器输出由尾部深刻蚀槽101耦合入输出波导10，输出波导10可以根据实际需要与要求的光电子器件相连，由此实现光源在器件上的单片集成。

2，激光器输出由深刻蚀反射面9出射，类似于常规的激光器芯片，此时尾部深刻蚀槽101以及输出波导10可以保留或者由另一个深刻蚀反射面代替。

3，可以根据需要，在第一深刻蚀槽光栅区7和第二深刻蚀槽光栅区8之间加入一段增益波导，以增大激光器的输出功率。

以上措施为描述性质的，任何与其精神相似的方案都属于专利的保护范围。

Claims

1.一种基于长周期深刻蚀槽光栅的波长可调谐激光器，特征在于，它主要由一体形成的深刻蚀反射面（9）、第一深刻蚀槽光栅区（7）、第二深刻蚀槽光栅区（8）和输出波导（10）等组成；所述的第一深刻蚀槽光栅区（7）和第二深刻蚀槽光栅区（8）分别由1~3个深刻蚀槽构成，每个深刻蚀槽的宽度是四分之一激光器中心波长的整数倍；所述的第一深刻蚀槽光栅区（7）和第二深刻蚀槽光栅区（8）具有不同的光栅周期，并分别被第一深刻蚀槽光栅区电极（70）和第一深刻蚀槽光栅区电极（80）覆盖，可以通过向第一深刻蚀槽光栅区电极（70）或第一深刻蚀槽光栅区电极（80）注入电流来调谐激光器的波长；所述激光器制作在半导体外延片上，从下往上生长下包层（11）、量子阱层（12）、上包层（13）以及上述各层之间的辅助层（14）；所述第一深刻蚀槽光栅区（7）、第二深刻蚀槽光栅区（8）和深刻蚀反射面（9）的刻蚀深度均到达下包层（11）。

2.根据权利要求1所述的基于长周期深刻蚀槽光栅的波长可调谐激光器，其特征在于，所述第一深刻蚀槽光栅区（7）和第二深刻蚀槽光栅区（8）具有不同的光栅周期，两个周期长度的光程均为四分之一激光器中心波长的整数倍，并且其中至少有一个周期长度的光程为四分之一激光器中心波长的偶数倍。

3.根据权利要求1所述的基于长周期深刻蚀槽光栅的波长可调谐激光器，其特征在于，所述深刻蚀反射面（9）与第二深刻蚀槽光栅区（8）的尾部深刻蚀槽（101）构成了激光器谐振腔的两个反射面，激光器的输出可以直接从深刻蚀反射面（9）输出，也可以通过尾部深刻蚀槽（101）耦合入输出波导（10）输出。