CN103066494A - 一种可调谐半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可调谐半导体激光器，在前光栅区的上限制层、后光栅区的上限制层中分别制作有前多相移数字级联布拉格光栅、后多相移数字级联布拉格光栅。所述的前多相移数字级联布拉格光栅和后多相移数字级联布拉格光栅通过在数字级联布拉格光栅相邻取样周期间加入相移制作。本发明采用的多相移数字级联布拉格光栅的反射谱的峰值均匀性很好，由于多相移数字级联布拉格光栅通过反射谱的级联，反射谱带宽内反射信道数目增加了几倍，同时采用多相移技术，可以使多相移数字级联布拉格光栅反射谱的反射信道数目再次成倍增加，使激光器可达到的调谐范围更宽。

Description

一种可调谐半导体激光器

技术领域

本发明涉及一种可调谐半导体激光器，属于光纤通信和激光技术领域，该激光器是一种基于多相移数字级联布拉格光栅的布拉格反射式激光器。

背景技术

随着超高速、大容量光纤通信技术的发展，可调谐半导体激光器在密集波分复用(DWDM)系统中起到了非常重要的作用。一个可调谐半导体激光器能够取代多个固定波长激光器，因此降低了激光器的制造成本，简化了模块封装程序，也降低了备份和库存管理的成本；在光网络系统中，可调谐激光器的波长可调性能够允许对光路由上的波长进行动态配置，因而在光突发交换和光分组交换系统中能够起到降低延时和提高光网络传输容量的作用；此外，可调谐半导体激光器在传感等方面也有着非常重要的应用。

当前光纤通信系统要求可调谐半导体激光器具有调谐范围大、边模抑制比高、输出功率高和切换速度快等优点。为了满足上述要求，出现了多种可调谐半导体激光器结构。L.A.Coldren等人在专利号为US4896325A的“Multi-section tunable laser with differing multi-element mirrors”专利中公开了用取样布拉格光栅作反射镜的可调谐半导体激光器，其结构图如图1所示。包含了前光栅区1、有源区2、相位区3和后光栅区4，其中前光栅区1和后光栅区4中的取样光栅用来产生梳状反射谱。取样光栅一个取样周期Z_S内的光栅结构如图2所示，其中光栅段19的长度为Z_g，另一段长度为Z_S-Z_g的区域为均匀无光栅区域，取样光栅反射谱如图3所示，具有Sinc函数形状包络的梳状谱。激光器前光栅区1和后光栅区4的梳状反射谱的反射峰间距有细微差别，从而利用游标卡尺效应，可以通过在前、后光栅区注入电流的方式来实现准连续宽波长范围调谐。由于前光栅区1和后光栅区4的反射谱包络为Sinc函数形状，造成调谐时注入电流导致的损耗增加以及激光器有源区材料增益谱的不平坦，从而在前光栅区1和后光栅区4中注入电流进行调谐的过程中，激光器各波长信道功率严重不均衡，并且反射谱的不平坦也会抑制调谐范围的进一步增加。

为了改善功率的均衡性以及获得更宽的波长调谐范围，出现了多种基于游标卡尺效应的可调谐半导体激光器。1993年，Yuichi Tohmori等人提出了一种基于超结构布拉格光栅的可调谐半导体激光器(Y.Tohmori,Y.Yoshikuni,H.Ishii,et al.“Broad-Range Wavelength-Tunable Superstructure Grating(SSG)DBRLasers”,IEEE Journal of Quantum Electronics,vol.29,no.6,1993)。超结构光栅一个取样周期内光栅周期连续变化(啁啾)，多个取样周期重复，得到的反射谱不平坦；后来通过将光栅周期的变化变为一个取样周期内光栅周期不变但是在特定的位置有离散的光栅相位的变化，优化后具有很平坦的反射峰值梳状谱，因而各个波长信道的功率均衡性得到了改善，波长调谐范围可达100nm。1998年，美国I.A.Avrutsky等人提出了基于二元叠合布拉格光栅的可调谐激光器(I.A.Avrutsky,D.S.Ellis,A.Tager,et al.“Design of Widely Tunable SemiconductorLasers and the Concept of Binary Superimposed Gratings(BSG's)”,IEEE Journal ofQuantum Electronics,vol.34,no.4,,1998)。二元叠合光栅(BSG)是通过在均匀光栅中一些位置插入π相移，从而产生平坦的反射峰值梳状谱，理论上波长调谐范围也可达100nm。此外，意大利M.Gioannini和I.Montrosset提出了基于间插取样光栅的宽调谐半导体激光器(M.Gioannini,I.Montrosset,“Novel interleavedsampled grating mirrors for widely tunable DBR lasers”,IEE Proc.Optoelectron.,vol.148,no.1,February2001)，并提出了两种间插方式，分别为间插不同布拉格周期的取样光栅和间插两组光栅周期相同、光栅初相位差为π的取样光栅。英国的Bookham公司提出了数字超模布拉格反射激光器(A.J.Ward,D.J.Robbins,G.Busico,et al,“Widely tunable DS-DBR laser with monolithically integrated SOA:design and performance”,Journal of Selected topics in quantum electronics,11(1),pp.149-156,2005)；华中科技大学何晓颖、黄德修、余永林等人提出了基于数字级联布拉格光栅(DCG)的可调谐半导体激光器(X.He,D.H,Y.Y，et al.“Widely wavelength-selectable lasers with digital concatenated grating reflectorsproposal and simulation”,IEEE Photonics Technology Letters,vol.20,no.21，Nov2008)，能够改善激光器的各波长信道的功率均衡性。然而以上的公开技术中的存在以下问题：

超结构光栅(SSG)的一个取样周期内存在多个相移，因而在制作过程中需要非常精确地控制相移的位置和大小，即使利用电子束光刻方法制作也非常困难。此外，超结构布拉格光栅可调谐激光器还存在模式缺失现象(即原设计的模式实际上没有出现光激射)，模式输出不稳定。

二元叠合布拉格光栅(BSG)需要利用电子束光刻方法写入非常长的光栅结构，其制作过程也十分困难，目前已报道较少。

数字超模布拉格反射激光器(DS-DBR)输出功率较低，需要集成半导体光放大器（SOA）来提高功率。同时由于其前光栅区是采用多个不同布拉格波长的独立光栅组成，调谐过程中要单独控制，所以需要制作多个接触电极，这对于调谐激光器的高速波长切换应用是不利的。

基于间插取样光栅的宽调谐半导体激光器，其间插取样光栅有两种结构。一种是间插不同光栅周期的取样光栅；第二种是间插光栅周期相同，但是光栅初相位差为π的取样光栅，由于两组间插的取样光栅间距非常小(为1μm量级)，在制作时需要的平台控制精度也很高，制作困难；此外，由于间插的两组光栅相位存在特定关系会使光栅总反射率降低，从而也会降低光栅效率，增加损耗。

基于数字级联布拉格光栅的宽调谐激光器，由于数字级联布拉格光栅反射谱中每个反射信道3dB带宽较大，激光器主模与同反射信道内相邻纵模之间的损耗差会减小，从而不利于提高边模抑制比；此外，虽然随着级联的子光栅的数目增加，光栅平坦反射波长范围会扩大，激光器调谐范围也可以相应提高，但是与此同时制作时需要精确控制光栅周期的子光栅数目也会增加，因而制作的难度也急剧增大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可调谐半导体激光器，可以改善现有技术中激光器在调谐时各个波长信道输出光功率不一致的问题，并且能够实现很宽的波长调谐范围，同时保证激光器单模特性好，具有高的边模抑制比以及具有较大的输出功率。光栅区可采用纳米压印方法、电子束光刻等方法制作，其中采用纳米压印方法具有成本低、制作精度高、生产效率高等优点。

本发明提供一种可调谐半导体激光器，包括前光栅区、有源区和后光栅区，所述的前光栅区和后光栅区从上至下均包括电极接触层、盖帽层、上限制层、光波导层和下限制层，所述的有源区从上至下包括电极接触层、盖帽层、上限制层、有源层和下限制层，所述的前光栅区的上限制层、后光栅区的上限制层中分别制作有前多相移数字级联布拉格光栅、后多相移数字级联布拉格光栅。

所述的有源区和后光栅区之间还设置有相位区，所述的相位区从上至下包括电极接触层、盖帽层、上限制层、光波导层和下限制层。

所述的前光栅区、有源区、相位区和后光栅区的电极接触层上均制作有电极。

所述的前光栅区和后光栅区的外端面上均镀有增透膜。

所述的前多相移数字级联布拉格光栅和后多相移数字级联布拉格光栅通过在数字级联布拉格光栅相邻取样周期间加入相移制作。

所述的前多相移数字级联布拉格光栅是由多个取样周期构成，取样周期长度为Z_sf，每个取样周期由M个具有不同光栅周期的均匀光栅子段组成，M为前多相移数字级联布拉格光栅的均匀光栅子段的个数，M个光栅子段的光栅周期分别为Λ_f1、Λ_f2、…、Λ_fM-1、Λ_fM，每个光栅子段长度分别为Z_gf1、Z_gf2、…、Z_gfM-1、Z_gfM，前多相移数字级联布拉格光栅的第k+1个取样周期与第k个取样周期间光栅初始相位差φ_kf为k×2π/m，m为前多相移数字级联布拉格光栅的通道数倍增因子；所述的后多相移数字级联布拉格光栅由多个取样周期构成，取样周期长度为Z_sr，每个取样周期由N个具有不同光栅周期的均匀光栅子段组成，N为后多相移数字级联布拉格光栅的均匀光栅子段的个数，N个光栅子段的光栅周期分别为Λ_r1、Λ_r2、…Λ_rN-1、Λ_rN，每个光栅子段长度分别为Z_gr1、Z_gr2、…Z_grN-1、Z_grN；前多相移数字级联布拉格光栅的第k+1个取样周期与第k个取样周期间光栅初始相位差φ_kr为k×2π/n，n为后多相移数字级联布拉格光栅的通道数倍增因子。

当光栅相邻反射通道的反射峰值波长间隔Δλ_f固定时，所述的前多相移数字级联布拉格光栅的通道数倍增因子m与前多相移数字级联布拉格光栅的均匀光栅子段的个数M的取值越大，反射谱带宽B_f越大。

当光栅相邻反射通道的反射峰值波长间隔Δλ_r固定时，所述的后多相移数字级联布拉格光栅的通道数倍增因子n与后多相移数字级联布拉格光栅的均匀光栅子段的个数N的取值越大，反射谱带宽B_r越大。

所述的前多相移数字级联布拉格光栅、后多相移数字级联布拉格光栅采用纳米压印方法、电子束光刻方法制作。

本发明具有的优点在于：

1.本发明采用的多相移数字级联布拉格光栅的反射谱的峰值均匀性很好，相比L.A.Coldren等人提出的用取样布拉格光栅作反射镜的可调谐半导体激光器，由于多相移数字级联布拉格光栅通过反射谱的级联，反射谱3dB带宽内反射信道数目增加了几倍，同时多相移技术的引入，可以使多相移数字级联布拉格光栅反射谱的反射信道数目再次成倍增加，因而反射谱3dB带宽内反射信道数目进一步增加，从而多相移数字级联布拉格光栅可以在更宽的波长范围内获得平坦的反射峰值响应，基于多相移数字级联布拉格光栅的调谐激光器各个波长信道的功率均衡性得到了很大的提升，激光器的调谐范围也能够做到更宽，很容易做到100nm波长调谐范围，而且光栅结构参数设计非常简单。

2.与数字级联布拉格光栅相比，由于多相移技术的引入，多相移数字级联布拉格光栅反射谱中每个反射信道带宽更窄，从而基于多相移数字级联布拉格光栅的可调谐半导体激光器更易得到更大的边模抑制比，保证了激光器模式的稳定性。

3.由于多相移数字级联布拉格光栅中没有无光栅区域，且多相移的引入提高了光栅效率，从而为了获得具有相同反射率和相同的3dB反射谱带宽的反射率，需要的多相移数字级联布拉格光栅的长度比取样光栅短得多，从而激光器光栅区损耗降低，可以提高激光器的输出功率。

4.本发明的可调谐半导体激光器，由于多相移的引入，使得每个取样周期内级联的均匀光栅子段的周期差别比不含多相移的数字级联布拉格光栅的大，因而制作时这样的周期差别更易控制，对制作误差的容忍度也更高。

5.本发明的可调谐半导体激光器波长动态切换速度快。

6.本发明的可调谐半导体激光器结构简单，易于制作，并且还能够与半导体光放大器、电吸收调制器等各种半导体器件集成，实现各种功能。

附图说明

图1是四段式取样光栅可调谐半导体激光器的纵截面示意图；

图2是图1中光栅区中的取样光栅一个取样周期的结构示意图；

图3是图1中光栅区中取样光栅的梳状反射谱；

图4是本发明的四段式基于多相移数字级联布拉格光栅的可调谐半导体激光器的纵截面结构示意图；

图5是本发明的激光器中多相移数字级联布拉格光栅的结构示意图；

图6是本发明的第一个实施例的前、后光栅区中多相移数字级联布拉格光栅的结构示意图；

图7是本发明的第一个实施例的前光栅区中多相移数字级联布拉格光栅的反射谱；

图8是本发明的第一个实施例的后光栅区中多相移数字级联布拉格光栅的反射谱；

图9是本发明的第一个实施例的前、后光栅区中多相移数字级联布拉格光栅的反射谱的乘积；

图10是与本发明的第一个实施例中前光栅区多相移数字级联布拉格光栅一个取样周期内具有相同级联光栅子段数目但不含多相移的数字级联布拉格光栅的反射谱；

图11是本发明的第二个实施例的前、后光栅区中多相移数字级联布拉格光栅的结构示意图；

图12是本发明的第二个实施例的前光栅区中多相移数字级联布拉格光栅的反射谱；

图13是本发明的第二个实施例的后光栅区中多相移数字级联布拉格光栅的反射谱；

图14是本发明的第三个实施例的前、后光栅区中多相移数字级联布拉格光栅的结构示意图；

图15是本发明的第三个实施例的前光栅区中多相移数字级联布拉格光栅的反射谱；

图16是本发明的第三个实施例的后光栅区中多相移数字级联布拉格光栅的反射谱。

图中，1：前光栅区；2：有源区；3：相位区；4：后光栅区；5：上限制层；6：光波导层；7：下限制层；8：有源层；9：前多相移数字级联布拉格光栅；10：后多相移数字级联布拉格光栅；11：第一电极；12：第二电极；13：第三电极；14：第四电极；15：第一增透膜；16：第二增透膜；17：电极接触层；18：盖帽层；19：光栅段。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明提供了一种可调谐半导体激光器，如图4所示，为四段式基于多相移数字级联布拉格光栅的可调谐半导体激光器的纵截面示意图。它包括前光栅区1、有源区2、相位区3和后光栅区4。其中有源区2位于前光栅区1和相位区3之间，相位区3位于有源区2和后光栅区4之间；前光栅区1、相位区3和后光栅区4纵截面从上到下依次主要包括电极接触层17、盖帽层18、上限制层5、光波导层6和下限制层7，有源区2纵截面从上到下依次主要包括电极接触层17、盖帽层18、上限制层5、有源层8和下限制层7；前光栅区1、有源区2、相位区3和后光栅区4的电极接触层17上分别制作有电极（第一电极11、第二电极12、第三电极13、第四电极14），前光栅区1和后光栅区4的侧面的外端面上分别镀有增透膜（第一增透膜15、第二增透膜16）；前光栅区1、后光栅区4在具有的上限制层5中分别制作前多相移数字级联布拉格光栅9、后多相移数字级联布拉格光栅10。本发明提供的可调谐半导体激光器中可以不包含相位区，仅包含前光栅区1、有源区2和相位区3，并且三个区的结构与上述四段式的结构均相同。

所述的前多相移数字级联布拉格光栅9由数字级联布拉格光栅相邻取样周期间加入相移制得，前多相移数字级联布拉格光栅9由多个取样周期的光栅结构构成，取样周期长度为Z_sf，每个取样周期由M个具有不同光栅周期的均匀光栅子段组成，M个光栅子段的光栅周期分别为Λ_f1、Λ_f2、…、Λ_fM-1、Λ_fM，每个光栅子段长度分别为Z_gf1、Z_gf2、…、Z_gfM-1、Z_gfM。前多相移数字级联布拉格光栅的第k+1个取样周期与第k个取样周期间光栅初始相位差(即相移)φ_kf为k×2π/m，m为大于1的正整数（称为通道数倍增因子）。m与M的选取由所需要获得的反射谱3dB带宽B_f和光栅相邻反射通道的反射峰值波长间隔Δλ_f确定，在Δλ_f固定的情况下，m与M的取值越大，反射谱3dB带宽B_f越大。

所述的后多相移数字级联布拉格光栅10由数字级联布拉格光栅相邻取样周期间加入相移制得，后多相移数字级联布拉格光栅10由多个取样周期的光栅结构构成，取样周期长度为Z_sr，每个取样周期由N个具有不同光栅周期的均匀光栅子段组成，N个光栅子段的光栅周期分别为Λ_r1、Λ_r2、…Λ_rN-1、Λ_rN，每个光栅子段长度分别为Z_gr1、Z_gr2、…Z_grN-1、Z_grN。前多相移数字级联布拉格光栅的第k+1个取样周期与第k个取样周期间光栅初始相位差(即相移)φ_kr为k×2π/n，n为大于1的正整数（称为通道数倍增因子）。n与N的选取由所需要获得的反射谱3dB带宽B_r和光栅相邻反射通道的反射峰值波长间隔Δλ_r确定，在Δλ_r固定的情况下，n与N的取值越大，反射谱3dB带宽B_r越大。

前多相移数字级联布拉格光栅9和后多相移数字级联布拉格光栅10具有不同的取样周期长度Z_sf和Z_sr，通过在两个光栅区（前光栅区1和后光栅区4）中注入电流改变相应光栅区的折射率（其中注入的电流越大，折射率越小），从而可以利用游标卡尺效应进行波长调谐；通过配合改变相位区的电流，可以使激光器实现准连续波长调谐。

本发明的可调谐半导体激光器可以与半导体光放大器和电吸收调制器等半导体器件集成。

为了增加基于布拉格反射式光栅的可调谐半导体激光器的调谐范围并且提高各个波长信道功率的均衡性，就需要设计具有平坦峰值反射率、梳状反射谱的光栅滤波器。图2为取样光栅一个周期的结构示意图，取样光栅一个取样周期内一段区域有光栅，一段区域为无光栅区域，Z_g为包含光栅的光栅段长度，Z_S为取样周期长度，Z_g/Z_S为取样光栅的取样占空比。图3所示为取样光栅的反射谱，通过理论分析，取样光栅反射谱包络为Sinc函数形状，反射谱3dB带宽内的信道数目约为int(Z_S/Z_g)个，int表示取整数。当占空比(即Z_g/Z_S)比较大，各反射信道的反射率非常不均匀，从而影响了波长调谐过程中各波长信道的功率均衡性和波长调谐范围。当占空比比较小时，取样光栅反射谱比较平坦。但是更小的占空比也意味着光栅效率更低，需要更长的光栅来提高光栅反射率，一方面增加了器件的长度，影响了器件的阈值特性、调制等性能，另一方面由于带来的波导损耗增加，也会影响激光器的波长调谐过程中的功率均衡性并且降低输出激光功率；减小光栅取样周期，可以在更宽的波长范围内获得平坦的反射谱包络，但是也会增大取样光栅反射信道间隔（见下面公式(1)），由于通过注入电流方式改变光栅区有效折射率的大小有限，从而使调谐激光器准连续波长调谐难以实现。

基于以上的分析，本发明提出了一种基于多相移数字级联布拉格光栅的可调谐半导体激光器。图4是本发明的四段式基于多相移数字级联布拉格光栅的可调谐半导体激光器的纵截面示意图，图中Z_sf和Z_sr分别表示前光栅和后光栅的取样周期长度。图5是本发明的多相移数字级联布拉格光栅的结构示意图，为了更清晰地表示出相移，将光栅画成正弦形式。下面以前光栅区1中的前多相移数字级联布拉格光栅9为例对该光栅结构进行说明。

一个前多相移数字级联布拉格光栅9可以看成是M(M也为一个取样周期内级联的均匀光栅子段的个数)个多相移取样光栅在空间上的级联，当M个多相移取样光栅的反射谱中心波长呈等差数列分布，且这一差值为反射谱通道间隔的H倍(H≥2，为正整数)时，前多相移数字级联布拉格光栅9的反射谱为这M个多相移取样光栅反射谱的级联，从而通过多相移技术和反射谱的级联能够极大程度地增加反射谱3dB带宽。假设前多相移数字级联布拉格光栅9的取样周期为Z_sf,取样周期个数为N_sf,M个光栅子段的长度分别为Z_gf1、Z_gf2、…、Z_gfM-1、Z_gfM,光栅子段的光栅周期分别为Λ_f1、Λ_f2、…、A_fM-1、Λ_fM，第k+1个取样周期与第k个取样周期间光栅初始相位差(即相移)φ_kf为k×2π/m(m≥2，为正整数，称为通道数倍增因子)，整个前多相移数字级联布拉格光栅9的等效布拉格中心波长为λ_cf，那么整个光栅的前光栅区反射信道间隔Δλ_f约为:

${\mathrm{\Δ\λ}}_f=\frac{1}{m}\frac{{{\mathrm{\λ}}^2}_{\mathrm{cf}}}{{2n}_{\mathrm{eff}}{Z}_{\mathrm{sf}}}---\left(1\right)$

不含多相移结构的数字级联布拉格光栅的反射谱反射通道间隔Δλ′_f为：

${\mathrm{\Δ\λ}}_f^{\′}=\frac{{{\mathrm{\λ}}^2}_{\mathrm{cf}}}{{2n}_{\mathrm{eff}}{Z}_{\mathrm{sf}}}---\left(2\right)$

前多相移数字级联布拉格光栅9的M个光栅子段的光栅周期为Λ_fi：

其中，n_eff为光栅区波导有效折射率，H为正整数。

前多相移数字级联布拉格光栅9的反射谱3dB带宽B_f约为：

$B_f=\frac{\mathrm{MH}}{m}\frac{{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cf}}}^2}{{2n}_{\mathrm{eff}}{Z}_{\mathrm{sf}}}---\left(4\right)$

通常为了获得最佳的反射谱，H取值为mM。

后光栅区4中的后多相移数字级联布拉格光栅10的基本结构与前光栅区1中的前多相移数字级联布拉格光栅9相同，分析方法相同，后多相移数字级联布拉格光栅10的级联光栅子段个数为N，信道倍增因子为n，后光栅区反射通道间隔为Δλ_r，n与m、N与M可相同也可以不同，Δλ_f与Δλ_r不同。

本发明的基于多相移数字级联布拉格光栅的激光器调谐范围δλ简单计算公式为：

$\mathrm{\δ\λ}=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_f{\mathrm{\Δ\λ}}_r}{|{\mathrm{\Δ\λ}}_f-{\mathrm{\Δ\λ}}_r|}---\left(5\right)$

其中，Δλ_f与Δλ_r分别为前光栅和后光栅反射谱的反射通道间隔。

通过公式(1)和(2)比较可以看出，当固定前多相移数字级联布拉格光栅9的取样周期时，增加通道数倍增因子m可以使反射谱通道间隔减小至没有相移情况下的1/m，所以反射谱3dB带宽内反射信道数目会增加m倍，总的反射带宽保持不变(见公式(1)和(4))；因而当取样周期Z_sf减小为Z_sf/m时，就能够在保持反射谱通道间隔不变的情况下，使反射谱3dB反射带宽增加m倍。随着m的增加，只需要相应地将取样周期Z_sf减小为Z_sf/m就可以在不改变反射通道间隔的情况下不断地扩大反射谱3dB反射带宽，从而改善光栅反射特性。根据公式(2)，当取样周期Z_sf减小为Z_sf/m时，级联的光栅子段之间的光栅周期差别也会增加m倍，从而对制作时光栅周期的控制更加容易，对误差的容忍度也会增加。基于以上的分析，我们可以设计基于多相移数字级联布拉格光栅的可调谐半导体激光器，具有调谐范围宽，各波长信道功率均衡性好，输出功率高，边模抑制比高等优点。下面给出三个基于多相移数字级联布拉格光栅的可调谐半导体激光器的实施例。具体的实施方式见实施例一、实施例二和实施例三。

在实施例一、实施例二和实施例三中的可调谐半导体激光器的结构均可参照图4所示的四段式基于多相移数字级联布拉格光栅的可调谐半导体激光器的纵截面示意图。它包括前光栅区1、有源区2、相位区3和后光栅区4。其中有源区2位于前光栅区1和相位区3之间，相位区3位于有源区2和后光栅区4之间；前光栅区1、相位区3和后光栅区4纵截面从上到下依次主要包括电极接触层17、盖帽层18、上限制层5、光波导层6和下限制层7，有源区2纵截面从上到下依次主要包括电极接触层17、盖帽层18、上限制层5、有源层8和下限制层7；前光栅区1、有源区2、相位区3和后光栅区4上分别制作有电极11、12、13、14，前光栅区1和后光栅区4的外端面分别镀有增透膜15、16；前、后光栅区1、4分别具有在上限制层5中制作的前、后多相移数字级联布拉格光栅9、10。

本发明的可调谐半导体激光器适用于半导体材料及掺稀土材料的光纤及各种波导材料制造的激光器，尤其适用于Ⅲ-Ⅴ族InP/InGaAsP半导体材料制造的激光器。

以Ⅲ-V族材料系进行说明。前光栅区1、有源区2、相位区3和后光栅区4材料选用Ⅲ-V族InP/InGaAsP材料，其中有源层8材料比上限制层5和下限制层7材料具有更小的禁带宽度，光波导层6材料比上限制层5和下限制层7材料具有更小的禁带宽度，禁带宽度越小，折射率越大，从而形成横向波导对光场进行限制。

本发明的前、后光栅区内的多相移数字级联布拉格光栅可以采用电子束光刻、纳米压印等技术制作。

前光栅区1、有源区2、相位区3和后光栅区4可以通过选择区域生长、对接生长或者量子阱混杂等技术制作在同一衬底上。

有源层8在注入电流的情况下能够通过宽带自发辐射和受激辐射产生光子并提供光增益，其工作机理是：通过电极将电流注入有源区2，引起有源层8增益半导体材料中载流子浓度增加，形成载流子数反转，然后通过电子和空穴的复合发光；前、后光栅区1、4用于实现波长选择，满足相位条件的净增益最大的频率的光在由前、后两个光栅区1、4构成的谐振腔内振荡，当光增益与损耗达到平衡后，从两个光栅区端面增透层出射，形成稳定的激光输出；相位区3内注入电流可以改变相位区3内的折射率，光在里面传输时相位发生变化，从而可改变整个激光器的纵模的位置，微调波长，用于实现准连续波长调谐，如果不需要准连续可调也可以不制作相位区3。实施例一、实施例二和实施例三的结构差别主要在前光栅区1、后光栅4部分前、后多相移数字级联布拉格光栅9、10结构参数不同。

下面对照附图，对实施例进行说明。

实施例一：

在本实施例一中，前、后多相移数字级联布拉格光栅9、10一个取样周期内光栅子段数目均为3个，通道数倍增因子为2，即m=2,M=3,n=2,N=3。图6是本实施例一的前、后多相移数字级联布拉格光栅结构示意图。对于前、后多相移数字级联布拉格光栅9、10，根据公式φ_kf＝k×2π/m(前多相移数字级联布拉格光栅9)和φ_kr＝k×2π/n(后多相移数字级联布拉格光栅10)，则第k+1个取样周期与第k个取样周期之间的光栅初始相位差φ_kf与φ_kr均为kπ。前、后多相移数字级联布拉格光栅9、10所用参数如下表1所示，Ⅲ-V族InP/InGaAsP材料光栅区有效折射率n_eff选为3.21。

表1：前、后多相移数字级联布拉格光栅的结构参数表

图7和图8分别是实施例一中前光栅区1、后光栅区4中前、后多相移数字级联布拉格光栅9、10的反射谱，从反射谱上可以看出，本实施例一的前多相移数字级联布拉格光栅9反射谱3dB带宽内的波长范围能够覆盖1478nm到1627nm,共约149nm范围，反射信道间隔约为7.83nm；本实施例一的后多相移数字级联布拉格光栅10反射谱3dB带宽内的波长范围能够覆盖1482nm到1622.5nm,共约140.5nm范围，反射信道间隔约为7.38nm。图9是本发明的第一个实施例的前、后光栅区中多相移数字级联布拉格光栅的反射谱的乘积，从图中可以看出，1545.1nm附近处反射通道(图9中圆圈标识)附近某一个波长满足激光器阈值条件和相位条件时就成为了激光器的激射波长，其他波长因为前、后光栅9、10的总反射率小(损耗比较大)，因而需要更高的阈值，或者由于不能满足激光器相位条件，因而不能够成为激射主模式。利用游标卡尺效应，当在激光器前光栅区1和后光栅区4内注入电流使其有效折射率发生变化时，光栅反射谱会发生移动，因而前后光栅反射谱的乘积也会变化，总反射率最大通道可能会从上述1545.1nm附近移动到旁边其他反射通道处，因而激光器的激射波长会相应地发生变化。根据激光器调谐范围的计算公式(5)，实施例一设计的调谐激光器的调谐范围可达128.4nm，通过进一步减小前、后多相移数字级联布拉格光栅9、10反射谱的反射通道间隔可以进一步提高调谐范围。

与实施例一的后多相移数字级联布拉格光栅10一个取样周期内具有相同级联光栅子段数目但不含多相移的数字级联布拉格光栅的反射谱如图10所示，其反射谱3dB带宽内的波长范围能够覆盖1588nm到1513nm,共约75nm范围。由图7与图10的反射谱对比可以看出，本发明的多相移数字级联布拉格光栅比普通不含多相移的数字级联布拉格光栅具有更宽的3dB带宽，并且每个峰值反射通道的带宽也更窄，因而在激光器的波长调谐过程中，更容易获得更宽的调谐范围和更高的边模抑制比。

实施例二：

在本实施例二中，前、后多相移数字级联布拉格光栅9、10一个取样周期内光栅子段数目均为3个，通道数倍增因子为3，即m=3,M=3,n=3,N=3。图11是本实施例二的前、后多相移数字级联布拉格光栅9、10结构示意图。对于前、后多相移数字级联布拉格光栅9、10，根据公式φ_kf＝k×2π/m(前多相移数字级联布拉格光栅9)和φ_kr＝k×2π/n(后多相移数字级联布拉格光栅10)，则第k+1个取样周期与第k个取样周期之间的光栅初始相位差φ_kf与φ_kr均为k×2π/3。前、后多相移数字级联布拉格光栅9、10所用参数如下表2所示，Ⅲ-V族InP/InGaAsP材料光栅区有效折射率n_eff选为3.21。

图12和图13分别是实施例二中本发明的前、后光栅区1、4中前、后多相移数字级联布拉格光栅9、10的反射谱，从反射谱上可以看出，本实施例二的前光栅多相移数字级联布拉格光栅反射谱3dB带宽内的波长范围能够覆盖1446nm到1656nm,共约210nm范围，反射信道间隔约为7.84nm；本实施例二的后光栅多相移数字级联布拉格光栅反射谱3dB带宽内的波长范围能够覆盖1452nm到1656nm,共约204nm范围，反射信道间隔约为7.3nm。根据激光器调谐范围的计算公式(5)，实施例二设计的调谐激光器的调谐范围可达106nm，通过进一步减小前、后数字级联布拉格光栅反射谱的反射通道间隔可以进一步提高调谐范围。本实施例二的激光器波长调谐原理与实施例一相类似，利用游标卡尺效应，通过改变前、后光栅区9和10中的电流大小调谐波长；通过配合改变相位区4的电流，可以使激光器实现准连续波长调谐。

表2：前、后多相移数字级联布拉格光栅的结构参数表

实施例一与实施例二中的前光栅和后光栅的通道倍增因子分别均为2和3，由图7与图12和图8与图13的多相移数字级联布拉格光栅的反射谱对比可以看出，随着通道倍增因子(m,n)的增加，多相移数字级联布拉格光栅的平坦反射谱范围更宽，同时每个反射信道的带宽也更窄，因而设计的可调谐半导体激光器可以具有更宽的调谐范围和更高的边模抑制比，激光器性能更好。

实施例三：

在本实施例三中，前、后多相移数字级联布拉格光栅9、10一个取样周期内光栅子段数目均为4个，通道数倍增因子为2，即m=2,M=4,n=2,N=4。图14是本实施例三的前、后多相移数字级联布拉格光栅结构示意图。对于前、后多相移数字级联布拉格光栅9、10，根据公式φ_kf＝k×2π/m(前多相移数字级联布拉格光栅9)和φ_kr＝k×2π/n(后多相移数字级联布拉格光栅10)，则第k+1个取样周期与第k个取样周期之间的光栅初始相位差φ_kf与φ_kr均为kπ。前、后多相移数字级联布拉格光栅9、10所用参数如下表3所示，Ⅲ-V族InP/InGaAsP材料光栅区有效折射率n_eff选为3.21。

表3：前、后多相移数字级联布拉格光栅的结构参数表

图15和图16分别是实施例三中本发明的前、后光栅区1、4中前、后多相移数字级联布拉格光栅9、10的反射谱，从反射谱上可以看出，本实施例三的前光栅多相移数字级联布拉格光栅反射谱3dB带宽内的波长范围能够覆盖1433.5nm到1670.5nm,共约237nm范围，反射信道间隔约为7.9nm；本实施例三的后光栅多相移数字级联布拉格光栅反射谱3dB带宽内的波长范围能够覆盖1435.2nm到1669m,共约233.8nm范围，反射信道间隔约为7.3nm。根据激光器调谐范围的计算公式(5)，实施例三设计的调谐激光器的调谐范围可达96.2nm，通过进一步减小前、后数字级联布拉格光栅反射谱的反射通道间隔可以进一步提高调谐范围。本实施例三的激光器波长调谐原理与实施例一和实施例二相类似，利用游标卡尺效应，通过改变前、后光栅区9和10中的电流大小实现波长调谐；通过配合改变相位区的电流，可以使激光器实现准连续波长调谐。

实施例一的前光栅和后光栅的级联光栅子段数目均为3，实施例三中的前光栅和后光栅的级联光栅子段数目均为4，由图7与图15和图8与图16的多相移数字级联布拉格光栅的反射谱对比可以看出，随着级联光栅子段数目(M,N)的增加，多相移数字级联布拉格光栅的平坦反射谱范围更宽，同时每个反射信道的带宽也更窄，因而设计的可调谐半导体激光器可以具有更宽的调谐范围和更高的边模抑制比，激光器性能更好。

由于目前受到有源区增益带宽限制，不需要设计使反射谱3dB带宽太大，实际上前、后多相移数字级联布拉格光栅的反射谱3dB带宽大于100nm即可满足要求，太大的3dB带宽并不能保证能提供更大的调谐范围。一般选取m=2,M=3;n=2,N=3即可。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种可调谐半导体激光器，包括前光栅区、有源区和后光栅区，所述的前光栅区和后光栅区从上至下均包括电极接触层、盖帽层、上限制层、光波导层和下限制层，所述的有源区从上至下包括电极接触层、盖帽层、上限制层、有源层和下限制层，其特征在于：所述的前光栅区的上限制层、后光栅区的上限制层中分别制作有前多相移数字级联布拉格光栅、后多相移数字级联布拉格光栅。

2.根据权利要求1所述的可调谐半导体激光器，其特征在于：所述的有源区和后光栅区之间还设置有相位区，所述的相位区从上至下包括电极接触层、盖帽层、上限制层、光波导层和下限制层。

3.根据权利要求2所述的可调谐半导体激光器，其特征在于：所述的前光栅区、有源区、相位区和后光栅区的电极接触层上均制作有电极。

4.根据权利要求2所述的可调谐半导体激光器，其特征在于：所述的前光栅区和后光栅区的外端面上均镀有增透膜。

5.根据权利要求2所述的可调谐半导体激光器，其特征在于：所述的前多相移数字级联布拉格光栅和后多相移数字级联布拉格光栅通过在数字级联布拉格光栅相邻取样周期间加入相移制作。

6.根据权利要求5所述的可调谐半导体激光器，其特征在于：所述的前多相移数字级联布拉格光栅是由多个取样周期的光栅结构构成，取样周期长度为Z_sf，每个取样周期由M个具有不同光栅周期的均匀光栅子段组成，M为前多相移数字级联布拉格光栅的均匀光栅子段的个数，M个光栅子段的光栅周期分别为Λ_f1、Λ_f2、…、Λ_fM-1、Λ_fM，每个光栅子段长度分别为Z_gf1、Z_gf2、…、Z_gfM-1、Z_gfM，前多相移数字级联布拉格光栅的第k+1个取样周期与第k个取样周期间光栅初始相位差φ_kf为k×2π/m，m为前多相移数字级联布拉格光栅的通道数倍增因子；所述的后多相移数字级联布拉格光栅由多个取样周期的光栅结构构成，取样周期长度为Z_sr，每个取样周期由N个具有不同光栅周期的均匀光栅子段组成，N为后多相移数字级联布拉格光栅的均匀光栅子段的个数，N个光栅子段的光栅周期分别为Λ_r1、Λ_r2、…Λ_rN-1、Λ_rN，每个光栅子段长度分别为Z_gr1、Z_gr2、…Z_grN-1、Z_grN；前多相移数字级联布拉格光栅的第k+1个取样周期与第k个取样周期间光栅初始相位差φ_kr为k×2π/n，n为后多相移数字级联布拉格光栅的通道数倍增因子。

7.根据权利要求5所述的可调谐半导体激光器，其特征在于：当光栅相邻反射通道的反射峰值波长间隔Δλ_f固定时，所述的前多相移数字级联布拉格光栅的通道数倍增因子m与前多相移数字级联布拉格光栅的均匀光栅子段的个数M的取值越大，反射谱带宽B_f越大。

8.根据权利要求5所述的可调谐半导体激光器，其特征在于：当光栅相邻反射通道的反射峰值波长间隔Δλ_r固定时，所述的后多相移数字级联布拉格光栅的通道数倍增因子n与后多相移数字级联布拉格光栅的均匀光栅子段的个数N的取值越大，反射谱带宽B_r越大。

9.根据权利要求5所述的可调谐半导体激光器，其特征在于：所述的前多相移数字级联布拉格光栅、后多相移数字级联布拉格光栅采用纳米压印方法、电子束光刻方法制作。

Images