CN103259187B - 基于片上加热电阻波长调谐的v型耦合腔半导体激光器 - Google Patents
基于片上加热电阻波长调谐的v型耦合腔半导体激光器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于片上加热电阻波长调谐的V型耦合腔半导体激光器。包括半波耦合器、固定增益腔和波长调谐腔构成的V型耦合腔半导体激光器；在波长调谐腔的顶部具有一段加热薄膜电阻，加热薄膜电阻与V型耦合腔半导体激光器的电注入金属电极之间具有一层电绝缘薄层；或者在波长调谐腔的一个侧面具有一段加热薄膜电阻；加热薄膜电阻的两端分别引出电极。本发明相对电流注入调谐，能够降低电流噪声影响，提高半导体激光器的线宽稳定性，并通过增益谱随温度移动增加波长调谐范围。
Description
技术领域
本发明涉及波长可调谐半导体激光器，尤其涉及一种基于片上加热电阻波长调谐的V型耦合腔半导体激光器。
背景技术
宽带波长可调谐半导体激光器在光通信以及传感领域具有非常大的应用价值。它具有节约器件尺寸，降低成本，易于生产，提高稳定性等方面的优势。而随着通信技术的发展和需求的增加，人们对可调谐半导体激光器的单纵模性能、波长调谐特性、稳定性等方面都提出了更高的要求。在目前为止的研究中，波长调谐主要包括温度调谐、电流调谐等手段。
利用片上加热电阻对激光器进行温度调谐是一种高效率的、可靠的温度调谐方案。ShinjiSakano,TomonobuTsuchiya和MakotoSuzuki等人的文章“TunableDFBLaserwithaStripedThin-FilmHeater.”IEEEPTL,VOL.4,NO.4,APRIL1992中提出了一种利用片上的加热电阻对DFB激光器的输出波长进行温度调谐的方法。该激光器为λ/4相移DFB量子阱激光器，具有一个电极为其提供电注入电流。电阻位于有源层的上方，与电注入电极之间有二氧化硅作为绝缘层。这样的激光器具有良好的温度调谐特性，但是DFB制作具有一定难度，且该激光器采用单谐振腔结构，其波长调节是通过改变光栅等效折射率,范围有限,通常只有0.1nm/℃。
浙江大学何建军教授等人在他们的文章“WidelywavelengthswitchableV-coupled-cavitysemiconductorlaserwith～40dBside-modesuppressionratio”.OPTICSLETTERS/Vol.36,No.21/November1,2011中提出了一种V型耦合腔结构。它由两个长度相异的谐振腔之间的耦合来实现波长的调谐或者切换，通过优化两个谐振腔之间的耦合系数能够实现很高的边模抑制比，其波长调谐通过调节某一臂注入电流来实现，调节范围可以通过利用Vernier效应而增加。除此之外，这种激光器还具有工艺简单，波长切换方便，稳定性高等方面的优势。然而该激光器通过改变电注入电流来进行调谐，调谐范围被工作温度下的增益谱所限制；且注入载流子浓度的改变将会带来噪声，影响激光器输出激光的线宽特性。另当电注入电流达到一定强度时，实际上起主导作用的是电流的热效应，此时调谐时改变的不仅仅是激光器的输出激光波长，还有激光功率，故会带来功率的不稳定。所以V型耦合腔激光器在调谐范围、激光器线宽方面还有提升的空间。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种基于片上加热电阻波长调谐的V型耦合腔半导体激光器，拓宽激光器波长调谐范围，改善激光器线宽及调谐性能。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一.一种基于片上加热电阻波长调谐的V型耦合腔半导体激光器：
包括半波耦合器、固定增益腔和波长调谐腔；在波长调谐腔的顶部具有一段第一加热薄膜电阻，第一加热薄膜电阻的两端分别引出电极；第一加热薄膜电阻与V型耦合腔半导体激光器的电注入金属电极之间具有一层电绝缘薄层。
在波长调谐腔的顶部的第一加热薄膜电阻和电注入金属电极形成的整体的两个外侧各具有一段深刻蚀空气隔热槽。
在固定增益腔的顶部具有一段第二加热薄膜电阻，第二加热薄膜电阻与V型耦合腔半导体激光器的电注入金属电极之间具有一层电绝缘薄层。
在固定增益腔的顶部的第二加热薄膜电阻和电注入金属电极形成的整体的两个外侧各具有一段深刻蚀空气隔热槽；在波长调谐腔的顶部的第一加热薄膜电阻和电注入金属电极形成的整体的两个外侧各具有一段深刻蚀空气隔热槽。
二.另一种基于片上加热电阻波长调谐的V型耦合腔半导体激光器：
本发明包括半波耦合器、固定增益腔和波长调谐腔；在波长调谐腔的一个侧面具有第一加热薄膜电阻，第一加热薄膜电阻的两端分别引出电极。
在波长调谐腔的一个侧面的一段第一加热薄膜电阻下方具有导热波导；在波长调谐腔的一个侧面的一段第一加热薄膜电阻与导热波导之间具有一层电绝缘薄层。
在波长调谐腔的侧面的第一加热薄膜电阻、导热波导、电绝缘薄层和电注入金属电极形成的整体的两个外侧各具有一段深刻蚀空气隔热槽。
在固定增益腔的一个侧面具有第二加热薄膜电阻，第二加热薄膜电阻的两端分别引出电极。
在固定增益腔的一个侧面的一段第二加热薄膜电阻下方具有导热波导；在固定增益腔的一个侧面的一段第二加热薄膜电阻与导热波导之间具有一层电绝缘薄层；在波长调谐腔的一个侧面的一段第一加热薄膜电阻下方具有导热波导；在波长调谐腔的一个侧面的一段第一加热薄膜电阻与导热波导之间具有一层电绝缘薄层。
在固定增益腔的侧面的第二加热薄膜电阻、导热波导、电绝缘薄层和电注入金属电极形成的整体的两个外侧各具有一段深刻蚀空气隔热槽；在波长调谐腔的侧面的第一加热薄膜电阻、导热波导、电绝缘薄层和电注入金属电极形成的整体的两个外侧各具有一段深刻蚀空气隔热槽。
本发明具有的有益效果是：
本发明的基于片上加热电阻的V型耦合腔激光器，其特点是结合了V型耦合腔的激光器结构与片上加热电阻。相比于单纯的电注入波长切换，对激光器进行温度波长调谐，能够避免载流子浓度改变带来的噪声，从而有效地提高线宽稳定性；又因为温度能够移动激光器增益谱,通过调节加热电阻电流可使增益谱朝着波长调谐相同方向移动，从而增加调谐范围。相比于单谐振腔半导体激光器的温度调谐，该激光器能够利用Vernier效应增加调谐步长，而且具有更好的单纵模性。此外，相比于通过TEC改变整个热沉和基底的温度进行波长调谐的方案，利用片上靠近有源区的微型电阻进行局部加热的方案避免了热量从激光器底部向上传导时的巨大能量损耗和长的响应时间，能够大大地提高能量利用效率，且显著提升切换响应速率。
附图说明
图1是本发明的顶部加热的结构俯视图。
图2是图1的a-a剖视图。
图3是本发明的侧面加热的结构俯视图。
图4是图3的b-b剖视图。
图5是本发明具有深刻蚀空气隔热槽的侧面加热结构剖视图。
图6是本发明具有深刻蚀空气隔热槽的顶部加热的结构俯视图。
图7是图6的c-c剖视图。
图8是本发明具有深刻蚀空气隔热槽、电绝缘薄层和导热波导的侧面加热的结构俯视图。
图9是图8的d-d剖视图。
图10是实验测得的原V型耦合腔半导体激光器出射波长随波长调谐腔上所加电流的变化曲线图。
图11是本发明的顶部加热，有或无深刻蚀空气隔热槽的加热效果对比图。
图12是本发明的侧面加热，具有或不具有侧面导热波导和电绝缘薄层结构的加热效果对比图。
图13是本发明的在固定增益腔与波长调谐腔中顶部同时加热的结构俯视图。
图14是本发明的在固定增益腔与波长调谐腔中侧面同时加热的结构俯视图。
图15是本发明的在固定增益腔与波长调谐腔中顶部同时加热，并具有深刻蚀空气隔热槽的结构俯视图。
图16是本发明的在固定增益腔与波长调谐腔中侧面同时加热，并具有侧面导热波导、电绝缘薄层和深刻蚀空气隔热槽的结构俯视图。
图中：1、固定增益腔，2、半波耦合器，3、波长调谐腔,4、部分反射端面，5、电绝缘薄层，5a、电绝缘薄层，6、加热薄膜电阻，6a、加热薄膜电阻，7、深刻蚀空气隔热槽，7a、深刻蚀空气隔热槽，8、电注入金属电极，9、固定增益腔或波长调谐腔的光波导，10、导热波导，11、平坦化材料，12、基底。
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。
如图1、2所示，本发明包括半波耦合器2、固定增益腔1和波长调谐腔3构成的V型耦合腔半导体激光器；在波长调谐腔3的顶部具有一段加热薄膜电阻6，加热薄膜电阻6与V型耦合腔半导体激光器的电注入金属电极8之间具有一层电绝缘薄层5；
如图6、7所示，在波长调谐腔3顶部的加热薄膜电阻6和电注入金属电极8形成的整体的两个外侧各具有一段深刻蚀空气隔热槽7；
如图13所示，在固定增益腔1的顶部具有一段加热薄膜电阻6a，加热薄膜电阻6与V型耦合腔半导体激光器的电注入金属电极8之间具有一层电绝缘薄层5a；
如图15所示，在固定增益腔1的顶部的加热薄膜电阻6a和电注入金属电极形成的整体的两个外侧各具有一段深刻蚀空气隔热槽7a；在波长调谐腔3的顶部的加热薄膜电阻6和电注入金属电极8形成的整体的两个外侧各具有一段深刻蚀空气隔热槽7。
如图3、4所示，本发明包括半波耦合器2、固定增益腔1和波长调谐腔3构成的V型耦合腔半导体激光器；在波长调谐腔3的一个侧面具有一段加热薄膜电阻6；加热薄膜电阻6的两端分别引出电极；
如图8、9所示，在波长调谐腔3的一个侧面的一段加热薄膜电阻6下方具有导热波导10；在波长调谐腔3的一个侧面的一段加热薄膜电阻6与导热波导10之间具有一层电绝缘薄层5。
如图5所示，在波长调谐腔3侧面的加热薄膜电阻6和电注入金属电极8形成的整体的两个外侧各具有一段深刻蚀空气隔热槽7。
如图8、9所示，在波长调谐腔3侧面的加热薄膜电阻6、导热波导10、电绝缘薄层5和电注入金属电极8形成的整体的两个外侧各具有一段深刻蚀空气隔热槽7。
如图14所示，在固定增益腔1的一个侧面具有一段加热薄膜电阻6a；加热薄膜电阻6a的两端分别引出电极；
如图16所示，在固定增益腔1的一个侧面的一段加热薄膜电阻6a下方具有导热波导10；在固定增益腔1的一个侧面的一段加热薄膜电阻6a与导热波导10之间具有一层电绝缘薄层5a；在波长调谐腔3的一个侧面的一段加热薄膜电阻6下方具有导热波导10；在波长调谐腔3的一个侧面的一段加热薄膜电阻6与导热波导10之间具有一层电绝缘薄层5。
如图16所示，在固定增益腔1的侧面的加热薄膜电阻6a、导热波导10、电绝缘薄层5a和电注入金属电极8形成的整体的两个外侧各具有一段深刻蚀空气隔热槽7a；在波长调谐腔3的侧面的加热薄膜电阻6、导热波导10、电绝缘薄层5和电注入金属电极8形成的整体的两个外侧各具有一段深刻蚀空气隔热槽7。
本发明的工作原理如下：
如图1、图3、图6、图8所示，在激光器工作时，需要一个稳定的工作温度T0。对于一般的V型耦合腔半导体激光器，激光器的增益由在电注入电极8上为激光器注入的载流子注入电流I0提供，当工作电流稳定，激光器底部的热沉与TEC（热电制冷器）维持整个激光器温度的恒定，如果要改变激光器的工作温度，需要通过TEC来调节，热量必须经过较厚的激光器基底12才能传递到固定增益腔或波长调谐腔的光波导9中。片上加热电阻提供了一种更为快速、低能耗的加热方案，若加热薄膜电阻6的阻值为R，在进行温度调谐时，在加热薄膜电阻6的两端为其提供热调谐电流I1，则电阻会产生Q=I1 2R的焦耳热，从而对加热薄膜电阻6下方或者旁边的固定增益腔或波长调谐腔的光波导9加热。维持热调谐电流I1及载流子注入电流I0恒定，在TEC及环境温度恒定的情况下，激光器经过一段较短的时间t(如图11、12所示，<0.4ms)，将会达到热平衡，此时固定增益腔或波长调谐腔的光波导9中的温度将稳定在一个新的较高的温度T1。温度的变化能够影响半导体材料的折射率以及增益谱，最终将会改变激光器的激光出射波长。如上所述，仅通过调节波长调谐腔3或者同时调节固定增益腔1和波长调谐腔3上加热薄膜电阻6中的热调谐电流I1，即可达到调谐的目的。由于加热薄膜电阻6与需要加热的固定增益腔或波长调谐腔的光波导9的距离非常近，且加热薄膜电阻6的体积远小于整个激光器，所以加热所需的功耗远远低于通过TEC改变激光器温度所需的功耗，达到温度稳定所需的时间也远小于通过TEC改变激光器温度所需的时间。
根据加热薄膜电阻和波长调谐腔或固定增益腔中光波导的位置关系，本发明可以有如下两种加热方案：
（1）顶部加热方案：如图1、2所示，在所述V型耦合腔激光器的某谐振腔电注入金属电极8的顶部生长一层薄层的电绝缘材料，该材料要求有良好的绝缘特性，同时具有较好的导热性（如二氧化硅）。随后再在生长好的电绝缘薄层5上溅射一层薄层的加热薄膜电阻6。其中，电绝缘薄层5的作用是形成加热薄膜电阻6与电注入金属电极8之间的电隔离，防止漏电，同时向下传导热量。电绝缘薄层5的大小覆盖电注入金属电极8，但不包括给电注入金属电极8加电用的焊盘。
如图6、7所示，为了提高激光器调谐效率，在固定增益腔或波长调谐腔的光波导9、电注入金属电极8、加热薄膜电阻6的外侧设计了深刻蚀空气隔热槽7。深刻蚀空气隔热槽7的深度大于量子阱层的深度，可以与形成每段谐振腔端面部分反射端面4的深刻蚀槽同时刻蚀形成。深刻蚀空气隔热槽7位于固定增益腔或波长调谐腔的光波导9、电注入电极8、电绝缘薄层5、加热薄膜电阻6形成的整体的外部，并且距离固定增益腔或波长调谐腔中的光波导有充分的距离，以防止其对波导中传导光模式造成破坏。该深刻蚀空气隔热槽7的作用为限制热传导的范围，使热量能够更集中地传输，从而提高温度调谐的效率。
（2）侧面加热方案：在顶部加热方案中，虽然加热薄膜电阻6产生的热量能够沿着竖直方向向下传导，但热量经由电绝缘薄层5和电注入金属电极8的过程将会带来较大的损耗，同时在制作工艺中，电注入金属电极8和电绝缘薄层5的造成的多层台阶可能会对最后溅射的加热薄膜电阻6造成许多问题，如接触不良好等。为了降低上述问题造成的不良影响，将加热电阻放置于固定增益腔或波长调谐腔的光波导9的旁边是一种有效的方法，如图3、4所示。
在激光器工艺中，平坦化材料11通常有BCB，SU8与SiO2，但这些材料的导热能力通常比较差，所以在侧面加热方案中，需要用导热系数高的材料来传热，而用于波导的半导体材料恰好可以起到这一作用。改良的侧面加热方案如图8、9所示，在所述激光器谐振腔的附近设计另一条脊型导热波导10，两波导的距离以使导热波导10不影响固定增益腔或波长调谐腔的光波导9内的光模式的最小距离为准。导热波导10的顶部用于放置加热薄膜电阻6，与顶部加热的方案类似，在加热薄膜电阻6与导热波导10之间需要生长一层电绝缘薄层5，（如二氧化硅），用来防止加热薄膜电阻6与导热波导10之间产生电泄漏。则由加热薄膜电阻6产生的焦耳热经其下方的电绝缘薄层5和导热波导10向下和两侧传导，改变固定增益腔或波长调谐腔的光波导9中的温度。
本发明的实验依据如下：
实验证明，当V型耦合腔半导体激光器的温度改变，其相应的波长调谐范围也会有所变化。如图10所示，横轴为波长调谐腔上所加电流，纵轴为不同温度下，改变波长调谐腔上电流所得的V型耦合腔半导体激光器输出激光波长。激光器的波长调谐腔与固定增益腔的长度差为5%，由此可推算由Vernier效应与激光器增益谱范围所限制的激光器FSR中只包含20个信道。当激光器工作温度设为20℃，波长调谐腔上的电流从37mA增加至129mA，能得到31个信道的切换，其中外加的11个信道是由于电注入过程中附加热效应导致的增益谱红移造成的。为了测试V型耦合腔半导体激光器在不同温度下的波长调谐性能，将TEC的温度分别设为10℃，27℃，37℃和45℃，则调节波长调谐腔的电流分别能够得到6、31、7、6个信道，一共50个信道。由此可见，通过改变激光器工作温度，能够将输出波长调谐范围由31个信道拓宽到50个信道。通过V型耦合腔半导体激光器的温度变化引起增益谱移动而拓宽的波长调谐范围约为0.5nm/℃，比普通折射率变化引起的调谐范围大5倍。但这种通过TEC改变整个热沉与基底12温度的方法，带来了相当大的功率损耗，也大大增加了波长调谐的时间，与此相较，采用片上微型电阻加热的方案具有明显的优势。
图11为利用有限元方法进行的在顶部加热方案中，关于有或无深刻蚀空气隔热槽7的比较仿真结果，其中无深刻蚀空气隔热槽的曲线对应于图2所示的结构，有深刻蚀空气隔热槽对应于图6所示的结构。仿真的初始状态设定为TEC与环境温度均稳定于20°C，为分析简便起见，此时激光器基底12与固定增益腔或波长调谐腔的光波导9中的温度也为20°C。仿真设定TEC温度维持20°C，在t=0的时刻将顶部加热薄膜电阻6的温度改变为100°C，观察固定增益腔或波长调谐腔的光波导9底部温度随时间的变化情况。仿真结果表明，在固定增益腔或波长调谐腔的光波导9两侧加上深刻蚀空气隔热槽7的情况下，固定增益腔或波长调谐腔的光波导9底部的温度要高于不加深刻蚀空气隔热槽的情况。在顶部加热方案中，从加热薄膜电阻6温度的改变到固定增益腔或波长调谐腔的光波导9底部温度稳定所需的时间大大低于通过改变TEC温度使固定增益腔或波长调谐腔的光波导9底部温度达到稳定的时间。与顶部加热方案类似，在侧面加热方案中，如在固定增益腔或波长调谐腔的光波导9和导热波导10的靠外两侧分别深刻蚀空气隔热槽7，如图5、图9，那么相同的电阻温度将会在固定增益腔或波长调谐腔的光波导9中产生更显著的温度提高。
图12为利用有限元方法进行的在侧面加热方案中，关于有无或导热波导10的比较仿真结果，其中无导热波导10的曲线对应于图3、图4所示的结构，有导热波导10的曲线对应于图8、图9所示的结构。仿真的初始状态设定为TEC与环境温度均稳定于20℃，激光器基底12与波导中的温度也为20℃。仿真设定TEC温度维持20℃，在t=0的时刻将固定增益腔或波长选择腔的光波导9侧面的加热薄膜电阻6的温度改变为100℃，观察固定增益腔或波长调谐腔的光波导9底部温度随时间的变化情况。仿真结果表明，有导热波导10的结构中，固定增益腔或波长调谐腔的光波导9内的温度升高要明显高于无导热波导10的结构。在该方案中，热量传递的效率可以通过调整固定增益腔或波长调谐腔的光波导9和导热波导10的距离，以及导热波导10的宽度等参数来得到提高。从侧面加热方案的仿真结果可以看到，从加热薄膜电阻6温度的改变到固定增益腔或波长调谐腔的光波导9底部温度稳定所需的时间在0.4ms之内，大大低于通过改变TEC温度使固定增益腔或波长调谐腔的光波导9底部温度达到稳定的时间，与顶部加热方案的仿真结果相近。
在不同的工作条件与结构下，本发明所述的激光器将表现出不同的调谐效果。如图13、14、15、16所示的同时在固定增益腔和波长调谐腔上利用加热薄膜电阻进行热调谐的V型耦合腔激光器结构，当同时调节两个谐振腔（固定增益腔和波长调谐腔）顶部或侧面加热薄膜电阻的电流，能够同时调节两个谐振腔的温度，从而改变整个激光器的增益谱，拓展激光器波长调谐的范围并且保持V型耦合腔半导体激光器良好的单纵模特性。如图1、3、6、8所示的V型耦合腔激光器单谐振腔热调谐的结构，当仅调节波长调谐腔顶部或侧面加热薄膜电阻的电流，能够利用Vernier效应获得较大的波长调谐幅度。当调节加热薄膜电阻电流与调节激光器电注入电流配合工作时，能够相互辅助，弥补单纯的电注入波长调谐中存在的一些问题，如电流噪声带来的激光器线宽不稳定，调谐范围被工作温度下的激光器增益谱限制等。
Claims (5)
1.一种基于片上加热电阻波长调谐的V型耦合腔半导体激光器，包括半波耦合器（2）、固定增益腔（1）和波长调谐腔（3）；其特征在于：
在波长调谐腔（3）的顶部具有一段第一加热薄膜电阻（6），第一加热薄膜电阻（6）的两端分别引出电极；第一加热薄膜电阻（6）与V型耦合腔半导体激光器的电注入金属电极（8）之间具有一层电绝缘薄层（5）；
在固定增益腔（1）的顶部具有一段第二加热薄膜电阻（6a），第二加热薄膜电阻（6a）的两端分别引出电极；第二加热薄膜电阻（6a）与V型耦合腔半导体激光器的电注入金属电极（8）之间具有一层电绝缘薄层（5a）。
2.根据权利要求1所述的一种基于片上加热电阻波长调谐的V型耦合腔半导体激光器，其特征在于：在固定增益腔（1）的顶部的第二加热薄膜电阻（6a）和电注入金属电极（8）形成的整体的两个外侧各具有一段深刻蚀空气隔热槽（7a）；在波长调谐腔（3）的顶部的第一加热薄膜电阻（6）和电注入金属电极（8）形成的整体的两个外侧各具有一段深刻蚀空气隔热槽（7）。
3.一种基于片上加热电阻波长调谐的V型耦合腔半导体激光器，包括半波耦合器（2）、固定增益腔（1）和波长调谐腔（3）；其特征在于：在波长调谐腔（3）的一个侧面具有第一加热薄膜电阻（6），第一加热薄膜电阻（6）的两端分别引出电极；
在固定增益腔（1）的一个侧面具有第二加热薄膜电阻（6a），第二加热薄膜电阻（6a）的两端分别引出电极。
4.根据权利要求3所述的一种基于片上加热电阻波长调谐的V型耦合腔半导体激光器，其特征在于：在波长调谐腔（3）的一个侧面的一段第一加热薄膜电阻（6）下方具有导热波导（10）；在波长调谐腔（3）的一个侧面的一段第一加热薄膜电阻（6）与导热波导（10）之间具有一层电绝缘薄层（5）；
在固定增益腔（1）的一个侧面的一段第二加热薄膜电阻（6a）下方具有导热波导（10）；在固定增益腔（1）的一个侧面的一段第二加热薄膜电阻（6a）与导热波导（10）之间具有一层电绝缘薄层（5a）。
5.根据权利要求3所述的一种基于片上加热电阻波长调谐的V型耦合腔半导体激光器，其特征在于：在固定增益腔（1）的侧面的第二加热薄膜电阻（6a）、导热波导（10）、电绝缘薄层（5a）和电注入金属电极（8）形成的整体的两个外侧各具有一段深刻蚀空气隔热槽（7a）；在波长调谐腔（3）的侧面的第一加热薄膜电阻（6）、导热波导（10）、电绝缘薄层（5）和电注入金属电极（8）形成的整体的两个外侧各具有一段深刻蚀空气隔热槽（7）。
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