CN103579900A - 高速直调v型耦合腔可调谐半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速直调V型耦合腔可调谐半导体激光器。它包括半波耦合器、波长参考FP谐振腔和波长调谐FP谐振腔；所述波长参考FP谐振腔由短腔有源波导和短腔无源波导串接构成，波长调谐FP谐振腔由长腔有源波导和长腔无源波导串接构成；短腔有源波导与短腔无源波导的光学长度比例等于长腔有源波导与长腔无源波导的光学长度比例，这样激光器在高速直接调制时，不会跳模。该激光器还可以进一步包含在半波耦合器顶部增加的一段薄膜电阻来增大调谐范围；包含腔外增加的两段有源波导和深刻蚀槽来减小激光器阈值，并提供片上集成的光功率计。本发明可以覆盖C波段甚至更大范围的调谐，并对每个通信波长实现10Gbps以上的直接调制性能。

Description

高速直调V型耦合腔可调谐半导体激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器，尤其涉及一种高速直调V型耦合腔可调谐半导体激光器。

背景技术

高速直调的宽带可调谐的半导体激光器在接入网和数据交换网中有着非常广泛的应用。不仅可以用作备份光源，减少库存成本，还可以用来设计更加智能的光网络或者光模块。例如，可调谐激光器和波分复用器件一起可以实现可重构光上载下载复用器；可调谐激光器还可以与半导体光放大器一起构成波长转换器。

目前所提出的单片集成的大范围可调谐半导体激光器大多数都是基于光栅选模，这些激光器由于需要制作光栅，工艺十分复杂，而且所需要的外延片面积也比较大，导致成本很高，阻碍了很多应用的推广。例如，图1为基于调制光栅Y型（MG-Y）可调谐半导体激光器的结构示意图，被报道于″High-speeddirect modulation of widely tunable MG-Y laser″,IEEE Photonics TechnologyLetters,17(6) (2005):1157-1159.这种MG-Y可调谐半导体激光器包含一个增益区，一个共同相位区，一个MMI耦合器，一个微分相位区以及两个光栅，结构十分复杂；该激光器实现单模稳定工作和波长调谐需要调节共同相位区、微分相位区和光栅上的注入电流，这种多电极协调的调谐算法十分复杂，不利于激光器驱动电路的设计和激光器高效批量化生产，而且高昂的成本阻止了应用的推广。

为了提供廉价的可调谐半导体激光器，何建军于2006年提出了一种基于V型腔结构的半导体激光器，公开于中国发明专利：″V型耦合腔波长可切换半导体激光器″，专利号ZL 200610154587.7。这种激光器可以实现约20多个信道，100GHz间隔的数字式切换，但是由于该设计只在构成V腔的两个FP谐振腔中的一个FP谐振腔设置了一个无源调谐区，激光器其余部分都为有源，虽然可以实现20多个信道的切换，激射电流阈值比较低，但是高速直接调制的速度受到腔内载流子浓度变化引起的波长跳模的限制，因为在激光器耦合器注入微波信号后，两个FP谐振腔的载流子水平变化不一致，很容易发生激射模式跳变，这样极大程度的限制了该设计的应用；而且该设计想扩大调谐范围覆盖整个C波段或者更大的范围，将必须不断增大有源区的电流以产生热量来移动增益谱，由于大电流的注入，将会使激光的噪声水平很高，线宽特性会恶化，不同信道间的功率差异也十分大，且对于激光器的寿命也会产生明显影响。

发明内容

针对背景技术的不足，本发明的目的在于提供一种高速直调V型耦合腔可调谐半导体激光器，它可以容易的实现高速直接调制，同时又具有一个覆盖整个C波段甚至更大的波长调谐范围，并且可以集成光功率计实现实时片上功率监测。

本发明采用的技术方案是：

技术方案1：

本发明包括半波耦合器、波长参考FP谐振腔和波长调谐FP谐振腔；其特征在于：所述波长参考FP谐振腔由短腔有源波导和短腔无源波导串接构成，波长调谐FP谐振腔由长腔有源波导和长腔无源波导串接构成；短腔有源波导与短腔无源波导的光学长度比例等于长腔有源波导与长腔无源波导的光学长度比例；短腔有源波导和长腔有源波导上设置有调制信号电极，长腔无源波导上设置有波长调谐电极。

所述短腔无源波导上设置有波长微调电极。

所述短腔有源波导和长腔有源波导上设置有加热薄膜电阻，加热薄膜电阻在调制信号电极上方，加热薄膜电阻和调制信号电极之间有一层电绝缘薄层；加热薄膜电阻两侧分别设置有上热空气隔离槽和下热空气隔离槽。

技术方案2：

本发明包括半波耦合器、波长参考FP谐振腔和波长调谐FP谐振腔；其特征在于：所述波长参考FP谐振腔由短腔有源波导和短腔无源波导串接构成，波长调谐FP谐振腔由长腔有源波导和长腔无源波导串接构成；短腔有源波导与短腔无源波导的光学长度比例等于长腔有源波导与长腔无源波导的光学长度比例；短腔有源波导和长腔有源波导上设置有调制信号电极，长腔无源波导上设置有波长调谐电极，短腔无源波导上设置有波长微调电极；所述短腔无源波导通过短腔深刻蚀槽串接有短腔PD有源波导，短腔PD有源波导上设置有短腔PD电极；长腔无源波导通过长腔深刻蚀槽串接有长腔PD有源波导，长腔PD有源波导上设置有长腔PD电极。

所述短腔有源波导和长腔有源波导上设置有加热薄膜电阻，加热薄膜电阻在调制信号电极上方，加热薄膜电阻和调制信号电极之间有一层电绝缘薄层；加热薄膜电阻两侧分别设置有上热空气隔离槽和下热空气隔离槽。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

1）本发明无需制作光栅，结构简单，成本低，成品率高。

2）本发明无需多电极协同调谐，调谐算法简单。

3）本发明两个FP谐振腔采用对称型设计，都设置有无源段，大于或等于10Gbps速率的高速直调时不会跳模，容易实现所有信道的高速直接调制。

4）本发明采用加热薄膜电阻在半波耦合器区域来产生热以移动增益谱，实现整个C波段甚至更大的波长调谐范围，却不会影响激光器的线宽特性、出射功率均衡性、噪声特性以及工作寿命。

5）本发明提供了片上集成光功率计，减少了封装成本，增加了模块稳定性。

附图说明

图1为背景技术中基于调制光栅Y型（MG-Y）可调谐半导体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个实施例中输出功率和调制信号电极注入电流之间的功率-电流曲线。

图4是第1个实施例中改变波长调谐电极注入电流得到的静态调谐特性图。

图5是第1个实施例中快速改变波长调谐电极注入电流得到的波长切换瞬时响应图。

图6是第1个实施例中进行10Gbps直接调制的眼图。

图7是本发明第2个实施例的结构示意图。

图8是本发明第3个实施例的结构示意图。

图9是本发明第4个实施例的结构示意图。

图中：1、半波耦合器，2、波长参考FP谐振腔，3、波长调谐FP谐振腔,101、短腔有源波导，102、长腔有源波导，103、短腔无源波导，104、长腔无源波导，105、短腔PD有源波导，106、长腔PD有源波导，111、深刻蚀面，112、上热空气隔离槽，113、下热空气隔离槽，114、短腔深刻蚀槽，115、长腔深刻蚀槽，121、调制信号电极，122、波长微调电极，123、波长调谐电极，124、短腔PD电极，125、长腔PD电极，131、加热薄膜电阻。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图2所示，是本发明高速直调V型耦合腔可调谐半导体激光器的第1个实施例。本发明包括半波耦合器1、波长参考FP谐振腔和波长调谐FP谐振腔；所述波长参考FP谐振腔2由短腔有源波导101和短腔无源波导103串接构成，波长调谐FP谐振腔3由长腔有源波导102和长腔无源波导104串接构成；短腔有源波导101与短腔无源波导103的光学长度比例等于长腔有源波导102与长腔无源波导104的光学长度比例；短腔有源波导101和长腔有源波导102上设置有调制信号电极121，长腔无源波导104上设置有波长调谐电极123。

所述短腔无源波导103上设置有波长微调电极122。

无源波导可以通过偏置量子阱技术或者量子阱混杂等能带技术实现。

激光器工作时，调制信号电极121上注入带调制信号的电流，提供随信号变化的增益，还可以通过偏置电流提供一定范围内的相位调整；改变波长调谐电极123的注入电流可以实现快速波长调谐。对于整个激光器而言，调制信号电极121和波长调谐电极123一起工作就可以保证激光器的正常工作了；当然增加波长微调电极122可以增加激光器波长调谐的灵活性，通过波长微调电极122注入电流也可以切换波长，不过方向与通过波长调谐电极123来调谐相比，切换方向是反方向的，另外，波长微调电极122与波长调谐电极123协调调谐时可以提供相位调整，用来实现小范围的波长连续微调。

如图3所示，是第1个实施例中输出功率和调制信号电极注入电流之间的功率-电流曲线，该曲线是波长微调电极122和波长微调电极122都偏置在18mA时计算得到。可以看出激光器的激射阈值电流为35mA，调制信号电极121注入电流为100mA时，输出功率约为9.5mW,性能比较理想，满足了大多数情况下的要求。如图4所示，是第1个实施例中改变波长调谐电极注入电流得到的静态调谐特性图，该曲线是在波长参考FP谐振腔2和波长调谐FP谐振腔1分别为420μm和440μm，调制信号电极121和波长微调电极122分别偏置在100mA和18mA时计算得到，可以看到21个信道切换可以实现，而且电流变化范围仅仅为9mA到24mA，调谐效率很高。

如图5所示，是第1个实施例中快速改变波长调谐电极注入电流得到的波长切换瞬时响应图。由于是采用的无源波导利用载流子注入效应来进行调谐，波长切换速率非常快，由图中可以看到在低于8ns的情况下，激射波长就可以稳定切换到对应波长。

对于直接调制，无论载流子浓度如何变化，只有在满足：

$\frac{n_{12}{L}_{12}}{L_{11}}=\frac{n_{22}{L}_{22}}{L_{21}}---\left(1\right)$

时，才能实现无跳模工作。其中L₁₁、L₁₂、L₂₁和、L₂₂分别为短腔有源波导101、短腔无源波导103、长腔有源波导102和长腔无源波导104的长度，n₁₂和n₂₂分别是短腔无源波导103和长腔无源波导104对应的折射率，只要n₁₂和n₂₂不随调制信号变化而变化即可实现无跳模直接调制。

载流子浓度由：

$\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dt}}=\frac{J}{\mathrm{de}}-\mathrm{AN}-{\mathrm{BN}}^2-{\mathrm{CN}}^3-{2\mathrm{gv}}_{g}P---\left(2\right)$

描述，其中N为载流子浓度，J为注入电流密度，d为有源区厚度，e为电子电量，A、B和C分别为非辐射复合系数、双分子复合系数和俄歇复合系数，g为增益系数，v_g为群速度，P为光功率。对于有源波导而言，如果光功率发生变化，式(2)中2gv_gP这一项将会明显影响载流子浓度；但是对于无源波导，由于增益系数g几乎为零，2gv_gP这一项对载流子浓度的影响可以忽略。

对于高速直接调制而言，中国发明专利：″V型耦合腔波长可切换半导体激光器″（专利号ZL 200610154587.7）的直接调制速率受到限制，这是由于它的设计中两个FP谐振腔不对称，其中波长参考FP谐振腔2是全有源的，这样耦合区调制电流在变化时，由于光功率实时变化，受式(2)中2gv_gP的影响，参考FP谐振腔2中并非只有耦合器部分的载流子浓度在变化，而是所有区域的的载流子浓度都在变化；但是波长调谐FP谐振腔3中只有长腔有源波导102中的载流子浓度在变化，长腔无源波导104中的载流子浓度却不受影响。由于波导的折射率随载流子浓度变化，这样式（1）就没法满足，故直接调制可能造成跳模。

但是对于本发明提出的设计方案，波长参考FP谐振腔2由短腔有源波导101和短腔无源波导103构成，波长调谐FP谐振腔3由长腔有源波导102和长腔无源波导104构成。这样调制信号电极121上注入大信号的RF信号时，短腔无源波导103和长腔无源波导104中的载流子浓度不会随光功率发生变化，而且由于短腔有源波导与短腔无源波导的光学长度比例等于长腔有源波导与长腔无源波导的光学长度比例，这样(1)式可以一直被满足，使得两谐振腔的谐振模波长随有源波导中的载流子浓度变化同步移动，不会跳模，可以实现高速直接调制。

如图6所示，是第1个实施例中进行10Gbps直接调制的眼图，消光比达到了8dB，可以满足接入网以及一些互联网络的要求。另外，我们可以通过优化电极设计和波导的宽度，可以实现更高的直接调制速率。

如图7所示，是本发明高速直调V型耦合腔可调谐半导体激光器的第2个实施例。所述短腔有源波导101和长腔有源波导102上设置有加热薄膜电阻131，加热薄膜电阻131在调制信号电极121上方，加热薄膜电阻131和调制信号电极121之间有一层电绝缘薄层进行隔离；加热薄膜电阻131两侧分别设置有上热空气隔离槽112和下热空气隔离槽113对热进行限制。

本发明与第1个实施例的差别在于本发明在第1个实施例的基础上增加了加热薄膜电阻131、上热空气隔离槽112和下热空气隔离槽113。

可以通过加热薄膜电阻131加热半波耦合器1区域的有源波导，这样增益材料的增益谱会红移；半波耦合器1的最佳耦合条件也会红移，如此该设计可以取得更大范围的调谐范围，并不会对噪声和线宽产生影响，而且可以兼得实施方案1中所有的特性。

这种热调谐加电调谐的设计无法在所有信道间实现快速调谐，但是可以在每个自由光谱范围内可以实现快速调谐，这足以满足一些应用的要求。

如图8所示，是本发明高速直调V型耦合腔可调谐半导体激光器的第3个实施例。本发明包括半波耦合器1、波长参考FP谐振腔和波长调谐FP谐振腔；所述波长参考FP谐振腔2由短腔有源波导101和短腔无源波导103串接构成，波长调谐FP谐振腔3由长腔有源波导102和长腔无源波导104串接构成；短腔有源波导101与短腔无源波导103的光学长度比例等于长腔有源波导102与长腔无源波导104的光学长度比例；短腔有源波导101和长腔有源波导102上设置有调制信号电极121，长腔无源波导104上设置有波长调谐电极123，短腔无源波导103上设置有波长微调电极122；所述短腔无源波导103通过短腔深刻蚀槽114串接有短腔PD有源波导105，短腔PD有源波导105上设置有短腔PD电极124；长腔无源波导104通过长腔深刻蚀槽115串接有长腔PD有源波导106，长腔PD有源波导106上设置有长腔PD电极125。

本发明与第1个实施例的差别在于本发明在第1个实施例的基础上增加短腔PD有源波导105和长腔PD有源波导106，这两段波导可以用来作为激光器的光功率计，这样可以简化封装工艺；短腔PD电极124和长腔PD电极125也可以合为一个电极；另外短腔深刻蚀槽114和长腔深刻蚀槽115替代了第1个实施例中的深刻蚀面111，可以更大的反射率，让整个激光器的阈值更低。

第3个实施例的制作工艺与第1个实施例的加工工艺一样，区别是为了实现更多的功能，第3个实施例占用了更多的外延片面积。

如图9所示，是本发明高速直调V型耦合腔可调谐半导体激光器的第4个实施例。所述短腔有源波导101和长腔有源波导102上设置有加热薄膜电阻131，加热薄膜电阻131在调制信号电极121上方，加热薄膜电阻131和调制信号电极121之间有一层电绝缘薄层进行隔离；加热薄膜电阻131两侧分别设置有上热空气隔离槽112和下热空气隔离槽113对热进行限制。

本发明与第3个实施例的差别在于本发明在第3个实施例的基础上增加了加热薄膜电阻131、上热空气隔离槽112和下热空气隔离槽113。其中加热薄膜电阻131设置在短腔有源波导101和长腔有源波导102上，加热薄膜电阻131和调制信号电极121之间有一层电绝缘薄层进行隔离；加热薄膜电阻131两侧设置有上热空气隔离槽112和下热空气隔离槽113对热进行限制。

与第2个实施例一样，本实施例可以通过加热薄膜电阻131加热来取得更大范围的调谐范围，并不会对噪声和线宽产生影响，而且可以兼得实施方案3中所有的特性。

Claims (5)

1.一种高速直调V型耦合腔可调谐半导体激光器，包括半波耦合器（1）、波长参考FP谐振腔和波长调谐FP谐振腔；其特征在于：所述波长参考FP谐振腔（2）由短腔有源波导（101）和短腔无源波导（103）串接构成，波长调谐FP谐振腔（3）由长腔有源波导（102）和长腔无源波导（104）串接构成；短腔有源波导（101）与短腔无源波导（103）的光学长度比例等于长腔有源波导（102）与长腔无源波导（104）的光学长度比例；短腔有源波导（101）和长腔有源波导（102）上设置有调制信号电极（121），长腔无源波导（104）上设置有波长调谐电极（123）。

2.根据权利要求1所述的一种高速直调V型耦合腔可调谐半导体激光器，其特征在于：所述短腔无源波导（103）上设置有波长微调电极（122）。

3.根据权利要求2所述的一种高速直调V型耦合腔可调谐半导体激光器，其特征在于：所述短腔有源波导（101）和长腔有源波导（102）上设置有加热薄膜电阻（131），加热薄膜电阻（131）在调制信号电极（121）上方，加热薄膜电阻（131）和调制信号电极（121）之间有一层电绝缘薄层；加热薄膜电阻（131）两侧分别设置有上热空气隔离槽（112）和下热空气隔离槽（113）。

4.一种高速直调V型耦合腔可调谐半导体激光器，包括半波耦合器（1）、波长参考FP谐振腔和波长调谐FP谐振腔；其特征在于：所述波长参考FP谐振腔（2）由短腔有源波导（101）和短腔无源波导（103）串接构成，波长调谐FP谐振腔（3）由长腔有源波导（102）和长腔无源波导（104）串接构成；短腔有源波导（101）与短腔无源波导（103）的光学长度比例等于长腔有源波导（102）与长腔无源波导（104）的光学长度比例；短腔有源波导（101）和长腔有源波导（102）上设置有调制信号电极（121），长腔无源波导（104）上设置有波长调谐电极（123），短腔无源波导（103）上设置有波长微调电极（122）；所述短腔无源波导（103）通过短腔深刻蚀槽（114）串接有短腔PD有源波导（105），短腔PD有源波导（105）上设置有短腔PD电极（124）；长腔无源波导（104）通过长腔深刻蚀槽（115）串接有长腔PD有源波导（106），长腔PD有源波导（106）上设置有长腔PD电极（125）。

5.根据权利要求4所述的一种高速直调V型耦合腔可调谐半导体激光器，其特征在于：所述短腔有源波导（101）和长腔有源波导（102）上设置有加热薄膜电阻（131），加热薄膜电阻（131）在调制信号电极（121）上方，加热薄膜电阻（131）和调制信号电极（121）之间有一层电绝缘薄层；加热薄膜电阻（131）两侧分别设置有上热空气隔离槽（112）和下热空气隔离槽（113）。

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