CN103811999A - 集成信号加载器的半导体光发射装置 - Google Patents

Abstract

一种集成信号加载器的半导体光发射装置，其特征在于，包括：衬底，形成在衬底上的增益元件，集成在所述衬底上的信号加载器，形成在所述衬底上的局部反射器，在衬底的两端镀设有光学功能薄膜，在靠近所述衬底形成有所述增益元件的一端的外部设有反射镜，其构成所述增益元件的外谐振腔，所述衬底上无源区域的长度是所述衬底上的有源区域的长度的0.5-0.95倍。

Description

集成信号加载器的半导体光发射装置

技术领域

本发明属于物联网技术领域，具体涉及物联网中的光通信网络，尤其是一种集成有信号加载器的半导体光发射装置。

技术背景

物联网(将物体联接起来的网络被称为“物联网”)。进一步说，其是利用信息网络将各种信息传感设备，如射频识别RFID装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。

现有的信息网络中，绝大多数采用了光纤通信网络，即所谓的光网，其以光纤为传输媒质的通信方式。常规的光纤通信系统主要由光源、光纤和光检测器组成。光纤由纤芯和包层组成，有单模光纤和多模光纤两种。光源有半导体激光器和半导体发光二极管。光检测器有半导体光电二极管和半导体雪崩光电二极管。常规光纤通信系统的一般工作原理是在发送端对光源进行强度调制，已调制的光信号经光纤传输后，在接收端利用光检测器对光信号进行直接检测。因此，这种系统又称为“光强调制直接检测光纤通信系统”，现正得到广泛的应用。光纤的主要优点是传输信息容量大、传输距离长、重量轻、体积小、抗外界电磁干扰和经济等，广泛用于国际和国内干线通信系统、市内中继系统和各种局域网，并逐步向市内用户网领域发展。光纤通信真正得到发展始于1966年。此后，便以惊人的速度向前发展。到20世纪90年代初，光纤通信系统的实用化水平已为2448Mb/s系统，即一个单模光纤系统可开通35000个话路。今后的发展将是不断提高信息速率，采用各种新技术，如光纤通信复用技术、光纤放大器技术和光孤子技术等;发展新的通信系统，如光纤通信复用系统、光纤全光通信系统、相干光光纤通信系统和光孤子通信系统等;广泛使用光同步数字传输网;发展光纤用户网;实现宽带业务通信等。

在密集型波分多路复用(DWDM)系统的应用中，发射器波长必须锁定在国际电话联合会(ITU)网的ITU标准波长中的一个波长，以满足串扰规范，并确保系统在其寿命(约25年)内可靠运行。自由交易的分布式反馈(DFB)激光器的激光波长是由其内置DFB光栅和半导体波导的折射率所决定的，该激光波长以0.1nm/℃的速率随温度变化。图1示出了一个由Nortel Technology示范的波长锁定的DFB激光器，B.Villeneuve，H.B.Kim，M.Cyr和D.Gariepy等人在题为“A Compact Waveleugth Stabilization Scheme For TelecommunicationTransmitter”的文章中对此作了描述，Digest of the LEOS Summer TopicalMeeting，WDM Components Technol ogy，WD2，19-20，August 13-15，1997，Nontreal Quebec，Canada。一束略微发散的激光112通过法布里—珀罗滤波片或单腔多层电介质滤波器114，由两个间隔很近的、起着孔径作用的光探测器116进行探测。两个光探测器116离半导体激光源118的中心线等间距。因为滤波器114经对准用以控制和监测发射波长，所以每只光探测器116捕获到由发散激光源发出的总立体角中不同的但是重叠的中心部分。如图2所示，产生了两个不同的光谱响应，即根据其角差发生了波长偏移。运算放大器220用差值或鉴别信号222来控制散热器温度，以便把激光波长锁定到ITU波长或中心频率λ0。

图2示出了理想的情况，在这个情况中，两个响应之间的波长偏差粗略地等于其有效带宽，致使中心频率位于ITU波长的中心。但是，为了降低成本，希望去除在这种对波长锁定激光器进行温度控制的形式下用运算放大器220和光电二极管116作波长鉴别所需要的额外外部反馈部件，同时维持或改善温度可靠性。

示于图3和图4的滤波器锁定的外腔激光器已经在最近被提出和示范。这些激光器不需要反馈控制来监测波长，因为已被证明，由电介质制作的滤波器(诸如光纤光栅和多层电介质滤波器)的中心波长对温度的灵敏度(＜0.005nm/℃)小于DFB激光器中所用半导体光栅滤波器对温度的灵敏度。写在光纤中的反射型布喇格光栅建立了精确的激光波长。为布喇格光栅选ITU网中的一个频率。把该频率写入石英光纤的好处是：石英具有较小的热膨胀系数(约5×10-7/℃)，而通过温度补偿可以使谐振布喇格频率的变化忽略不计。

由图3可见，以及如美国专利第5,844,926号所述，半导体激光二极管芯片118在一端小平面132上具有一层减反射(AR)涂层26，小平面132与一段光纤尾纤134光学耦合，尾纤上有一布喇格光栅反射器136，它限定了激光器光学腔的一端，而另一端则由激光器芯片中远离AR涂覆端小平面的反射端小平面138所形成。因此，此布喇格反射器提供了锁定激光器频率的一个手段。

在图4的外腔中，用空气代替了光纤。在这里，以及如美国专利第5,434,874号和美国专利第5,870,417号所描述的，与图3一样，诸如半导体(激光器芯片)118等增益介质具有正面小平面138和背面小平面132两者，其中背面小平面132具有减反射涂层26。来自激光器芯片的光142通过背面小平面132进入外部空气腔。该空气腔包括诸如三棱镜、反射镜、滤波器或光栅等调谐元件162，此元件把具体的激光波长反射回到激光器芯片118。此述光的全程行为142使得激光器通过正面小平面138输出可选择的波长62。因此，通过改变光栅、滤波器或其它调谐元件162的角度可以控制从激光器芯片之正面小平面138输出的光波长62。该腔体还包括准直透镜144，它把芯片背面小平面132发射来的光引导到光栅、滤波片或其它调谐元件162上。

发明内容

为解决现有技术的缺陷和不足，本发明提供一种集成信号加载器的半导体光发射装置，其体积较小，输出信号光质量较高，由于其采用了集成结构故障率明显下降。

一种集成信号加载器的半导体光发射装置，其特征在于，包括：衬底，形成在衬底上的增益元件，集成在所述衬底上的信号加载器，形成在所述衬底上的局部反射器，在衬底的两端镀设有光学功能薄膜，在靠近所述衬底形成有所述增益元件的一端的外部设有反射镜，其构成所述增益元件的外谐振腔，所述衬底上无源区域的长度是所述衬底上的有源区域的长度的0.5-0.95倍。

其中将所述衬底上无源区域的长度是所述衬底上的有源区域的长度的0.5-1倍的好处在于：如果上述数值大于1，也就是说有源区域的长度比无源区域的长度小，这时由于光线的增益长度有限，其发射的光功率将严重不足，如果上述数值小于0.5，也就是说，无源区域的长度较短，这时由于无源区域上需要集成局部反射器和信号加载器，则在有限大小的区域上集成上述部件制造工艺的难度大大增加，制造成本大幅提高。

所述信号加载器为Mach-Zehnder光干涉仪。

所述局部反射器选自：一蚀刻小平面、环形反射镜、分布式布拉格反射镜、

还包括：饱和吸收器，它与衬底构成一体，并使所述增益元件和局部反射器耦合。

在增益元件所在的衬底上具有带隙波长为1570nm的有源层。

所述衬底上的有源区域是指形成有所述增益元件的区域。

所述衬底上的无源区域是指除所述有源区域之外的其它区域。

附图说明

图1是目前技术的波长锁定的DFB激光器的示意图；

图2是来自在空间被分隔的图1的两只光探测器的光谱响应；

图3是目前技术的滤波器锁定的外腔激光器，它具有光纤作为它的外腔的图解图。

图4是目前技术的滤波器锁定的外腔激光器，它具有空气作为它的外腔的图解图。

图5是按照本发明的具有集成调节器的波长锁定的外腔激光器的图解图；

图6是带有一集成信号加载器的波长锁定的外腔激光器，具有图5的局部反射器40，按照本发明以蚀刻小平面的形式来实施的图解图；

图7是带有一集成信号加载器的波长锁定的外腔激光器，具有图5的局部反射器40，按照本发明以波导环形反射镜形式来实施的图解图；

图8是带有一集成信号加载器的波长锁定的外腔激光器，具有图5的局部反射器40，按照本发明的以分布式布喇格反射器的形式来实施的图解图；

图9是按照本发明的带有一集成信号加载器和一腐蚀的小平面的模式锁定的外腔激光器的图解图；

图10是按照本发明的带有一集成信号加载器和一波导环形反射镜的模式锁定的外腔激光器的图解图；

具体实施方式：

现在将对本发明几个较佳的实施例进行详细描述，在附图中用图解说明了它们的例子。在整个附图中，在任何可能之处，相同的参考标号代表相同的或类似的部件。图5例示了本发明光发射器的一个实施例，它始终用参考标号10来表示。

按照本发明，本发明发射器包括与用滤波器锁定的外腔激光器12集成的光信号加载器14。除为了增添本发明集成信号加载器之外，此集成方法还修改了如图3与4常规使用的基础性滤波器锁定外腔激光器，构筑了波长锁定的外腔激光器。

正如在这里实施的以及图5所示的，参考图3和4的相似部件，外腔激光器12在半导体波导衬底或芯片24的第一部分上至少包括一个增益元件16，其中芯片24的第一减反射(AR)涂覆小平面26与外腔32耦合，以提供激光器光谱性质或激光效应，不增加有源反馈。通过延伸波导衬底24来形成第二衬底部分34，就能实现本发明的优点。正如在这里实施的且示于图5的，信号加载器14包括诸如电吸收或Mach-Zehnder信号加载器等的调制元件，它生长在衬底24之第二部分或无源区34上，位于局部反射器40和波导衬底24之激光输出端的第二减反射(AR)涂覆小平面56之间，用以提供高速信号加载器。衬底24之第二部分34的其余部分包括局部反射器40和有创造性的AR涂覆小平面56，其中局部反射器40最好是宽带。

按照本发明，要求部分发射器40形成一个经改进的、延伸的激光器腔体的一端。改进型延伸腔体的另一端通常是由一外部反射器或外部反射镜11提供的，如果在一空气腔内，所述外部反射器11最好是图6中的外部波长选择滤波器或其它调谐元件162，如果在一光纤腔内，则所述外部反射器11最好是图3中的布喇格光栅反射器136。局部反射器40作为到达信号加载器14的一个输出端，起发射部分光的作用。另外，相对于诸如外部波长选择反射器162或光栅等外部反射器或反射镜11的带宽来说，局部反射器40是宽带的，使得激光波长唯一地由波长选择滤波器162或布喇格光栅的布喇格波长所决定。

为了在单芯片或衬底24上对光62作外部调制，建立了宽带的局部反射器40，它插入在波导衬底芯片24的增益元件16和信号加载器14之间。第一衬底部分22上的增益元件16作为外腔激光器12的一部分，具有一个带隙波长为1570nm的有源层。如果利用电吸收信号加载器，第二段34上的信号加载器14在波导区具有一个层，其带隙波长为1490nm。通过电吸收信号加载器14，利用电吸收效应对光进行调制。在零偏压下，光通过信号加载器14，几乎没有衰减。在负偏压下，由于信号加载器14的带隙发生红移，所以光被吸收。激光器16的输出在波导24的信号加载器一侧或一端取得。在两上端部小平面26和56上最好施加减反射(AR)涂层，以防止由潜在的组合腔效应而造成的频谱劣化。用于形成这两个衬底部分22和34的制造工艺已被用来建立集成信号加载器的DFB激光器，正如在文章“Performance study of a 10-wavelength DFB laserarray with integrated electroabsorption modulators”中描述的，此文刊于Proc.of IEEE Lasers and Electro-Optics Society Annual Meeting，ThI2，Boston，MA，1996年11月18-21日。

所述衬底芯片24上无源区域34的长度是所述衬底上的有源区域的长度（增益元件16的长度）的0.5-0.95倍。

其中将所述衬底上无源区域34的长度是所述衬底上的有源区域16的长度的0.5-1倍的好处在于：如果上述数值大于1，也就是说有源区域的长度比无源区域的长度小，这时由于光线的增益长度有限，其发射的光功率将严重不足，如果上述数值小于0.5，也就是说，无源区域的长度较短，这时由于无源区域上需要集成局部反射器和信号加载器，则在有限大小的区域上集成上述部件制造工艺的难度大大增加，制造成本大幅提高。

图6和7示出了局部宽带反射器40各种实施例中的至少两种方法。这种带宽的内部局部反射器是由蚀刻小平面(图2)或波导环形反射镜(图3)形成的。尽管图6的蚀刻小平面非常小，但其制造很复杂。可以用一种良好的干蚀刻工艺来制造合适的反射镜，并进行尺寸精度控制，以获得低插入损耗，提供精确的分束比。

在本发明的另一实施例中，正如在这里实施且示于图7的，图5的内部反射器40是一波导环形反射镜404。虽然图7的环形反射镜比图6的蚀刻小平面大，但是环形反射镜易于制造。在上面的两个方法中，由于激光波长由温度灵敏度非常低的图1窄带外部反射器、滤波器、反射镜11或图4和图7中另一种调谐元件162所决定的，所以不需要热电(TE)冷却(例如，采用散热器)和温度控制。

在本发明的另一个实施例中，正如在这里实施且示于图8的，内部局部反射器是一分布式布喇格反射器(DBR)406。用下面用来作为本发明的示范的例子，将使本发明被阐明得更清楚。例1

图5的窄带内部局部反射器40是用图6中无源波导区34内的分布式布喇格反射器(DBR)406提供的。反射带宽可以写成ΔλB~κλ2πn其中κ是光栅耦合杂数，λ是波长，而n是折射率。假设λ＝1.55μm和κ＝100/cm，则反射带宽约为2nm。激光波长由带宽远比内部DBR反射器406窄的外部滤波器62决定。在这个方法中，芯片制造工艺与集成信号加载器DFB激光器的制造工艺完全一样，但光栅被安置在波导34层的部分上，而不是安置在有源层22的顶上。由于内部反射带很窄，所以需要把芯片温度控制在±10℃，以保证内部反射带与外部滤波器162的中心波长交叠。但是，为提供有源反馈所做的波长监控不需要了。

在另一实施例中，正如在这里实施且示于图9和10的，光发射器还包括与增益元件16一样生长在同一有源层上的可饱和吸收器72，它位于增益元件16与局部反射器之间，其中局部反射器可以是图5中的蚀刻小平面402形式、图10中的环形反射镜形式，或者任何其它合适的局部反射器形式。现在改进图9和10的波长锁定激光器，以制成模式锁定的激光器。还可以实施如上所述的制造工艺，用一集成信号加载器构造这种模式锁定激光器，用于时分多路复用(TDM)系统应用。与增益元件16一样被制作或生长在有源层上的可饱和吸收器72集成在芯片上，以光在外腔32内的全程反射时间所确定的速率启动模式锁定。于是，集成信号加载器14调制反复的窄脉冲，发射信号。将在时域中交错来自若干模式锁定激光器的输出，以提高总的信息通过量。因此，通过去除分立调制器通常所需的光引出端，明显节约了成本。

对于本领域普通技术人员来说，根据所需外腔激光器的类型对本发明外腔32作出修改和变化是显而易见的。例如，图5-10的外腔可以由图3的光纤腔而不是空气腔来完成。

对于本领域技技人员来说，在不背离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明作各种修改和变化。因此，只要它们包括在所附的权利要求书及其等效技术方案的范围内，本发明试图覆盖这些修改和变化。

Claims (7)

1.一种集成信号加载器的半导体光发射装置，其特征在于，包括：衬底，形成在衬底上的增益元件，集成在所述衬底上的信号加载器，形成在所述衬底上的局部反射器，在衬底的两端镀设有光学功能薄膜，在靠近所述衬底形成有所述增益元件的一端的外部设有反射镜，其构成所述增益元件的外谐振腔，所述衬底上无源区域的长度是所述衬底上的有源区域的长度的0.5-0.95倍。 

2.如权利要求1所述的光发射装置，所述信号加载器为Mach-Zehnder光干涉仪。 

3.如权利要求1所述的光发射装置，所述局部反射器选自：一蚀刻小平面、环形反射镜、分布式布拉格反射镜。 

4.如权利要求1所述的光发射装置，还包括：饱和吸收器，它与衬底构成一体，并使所述增益元件和局部反射器耦合。 

5.如权利要求1所述的光发射装置，在增益元件所在的衬底上具有带隙波长为1570nm的有源层。 

6.如权利要求1所述的光发射装置，所述衬底上的有源区域是指形成有所述增益元件的区域。 

7.如权利要求1所述的光发射装置，所述衬底上的无源区域是指除所述有源区域之外的其它区域。 

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