CN103986063B - 一种基于带通滤波结构的单纵模半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于带通滤波结构的单纵模半导体激光器，其横向结构即x‑y截面所示的结构为脊波导结构，由自下而上依次排列的N型电极(1)、衬底(2)、下包层(3)、下分别限制层(4)、应变多量子阱有源层(5)、上分别限制层(6)、上包层(7)、上包层脊条部分(8)、P型电极(9)组成；其纵向结构即沿z方向所示的结构是由普通的FP腔(10)和位于该腔内的一个带通滤波单元(11)组成，该带通滤波单元设有斜槽。本发明具有结构简单、制作工艺简单和制作成本低等优点，可满足G/10GPON‑FTTH网络中ONU应用对高成品率、低成本单纵模激光器的要求。

Description

一种基于带通滤波结构的单纵模半导体激光器

技术领域

本发明涉及激光器，特别是一种基于带通滤波结构单纵模半导体激光器。

背景技术

光纤到户(FTTH)网络中光网络单元(ONU)的所有成本，需要由单个用户承担，因此，在ONU中使用低成本的光电器件对该技术的普及发展至关重要。参见文献[1](W.P.Huang,X.Li,et al.,Invited tutorial IEEE/OSA J.of Lightwave Technol.,25(1),11-27,2007.)，在ONU中所涉及到的各个光电器件成本中，光源(激光器)占了最大的份额(激光器成本是整个ONU成本的70％左右)。于是，研制低成本又能满足FTTH网络中ONU对光源性能要求的半导体激光器是关系到能否使FTTH网络迅速普及推广的关键问题之一。

制作成本低而成品率高的Fabry-Perot(FP)腔半导体激光器是多纵模工作的，这使得其无法用于以吉比特及10吉比特无源光网络(G/10GPON)技术所构建的FTTH网络。各类依赖光栅结构例如分布反馈(DFB)或分布Bragg反射(DBR)以及外腔结构的半导体激光器尽管以单纵模运转，因而可以满足G/10GPON-FTTH网络中对ONU的光源性能要求，但其制作成本高，成品率比FP腔激光器低得多。并且这类激光器一般在使用时还必须采用光隔离器以避免由出光端面反射进入的外部光影响单模工作的稳定性，从而进一步增加了成本。

国内外对动态单纵模激光器的研究历史长久，成果众多。归纳起来，单纵模运转的实现主要有三种途径，即通过耦合腔(包括外腔)结构、DFB结构及DBR结构。

由文献[2](N.Olsson,and W.Tsang,United States Patent4785454,1988.)、文献[3](L.Coldren,and T.Koch,IEEE/OSA J.of Lightwave Technol.,2,1045-1051,1984.)以及文献[4](Yin Wang,Youguang Yang,Sen Zhang,Lei Wang,and Jian-Jun He，IEEE/OSA J.of LightwaveTechnol.,24(14),1233-1235,2012.)可知，耦合腔结构激光器对腔长等器件参数的控制要求极为严格。例如文献[4]利用两个垂直于脊波导的直槽形成耦合腔结构，其总腔长的精度无法通过普通的管芯解理工艺保证而需采用复杂的刻蚀工艺形成器件的两个端面。此外，此类器件封装或偏置的复杂性也会导致高成本及低可靠性。报道DFB激光器也有许多种类，依其光栅设计的不同可分为：折射率耦合均匀光栅型(参见文献[5]，H.Kogelnik,and C.Shank,Appl.Phys.Lett.,18(4),152-154,1971)，折射率耦合相移光栅型(参见文献[6]，H.Haus,and C.Shank,IEEE J.of Quantum Electron.,12(9),532-540,1976.)，以及折射率/增益混合耦合型(参见文献[7]，Y.Luo et al.,Appl.Phys.Lett.,56,1620-1622,1990.)。与FP腔内光在到达端面前左、右行波之间独立传输而互不干涉不同，DFB腔内的两个相向行波因受光栅的部分反射而边传播边耦合，通过光栅设计，相位匹配的条件可被控制而达成单纵模运转。然而，制作最简单的折射率耦合均匀光栅DFB激光器本质上是双模工作的。为避免双模激射，对此种激光器的两端必需加以非对称镀膜以破坏其结构对称性(参见文献[8]，W.Streifer,R.Burnham,and D.Scifres,IEEE J.of Quantum Electron.,11(4),154-161,1975.)。然而，由于器件端面解理位置的不确定性以及器件的制作工艺问题，该器件单纵模运转的成品率只有20％～30％。采用1/4波长相移光栅(参见文献[6])后，单模运转可以直接达成。尽管以此种结构为代表的DFB激光器是目前最为成熟的动态单纵模激光器产品，但其光栅制作较为复杂，并且该器件在性能上仍有下述缺点：

(1)由后端面发射的光(占总光功率的50％)因无法利用而被浪费；

(2)对外部光反馈极为敏感。

此外，折射率/增益混合耦合型光栅结构通过破坏光谱中Bragg波长两侧模式的增益或损耗对称性而抑制一边的模式，从而可实现单模运转。尽管对此结构的优秀特性及高成品率有过许多报道，这种激光器却一直未能成为流行产品，通常认为其主要原因是折射率/增益混合耦合型光栅结构的介入会引起器件的可靠性问题。参见文献[9](Z.Fan,P.Heim,J.Song,M.Dagenais,et al.,Proc.SPIE3491,185-188,1998)，该文献公布的DBR激光器利用了无源的Bragg光栅作为激光器的端面反射器以替代FP腔中的镜面反射。一旦Bragg光栅反射带被设计为只有一个FP腔模落入其内，单模运转条件即可达成。然而，DBR结构的缺点在于：(1)需要无源光栅波导与有源区波导的单片集成对接生长技术；(2)无源光栅区必需具有一定长度以达到要求的边模抑制比。

现行的G/10GPON-FTTH网络中ONU的光源普遍采用基于折射率耦合均匀光栅DFB激光器，目前主要存在成品率低及成本高的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于带通滤波结构的单纵模半导体激光器，以满足G/10GPON-FTTH网络中ONU应用对高成品率、低成本单纵模激光器的要求。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的基于带通滤波结构的单纵模半导体激光器，其横向结构即x-y截面所示的结构为脊波导结构，由自下而上依次排列的N型电极、衬底、下包层、下分别限制层、应变多量子阱有源层、上分别限制层、上包层、上包层脊条部分、P型电极组成；其纵向结构即沿z方向所示的结构是由普通的FP腔和位于该腔内的一个带通滤波单元组成，该带通滤波单元设有斜槽。

所述的带通滤波单元由两个斜槽，以及两个斜槽两侧未刻蚀的脊条部分组成。

所述两个斜槽具有相同的结构尺寸，并且满足：

1)槽宽 $b=(2k+1)\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{{4n}_2},k=\mathrm{0,1,2},......$ 公式(1)

其中：λ₀为激射模式在真空中的波长，n₂为斜槽内部即向下刻蚀区域内的有效折射率；

2)两个斜槽的间距 $a=m\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{{2n}_1},m=\mathrm{0,1,2},......$ 公式(2)

其中：λ₀为激射模式在真空中的波长，n₁为斜槽外部脊条部分即未向下刻蚀的脊条区域的有效折射率。

所述的两个斜槽是从上包层脊条部分的顶部向下刻蚀形成；所述的两个斜槽刻蚀的深度可根据器件单模特性的要求和工艺条件确定，通常可以刻蚀至上包层脊条部分以下、衬底以上。

所述的两个斜槽与y方向具有一定夹角θ，也即斜槽与光在所述单纵模半导体激光器内的传播方向不垂直；对于不同的材料体系以及所述单纵模半导体激光器的结构尺寸，θ的最佳设计值不同，取值范围为3°＜θ＜10°。

所述的两个斜槽由普通光刻加刻蚀工艺制作形成；斜槽内部为空气，或填充包括二氧化硅的低折射率绝缘材料。

所述的带通滤波单元为无源结构，即不对该单元制作独立电极；所述的单纵模半导体激光器运行时，工作电流仅从带通滤波单元之外的普通的FP腔的电极注入。

本发明提供的上述单纵模半导体激光器，其用途是：满足G/10GPON-FTTH网络中ONU应用对高成品率、低成本单纵模激光器的要求。

本发明激光器与现有技术相比具有以下的主要优点：

1.所提供的激光器的制作工艺步骤与已成熟的普通脊波导条形FP腔半导体激光器的制作工艺步骤一致，不需要进行光栅制作。所提供的激光器制作成本较现有基于DFB/DBR结构的器件大大降低。而所提供的激光器输出的单模特性与现有的基于光栅结构的DFB/DBR激光器相当。

2.带通滤波单元11为无源结构，无电流注入，因而无需对滤波单元制作独立电极。本激光器电极制作简单，并且工作控制简单。

3.本激光器的工作不基于耦合腔原理，对本激光器的总腔长以及带通滤波单元11离端面的距离无严格要求，因而本激光器端面可采用普通的管芯解理工艺完成。

5.由于本激光器不包含光栅结构，激射模式对端面相位条件不敏感，外部反馈光对单模运转的稳定度影响小，因而这种激光器结构简单，且在使用中不需要光隔离器。

6.由于本激光器不包含光栅结构，因而这种激光器结构简单，且不存在由光栅在端面处的随机相位导致的成品率下降问题。

附图说明

图1为本发明激光器的立体示意图。

图2为本发明主要创新部件带通滤波单元的y-z面俯视图及带通滤波单元的工作原理示意。

图3为本发明激光器的工作原理示意图。

图4是未采用本发明所提供的技术的激光器输出光功率谱图。

图5是采用了本发明所提供的技术的激光器输出光功率谱图。

图6为未采用本发明所提供的技术的激光器输出“功率-电流-电压”曲线。

图7为采用了本发明所提供的技术的激光器输出“功率-电流-电压”曲线。

图中：1.N型电极； 2.衬底； 3.下包层； 4.下分别限制层； 5.应变多量子阱有源层；6.上分别限制层； 7.上包层； 8.上包层脊形部分； 9.P型电极； 10.普通FP腔； 11.带通滤波单元； 12.斜槽； 13.斜槽； 14.带通滤波单元11内上包层脊条未刻蚀部分。

具体实施方式

本发明提供的基于带通滤波结构单纵模半导体激光器，通过在FP腔半导体激光器中插入一个由双斜槽构成的带通滤波单元，利用该单元对传播光场的谐振隧穿效应，使该单元的透射谱具有带通滤波特性，从而实现FP腔半导体激光器的单纵模运转。本发明提供的器件具有类似于DFB激光器的特性，但只需要类似于FP激光器的制作工艺和成本，并具有类似于FP激光器的成品率。因而可以解决G/10GPON-FTTH网络中ONU光源现存的主要问题。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

本发明提供的基于带通滤波结构的单纵模半导体激光器(以下简称器件)，其结构如附图1所示，其横向结构(x-y截面)为脊波导结构，由自下而上依次排列的N型电极1、衬底2、下包层3、下分别限制层4、应变多量子阱有源层5、上分别限制层6、上包层7、上包层脊条部分8、P型电极9组成；其纵向结构(z方向)由普通FP(Fabry-Perot)腔10和位于该腔内的一个带通滤波单元11组成。

本发明器件中的编号2至编号8的部件可以采用任何用于半导体激光器制作的三五族半导体材料体系，例如但不局限于：

所述衬底2和下包层3可采用砷化镓、磷化铟。

所述下分别限制层4和上分别限制层6可采用铟镓砷、铟镓砷磷、铝镓铟砷。

所述有源层5可采用铟镓砷、铟镓砷磷、铝镓铟砷。

所述上包层7和上包层脊条部分8可采用砷化镓、磷化铟。

本发明器件中的N型电极1和P型电极9为金属电极层，例如但不局限于：

所述N型电极1可采用钛、铂、金三种金属自下而上叠加而成。

所述P型电极9为金、锗、镍三种金属自下而上叠加而成。

本发明器件中的FP腔10的纵向腔长为220μm,两端面为自然解理面。

本发明器件中的带通滤波单元11为本发明的关键创新部件，沿z方向处于普通FP腔10的中间或该腔的其它部位。该带通滤波单元由上包层脊条部分8的顶部向下方(沿-x方向)刻蚀形成的斜槽12、斜槽13，以及此两个斜槽两侧未刻蚀的脊条部分14组成。该带通滤波单元沿z方向的长度需小于激光器沿z方向总腔长的1/10，以减小光场的损耗，保证未加注入的带通滤波单元在形成单纵模激射的同时，对激光器的其它性能几乎不产生影响。例如，对于总腔长为220μm的激光器，带通滤波单元长度在22μm以内。

所述带通滤波单元为无源结构，无电流注入，即不对该单元制作独立电极。器件运行时，工作电流仅从带通滤波单元11之外的FP腔的电极注入。

所述斜槽12和斜槽13通过在上包层脊条部分8的顶部采用普通光刻加刻蚀工艺制备完成，斜槽内部可为空气或填充包括二氧化硅的低折射率绝缘材料。

所述斜槽12和斜槽13具有相同的结构尺寸，并且满足：

1)槽宽 $b=(2k+1)\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{{4n}_2},k=\mathrm{0,1,2},......$ 公式(1)

公式(1)中：λ₀为激射模式在真空中的波长，n₂为斜槽内部即向下刻蚀区域内的有效折射率。可知，斜槽宽b由器件设计所要求的激射波长λ₀、构成器件的材料体系以及器件制作的工艺水平共同决定。

2)两个斜槽的间距 $a=m\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{{2n}_1},m=\mathrm{0,1,2},......$ 公式(2)

公式(2)中：λ₀为激射模式在真空中的波长，n₁为斜槽外部脊条部分即未向下刻蚀的脊条区域的有效折射率。可知，斜槽间距a由器件设计所要求的激射波长λ₀、构成器件的材料体系以及器件制作的工艺水平共同决定。

3)两斜槽刻蚀的深度可根据器件单模特性的要求和工艺条件确定。通常可以刻蚀至上包层脊条部分8以下，衬底2以上。

4)两斜槽与y方向具有一定夹角θ，也即槽与光在器件内的传播方向(z方向)不垂直。对于不同的材料体系以及器件结构，θ的最佳设计值不同。一般取值范围为3°＜θ＜10°。

5)带通滤波单元11离两个斜槽端面的距离无严格要求，通常放在器件的中心区域(沿传播方向z方向)。

如图2所示，本发明器件所要求的激射模式在真空中的波长λ₀为1.32μm，在该波长处，斜槽12和斜槽13对于器件内部光场产生的两个反射波A和反射波B发生相消性叠加，从而形成最大透射峰值，也即谐振隧穿效应，从而使得双槽的透射谱具有带通滤波选模特性。该带通滤波特性可以滤除器件内部通带外的纵模，完成模式筛选，达到单模运转条件。

由上述公式(1)和公式(2)得到带通滤波单元的主要结构参数为：槽间隔a≈5.8μm，槽宽b≈1.1μm；

双斜槽与y方向夹交θ≈4°，也即槽与光在器件内的传播方向(z方向)不垂直，以便使反射光无法被波导所导引，从而只留下透射光完成预定的带通滤波功能。

双斜槽从上包层脊条部分8的顶部向下刻蚀至包层7之中，刻蚀深度约为1.7μm。

满足上述要求的带通滤波单元11，可使得其透射谱具有高锐度通带边沿的窄带滤波特性。滤波选模的原理可以结合带通滤波单元的俯视图(附图2)和器件工作原理图(附图3)说明。如图2所示，入射波在两个槽高低折射率交界面上分别产生的反射波A和反射波B在左侧第一个槽的入射界面处产生相消性叠加，从而在要求的激射波长λ₀处，带通滤波单元的总反射为零，透射谱形成最大透射峰值，也即发生谐振隧穿效应。如图3所示，将带通滤波单元插入普通FP腔激光器后，带通滤波单元的透射谱呈现的带通特性可以对普通FP腔激光器的多个纵模形成滤波选模效应，从而滤除带通滤波单元透射谱通带外的纵模，达到单模运转条件。

本实施例对上述基于带通滤波结构的单纵模半导体激光器进行了测试，其测试结果参见附图4至附图7：

附图4和附图5分别为未采用和采用了本发明所提供的技术的激光器输出光功率谱，结果表明：表征单模特性的性能指标“边模抑制比”由2dB提高至36dB，达到单模工作条件。“边摸抑制比”定义为输出光功率谱中输出光功率最大的模式的功率分贝(dB)值与输出光功率第二大的模式的功率分贝(dB)值的差。

附图6和附图7分别为未采用和采用了本发明所提供的技术的激光器输出的“功率—电流—电压”曲线。比较附图6和附图7可知，采用了本发明所提供的技术的激光器的阈值电流、斜效率和功耗，与未采用本发明所提供的技术的激光器的阈值电流、斜效率和功耗相比，差别分别为2mA、0.01mW/mA和0.4mW。如附图6所示，阈值电流一般定义为：使得激光器达到激射条件，开始产生输出功率时的电流输入值；斜效率通常是在给定工作电流的前提下计算，定义为：在给定工作电流处，“功率—电流”曲线的斜率即输出功率变化小量除以输入电流变化小量。工作电流通常取在阈值电流加20mA处；器件功耗一般定义为器件的工作电流和对应工作电压的乘积。因此，比较附图6和附图7可知，激光器的阈值电流、斜效率和功耗等性能在采用了带通滤波单元的新结构后基本未受影响。

本发明提供的器件的制作成本与目前普遍采用的基于折射率耦合均匀光栅DFB激光器的制作成本相比，降低了约80％；本发明提供的器件的成品率与目前普遍采用的基于折射率耦合均匀光栅DFB激光器的成品率相比，如均以边模以抑制比大于30dB为衡量标准，成品率大约提高了30％。

本发明提供的上述单纵模半导体激光器，其用途是：满足G/10GPON-FTTH网络中ONU应用对高成品率、低成本单纵模激光器的要求。

Claims (8)

1.一种基于带通滤波结构的单纵模半导体激光器，其特征在于其横向结构即x-y截面所示的结构为脊波导结构，由自下而上依次排列的N型电极(1)、衬底(2)、下包层(3)、下分别限制层(4)、应变多量子阱有源层(5)、上分别限制层(6)、上包层(7)、上包层脊条部分(8)、P型电极(9)组成；其纵向结构即沿z方向所示的结构是由普通的FP腔(10)和位于该腔内的一个带通滤波单元(11)组成，该带通滤波单元设有斜槽，该斜槽与y方向具有一定夹角θ，也即斜槽与光在所述单纵模半导体激光器内的传播方向不垂直。

2.根据权利要求1所述的单纵模半导体激光器，其特征在于所述的带通滤波单元(11)由两个斜槽，以及两个斜槽两侧未刻蚀的脊条部分(14)组成。

3.根据权利要求2所述的单纵模半导体激光器，其特征在于所述两个斜槽具有相同的结构尺寸，并且满足：

1)槽宽

其中：λ₀为激射模式在真空中的波长，n₂为斜槽内部即向下刻蚀区域内的有效折射率；

2)两个斜槽的间距

其中：λ₀为激射模式在真空中的波长，n₁为斜槽外部脊条部分即未向下刻蚀的脊条区域的有效折射率，两个斜槽的间距a和槽宽b均为沿z方向上定义的距离。

4.根据权利要求3所述的单纵模半导体激光器，其特征在于所述的两个斜槽是从上包层脊条部分(8)的顶部向下刻蚀形成；所述的两个斜槽刻蚀的深度为刻蚀至上包层脊条部分(8)以下，衬底(2)以上。

5.根据权利要求4所述的单纵模半导体激光器，其特征在于所述的两个斜槽与y方向具有一定夹角θ，也即斜槽与光在所述单纵模半导体激光器内的传播方向不垂直；对于不同的材料体系以及所述单纵模半导体激光器的结构尺寸，θ的最佳设计值不同，取值范围为3°＜θ＜10°。

6.根据权利要求4所述的单纵模半导体激光器，其特征在于两个斜槽由普通光刻加刻蚀工艺制作形成；斜槽内部为空气，或填充二氧化硅。

7.根据权利要求1所述的单纵模半导体激光器，其特征在于所述的带通滤波单元(11)为无源结构，即不对该单元制作独立电极；所述的单纵模半导体激光器运行时，工作电流仅从带通滤波单元(11)之外的普通的FP腔(10)的电极注入。

8.权利要求1至7中任一权利要求所述单纵模半导体激光器的用途，其特征在于该单纵模半导体激光器满足G/10GPON-FTTH网络中ONU应用对高成品率、低成本单纵模激光器的要求。