CN104184045A - 一种定波长单纵模工作的脊波导分布反馈半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种定波长单纵模工作的脊波导分布反馈半导体激光器，其主体是在单个半导体激光器管芯上构成的双脊条脊波导结构，两脊条平行且具有相同的长度；两脊条之一相对于另一脊条的宽度在靠近所述激光器背向端面一侧局部有所加宽。如此，本发明可实现两个脊条在背向端面处光场反射率相位相差π,从而使得两脊条其中之一在所述激光器的前向端面处总能在布拉格(Bragg)阻带的指定一边的波长激射，因而达到实现定波长单纵模工作之目的，且制作成本较低。

Description

一种定波长单纵模工作的脊波导分布反馈半导体激光器

技术领域

本发明涉及激光器，特别是一种在布拉格(Bragg)阻带指定一边波长激射的定波长单纵模工作的分布反馈(DFB)半导体激光器。

背景技术

在过去的几十年里，互联网及多媒体应用的飞速发展使得用户对通信带宽的要求与日俱增。基于波长复用的波分复用(Wavelength Multiplexing Method，简称WDM)技术利用不同波长的光载波信号携带不同的传输信息，在发射端经复用后在同一信道中传输，在接收端通过解复用再将不同的光载波分离，经接收机后恢复各通道的原信号。WDM系统中发射端的多波长光源是该系统发射机中必不可少的光源器件。光源中的各个通道在带宽不断增大的驱动下变得越来越密集。例如，ITU-T规定的密集波分复用(DWDM)系统中通道间隔仅为0.8nm的。这就对光源的波长的准确度提出了严格的要求，也即作为光源的激光器需要有确定的激射波长。

目前实现定波长激射的激光器有折射率耦合型1/4相移光栅DFB结构(参考文献：H.Haus,and C.Shank,IEEE J.of Quantum Electron.,12(9),532-540,1976.)，该结构在Bragg阻带的中心即布拉格波长处存在一个损耗最低的模式，从而实现了定波长即布拉格波长处的单纵模运行。但是其制作工艺复杂，导致成品率很低。此外，该类器件在两端面均要求镀以完美的减反镀膜层以保证器件性能，因而仍存在由无法利用后端面出射光(占总光功率的50％)导致的功率浪费问题。此外，折射率与增益或折射率与损耗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对称模式。而根据增益或损耗光栅相对于折射率光栅的同相分布或反向分布，可以确定的选择布拉格阻带红边或蓝边的波长，从而实现定波长单纵模运转(参考文献：Y.Luo et al.,Appl.Phys.Lett.，56,1620-1622，1990.)。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。DBR激光器(参考文献：Z.Fan,P.Heim,J.Song,M.Dagenais,et al.,Proc.SPIE 3491,185-188,1998)利用了无源的Bragg光栅作为激光器的具有波长选择性的端面反射器以替代FP腔中的镜面反射。Bragg光栅反射最大处的某个FP腔模成为DBR激光器的激射模式，从而也达成在Bragg光栅反射峰值附近定波长单纵模运转条件。然而，DBR结构的缺点在于，其需要无源光栅波导与有源区波导复杂的单片集成对接生长技术，导致成品率和可靠性问题，并且无源光栅区必需具有足够长度以达到要求的边模抑制比，因此器件尺寸较大。目前结构简单、成本低的折射率耦合型均匀光栅DFB激光器通过对两个端面进行非对称镀膜可以破坏两个简并模式的对称性(参考文献：W.Streifer,R.Burnham,and D.Scifres,IEEE J.of Quantum Electron.,11(4),154-161,1975.)，实现单纵模工作运转。然而，在实际的器件生产中，由器件端面解理位置的不确定引起的端面随机相位会导致Bragg阻带任一边的模式都有可能激射。因而，在可以实现单纵模激射的器件中，满足确定一边波长激射的器件成品率仅为50％。

由于通常的折射率耦合型均匀光栅DFB激光器管芯上只有一个脊条，采用均匀光栅并加以端面非对称镀膜后尽管一般可增加单纵模激射的概率，但却无法预先确定单纵模是工作在Bragg阻带哪一边的波长上。从而造成了批量制做时，在满足单纵模激射的激光器中，理论上只有50％成品率的激光器能工作在指定波长上。而其余50％的管芯将工作在间隔至少大于1nm的其它波长上而无法在采用诸如DWDM技术的网络中被使用。

发明内容

本发明提供一种定波长单纵模工作的脊波导分布反馈半导体激光器，以至少能够以低成本的方案解决目前在光纤通信网络中普遍采用的折射率耦合型均匀光栅DFB激光器无法实现确定波长单纵模激射的问题。该低成本方案可应用于需要定波长激射光源器件的应用场景，如采用DWDM技术的网络。

本发明解决上述技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的定波长单纵模工作的脊波导分布反馈半导体激光器，其主体是在单个半导体激光器管芯上具有一种由第一脊条和第二脊条构成的双脊条脊波导结构，两脊条沿z方向平行，并且沿z方向均具有相同的长度；两脊条中，其未加宽脊条部分的沿y方向的宽度均相同，第二脊条在靠近其背向端面的一侧存在局部的沿y方向加宽的部分；所述第二脊条的背向端面处的端面光场反射率相对于第一脊条的背向端面处的端面光场反射率存在π相移。所述双脊条中，其一侧端面为背向端面，另一侧端面是前向端面，该前向端面为信号输出端面。

在单个半导体激光器管芯上形成一种由第一脊条和第二脊条构成的双脊条结构，两脊条均沿z方向平行，并且沿z方向均具有相同的长度；两脊条中，其未加宽脊条部分的沿y方向的宽度均相同，第二脊条在靠近其的背向端面的一侧存在局部的沿y方向加宽的部分。所述激光器的信号输出端面为前向端面，另一侧端面为背向端面。所述激光器的第二脊条的背向端面处的端面光场反射率相对于第一脊条的背向端面处的端面光场反射率存在π相移。

所述的第二脊条的加宽脊条部分沿z方向的长度L_P满足：

$L_P=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{4(n_{\mathrm{eff}}^{\′}-n_{\mathrm{eff}})},$   公式(1)

式中：λ₀为激射模式在真空中的波长，n_eff为第一脊条对应区域的有效折射率，n′_eff是第二脊条在加宽脊条部分即L_P长度对应的区域内的有效折射率。

所述的第二脊条的加宽脊条部分沿y方向的宽度W_P满足：

W_P＞W，  公式(2)

式中：W为第一脊条的宽度，也是第二脊条未加宽部分的宽度；W_P为第二脊条的加宽脊条部分的宽度。W和W_P的取值均满足现有基于单脊条结构的脊波导半导体激光器对脊波导宽度的要求即保证该激光器不产生多横模激射，具体的取值与要求的激射波长以及该激光器的材料相关。对于光纤通信通行采用的两个波长，即1.31μm和1.55μm而言，通常脊波导的宽度通常在1.5μm与3μm之间。

所述第一脊条和第二脊条在y方向的间隔不小于10um。

所述两脊条的前向端面镀有减反膜层；所述两脊条的背向端面镀有高反膜层，或保持自然解理状态。

本发明提供的上述脊波导分布反馈半导体激光器，其在需要定波长激射的光源器件中应用。例如在采用密集波分复用即DWDM技术的网络中的应用。

本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：

1)与采用折射率耦合型相移光栅实现确定波长单纵模工作的方式相比，本发明无需制作复杂的相移光栅，因而制作成本较低；并且，本发明无需对器件两端面均镀减反膜，因而输出功率利用率高。

2)与采用增益或损耗耦合型光栅实现确定波长单纵模工作的方式相比，本发明无需制作性能可靠性较低且工艺步骤复杂的增益或损耗耦合型光栅，因而器件可靠性更高，制作成本较低。

3)与采用无源Bragg光栅实现确定波长单纵模工作的方式相比，本发明不涉及有源与无源波导的单片集成工艺，因而器件可靠性更高，制作成本较低。

4)目前通行采用的非对称镀膜折射率耦合型均匀光栅可以提高单纵模激射的概率，然而其在布拉格(Bragg)阻带的红边或蓝边激射的概率仅占50％。采用本发明提供的技术可以使得确定边波长(红边或蓝边)的单纵模激射理论概率提高一倍。在器件复杂度和制作成本方面：本发明所提供的器件的制作工艺步骤与已成熟的普通脊波导条形均匀光栅DFB腔半导体激光器的制作工艺步骤一致。仅将原有的单条脊波导结构改进为双条结构，其可采用普通光刻加刻蚀工艺与原有脊条同时一次制备完成，无需额外增加工艺步骤。

附图说明

图1为本发明激光器的立体示意图。

图2为本发明激光器的顶部y-z平面的俯视图。

图3为本发明激光器所提供技术的工作原理示意图。

图4为本发明激光器的第一脊条10在该脊条前向端面14的输出光谱图，此时第一脊条工作在红边波长。

图5为图4所述的激光器的第二脊条11在该脊条前向端面14的输出光谱图。

图6为本发明激光器的第二脊条11在该脊条前向端面14的输出光谱图，此时第二脊条工作在红边波长。

图7为图6所述的激光器的第一脊条10在该脊条前向端面14的输出光谱图。

图8比较了当第一脊条10在红边波长单纵模工作，第二脊条11在蓝边波长单纵模工作时，第一脊条10和第二脊条11的功率-电流特性，其分别由实线和虚线表示。

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.缓冲层；8.光栅层；9.上包层；10.第一脊条；11.第二脊条；12.第一脊条上的P型电极；13.第二脊条上的P型电极；14.前向端面；15.背向端面。

具体实施方式

本发明提供的定波长单纵模工作的脊波导分布反馈半导体激光器，其主体是在单个半导体激光器管芯上构成的双脊条脊波导结构，两脊条平行且具有相同的长度；两脊条之一相对于另一脊条的宽度在靠近所述激光器背向端面一侧局部有所加宽。如此，本发明可实现两个脊条在背向端面处光场反射率相位相差π,从而使得两脊条其中之一在所述激光器的前向端面处总能在布拉格(Bragg)阻带的指定一边的波长激射，因而达到实现定波长单纵模工作之目的，且制作成本较低。

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。

目前光纤通信网络中普遍采用的折射率耦合型均匀光栅DFB激光器通常采用非对称镀膜，即背向端面镀高反膜(HR)或保持自然解理面(CL)，另一端前向端面镀减反膜(AR)。该类器件在实际器件制作时，由于器件内部z方向存在的光栅结构，端面解理位置的随机性导致光栅出现随机的残余相位，因而端面反射率的相位在0到2π之间随机分布。而这种端面光场反射率相位的随机分布会导致激光器出现双模工作区域和单模工作区域。而在单模工作状态下，输出的单纵模在布拉格阻带两边的波长上以基本相同的概率分布。经理论分析，单纵模的波长工作在布拉格阻带的哪一边几乎不受器件AR镀膜端面的随机相位φ^AR影响，而受器件HR镀膜或CL自然解理的背向端面随机相位φ^HR或φ^CL影响较大。通过进一步理论分析，如图3所示，这些单模工作区域集中在背向端面相位φ^HR(或φ^CL)＝Kπ+π/2(K＝0,±1,±2,......)附近，并且K取偶数或奇数会选择布拉格阻带某一边的波长激射。布拉格阻带短波长一边称为蓝边，长波长一边称为红边。因此根据K取偶数或奇数，可以将单模工作区分为蓝边单模工作区域和红边单模工作区域。而K的奇或偶与蓝边或红边区域的对应关系和具体的器件材料、结构相关。

为了使得器件可在红边单模工作区域和蓝边单模工作区域之间按要求选择其一，本发明提出一种采用双脊条结构的分布反馈半导体激光器，其第二脊条的背向端面处的端面反射率相对于第一脊条的背向端面处的端面反射率存在π相移。

本发明激光器结构如图1所示，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、缓冲层7、光栅层8、上包层9、第一脊条10、第二脊条11、第一脊条上的P型电极12、第二脊条上的P型电极13组成。其中，第一脊条10和第二脊条11构成的双脊条结构为本发明主体，也即本发明关键创新部件。所述两个脊条中，其一侧端面为背向端面15，另一侧端面是前向端面14，前向端面为信号输出端面。本发明激光器顶部y-z平面的俯视图如图2所示。

本发明所提供的激光器工作原理描述如下：第二脊条11在结构上除了靠近背向端面的一小段的宽条部分，其它与第一脊条10完全相同。第二脊条11的宽条部分的作用为利用加宽脊条的方式，等效的在L_P的长度内产生相对于第一脊条10的单程π/2相移即双程π相移。此双程π相移也即：如图2所示，相对于第一脊条10背向端面的光场反射率R_H，第二脊条11的背向端面光场反射率R′_H产生了π的等效相移。可由下式表示：

R′_H＝R_He^jπ  公式(3)

式中：e表示以自然常数e为底的指数函数；j为虚数单位。

如此，当两条脊中的任一条所对应的器件工作在红边(或者蓝边)单模区域时，另一脊条因为存在满足公式(3)要求的相对相移差而必然处于另一边的单模工作区域，即蓝边(或者红边)单模区域，如图3所示。

本发明所提供的激光器的工作过程描述如下：本发明激光器的P型电极12和P型电极13为各自独立的电极。在工作状态检验阶段，电流从P型电极12和P型电极13分别注入，检测第一脊条10和第二脊条11在其前向端面14分别输出的光谱。当两条脊条之一为红边(或蓝边)单纵模工作时，另一脊条必然为蓝边(或红边)单纵模工作。之后，以能够产生指定一边波长工作的脊条上的电极为最终工作电极，完成对本发明激光器的电流注入。

本发明实施例中的激光器的编号1至编号13的部件采用的材料如下：

所述衬底2和下包层3采用的材料为磷化铟；

所述下分别限制层4和上分别限制层6采用的材料为铝镓铟砷；

所述应变多量子阱有源层5采用的材料为铝镓铟砷；

所述缓冲层7、上包层9、第一脊条10和第二脊条11采用的材料为磷化铟；

所述光栅层8采用的材料为铟镓砷磷；

上述部件的构成材料不局限于本实施例所述的材料，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，例如铟镓砷磷-铝镓铟砷-磷化铟、或砷化镓--铝镓砷等材料体系。

所述N型电极1为钛、铂、金合金；所述P型电极12和P型电极13均为金、锗、镍合金。

在本实施例中，所述的前向端面14镀有功率反射率为3％的减反膜层；背向端面15镀有功率反射率为90％的高反膜层。

本实施例中，器件结构如图1和图2所示：其主体也即关键创新部件是具有一种由第一脊条10和第二脊条11构成的双脊条结构，两脊条均沿z方向平行，并且沿z方向均具有相同的长度，为250μm；两脊条的间距S为10μm；两脊条中，其未加宽脊条部分的沿y方向的宽度W均相同，为1.6μm；第二脊条11在靠近其的背向端面的一侧存在局部的沿y方向加宽的部分，加宽部分宽度W_P为2.5μm，满足公式(2)要求；加宽部分长度L_P可由公式(1)计算，在本实施例中，要求的工作波长λ₀在1.31μm左右，并根据本实施例所采用的上述材料体系可知n_eff约为3.2，n′_eff约为3.208，计算得到L_P约为40μm。

本发明激光器中的关键创新部件第一脊条10和第二脊条11可通过制作相应的掩膜版一次普通光刻加刻蚀工艺制备完成。所述普通光刻加刻蚀工艺的一般流程为晶圆表明预处理、匀胶、前烘、曝光、后烘、显影。显影后生成抗蚀剂图形，以此为掩模对衬底表面进行选择性腐蚀。

本实施例对上述基于双脊条结构的半导体激光器进行了理论模拟，要求该激光器在布拉格阻带蓝边实现确定波长单纵模工作，模拟结果参见图4至图8：

附图4为第一脊条10的前向端面14的输出光谱图，结果显示第一脊条10的光场输出呈现红边波长单纵模工作即不满足蓝边波长工作的要求。

附图5为与附图4所述激光器中第一脊条10平行的第二脊条11的前向端面14的输出光谱图，结果表明光场输出为蓝边波长单纵模工作，满足预定要求。因此，该激光器最终工作时将选择第二脊条11上的独立电极作为工作电极，完成对该激光器的电流注入。

附图6为第二脊条11如果处在红边波长单纵模工作状态时其前向端面14的输出光谱图，结果显示第二脊条11的光场输出不满足蓝边波长单纵模工作要求。

附图7为与附图6所述激光器中第二脊条11平行的第一脊条10的前向端面14的输出光谱图，结果表明光场输出已实现蓝边波长的单纵模工作。此时，该激光器最终工作时将选择第一脊条10上的独立电极作为工作电极完成对该激光器的电流注入。

值的注意的是附图4和附图5描述的是同一个激光器上的两个脊条；附图6和附图7描述的是另外的同一个激光器上的两个脊条。

由上述结果可知：采用本发明的双脊条结构的激光器，当两个脊条之一输出的光场不满足要求的单纵模工作波长，两个脊条中的另一条的输出光场总可以满足波长要求。

附图8比较了当第一脊条10和第二脊条11分别工作在红边波长和蓝边波长时，第一脊条10和第二脊条11在前向端面14输出的功率-电流特性，其分别由实线和虚线表示。如附图8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。通过比较可知：所提供器件的第一脊条10和第二脊条11的阈值电流、斜效率等功率输出性能基本相同。因而，选择任一边脊条作为最终工作脊条时，器件的功率输出特性几乎不改变。

Claims (8)

1.一种定波长单纵模工作的脊波导分布反馈半导体激光器，其特征是包括主体，该主体在单个半导体激光器管芯上具有一种由第一脊条(10)和第二脊条(11)构成的双脊条脊波导结构，两脊条沿z方向平行，并且沿z方向均具有相同的长度；两脊条中，其未加宽脊条部分的沿y方向的宽度均相同，第二脊条(11)在靠近其背向端面(15)的一侧存在局部的沿y方向加宽的部分；所述第二脊条(11)的背向端面(15)处的端面光场反射率相对于第一脊条(10)的背向端面(15)处的端面光场反射率存在π相移；所述双脊条中，其一侧端面为背向端面(15)，另一侧端面是前向端面(14)，该前向端面为信号输出端面。

2.根据权利要求1所述的脊波导分布反馈半导体激光器，其特征是第二脊条(11)的加宽脊条部分沿z方向的长度L_P满足：

$L_P=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{4(n_{\mathrm{eff}}^{\′}-n_{\mathrm{eff}})},$

式中：λ₀为激射模式在真空中的波长，n_eff为第一脊条(10)对应区域的有效折射率，n′_eff是第二脊条(11)在加宽脊条部分即L_P长度对应的区域内的有效折射率。

3.根据权利要求1所述的脊波导分布反馈半导体激光器，其特征是第二脊条(11)的加宽脊条部分沿y方向的宽度W_P满足：

W_P＞W，

式中：W为第一脊条(10)的宽度，也是第二脊条(11)未加宽部分的宽度；W_P为第二脊条(11)的加宽脊条部分的宽度。

4.根据权利要求3所述的脊波导分布反馈半导体激光器，其特征是W和W_P的取值均满足现有脊波导半导体激光器对脊条宽度的要求即保证该激光器不产生多横模激射，具体的取值与要求的激光器激射波长以及该激光器的材料相关。

5.根据权利要求1所述的脊波导分布反馈半导体激光器，其特征在于第一脊条(10)和第二脊条(11)在y方向的间隔不小于10um。

6.根据权利要求1所述的脊波导分布反馈半导体激光器，其特征在于所述两脊条的前向端面(14)处镀有减反膜层；所述两脊条的背向端面(15)处镀有高反膜层，或保持自然解理状态。

7.权利要求1至6中任一权利要求所述脊波导分布反馈半导体激光器的用途，其特征是该激光器在需要定波长激射的光源器件中的应用。

8.根据权利要求7所述的用途，其特征是该激光器在采用密集波分复用即DWDM技术的网络中的应用。