CN104201566A - 一种具有高单纵模成品率的脊波导分布反馈半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的具有高单纵模成品率的脊波导分布反馈(DFB)半导体激光器，是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。本发明通过在单个半导体激光器管芯上制作端面反射率相位相差π/2的两个脊条,而使其中之一总能避开均匀光栅DFB激光器所固有的双模工作区，使得批量制作时管芯总可在布拉格阻带任一阻带边沿波长上实现单纵模工作，达到提高单纵模成品率之目的。

Description

一种具有高单纵模成品率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，特别是一种具有高单纵模成品率的脊波导分布反馈半导体激光器。

背景技术

脊波导分布反馈(DFB)半导体激光器在光通信系统、光测量技术、光存储技术、光的信息处理技术等领域已得到广泛的应用。与采用通过两个端面集中反馈的Fabry-Perot(FP)激光器相比，DFB半导体激光器采用内建式光栅来实现光的分布式反馈。对于制作最简单的折射率耦合型均匀光栅DFB激光器，在Bragg阻带两端边缘处存在着两个损耗相同且最低的模式(简并模式)。因此，该类激光器本质上是双模激射的。为了避免这种情况发生，可采用1/4波长相移光栅结构(参考文献：H.Haus,and C.Shank,IEEE J.of Quantum Electron.,12(9),532-540,1976.)，那么在Bragg阻带的中心处会存在一个损耗最低的模式，从而实现折射率耦合型DFB激光器的单纵模运行。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加以完美的抗反射镀膜以保证器件性能，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，从而可实现单纵模运转(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，单纵模运转条件即可达成。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。目前解决该问题较为常用的，特别是成本占主要因素的光纤接入网络中通行的方法为：对折射率耦合型均匀光栅DFB激光器的两个端面进行非对称镀膜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.)。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输出纵模的边模抑制比恶化，呈现双模工作。目前在实际器件生产生中，对于满足阈值及功率-电流微分效率要求的管芯，其单纵模工作的成品率较低。尤其当光栅归一化耦合系数即κL较高时，单纵模工作的成品率更低，其中κ是光栅的耦合强度，L是光栅的长度。例如当κL≈2时单纵模激射的成品率仅为30％左右。

现行光纤接入网络中光网络单元(ONU)的光源普遍采用端面非对称镀膜的基于折射率耦合均匀光栅DFB激光器。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器件出现模式的跳变以及边模抑制比恶化，呈现双模工作。因而其主要存在成品率低的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有高单纵模成品率的脊波导分布反馈(DFB)半导体激光器，以解决上述现有技术中存在的单纵模成品率低的问题。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的具有高单纵模成品率的脊波导分布反馈半导体激光器，是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、缓冲层、光栅层、上包层、第一脊条、第二脊条、第一脊条上的P型电极、第二脊条上的P型电极组成。所述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/2相移；沿z方向，所述两个脊条一侧的信号输出端面为前向端面，其另一侧端面则为背向端面。

所述的第一脊条沿光场传播方向即z方向为均匀条状结构。

所述的第二脊条沿光场传播方向即z方向为非均匀条状结构即在其靠近背向端面处存在一段沿y方向加宽的脊条，以在背向端面处实现所述的相对于第一脊条的π/2的端面反射率相移。

所述的第一脊条和第二脊条的前向端面均镀有减反膜层。

所述的第一脊条和第二脊条的背向端面处均镀有高反膜层，或保持自然解理状态。

所述的第二脊条的加宽脊条部分沿z方向的长度L_P由下面公式确定，

$L_P=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{8(n_{\mathrm{eff}}^{\′}-n_{\mathrm{eff}})}$

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。

所述的第一脊条上的P型电极和第二脊条上的P型电极为各自独立的电极。

本发明提供的上述脊波导分布反馈半导体激光器，其用途是：在要求高成品率单纵模激光器的光纤接入网络中的应用。

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解决双模工作的方式相比，本发明无需制作复杂的相移光栅，因而制作成本较低。

2)与采用增益或损耗耦合型光栅解决双模工作的方式相比，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光栅解决双模工作的方式相比，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)与目前通行的采用非对称镀膜折射率耦合型均匀光栅解决双模工作的方式相比，本发明在器件复杂度和制作成本方面的特点为：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。在器件性能方面，采用本发明提供技术的器件的理论单纵模成品率可以提高一倍。

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是本发明激光器所提供技术的工作原理示意图。

图4是本发明所提供的激光器脊条10如果处在双纵模工作状态时，其脊条10在前向出光端面14的输出光谱图。

图5是当图4所描述的激光器的脊条10处在双纵模工作状态时，其脊条11在前向出光端面14的输出光谱图。

图6是本发明所提供的激光器脊条11如果处在双纵模工作状态时，其脊条11在前向出光端面14的输出光谱图。

图7是当图6所描述的激光器脊条11处在双纵模工作状态时，其脊条10在前向出光端面14的输出光谱图。

图8比较了当脊条10处在双纵模工作状态时，处在单纵模工作的脊条11的功率-电流特性(由实线表示)和当脊条11处在双纵模工作状态时，处在单纵模工作的脊条10的功率-电流特性(由虚线表示)。

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

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

现行光纤接入网络中光网络单元(ONU)普遍采用的是两端面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)的折射率耦合均匀光栅单脊波导分布反馈半导体激光器，即仅有脊条10。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输出纵模的边摸抑制比恶化，产生双模工作状态。经理论分析，边摸抑制比几乎不受器件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，发现不同大小的背向端面功率反射率会导致器件在不同的相位区域产生双模工作。然而，如图3所示，这些双模工作区域集中在背向端面相位φ^HR(或φ^CL)＝Kπ(K＝0,±1,±2,......)附近。

为了使得器件脱离双模工作区域，本发明提供一种具有高单纵模成品率的脊波导分布反馈半导体激光器，提出在原脊条10一侧增加脊条11的设计，即本发明的第一脊条10和第二脊条11构成的结构，该器件顶部y-z平面的俯视图如图2所示。

本发明所提供的激光器的工作原理描述如下：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脊条10的单程π/4相移即双程π/2相移。此双程π/2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/2的等效相移。可由下式表示：

$R_H^{\′}=R_H{e}^{j\frac{\mathrm{\π}}{2}}$ 公式(1)

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，当两条脊中的任意一条工作在双模状态时，另一条因为存在满足公式(1)要求的相对相移差，可脱离双模工作的相位区域，而必然处于单纵模运转，如图3所示。

本发明所提供的激光器的工作过程描述如下：电流首先从P型电极12和P型电极13分别注入，分别检测第一脊条10和第二脊条11在其前向端面14处分别输出的光谱。当两条脊条之一出现双模工作时，另一脊条必然为单纵模工作。之后，将能够产生单纵模工作的脊条上的电极确定为最终工作电极，完成在实际工作时对该激光器的电流注入。

本发明所提供的激光器结构如图1和图2所示：自下而上由依次排列的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。沿z方向，两个脊条一侧的信号输出端面为前向端面14，由该端面输出的光将输出耦合至光传输器件，如光纤；其另一侧端面则为背向端面15。

本发明实施例中的激光器的编号2至编号11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采用的材料均为磷化铟；

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。

上述N型电极1、P型电极12和P型电极13均为金属电极层，例如但不局限于：

所述N型电极1采用钛、铂或金合金。

所述P型电极12和P型电极13均为金、锗或镍合金。

本发明器件的P型电极12和P型电极13为各自独立的电极。

在本实施例中，前向端面14和背向端面15分别镀功率反射率为90％的高反膜和功率反射率为3％的减反膜。

所述高反膜层是在指定波长能够实现增强激光器腔内在端面处光场反射的膜系层结构。膜系材料一般为氧化物介质，例如SiOx等。

所述减反膜层是在指定波长能够实现消除或极大减弱对激光器腔内在端面处光场反射的膜系层结构。膜系材料一般为氧化物介质，例如SiOx等。

本发明器件中的关键创新部件第二脊条11沿z方向为非均匀分布，在靠近其背向端面15的一侧有一小段脊条加宽部分，也即等效相移区。第一脊条10和第二脊条11通过制作相应的掩膜版一次普通光刻加刻蚀制备完成。

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。

在本实施例中，所述脊条的结构尺寸为：

1)第一脊条10和第二脊条11沿z方向平行，长度L也即激光器腔长约为250μm。

2)第二脊条11的未加宽脊条部分的沿y方向的宽度W和第一脊条10沿y方向的脊条宽度W相同，均为1.6μm。

3)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  公式(2)

其中：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。W_P的取值要求为在保证激光器不产生多横模的情况下越大越好。在本实施例中，W_P为2.5μm。

4)第二脊条11的加宽脊条部分沿z方向的长度L_P满足：

$L_P=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{8(n_{\mathrm{eff}}^{\′}-n_{\mathrm{eff}})}$ 公式(3)

其中：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。在本实施例中，按照工作要求λ₀在1.31μm左右，n_eff约为3.2，n′_eff约为3.208。根据公式(3)，L_P计算得到约为20μm。

5)第一脊条10和第二脊条11的间距S为10μm。

本实施例对上述基于双脊条结构脊波导DFB半导体激光器进行了理论仿真，模拟结果参见附图4至附图8：

附图4为第一脊条10如果处在双模工作状态时其前向端面的输出光谱图，结果显示第一脊条10的光场输出呈现双模工作。

附图5为附图4所述的激光器的第二脊条11的前向端面输出光谱图，结果表明光场输出已经脱离双模工作区域，呈现单纵模工作状态。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如果处在双模工作状态时其前向端面的输出光谱图，结果显示第二脊条11的光场输出呈现双模工作。

附图7为附图6所述的激光器的第一脊条10的前端面输出光谱图，结果表明光场输出已经脱离双模工作区域，呈现单纵模工作状态。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。

通过比较图4和图5，以及比较图6和图7可知：所提供的采用本发明的双脊条结构的激光器，当两个脊条之一出现双模工作时，两个脊条中的另一条总可以运转在单纵模工作状态。

附图8比较了当第一脊条10处在双模工作状态时，处在单纵模工作的第二脊条11的功率-电流特性(由实线表示)和当第二脊条11处在双模工作状态时，处在单纵模工作的第一脊条10的功率-电流特性(由虚线表示)。通过比较可知：所提供的激光器在上述两种单纵模工作情况下，激光器的阈值电流、斜效率等功率输出性能几乎完全一致。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。

本发明提供的上述具有高单纵模成品率的脊波导分布反馈半导体激光器，通过在单个半导体激光器管芯上制作端面光场反射率相位相差π/2的两个脊条，而使其中之一总能避开均匀光栅DFB激光器所固有的双模工作区，即总可在布拉格(Bragg)阻带任一阻带边沿波长上实现单纵模工作，达到在批量管芯制作时提高单纵模成品率之目的。

Claims (8)

1.一种具有高单纵模成品率的脊波导分布反馈半导体激光器，其特征是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(10)上的P型电极(12)、第二脊条(11)上的P型电极(13)组成；所述第二脊条(11)的背向端面(15)处的端面反射率相对于第一脊条(10)的背向端面(15)处的端面反射率存在π/2相移；沿z方向，所述两个脊条一侧的信号输出端面为前向端面(14)，其另一侧端面则为背向端面(15)。

2.根据权利要求1所述的脊波导分布反馈半导体激光器，其特征在于所述的第一脊条(10)沿光场传播方向即z方向为均匀条状结构。

3.根据权利要求1所述的脊波导分布反馈半导体激光器，其特征在于所述的π/2的相移由z方向非均匀条状结构的第二脊条(11)实现，该非均匀条状结构在靠近背向端面(15)处存在一段沿y方向加宽的脊条。

4.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)的前向端面(14)处均镀有减反膜层。

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)的背向端面(15)处均镀有高反膜层，或保持自然解理状态。

6.根据权利要求3所述的脊波导分布反馈半导体激光器，其特征在于所述的第二脊条(11)的加宽脊条部分沿z方向的长度L_P由下面公式确定，

$L_P=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{8(n_{\mathrm{eff}}^{\′}-n_{\mathrm{eff}})}$

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。

7.根据权利要求1所述的脊波导分布反馈半导体激光器，其特征在于所述的第一脊条(10)上的P型电极(12)和第二脊条(11)上的P型电极(13)为各自独立的电极。

8.权利要求1至7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，其特征是在要求高成品率单纵模激光器的光纤接入网络中的应用。