CN104617486B - 单片集成式多波长半导体锁模激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单片集成式多波长半导体锁模激光器的设计方案。该方案通过干法刻蚀工艺在同一半导体衬底上集成一组半导体光放大器(SOA)有源阵列，相位调制器(PM)阵列、相位延迟波导阵列(Delay Lines)、阵列波导光栅(AWG)和饱和吸收体(SA)。其中，SOA有源阵列分别为各个波长通道提供增益，通过控制注入SOA的电流控制激射波长的输出功率；AWG主要起到选模及复用不同波长的功能；SA实现被动锁模或者混合锁模。

Description

单片集成式多波长半导体锁模激光器

技术领域

本发明属于半导体光电子技术领域，涉及一种可实现稳定的多波长锁模脉冲输出的半导体锁模激光器。其可广泛应用于波分-时分复用系统、光接入网、光信息处理等。

背景技术

高重频多波长短脉冲光源是未来超大容量光通讯网络中的一项关键技术。无论在当前基于波分复用(WDM)技术的核心网中，还是在下一代基于光时分-波分复用(OTDM-WDM)混合构架的核心网及光无源接入网(OTDM-WDM PON)中，这一技术都有着广泛而重要的应用。在传统的WDM系统中，为实现大容量信息传输，需要将多个波长的信息同时送入光纤，每个通道都需要配备一个独立的高性能半导体激光器(如半导体分布反馈型激光器)，而且系统中需要使用价格昂贵的可调谐激光器作为备份光源。整个系统结构复杂、成本高昂。这一问题的有效解决方案之一是用多波长光源取代系统中数以百计的单波长激光器或用于备份的可调谐激光器，从而极大地简化网络结构、降低系统成本。在面向未来网络技术的各种OTDM-WDM混合构架中，多波长锁模激光器可以作为一种重要的归零码(RZ)多通道光源，为其提供有效的器件技术解决方案。与此同时，多波长短脉冲源在光纤传感、时间分辨光谱、高速光学取样、超快并行光信号处理、微波光子学等其它领域也有重要的应用。

目前，国际上已报道的典型多波长短脉冲源方案有四种：(1)基于发光二极管(LED)或超连续谱(SC)的谱切割法；(2)主动锁模光纤激光器；(3)外腔式主动锁模半导体激光器法；(4)单片式多波长半导体锁模激光器。

基于LED宽带光源的谱切割方案已在WDM多波长发射模块中得到应用，但这种方案的问题是经谱切割后分配给每个通道的光强较弱。基于SC的谱切割方案需要超短脉冲源和特种非线性光纤，SC谱产生的效率较低，而且谱切割过程中功率损耗大，价格较为昂贵，系统成本高和体积庞大。

基于锁模光纤激光器产生多波长光脉冲的方案中，通常选用半导体光放大器(SOA)或EDFA作为增益介质，利用光纤光栅(FBG)或法布里-珀罗(F-P)滤波器作为波长选择元件，通过射频(RF)源驱动腔内调制器进行主动锁模。也可以利用高非线性光纤中的四波混频效应实现多波长脉冲输出。总体而言，基于锁模光纤激光器的方案都需要采用EDFA、调制器以及特种光纤等分立元件，这导致整个器件体积庞大、成本高昂，为它们的大规模商业部署带来了障碍。

外腔式多波长锁模激光器一般利用外腔反射镜，射频驱动的半导体光放大器(SOA)，增益平坦滤波器，腔内标准具和衍射光栅等分立元件实现主-被动混合锁模，可以实现比单纯的主动锁模或被动锁模方式更为有效稳定的输出。但是基于分立器件的外腔锁模激光器腔长较长、输出激光重复频率低、体积较大、系统调节也较复杂。

单片式多波长半导体锁模激光器是具有体积小、成本低、易于大规模生产的优点。但是已有的实现方案中，只是简单的多个锁模激光器的并行组合，各个被动锁模激光器只能独立工作，各通道间无法通过简单的RF源驱动来实现同步，而且此类简单排列形成的阵列激光输出需要用带状光纤进行耦合，这样给器件封装带来了很大的困难。

为了充分利用半导体激光器在体积、功耗、可靠性以及生产效率方面的优点，同时解决前人方案中的同步、耦合等问题，本发明提出基于阵列波导光栅AWG的多波长半导体锁模激光器，从而实现低噪声、多波长梳状谱输出。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是提出一种单片集成式多波长半导体锁模激光器的设计方案，预期以实现多个波长的超短脉冲同步输出。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提出了一种单片集成式多波长半导体锁模激光器，其为单片集成式脊型结构激光器，其输出的锁模脉冲具有多个不同的波长通道；所述的激光器包括：半导体光放大器阵列(1)、相位调制器阵列(2)、相位延迟波导阵列(3)、阵列波导光栅(4)、饱和吸收体(5)；五个部分，所述五个部分通过无源脊波导连接，且通过干法刻蚀集成到同一衬底上。

(三)有益效果

本发明提供的可实现多波长超短脉冲同步输出的多波长半导体锁模激光器具有以下优势：(1)同采用频谱分割技术相比，该器件产生的多波长信号噪声更小，边模抑制比(SMSR)可大于30dB，谱线更窄、抗色散能力更强，传输速率可超过10Gb/s；(2)采用单片集成结构，消除了分立器件之间的耦合损耗，具有体积小功耗低的特点；(3)器件的波长由AWG的选模特性决定，无需传统DFB或DBR激光器中复杂的光栅制作工艺和光栅掩埋生长工艺，提高器件的成品率，降低器件的成本，有利于在接入网中的推广应用。

附图说明

为进一步说明本发明的技术特征，结合以下附图，对本发明作一详细的描述，其中：

图1是本发明提供的一种单片集成式多波长锁模激光器的结构示意图；

图2是本发明实施例中激光器的有源器件区的材料生长结构；

图3是本发明实施例中激光器的无源器件区的材料生长结构；

图4是本发明实施例中激光器的纵向切面结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1、2、3、4所示的实施例，本发明实施例提出了一种工作于1550nm通讯波段的单片集成式多波长半导体锁模激光器，其包括一组半导体光放大器阵列1；相位调制器阵列2；相位延迟波导阵列3；阵列波导光栅4；饱和吸收体5，它们都通过干法刻蚀工艺集成到同一衬底上。本发明提出的多波长半导体锁模激光器还可以工作在1550nm通讯波段之外的其他任意波段，只需半导体增益材料能够在此波段提供足够多的增益。所述衬底材料可以为本领域中常见的各种衬底，如InP衬底或者GaAs衬底。构成部件1-5的材料体系即为与衬底相匹配的材料体系。在本实施例中半导体光放大器阵列1、相位调制器阵列2、相位延迟波导阵列3、阵列波导光栅4、饱和吸收体5五个部分制作在同一衬底上，且通过干刻技术形成的无源脊波导连接起来。这五个部分及其间的无源脊波导连同器件两端的解理端面共同形成了多波长锁模激光器。

在本实施例中半导体光放大器阵列1，其由多个具有半导体增益材料的半导体光放大器组成，每个半导体光放大器用于在驱动电流激励作用下产生光增益，当施加电流适当时，激光器腔内的光增益大于光损耗，激光器实现稳定振荡，激射出光；每个光放大器增益介质的增益谱中心波长在器件所要求的工作波长附近，如本发明实施例中为1550nm。半导体光放大器为各个通道的输出提供增益，在特定电流下使每个通道的增益大于损耗，从而实现激射输出。

在本实施例中相位调制器阵列2由多个具有与半导体光放大器相同材料体系的相位调制器组成，其个数和半导体光放大器的个数均与输出波长通道数相同。在器件结构中连接于半导体光放大器之后，一一对应。其主要起到对不同通道的波长微调相位的作用，补偿由于器件制作过程中产生的随机相差，改善各个通道的短脉冲输出质量。

在本实施例中相位延迟波导阵列3由无源弯曲波导阵列构成，其目的是通过引入弯曲波导间不同的弯曲弧度补偿不同通道间的光程差，使得各个通道的有效光程相等，从而保证各个通道内的短脉冲能够同一时间到达饱和吸收体5。

在本实施例中的阵列波导光栅4，其材料与无源弯曲波导相同，中心波长同半导体光放大器的增益谱中心波长相当，如本发明实施例中为1550nm。阵列波导光栅的输出通道数目和各输出通道间间隔可由器件的具体要求而定，如本发明实施例中为8通道输出，各通道间隔为200GHz(1.6nm@1550nm)。阵列波导光栅4是整个激光器光腔的一部分，其特有的由罗兰圆结构和长度等差的阵列波导决定的传输特性不仅可以对半导体光放大器产生的宽谱增益光进行光谱“分割”，形成多个波长通道；同时，其传输特性可以将不同通道的波长复用至同一输出波导，实现不同波长短脉冲的共同输出。

在本实施例中饱和吸收体5，其材料结构与半导体光放大器材料结构相同，工作时加反向偏压。目的在于起到时域开关的作用：对其施加反向偏压或者通过外界射频信号对其进行调制，我们可以通过饱和吸收体5分别实现被动锁模、混合锁模。

在本实施例中，五个部分可分为两大部分：有源器件区和无源器件区。其中，有源器件区包括半导体光放大器阵列1、饱和吸收体5两部分，二者的材料与结构均为含有多量子阱结构的双异质结结构，其包括一InP衬底6，一n-InP缓冲层7，一InGaAsP下限制层8，一多量子阱有源层9，一InGaAsP上限制层10，一p-InP上盖层11，一p-InGaAs欧姆接触层12，参见附图2；无源器件区包括相位调制器阵列2、相位延迟波导阵列3和阵列波导光栅4三部分，三者的材料生长结构相同，其与有源器件区的材料生长结构相比均不含多量子阱层9。除此之外，相位延迟波导阵列3和阵列波导光栅4部分还不含p-InGaAs接触层12。上述结构以InP/InGaAsP系材料为例来说明的，所述材料还可以是其他的半导体材料。

在本实施例中，器件不同部分间的电隔离通过选择性腐蚀掉p-InGaAs欧姆接触层12来实现。器件的半导体光放大器阵列1、相位调制器阵列2和饱和吸收体5分别在p-InGaAs欧姆接触层12上表面制作电极层13、14、15。

本发明工作时：

首先对半导体光放大器阵列1中的各个半导体光放大器分别注入合适的电流使得多个半导体光放大器所在的各个通道分别达到激射条件(光增益大于光损耗)。由于多个半导体光放大器的增益介质材料生长结构相同，故其提供的增益谱基本相同，中心波长位于器件设定的工作波长附近，如本发明实施例中为1550nm附近。

其次，当每个通道的半导体光放大器产生的宽谱增益光通过与之对应的相位调制器、相位延迟波导之后，由阵列波导光栅的各个输入波导进入阵列波导光栅。由于其特有的传输特性，位于阵列波导光栅不同通道传输谱内的波长受到的损耗远远小于位于不同通道传输谱外的波长，因此在整个多波长锁模激光器腔内只有位于阵列波导光栅不同通道传输谱内的增益波长才能实现稳定振荡，位于阵列波导光栅不同通道传输谱外的增益波长由于损耗过大不能实现振荡而消失，从而实现宽谱增益光的分割，进而实现多波长复用输出。如本发明实施例中阵列波导光栅具有八个通道，通道间隔为200GHz(1.6nm@1550nm)，每个通道的中心波长分别为1544.4nm、1546nm、1547.6nm、1549.2nm、1550.8nm、1552.4nm、1554nm和1555.6nm(由于材料均匀性和制作工艺的影响，各通道中心波长和通道间隔略有偏移)。

最后，阵列波导光栅将所有输入通道波长复用至同一输出波导，进入饱和吸收体5。对饱和吸收体5施加适度的反向偏压，则其工作于饱和吸收模式，它对不同通道中强光波长信号吸收较小，弱光波长信号吸收较大，其结果就是不同通道波长输出的前后沿(弱光波长信号部分)会被进一步衰减压缩，强光波长信号形成稳定振荡，器件进入被动锁模状态，实现多个通道的超短脉冲输出。另外，对饱和吸收5体施加一外部射频信号，则饱和吸收体5对各个通道的连续光进行周期性调制，会产生重复频率与外部射频信号的重复频率整倍数相同的脉冲输出，实现混合锁模。当然，为了实现多个波长的同步锁模输出，必须通过相位延迟波导阵列3来保证各个通道的有效光程相等，解决器件工作时色散带来的影响；同时，通过调节相位调制器阵列2中各个相位调制器的电流，则可以消除器件制备过程中随机相差所带来的对各个波长输出脉冲质量的影响。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种单片集成式多波长半导体锁模激光器，其为单片集成式脊型激光器，其输出的锁模脉冲具有多个不同的波长通道；所述的激光器包括：半导体光放大器阵列(1)、相位调制器阵列(2)、相位延迟波导阵列(3)、阵列波导光栅(4)、饱和吸收体(5)五个部分，所述五个部分通过无源脊波导连接，且通过干法刻蚀集成到同一衬底上。

2.根据权利要求1所述的单片集成式多波长半导体锁模激光器，其特征在于：所述半导体光放大器阵列(1)，其包括多个半导体光放大器，每个半导体光放大器用于在驱动电流激励作用下产生光增益。

3.根据权利要求1所述的单片集成式多波长半导体锁模激光器，其特征在于：所述的相位调制器阵列(2)包括多个相位调制器，其数目与半导体光放大器数目相同，所用材料体系相同。

4.根据权利要求1所述的单片集成式多波长半导体锁模激光器，其特征在于：所述的相位延迟波导阵列(3)包括多个无源弯曲波导，所述无源弯曲波导数目与半导体光放大器数目相同，所用材料体系相同，其用于补偿不同通道间的光程差。

5.根据权利要求1所述的单片集成式多波长半导体锁模激光器，其特征在于：所述的阵列波导光栅(4)，其包括多个输入波导，用于对相位延迟波导阵列输出的增益光进行分割，并将所述多个输入波导分割后的多个通道波长的光复用至同一输出波导，进而输出至饱和吸收体。

6.根据权利要求5所述的单片集成式多波长半导体锁模激光器，其特征在于：所述阵列波导光栅的输入波导数目为所述单片集成式多波长半导体锁模激光器波长输出数目。

7.根据权利要求1所述的单片集成式多波长半导体锁模激光器，其特征在于：所述半导体光放大器阵列和饱和吸收体两部分属于有源器件区，所述相位调制器阵列、相位延迟波导阵列和阵列波导光栅三部分属于无源器件区；所述有源器件区和无源器件物通过有源-无源集成工艺来实现。

8.根据权利要求7所述的单片集成式多波长半导体锁模激光器，其特征在于：所述有源器件区的两部分的材料生长结构均为含有多量子阱结构的双异质结结构，包括：衬底、缓冲层、下限制层、多量子阱有源层、上限制层、p型上盖层、欧姆接触层。

9.根据权利要求7所述的单片集成式多波长半导体锁模激光器，其特征在于：所述无源器件区的三部分的材料生长结构中，相位调制器阵列包括衬底、缓冲层、下限制层、上限制层、p型上盖层、欧姆接触层，相位延迟波导阵列和阵列波导光包括衬底、缓冲层、下限制层、上限制层、p型上盖层。