CN105071219B - 一种可调双波长分布反馈式半导体激光器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可调双波长分布反馈式半导体激光器装置，这种激光器装置由三个反馈区和位于三个反馈区之间的两个相移区组成，沿着整个激光器的光栅结构可以为带有两个等效相移的均匀取样光栅或带有两个真实相移的均匀光栅，也可以为普通均匀光栅或均匀取样光栅，三个反馈区的电极用导线连接在一起形成反馈区电极，且反馈区电极与两个相移区的电极相电隔离。通过改变反馈区、两个相移区注入电流大小或比例，可以控制引入的两个相移的大小，从而来调节激光器激射的两种激光的波长大小和波长间隔大小。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域，涉及光纤通信、光电传感以及其他光电信息处理。本发明是一种两个激射波长可在一定范围内连续可调的分布反馈式半导体激光器装置。
背景技术
双波长激光器在光电传感、微波信号产生和光电信息处理等方面有着十分重要的应用。单一谐振腔的分布反馈式双波长半导体激光器由于结构简单，几何尺寸紧凑，操作方便而深受欢迎。由于分布反馈半导体激光器的谐振腔通常小于1毫米，如果要在单一谐振腔中得到双波长激射，那么谐振腔中将存在着激烈的模式竞争。为在单一谐振腔中得到稳定的双波长激光输出，最简单的做法是同时在激光器选频光栅中不同位置引入两个相移。为克服制作真实相移光栅需要用到高精度的电子束刻写设备造成的成本高昂，刻写效率低下问题，南京大学陈向飞教授发明了重构－等效啁啾技术，用等效相移来代替真实相移。这种方法大大降低了制作了相移时的加工精度要求，因而制作的难度和成本有很大的降低。陈向飞课题组已经用这种方法已经制作了多种分布反馈式双波长取样光栅激光器。
双波长激光器在用来进行光电传感和产生微波信号时，通常是基于双波长激光器激射的两种波长的激光，同时加载到同一光电探测器上产生拍频信号的原理。上文提到的双相移(真实相移或等效相移)光栅制作的分布反馈式双波长半导体激光器，人们可以通过改变其中引入相移的大小和位置，来改变激光器两种波长激光的波长大小。但当普通的双相移分布反馈式双波长半导体激光器中，由于引入相移的位置和大小是固定的，因而无法精确调节其激射激光的波长，当然就无法精确控制其拍频信号的频率。由于无法调节激光器的产生激光的波长，这类双波长激光器的应用范围和性能就受到了很大的限制。
为能够调节上面所述双相移分布反馈式双波长半导体激光器激射激光的波长，有人采用了加装电加热器或施加应力装置等特殊手段，试图来调控激光器激射波长的大小。但这些方法要么难以加工和实施，要么效果并不理想。以给激光器加装电加热器为例，它只能调节两个激射波长整体红移或蓝移，并不能调节两个激射波长的相向移动或相反移动(一个波长蓝移，另一波长红移)。所以到目前为止，双相移分布反馈式双波长半导体激光器，并没有得到广泛的应用。
发明内容
针对现有技术中双相移分布反馈式双波长半导体激光器存在的上述不足，为了能够对激光器的两个激射波长连续地进行调节，本发明提出了一种特殊方法，通过在上述激光器光栅中两个相移所在位置另增加独立引出电极的方法，来调控激光器从三个电极注入电流大小(比例)来控制引入两个相移的大小，进而精细调节激光器两个激射波长的大小和波长间隔，为双相移分布反馈式双波长半导体激光器的设计制造，提出一种新的结构和制作方法。
本发明的技术方案是：
一种可调双波长分布反馈式半导体激光器装置，所述激光器装置由三个反馈区和位于三个反馈区之间的两个相移区组成，沿着整个激光器其光栅结构为普通均匀光栅或均匀取样光栅；三个反馈区的电极用导线连接在一起形成反馈区电极，两个相移区电极各自独立引出，且反馈区电极与两个相移区的电极相电隔离。
作为本发明的进一步改进，沿着整个激光器的光栅结构为带有两个等效相移的均匀取样光栅；在两个相移区中间位置各设置有一个等效相移；通过改变反馈区电极和两个相移区电极的注入电流，调节在两个相移区中间位置的等效相移大小，从而控制激光器激射的两种激光的波长大小和波长间隔大小。
作为本发明的进一步改进，沿着整个激光器的光栅结构为普通均匀光栅；通过改变反馈区电极和两个相移区电极的注入电流，两个相移区中间位置各形成一个大小可以调节的真实相移，从而获得稳定的双波长激射并控制两种激光的波长大小和波长间隔大小。
作为本发明的进一步改进，沿着整个激光器的光栅结构为均匀取样光栅；通过改变反馈区电极和两个相移区电极的注入电流，两个相移区中间位置各形成一个大小可以调节的等效相移，从而来获得稳定的双波长激射并调节两种激光的波长大小和波长间隔大小。
作为本发明的进一步改进，沿着整个激光器的光栅结构为带有两个真实相移的普通均匀光栅；在两个相移区中间位置各设置有一个真实相移；通过改变反馈区电极和两个相移区电极的注入电流，调节在两个相移区中间位置的真实相移大小，从而调节激光器激射的两种激光的波长大小和波长间隔大小。
作为本发明的进一步改进，两个相移区中间位置各有一个等效π相移，且两个相移区长度相同。
作为本发明的进一步改进，两个相移区中间位置各有一个真实π相移，且两个相移区长度相同。
作为本发明的进一步改进，三个反馈区的电极与两个相移区的电极通过相间隔的方式相电隔离。
作为本发明的进一步改进，三个反馈区的电极与两个相移区的电极通过注入氦离子或者通过刻蚀电隔离沟的方式相电隔离。
作为本发明的进一步改进，第一反馈区和第三反馈区的长度不同。
一种可调双波长分布反馈式半导体激光器装置的制作方法，具体包括如下步骤：
(1)在N型InP衬底材料上依次外延N型InP缓冲层、100nm厚的非掺杂晶格匹配InGaAsP下限制层、应变InGaAsP多量子阱和100nm厚的P型晶格匹配InGaAsP上限制层；
(2)光栅图案的制作方法
①用普通双光束全息干涉曝光的方法，把均匀光栅图案转移到上限制层上的光刻胶上，然后施以材料刻蚀，在上限制层上部形成所需的均匀光栅结构；
②用高精度电子束刻写的方法，把带有两个需要的真实相移的均匀光栅图案刻录到上限制层上的光刻胶上，然后施以材料刻蚀，在上限制层上部形成所需的双真实相移均匀光栅结构；
③用取样光刻板结合双光束全息干涉曝光的方法，把均匀取样光栅图案转移到上限制层上的光刻胶上，然后施以材料刻蚀，在上限制层上部形成所需的均匀取样光栅结构；
④用取样光刻板结合双光束全息干涉曝光的方法，把带有两个需要的等效相移的均匀取样光栅图案转移到上限制层上的光刻胶上，然后施以材料刻蚀，在上限制层上部形成所需的带有双等效相移的均匀取样光栅结构；
(3)当光栅制作好后，再通过二次外延生长P型InP层和P型InGaAs欧姆接触层。在外延生长结束后，利用普通光刻结合化学湿法刻蚀，完成脊形波导的制作；
(4)用等离子体增强化学气相沉积法工艺，在脊形波导周围沉积一层300nm厚的SiO2层或有机物BCB绝缘层；
(5)接着利用光刻和化学湿法刻蚀，去除激光器脊形波导上方的SiO2层或有机物BCB绝缘层，露出其InGaAs欧姆接触层；
(6)用磁控溅射的方法，在整个激光器结构的上方分别镀上100nm厚的Ti和400nm厚的Au，结合光刻工艺和化学湿法刻蚀，在脊条上方露出InGaAs的欧姆接触层上形成Ti-Au金属P电极；
(7)接着把整个激光器晶片减薄到150μm后，在基底材料的下方蒸镀上500nm厚的Au-Ge-Ni合金作为N电极；
(8)接着把得到的激光器芯片的三个反馈区的P电极用金丝连接在一起引出，形成反馈区P电极，两个相移区的P电极也各自用金丝引出；从而形成三电极可调双波长分布反馈式半导体激光器。
本发明的有益效果是：
在本发明激光器的反馈区注入相同的电流密度，且在两个相移区注入不同的电流密度时，就能在激光器两个相移区位置引入任意大小的真实相移或等效相移，或任意改变激光器两个相移区位置引入相移的大小，从而能来精细调节激光器两个激射波长的大小和波长间隔。
另外，在激光器工作电流不变的情况下，调整激光器反馈区电极和两个相移区电极注入电流大小的比例，就能改变激光器两个相移区位置引入相移的大小，从而能精细调节激光器的两个激射波长大小和波长间隔。由于工作电流相同，因而输出的两个波长激光的功率几乎不发生变化。
再者在双相移分布反馈式半导体激光器中，如果引入两个正负号相反但绝对值相等的相移，且相移绝对值大小适当在0.25π～π之间时，激光器能获得稳定的双波长激射。本发明在两个相移区下方光栅中间位置，事先引入真实π相移或等效π相移的方法，能在精细调节激光器的两个激射波长大小的同时，使得激光器更容易快速获得稳定的双波长激射。
附图说明
图1是均匀光栅结构示意图；
图2是双周期调制(CPM)相移光栅结构示意图；
图3是均匀取样光栅结构示意图；
图4是双真实π相移均匀光栅结构示意图；
图5是双等效π相移取样光栅结构示意图；
图6是本发明半导体激光器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。
本发明可调双波长分布反馈式半导体激光器装置，是基于改变反馈区和两个相移区电极注入电流大小(或比例)来控制引入的两个相移大小，进而精细调节两个激射波长的分布反馈式半导体激光器的装置。其基本原理如下：
1、电流注入引起半导体激光器材料有效折射率的改变
当半导体激光器中注入电流时，由于能带填充(Band Filling)、导带和价带间隙的收缩(Bandgap Shrinkage)和自由载流子等离子效应(Free Carrier Plasma Effect)等的共同作用效果，激光器的有效折射率将减小。与此同时，电流注入引起的热效应也会导致激光器有效折射率升高。以使用比较广泛的多量子阱半导体激光器为例，其结构材料常见的有InP、InGaAsP或AlGaAsP等Ⅲ-Ⅴ族化合物,注入载流子(电子和空穴)浓度达1018cm-3有良好散热时，有效折射率减小能达到10－2量级大小。当散热不好时，电流热效应会使激光器的实际工作温度明显升高，由电流热效应导致的有效折射率升高将占主导地位，可以导致激光器有效折射率随注入电流的升高而增大10－3量级大小。
2、双周期调制(CPM)相移光栅结构激光器中相移的引入
图1和图2分别是均匀光栅结构和双CPM相移光栅结构中的光栅示意图。在均匀光栅结构中，沿整个光栅纵向光栅周期Λ都是相同的。在双CPM光栅结构中，其三个反馈区的光栅周期Λ1是相同的，第一相移区的光栅周期Λ2和第二相移区的光栅周期Λ3与Λ1相近但不相同；假设沿整个激光器纵向的有效折射率neff相同，这时在两个CPM光栅区中引入的相移大小可近似表达为：
这里L2和L4分别为第一相移区和第二相移区的长度。
3、本发明可调双波长分布反馈式半导体激光器的原理
图6是本发明DFB半导体激光器的光栅和P电极分布示意图。本发明沿着整个激光器的光栅可以是图1中光栅周期为Λ的均匀光栅，在没有电流注入时，沿整个激光器的有效折射率neff相同。从左到右分别为第一反馈区、第一相移区、第二反馈区、第二相移区和第三反馈区，长度相同分别用L1、L2、L3、L4和L5表示。三个反馈区的P电极用金丝连接在一起形成反馈区P电极，两个相移区的P电极各自用金丝引出形成第一相移区P电极和第二相移区P电极，在反馈区P电极注入工作电流I1时，三个反馈区中因注入电流密度相同，因而有效折射率neff1虽发生变化但始终相同。两个相移区的P电极在注入工作电流I2和I3时，第一相移区和第二相移区的有效折射率neff2和neff3也将发生变化。当反馈区和两个相移区注入电流密度不同时，它们的有效折射率neff1和neff2、neff3将会有细微的差别，此时引入的相移大小可近似表达表示为
光栅的布拉格波长可近似表达为
λB＝2neff1Λ (5)
改变I1和I2、I3的大小(或比例)，就能改变neff1和neff2、neff3的大小，因而就能控制引入的两个相移大小。在双相移分布反馈式半导体激光器中，两个相移分别对应了两个不同的激射波长。通过引入不同大小的两个相移，就能在激光器禁带宽度范围内调节两个激射波长的数值。考虑到相移是以2π为周期的函数，我们为方便表达规定相移范围为[－π，π]，也就是说其他相移值在下文中都是转化到这个范围的相移值来讨论的。我们通过理论的研究还表明，当引入两个绝对值在0.25π～π范围内，绝对值相同但正负号相反的相移时，激光器的两个激射波长有相同的增益，而且这两个波长的激光在谐振腔中有分离的光功率分布轮廓，它们将在两个相移位置各自形成自己最高的增益顶峰。不同波长激光在谐振腔中增益顶峰位置的错开,有效地削弱了两个波长激光间的模式竞争，因而能形成稳定的双模激射。而且此时引入两个相移的绝对值越接近π，则两个激射波长的波长间隔(差)越小，因而它们产生拍频信号的频率越低。事实上，当引入的两个相移大小位置越接近时，激光器产生的两个波长激光的波长间隔(差)也是越小的，但是由于它们的增益顶峰位置将趋近，因而模式竞争会变得激烈。因而在本发明所述的激光器中,两个相移区必须保持有一定的间距，才能形成比较稳定的双波长激射。
本发明图6中的光栅结构，也可以是图3中的均匀取样光栅结构。这里的P为取样周期，Λ0为种子光栅周期。一般情况下，使用取样光栅时是利用了取样光栅的±1级子光栅之一作为选频光栅的。图3中取样光栅的±1级子光栅的光栅周期可以表示为：
使用均匀取样光栅时引入相移的原理，与使用普通均匀光栅没有什么本质区别，只不过是把式(3)－(5)中的光栅周期换成取样光栅±1级子光栅的光栅周期Λ±1之一。在下面的讨论中，为方便起见，我们仍然用Λ来表示我们选用的选频光栅的周期。
本发明沿着整个激光器的光栅还可以是图4中光栅周期为Λ，带有两个真实相移的均匀光栅，也可以是图5带中有两个等效相移的取样光栅。使用取样光栅与普通光栅相比，最大好处是在引入等效相移时，对加工精度的要求可以降低一到两个数量级，因而加工制造的难度和成本，比真实相移光栅要低很多。在下文的说明中，我们把等效相移和真实相移统称为相移，把选频用的普通光栅和取样光栅，统称为光栅。
假设事先在本发明激光器中引入图4和图5相似的双相移光栅，设第一相移区和第二相移区事先引入的相移值分别为α1和α2，那么式(6)和(7)就变成
在前面引入没有相移的普通均匀光栅或均匀取样光栅时，根据式(6)和(7)可知，在激光器反馈区和两个相移区注入电流密度差必须达到一定的大小时，才能引入绝对值在0.25π～π范围内的相移，以得到稳定的双波长激射。而用式(9)和(10)的方法，即使在激光器反馈区和两个相移区注入电流密度相同，激光器也能得到稳定的双波长激射。此时改变反馈区和两个相移区注入电流密度，就能在保证已经是稳定的双波长激射的前提下，调节两个激射波长的值，增大了本发明激光器得到稳定双波长激射的成品率。理论上，第一相移区和第二相移区事先都引入π相移值时，本发明激光器获得稳定双波长激射的成品率最高，波长调节最为简便易行。
当本发明激光器中注入的总电流一定时，调节激光器中反馈区和两个相移区注入电流的比例，也能获得稳定的双波长激射，这个方法也可用来调节激光器激射的波长大小和波长间隔(差)。
当本发明激光器反馈区长度越长时，它对激射波长的反馈作用就越强。因此当本发明激光器第一反馈区和第三反馈区之一长度保持恒定时，另一反馈区长度越小则从这一侧出射的激光功率就越大。由此可知，在激射功率一定且无法进行端面镀膜的情况下，优化本发明激光器第一反馈区和第三反馈区的长度，就能提高激光器从长度较短的反馈区一侧有效输出的激光功率。
本发明可调双波长分布反馈式半导体激光器的结构，从下至上依次是：N电极、N-InP基底、N-InP缓冲层、非掺杂晶格匹配InGaAsP的下限制层、应变InGaAsP多量子阱有源层、非掺杂晶格匹配InGaAsP上限制层、光栅层(U-InP+1.3μm InGaAsP层，用于制作SBG光栅)、P-InP层、P型InGaAs欧姆接触层、P电极。
下面以工作波长在1550nm范围的可调双波长分布反馈式半导体激光器制作过程，来说明本发明所述的激光器的具体制作方法。
本发明可调双波长分布反馈式半导体激光器，可通过金属－有机化学气相沉积法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)技术，通过两次外延生长来完成制作。其细节描述如下：首先在N型InP衬底材料上依次外延N型InP缓冲层(厚度200nm、掺杂浓度约1.1×1018cm-3)、100nm厚的非掺杂晶格匹配InGaAsP下限制层、应变InGaAsP多量子阱(光荧光波长1.52微米，7个量子阱，阱厚8nm，0.5％压应变，垒厚10nm，晶格匹配材料)和100nm厚的P型晶格匹配InGaAsP(掺杂浓度约1.1×1017cm-3)上限制层。接下来用用利用普通双光束全息干涉曝光、或普通双光束全息干涉曝光加取样光刻板套刻、或电子束刻写技术等方法，把所需的光栅图案转移到上限制层上的光刻胶上，然后施以材料刻蚀，在上限制层上部形成所需的光栅结构。当光栅制作好后，再通过二次外延生长P型InP层(厚度1700nm，掺杂浓度约1.1×1018cm-3)和P型InGaAs(厚度100nm，掺杂浓度大于1×1019cm-3)欧姆接触层。在外延生长结束后，利用普通光刻结合化学湿法刻蚀，完成脊形波导的制作，脊波导长度一般为数百微米量级，脊宽2微米，脊侧沟宽20微米，深1.5微米。然后再用等离子体增强化学气相沉积法(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)工艺，在脊形波导周围沉积一层300nm厚的SiO2层或有机物BCB绝缘层。再接着利用光刻和化学湿法刻蚀，去除激光器脊形波导上方的SiO2层或有机物BCB绝缘层，露出其InGaAs欧姆接触层；再用磁控溅射的方法，在整个激光器结构的上方分别镀上100nm厚的Ti和400nm厚的Au，结合光刻工艺和化学湿法刻蚀，在脊条上方露出的InGaAs欧姆接触层上形成Ti-Au金属P电极。为了使电流注入控制相移大小的效果更好，最好用氦离子注入等方式，在相移区与相邻的反馈区之间进行电隔离。接着把整个激光器晶片减薄到150μm后，在基底材料的下方蒸镀上500nm厚的Au-Ge-Ni(Au:Ge:Ni成分比例为84:14:2)合金作为N电极。接着把得到的激光器芯片的三个反馈区的P电极用金丝连接在一起引出，形成反馈区P电极；两个相移区的P电极也分别用金丝引出。最后形成图6所示的三电极双相移可调双波长分布反馈式半导体激光器结构。
Claims (8)
1.一种可调双波长分布反馈式半导体激光器装置，其特征在于：所述激光器装置由三个反馈区和位于三个反馈区之间的两个相移区组成，沿着整个激光器其光栅结构为普通均匀光栅或均匀取样光栅,通过改变反馈区电极和两个相移区电极的注入电流，两个相移区中间位置各形成一个大小可以调节的真实相移或等效相移，从而获得稳定的双波长激射并控制两种激光的波长大小和波长间隔大小；三个反馈区的电极用导线连接在一起形成反馈区电极，两个相移区电极各自独立引出，且反馈区电极与两个相移区的电极相电隔离。
2.根据权利要求1所述的可调双波长分布反馈式半导体激光器装置，其特征在于：沿着整个激光器的光栅结构为带有两个等效相移的均匀取样光栅；在两个相移区中间位置各设置有一个等效相移；通过改变反馈区电极和两个相移区电极的注入电流，调节在两个相移区中间位置的等效相移大小，从而控制激光器激射的两种激光的波长大小和波长间隔大小。
3.根据权利要求1所述的可调双波长分布反馈式半导体激光器装置，其特征在于：沿着整个激光器的光栅结构为带有两个真实相移的普通均匀光栅；在两个相移区中间位置各设置有一个真实相移；通过改变反馈区电极和两个相移区电极的注入电流，调节在两个相移区中间位置的真实相移大小，从而调节激光器激射的两种激光的波长大小和波长间隔大小。
4.根据权利要求2所述的可调双波长分布反馈式半导体激光器装置，其特征在于：两个相移区中间位置各有一个等效π相移，且两个相移区长度相同。
5.根据权利要求3所述的可调双波长分布反馈式半导体激光器装置，其特征在于：两个相移区中间位置各有一个真实π相移，且两个相移区长度相同。
6.根据权利要求1所述的可调双波长分布反馈式半导体激光器装置，其特征在于：三个反馈区的电极与两个相移区的电极通过相间隔的方式相电隔离。
7.根据权利要求1所述的可调双波长分布反馈式半导体激光器装置，其特征在于：三个反馈区的电极与两个相移区的电极通过注入氦离子或者通过刻蚀电隔离沟的方式相电隔离。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的可调双波长分布反馈式半导体激光器装置，其特征在于：第一反馈区和第三反馈区的长度不同。
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Legal Events
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
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