CN105119141A

CN105119141A - 一种双波长可调谐半导体激光器

Info

Publication number: CN105119141A
Application number: CN201510599039.4A
Authority: CN
Inventors: 赵航; 余永林
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2015-09-17
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2035-09-17
Also published as: CN105119141B

Abstract

本发明公开了一种双波长可调谐半导体激光器，该激光器包括有源区、相位区和光栅区；从下往上依次附着有第一缓冲层、有源层和第一覆盖层，第一缓冲层、有源层和第一覆盖层构成了有源区；从下往上依次附着有第二缓冲层、波导层和第二覆盖层，第二缓冲层、波导层和第二覆盖层构成了相位区；从下往上依次附着有第三缓冲层、光栅层和第三覆盖层，第三缓冲层、光栅层和第三覆盖层构成了相位区；在第一覆盖层的上表面设有第一电极，在第二覆盖层的上表面设有第二电极，在第三覆盖层的上表面设有第三电极；有源区的左端面为解理面，光栅区的右端面镀有增透膜。本发明提供的激光器能够实现双波长的稳定输出，同时波长可调。

Description

一种双波长可调谐半导体激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，更具体地，涉及一种双波长可调谐半导体激光器，该激光器是一种具有双层布拉格光栅的分布式布拉格反射激光器。

背景技术

随着光通信技术的日益发展，低成本的可调谐半导体激光器在接入网和数据交换中有着非常大的应用潜力和发展空间。另一方面，双波长激光器由于其在太赫兹产生、光远端探测和双稳态等方面的独特优势，引起了人们的广泛关注和研究。例如，基于双波长激光器，利用注入锁定技术可以实现波长和功率的双稳态，从而进一步应用于波长转换、光存储和光开关等。所以，如果使激光器同时兼具双波长输出和波长可调谐特性，势必会在诸多领域展现出巨大的应用价值。

为了实现单片集成的双波长激光器，格拉斯哥大学的FrancescaPozzi等人提出一种侧向耦合DFB激光器，报道于“Dual-WavelengthInAlGaAs–InPLaterallyCoupledDistributedFeedbackLaser”，IEEEPhotonicsTechnologyLetters，vol.18，no.24，2006。这种激光器是在传统DFB激光器的基础上，独辟蹊径，将具有不同周期的两组布拉格光栅刻蚀在波导的两侧，每组光栅对应一个激射波长，从而实现双模激射。但是，由于受DFB激光器本身特点的限制，无法实现大范围内的波长可调。

2000年，在典型的分布式布拉格反射(DBR)激光器基础上，美国伊利诺伊大学的S.DRoh等人采用光栅级联的方法，将具有不同周期的布拉格光栅前后级联，通过改变注入光栅区的电流实现了波长可调的双波长激光器，其结构如附图1所示。相关研究报道在“SingleandTunableDual-WavelengthOperationofanInGaAs–GaAsRidgeWaveguideDistributedBraggReflectorLaser”，IEEETransactionsonPhotonicsLetters，vol.12，no.1，2000。采用光栅级联的方法，由于两个激射波长所对应的腔长不同，会使得后光栅段所对应的激射波长具有较大的损耗，从而导致功率不均衡。此外，将光栅级联将大大扩展器件的体积，这对于光芯片的高集成化而言，是十分不利的。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种双波长可调谐半导体激光器，旨在解决现有技术中采用光栅级联的方式，由于两个激射波长所对应的腔长不同，会使得后光栅段所对应的激射波长具有较大的损耗，从而导致功率不均衡的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种双波长可调谐半导体激光器，该激光器包括有源区、相位区和光栅区；从下往上依次附着有第一缓冲层、有源层和第一覆盖层，所述第一缓冲层、所述有源层和所述第一覆盖层构成了所述有源区；从下往上依次附着有第二缓冲层、波导层和第二覆盖层，所述第二缓冲层、波导层和第二覆盖层构成了所述相位区；从下往上依次附着有第三缓冲层、光栅层和第三覆盖层，所述第三缓冲层、光栅层和第三覆盖层构成了所述光栅区；在所述第一覆盖层的上表面设有第一电极，在第二覆盖层的上表面设有第二电极，在第三覆盖层的上表面设有第三电极；所述有源区的左端面为解理面，所述光栅区的右端面镀有增透膜。

更进一步地，所述光栅层包括刻蚀在第三覆盖层下表面的第一布拉格光栅和刻蚀在第三缓冲层上表面的第二布拉格光栅；所述第一布拉格光栅的周期与所述第二布拉格光栅的周期不同。

更进一步地，所述光栅层的有效折射率大于第三缓冲层的折射率；所述光栅层的有效折射率大于所述第三覆盖层的折射率。

更进一步地，所述有源层的带隙小于所述波导层的带隙；所述有源层的带隙小于所述光栅层的带隙。

更进一步地，工作时，通过在所述第一电极中注入电流使得激光器开始工作；通过改变所述第三电极的注入电流，使得光栅层的两个布拉格反射峰同时发生移动，实现对腔内纵模的选择，来对激光器的输出波长进行粗调节；通过改变所述第二电极的注入电流，使得所述波导层的折射率发生改变，整个激光器有效腔长发生改变，腔内的纵模位置发生移动，来对激光器的输出波长进行细调节。

更进一步地，同一个时刻输出的两个波长之间的间距等于两个光栅的布拉格反射峰的间距。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用上下放置的双层布拉格光栅结构，可以很好的保证光栅反射谱中具有两个完全相同的反射峰，采用上述光栅结构，激光器能够实现双波长的稳定输出，同时波长可调。通过对光栅结构参数的优化，可以进一步精确控制两个反射峰之间的间距；同时，由于光栅上下放置，相比于采用光栅前后级联的方法，可以大大减小光栅的体积，结构紧凑，利于集成。

附图说明

图1为背景技术中采用光栅级联技术实现双波长激射的可调谐半导体激光器纵向截面的结构示意图。

图2是本发明实施例纵向截面的结构示意图。

图3是实施例中光栅区采用的双层布拉格光栅的三维图。

图4是实施例中双层布拉格光栅的反射谱。

图5是实施例中改变光栅区电极注入电流得到的波长静态调谐特性图。

图6是实施例中改变相位区电极注入电流得到的波长静态调谐特性图。

其中，1为有源区，2为相位区，3为光栅区，4为有源层，5为波导层，6为光栅层，7为第一覆盖层，8为第一缓冲层，9为第二覆盖层，10第二缓冲层，11为第三覆盖层，12为第三缓冲层，13为解理面，14为增透膜，15为第一电极，16为第二电极，17为第三电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明的目的在于提供一种双波长可调谐半导体激光器，它不仅可以实现双波长激射，还能够实现两个波长的同时调谐，光栅区可采用全息曝光的方法制作，具有结构紧凑，成本低廉的优点。

本发明提供了一种双波长可调谐半导体激光器，附图2是其纵向截面图。所述半导体激光器包括有源区1、相位区2和光栅区3；从下往上依次附着有第一缓冲层8、有源层4和第一覆盖层7，第一缓冲层8、有源层4和第一覆盖层7构成了有源区1；从下往上依次附着有第二缓冲层10、波导层5和第二覆盖层9，所述第二缓冲层10、波导层5和第二覆盖层9构成了相位区2；从下往上依次附着有第三缓冲层12、光栅层6和第三覆盖层11，第三缓冲层12、光栅层6和第三覆盖层11构成了相位区2；在第一覆盖层7的上表面设有第一电极15，在第二覆盖层9的上表面设有第二电极16，在第三覆盖层11的上表面设有第三电极17；有源区1的左端面为解理面13，光栅区3的右端面镀有增透膜14。

光栅层6包括两层布拉格光栅，第一布拉格光栅设置在第三缓冲层12的上表面，第一布拉格光栅的凹槽中填充有与第三缓冲层12材料相同的材料，凸起中填充有与波导层5材料相同的材料；第二布拉格光栅设置在第三覆盖层11的下表面，且第二布拉格光栅的凹槽中填充有与第三覆盖层11材料相同的材料，凸起中填充有与波导层5材料相同的材料。将两个布拉格光栅上下放置，在光栅反射谱中可形成两个布拉格反射峰，如附图4所示。相较于背景技术中采用光栅前后级联的方法，本发明将光栅上下放置，可以大大减小整个器件的体积。此外，采用光栅前后级联的方法，由于两个激射波长所对应的激光器腔长是不同的，后光栅的反射光场在激光器内经历的损耗将会大于前光栅的反射光场在激光器内经历的损耗，导致两个激射波长输出功率不均衡。本发明中采用双层光栅结构，上下两层光栅的两个布拉格反射波长共用同一个激光器腔长，从而保证两个输出波长的功率均衡。

在本发明实施例中，第一缓冲层8、第二缓冲层10和第三缓冲层12的材料均可以选用掺Si的N型材料InP；第一覆盖层7、第二覆盖层9和第三覆盖层11的材料均可以选用掺Zn的P型材料InP，有源层4可以采用InGaAsP体材料或InGaAsP多量子阱结构，通过改变化合物中各种组分的配比来改变有源层的折射率和带隙；波导层5的材料可以选用未掺杂的InGaAsP；光栅层6所选用的材料与波导层5的材料相同，折射率为3.3～3.5。有源层4、波导层5和光栅层6的折射率均大于覆盖层和缓冲层的折射率；有源层4的带隙小于波导层5和光栅层6的带隙。

光栅层6由分别位于第三覆盖层11下表面的第一布拉格光栅和位于第三缓冲层12上表面的第二布拉格光栅组成，第一布拉格光栅与第二布拉格光栅的周期不同。

本发明具有的优点是：

(1)本发明中光栅区采用了双层布拉格光栅，由于此光栅结构的反射谱中具有两个布拉格反射峰，因而本发明不仅可以实现双波长激射，通过改变光栅区注入电流还可实现对两个波长的同时调谐，调谐范围8～10nm。

(2)本发明可以通过改变相位区的注入电流，实现对波长的精细调谐。

(3)本发明光栅层的两层布拉格光栅分别位于第三缓冲层的上表面和第三覆盖层的下表面，相较于背景技术中采用光栅前后级联的方式，本发明采用上下放置的双层光栅，结构紧凑，利于集成；光栅可采用全息曝光的方法制作，工艺简单，成本低廉。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的双波长可调谐半导体激光器，下面结合附图和实施实例对本发明做进一步说明。

如附图2所示，是本发明实施例提供的一种双波长可调谐半导体激光器；包括有源区1、相位区2和光栅区3；有源区1由有源层4、第一覆盖层7和第一缓冲层8组成，其左端面为解理面13；相位区2由波导层5、第二覆盖层9和第二缓冲层10组成；光栅区3由光栅层6、第三覆盖层11和第三缓冲层12组成，其右端面镀有增透膜14；在第一覆盖层7的上表面设有第一电极15，在第二覆盖层9的上表面设有第二电极16，在第三覆盖层11的上表面设有第三电极17。

如附图3所示，是实施例中光栅层6的三维结构图。光栅层6主要由两层布拉格光栅组成，这两层布拉格光栅分别刻蚀在第三缓冲层的上表面和第三覆盖层的下表面，周期分别为Λ₁和Λ₂。

如附图4所示，是实施例中光栅层6的反射谱，所用参数如表1所示。根据公式2n_effΛ＝mλ(m＝1，2，…)，其中n_eff为光栅的有效折射率，Λ为光栅周期，m为光栅的阶数，λ为布拉格光栅的反射峰所对应的波长。由于光栅层中含有两层不同周期的光栅，所以反射谱中会产生两个布拉格反射峰，两个布拉格反射峰的间距可由Δλ＝2n_eff|Λ₁-Λ₂|计算；另一方面，当改变第三电极(17)的注入电流时，由于注入载流子浓度发生改变，使得有效折射率n_eff的大小发生改变，从而导致反射峰位置发生移动。

在第一电极15中注入电流后，有源层会在其增益谱带宽内通过自发辐射产生各种频率的光子，所有满足相位条件的光子会在激光器中不断谐振，每经过一次有源层4便获得一次放大，最终，通过模式竞争，阈值最低的那些光子会率先实现激射，并将增益钳制。对于布拉格反馈激光器，布拉格光栅反射峰所在的波长将获得最大反馈，损耗最小，成为激射波长。在本发明实施例中，光栅层6具有两个相同的反射峰，假设增益是平坦的，那么这两个反射峰所在的波长由于同时具有最低损耗，或损耗非常接近，最终将同时成为激射波长。

通过改变第三电极17的注入电流，将导致光栅两个反射峰同时发生移动，实现对腔内纵模的选择，从而改变激光器的输出波长，称为粗调其中，注入电流越大，输出波长越短；在实际调节过程中，只需要通过查找注入电流与输出波长之间的对应关系表来获得。如附图5所示，是通过改变光栅区3注入电流得到的波长静态调谐特性图。图中两组输出波长的间距等于光栅两个反射峰的间距，每个台阶代表一个模式。颜色较深的代表功率略大的波长，颜色较浅的代表功率略小的波长。

通过改变第二电极16的注入电流，将导致波导层5的折射率发生改变，进而整个激光器有效腔长发生改变，腔内的纵模位置因此发生移动，相当于对波长实现了细调。如附图6所示，是通过改变相位区注入电流得到的波长静态调谐特性图。在本发明中，不仅可以通过调谐相位区电流实现对两个波长的精细调谐，还可以实现两个输出波长功率大小的转换。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种双波长可调谐半导体激光器，其特征在于，该激光器包括有源区(1)、相位区(2)和光栅区(3)；从下往上依次附着有第一缓冲层(8)、有源层(4)和第一覆盖层(7)，所述第一缓冲层(8)、所述有源层(4)和所述第一覆盖层(7)构成了所述有源区(1)；从下往上依次附着有第二缓冲层(10)、波导层(5)和第二覆盖层(9)，所述第二缓冲层(10)、波导层(5)和第二覆盖层(9)构成了所述相位区(2)；从下往上依次附着有第三缓冲层(12)、光栅层(6)和第三覆盖层(11)，所述第三缓冲层(12)、光栅层(6)和第三覆盖层(11)构成了所述相位区(2)；在所述第一覆盖层(7)的上表面设有第一电极(15)，在第二覆盖层(9)的上表面设有第二电极(16)，在第三覆盖层(11)的上表面设有第三电极(17)；所述有源区(1)的左端面为解理面(13)，所述光栅区(3)的右端面镀有增透膜(14)。

2.如权利要求1所述的双波长可调谐半导体激光器，其特征在于，所述光栅层(6)包括刻蚀在第三覆盖层(11)下表面的第一布拉格光栅和刻蚀在第三缓冲层(12)上表面的第二布拉格光栅；所述第一布拉格光栅的周期与所述第二布拉格光栅的周期不同。

3.如权利要求1或2所述的双波长可调谐半导体激光器，其特征在于，所述光栅层(6)的有效折射率大于第三缓冲层(12)的折射率；所述光栅层(6)的有效折射率大于所述第三覆盖层(11)的折射率。

4.如权利要求1或2所述的双波长可调谐半导体激光器，其特征在于，所述有源层(4)的带隙小于所述波导层(5)，所述有源层(4)的带隙小于所述光栅层(6)的带隙。

5.如权利要求1-4任一项所述的双波长可调谐半导体激光器，其特征在于，工作时，通过在所述第一电极(15)中注入电流使得激光器开始工作；通过改变所述第三电极(17)的注入电流，使得光栅层的两个反射峰同时发生移动，实现对腔内纵模的选择，来对激光器的输出波长进行粗调节；通过改变所述第二电极(16)的注入电流，使得所述波导层(5)的折射率发生改变，整个激光器有效腔长发生改变，腔内的纵模位置发生移动，来对激光器的输出波长进行细调节。

6.如权利要求5所述的双波长可调谐半导体激光器，其特征在于，同一个时刻输出的两个波长之间的间距等于两个光栅的布拉格反射峰的间距。