CN105428998B - 外腔窄线宽激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种外腔窄线宽激光器，该激光器包括：半导体光放大器、平面波导光栅和衬底，其中：所述半导体光放大器和平面波导光栅键合到所述衬底上；所述半导体光放大器的一端镀有高反射膜，另一端镀有高透膜；所述平面波导光栅的两侧均镀有高透膜；所述半导体光放大器镀有高透膜一端的端面与所述平面波导光栅的一侧端面相耦合。本发明提供的外腔窄线宽激光器，具有窄线宽，高功率，低噪声及高的频率稳定性等特点，可应用于高阶调制格式及相干探测系统中，为下一代光纤通信系统提供发射源和本征源激光器。

Description

外腔窄线宽激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别是一种外腔窄线宽激光器。
背景技术
随着互联网通信的迅猛发展，人们对通信容量的需求急剧增加，单信道通信容量已经开始向400Gbps迈进。为了提高通信速率和频谱效率，需要采用新型调制格式和相干探测系统。而高阶调制格式对发射源和本振源激光器的线宽和频率稳定性提出了更加严格的要求。激光器的线宽会影响信号的相位噪声特性，频率不稳定会导致信号的频率漂移，这两者对接收机的灵敏度具有重要影响。400Gbps的相干通信系统对于激光器线宽的要求一般在100kHz以下，而目前光纤通信系统中常规部署的1.55μm及1.3μm波段的分布反馈半导体激光器的线宽一般在1～10MHz量级，无法满足高阶调制格式相干接收的要求。因此，实现低成本、可批量生产、频率稳定的窄线宽光源成为了下一代光纤通信系统需要迫切解决的问题。
目前，国内外对窄线宽激光器的研究主要集中在光纤激光器，分布反馈半导体激光器，布拉格反射镜激光器和外腔半导体激光器。其中，光纤激光器可以实现较窄的线宽及很高的输出功率。但是，受限于体积、结构和量产化方面的限制，在光发射机和接收机方面的应用前景不大。对于分布反馈半导体激光器或布拉格反射镜激光器，通过优化器件结构，以及一些外部线宽压缩手段，可以使线宽控制在千赫兹数量级，但与此同时，也增加了工艺和系统的复杂程度，难以大规模生产和应用。外腔半导体激光器以其波长精确控制，窄线宽，低功耗，低的频率噪声，工作稳定，结构简单和便于大规模生产的优势，在通信领域具有广泛的应用前景，可应用于高速相干通信系统的发射源和接收机本振源。
由于光纤光栅外腔半导体激光器对振动比较敏感，因此本发明采用波导光栅外腔半导体结构，将大功率弯曲波导光放大器与平面外脊波导光栅键合在同一片硅衬底上，从而提高了激光器的稳定性。该外腔半导体激光器具有低成本，窄线宽，高功率，低噪声等特点，应用于通信系统中，可大大提高系统的通信容量。另外，波长范围在0.78～1.55μm波段的窄线宽激光器在相干测距系统，相控阵雷达系统，光纤传感系统，气体检测及原子钟方面均有潜在的应用价值。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种外腔窄线宽激光器，具有窄线宽，高功率，低噪声及高的频率稳定性等特点，可应用于高阶调制格式及相干探测系统中，为下一代光纤通信系统提供发射源和本征源激光器。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种外腔窄线宽激光器，包括：半导体光放大器102、平面波导光栅103和衬底101，其中：
所述半导体光放大器102和平面波导光栅103键合到所述衬底101上；
所述半导体光放大器102的一端镀有高反射膜，另一端镀有高透膜；
所述平面波导光栅103的两侧均镀有高透膜；
所述半导体光放大器102镀有高透膜一端的端面与所述平面波导光栅103的一侧端面相耦合。
可选地，所述衬底101为图形衬底，衬底101的制备材料为Si。
可选地，所述半导体光放大器102的波导为直波导与弯曲波导的组合体，直波导端面镀有高反射膜，弯曲波导端面镀有高透射膜。
可选地，所述平面波导光栅103为布拉格外脊波导光栅结构。
可选地，所述半导体光放大器包括：
n型衬底201，用于在其一侧表面上制作外延层材料，所述n型衬底201的另一侧表面上制作有n面电极212；
n型InP缓冲层202，制作在所述n型衬底201上；
下限制层203，制作在所述n型InP缓冲层202上；
有源层204，制作在所述下限制层203上；
上限制层205，制作在所述有源层204上；
p型包层206，制作在所述上限制层205上；
刻蚀停止层207，制作在所述p型包层206上；
氧化层208和P型包层209，均制作在所述停止层207上，且所述氧化层208包围所述P型包层209；
欧姆接触层210，制作在所述p型包层209上；
p面电极211，制作在p型欧姆接触层210上。
可选地，所述平面波导光栅103包括：
衬底401，用于在其表面上制作平面波导光栅103的外延层；
隔离氧化层402，制作在所述衬底401上；
波导层403，制作在所述隔离层402上；
光栅，刻在所述波导层403上。
可选地，所述的平面波导光栅103的衬底401的制备材料为Si；隔离氧化层402的制备材料为SiO2；波导层403的制备材料为Si。
可选地，所述光栅为相移光栅。
可选地，所述波导层为脊型波导结构。
可选地，所述光栅为布拉格光栅，所述布拉格光栅刻蚀在脊型波导的外脊上。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的外腔窄线宽激光器，采用半导体光放大器与平面波导光栅耦合，使输出激光具有极窄的线宽。
2、本发明提供的外腔窄线宽激光器，其中的波导光栅，采用布拉格外脊波导光栅结构，降低了波导光栅的耦合系数和线宽，使输出激光具有窄线宽的特点。
3、本发明提供的外腔窄线宽激光器，其中的波导光栅，可采用相移光栅，从而减少输出激光的线宽。
4、本发明提供的外腔窄线宽激光器，其中光放大器采用高功率半导体光放大器，使输出激光具有大功率的特点。
5、本发明提供的外腔窄线宽激光器，将光放大器与波导光栅键合在同一个图形衬底上，降低了激光器对于振动等的敏感性，减小激光器的噪声。
6、本发明提供的外腔窄线宽激光器，半导体光放大器的波导采用直波导与弯曲波导的组合体，降低腔面反射，增加输出功率。
附图说明
图1a是根据本发明一实施例的外腔窄线宽激光器的横截面示意图；
图1b是根据本发明一实施例的外腔窄线宽激光器的俯视图；
图2a是根据本发明一实施例的半导体光放大器的横截面示意图；
图2b是根据本发明一实施例的半导体光放大器的俯视图；
图3a是根据本发明一实施例的波导光栅的横截面示意图；
图3b是根据本发明一实施例的波导光栅的俯视图。
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，对本发明进一步详细说明。
图1a是根据本发明一实施例的外腔窄线宽激光器的横截面示意图，如图1a所示，所述外腔窄线宽激光器包括：半导体光放大器102、平面波导光栅103和衬底101，其中：
所述半导体光放大器102和平面波导光栅103采用键合的方法键合到所述衬底101上，以降低激光器对振动的敏感性，增加激光器的稳定性，减少激光器的噪声；
所述半导体光放大器102的一端镀有高反射膜，另一端镀有高透膜；
所述平面波导光栅103的两侧均镀有高透膜；
所述半导体光放大器102镀有高透膜一端的端面与所述平面波导光栅103的一侧端面相耦合。
在本发明一实施例中，所述衬底101采用Si材料，为图形衬底，所述半导体光放大器102和平面波导光栅103的耦合高度通过衬底101的刻蚀深度来调节，从而增加器件之间的耦合效率。
图1b是根据本发明一实施例的外腔窄线宽激光器的俯视图，如图1b所示，所述半导体光放大器102的波导为直波导与弯曲波导的组合体，从而能够减少腔面反射，增加输出功率，直波导端面镀有高反射膜，弯曲波导端面镀有高透射膜。
所述平面波导光栅103采用布拉格外脊波导光栅结构，以减少光栅的耦合系数及线宽。
利用所述半导体光放大器102与平面波导光栅103进行耦合，使得输出为窄线宽激光，同时半导体光放大器102和平面波导光栅103采用键合的方法键合到同一衬底上，可以增加半导体激光器的稳定性，降低噪声。
在本发明一实施例中，可采用高功率半导体光放大器，从而得到高功率的外腔窄线宽激光器。
图2a是根据本发明一实施例的半导体光放大器的结构示意图，如图2a所示，所述半导体光放大器包括：
n型衬底201，用于在其一侧表面上制作半导体光放大器的各外延层材料，所述n型衬底201的另一侧表面上制作有n面电极212；
其中，所述n型衬底201的制作材料通常为InP材料。
n型InP缓冲层202，制作在所述n型衬底201上；
下限制层203，制作在所述n型InP缓冲层202上；
有源层204，制作在所述下限制层203上；
其中，所述有源层204为张应变InGaAsP多量子阱。
上限制层205，制作在所述有源层204上；
其中，所述上限制层205、下限制层203的制备材料为InGaAsP、InGaAlAs等材料。
p型包层206，制作在所述上限制层205上；
刻蚀停止层207，制作在所述p型包层206上；
氧化层208和P型包层209，均制作在所述停止层207上，且所述氧化层208包围所述P型包层209；
欧姆接触层210，制作在所述p型包层209上；
p面电极211，制作在p型欧姆接触层210上。
图2b是根据本发明一实施例的半导体光放大器的俯视图，如图2b所示，所述半导体光放大器102的波导为直波导301与弯曲波导302的组合体，从而减少腔面反射，增加输出功率。
图3a是根据本发明一实施例的平面波导光栅103的横截面示意图，图3b是根据本发明一实施例的平面波导光栅的俯视图，如图3a和图3b所示，所述平面波导光栅103包括：
衬底401，用于在其表面上制作平面波导光栅103的各个外延层；
隔离氧化层402，制作在所述衬底401上；
波导层403，制作在所述隔离层402上；
光栅，刻在所述波导层403上。
在本发明一实施例中，所述衬底401的制备材料为Si，所述隔离氧化层402的制备材料为SiO2，所述波导层的制备材料为Si。
在本发明一实施例中，所述光栅可采用相移光栅，从而减小光栅的线宽，使激光器输出窄线宽的激光。
在本发明另一实施例中，所述波导层为脊型波导结构，以增加对光场的限制作用；所述光栅为布拉格光栅，所述布拉格光栅刻蚀在脊型波导的外脊上，用来减小光栅的耦合系数和线宽；所述平面波导光栅103的两侧均镀有高透膜。其中，可以采用电子束曝光等方法制作布拉格波导光栅。由图3a中可以看出，所述平面波导光栅103的内脊宽为W，光栅与内脊波导间的距离为d，光栅的刻蚀深度为b，齿幅度为a，周期为Λ。通过调节光栅与内脊波导间的距离d，光栅齿幅度a等参数，可以对光栅的耦合系数和线宽进行调制。同时利用硅材料的热光效应，载流子色散效应等，可以对光栅的谐振波长进行调制。
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，所应理解的是，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 (7)

1.一种外腔窄线宽激光器，其特征在于，所述激光器包括：半导体光放大器(102)、平面波导光栅(103)和衬底(101)，其中：
所述半导体光放大器(102)和平面波导光栅(103)键合到所述衬底(101)上；
所述半导体光放大器(102)的一端镀有高反射膜，另一端镀有高透膜；
所述平面波导光栅(103)的两侧均镀有高透膜；所述平面波导光栅(103)为布拉格外脊波导光栅结构；
所述半导体光放大器(102)镀有高透膜一端的端面与所述平面波导光栅(103)的一侧端面相耦合；其中，所述平面波导光栅(103)包括：
衬底(401)，其制备材料为Si，用于在其表面上制作平面波导光栅(103)的外延层；
隔离氧化层(402)，其制备材料为SiO2，制作在所述衬底(401)上；
波导层(403)，其制备材料为Si，制作在所述隔离层(402)上；
光栅，刻在所述波导层(403)上；
利用硅材料的热光效应、载流子色散效应，对光栅的谐振波长进行调制；通过调节光栅与内脊波导间的距离d，光栅齿幅度a，对光栅的耦合系数和线宽进行调制。
2.根据权利要求1所述的外腔窄线宽激光器，其特征在于，所述衬底(101)为图形衬底，衬底(101)的制备材料为Si。
3.根据权利要求1所述的外腔窄线宽激光器，其特征在于，所述半导体光放大器(102)的波导为直波导与弯曲波导的组合体，直波导端面镀有高反射膜，弯曲波导端面镀有高透射膜。
4.根据权利要求1所述的外腔窄线宽激光器，其特征在于，所述半导体光放大器包括：
n型衬底(201)，用于在其一侧表面上制作外延层材料，所述n型衬底(201)的另一侧表面上制作有n面电极(212)；
n型InP缓冲层(202)，制作在所述n型衬底(201)上；
下限制层(203)，制作在所述n型InP缓冲层(202)上；
有源层(204)，制作在所述下限制层(203)上；
上限制层(205)，制作在所述有源层(204)上；
p型包层(206)，制作在所述上限制层(205)上；
刻蚀停止层(207)，制作在所述p型包层(206)上；
氧化层(208)和P型包层(209)，均制作在所述停止层(207)上，且所述氧化层(208)包围所述P型包层(209)；
欧姆接触层(210)，制作在所述p型包层(209)上；
p面电极(211)，制作在p型欧姆接触层(210)上。
5.根据权利要求1所述的外腔窄线宽激光器，其特征在于，所述光栅为相移光栅。
6.根据权利要求1所述的外腔窄线宽激光器，其特征在于，所述波导层为脊型波导结构。
7.根据权利要求6所述的外腔窄线宽激光器，其特征在于，所述光栅为布拉格光栅，所述布拉格光栅刻蚀在脊型波导的外脊上。
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Address after: 255086 Building 9, MEMS Industrial Park, 158 Zhongrun Avenue, high tech Zone, Zibo City, Shandong Province

Patentee after: Shandong zhongkejilian Optoelectronic Integrated Technology Research Institute Co.,Ltd.

Address before: 100000 20213, 145 Tongle Road, nandulehe Town, Pinggu District, Beijing (cluster registration)

Patentee before: Beijing Jialun Technology Co.,Ltd.