CN105490164A - 一种分布反馈激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体激光器技术领域，提出了一种采用均匀光栅但可以实现单模的新型分布反馈激光器。该激光器包含有源区和反射区两个部分：有源区上注入电流，给激光器提供增益；反射区的外端面镀增透膜或采用抗反射的结构来降低反射；有源区的另外一端为激光器的输出端面，该端面镀有增透膜以减小反射。反射区光栅能够增大激光器的反馈，减小短腔长下阈值增益。有源区、反射区的光栅为连续均匀分布的分布反馈布拉格光栅，有源区、反射区的光栅周期相同，通过注入电流导致有源区和反射区之间的有效折射率差进行选模。本发明的激光器在均匀光栅时实现单模，并在短腔长的情况下仍具有较低的阈值增益，同时制作难度小。

Description

一种分布反馈激光器

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，涉及分布反馈激光器。

背景技术

随着大容量超高速光纤通信技术的发展，高直调制速率的半导体激光器成长为光纤通信系统和下一代光网络的关键器件之一。在波分复用(WDM)系统中，25Gb/s的高速直调制激光器可用于构成100Gb/s的下一代以太网的发射机。在局域网的发展中，25GHz调制带宽的高速直调制激光器则是实现40Gb/s光纤通信的关键器件，其中分布反馈(DistributedFeedback,DFB)激光器由于其高功率和单纵模特性好而受到国内外的广泛关注和研究。

分布反馈激光器采用折射率周期性变化的结构实现谐振腔的反馈，由于采用了平面工艺，可以应用于集成光路中与其他器件进行耦合和集成，适用范围非常广泛。目前分布反馈激光器有多种实现方案，其中最主要的方案有两种：一种是λ/4相移分布反馈激光器(UtakaK.,AkibaS.,SakaiK.,etal.,λ/4-shiftedInGaAsP/InPDFBlasers[J].QuantumElectronics,IEEEJournalof,1986,22(7):1042-1051.)；另一种是均匀光栅，两端面分别镀高反膜和增透膜的分布反馈激光器(RazeghiM.,BlondeauR.,KrakowskiM.,etal.Low-thresholddistributedfeedbacklasersfabricatedonmaterialgrowncompletelybyLP-MOCVD[J].QuantumElectronics,IEEEJournalof,1985,21(6):507-511.)。

传统λ/4相移分布反馈激光器是通过中心λ/4相移区引入的π相移，使得光栅布拉格波长处满足相位条件成为激光器的激射模式波长。同时由于光栅的布拉格波长位于反射谱峰值，获得的反射最强，所以位于布拉格波长处的模式具有比其他模式小得多的阈值增益，因此该激光器能很好的单模工作，并具有高的边模抑制比。由于激射波长就是光栅的布拉格波长，所以可以通过控制光栅的周期来控制激光器的激射波长，因此该方案能实现精确的激射波长控制以及高的成品率，在需要高成品率和精确波长控制的情况下，比如说分布反馈激光器的阵列，都无一例外的采用了λ/4相移的分布反馈激光器进行集成(KobayashiW.,KanazawaS.,OhnoT.,etal.,MonolithicallyintegrateddirectlymodulatedDFBlaserarraywithMMIcouplerfor100GBASE-LR4application[C]//OpticalFiberCommunicationConference.OpticalSocietyofAmerica,2015:Tu3I.2.)。如果需要实现200微米或更短的激光器腔长，一种比较好的方案是在传统λ/4相移分布反馈激光器的两端集成无源的分布布拉格反射区(如，SimoyamaT.,MatsudaM.,OkumuraS.,etal.,50-Gbpsdirectmodulationusing1.3-μmAlGaInAsMQWdistribute-reflectorlasers[C]//EuropeanConferenceandExhibitiononOpticalCommunication.OpticalSocietyofAmerica,2012:P2.11.)。另一种是可以通过我们之前的专利(申请号：201510354846X)中加入反射区的分布反馈激光器结构来降低传统λ/4相移分布反馈激光器的阈值和提高输出功率。总体来说采用λ/4相移进行选模的分布反馈激光器采用了更复杂的光栅，增加了光栅制作的复杂性，并且相移区的存在会使得光子密度高度聚集，在高注入电流下易引发空间烧孔效应，边模抑制比会发生急剧下降。

如果采用均匀光栅，需要使用一端镀高反膜、另一端镀增透膜的方法使腔面反射率非对称，扰动均匀光栅分布反馈激光器中存在的两个对称的模式结构，实现单模输出。并且一端镀高反膜可以把阈值增益降低，在腔长为150微米的情况下可以实现超过30GHz的直调制带宽(KobayashiW.,TadokoroT.,ItoT.,etal.,High-speedoperationat50Gb/sand60-kmSMFtransmissionwith1.3-μmInGaAlAs-basedDML[C]//SemiconductorLaserConference(ISLC),201223rdIEEEInternational.IEEE,2012:50-51.)，但激光器的边模抑制比和成品率就会大大降低，无法实现多个激光器的集成。

为解决上面的问题，现有的另一种实现短腔长的方式是在均匀光栅的分布反馈激光器两端集成无源的分布反射区(MatsudaM,UetakeA,SimoyamaT,etal.1.3-μm-WavelengthAlGaInAsMultiple-Quantum-WellSemi-InsulatingBuried-HeterostructureDistributed-ReflectorLaserArraysonSemi-InsulatingInPSubstrate[J].2015.)。这两个反射区不仅增强了整个激光器谐振腔的反馈因而能降低阈值增益，同时仔细设计这两个反射区等效折射率，使得反射区与有源区的反射谱峰值波长错位，使得均匀光栅中两个对称模式被破坏，最后得到单模输出激光器。但这样制作工艺变得非常复杂，主要是两端无源波导的集成需要对接再生长技术，其技术难度大，工艺复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种分布反馈激光器，以克服上述不足。

为了解决上述技术问题，本发明提出的采用均匀光栅选模并实现短腔长的分布反馈激光器，所述激光器包括有源区和反射区，所述有源区注入电流；所述反射区在激光器非输出的一端；激光器输出的一端的端面镀有增透膜；所述有源区、反射区的光栅均为均匀分布的分布反馈布拉格光栅，有源区、反射区的光栅周期相同，通过注入电流导致有源区和反射区之间的有效折射率差进行选模。而不需要对有源区的折射率和光栅周期进行再设计。

所述光栅为布拉格反射光栅，其周期Λ按照以下公式计算：

$\mathrm{\Λ}=\frac{m\mathrm{\λ}}{2n_{eff}}$

其中，m是光栅级数，λ是所述光栅所对应的布拉格波长，在该波长处光栅能产生最高的反射，n_eff为波导的有效折射率。所述的光栅级数m＝1。

所述有源区长度可以小于等于200微米，实现短腔长的分布反馈激光器。

所述的分布反馈激光器，所述的反射区与有源区的波导采用相同的芯层结构，反射区的波导芯层同样为有源量子阱材料。反射区的量子阱材料可以被激光器自身的出光泵浦到透明状态，因而量子阱的吸收损耗可以减小到接近于零，最后波导的损耗即为有源区波导的内部损耗，通常的损耗在20cm^-1量级。

所述分布反馈激光器，其反射区的长度可以根据所需的反射率进行自定义，长度越长，反射率越高，最高反射率可达到80％以上，主要受到波导内部损耗的限制。

所述分布反馈激光器，其反射区的光栅耦合系数可以根据所需的反射率进行自定义，耦合系数越大，反射率越高，同样反射率可根据耦合系数调节到80％以上。

所述分布反馈激光器，其反射区的外端面部分选择采用窗口区，或者带水平倾斜的端面，或者是镀增透膜，或者是上述多种方法的结合，来减小反射。

所述分布反馈激光器输出端镀增透膜，增透膜的反射率小于1％，以减小反射。

所述输出端面可以增设一段与反射区相同的光栅，该段与有源区具有同样的波导芯层结构。该段光栅可以提供额外的反射，所以总体上可以降低激光器的激射阈值，使得激光器可以在有源区部分长度进一步减小的情况下工作。

与现有的分布反馈激光器相比，本发明引入了具有布拉格光栅的反射区，该反射区与有源区采用相同的波导芯层，在有源区不注入电流下两者具有相同的折射率，当注入电流时由于两者载流子浓度出现差别，使得两者反射谱的峰值波长产生差别，这样破坏了有源区均匀光栅所决定的分布反馈激光器模式的对称性，长波长模式得到更多反馈从而成为激光器的激射模式。该反射区能提高激光器谐振腔的反馈，因此可以减小阈值增益，使得激光器可以实现短腔长(200微米及以下)工作，这样可以提高激光器的直调制带宽；另外可以提高激光器输出的斜率效率。同时反射区的形成不再需要复杂的对接再生长过程，因此具有制作难度小的特点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为本发明的分布反馈激光器的结构示意图。

图2为模拟得到的本发明在80mA下激光器腔内的载流子和光子浓度分布。

图3为本发明激光器有源区、反射区以及激光器反射谱。

图4为模拟得到的本发明激光器的输出光谱

图5为模拟得到的本发明激光器P-I曲线。

具体实施方式

如图1所示，本发明的分布反馈激光器包括有源区1，又称为光增益区和反射区2。有源区1从上而下包括电极接触层3、波导上盖层4、光栅层5、上光限制层6、量子阱层7、下光限制层8，波导下盖层9。反射区2从上而下包括波导上盖层4、光栅层5、上光限制层6、量子阱层7、下光限制层8、波导下盖层9、离子注入区10。

分布反馈激光器的反射区与有源区具有相同的波导结构，反射区的波导芯层同样为有源量子阱材料。波导传输层都为有源层7，区别在于反射区不存在电极接触层3，不注入电流，无法得到增益，对于激光器只是起到增大激光器反馈的作用，反射区光栅能够增大激光器的反馈，减小短腔长下阈值增益。可以实现有源区长度小于等于200微米。

反射区的长度可以根据所需的反射率进行自定义调节，长度越长，反射率越高，反射区的最高反射率达到80％以上。反射区的光栅耦合系数可以根据所需的反射率进行自定义调节，耦合系数越大，反射率越高，调节光栅耦合系数能够使反射率达到80％以上。

有源区和反射区为同周期的均匀布拉格反射光栅，其周期Λ按照以下公式计算：

$\mathrm{\Λ}=\frac{m\mathrm{\λ}}{2n_{eff}}$

其中，m是光栅级数，m＝1。λ是所述光栅所对应的布拉格波长，在该波长处光栅能产生最高的反射，n_eff为波导的有效折射率。

该分布反馈激光器的有源区和反射区在不注入电流的情况下，其等效折射率是相同的。当有源区注入电流时，其折射率随着载流子浓度改变会改变，反射区由于入射光泵浦产生载流子同样会引起其折射率变化，但是有源区在阈值以上的载流子浓度是大于透明载流子浓度的，而反射区部分入射波长决定载流子浓度则不会超过透明载流子浓度，有源区和反射区载流子浓度分布如图2所示。有源区与反射区的载流子密度不同，这导致他们的模式折射率有差别，所以虽然他们的光栅周期相同，但是两者光栅的布拉格波长并不相同，反射区比有源区的布拉格波长偏向长波长一些。

有源区的均匀光栅支持两个模式：长波长模式和短波长模式，模式波长分别长于和短于光栅的布拉格波长。有源区的均匀光栅所支持的长波长模式更靠近反射区光栅的反射峰峰值，而短波长模式远离反射峰峰值，因此模式反射率之间的差别能选出长波长模式激射，使得激光器实现单模。根据稳定后激光器的各个参数可以得到图3中有源区反射谱曲线11，反射区反射谱曲线12，整个激光器反射谱13以及相位随波长变化关系14，波长λ₁和λ₂为反射谱相位为0处的波长。在有源区反射谱中，λ₁和λ₂具有相同的相位和反射率，即为分布反馈光栅中存在的两个对称模式，而反射区反射谱中心位置偏向λ₂位置，使得总的反射谱强度向λ₂偏移，λ₂获得高的反射率，λ₁得到的反射低，即λ₂阈值低，更容易实现激射，这样就破坏了两个模式的对称性，最后得到一个单模输出的激光器。根据专利(申请号：201510354846X)结果，光栅耦合系数为150cm^-1，反射区在150微米可以得到最大的反射率为0.8。模拟激光器反射区长度为150微米，有源区为150微米，两部分耦合系数都为150cm^-1。该激光器在80mA时的归一化输出光谱图如图4，在均匀光栅的情况下，该分布反馈激光器可以实现单模。

该激光器的反射区能提供额外的反射，使得激光器在短腔长时仍能实现阈值电流较低的输出，其输出功率与注入电流的关系如图5所示，阈值电流小于5mA，斜率效率可以达到0.45W/A。

在激光器的反射区外端面部分，为减小解理面反射的影响，可以采用窗口区、或水平方向倾斜的解理面、或者镀增透膜等，使得最后得到解理面反射不影响激光器的性能。分布反馈激光器的激光器输出端镀增透膜，增透膜的反射率可以小于1％。

为进一步增加激光器谐振腔的反馈，还可以在激光器的输出端面加上一段和反射区相同的光栅，该光栅可以提供额外的反射，所以总体上可以降低激光器的激射阈值，使得激光器可以在有源区部分长度进一步减小的情况下工作。但这一部分光栅也会产生额外的损耗因而降低激光器的输出效率，所以相对于反射区部分的光栅，在输出端面添加的光栅不适合太长。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种分布反馈激光器，其特征在于，所述激光器包括有源区和反射区，所述有源区注入电流，所述反射区在激光器非输出的一端；激光器输出的一端的端面镀有增透膜；所述有源区、反射区的光栅均为均匀分布的分布反馈布拉格光栅，有源区、反射区的光栅周期相同，通过注入电流导致有源区和反射区之间的有效折射率差进行选模。

2.根据权利要求1所述分布反馈激光器，其特征在于，所述光栅为布拉格反射光栅，其周期Λ按照以下公式计算：

$\mathrm{\Λ}=\frac{m\mathrm{\λ}}{2n_{eff}}$

其中，m是光栅级数，λ是所述光栅所对应的布拉格波长，在该波长处光栅能产生最高的反射，n_eff为波导的有效折射率。

3.根据权利要求2所述的分布反馈式激光器，其特征在于，所述的光栅级数m＝1。

4.根据权利要求1所述的分布反馈激光器，其特征在于，所述有源区长度可以小于等于200微米。

5.根据权利要求3所述的分布反馈激光器，其特征在于，所述反射区与有源区的波导采用相同的芯层结构，反射区的波导芯层同样为有源量子阱材料。

6.根据权利要求1所述的分布反馈激光器，其特征在于，所述反射区的长度可以根据所需的反射率进行自定义调节，长度越长，反射率越高，所述反射区的最高反射率达到80％以上。

7.根据权利要求1或2所述的分布反馈激光器，其特征在于，所述反射区的光栅耦合系数可以根据所需的反射率进行自定义调节，耦合系数越大，反射率越高，调节光栅耦合系数能够使反射率达到80％以上。

8.根据权利要求1或2所述的分布反馈激光器，其特征在于，所述反射区外端面部分选择采用窗口区，或者带水平倾斜的端面，或者是镀增透膜，或者是上述多种方法的结合来减小反射。

9.根据权利要求1所述的分布反馈激光器，其特征在于，所述激光器输出端的增透膜的反射率小于1％。