CN105826813B - 一种基于高阶表面光栅的单模激光器 - Google Patents

一种基于高阶表面光栅的单模激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于高阶表面光栅的单模激光器。该激光器为脊波导结构，横向由覆盖层、芯层和衬底构成。在靠近激光器输出端的前段脊波导表面上刻蚀有窄槽宽的高阶布拉格光栅，该组光栅的刻蚀深度不穿透芯层，提供激光器在输出端光反馈；激光器另外一端的后段脊波导不包含光栅，该端端面为深刻蚀界面，提供激光器在该端的光反馈。本发明不需要材料的二次外延生长，制作工艺简便，因而降低了器件的制作成本，提高了器件的可靠性；通过引入窄槽宽的高阶表面光栅，降低了光栅的辐射损耗，提高了激光器性能；通过深刻蚀方法形成的激光器后端面易精确定位，避免了解理端面产生的腔长不确定的问题，保证激光器有良好的单模特性。

Description

一种基于高阶表面光栅的单模激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及基于高阶表面光栅的单模激光器。
背景技术
单模半导体激光器在光通信以及光学检测领域有着广泛的应用。传统单模半导体激光器是分布反馈(Distributed Feedback,DFB)激光器(Bissessur,H,Starck,C,Emery,J.-Y,etal.Very narrow-linewidth(70kHz)1.55μm strained MQW DFB lasers[J].Electronics Letters,1992,28(11):998-999.)。这种激光器通常采用一阶的布拉格(Bragg)光栅来提供反馈。为了降低光栅的制作难度，这些光栅通常刻蚀在非常接近激光器有源层的光限制层中并通过再生长的方式掩埋起来，所以制作过程通常包含一次或者多次材料再生长过程。这种材料再生长过程通常会使得制作过程复杂化，进而降低了器件的可靠性和成品率，使器件的制作成本大大增加。
现有高阶表面布拉格光栅DBR激光器(Lu Q,Abdullaev A,Nawrocka M,etal.Slotted Single Mode Lasers Integrated with a Semiconductor OpticalAmplifier[J].Photonics Technology Letters IEEE,2013,25(6):564-567.)通过把高阶光栅引入激光器脊波导的表面上，从而避免了材料的二次外延生长。这种光栅的槽宽通常比较宽，约1微米，可以采用普通的光刻工艺来制作，但是它的缺点是损耗大，导致制备的激光器阈值偏高、输出功率和斜率效率偏低。为了解决解理端面的位置的不确定的问题，该激光器引入了两段电极的激光器结构，通过调谐后段的注入电流，来调谐激光器纵模波长使其与反射谱峰值波长对准。但是，这种多电极结构使得激光器的电控制系统复杂化，不利于它的实际应用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于高阶表面光栅的单模激光器。该激光器无须二次外延生长制作简便，而且具有损耗低、单模成品率高以及成本低的优势。
所述激光器为脊波导结构，横向由覆盖层、芯层和衬底构成；在靠近激光器输出端的脊区表面刻蚀有窄槽宽的高阶布拉格光栅，提供激光器输出端的光反馈；在激光器的另一端脊波导区不包含光栅，该端的端面为深刻蚀端面，提供激光器在该端的光反馈。
所述光栅为布拉格反射光栅，其周期Λ按照以下公式计算：
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，neff为波导的有效折射率。
所述光栅参数按照以下公式计算：
Λ＝ds+dw
其中，ds是光栅在单个周期内的槽宽度，dw是光栅在单个周期内的非槽区宽度，ns是槽区波导的有效折射率，nw是非槽区波导的有效折射率，ms为槽宽相对槽区1/4有效波长的阶数。
所述的高阶表面光栅的刻蚀深度较浅，不穿透波导芯层。
所述的高阶表面光栅的槽宽阶数为小于等于5的整数，即ms≤5，以减小损耗。
所述高阶表面光栅的占空比大于80％，以增大反射和透射。
所述的高阶表面光栅的槽深、光栅级数和长度可以根据所需要的反射、 透射和损耗进行自定义调节。
所述的激光器非光栅区长度可以根据所需要的激光器性能自定义调节。
所述的光栅区与非光栅区的波导采用相同的芯层结构。
所述的激光器的非输出端端面通过深刻蚀的方法形成，刻蚀透过芯层，深入衬底，该端面可以生长高反膜来增大反射，高反膜的反射率可达90％。。
所述的激光器输出端的光反馈完全由靠近该端的高阶表面光栅提供，激光器输出端的端面采用小角度弯曲波导或水平倾斜的端面端，用于避免来自该端的反射。
所述的激光器输出端的端面的反射率小于1％。
所述的激光器只包含一个电极覆盖光栅区和非光栅区。
本发明通过引入高阶表面光栅来提供激光器输出端的光反馈，使激光器制作无需二次外延，简化了工艺流程；采用窄槽宽的高阶光栅有效地减小了光栅的损耗，降低了激光器的阈值增益，提高了激光器斜率效率；通过深刻蚀方法来构造激光器非输出端的反射端面，能够精确定位激光器端面的位置，避免了解理端面产生的腔长不确定的问题，便于精准控制激光器的激射波长，并保证激光器良好的单模特性；单一电极设计，简化了电路控制系统。
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为本发明的槽宽为λ/4ns的高阶表面光栅激光器的结构侧视图。
图2为布拉格波长λ＝1.3微米时计算的长150微米的高阶表面光栅的损耗随槽宽、非槽区宽度的变化关系。
图3为高阶表面光栅激光器激射光谱示意图。
图4为计算的槽宽为λ/4ns的高阶表面光栅的反射谱和透射谱。
图5为计算的槽宽为λ/4ns、光栅占空比为97％、槽深1.65微米、光栅长度为150微米、激光器腔长250微米、偏置电流为100mA时，高阶表 面光栅激光器腔内的(A)载流子密度分布和(B)光子密度分布。
图6为该高阶表面光栅激光器的输出光功率随着输入电流的变化关系曲线。
具体实施方式
如图1所示，本发明的基于高阶表面光栅的单模激光器为脊波导结构，横向自上而下包括电极接触层1、覆盖层2、刻蚀停止层3、上光限制层4、量子阱层5、下光限制层6和衬底7，其中上光限制层4、量子阱层5和下光限制层6构成了波导芯层。在靠近激光器输出端的脊区表面上刻蚀有窄槽宽的高阶布拉格光栅8，该端面镀有增透膜9；激光器另一端面经深刻蚀形成10。
光栅为布拉格反射光栅，其周期Λ按照以下公式计算：
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，neff为波导的有效折射率。
高阶表面光栅的槽宽和非槽区宽度按照以下公式计算：
Λ＝ds+dw
其中，ds是光栅在单个周期内的槽宽度，dw是光栅在单个周期内的非槽区宽度，ns是槽区波导的有效折射率，nw是非槽区波导的有效折射率，ms为槽宽相对槽区1/4有效波长的阶数，槽宽阶数为小于等于5的整数，即ms≤5。光栅的刻蚀深度较浅，不穿透波导芯层。
激光器在输出端的反馈完全来自于靠近该段的脊区表面上的高阶布拉格光栅来提供，激光器制作时无需二次生长，工艺较DFB激光器更为简单。为 了降低光栅的辐射损耗，就必须减小光栅槽的宽度。通过数值仿真模拟光栅各结构参数对光栅提供的反射、透射和损耗的影响，发现槽宽阶数越小，光栅的辐射损耗越小；当槽宽阶数为1，即槽宽为λ/4ns，光栅具有最低的辐射损耗，如图2所示。采用这种窄槽宽的高阶表面光栅可有效降低激光器的阈值、提高激光器输出功率和斜率效率以及高速调制特性。
激光器谐振条件可写为：
Nλ＝2neffLeff
neff是波导的有效折射率，Leff是激光器的等效腔长，N为整数，λ是激光器谐振腔内的纵模波长。如图3所示，激光器的激射波长由高阶表面光栅的反射谱和谐振腔纵模谱共同决定，因此在布拉格光栅的反射谱半宽范围内且满足谐振条件的纵模都有可能激射。为了避免多纵模竞争，保证激光器单模工作，一般要求反射谱半宽范围内覆盖3～4个纵模。对于光栅长度和非光栅区长度分别为150微米、100微米的激光器，其光栅穿透深度约为77微米，这样激光器的等效腔长约为177微米，该腔长下的纵模间隔计算为1.3nm。图4为计算的光栅的反射谱和透射谱，可以看出反射谱半宽约为2.6nm，刚好覆盖3个纵模，因此可预见该激光器会有比较高的边模抑制比。
图5为该高阶表面光栅(光栅占空比约为97％)激光器在注入电流100mA下腔内的光子密度分布和载流子密度分布，可以看出它们在光栅区和非光栅区分布是非常不均匀的。图6为该高阶表面光栅激光器的输出功率随着输入电流的变化关系曲线，阈值电流为5mA，100mA下输出功率达33mW，斜率效率达到了0.35mW/mA。
由谐振条件可知，纵模谱主要与激光器的等效腔长和波导有效折射率有关，其中后者主要取决于波导的结构，而前者则取决于激光器非出射端反射端面的位置。如果激光器的反射端面通过解理获得，则等效腔长会受到解理位置的影响，端面解理位置不准确会降低激光器的边模抑制比、导致多纵模竞争。通过深刻蚀方法来形成激光器非输出端反射端面就不存在这一问题。 刻蚀的深度超过芯层，深入衬底，刻蚀后形成的端面可以精确定位，从而确保实际制作出的激光器腔长为设计值，便于精准控制激光器的激射波长，保证激光器良好的单模特性。为增加光反馈降低阈值，在刻蚀形成的该反射端面上可生长高反膜，反射率可达90％。
该激光器的泵浦电流可以通过单个P电极注入，激光器无需复杂的电流控制。在激光器的输出端，为减小解理面反射的影响，可以采用小角度的弯曲波导、水平方向倾斜的解理面、镀增透膜等方法或者这几种方法的结合。当激光器输出端镀有增透膜时，反射率可以小于1％。
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 (7)

1.一种基于高阶表面光栅的单模激光器，其特征在于，所述激光器为脊波导结构，横向由覆盖层、芯层和衬底构成；在靠近激光器输出端的前段脊波导表面上刻蚀有高阶布拉格光栅，该端端面镀有增透膜；激光器的另一端后段脊波导不包含光栅，该端的端面为深刻蚀端面；所述高阶布拉格反射光栅的周期Λ按照以下公式计算：
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，neff为波导的有效折射率；
所述光栅参数按以下公式计算：
Λ＝ds+dw
其中，ds是光栅在单个周期内的槽宽度，dw是光栅在单个周期内的非槽区宽度，ns是槽区波导的有效折射率，nw是非槽区波导的有效折射率，ms为槽宽相对槽区1/4有效波长的阶数；
所述高阶表面光栅的槽宽阶数为小于等于5的整数，即ms≤5；
所述高阶表面光栅的占空比，即非槽区占光栅周期的比(dw/Λ)大于80％。
2.根据权利要求1所述的基于高阶表面光栅的单模激光器，其特征在于，所述高阶表面光栅的槽深、周期和长度根据所需要的反射、透射和损耗进行自定义调节。
3.根据权利要求1所述的基于高阶表面光栅的单模激光器，其特征在于，所述激光器非光栅区长度根据所需要的激光器性能自定义调节。
4.根据权利要求1所述的基于高阶表面光栅的单模激光器，其特征在于，所述光栅区与非光栅区的波导采用相同的芯层结构。
5.根据权利要求1所述的基于高阶表面光栅的单模激光器，其特征在于，所述激光器非输出端端面刻蚀透过芯层，深入衬底；刻蚀的端面生长高反膜来增大反射，高反膜的反射率最高达90％。
6.根据权利要求1所述的基于高阶表面光栅的单模激光器，其特征在于，所述激光器输出端的光反馈完全由靠近该端的高阶表面光栅提供，激光器输出端的端面采用采用小角度弯曲波导或水平倾斜的端面。
7.根据权利要求1所述的基于高阶表面光栅的单模激光器，其特征在于，激光器在腔长方向只有一个电极，整个电极覆盖光栅区和非光栅区。
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