CN106129806A - 基于外腔式窄线宽分布式布拉格反射半导体激光器 - Google Patents

基于外腔式窄线宽分布式布拉格反射半导体激光器 Download PDF

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Abstract

一种基于外腔式窄线宽分布式布拉格反射半导体激光器，包括：一分布式布拉格反射半导体激光器，用于产生预定波长的单纵模基横模的激光；一布拉格光纤光栅，其与分布式布拉格反射半导体激光器光路双向连接，用于对分布式布拉格反射半导体激光器产生的预定波长的光产生外部反馈。本发明利用DBR‑LD与光纤光栅集成实现窄线宽激光输出。因为DBR‑LD输出的是单纵模，光功率主要集中在此单纵模上，不会因为由于镀膜原因造成较强FP模式，减小了模式竞争产生的模式跳变问题。另外，DBR‑LD具有波长可调谐的特性，激射波长容易与光纤光栅的反射波长对齐，较易实现有效的外腔反馈。

Description

基于外腔式窄线宽分布式布拉格反射半导体激光器
技术领域
本领域涉及相干光通信、光传感等技术领域，尤其是涉及一种基于外腔式窄线宽分布式布拉格反射半导体激光器(DBR-LD：distributed Bragg reflector laser diode)。
背景技术
随着社会信息化的发展，通信容量急剧增长，单信道通信系统的传输速率已经开始向400Gbps迈进。相干光通信结合新型调制方式是实现400Gbps通信容量的有效方式。400Gbps相干光通信系统中对发射器和本振光源的线宽和稳定性都提出了严格的要求。理论研究表明，400Gbps相干光通信系统中要求激光器的线宽控制在百kHz量级。
窄线宽激光器的研究已经成为国际光通信中一个重要的领域。从结构上划分，目前的窄线宽激光器可以分为DFB/DRR半导体激光器，光纤激光器与外腔式半导体激光器三大类。DFB/DBR半导体激光器可以实现200kHz以下的线宽输出，同时具有体积小，功耗低，易于批量生产等特点，但是目前该技术还不成熟，主要停留在实验室研究阶段。光纤激光器可以实现较窄的线宽和较大的输出功率，但是其不易集成，难以在相干光通信系统中应用。外腔式半导体激光器利用外腔技术对半导体增益芯片进行反馈，可以实现10kHz以下的线宽输出，同时该技术兼具集成性好、成本低和功耗低等特点，成为400Gbps相干光通信系统中发射光源和本振光源的最佳选择。目前的外腔式半导体激光器主要采用法布里珀罗腔激光器芯片(FP-LD)与光纤光栅集成的形式。FP-LD芯片与光纤光栅之间的耦合效率对外腔激光器的稳定性和线宽具有显著影响，较高的耦合效率可以提高腔体Q值(品质因子：qualityfactor)，进而可以压缩激光器的线宽。为获得较高的耦合效率，要求FP-LD具有较好的远场特性，同时需要分别在FP-LD芯片面向光纤光栅的一侧镀增透膜以减小复合腔的影响。如果镀膜质量不理想，会影响外腔激光器的输出稳定性以及线宽特性。通过FP-LD与光纤光栅集成的技术实现窄线宽激光的方案往往需要减反膜的反射率低于0.1％。这对镀膜技术提出了很高的要求。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出了一种外腔式窄线宽分布式布拉格反射半导体激光器技术，利用DBR-LD与光纤光栅集成实现窄线宽激光输出。因为DBR-LD输出的是单纵模，光功率主要集中在此单纵模上，不会因为由于镀膜原因造成较强FP模式，减小了模式竞争产生的模式跳变问题。相比于FP-LD与光纤光栅集成方案，此技术对镀膜技术相对宽松。另外，DBR-LD具有波长可调谐的特性，激射波长容易与光纤光栅的反射波长对齐，较易实现有效的外腔反馈。
本发明提供一种基于外腔式窄线宽分布式布拉格反射半导体激光器，包括：
一分布式布拉格反射半导体激光器，用于产生预定波长的单纵模基横模的激光；
一布拉格光纤光栅，其与分布式布拉格反射半导体激光器光路双向连接，用于对分布式布拉格反射半导体激光器产生的预定波长的光产生外部反馈。
从上述技术方案可以看出，本发明基于外腔式的窄线宽DBR-LD具有以下有益效果：
基于外腔式的窄线宽DBR-LD，即利用具有波长可调谐特性的DBR-LD与光纤光栅耦合实现窄线宽输出，减小了复合腔中的模式竞争。
利用DBR-LD与光纤光栅耦合，降低了半导体激光器镀膜的难度，减小了制作成本。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1为基于外腔式窄线宽DBR-LD结构示意图；
图2为不同类型的DBR-LD(两段、三段和四段)结构示意图；
图3为不同脊波导结构的DBR-LD示意图；
图4为DBR-LD中有源无源不同集成结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1-图4所示，本发明提供一种基于外腔式窄线宽分布式布拉格反射半导体激光器，包括：
一分布式布拉格反射半导体激光器10，用于产生预定波长的单纵模基横模的激光，所述的分布式布拉格反射半导体激光器10采用以下结构之一实现：
一两段式分布式布拉格反射半导体激光器10a，包括增益区101和DBR区102两部分(图2a)；
一三段式分布式布拉格反射半导体激光器10b，包括增益区101，相区103和DBR区102三部分(图2b)；
一四段式分布式布拉格反射半导体激光器10c，包括后DBR区104，相区103，增益区101和前DBR区105四部分(图2c)。
所述的分布式布拉格反射半导体激光器10包括以下三种结构：
(1)脊型波导结构(图3a)；
(2)掩埋脊波导结构(图3b)；
(3)掩埋异质结结构(图3c)；
上述三种结构均包括有源区与无源区。
所述的分布式布拉格反射半导体激光器10的有源区与无源区集成结构是采用以下方式实现：
(1)量子阱混杂技术(图4a)；
(2)选取外延生长技术(图4b)；
(3)对接生长技术(图4c)。
以下以在n-InP衬底对接生长技术为例介绍图1所示的三段式脊波导分布式布拉格反射半导体激光器制备过程。该过程包括：
步骤A：在n-InP衬底上生长多量子阱材料；
步骤B：使用干法刻蚀，将相区103和DBR区102等无源区部分刻蚀掉；
步骤C：生长无源波导层，制作光栅；
步骤D：干法刻蚀波导结构；
步骤E：生长接触结构；
步骤F：对增益区101，相区103和DBR区102隔离沟处注入He+，进行电隔离；
步骤G：生长正面电极，光刻电极图形，减薄，生长背面电极，退火；
步骤H；解理和测试。
其中分布式布拉格反射半导体激光器10可以在InP或者GaAs衬底上制作；结构上可以为两段式分布式布拉格反射半导体激光器10a，三段式分布式布拉格反射半导体激光器10b或者四段式分布式布拉格反射半导体激光器10c，如图2(a)、(b)、(c)所示；波导类型上可以为脊型波导机构，掩埋脊波导机构或者掩埋异质结结构，如图3(a)、(b)、(c)所示；分布式布拉格反射半导体激光器10中有源区和无源区的集成技术上可以为量子阱混杂技术，选取外延生长技术或者对接生长技术，如图4(a)、(b)、(c)所示。
一布拉格光纤光栅20，其与分布式布拉格反射半导体激光器10光路双向连接，用于对分布式布拉格反射半导体激光器10产生的预定波长的光产生外部反馈，所述的布拉格光纤光栅20处在光纤与芯片耦合端口位置，长度为1-2cm，该布拉格光纤光栅20具有较窄且尖锐的反射谱。
其中所述的分布式布拉格反射半导体激光器10与布拉格光纤光栅20之间的耦合距离为10-40μm。
窄线宽激光输出的具体实现方式为：分布式布拉格反射半导体激光器10产生的单纵模基横模的光，经过耦合以后进入布拉格光纤光栅20，通过调节分布式布拉格反射半导体激光器10的波长，使分布式布拉格反射半导体激光器10的输出波长与布拉格光纤光栅20反射峰对准。此时布拉格光纤光栅20对该波长进行有效反馈，提高整体Q值，达到压缩线宽的目的。由于分布式布拉格反射半导体激光器10本身为单纵模工作，工作状态相对基于FP激光器的外腔式反馈更为稳定。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细的描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明外腔式窄线宽分布式布拉格反射半导体激光器有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或者说明正文中未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或者方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更换或替换。
综上所述，本发明首次提出了外腔式窄线宽分布式布拉格反射半导体激光器，工艺难度低，易于实现，成本较低。有望应用于相干光通信系统中，具有较大的应用前景。
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的说明，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 (6)

1.一种基于外腔式窄线宽分布式布拉格反射半导体激光器，包括：
一分布式布拉格反射半导体激光器，用于产生预定波长的单纵模基横模的激光；
一布拉格光纤光栅，其与分布式布拉格反射半导体激光器光路双向连接，用于对分布式布拉格反射半导体激光器产生的预定波长的光产生外部反馈。
2.根据权利要求1所述的基于外腔式窄线宽分布式布拉格反射半导体激光器，其中所述的分布式布拉格反射半导体激光器采用以下结构之一实现：
一两段式分布式布拉格反射半导体激光器，包括增益区和DBR区两部分；
一三段式分布式布拉格反射半导体激光器，包括增益区，相区和DBR区三部分；
一四段式分布式布拉格反射半导体激光器，包括后DBR区，相区，增益区和前DBR区四部分。
3.根据权利要求1所述的基于外腔式窄线宽分布式布拉格反射半导体激光器，其中所述的分布式布拉格反射半导体激光器包括以下三种结构：
(1)脊型波导结构；
(2)掩埋脊波导结构；
(3)掩埋异质结结构；
上述三种结构均包括有源区与无源区。
4.根据权利要求1所述的基于外腔式窄线宽分布式布拉格反射半导体激光器，其中所述的分布式布拉格反射半导体激光器中有源区与无源区集成结构是采用以下方式实现：
(1)量子阱混杂技术；
(2)选取外延生长技术；
(3)对接生长技术。
5.根据权利要求1所述的基于外腔式窄线宽分布式布拉格反射半导体激光器，其中所述的布拉格光纤光栅处在光纤与芯片耦合端口位置，长度为1-2cm，该布拉格光纤光栅具有较窄且尖锐的反射谱。
6.根据权利要求1所述的基于外腔式窄线宽分布式布拉格反射半导体激光器，其中所述的分布式布拉格反射半导体激光器与布拉格光纤光栅之间的耦合距离为10-40μm。
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