CN106300017A - 多波长分布反馈脊波导半导体激光器阵列及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于均匀光栅的多波长半导体激光器阵列，其主体是多个单纵模分布反馈脊波导半导体激光器组成的半导体激光器阵列，阵列中每个脊波导半导体激光器的脊波导宽度和脊波导相对于光栅的倾斜角度均不相同。如此，本发明可实现激光器阵列中激光器的有效折射率和有效光栅周期同时发生变化，从而实现不同激光器在不同波长上单纵模激射。通过合理的脊波导的宽度和倾斜角度的不同组合，可以达到激光器阵列中激光器激射波长不同的目的，且制作工艺与传统工艺兼容、成本低。

Description

多波长分布反馈脊波导半导体激光器阵列及应用

技术领域

本发明涉光电子技术领域的半导体激光器，特别涉及多波长分布反馈脊波导半导体激光器阵列及应用。

技术背景

随着互联网和信息技术的快速发展，波分复用系统(WDM)在实现光纤通信系统中信息的高速率和大容量传输扮演着越来越重要的角色。能够精确工作在设定波长并且具有固定波长间隔的多波长光源是实现WDM系统的重要光电子器件之一，而分布反馈(DFB)激光器阵列是实现这种多波长光源的一种理想选择。与采用通过两个端面集中反馈的Fabry-Perot(FP)激光器相比，DFB半导体激光器采用内建式光栅来实现光的分布式反馈。DFB激光器阵列的优点是体积小，性能稳定，能够实现单片集成，尤其适用于密集波分复用系统(DWDM)[G.P.Li,T.Makino,A.Sarangan,and E.Huang,"16-wavelength gain-coupled DFBlaser array with fine tunability,"IEEE PHOTONIC TECH L8,22-24,22-24(1996)]。为了实现激光器阵列中单个通道的激射波长变化，很多研究工作者已经进行了有关研究，例如，利用多次全息曝光法[L.M.Miller,K.J.Beernink,J.S.Hughes,S.G.Bishop,andJ.J.Coleman,"Four wavelength distributed feedback ridge waveguide quantum-well heterostructure laser array,"APPL PHYS LETT61,2964-2966,2964-2966(1992)]或是电子束直写技术[C.Vieu,F.Carcenac,A.Pépin,Y.Chen,M.Mejias,A.Lebib,L.Manin-Ferlazzo,L.Couraud,and H.Launois,"Electron beam lithography:resolution limitsand applications,"APPL SURF SCI164,111-117,111-117(2000)]直接改变不同的波长通道的光栅周期的方法，但是该方法需要对阵列中的激光器逐个改变光栅周期，制作工艺复杂困难；如改变增益耦合DFB激光器阵列脊波导宽度的方法，但是激光器的有效折射率随脊波导宽度的变化范围很小，因此采用该方法会限制激光器阵列的波长变化范围，并且在大脊波导宽度下，激光器会出现多横模振荡的情况；如改变DFB激光器阵列波导有源区相对于光栅的倾斜角度的方法[W.T.Tsang,R.M.Kapre,R.A.Logan,and T.Tanbun-Ek,"Controlof lasing wavelength in distributed feedback lasers by angling the activestripe with respect to the grating,"IEEE PHOTONIC TECH L5,978-980,978-980(1993)]，但是长波长激射需要更大的倾斜角度，而研究表明大倾斜角度会大大减小光栅的耦合系数[Sarangan and M.Andrew,"Multi-wavelength distributed feedback lasers[microform].,"National Library of Canada＝Bibliothèque nationale du Canada,(1997)]，并对激光器的相关性能产生影响，此外改变有源区相对于光栅的倾斜角度的制作工艺较为复杂；如采用选择区域生长法[Y.Katoh,T.Kunii,Y.Matsui,H.Wada,T.Kamijoh,and Y.Kawai,"DBR laser array for WDM system,"ELECTRON LETT29,2195-2197,2195-2197(1993)]，来制作分布布拉格反射(DBR)激光器阵列，但该制作工艺复杂，难度高，此外DBR激光器需要无源光栅波导与有源区波导复杂的单片集成对接生长技术，因而器件稳定性、可靠性低；又如采用取样光栅结构的多波长激光器阵列[B.Mason,S.L.Lee,M.E.Heimbuch,and L.A.Coldren,"Directly modulated sampled grating DBR lasersfor long-haul WDM communication systems,"IEEE PHOTONIC TECH L9,377-379,377-379(1997)]，取样光栅结构能够在均匀布拉格光栅的基础上经取样周期的调制后，可以在光栅反射谱上出现高阶反射峰。不同的取样周期，高阶反射峰值波长不同。通常取样光栅的方法仍存在待解决的问题，例如受反射谱布拉格中心波长处的反射峰影响，器件的边模抑制比较低，以及由光栅取样带来的反馈光的减小，从而增加了阈值电流。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于复耦合均匀光栅的分布反馈的多波长半导体激光器阵列，避免大脊波导宽度下多横模振荡和大倾斜角度下光栅耦合系数劣化严重的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于复耦合均匀光栅的分布反馈的多波长半导体激光器阵列，采用以下解决方案：包括四个不同激射波长的单纵模半导体激光器，这四个激光器对应的脊波导的宽度均不相同，且激射波长较大的激光器对应的脊波导宽度较大；

所述四个激光器对应的脊波导相对于基础光栅的倾斜角度均不相同，所述倾斜角度为各脊波导与光栅矢量方向的夹角，且激射波长较大的激光器对应的脊波导倾斜角度较大；

每条倾斜的脊波导的两端，各有一段弯曲连接波导，用于保证激光器的出光方向与出光面垂直。

优选的，所述激光器的反馈光栅为复耦合均匀光栅，也即损耗耦合或增益耦合光栅。

更优选的，所述的四个激光器对应的脊波导的背向端面处，各个脊波

导的中心间隔ΔS满足条件：ΔS≥150μm；

每段所述弯曲连接波导的长度为L_s，L_s小于等于L/5，其中L为激光器两个端面之间的垂直距离；所述弯曲连接波导的曲率半径由下式计算得出：

R＝L_s/θ

式中，θ为该倾斜脊条对应的倾斜角度。

进一步优化的，所述的四脊波导在背向端面处镀有增反膜，在前向端面处镀有减反膜。

本发明同时提出了一种多波长分布反馈脊波导半导体激光器阵列的应用，在采用波分复用即WDM技术的网络中，该激光器阵列作为多波长光源。

本发明与现有的解决方案相比具有以下的主要优点：

1)与现有的通过直接逐个改变阵列中各个激光器的光栅周期来改变激光器的激射波长的方案相比，本发明具有更简单的制作工艺，制作工艺与传统工艺兼容，只需更换掩膜版即可；

2)与现有的只采用变化脊波导宽度来改变激光器的有效折射率从而改变激射波长的方案相比，本发明能够在较大的波长变化范围内减小脊波导宽度的变化范围，从而避免脊波导宽度过大而出现的多横模振荡的问题；或者在一定的脊波导宽度变化范围内，本发明具有更大范围的波长调谐能力。

3)与现有的只采用通过改变有源区相对于光栅的倾斜角度来改变有效光栅周期从而改变激光器的激射波长的方案相比，本发明通过脊波导的倾斜来达到变化有效光栅周期的目的，简化了激光器的制作工艺；此外，本发明能够在较大的波长变化范围内减小脊波导的倾斜角度的变化范围，从而避免倾斜角度过大而出现的光栅耦合系数严重劣化的问题；或者在一定的脊波导倾斜角度变化范围内，本发明具有更大范围的波长调谐能力。

4)与现有的采用选择区域生长的DBR激光器阵列的方案相比，本发明具有更简单的制作工艺，且无需无源光栅波导与有源波导的对接生长技术，器件稳定性、可靠性更高；

5)与现有的采用取样光栅结构的方案相比，取样光栅结构激光器阵列需要复杂的取样方式来抑制中心波长的激射，稳定性不高，而本发明只需制作倾斜的脊波导来改变光栅的有效周期，因而制作工艺简单，易实现；

6)本发明中采用的复耦合光栅，能够激光器阵列的各个通道的单纵模工作。

7)本发明中的倾斜波导两端的弯曲连接波导，能够使出光方向过渡到与出光面垂直，从而能够减小反射损耗。

附图说明

图1为本发明激光器阵列横截面示意图。

图2为本发明激光器阵列俯视图。

图3为激光器有效折射率随脊波导宽度变化关系图。

图4为脊波导倾斜后光栅周期变化示意图。

图5为本发明的实施例的输出光谱图。

图中：1.N型电极；2.衬底；3.下包层；4.下分别限制层；5.应变多量子阱有源层；6.上分别限制层；7.缓冲层；8.光栅层；9.上包层；10.氧化层；11.P型电极；12.第一脊条；13.第二脊条；14.第三脊条；15.第四脊条。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明。

为了实现不同波长输出的四通道DFB激光器阵列，阵列中的4个激光器的脊波导宽度和相对于光栅的倾斜角度均不相同。并且我们采用损耗耦合或增益耦合光栅，因而能够保证阵列中各个激光器单纵模工作。本发明中的倾斜波导两端的弯曲连接波导，能够使出光方向过渡到与出光面垂直的方向，可以减小反射损耗。该器件x-y平面的横截面图和顶部x-z平面的俯视图分别如图1和图2所示。

本发明所提供的多波长激光器阵列的工作原理描述如下：

1.激光器的有效折射率n_eff会随着脊波导的宽度发生改变，且脊波导的宽度越大，对应的激光器有效折射率越大。采用有限差分法，脊波导激光器的有效折射率随脊宽增大的趋势通常如图3所示。激光器阵列中各激光器脊波导宽度满足的条件，阵列中各通道激光器对应的有效折射率满足关系：

n_eff1＜n_eff2＜n_eff3＜n_eff4

2.激光器的均匀光栅可以看成是一列由折射率波动引起的有方向和大小的“平面驻波”，定义该“驻波”的波矢量为K_Λ。激光器的脊波导倾斜之后，结果是该光栅波矢量在沿着波导方向(t方向)和垂直于波导方向(n方向)存在两个不为0的“驻波”分量：K_t和K_n，如图4.其中

$K_{\mathrm{\Λ}}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_0}{e}_z$

K_t＝K_Λcosθ，K_n＝K_Λsinθ

式中Λ₀为基础光栅周期，e_z为z方向上单位矢量，θ为波导倾斜角度。于是波导中的导模在沿着波导方向传播时，所经历的光栅周期变为

$\mathrm{\Λ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\left|K_t\right|}=\frac{{\mathrm{\Λ}}_0}{cos\mathrm{\θ}}$

所以，脊波导倾斜之后，激光器的光栅周期变为上式所表达的值。激光器阵列中各激光器脊波导倾斜角度所满足的条件，阵列中各通道激光器所对应的光栅周期满足关系：

Λ₁＜Λ₂＜Λ₃＜Λ₄

3.激光器的脊波导宽度和倾斜角度通过不同的组合，可以实现激光器的有效折射率和光栅周期同时发生改变，则各个通道所对应的激光器所满足的布拉格条件为：

${\mathrm{\λ}}_i=2{\mathrm{\π}}_{effi}\frac{{\mathrm{\Λ}}_0}{{\mathrm{cos\θ}}_i},(i=1,2,3,4)$

如此，可以实现不同通道的激光器激射在不同的波长上。

本发明提供的激光器阵列实施例中，其横截面结构(x-y截面)自下而上沿y方向为：N电极1、衬底2、下包层3、下分别限制层4、应变多量子阱5、上分别限制层6、缓冲层7、光栅层8、上包层9、氧化层10、直脊条的第一脊条12、具有倾斜角的第二脊条13、具有倾斜角的第三脊条14、具有倾斜角的第四脊条15、P电极11，如图1所示，俯视图如图2所示。我们提出的这种激光器阵列的制作过程与传统的脊波导DFB激光器制作工艺兼容，并且只需要根据设计参数绘制相应的掩膜版即可。

本发明实施例中的激光器的编号2至编号15的部件采用的材料如下：

衬底2采用的材料为磷化铟；

下包层3采用的材料为铟铝砷；

下分别限制层4和上分别限制层6采用的材料为铝镓铟砷；

应变多量子阱有源层5采用的材料为铝镓铟砷；

缓冲层7、上包层9、第一脊条12、第二脊条13、第三脊条14、第四脊条15采用的材料均为磷化铟；光栅层8采用的材料为铟镓砷磷；

氧化层10采用的材料为二氧化硅。

上述部件的构成材料不局限于本实施例所述的材料，可以采用任何用于半导体激光器制作的三五族半导体材料体系，例如铟镓砷磷-铝镓铟砷-磷化铟、或砷化镓-铝镓砷等材料体系。

上述N型电极1、P型电极11上均为金属电极层，例如但不局限于：

N型电极1采用钛、铂、金合金。

P型电极11为金、锗、镍合金。

在本实施例中，前向端面和背向端面分别镀功率反射率为90％的高反膜和功率反射率为3％的减反膜。

高反膜层是在指定波长能够实现增强激光器腔内在端面处光场反射的膜系层结构。膜系材料一般为氧化物介质，例如SiOx等。

减反膜层是在指定波长能够实现消除或极大减弱对激光器腔内在端面处光场反射的膜系层结构。膜系材料一般为氧化物介质，例如SiOx等。

普通光刻加刻蚀工艺的一般流程为清洗、匀胶、前烘、对版曝光、显影、坚膜、去膜。显影后生成抗蚀剂图形，以此为掩模对衬底表面进行选择性腐蚀。

四脊波导的背向端面处，四脊波导的中心间隔ΔS满足条件：ΔS≥150μm。在本实施例中，激光器阵列的设计要求为：激光器阵列工作在1550nm波段。通道频率间隔为400GHz，对应通道波长间隔为3.1nm。各参数实际值如下：

1.第一、第二、第三和第四脊条宽度分别为：w₁＝1.5μm，w₂＝1.8μm，w₃＝2.4μm，w₄＝3.6μm；通过仿真计算优化后的各脊条相应的倾斜角度分比为：θ₁＝0，θ₂＝2.843°，θ₃＝3.762°，θ₄＝4.463°.

2.图2中第一脊条为直脊条，与z方向平行，其长度L为200μm。L也是激光器两个端面之间的距离，即图2中所示的激光器腔长。

3.实施例激光器阵列中相邻激光器的间隔ΔS为250μm。

4.阵列中4个激光器脊条两侧的沟槽宽度均为8μm；

5.图2中第二、第三和第四脊条各自在两端有弯曲波导连接，保证出光方向与出光面垂直。为保证弯曲波导一端能够与倾斜波导平滑连接而另一端垂直于出光端面，每段弯曲波导的曲率半径由下式计算得出：

R＝L_s/θ

式中，L_s为弯曲波导弧长度，L_s小于等于L/5，其中L为激光器两个端面之间的距离，在本实施例中，L_s＝20μm；θ为对应脊条的倾斜角度。

6.本实施例中的单纵模激光器采用基于损耗耦合均匀光栅分布反馈半导体激光器来实现。

针对本实施例多波长半导体激光器阵列，进行理论模拟仿真，仿真的输出光谱结果如图5所示。

本发明提供一种基于均匀光栅的多波长分布反馈半导体激光器阵列，这种激光器阵列可以用于WDM系统中的多波长光源。本发明通过引入均匀光栅的复耦合分布反馈机制来保证激光器的单纵模工作，通过同时引入脊波导宽度变化和脊波导相对于基础光栅的倾斜角度变化来实现激光器波长调谐，并且能够在有限的脊波导宽度和倾斜角度的变化范围内增大激光器阵列波长的变化范围，避免大脊波导宽度下多横模振荡和大倾斜角度下光栅耦合系数劣化严重的情况。本发明中的倾斜波导两端的弯曲连接波导，能够使出光方向过渡到与出光面垂直，减小了反射损耗。本发明提供的激光器阵列解决方案制作工艺简单、成本低。

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 (6)

1.一种多波长分布反馈脊波导半导体激光器阵列，其特征在于，包括四个不同激射波长的单纵模半导体激光器，这四个激光器对应的脊波导的宽度均不相同，且激射波长较大的激光器对应的脊波导宽度较大；

所述四个激光器对应的脊波导相对于基础光栅的倾斜角度均不相同，所述倾斜角度为各脊波导与光栅矢量方向的夹角，且激射波长较大的激光器对应的脊波导倾斜角度较大；

每条倾斜的脊波导的两端，各有一段弯曲连接波导，用于保证激光器的出光方向与出光面垂直。

2.根据权利要求1所述的多波长分布反馈脊波导半导体激光器阵列，其特征在于，所述激光器的反馈光栅为复耦合均匀光栅，也即损耗耦合或增益耦合光栅。

3.根据权利要求2所述的多波长分布反馈脊波导半导体激光器阵列，其特征在于，所述的四个激光器对应的脊波导的背向端面处，各个脊波导的中心间隔ΔS满足条件：ΔS≥150μm。

4.根据权利要求2所述的多波长分布反馈脊波导半导体激光器阵列，其特征在于，每段所述弯曲连接波导的长度为L_s，L_s小于等于L/5，其中L为激光器两个端面之间的垂直距离；所述弯曲连接波导的曲率半径由下式计算得出：

R＝L_s/θ

式中，θ为该倾斜脊条对应的倾斜角度。

5.根据权利要求1至4之一所述的多波长分布反馈脊波导半导体激光器阵列，其特征在于，所述的四个激光器对应的脊波导分别在背向端面处镀有增反膜，在前向端面处镀有减反膜。

6.一种多波长分布反馈脊波导半导体激光器阵列的应用，其特征是，在采用波分复用即WDM技术的网络中，该激光器阵列作为多波长光源。