CN107425405B - 一种可调谐半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体激光器，属于光通信技术领域，具体是涉及一种可调谐半导体激光器。包括一有源区，所述有源区的两端分别连接耦合器的输入端，所述耦合器为双端输出，各耦合器的输出端分别连接光栅后形成四条光路。因此，本发明具有如下优点：相比于传统的单端口输出可调谐激光器，本发明方案，可以节约两个一级分束器，一个二级分束器，相干调制器尺寸得到了大幅度的减小。因此，本发明总的器件尺寸也可以大幅度减小，为降低芯片成本提供了一个可行的措施。

Description

一种可调谐半导体激光器

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器，属于光通信技术领域，具体是涉及一种可调谐半导体激光器。

背景技术

半导体激光器是光纤通信系统中的重要光源。它体积小，效率高，十分适合光纤通信系统中使用。目前光纤通信系统普遍使用波分复用方式的增加单根光纤的通信容量。在不同信道使用不同的波长进行通信传输。传统的通信光源采用分立的激光器，器件体积大，功耗高，成本高昂。单片集成波长可调谐芯片具有体积小，功耗低等优势，能够降低系统的运营成本。

在可调谐半导体激光器中，三段式分布式布拉格反射镜(DBR)激光器是最早提出并应用的。但是受限于载流子注入效应及热效应等的影响，一般三段式DBR激光器波长调谐范围有限，最大约为15～20nm。而目前广泛使用的DWDM系统中，最常用的C波段波长覆盖范围约为32nm。因此一般的三段式可调谐DBR激光器难以使用。为解决这一难题，目前广泛采用的是一种所谓的四段式可调谐激光器。其原型可以追溯到美国加州大学，圣巴巴拉分校的Larry Coldren教授提出的四段式取样光栅可调谐半导体激光器。其原理是在激光器有源区两端分别加入以取样光栅构成的分布式光栅(DBR)反射镜。两端的取样光栅在取样周期的调制下形成梳状反射谱，并且两个光栅的梳状反射谱间隔稍许不同。根据激光器的原理可以知道，在此条件下激光器谐振腔总的镜面损耗与两端梳状反射谱的乘积RL*RR相关。在游标效应的作用下，如果对两端的梳状反射谱位置进行非同步的微调，即可实现两个梳状反射峰对准位置的跳变。而如果对两端梳状反射谱位置进行同步微调，即可实现两个梳状反射峰对准位置的连续移动。通过上述对两个取样DBR光栅的不同方式的操作，即可实现在一段波长范围内，两个梳状反射峰的对准位置的连续覆盖，进而实现半导体激光器在一段较宽的波长范围内实现连续调谐。

该方案作为可调谐激光器第一个成熟的商用方案，最大的优势在于取样光栅的原理非常简单，设计及工艺实施起来十分简便。但是取样光栅本身也存在着一些非常难以克服的问题。首先是取样光栅的梳状反射峰反射率并不一致，其包络呈现Sinc函数分布，因此激光器的输出功率均匀性差。其次，由于反射峰存在一定的宽度，因此两个错位的梳状峰相乘也会带来比较可观的反射率，尤其是与对准的反射峰最为邻近的两个错位的反射峰，其强度甚至能与对准的两个梳状峰差别不大，使得游标选模的作用弱化，激光器单模特性劣化。

之后不久在Larry Coldren教授提出的方案基础之上，瑞典Syntune公司的工程师提出了一种新型的调制光栅Y分支可调谐激光器(MGY tunable Laser)。其方案的主要原理借鉴了Larry Coldren教授使用游标效应扩展激光器调谐范围的精神，但是在实现形式上做了一些改进。其主要改进在如下几个地方，最显著的一点在于将传统的两端放置光栅的四段式取样光栅可调谐激光器的布局方式修改成为了在一边放置两个光栅的方式。两个光栅同样具有梳状反射峰，通过一个Y型分支并联到一起与可调谐激光器有源区波导连接。该布局带来的最大好处在于光栅同边布置，可以显著的提高有源区端面的光输出功率，避免了两边布局时，输出端光栅对光的损耗。其次同边布置光栅有效的规避了前述LarryColdren教授的专利。同时Syntune公司对取样光栅也做了改进，使用了超结构光栅，超结构光栅的梳状反射峰反射率非常一致，一定程度上解决了激光器输出功率不均的问题。但是Syntune公司的方案存在一个特点，即并联的两个取样光栅的等效反射率为两个光栅加权平均的关系，因此在同样的光栅情况下，并联方案远离对准反射峰处的非对准峰其等效反射率要远大于传统的SGDBR方案，而靠近对准反射峰处的非对准峰的等效反射率却要小于传统的SGDBR方案。该特点带来如下优势和劣势。优势在于降低了传统SGDBR方案中，破坏单模特性最为明显的紧邻对准反射峰的非对准峰的影响。劣势在于，当有源区增益谱峰与对准的光栅反射峰差距较远时，受远离对准反射峰处的非对准峰的影响，激光器单模特性会反而下降，这一点严重的限制了可调谐激光器的调谐范围。这对光栅设计及有源区设计提出了更高的要求。

不久之后英国公司Bookham，现Oclaro公司提出了一种新型的四段式可调谐激光器。其原理与Larry Coldren教授的游标效应存在一定的区别，主要在于将两个梳状DBR光栅中的一个，替换成了一段数字超模光栅。即该光栅由一段啁啾光栅构成，其反射谱为一连续的平坦的反射谱。在啁啾光栅上依次布置电极，通过注入电流等手段，改变啁啾光栅中一小段的区域的折射率，使该小段啁啾光栅反射谱的位置在波长上发生位移，重叠到相邻的啁啾光栅上。这样，就在原来连续平坦的反射谱上产生了一个反射峰的凸起及一个凹陷。该反射峰的凸起，恰好与另外一个梳状反射谱光栅的一个反射峰重叠，两者相乘，即可选出该反射峰作为激光器的反射率最大的主反射峰。该方案的优势是，调谐的控制原理非常简单，调谐波长与控制电极的对应关系明确，因此控制电路及测试方案都相对简单。缺点是控制电极较多，光栅设计复杂，同时两端出光的布局方案容易陷入其他公司的专利范围内。同时啁啾光栅利用一小段光栅反射峰位移的方式产生反射率差的方法，得到的反射率差较小，激光器单模特性没有优势。

单模特性尤其是单模冗余对可调谐半导体激光器至关重要，由于可调谐半导体激光器一般需要工作在较宽的波长范围内，在该范围内，有源区增益介质一般是不均匀的。若等效镜面反射率主峰与边峰的差距过小，由于增益介质的不均匀性很容易使激光器产生跳模或者边摸抑制比过差情况，该现象对可调谐激光器的边缘通道的影响尤为重要，因此设法提高等效镜面反射率主峰与边峰的差别，对提高激光器单模性能，扩展激光器调谐范围尤其重要。

在提高激光器单模特性的工作上，获得Larry Coldren SGDBR专利的美国JDSU公司联合Larry Coldren提出了一种改进结构。在可调谐激光器前输出光栅之前串联了一个基于马赫泽得干涉效应的可调谐滤波器。该滤波器可以对SGDBR的输出光进行进一步的滤波，使得非主模位置处的边模被进一步的压制，提高了激光器输出的单模性能。该结构的问题是引入了一个附加的MZ滤波器，增加了芯片尺寸，同时MZ调制器通带带宽比较大，并且难以压窄，因此单模性能提高有限。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的光栅模式选择比较差，激光光谱单模特性较差，尤其是在材料峰与光栅峰差别较远的情况下，单模特性更差,波长调谐范围受限的技术问题。提供了一种可调谐半导体激光器。该激光器单模特性得到了大幅度的提高，相邻及非相邻的非对准峰强度得到了有效抑制，提高了芯片的边摸抑制比特性。

本发明还有一目的是解决现有技术所存在的普通可调谐激光器与马赫泽得调制器集成尺寸较大的问题，提供了一种可调谐半导体激光器。该半导体激光器可以节约两个一级分束器，一个二级分束器，相干调制器尺寸得到了大幅度的减小。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种可调谐半导体激光器，包括一有源区，所述有源区的两端分别连接耦合器的输入端，所述耦合器为双端输出，各耦合器的输出端分别连接光栅后形成四条光路。

优选的，上述的一种可调谐半导体激光器，所述有源区与一相位区相连，并且其中一个耦合器的输入端通过该相位区连接有源区。

优选的，上述的一种可调谐半导体激光器，所述有源区的增益峰值波长为1550nm，所述相位区的增益峰波长为1400nm。

优选的，上述的一种可调谐半导体激光器，同一耦合器的两个输出端连接所连接的光栅梳状峰间距不同，反射率相同。

优选的，上述的一种可调谐半导体激光器，所述光栅的反射峰位置或强度受控于对光栅施加的电信号和/或热信号。

优选的，上述的一种可调谐半导体激光器，所述耦合器的输出端与光栅之间设置相位区及增益区。

优选的，上述的一种可调谐半导体激光器，所述耦合器选自:Y型分支耦合器、多模干涉耦合器、空间光分束耦合器。

优选的，上述的一种可调谐半导体激光器，所述有源区和/或相位区的材料为InGaAsP或者AlGaInAs量子阱材料。

优选的，上述的一种可调谐半导体激光器，至少一个耦合器的两条光路分别连接增益有源区、相位调整区及相位调制区；并且，经过相位调制区调制后的两条光路再经耦合器耦合后输出。

优选的，上述的一种可调谐半导体激光器，同一耦合器的两条光路分别连接增益有源区、相位调整区及相位调制区后再耦合为一条光路，不同耦合器耦合得到的光路经过二次耦合后输出。

因此，本发明具有如下优点：相比于传统的单端口输出可调谐激光器，本发明方案存在如下优势：首先芯片采用四条光路的双端并联光栅，光栅总的等效反射率不仅需要加权平均同时还需要再次乘积，谐振腔反馈的模式选择效果进一步加强，因此芯片单模特性得到了大幅度的提高，相邻及非相邻的非对准峰强度得到了有效抑制，提高了芯片的边摸抑制比特性。尤其是当芯片增益峰与光栅主反射峰偏离较远时，芯片的单模特性相比普通可调谐激光器更加优良，有效的抑制了对可调谐激光器影响较严重的边缘通道跳模现象，拓展了芯片的最大调谐范围。其次利用本发明可调谐激光器的结构特点，通过与马赫泽得调制器的有机结合，可以节约两个一级分束器，一个二级分束器，相干调制器尺寸得到了大幅度的减小。因此，本发明总的器件尺寸也可以大幅度减小，为降低芯片成本提供了一个可行的措施。

附图说明

图1为本发明四端口激光输出结构框图；

图2为本发明光路1及光路2反射器的梳状反射谱示意图以及总的等效反射率示意图；

图3为本发明激光器总的腔面等效反射率示意图及与传统单面镀膜端面MGY激光器等效反射率及SGDBR激光器等效反射率对比；

图4-1为本发明激光器及其与传统单面镀膜端面MGY激光器及SGDBR激光器在增益峰与光栅主反射峰重合时的光谱模拟图对比；

图4-2为本发明及其与传统单面镀膜端面MGY激光器及SGDBR激光器在增益峰与光栅主反射峰偏离较大时的光谱模拟图对比；

图5-1是可调谐激光器与马赫泽得调制器集成方案示意图

图5-2是另一种可调谐激光器与马赫泽得调制器集成方案示意图；

图6为可调谐激光器与相位调制器集成方案示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

在本发明的一个实施例中，可调谐半导体激光器包含一段增益介质，一段相位区，两者依序相连。一个前部Y型光分束器，其单端口与增益介质相连，其双端口分别连接光路1，光路2。一个后部Y型光分束器，其单端口与相位区相连，其双端口分别连接光路3，光路4。光路1,2,3,4从Y型光分束器起，可以依次连接相位区，增益区以及反射器。该实施例可以实现可调谐半导体激光器四端口光输出。

在本实施例中，为提高反射器对模式的选择效果，本发明对反射器的反射谱及布置做出如下改进。在光路1及光路2中的两个反射器反射谱呈现梳状反射谱，梳状峰间距存在一定的差别。光路1及光路2中的相位区及增益区主要用来平衡两边光路的相位及光强，使之满足光学干涉条件。根据光学原理可以知道，在满足光学干涉条件的情况下，从Y型分支单端口处得到总的反射谱为光路1及光路2中反射谱的叠加，即总的反射率为：

(R1+R2)/2

由上式可以知道，除光路1及光路2中对准的梳状峰强度保持不变，其余反射峰强度均有不同程度削弱。在理想情况下，当两者的梳状峰间距大于梳状峰本身的宽度时，非对准的梳状峰强度最多可以削弱到原强度的二分之一，因此可以明显的选出对准的梳状峰。

为了更好的选择出对准的梳状峰，本发明中在激光器中增加了光路3及光路4用以替换传统反射率均一的镀膜端面。光路3及光路4亦可达到和光路1及光路2相似的效果。即等效的反射率为

(R3+R4)/2

根据激光器的原理可以知道，激光器端面总的反射率为：

(R1+R2)*(R3+R4)/4

根据上式可以知道，由于需要对端面的反射率相乘处理，若光路3及光路4对准的反射峰与光路1及光路2对准的反射峰重合，则非对准的反射峰相比原先反射率均匀的镀膜端面会被进一步削弱。因此激光器的模式选择效应会进一步提高，激光器单模性能也会进一步提高。

因此通过本发明的实施，虽然可调谐激光器的单模性能被进一步的提高，但由于本发明用两路反射光3,4替换镀膜端面带来了芯片尺寸偏大的问题。因此本发明同时提出了一种其与调制器集成的方案。利用该方案，在可调谐激光器需要与调制器进行集成时，本发明多路出光的特点被利用起来，可以在不大幅影响可调谐激光器与调制器集成尺寸的同时，提高激光器的单模性能。具体说来在传统的可调谐半导体激光器如SGDBR与马赫泽得调制器集成方案中，由于SGDBR一般为单端口输出，因此需要将单端口输出光通过分束器分成两束，经过MZ调制器两个调制臂而后经过另一个分束器合束。根据对调制臂施加调制信号的不同，两束通过调制臂的信号在合束后相干相涨或相消产生强度调制信号。结合本发明的四端口可调谐激光器的特点可以知道，在本发明中，天然的存在两路并行的输出光，因此在和MZ调制器集成时，无需使用分束器将单端口输出光分束，节约了一个分束器，因此芯片在与调制器集成时芯片尺寸依然十分紧凑。

据此，在本发明的另一个实施例中，可调谐激光器与马赫泽得强度调制器可以实现紧凑的集成。在实施例中，可调谐半导体激光器与调制器包含一段增益介质，一段相位区，两者依序相连。一个前部Y型光分束器，其单端口与增益介质相连，其双端口分别连接光路1，光路2。一个后部Y型光分束器，其单端口与相位区相连，其双端口分别连接光路3，光路4。光路1,2,3,4从Y型光分束器起，可以依次连接相位区，增益区以及反射器。光路1,2在反射器后可以连接增益区，相位调整区及相位调制区，在相位调制区后连接前部输出Y型光分束器，实现激光器前部单端口强度调制输出。同理，光路3,4亦可实现同样的激光器后部单端口强度调制输出，两者可同时实现，亦可不同时实现。通过分别对光路1,2或者3,4的相位调制区施加相位调制信号，可调谐激光器可实现双端口强度调制输出，亦可实现单端口强度调制输出。

为充分利用本发明的四端口输出特性，结合DQPSK相干调制器的特点，本发明同时提出了一种可调谐激光器与相干调制器集成的方案，可极大幅度的减小器件尺寸。

据此，在本发明的另一个实施例中，可调谐半导体激光器包含一段增益介质，一段相位区，两者依序相连。一个前部Y型光分束器，其单端口与增益介质相连，其双端口分别连接光路1，光路2。一个后部Y型光分束器，其单端口与相位区相连，其双端口分别连接光路3，光路4。光路1,2,3,4从Y型光分束器起，可以依次连接相位区，增益区以及反射器。光路1,2在反射器后可以连接增益区，相位调整区及相位调制区，在相位调制区后连接前部输出Y型光分束器，形成光路5。同理处理光路3及光路4，形成光路6。在光路5上依次连接，增益区，相位调整区及相位调制区，光路6同理。光路5及光路6通过Y型光分束器合束输出。通过对光路1,2,3,4,5,6上的相位调制区施加相位调制信号，可实现可调谐激光器的DQPSK信号或其他形式的调制信号单端口输出。

相比于传统的单端口输出可调谐激光器，本发明方案，可以节约两个一级分束器，一个二级分束器，相干调制器尺寸得到了大幅度的减小。因此总的器件尺寸也可以大幅度减小，为降低芯片成本提供了一个可行的措施。

实施例一

参考图1中对本发明可调谐半导体激光器结构框图的描述。

在该参考例中，芯片采用InP基半导体材料的单片集成方案。1-1为芯片的有源区，材料为InGaAsP或者AlGaInAs量子阱材料，增益峰值波长为1550nm。2-1为一段无源波导区，材料为InGaAsP或者AlGaInAs的体材料或者量子阱材料。为降低无源波导损耗，材料的增益峰一般选取为1400nm附近。两端分别连接Y型分支耦合器3-1,3-2，该耦合器可以是Y分支，也可以是多模干涉耦合器(MMI)，耦合器优选的可以选择与无源波导相位区相同的材料。在耦合器的双端口输出端，分别连接一段光栅，光栅优选的可以选择与无源波导相位区相同的材料。对该光栅进行取样或者其他处理，使得该光栅的反射谱为梳状。优选的，在同侧选取梳状峰间距不同，反射率相同的光栅即梳状峰间距分别为G1，G2。优选的，在另一侧也选取梳状峰间距为G1，G2的光栅。优选的为实现某侧的优势输出，可在该侧选取反射率较低的光栅。

为保证芯片的单片集成，各段之间可以使用常用的单片集成手段进行集成，如对接耦合，选择区域生长，量子阱混杂等。

实施例二

参考实施例二为本专利集成马赫泽得调制器实现强度调制输出。在该参考实施例中，专利依然采用单片集成方案，四端口激光器部分与参考实施例一相同。为充分利用激光器的四端口输出，可在激光器的某侧在光栅后依次连接1-3,1-4的增益有源区，2-3,2-4的相位调整区，以及5-1,5-2的相位调制区。调制光经过3-3耦合器耦合相干后输出。耦合器可以是Y型分支耦合器，也可以是MMI耦合器。通过对5-1,5-2施加微波调制电压信号，经过1-3以及1-4放大的激光器同频输出光产生相位差，经过3-3相干耦合后，光强随微波信号变化，实现强度调制输出。2-3，及2-4用来预先调整双端输出光的初始相位。

实施例三

参考实施例三为本专利进一步集成两级马赫泽得调制器实现DQPSK相位调制输出。在该参考实施例中，专利依然采用单片集成方案，四端口激光器部分与参考实施例一相同。为充分利用激光器的四端口输出，可在激光器两侧一次连接1-3,1-4,1-5,1-6增益有源区。2-3,2-4,2-5,2-6相位调整区，5-1,5-2,5-3,5-4相位调制区。分别经过3-3，3-4耦合器耦合输出后，在依次经过1-7，1-8有源区放大，2-7,2-8相位区调整相位及5-5,5-6进行调制后，利用3-5耦合器相干耦合输出。增益有源区用来放大，并平衡各个光路的功率，实现最大的相干相消。相位调整区主要用来实现相位的初始化，实现稳定可控的初始相位。在相位调制区上施加微波调制信号，对各路光进行相位调制，进而实现DQPSK的相位调制。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种可调谐半导体激光器，其特征在于，包括一有源区，所述有源区的两端分别连接耦合器的输入端，所述耦合器为双端输出，各耦合器的输出端分别连接光栅后形成四条光路；并且利用有源区同一端两光路对准的反射峰与不同端两光路对准的反射峰重合而削弱非对准的反射峰；在激光器两侧一次连接四个由增益有源区、相位调整区、相位调制区组成的第一光路，第二光路、第三光路、第四光路，其中第一光路和第二光路经第一耦合器耦合输出后形成第一耦合输出光路，第三光路和第四光路经第二耦合器耦合输出形成第二耦合输出光路，所述第一耦合输出光路和第二耦合输出光路依次分别经过有源区放大，相位区调整相位并进行调制后，利用第三耦合器相干耦合输出；在相位调制区上施加微波调制信号，对各路光进行相位调制，进而实现DQPSK的相位调制。

2.根据权利要求1所述的一种可调谐半导体激光器，其特征在于，所述有源区的增益峰值波长为1550nm，相位区的增益峰波长为1400nm。

3.根据权利要求1所述的一种可调谐半导体激光器，其特征在于，所述光栅的反射峰位置或强度受控于对光栅施加的电信号和/或热信号。

4.根据权利要求1所述的一种可调谐半导体激光器，其特征在于，所述有源区和/或相位区的材料为InGaAsP或者AlGaInAs量子阱材料。