CN108173116B - 一种宽带可调谐Moire光栅激光器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带可调谐Moire光栅激光器及其工作方法，包括生长在同一衬底上的调谐区、相位区、有源区，调谐区、相位区、有源区依次耦合，调谐区包括Moire光栅，Moire光栅包括生长在同一衬底上的两个光栅周期相近的基本光栅A1、基本光栅A2。本发明通过作用于调谐区的电流I₃的调谐可实现对光栅周期的控制，从而使Moire光栅周期发生变化，进而实现对布拉格波长的调谐。

Description

一种宽带可调谐Moire光栅激光器及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种宽带可调谐Moire光栅激光器及其工作方法，属于激光器技术领域。

背景技术

随着光通信速度与容量的快速发展，光网络越来越复杂。半导体激光器作为通信的光源，面临着巨大的升级需要。可调谐半导体激光器是针对于固定波长的激光器提出的，一般可以通过电流注入、温度调节或者机械控制等方式实现波长的调谐。它的出现已经成为密集波分复用系统的重要光源。目前，主要有四种可调谐激光器：DBR型可调激光器、可调谐垂直腔面激光器、可调谐外腔激光器和DFB激光器阵列。

DBR型可调激光器的调谐特性是通过电流对折射率的影响进而控制布拉格波长，这种调谐方式能够使系统在很短时间内稳定下来，一般是纳秒级别。普通的单段DBR型可调激光器，由于电流变化范围的限制，折射率变化dn/n有限，调谐范围一般小于10nm。利用游标效应(即Vernier效应)的双段DBR取样光栅调谐，虽然调谐范围大大增加，但是其调谐电流多而复杂且不连续，同时导致调谐稳定时间长，并且整个器件的腔长大大增加，对于高速直调十分不利。可调谐垂直腔面激光器通过MEMS技术控制两个反射端面之间的距离，改变腔长进而实现波长调谐。由于腔长很短，通常为了保持高增益，出射面需要有高反射率，这就导致这种激光器出射功率小，限制了其在该领域的广泛应用。可调谐外腔激光器通过机械转动光栅来改变波长，这种调谐方式响应速率慢，封装难度大。DFB激光器阵列一般通过温度调节实现波长相邻的各DFB激光器之间的连续可调，可靠性能高但是制作过程相当复杂，器件尺寸大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种宽带可调谐Moire光栅激光器；

本发明还提供了上述Moire光栅激光器的工作方法；

本发明基于DBR型半导体激光器的结构，在调谐区并排放置两个周期相近的基本光栅Λ₁,Λ₂(Λ₁>Λ₂)，通过Moire效应，即一个光栅对另一个光栅的调制，呈现出一个大周期光栅Λ。通过改变其中一个光栅的周期，Λ会发生明显变化，进而实现布拉格波长的宽带调谐，并且，调谐过程简单连续，整个器件简单紧凑。

术语解释：

1、游标效应，即Vernier效应，是指两个具有相近周期光栅的空间串联叠加，其折射率分布函数是两个基本光栅折射率分布函数的求和，其光谱通过三角函数的和差化积公式，实现Vernier效应下的波长调谐。

2、Moire光栅是指两个相近周期光栅的空间并联耦合，呈现出Moire效应。与Vernier效应不同的是，其折射率分布函数是两个基本光栅折射率分布函数的乘积，通过三角函数的积化和差公式，得到Moire光栅的周期。其周期特点是其中一个光栅周期发生微小变化，Moire光栅周期会发生大范围的变化。

3、基本光栅，即普通光栅，在激光器中的作用是对有源区的宽谱光进行选频。

4、PLZT，即透明光电功能陶瓷。PLZT(透明光电功能陶瓷)具有以下优点；a、压电系数大，压电系数d₃₃＝476.6pC/N；b、具有高度的光学透明性，透光范围从紫外波段到红外波段；c、晶格常数为4.041埃，与半导体材料晶格常数相近。

本发明的技术方案为：

一种宽带可调谐Moire光栅激光器，包括生长在同一衬底上的调谐区、相位区、有源区，所述调谐区、所述相位区、所述有源区依次耦合，所述调谐区包括Moire光栅，所述Moire光栅包括生长在同一衬底上的并排放置的基本光栅A1、基本光栅A2；

设定基本光栅A1的光栅周期为Λ₁，基本光栅A2的光栅周期为Λ₂(Λ₁>Λ₂)，两个基本光栅的空间并联耦合，其折射率分布函数是两个基本光栅折射率分布函数的乘积，通过三角函数的积化和差公式可以分拆为两项，其中一项取决于Λ＝Λ₁Λ₂/(Λ₁-Λ₂)，而另一项取决于Λ'＝Λ₁Λ₂/(Λ₁+Λ₂)。由于Λ随基本周期变化比Λ'更为明显，且Λ远大于Λ'(即对应两个完全不同的布拉格波长)，可以通过将有源材料的增益谱与Λ对应的布拉格波长位置对齐，同时远离Λ'的波长位置，从而去掉Λ'的影响，实现通过Λ来大范围调谐波长的作用。

Moire光栅的光栅周期为Λ＝Λ₁Λ₂/(Λ₁-Λ₂)，Λ的取值范围为λ_B/(2n_eff)±50nm，λ_B为Moire光栅的布拉格波长，n_eff为Moire光栅的平均有效折射率。

通过改变基本光栅A1或基本光栅A2的光栅周期，Λ会发生明显变化，进而实现布拉格波长的宽带调谐，而且调谐过程简单连续，整个器件简单紧凑，基本光栅周期Λ₁，Λ₂相差越小，其对Λ的调谐越明显。

进一步优选的，当λ_B＝1550nm、n_eff＝3.2时，Λ＝240nm；当λ_B＝1310nm、n_eff＝3.2时，Λ＝204nm。

根据本发明优选的，所述基本光栅A1或所述基本光栅A2上设置有一层压电系数d₃₃＞20pC/N的压电材料。

进一步优选的，所述基本光栅A1或所述基本光栅A2上设置有一层压电系数d₃₃＝476.6pC/N的PLZT材料。

有源区通过注入电流I₁产生宽谱的光场模式，相位区注入电流I₂可实现对布拉格波长的微调，在压电材料上注入电流I₃后，由于逆压电效应会使压电材料在x方向上发生形变(扩张)，上层材料的扩张对另一基本光栅A1或基本光栅A2产生挤压作用，使Moire光栅在z方向发生形变，光栅周期得以改变，通过I₃的调谐可实现对光栅周期的控制，进而实现对布拉格波长的调谐。其中，x方向为衬底生长的方向，即结构高度；y方向为激光器横向方向，即结构宽度；z方向为激光器纵向出光方向，即结构长度。

根据本发明优选的，所述压电材料的厚度大于100nm。

压电材料的厚度越厚，对下层光栅的挤压越明显，具体厚度应与实际制作器件尺寸有关。

根据本发明优选的，所述基本光栅A1、所述基本光栅A2的材料为磷化铟(InP)或弹性系数s₁₂≥1*10^-12Pa^-1的透光材料。

根据本发明优选的，所述基本光栅A1、所述基本光栅A2的材料折射率为1.5至3.8。由所选光栅的材料决定。

进一步优选的，所述基本光栅A1、所述基本光栅A2的材料折射率为3.2。所选光栅材料的折射率越高，所需刻蚀的光栅区长度越短，总腔长越短。

上述Moire光栅激光器的工作方法，包括：注入电流I₃作用到所述压电材料上；I₃≥10mA，由于压电材料的强逆压电效应，加电后会引起到所述压电材料在电流I₃方向上发生形变，所述压电材料的形变对其覆盖下的所述基本光栅A1或所述基本光栅A2在纵向方向上进行挤压，因为磷化铟(InP)本身具有弹性效应，所述压电材料覆盖下的所述基本光栅A1或所述基本光栅A2在横向方向上发生膨胀，则所述压电材料覆盖下的所述基本光栅A1的光栅周期Λ₁或所述基本光栅A2光栅周期Λ₂增加，引起所述Moire光栅的光栅周期Λ发生变化，所述Moire光栅的光栅周期Λ的变化导致布拉格波长的变化，实现布拉格波长的宽带调谐。

根据本发明优选的，所述Moire光栅的光栅周期Λ的变化导致布拉格波长λ_B的变化，变化公式如式(Ⅰ)所示：

2n_effΛ＝λ_B(Ⅰ)

式(Ⅰ)中，n_eff为Moire光栅的平均有效折射率，Λ为光栅周期，λ_B为布拉格波长。

本发明的有益效果为：

本发明通过作用于调谐区的电流I₃的调谐可实现对一侧光栅周期的控制，从而使Moire光栅周期发生明显变化，进而实现对布拉格波长的宽带调谐。

附图说明

图1为本发明宽带可调谐Moire光栅激光器的结构示意图；

图2为基本光栅A1、基本光栅A2、Moire光栅折射率分布示意图；

图3为基本光栅A2的光栅周期Λ₂与布拉格波长的关系示意图；

图4为基本光栅A1的光栅周期Λ₁与布拉格波长的关系示意图；

图5为通过Lumerical FDTD对本发明宽带可调谐Moire光栅激光器中光栅区的仿真建模的结构示意图；

图6为选用的基模TE模式光源图像示意图；

图7为Λ₁＝80nm,Λ₂＝60nm时FDTD仿真反射谱域，与Λ₁＝80nm,Λ₂＝61nm时FDTD仿真反射谱的比对图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例1

一种宽带可调谐Moire光栅激光器，如图1所示，包括生长在同一衬底上的调谐区、相位区、有源区，调谐区、相位区、有源区依次耦合，调谐区包括Moire光栅，Moire光栅包括生长在同一衬底上的并排放置的基本光栅A1、基本光栅A2；

基本光栅A1的光栅周期为Λ₁＝80nm，基本光栅A2的光栅周期为Λ₂＝60nm，Moire光栅的光栅周期Λ为Λ＝Λ₁Λ₂/(Λ₁-Λ₂)，Λ＝240nm。

通过改变基本光栅A1或基本光栅A2的光栅周期，Λ会发生明显变化，进而实现布拉格波长的宽带调谐，基本光栅A1的光栅周期为Λ₁＝80nm固定不变，基本光栅A2的光栅周期Λ₂与布拉格波长λ₀的关系如图3所示；基本光栅A2的光栅周期为Λ₂＝60nm固定不变，基本光栅A1的光栅周期Λ₁与布拉格波长λ₀的关系如图4所示；而且调谐过程简单连续，整个器件简单紧凑，基本光栅周期Λ₁，Λ₂相差越小，其对Λ的调谐越明显。

实施例2

根据实施例1所述的一种宽带可调谐Moire光栅激光器，通过Lumerical FDTD对宽带可调谐Moire光栅激光器仿真建模的结构如图5所示，光栅即折射率周期交替的结构，n1、n2分别为光栅基底材料的折射率和基底被刻蚀后填充材料的折射率。0.23μm是单侧光栅的横向宽度值；FDTD仿真所用基模TE模式光源如图6所示，因为通信用半导体激光器中一般需要保证只有TE基模存在，所以仿真时也选用此模式；基本光栅A1、基本光栅A2的材料均为磷化铟(InP)。基本光栅A1、基本光栅A2的材料折射率n_eff为3.2。基本光栅A1、基本光栅A2、Moire光栅折射率分布如图2所示。

基本光栅A1或基本光栅A2上设置有一层压电系数d₃₃为476.6pC/N的PLZT材料。PLZT材料的厚度为100nm，PLZT材料的厚度越厚，对下层光栅的挤压越明显，具体厚度应与实际制作器件尺寸有关。

PLZT材料(透明光电功能陶瓷)具有以下优点；a、压电系数大，压电系数d₃₃＝476.6pC/N；b、具有高度的光学透明性，透光范围从紫外波段到红外波段；c、晶格常数为4.041埃，与半导体材料晶格常数相近。

有源区通过注入电流I₁产生宽谱的光场模式，相位区注入电流I₂可实现对布拉格波长的微调，在压电材料上注入电流I₃后，由于逆压电效应会使压电材料在x方向上发生形变(扩张)，上层材料的扩张对另一基本光栅A1或基本光栅A2产生挤压作用，使Moire光栅在z方向发生形变，光栅周期得以改变，通过I₃的调谐可实现对光栅周期的控制，进而实现对布拉格波长的调谐。x方向为衬底生长的方向，即结构高度；y方向为激光器横向方向，即结构宽度；z方向为激光器纵向出光方向，即结构长度。

实施例3

实施例2所述的一种宽带可调谐Moire光栅激光器的工作方法，包括：注入电流I₃作用到压电材料上；I₃的取值为10mA，由于压电材料的强逆压电效应，加电后会引起到压电材料在电流I₃方向上发生形变，压电材料的形变对其覆盖下的基本光栅A1或基本光栅A2在纵向方向上进行挤压，因为磷化铟(InP)本身具有弹性效应，压电材料覆盖下的基本光栅A1或基本光栅A2在横向方向上发生膨胀，则压电材料覆盖下的基本光栅A1的光栅周期Λ₁或基本光栅A2光栅周期Λ₂增加，引起Moire光栅的光栅周期Λ发生变化，Moire光栅的光栅周期Λ的变化导致布拉格波长的变化，实现布拉格波长的宽带调谐。

Moire光栅的光栅周期Λ的变化导致布拉格波长λ_B的变化，变化公式如式(Ⅰ)所示：

2n_effΛ＝λ_B (Ⅰ)。

图7为Λ₁＝80nm,Λ₂＝60nm时FDTD仿真反射谱域，与Λ₁＝80nm,Λ₂＝61nm时FDTD仿真反射谱的比对图。图7为Lumerical FDTD对Moire光栅可调特性的二维仿真结果，与图3、图4一维仿真结果相比，从更复杂的结构得出了与简单结构一致的结果。进一步验证了Moire光栅具有波长宽带连续可调的优点。

Claims (10)

1.一种宽带可调谐Moire光栅激光器，其特征在于，包括生长在同一衬底上的调谐区、相位区、有源区，所述调谐区、所述相位区、所述有源区依次耦合，所述调谐区包括Moire光栅，所述Moire光栅包括生长在同一衬底上的并排放置的基本光栅A1、基本光栅A2；

设定基本光栅A1的光栅周期为Λ₁，基本光栅A2的光栅周期为Λ₂，则Moire光栅的光栅周期为Λ＝Λ₁Λ₂/(Λ₁-Λ₂)，Λ的取值范围为λ_B/(2n_eff)±50nm，λ_B为Moire光栅的布拉格波长，n_eff为Moire光栅的平均有效折射率；

通过改变基本光栅A1或基本光栅A2的光栅周期Λ₁或Λ₂，使Λ发生明显变化，进而实现布拉格波长的宽带调谐。

2.根据权利要求1所述的一种宽带可调谐Moire光栅激光器，其特征在于，当λ_B＝1550nmn_eff＝3.2时，Λ≈240nm；当λ_B＝1310nm n_eff＝3.2时，Λ≈204nm。

3.根据权利要求1所述的一种宽带可调谐Moire光栅激光器，其特征在于，所述基本光栅A1或所述基本光栅A2上设置有一层压电系数d₃₃＞20pC/N的压电材料。

4.根据权利要求1所述的一种宽带可调谐Moire光栅激光器，其特征在于，所述基本光栅A1或所述基本光栅A2上设置有一层压电系数d₃₃＝476.6pC/N的PLZT材料。

5.根据权利要求3所述的一种宽带可调谐Moire光栅激光器，其特征在于，所述压电材料的厚度大于100nm。

6.根据权利要求1所述的一种宽带可调谐Moire光栅激光器，其特征在于，所述基本光栅A1、所述基本光栅A2的材料为磷化铟或弹性系数s₁₂≥1*10^-12Pa^-1的透光材料。

7.根据权利要求1所述的一种宽带可调谐Moire光栅激光器，其特征在于，所述基本光栅A1、所述基本光栅A2的材料折射率的取值范围为1.5至3.8。

8.根据权利要求1所述的一种宽带可调谐Moire光栅激光器，其特征在于，所述基本光栅A1、所述基本光栅A2的材料折射率均为3.2。

9.一种根据权利要求3、5任一所述的一种宽带可调谐Moire光栅激光器的工作方法，其特征在于，包括：注入电流I₃作用到所述压电材料上；I₃≥10mA，所述压电材料在电流I₃方向上发生形变，所述压电材料的形变对其覆盖下的所述基本光栅A1或所述基本光栅A2在纵向方向上进行挤压，所述压电材料覆盖下的所述基本光栅A1或所述基本光栅A2在横向方向上发生膨胀，则所述压电材料覆盖下的所述基本光栅A1的光栅周期Λ₁或所述基本光栅A2光栅周期Λ₂增加，引起所述Moire光栅的光栅周期Λ发生变化，所述Moire光栅的光栅周期Λ的变化导致布拉格波长λ_B的变化，实现布拉格波长的宽带调谐。

10.根据权利要求9所述的一种宽带可调谐Moire光栅激光器的工作方法，其特征在于，所述Moire光栅的光栅周期Λ的变化导致布拉格波长λ_B的变化，变化公式如式(Ⅰ)所示：

2n_effΛ＝λ_B (Ⅰ)

式(Ⅰ)中，n_eff为Moire光栅的平均有效折射率，Λ为光栅周期，λ_B为布拉格波长。

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