CN108233174A - 半导体激光器、光源单元和光学通信系统 - Google Patents

半导体激光器、光源单元和光学通信系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及半导体激光器、光源单元和光学通信系统。提供了一种分布式反馈半导体激光器，其包括能够获得良好的单模产量和高发光效率的相移部分。衍射光栅(105)被形成为在形成有低反射膜(111)的端面与形成有高反射膜(110)的端面之间的谐振腔的引导方向上延伸。在衍射光栅(105)中，设置有多个相移部分(106)，该多个相移部分在与形成有低反射膜(111)的端面分开的预定范围内不连续地改变衍射光栅(105)的相位。

Description

半导体激光器、光源单元和光学通信系统
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求于2016年12月15日提交的日本专利申请No.2016-243534的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及半导体层、光源单元、通信系统以及波分复用光学通信系统。
背景技术
作为下一代光学通信光源之一，已经开发了分布式反馈(DFB)半导体激光器。作为DFB激光器的重要设计参数，使用kL，kL是通过将谐振腔长度L乘以耦合系数k而获得的，耦合系数k是表示引导光和衍射光栅之间的耦合强度的指标。通常考虑减小谐振腔长度L并且增加参数kL(增加k)来获得下一代光学通信所需的25Gbps或更高的高速操作。
将描述DFB激光器(例如，日本未审专利申请公开No.S61-216383)。在DFB激光器的典型示例中，衍射光栅设置在低反射端面和高反射端面之间，并且一个相移部分设置在衍射光栅的一部分中。衍射光栅由例如凹凸结构形成，该凹凸结构包括在有源层上形成的引导层和包覆层。相移部分被设置为λ/4相移部分，其中衍射光栅的间距偏移波长λ的四分之一。因此，DFB激光器在由衍射光栅的周期确定的布拉格波长附近的波长处进行单模振荡。此外，在包括相移部分的DFB激光器中，将输出信号光的前端面设定为低反射端面，将输出监视光的后端面设定为高反射端面，由此比两端面都被设定为低反射端面时更有效地得到信号光，并且获得高的光输出和高的发光效率。
然而，具有高反射端面的DFB激光器难以获得良好的单轴模式特性。其原因之一在于，在具有一个高反射端面的DFB激光器中，谐振腔中的电场强度分布和每个模式的振荡条件由于高反射端面处的衍射光栅的相位变化而变化。
另一方面，在日本未审专利申请公开No.S61-216383中公开的半导体激光器中，相移部分设置在谐振腔中的适当位置，从而减小端面处的相位变化的影响并且提高单模产量。
发明内容
然而，在日本未审专利申请公开No.S61-216383中公开的包括相移部分的DFB激光器中，沿着谐振腔的轴方向的光的电场强度分布不均匀。通常，随着光的电场强度增加，由于受激发射引起的载流子的复合概率增加，从而消耗大量的载流子。因此，发生其中谐振腔中的载流子密度不均匀的空间烧孔效应。当大电流流动时，这种空间烧孔效应的发生是显著的，并且导致在调制操作期间的振荡模式的不稳定。
图13示出了上述DFB激光器中当kL＝2.1时光的电场强度分布的计算结果。在图13所示的电场分布中，显然，相移部分的位置A处的光的电场强度相当于峰值。具体地说，当增加参数kL以获得高的光输出时，在具有高电场强度的区域中容易发生空间烧孔效应，这导致当大电流流动时振荡模式的不稳定，并且造成多模振荡。
此外，在具有光的高电场强度的区域中，由于高的光密度，元件的劣化加速，由于灾难性光学损伤(COD)引起的元件随机故障数量增加，并且磨损劣化加速，这可能导致元件寿命的劣化。
关于这种相移部分的位置处的电场强度的集中，提出了通过设置多个相移部分来分散电场强度的技术。例如，日本未审专利申请公开No.H01-239892公开了一种DFB激光器，其中两个端面都是低反射性的，并且设置多个相移部分以平滑电场强度分布。然而，在日本未审专利申请公开No.H01-239892中公开的其中两个端面都是低反射端面的DFB激光器中，与具有高反射端面和低反射端面的DFB激光器中不同，不能获得足够高的光输出。
此外，日本未审专利申请公开No.H06-85398公开了一种在具有低反射端面和高反射端面的DFB层中设置多个相移的结构。然而，在日本未审专利申请公开No.H06-85398中公开的DFB激光器中，当设置多个相移部分时，不能获得良好的单模产量。
如上所述，需要一种分布式反馈半导体激光器，其包括相移部分，利用该相移部分可以获得良好的单模产量和高的发光效率。
本发明要解决的其它问题和新颖特征将从下面的描述和附图中变得显而易见。
根据一个实施例的分布式反馈半导体激光器包括：具有低反射率的第一谐振腔端面；具有高反射率的第二谐振腔端面；以及形成为在谐振腔的引导方向上延伸的衍射光栅。被配置成不连续地改变衍射光栅的相位的多个相移部分被设置在与衍射光栅中的第一谐振腔端面分开的预定范围内。
根据一个实施例，可以提供一种分布式反馈半导体激光器，其包括相移部分，利用该相移部分可以获得良好的单模产量和高的发光效率。
附图说明
从以下结合附图对某些实施例的描述中，上述和其它方面的优点和特征将更加明显，其中：
图1是示意性地示出根据第一实施例的DFB激光器的横截面配置的图；
图2是表示根据第一实施例的DFB激光器中的光的电场强度分布的计算结果的图；
图3是表示平均阈值增益差不同的条件下的单模产量的结果的图；
图4示出了当距离L2为0.9×L时阈值增益差对距离L1的依赖性的计算结果；
图5示出了当距离L1为0.5×L时阈值增益差对距离L2的依赖性的计算结果；
图6是表示阈值增益差对相移数目的依赖性的图；
图7是表示峰值电场强度对相移数目的依赖性的例子的图；
图8示意性地示出根据第二实施例的DFB激光器的横截面配置；
图9示出了根据第二实施例的DFB激光器中的光的电场强度分布的计算结果的例子；
图10是示意性示出根据第三实施例的光源单元的配置的图；
图11是示意性地示出根据第四实施例的光学通信系统的配置的图；
图12是示意性地示出根据第五实施例的波分复用光学通信系统的配置的图；和
图13是表示典型的DFB激光器中kL＝2.1时光的电场强度分布的计算结果的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施例进行说明。在附图中，相同的元件用相同的附图标记表示，并且适当地省略重复的说明。
第一实施例
将描述根据第一实施例的分布式反馈(DFB)半导体激光器。根据第一实施例的DFB激光器100被配置为在1.3μm带或1.5μm带中使用并由基于InP(磷化铟)或InGaAsP(铟镓砷磷化合物)的材料形成的半导体激光器。图1示意性地示出了根据第一实施例的DFB激光器100的横截面配置。
根据第一实施例的DFB激光器100包括n型衬底101、n型导层102、有源层103、p型引导层104、p型包覆层107、p电极108、n电极109、高反射膜110和低反射膜111。
为半导体晶体层的n型引导层102、有源层103、p型引导层104和p型包覆层107被依次层叠在n型衬底101上。半导体晶体层使用例如MOVPE(金属有机气相外延)方法而被层叠。
p电极108被形成在p型包覆层107上。可以通过例如使用真空蒸发等沉积Cr/Au层来形成p电极108。n电极109被形成在n型衬底101的背表面上。例如，通过使用真空蒸发等沉积AuGe/Au层来形成n电极109。
在DFB激光器100的引导方向上的谐振腔端面处，例如通过以获得DFB激光器100的谐振腔长度L的方式进行切割而形成。形成用于调节谐振腔端面处的反射率的低反射膜111和高反射膜110。低反射膜111和高反射膜110例如通过溅射来沉积诸如Al2O3或SiO2的绝缘膜而形成。在这种情况下，低反射膜111的反射率为5％，高反射膜110的反射率为85％。注意，形成低反射膜的端面也被称为第一谐振腔端面，而形成高反射膜的端面也称为第二谐振腔端面。
下面将描述设置在DFB激光器100中的衍射光栅105和相移部分106。p型引导层104和p型包覆层107具有凹凸结构并构成衍射光栅105。衍射光栅105通过以下方式形成：例如，凹凸结构在p型引导层104的表面上通过电子束曝光和蚀刻而被形成，并且然后被p型包覆层107掩埋。
衍射光栅105的周期取决于振荡波长而确定。例如，当振荡波长为1.3μm时，衍射光栅105的周期为约200nm。在这种情况下，当在图1所示的DFB激光器100的引导方向上的谐振腔长度L为200μm时，谐振腔中包括衍射光栅的约1000个凹凸结构。在第一实施例中，p型引导层和p型包覆层构成衍射光栅，但是仅以示例的方式描述该结构。本发明不限于该结构。
在衍射光栅105中设置不连续地改变衍射光栅105的相位的相移部分106。相移部分106是λ/4相移部分，其通过将相位移动等于振荡波长λ的1/4(衍射光栅周期Λ的1/2)的量而获得。形成奇数个相移部分106。例如，假设形成五个相移部分106来描述第一实施例。在DFB激光器100中，每个相移部分106被设置在谐振腔的中心和高反射膜110之间的与低反射膜111分离的位置处。参见图1，例如，每个相移部分106被设置在与低反射膜111的距离为L1的位置和与低反射膜111的距离为L2的位置之间。在本例中，假设当谐振腔的整个长度为L时，距离L1为0.5L或更多(L1≥0.5×L)，并且距离L2为0.9L或更少(L2≤0.9×L)。例如，当谐振腔的整个长度L为200μm时，距离L1为125μm，并且距离L2为165μm。
有源层103构成例如日本未审专利申请公开No.H5-175597中公开的由AlGaInAs形成的多量子阱(MQW)结构。此外，有源层103被夹在n型引导层102和p型引导层104之间，从而形成双异质结构。双异质结构被蚀刻成条形，从而形成电流阻挡结构。
接下来，将描述根据第一实施例的DFB激光器100的操作。图2示出了根据第一实施例的DFB激光器100中的光的电场强度分布的计算结果的示例。
在DFB激光器100中，抑制每个相移部分106中的电场强度，并且电场强度的峰值等于或小于在如上所述仅设置一个相移部分的情况中的一半(图13)。因此，空间烧孔效应被抑制，并且即使当大电流流动时也可以获得稳定的单模特性。
虽然图2示出了当kL为2.1时的计算结果，但是电场强度的抑制不受值kL的限制。此外，在1≤kL≤4的范围内，可以在设置有相移部分106的位置处几乎类似地抑制电场强度。
接下来，将参照图3至图5描述其中形成多个相移部分106的位置的影响。图3示出了在平均阈值增益差的不同条件下的单模产量的结果。当阈值增益差小于0.1时，单模产量迅速劣化。因此，为了在考虑到生产成本的情况下实现稳定的生产，需要将阈值增益差设定为0.1或更多。
图4示出了当距离L2为0.9×L时阈值增益差对距离L1的依赖性的计算结果。图5示出了当距离L1为0.5×L时阈值增益差对距离L2的依赖性的计算结果。从图4和图5中可以看出，当距离L1为0.5×L或更多且距离L2为0.9×L或更少时，阈值增益差为0.1或更多，且因此能够稳定地获得良好的单模产量。例如在50μm≤L≤300μm的范围内，可以获得类似的结果，而不依赖于谐振腔长度L的值。然而，考虑到kL值，谐振腔长度L理想地为200μm。
在第一实施例中，使用五个相移，但是将使用的相移的数目不限于五个。图6示出了阈值增益差对相移数目的依赖性。图7示出了峰值电场强度对相移数目的依赖性的示例。图7示出了假设当仅设置一个相移部分时峰值电场强度为1的情况下峰值电场强度被归一化。图6所示的波形W11和图7所示的波形W12表示根据第一实施例的DFB激光器100中的计算结果。
随着相移部分的数目增加，峰值电场强度降低，并且阈值增益差也减小。因此，为了获得0.1或更多的阈值增益差并抑制电场强度，要设置的相移部分的数目期望地为在3至13的范围内的奇数。
当形成偶数个相移部分时，获得其中高反射膜110上的电场强度具有峰值的电场强度分布，并且衍射光栅的相位变化在高反射端面处的影响较大，导致单模产量的劣化。因此，将设置的相移部分的数目期望地为奇数。
每个相移部分的相移为λ/8时的比较例子分别由图6所示的波形W21和图7所示的波形W22表示。在这种情况下，难以获得抑制电场强度的效果并且阈值增益差减少，不像具有λ/4相移的波形W11和波形W12中那样。因此，显然，每个相移部分中的相移期望地被设定为λ/4。
此外，作为比较例子，当将三个相移部分设置在日本未审专利申请公开No.H06-85398中描述的位置时，计算光的阈值增益差和归一化的峰值电场强度。图6所示的观察点P1和图7所示的观察点P2分别对应于光的阈值增益差和归一化的峰值电场强度。如图6所示的观察点P1和图7所示的观察点P2所示，能够抑制场强的集中。然而，阈值增益差具有小于0.1的值。通常，为了获得良好的单模产量，需要0.1或更多的阈值增益差。因此，可以理解，日本未审专利申请公开No.H06-85398中公开的DFB激光器不能获得足够的单模产量。
如上所述，根据该配置，在谐振腔的中心与形成有高反射膜的谐振腔端面之间设置多个相移部分，从而实现能够获得稳定的单模特性并防止随机故障的分布式反馈激光器。
第二实施例
将描述根据第二实施例的DFB激光器200。图8示意性地示出了根据第二实施例的DFB激光器200的横截面配置。根据第二实施例的DFB激光器200的n型衬底201、n型引导层202、有源层203、p型引导层204、p型包覆层207、p电极208、n电极209、高反射膜210和低反射膜211分别对应于根据第一实施例的DFB激光器100的n型衬底101、n型引导层102、有源层103、p型引导层104、p型包覆层107、p电极108、n电极109、高反射膜110和低反射膜111。
根据第二实施例的DFB激光器200与根据第一实施例的DFB激光器100的不同之处在于，衍射光栅205由n型衬底201和n型引导层202组成，并且设置九个相移部分206。DFB激光器200的其它配置与DFB激光器100的其它配置类似，因此省略其说明。
注意，在第二实施例中，n型衬底201和n型引导层202构成衍射光栅205。然而，该配置仅通过示例的方式进行描述，并且可以采用其他配置。例如，如第一实施例所示，p型引导层204和p型包覆层207可以构成衍射光栅。
此外，在第二实施例中，谐振腔长度L为120μm；距离L1为60μm；距离L2为100μm。然而，谐振腔长度L以及距离L1和L2不限于这些值。
根据第一实施例的DFB激光器100的谐振腔长度为200μm，而根据第二实施例的DFB激光器200的谐振腔长度为120μm，其短于DFB激光器100的谐振腔长度。在此情况下，当获得与DFB激光器100的光输出相当的光输出时，诸如由于电场强度分布的集中引起的空间烧孔效应造成的单模的不稳定性和元件寿命的劣化等问题变得更加显著。这是因为在长谐振腔增益区域中可以获得的增益需要通过短谐振腔增益区域获得。换句话说，在具有谐振腔长度的DFB激光器中，在谐振腔长度变短时需要进一步抑制电场强度的浓度。
图9示出了根据第二实施例的DFB激光器200中的光的电场强度分布的计算结果的示例。当将其中设置有一个相移部分的配置(图13)与如在根据第一实施例的DFB激光器100中那样其中设置有五个相移部分的配置(图2)进行比较时，可以理解到，电场强度的峰值被进一步降低。虽然图9示出了当kL为2.1时的计算结果，但是kL的值没有特别限制。同样在1≤kL≤4的范围内，可以获得在每个相移部分的位置处抑制电场强度的结果。
如上所述，根据该配置，能够通过增加要设置的相移部分的数目来抑制光的电场强度的集中。因此，即使当在具有短谐振腔长度的分布式反馈半导体激光器中流过大电流时，也可以获得能够得到稳定的单模特性、减少的随机故障并且具有长寿命的元件。
第三实施例
将描述根据第三实施例的光源单元300。光源单元300被配置为其中使用根据上述第一实施例的DFB激光器100作为光源的光源单元。图10是示意性地示出根据第三实施例的光源单元300的配置的图。
如图10所示，在DFB激光器100中，安装部分303A从CAN封装301的盘状金属杆306突出到CAN封装301中。热沉302被安装在安装部分303A上，并且DFB激光器100被安装在热沉302上。
条状引线部分303B在与金属杆306的背表面垂直的方向上从金属杆306的背表面突出。此外，穿过金属杆306的中心部分的端子304被固定成在垂直于金属杆306的背表面的方向上延伸。突出到CAN封装301中的端子304的一端通过导线305与DFB激光器100电连接。
具有圆柱形并由金属制成的盖307被接合到金属杆306的前表面。因此，DFB激光器100、热沉302、安装部分303A、端子304的端部和导线305被盖307包覆。此外，在盖307的光出射部分中形成有开口，并且玻璃罩308附接至该开口，光从DFB激光器100穿透玻璃罩308。
这种半导体激光器器件被安装在例如光学通信仪器或精密测量仪器上作为光源，从而通过获得高输出、高效率、即使在大电流流动时也能得到的稳定的单模特性和长元件寿命，来获得实现仪器性能改善(诸如速度的增加和可靠性的提高)的有利效果。
控制电路309适当地控制激光器驱动电路310，并且激光器驱动电路310向端子304施加驱动电压，使得DFB激光器100振荡激光器。
从DFB激光器100发射的激光穿过由例如透镜311和分束器312形成的光学系统313，并从光源单元300输出。在这种情况下，被传输通过分束器312的激光输出到光源单元300的外部，并且由分束器312反射的一部分激光入射到光电检测器314上。光电检测器314检测入射激光的强度，以及将检测结果输出到控制电路309。因此，控制电路309可以通过参考来自光电检测器314的检测结果进行反馈控制，使得从DFB激光器100发射的激光的强度落在期望范围内。
如上所述，根据该配置，能够配置使用了根据上述实施例的半导体激光器的光源单元。根据第三实施例的光源单元安装在例如光学通信仪器或精密测量仪器上，从而通过获得高输出、高效率、即使流过大电流也能够获得的稳定的单模特性和长元件寿命，来实现仪器的性能改善(诸如速度的增加和可靠性的提高)。
第四实施例
将描述根据第四实施例的光学通信系统400。将描述其上安装根据第三实施例的光源单元300的光学通信系统。图11是示意性地表示根据第四实施例的通信系统400的配置的图。
如图11所示，光学通信系统400包括发射机401、接收机402、第一网络设备403、第二网络设备404和光纤407。发射机401包括光源单元300、驱动电路405和光学连接器406。接收机402包括光接收单元408、接收电路409和光学连接器406。
当电信号S1从第一网络设备403输入到发射机401时，电信号S2通过驱动电路405输入到光源单元300，并且产生光信号LS。光信号LS穿过由透镜等构成的光学连接器406由光纤407传送并输入到接收机402。之后，光信号LS通过位于更靠近接收器402的光学连接器406，被输入到由光电二极管等构成的光接收单元408，并且变为电信号S3。该电信号通过接收电路409被作为电信号S4输出到第二网络设备404，由此建立第一网络设备403和第二网络设备404之间的光学通信。
如上所述，根据该配置，可以配置使用了根据上述实施例的光源单元的光学通信系统。上述光源单元300具有高输出、高效率、即使当大电流流动时也能获得的稳定的单模特性以及长元件寿命，并且因此可以实现光学通信系统的功耗的降低和可靠性的增加。
第五实施例
将描述根据第五实施例的波分复用光学通信系统500。根据第五实施例的波分复用光学通信系统500使用根据上述实施例的DFB激光器。图12示意性地示出了根据第五实施例的波分复用光学通信系统。波分复用光学通信系统500包括发射机501、接收机502和光纤503。
发射机501包括多个DFB激光器100和光学复用器504。多个DFB激光器100各自接收来自驱动电路等的输入信号，并且输出具有不同波长的光信号(λ0、λ1、λ2...)。这些光信号(如图12中的附图标记LS所示)从光学多路复用器504输出，并通过单个光纤503输入到接收器502。
接收机502包括光学解复用器505和多个光接收元件506。光学解复用器505解复用多个输入光信号(如图12中的附图标记LS所示)并分为具有不同波长的光信号(λ0、λ1、λ2...)，并且光接收元件506将光信号转换为电信号。
如上所述，根据该配置，能够配置使用根据上述实施例的DFB激光器的波分复用光学通信系统。此外，DFB激光器100具有高输出、高效率、即使当大电流流动时也能获得的稳定的单模特性和长元件寿命，并且因此可以实现波分复用光学通信系统的功耗的降低和可靠性的增加。
注意，本发明不限于上述实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下适当地进行修改。例如，上述实施例示出了在1.3μm带或1.5μm带中使用并由基于InP的材料等形成的分布式反馈半导体激光器的示例。本发明也可以应用于例如基于诸如GaAs系统或GaN系统作为材料系统的其它化合物半导体的分布式反馈半导体激光器。对于波长带，可以使用其他波长带。
上述实施例示出了嵌入型分布式反馈半导体激光器。然而，上述实施例中描述的结构也可以应用于例如具有其他结构的分布式反馈半导体激光器，例如脊条型激光器。
此外，上述实施例示出了半导体激光器的层结构，但是本发明不限于此示例。可以添加其它层，或者可以去除一些层，只要本发明作为半导体激光器操作即可。此外，半导体层的导电类型可以反转。
例如，在上述实施例中，衬底、引导层、有源层、包覆层等的导电类型(p型或n型)可以反转。因此，当n型和p型的导电类型中的一种被定义为第一导电类型且另一种导电类型被定义为第二导电类型时，第一导电类型可以是p型并且第二导电类型可以是n型。相反，第一导电类型可以是n型，并且第二导电类型可以是p型。
以上，基于实施例对本发明人完成的发明进行了详细描述。然而，本发明不限于上述实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下以各种方式进行修改。
本领域普通技术人员可以按照期望来组合第一至第五实施例。
虽然已经根据几个实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，本发明可以在所附权利要求的精神和范围内以各种修改来实施，并且本发明不限于上述示例。
此外，权利要求的范围不受上述实施例的限制。
此外，应注意的是，申请人的意图是涵盖所有权利要求要素的等同内容，即使以后在申请期间修改。

Claims (10)

1.一种分布式反馈半导体激光器，包括：
第一谐振腔端面；
第二谐振腔端面，具有比所述第一谐振腔端面的反射率高的反射率；和
衍射光栅，被形成为在所述第一谐振腔端面与所述第二谐振腔端面之间的谐振腔的引导方向上延伸，
其中在所述衍射光栅中的与所述第一谐振腔端面分离的预定区域中设置有多个相移部分，所述多个相移部分被配置成不连续地改变所述衍射光栅的相位。
2.根据权利要求1所述的分布式反馈半导体激光器，其中，所述预定范围是在所述引导方向上的所述第二谐振腔端面与所述谐振腔的中心之间的范围。
3.根据权利要求2所述的分布式反馈半导体激光器，其中，所述预定范围是与所述第一谐振腔端面分开通过所述谐振腔在所述引导方向上的长度乘以0.5得到的距离的位置和与所述第一谐振腔端面分开的在通过所述谐振腔在所述引导方向上的所述长度乘以0.9得到的距离内的位置之间的范围。
4.根据权利要求1所述的分布式反馈半导体激光器，其中所述相移部分的数目为在3至13的范围内的奇数。
5.根据权利要求1所述的分布式反馈半导体激光器，其中当振荡波长由λ表示时，每个所述相移部分的相移为λ/4。
6.根据权利要求1所述的分布式反馈半导体激光器，其中，通过将耦合系数k乘以所述谐振腔在所述引导方向上的长度L而获得的值kL在1至4的范围内。
7.根据权利要求1所述的分布式反馈半导体激光器，其中，所述谐振腔在所述引导方向上的长度等于或小于200μm。
8.一种光源单元，包括根据权利要求1所述的分布式反馈半导体激光器。
9.一种光学通信系统，包括根据权利要求8所述的光源单元。
10.一种波分复用光学通信系统，包括根据权利要求1所述的分布式反馈半导体激光器。
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