CN108233177A - 一种可调谐半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光电子器件领域，公开了一种可调谐半导体激光器，包括：有源区、相位区和光栅区；有源区从下而上依次设置有第一衬底、第一缓冲层、第一波导层、有源层和第一覆盖层，在第一覆盖层上设有第一电极；相位区从下而上依次设置有第二衬底、第二缓冲层、第二波导层和第二覆盖层，在第二覆盖层上设有第二电极；光栅区从下而上依次设置有第三衬底、第三缓冲层、光栅层和第三覆盖层，在第三覆盖层上设有第三电极；光栅层包括：依次级联的倾斜π相移光栅和均匀布拉格光栅。本发明可以有效减小直接调制激光器频率啁啾导致的信号在传输中的损伤对误码率的影响，降低光信号在光纤中的色散代价，提高信道容量。

Description

一种可调谐半导体激光器
技术领域
本发明属于光电子器件领域，更具体地，涉及一种啁啾管理可调谐半导体激光器，该激光器是一种基于倾斜π相移光栅和布拉格光栅级联的分布式布拉格反射激光器，可对直接调制过程中导致的频率啁啾进行有效管理。
背景技术
随着人们对网络通信容量和带宽需求的迅速增长，光接入网得到了迅速的发展，低成本高速直接调制半导体激光器在光接入网中具有非常大的潜力，而其中的可调谐分布式布拉格反射(DBR)半导体激光器在TWDM-PON网络中是无色ONU的一个非常重要的光源选择。一方面可调谐DBR激光器能够快速实现多波长通道的切换，波长调谐范围覆盖了上行的所有信道；另一方面其结构简单，制作容易，成本相对较低。
直接调制激光器相对于外调制激光器来说能够获得较大的输出功率，而且能够降低成本。但是直接调制会导致激光器有源区载流子随调制电流变化，从而使得激光器激射波长出现频率啁啾，这种频率啁啾会使得在光信号在光纤中传输时会由于光纤色散而导致信号发生畸变，信号质量变差，特别是在高速直接调制信号中，严重的啁啾会导致光信号传输距离受限，降低信道通信容量。
为了降低直接调制激光器的啁啾对信号传输的影响，AZNA公司的YasuhiroMatsui等人于2006年提出一种基于光谱整形器(optical spectrum reshape，OSR)的直接调制啁啾管理激光器，报道于文献“Chirp-Managed Directly Modulated Laser(CML)”，IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，VOL.18，NO.2，JANUARY 15，2006。这种激光器通过特殊设计的外部OSR使激光器的频率在比特“0”或者“1”时基本保持不变，只在比特跳变处有变化，比特“0”和“1”时的相位差为π，同时提高了激光器的消光比，在传输过程中，比特“0”和“1”会出现相消干涉从而减小由于色散导致的信号拖尾对后续比特的影响。但是这种激光器设计时调制速率与频率啁啾需要满足严格条件要求，外部OSR也需要特殊设计，而且由于使用固定波长激光器和固定的OSR，该方案无法满足无色ONU的对低成本和无色的要求。
2015年，华中科技大学的赵航等人提出了一种对可调谐三节布拉格反射(DBR)激光器进行啁啾补偿的方案，通过在对有源区直接调制的同时对相位区的电流进行反向的调制，实现了在2.5Gb/s速率下对激光器啁啾的补偿。其研究结果报道于文献“Chirp-Compensated DBR Lasers for TWDM-PON Applications”，IEEE Photonics Journal，Volume 7，Number 1，February 2015。这种方案能够对直接调制激光器的绝热啁啾部分有很好的补偿，适用于绝热啁啾占主导的激光器，但是在直接调制速率达到10Gb/s或者更高的情况下，瞬态啁啾将会占据主导地位，这种方案将不再能实现啁啾完全补偿，高速情况下的信号传输距离仍然会受到限制。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种可调谐半导体激光器，目的在于有效减小直接调制激光器频率啁啾导致的信号在传输中的损伤对误码率的影响，降低光信号在光纤中的色散代价，提高信道容量；旨在解决现有技术中，在直接调制速率达到10Gb/s及以上时瞬态啁啾占据主导地位，不能实现啁啾完全补偿，信号传输距离受到限制的问题。
本发明提供了一种可调谐半导体激光器，包括：有源区、相位区和光栅区；所述有源区从下而上依次设置有第一衬底、第一缓冲层、第一波导层、有源层和第一覆盖层，在所述第一覆盖层上设有第一电极；所述相位区从下而上依次设置有第二衬底、第二缓冲层、第二波导层和第二覆盖层，在所述第二覆盖层上设有第二电极；所述光栅区从下而上依次设置有第三衬底、第三缓冲层、光栅层和第三覆盖层，在所述第三覆盖层上设有第三电极；所述光栅层包括：依次级联的倾斜π相移光栅和均匀布拉格光栅。级联光栅能够获得一个总的窄带的反射谱，同时其总反射谱在长波长方向具有较大的下降斜率。
更进一步地，所述倾斜π相移光栅与均匀布拉格光栅之间的夹角为2度～4度。能够有效减小光栅的反射率而基本不影响其透射率。
更进一步地，倾斜π相移光栅的光栅周期和均匀布拉格光栅的光栅周期不同。
更进一步地，倾斜π相移光栅层材料与所述第二波导层材料相同，凹槽为空气；所述均匀布拉格光栅材料与所述第二波导层材料相同，凹槽填充与所述第三覆盖层材料相同的材料。将π相移光栅倾斜一定角度是为了降低π相移光栅的反射率，凹槽填充为空气，是为了获得较大的折射率调制，从而获得窄带的透射谱。倾斜π相移光栅和均匀布拉格光栅级联可以获得较窄的反射谱，调整其光谱的位置，其总的反射率在长波长方向能够有较大的下降斜率，使得直接调制时激光器输出光信号的消光比能够得到有效提高。
更进一步地，倾斜π相移光栅层材料和所述均匀布拉格光栅材料均为铟镓砷磷InGaAsP。
更进一步地，有源区的左端面为解理面，所述光栅区的右端面镀有增透膜。
更进一步地，光栅层的有效折射率要大于所述第三缓冲层的折射率，所述光栅层的有效折射率要大于所述第三覆盖层的折射率。
更进一步地，有源层的材料带隙小于所述波导层的材料带隙，所述有源层的材料带隙小于所述光栅层的材料带隙。
更进一步地，通过调整倾斜π相移光栅的周期和均匀布拉格光栅的周期，实现窄带且在长波长方向具有较大下降斜率的总反射谱，实现直接调制时大消光比输出；通过改变光栅区电流改变光栅区总的反射谱，对激光器激射波长进行调谐，调谐范围为8纳米～10纳米。
其中，当光栅区注入电流增加时，倾斜π相移光栅和均匀布拉格光栅的有效折射率会降低，光栅中心波长向短波长方向移动，总的反射谱向短波长方向移动。
本发明通过在光栅区采用两级级联的倾斜π相移光栅和均匀布拉格光栅，实现了对激光器直接调制过程中导致的频率啁啾进行有效管理，使得激光器输出光信号获得较大的消光比，能够有效减小激光器啁啾导致的信号在传输中的损伤对误码率的影响，降低光信号在光纤中的色散代价，在光纤传输过程中获得较大的色散容限，提高信道容量。同时，级联光栅在激光器内部实现，相对于所述外部滤波器方案更加易于集成，成本更低。
附图说明
图1是本发明所述激光器的纵向截面的结构示意图。
图2是本发明所述倾斜π相移光栅和均匀布拉格光栅级联的三维结构示意图。
图3是本发明所述倾斜π相移光栅透射谱与反射谱。
图4是上述级联倾斜π相移光栅和均匀布拉格光栅的反射谱。
图5是所述激光器改变光栅区注入电流时的静态波长调谐特性图。
图6是所述激光器改变相位区注入电流时的静态波长调谐特性图。
图7是所述激光器调制时激光器输出光谱与级联倾斜π相移光栅和均匀布拉格光栅的反射谱叠加示意图。
其中1是有源区，2是相位区，3是光栅区，4是第一衬底，5是第二衬底，6是第三衬底，7是第一缓冲层，8是第二缓冲层，9是第三缓冲层，10是第一波导层，11是第二波导层，12是倾斜π相移光栅层，13是均匀布拉光栅层，14是有源层，15是第一覆盖层，16是第二覆盖层，17是第三覆盖层，18是增透膜，19是解理面，20是第一电极，21是第二电极，22是第三电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明属于光电子器件领域，更具体地，涉及一种啁啾管理可调谐半导体激光器，该激光器是一种基于倾斜π相移光栅和布拉格光栅级联的分布式布拉格反射激光器，可对直接调制过程中导致的频率啁啾进行有效管理。
针对现有技术方案的限制和缺陷，本发明的目的在于提供一种应用于TWDM-PON的低成本高速直接调制可调谐半导体激光器，能够有效减小激光器啁啾导致的信号在传输中的损伤对误码率的影响，降低光信号在光纤中的色散代价，提高信道容量。
本发明中所提供的激光器包括：有源区、相位区和光栅区。有源区从下而上分别是第一衬底、第一缓冲层、第一波导层、有源层和第一覆盖层，第一覆盖层上设有第一电极；相位区从下而上分别是第二衬底、第二缓冲层、第二波导层和第二覆盖层，第二覆盖层上设有第二电极；光栅区从下而上分别是第三衬底、第三缓冲层、光栅层和第三覆盖层，第三覆盖层上设有第三电极。所述有源区左端面为解理面，所述光栅区右端面镀有增透膜。
在本发明实施例中，光栅区光栅层由两级光栅级联组成，第一级是倾斜π相移光栅，第二级是均匀布拉格光栅；所述倾斜π相移光栅与均匀布拉格光栅之间的夹角为2～4度，将光栅在垂直于波导内光传播的方向上倾斜一定的角度可以有效的改变光栅的模式耦合强度。对于反射模式而言，较小的倾斜角度就能显著的增加波导内部TE0模向高阶模TEμ模耦合，随着倾角的增大TE0模向高阶模TEμ模耦合强度将会增强，在单模波导中，高阶模会很快损耗，从而降低了光栅的反射率；而对于透射模式而言，倾斜角度只有在足够大时才会明显的增加波导内部TE0模向高阶模TEμ模的耦合强度。倾斜π相移光栅的倾斜角度在2～4度时，能够有效减小光栅的反射率而基本不影响其透射率。π相移光栅倾斜后，其中心波长会发生移动，为使其透射峰中心波长处于布拉格光栅的反射峰边沿在长波长方向获得较大的下降斜率，其光栅周期需要经过特别设定，所述倾斜π相移光栅和均匀布拉格光栅的光栅周期不同。
在本发明实施例中，光栅区光栅层的有效折射率要大于光栅区缓冲层的折射率，所述光栅区光栅层的有效折射率要大于光栅区覆盖层的折射率，这样可以将光场有效的限制在光栅层。
在本发明实施例中，有源层材料带隙小于所述波导层材料带隙，所述有源层材料带隙小于所述光栅层材料带隙，可以有效的减小波导层的材料吸收损耗。
在本发明实施例中，激光器工作时由第一电极注入电流进行直接调制，电流达到阈值以上后开始工作；通过改变第三电极电流改变光栅层折射率，对级联光栅总的反射谱进行调整，实现对激光器腔内的纵模进行选择，实现波长粗调谐；第二电极电流注入时改变相位区的波导层的材料折射率，使激光器有效腔长发生改变，从而使腔内纵模发生移动，实现激光器激射波长的精细调谐。
在本发明实施例中，采用π相移光栅能够获得窄带的透射谱，同时设计调整优化π相移光栅的倾斜角度在2～4度之间，在此范围内能够有效的减小光栅反射率而基本不影响其透射率，最终利用π相移光栅的窄带特性获得透射为主而基本没有反射光的窄带透射滤波器。
在本发明实施例中，通过对π相移光栅和均匀布拉格光栅的周期进行优化设计，级联光栅能够获得一个总的窄带的反射谱，同时其总反射谱在长波长方向具有较大的下降斜率。
在本发明实施例中，在进行激光器直接调制时，首先需要在第一电极注入调制电流；调整第二电极电流使得激光器激射波长处在光栅反射谱的下降沿。由于直接调制会导致频率啁啾，比特“1”对应的波长相对于比特“0”对应的波长要小一些，这样调制比特“1”时对应的反射率要大于比特“0”时对应的反射率，在比特“0”时的损耗相对于比特“1”时损耗要大，通过这种结构能够实现激光器直接调制时的输出光信号具有较大的消光比，在高速调制情况下能够获得更大的色散容限。
本发明所提供DBR激光器通过采用上述倾斜π相移光栅和均匀布拉格光栅级联的方案，倾斜π相移光栅对应的中心波长接近均匀光栅反射谱下降沿对应的波长，使光栅总的反射谱具有窄带且在长波长方向具有较大下降斜率的特性，在直接调制过程中能够使得激光器的输出比特“1”和“0”时刻的损耗差异化，输出光信号具有大的消光比，在信号传输中能够得到较大的色散容限。本发明由于采用激光器内部的光栅级联设计，与普通DBR相比制作工艺基本相同，相对于外部再使用滤波器进行滤波的方案更加简单，降低了成本，而且更加利于直接集成。
本发明提供一种能够进行啁啾管理的直接调制可调谐半导体激光器，激光器直接调制输出光信号能够获得较大的消光比，在光纤传输过程中获得较大的色散容限，级联光栅在激光器内部实现，相对于所述外部滤波器方案更加易于集成，成本更低。
本发明提供一种能够进行啁啾管理的直接调制可调谐半导体激光器，图1是其纵向截面示意图。所述可调谐半导体激光器包括：有源区1、相位区2和光栅区3。有源区从下至上分别是第一衬底4、第一缓冲层7、第一波导层10、有源层14和第一覆盖层15，在第一覆盖层15上设有第一电极20；相位区至下而上分别是第二衬底5、第二缓冲层8、第二波导层11和第二覆盖层16，在第二覆盖层16上设有第一电极21；光栅区至下而上分别是第3衬底6、第三缓冲层9、倾斜π相移光栅层12、均匀布拉格光栅层13和第三覆盖层17，在第三覆盖层17上设有第一电极22；有源区1左端面为解理面19，光栅区3右端面镀有增透膜18。
图2是所述倾斜π相移光栅和均匀布拉格光栅级联的三维结构示意图。倾斜π相移光栅层12和均匀布拉格光栅层13采用级联方式生长在同一层。倾斜π相移光栅层材料与第二波导层11材料相同，凹槽为空气；均匀布拉格光栅材料与第二波导层11材料相同，凹槽填充与第三覆盖层17材料相同的材料。将π相移光栅倾斜一定角度是为了降低π相移光栅的反射率，凹槽填充为空气，是为了获得较大的折射率调制，从而获得窄带的透射谱。倾斜π相移光栅和均匀布拉格光栅级联可以获得较窄的反射谱，调整其光谱的位置，其总的反射率在长波长方向能够有较大的下降斜率，使得直接调制时激光器输出光信号的消光比能够得到有效提高。
本发明实施例中，第一衬底1、第二衬底2和第三衬底3的材料均是磷化铟InP；第一缓冲层7、第二缓冲层8和第三缓冲层9的材料均是硅(Si)掺杂的N型材料InP；第一波导层10和第二波导层11的材料是铟镓砷磷(InGaAsP)；倾斜π相移光栅12和均匀布拉格光栅13的材料与波导层材料相同；有源层14采用InGaAsP多量子阱结构；第一覆盖层15、第二覆盖层16和第三覆盖层17的材料为锌(Zn)掺杂P型材料InP；第一波导层10、第二波导层11、倾斜π相移光栅12、均匀布拉格光栅13和有源层14折射率均大于缓冲层和覆盖层的折射率；有源层14材料带隙小于第一波导层10、第二波导层11、倾斜π相移光栅12和均匀布拉格光栅13的材料带隙。
倾斜π相移光栅和均匀光栅的级联，通过调整两级光栅的周期，实现窄带且在长波长方向具有较大下降斜率的总反射谱，实现直接调制时大消光比输出。通过改变光栅区电流改变级联光栅总的反射谱，可以对激光器激射波长进行调谐，调谐范围为8纳米～10纳米。
图2是实施例中倾斜π相移光栅12和均匀布拉格光栅13级联的三维结构示意图。倾斜π相移光栅12和均匀布拉格光栅13前后级联，光栅周期分别为Λ1和Λ2。
图3是实施例中倾斜π相移光栅12的透射谱和反射谱，倾斜π相移光栅倾斜角度为3度，通过使光栅倾斜，可以有效降低光栅的反射谱，实现窄带滤波的特性。随着光栅倾斜，π相移光栅中心波长也会发生移动。均匀布拉格光栅和倾斜π相移光栅参数如下表1所示。
表1
图4是上述倾斜π相移光栅12和均匀布拉格光栅13级联的总反射谱。此时注入光栅区电流为0mA，调整光栅周期使得总反射谱获得窄带且长波长方向较大下降斜率。光栅区注入电流增加时，倾斜π相移光栅12和均匀布拉格光栅13的有效折射率将会降低，两种光栅中心波长同时向短波长方向移动，总的反射谱同样向短波长方向移动。
图5和图6分别是所述激光器改变光栅区和相位区注入电流时的静态波长调谐特性图。通过改变光栅区注入电流，使得级联光栅总的反射谱移动，从而实现对腔内纵模的选择，实现波长粗调谐；改变相位区电流将会改变激光器的有效腔长使激光器内部的纵模发生移动，实现精细调谐。光栅调谐曲线每一个台阶代表一个模式，相位调谐曲线代表激光器腔内纵模的移动。
图7是激光器调制时激光器输出光谱与级联倾斜π相移光栅和均匀布拉格光栅的反射谱叠加示意图。通过调节相位区电流使得激光器输出波长对应在反射谱的长波长方向下降沿，实现调制时的比特“1”对应的内部损耗小于比特“0”对应的内部损耗，从而使得激光器输出光信号消光比增大，最终提高了色散容限。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可调谐半导体激光器，其特征在于，包括：有源区、相位区和光栅区；
所述有源区从下而上依次设置有第一衬底、第一缓冲层、第一波导层、有源层和第一覆盖层，在所述第一覆盖层上设有第一电极；
所述相位区从下而上依次设置有第二衬底、第二缓冲层、第二波导层和第二覆盖层，在所述第二覆盖层上设有第二电极；
所述光栅区从下而上依次设置有第三衬底、第三缓冲层、光栅层和第三覆盖层，在所述第三覆盖层上设有第三电极；
所述光栅层包括：依次级联的倾斜π相移光栅和均匀布拉格光栅。
2.如权利要求1所述的可调谐半导体激光器，其特征在于，所述倾斜π相移光栅与均匀布拉格光栅之间的夹角为2度～4度。
3.如权利要求1或2所述的可调谐半导体激光器，其特征在于，所述倾斜π相移光栅的光栅周期和均匀布拉格光栅的光栅周期不同。
4.如权利要求1-3任一项所述的可调谐半导体激光器，其特征在于，所述倾斜π相移光栅层材料与所述第二波导层材料相同，凹槽为空气；所述均匀布拉格光栅材料与所述第二波导层材料相同，凹槽填充与所述第三覆盖层材料相同的材料。
5.如权利要求4所述的可调谐半导体激光器，其特征在于，所述倾斜π相移光栅层材料和所述均匀布拉格光栅材料均为铟镓砷磷InGaAsP。
6.如权利要求1-5任一项所述的可调谐半导体激光器，其特征在于，所述有源区的左端面为解理面，所述光栅区的右端面镀有增透膜。
7.如权利要求1-6任一项所述的可调谐半导体激光器，其特征在于，所述光栅层的有效折射率要大于所述第三缓冲层的折射率，所述光栅层的有效折射率要大于所述第三覆盖层的折射率。
8.如权利要求1-7任一项所述的可调谐半导体激光器，其特征在于，所述有源层的材料带隙小于所述波导层的材料带隙，所述有源层的材料带隙小于所述光栅层的材料带隙。
9.如权利要求1-8任一项所述的可调谐半导体激光器，其特征在于，通过调整倾斜π相移光栅的周期和均匀布拉格光栅的周期，实现窄带且在长波长方向具有较大下降斜率的总反射谱，实现直接调制时大消光比输出；通过改变光栅区电流改变光栅区总的反射谱，对激光器激射波长进行调谐，调谐范围为8纳米～10纳米。
10.如权利要求9所述的可调谐半导体激光器，其特征在于，当光栅区注入电流增加时，倾斜π相移光栅和均匀布拉格光栅的有效折射率会降低，光栅中心波长向短波长方向移动，总的反射谱向短波长方向移动。
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