CN108321675A - 激光器及光模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光器及光模块，其中，激光器包括：用于发光的基部、以及设置在所述基部的背光端的增反膜；所述增反膜包括厚度为第一设定值的第一增反层和厚度为第二设定值的第二增反层，所述第一增反层和第二增反层沿所述激光器的主光轴方向交替设置，且所述第一增反层和第二增反层的折射率不同。本发明提供的激光器及光模块能够解决激光器的啁啾问题，进而提高信号有效传输距离，且具有较为简单的结构和较小的体积。

Description

激光器及光模块
技术领域
本发明涉及光模块技术，尤其涉及一种激光器及光模块。
背景技术
光纤通信方式是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。光纤通信方式以其传输频带较宽、抗干扰能力较强、信号衰减较小等优点，逐渐取代电缆、微波等通信方式，成为通信领域中应用最为广泛的一种通信方式。光模块是光纤通信中非常重要的光信号接口器件，随着通信带宽的不断增加，通信速率为40G及100G的高速光模块已经成为主流产品。高速光模块所采用的激光器通常为分布式反馈激光器(DistributedFeedback Laser，简称：DFB)芯片，该芯片又分为：外部调制型激光器和直接调制型激光器，其中，直接调制型激光器在输入的偏置电流发生变化时会产生较大的啁啾现象，即：输出光信号的中心波长产生瞬时偏移，带宽增加，导致相邻的两个输出光信号发生叠加，产生错误的光信号。
为了解决直接调制型激光器容易出现的啁啾现象的问题，技术人员提出了一种啁啾管理型DFB芯片，包括：DFB芯片和带通滤波器。带通滤波器设置在DFB芯片的背光侧，用于对DFB内的光信号进行滤波，一方面提高了信号消光比，另一方面使啁啾谱型的部分平坦部分尖锐，进而能够降低啁啾引起的信号串扰。但是由于带通滤波器由多个光学器件构成，其结构较为复杂，且体积较大，进而导致了光模块的体积较大。而且，带通滤波器中的每个光学器件都对工作环境的稳定性具有较高的要求，导致了光模块的应用范围受到了较大的限制。
发明内容
本发明提供一种激光器及光模块，用于解决激光器在输入偏置电流变化时产生较大啁啾的问题，且具有较为简单的结构和较小的体积。
本发明第一方面提供一种激光器，包括：用于发光的基部、以及设置在所述基部的背光端的增反膜；所述增反膜包括厚度为第一设定值的第一增反层和厚度为第二设定值的第二增反层，所述第一增反层和第二增反层沿所述激光器的主光轴方向交替设置，且所述第一增反层和第二增反层的折射率不同。
本发明第二方面提供一种光模块，包括如上所述的激光器。
本发明提供的技术方案，通过在激光器中基部的出光端设置增反膜，其中增反膜包括厚度为第一设定值和第一增反层和厚度为第二设定值的第二增反层，第一增反层和第二增反层沿激光器主光轴的方向交替设置，且第一增反层和第二增反层的折射率不同，则基部产生的光信号在第一增反层和第二增反层组成的增反膜反射后，使得在对激光器的偏置电流进行调制时，能够使啁啾谱型变得更加平坦，且平坦部分的两端更加尖锐，进而使得光信号内相位不变而相邻光信号间相位陡变，此时在相邻的光信号叠加处发生相干相消，降低了信号串扰，提高光信号传输的准确率。
并且，本实施例提供的增反膜的结构较为简单，体积较小，对工作环境稳定性的要求较低，因此能够达到缩小激光器体积、拓宽适用工作环境的效果。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明实施例提供的激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的激光器中增反膜的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的激光器中增反膜的又一结构示意图；
图4为本发明实施例提供的激光器输出光信号的频率随时间的变化关系示意图一；
图5为本发明实施例提供的激光器发射谱的示意图；
图6为本发明实施例提供的激光器输出光信号的频率随时间的变化关系示意图二。
附图标记：
1-基部；11-第一电极；12-衬底；131-下波导层；132-多量子阱有源层；133-上波导层；134-脊型波导层；
2-增透膜；
3-增反膜；31-第一增反层；32-第二增反层。
通过上述附图，已示出本发明明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本发明构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种激光器，能够应用于光模块中，根据光模块所接收到的电信号发出相应的光信号。本实施例所提供的激光器，其输出光信号的啁啾现象得到了明显的改善，降低了信号串扰，延长了传输距离。
图1为本发明实施例提供的激光器的结构示意图，图2为本发明实施例提供的激光器中增反膜的结构示意图。如图1和图2所示，本实施例提供的激光器包括：基部1、设置在基部1的出光端的增透膜2、以及设置在基部1的背光端的增反膜3。
其中，基部1包括：沿垂直于激光器主光轴方向依次设置的第一电极11、衬底12、发光层和第二电极14。激光器主光轴的方向为图1中的S方向，即：从基部的背光端指向出光端的方向。发光层具体可以包括：依次设置在衬底12上方的下波导层131、多量子阱有源层132、上波导层133和脊型波导层134。当在第一电极11和第二电极14之间施加直流电压时，电子和空穴分别从上下两侧11沿着对应的波导层注入多量子阱有源层132，多量子阱有源层132内的粒子受到电激励激发至激发态，释放大量光子。经过多次反射和再次激发后的光子从出光端射出，并穿透增透膜2，形成输出光信号。
上述下波导层131具体还包括下限制层和下包层，上波导层133还包括上限制层和上包层。其中，上限制层和下限制层与多量子阱有源层132接触。
增透膜2的作用是增加光信号的透射率，以提高激光器的输出光功率。增反膜3的作用是增加光信号的反射率，以减少从背光端透射出去的光信号，使更多的光信号能够从出光端射出，进一步提高激光器的输出光功率。
增反膜3包括厚度为第一设定值的第一增反层31和厚度为第二设定值的第二增反层32，第一增反层31和第二增反层32沿主光轴方向交替设置。第一增反层31和第二增反层32的折射率不同。
图3为本发明实施例提供的激光器中增反膜的又一结构示意图。如图3所示，光信号由多量子阱有源层132产生，由第一增反层31和第二增反层32组成的增反膜3对光信号调制滤波并反射后，从出光端射出(如图3所示的箭头所指的方向)。
图4为本发明实施例提供的激光器输出光信号的频率随时间的变化关系示意图一，图4的横坐标为时间，纵坐标为频率与时间的比值。如图3所示，第一曲线y1为现有技术中输出光信号，第二曲线y2为本实施例所提供的输出光信号。在t1时刻至t3时刻之间，当激光器的输入偏置电流发生变化时，第一曲线y1呈近似高斯谱型，表明光信号的频率随时间先增大后减小。在t2时刻具有一个较高的尖峰，表明在该时刻，输出光信号的频率达到最大值，因此，这段时间内输出光信号的波长随时间快速变化，表现为较大的啁啾，此啁啾导致光信号在光纤传输中快速展宽使相邻光信号发生部分叠加，又由于相邻光信号相位变化缓慢，信号叠加处难以达到相干相消的效果，导致了光信号传输错误。
采用本实施例所提供的技术方案，光信号在交替设置的折射率不同的第一增反层31和第二增反层32之间进行多次折射和反射后，能够使第二曲线y2在t1时刻至t3时刻之间的光信号频率随时间的变化率保持在恒定值，因此，光信号的波长几乎不随时间变化，改善了啁啾，对于传输速率为10Gb/s的光模块，其原始存在的啁啾为输出光信号传输速率的0.5倍，即：5GHz。采用本实施例所提供的技术方案，能够使啁啾低于5GHz，并可以保证了传输一个bit的时间内光信号相位不变而信号间相位陡变，增强了相干相消的效果。激光器发出的相邻光信号之间不容易发生信号叠加，即使发生叠加也不会因为串扰产生误码，确保了相邻光信号始终保持相互独立，有利于提高光信号传输的准确率。
通过在激光器中基部的出光端设置增反膜，其中增反膜包括厚度为第一设定值和第一增反层和厚度为第二设定值的第二增反层，第一增反层和第二增反层沿激光器主光轴的方向交替设置，且第一增反层和第二增反层的折射率不同，则基部产生的光信号在第一增反层和第二增反层组成的增反膜反射后，使得在对激光器的偏置电流进行调制时，能够使啁啾谱型变得更加平坦，且平坦部分的两端更加尖锐，进而使得光信号内相位不变而相邻光信号间相位陡变，例如：相差π，此时在相邻的光信号叠加处发生相干相消，减弱了啁啾引起的信号串扰，提高光信号传输的准确率，也能够延长光信号的传输距离。
并且，本实施例提供的增反膜3的结构较为简单，体积较小，对工作环境稳定性的要求较低，因此能够达到缩小激光器体积、拓宽适用工作环境的效果。
在上述技术方案的基础上，第一增反层31的折射率大于第二增反层32的折射率。第一增反层31和第二增反层32可采用折射率相差较大的材料制成，以使第一增反层31的折射率与第二增反层32的折射率之间的差距较大。例如：第一增反层31可以为硅层，第二增反层32为二氧化硅层；或者，第一增反层31为硅层，第二增反层32为铝层；或者，第一增反层31为硅层，第二增反层32为氧化铝层。
与基部1相邻的为第一增反层31或第二增反层32。若第一增反层31的折射率大于第二增反层32，则将与基部1距离最远的最外层(即：背离基部1的最外层)设置为第一增反层31，能够减少从第一增反层31透射出去的光信号，而使更多的光信号被反射回基部1内，再从出光端射出，提高输出光信号的功率。
进一步的，上述第一增反层31的厚度为第一设定值DH，第二增反层32的厚度为第二设定值DL，第一设定值DH和第二设定值DL可以通过如下公式得到：
其中，λ为激光器的输出光信号在真空中的中心波长，nH为第一增反层31的折射率，nL为第二增反层32的折射率，k为第一预设参数；N为反射层的对数，等于第一增反层的数量。
如图4所示，根据第一增反层31和第二增反层32所选材料的不同，以及基部1中各层材料和厚度的不同，设定第一预设参数k，能够缩小增反膜的反射谱曲线的上升边与激光器的发射谱的上升边之间的距离，进而使得在输入偏置电流变化时，激光器的输出光信号的频率变化率在一定时间内保持恒定，达到改善啁啾的目的。
根据第一增反层31和第二增反层32所选材料的差异，可以设置第一增反层31和第二增反层32的数量。假设第二增反层32的数量为N，当与基部1相邻的为第二增反层32时，则第一增反层31的数量与第二增反层32的数量相等，也为N，相当于增反层的对数为N；当与基部1相邻的为第一增反层31时，第一增反层31的数量为N+1，相当于增反层的对数为N+1。
本实施例中，第一增反层31的数量(即：增反层的对数)大于10，优选为大于30，能够达到改善啁啾较好的效果。
图5为本发明实施例提供的激光器发射谱的示意图，图6为本发明实施例提供的激光器输出光信号的频率随时间的变化关系示意图二。图5中的横坐标为激光器的输出光信号的频率，纵坐标为激光器的反射率，第三曲线y3为增反膜的反射谱曲线，第四曲线y4为激光器的发射谱曲线。优选的，当膜层厚度满足上述公式时，激光器的发射谱曲线位于增反膜的反射谱曲线(第三曲线y3)的上升边，针对该特定范围波长的光信号，增反膜的反射率随激光器输出光信号的频率变化的比率还需大于1dB/Ghz。当满足以上条件时原始光信号经过增反膜反射后，原始啁啾信号受到增反膜反射谱的频率调制，啁啾谱型改变为如图5所示，激光器的输出光信号的频率保持近似恒定，信号间频率发生陡变，达到啁啾最小和信号间稳定相干相消的效果。与图4相比，图6中输出光信号中心波长的变化率更小，相位变化率最大，因此其改善啁啾和相邻信号相干相消的效果最好。
本实施例中，第一增反层31的厚度为第一设定值，该第一设定值可以为30nm至300nm。第二增反层32的厚度为第二设定值，该第二设定值可以为100nm至600nm，能够达到改善啁啾较好的效果。
若第一增反层31为硅层，第二增反层32为二氧化硅层，当第二增反层32的数量大于或等于30，且第一预设参数k为1-1.5，第一增反层的数量为大于或等于30，则上述第一设定值具体可以为50nm至110nm，第二设定值具体可以为133nm至253nm，使得激光器的工作波段范围内的反射率随输出光信号频率变化的比率也随之增加，使调制后的啁啾谱型平坦处更为平坦，尖锐处更为尖锐，这样能进一步降低信号啁啾以及增强相干相消的效果。
在上述技术方案的基础上，将第一预设参数k优选设置为1.3，能够进一步提高了调制后的啁啾谱型平坦处的平坦程度，以及提高了尖锐处的尖锐程度，进而进一步降低信号啁啾以及增强相干相消的效果。进一步可以从背光光功率监控和调整激光器的频率，使光波频率和反射谱的相对位置保持稳定。举例来说当激光器温度增加时光波频率会逐渐下降(此时激光器失去改善啁啾的功能)，根据反射谱与激光器输出光信号频率的关系得出反射率也随之显著下降，表现为激光器的背光功率显著上升，此时调节激光器的温度升高直到背光功率降低为原始值(此时激光器输出光信号的频率也恢复设定值，激光器改善啁啾功能最优)。
通过改变N值(即：第一增反层31的数量)使得增反膜3的反射率大于70％，能减少从增反膜3透射出去的光信号，以使70％以上的光信号能够从激光器的出光端射出，减少过多背光处光能量的损失。
本实施例所提供的技术方案，可以直接在直接调制型的分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser，简称：DFB)芯片上进行改进，则上述基部1的结构及制造工艺可以参照DFB芯片来实现。DFB芯片的结构可参照图1，基部1包括：沿垂直于激光器主光轴方向依次设置的第一电极11、衬底12、下包层、下限制层、多量子阱有源层132、上限制层、上包层、脊型波导层134和第二电极14。脊型波导层134的宽度小于衬底12的宽度，以限制多量子阱有源层132中光子活动的范围仅为脊型波导层134所对应的区域内。
DFB芯片中，发光层中设置有布拉格光栅，能够完全实现单模工作，具有较好的单色性和稳定性，能够提高光信号的准确度。具体的，当加载在第一电极11和第二电极14上的电流注入多量子阱有源层132时，多量子阱有源层132内的电子和空穴复合，辐射出相应能量的光子，光子受到多量子阱有源层132表面的每一条光栅的反射。但是波长不同的光信号反射效果不同，通常只有波长满足两倍的光栅周期的光信号才会受到较为强烈的反射，从而实现动态单纵模工作。
基部1的制造工艺可采用现有技术中常用的方式，在形成基部1之后，在基部1的背光端和出光端分别形成增反膜3和增透膜2。形成增反膜2的过程可以采用真空蒸镀工艺制备形成，也可以采用溅射法形成。
本实施例中，采用真空蒸镀工艺，在基部1的背光端依次形成交替排列的第二增反层32和第一增反层31。采用真空蒸镀的工艺能够提高各增反层之间的贴合度，使得各增反层之间紧密接触，不留任何间隙，避免外界水汽等物质进入各增反层之间的间隙中造成增反层变质进而影响对啁啾的调节效果。
本实施例还提供一种光模块，包括如上述内容所提供的激光器。光模块中还可以设置有背光监控组件，用于调节激光器的工作温度。通常，激光器在工作一段时间后，其温度逐渐升高，当超过最佳工作温度范围时，激光器的波长发生偏移，使啁啾改善功能失效。
为了解决上述问题，背光监控组件包括：功率检测电路和温度控制器，功率检测电路用于对激光器背光端的光功率进行检测，温度控制器用于根据检测到的光功率的变化调节激光器的工作温度，使其工作在最佳温度范围内，保证激光器的啁啾改善功能。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种激光器，包括：用于发光的基部、以及设置在所述基部的背光端的增反膜；其特征在于，所述增反膜包括厚度为第一设定值的第一增反层和厚度为第二设定值的第二增反层，所述第一增反层和第二增反层沿所述激光器的主光轴方向交替设置，且所述第一增反层和第二增反层的折射率不同。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第一设定值为30nm至300nm，第二设定值为100nm至600nm。
3.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于，所述第一设定值为50nm至110nm，第二设定值为133nm至253nm。
4.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述第一增反层的折射率大于第二增反层的折射率，所述增反膜中背离所述基部的最外侧的是第一增反层。
5.根据权利要求4所述的激光器，其特征在于，所述增反膜在激光器的工作波段范围内的反射率随激光器的输出光信号频率变化的比率大于1dB/Ghz。
6.根据权利要求4所述的激光器，其特征在于，所述第一增反层为硅层，第二增反层为二氧化硅层。
7.根据权利要求6所述的激光器，其特征在于，所述增反膜通过真空蒸镀工艺制备形成。
8.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述基部包括：沿垂直于激光器主光轴方向依次设置的第一电极、衬底、发光层和第二电极。
9.根据权利要求8所述的激光器，其特征在于，所述发光层包括：依次设置在衬底上方的下包层、下限制层、多量子阱有源层、上限制层、上包层和脊型波导层。
10.一种光模块，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的激光器。
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