CN109643881B

CN109643881B - 分布式反馈激光二极管

Info

Publication number: CN109643881B
Application number: CN201780046711.4A
Authority: CN
Inventors: A·鲁普; N·杜布罗夫那; A·兰姆丹; H·本尼斯缇
Original assignee: Guo Jiakeyanzhongxin; Universite Paris Sud Paris 11
Current assignee: Guo Jiakeyanzhongxin; Universite Paris Sud Paris 11
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2021-04-23
Anticipated expiration: 2037-07-27
Also published as: FR3054734A1; CN109643881A; WO2018019955A1; US20190165545A1; FR3054734B1; JP7112387B2; JP2019522379A; US10658816B2

Abstract

本发明涉及包含具有光栅辅助增益介质波导的分布式反馈激光二极管(10)，所述光栅由元件(22)分布形成，元件(22)包含一个包含沿波导轴向分布的局部谐振器(24)的子集，其特征在于，所述通过所述元件的空间分布在波导光波上所造成反馈的特征频率与所述局部谐振器的谐振频率之间的差异小于50％。

Description

分布式反馈激光二极管

技术领域

本发明涉及一种分布式反馈激光二极管，以及一种包含一个根据本发明设计的激光二极管作为光源的电信设备。

背景技术

特别是出于其光谱纯度的缘故，分布式反馈激光二极管被用作光纤连接装置的光源。光谱纯度是长光纤距离获得高带宽的关键参数。

这种激光器的单模光谱操作是通过沿着包含增益介质的有源导向器分布的周期性光栅实现的。光栅的作用是确保导向器有效折射率n_eff实的部分或虚的部分得到周期性调制，从而在布拉格条件下获得确保单频激光器操作的选择性反馈条件。布拉格条件使周期Λ、发射波长λ、光速c除以光频率f的商以及模式的平均有效折射率n_eff存在相互关系，据此，对于所谓的一阶反馈，Λ＝2n_effλ，或者，对于所谓的更高阶反馈，Λ＝2m n_effλ，其中m是一个整数，这种相互关系比较少见，是不太有优势但可能的选择。决定反馈中所引导光量的参数称为耦合系数，通常以单位长度的耦合cm^-1表示。耦合系数值和结构的确切参数决定了激光频率的精确值—或者未实现单频操作时的两个频率的精确值—这与所述布拉格条件略有不同。

在这些激光器的操作中，遇到的主要问题之一是其对光传输线中寄生光反馈的灵敏度。大于临界阀值的光反馈导致这些激光器相干坍塌，表现为其谱宽的增加，并导致光通信质量和吞吐量的大幅下降。为了解决这个问题，光隔离器被集成在激光模块中，导致激光模块价格的大幅增加。

寻找可以实现无光隔离器操作解决方案的研究已经进行了多年。

尤其是，R.Hui、M.Kavehrad和T.Makino在《部分增益耦合分布式反馈半导体激光器的外部反馈灵敏度》(《IEEE光子技术快报》，第6期，第897页至第899页(1994年))一文中提出的其中一个解决方案是使用装有损耗调制光栅的激光器。这种激光器的发射被证明相对于光反馈而言是稳健的。基于铬的金属光栅使获得5cm^-1至20cm^-1的耦合系数成为可能。使布拉格光栅强度发生超出该范围的显着增加被证明在技术方面有困难，但最重要的是，这样做会对激光器操作产生负面影响。

由于光栅具有高吸收性，因此，负面影响表现为平均损耗值的增加以及平均损耗值增加导致的噪音值或相对强度噪声(RIN)的提高。

最后，尤其是，G.P.Li、T.Makino、R.Moore和N.Puetz在《装有应变层多量子阱有源光栅的1.55mu m折射率/增益耦合分布式反馈激光器》(《IEEE光子技术快报》，第28期，第1726页至第1727页(1992年))一文中提到，有人尝试通过部分蚀刻引导层的有源部分来部分地耦合增益，例如在通过蚀刻一些而不是所有量子阱从多个量子阱形成时。然而，为了让部件获得可用的优势进行这一操作通常也会削弱电气特性。

发明内容

本发明的目的是提出一种没有先前技术缺点的激光二极管。

因此，本发明涉及一种包含带有增益介质波导的分布式反馈激光二极管，增益介质由光栅辅助，光栅通过元件分布形成，元件的一个子集包含沿波导轴向分布的局部谐振器，其中，所述元件的空间分布在波导光波上所造成反馈的特征频率与所述局部谐振器的谐振频率之前的差异小于50％。

根据本发明设计的激光二极管结构使获得诱导透明效应成为可能，极大提高了单频输出、输出功率和激光选择性，这非常有利。

单独考虑或根据所有技术上可行的组合考虑，根据本发明设计的激光二极管还可以具备下文所述的一个或多个特征：

-激光二极管被配置成使得装有局部谐振器的导向器波的光学限制因子被调整，以便可以产生诱导透明现象；和/或

-元件沿波导主轴以周期性光栅的形式分布；和/或

-由分布式元件形成的光栅所诱发反馈的特征频率与局部谐振器本身的谐振频率之间的差异小于20％；和/或

-局部谐振器至少包含一个尺寸在光速c与激光在基本垂直于波导主轴的方向上发射的频率f之比的1/5至1/20之间的元件；和/或

-组成谐振局部谐振器的元件被布置成最大尺寸按导波非零电场之一的方向取向；和/或

-定位谐振器的谐振元件被布置成最大尺寸按导波主导电场的方向取向，例如：按垂直于波导轴的方向取向；和/或

-组成谐振局部谐振器的元件被布置成最大尺寸按垂直于波导轴的方向取向；和/或

-局部谐振器沿基本垂直于波导主轴方向排列，局部谐振器之间的间隔小于与所述方向同向的局部谐振器尺寸，例如：间隔在c/f的1/10至1/50之间；和/或

-最靠近波导的局部谐振器与波导侧面之间的距离小于等于c/f的1/10，与波导一个边缘接触效果更佳；和/或

-局部谐振器至少部分位于波导内部；和/或

-周期性光栅的每个周期包含1至10个局部谐振器；和/或

-局部谐振器由一种超材料，例如：具有电介质性质或者金属或金属组电介质性质的超材料组成；和/或

-使用激光发射频率的耗散材料(例如：金属)将局部谐振器的品质因数调节在10至100之间。

本发明还涉及一种包含一个根据本发明设计的激光二极管作为光源的电信设备。

根据本发明设计的该电信设备可以不使用光隔离器。

附图说明

根据以下描述以及附图可以更清楚地理解本发明，以下描述仅象征性提供，并非旨在限制本发明：

-图1是根据本发明设计的带光栅分布式反馈激光二极管的图示。

-图2是根据本发明设计的表现出诱导透明效应的带光栅波导的传输光谱。

应该注意的是，这些附图没有其他目的，只是为了说明描述的内容，决不构成对本发明范围的限制。

在不同的附图中，为了更加容易理解本发明，各元件不一定按比例呈现。

具体实施方式

图1显示的是根据本发明实施例设计的激光二极管10的结构。

如图1所示，根据本发明设计的激光二极管10可以包含：

-半导体衬底12；

-横向导向结构13；

-布置在半导体衬底12上的有源层14；

-有源层14的四周是薄层16和16’，这些薄层组成所谓的“独立限制异质结构区(SCH)”；

-布置在薄层16’上的半导体层18；

-薄层12、14、16、16’和18组合与横向引导结构13产生的波和电流横向限制组成的波导。横向引导结构13通常(但不是只能)通过蚀刻去除周围的材料获得；

-布置在波导任一侧的光栅20。

通常，差异层布置在半导体衬底12上，例如通过外延法。

根据业内技术精通人士熟知的外延考虑，半导体衬底12的材料由所寻求实现的激光二极管波长范围限定。

有源层14可以制备成薄层，例如：厚度约为0.2μm薄层。有源层14的这种构成使在电注入下获得在所寻求波长附近3nm至300nm之间典型谱宽Δλ＝Δ(c/f)的光增益成为可能。

布置在半导体衬底上的有源层14是至少一个部分粒子数反转可能在其中发生的薄层。由自发发射产生的光子特别是在纵向方向发射，并被受激发射放大，因为它们受到分布式反馈，并可能在激光器末端的反射镜上反射。

对于具有横向耦合的激光二极管，净增益调制—即：被内部吸收减少的受激发射引起的纯放大—由于光子选择性吸收最小值在周期性表面结构上发生组合反射的频率，表现为选择激光腔的单个纵向自然模式。

虽然半导体衬底12通常掺杂氮，但是，为了提供形成二极管的pin结，以及考虑到技术制约，为了使欧姆电阻最小化，布置在有源层16'上的半导体层18通常掺杂磷。

半导体层18和半导体衬底12的厚度和掺杂量通常具有可比较的数量级。

如图1所示，外延工艺完成后，例如在蚀刻步骤期间，沿波导边缘移除激光器17和19的反射镜之间的半导体层18。半导体层18的剩余中心部分13形成波导的边缘。后者可以是直的(如图所示)，或者是能够进行波导的任何其他形状。

如图1所示，根据本发明设计的激光二极管包含布置在波导边缘任一侧的光栅20。

光栅20由沿波导轴向分布的元件22分布形成。

光栅的限制因子Γ定义为在波导中传播的光模的强度截面与周期性光栅的元件横向平面中的横截面之间的重叠比。

在光栅20的元件22中，至少一个子集包含局部谐振器24。

元件22沿波导分布使得此分布在波导光波上所诱发反馈的特征频率与所述局部谐振器24的谐振频率之间的差异小于50％，例如小于40％。

根据本发明设计的实施例，光栅和波导被配置成使得元件22形成的光栅所诱发反馈的特征频率与所述局部谐振器22本身的谐振频率之间的差异小于30％，例如小于20％。

如图1所示，元件22沿波导主轴以周期性光栅形式分布。

在图1所示的实施例中，光栅的每个元件22包含两个局部谐振器。但是，本发明不限于该实施例。尤其是，网络的元件22中，只有一个子集f可以包含局部谐振器，例如：两个元件中的一个元件，或者三个元件中的一个元件。此外，每个元件22包含的局部谐振器24的数量可以在2个以上，例如：在1个和10个之间，而且，各个元件22包含的局部谐振器24数量可以互不相同。

最靠近波导的局部谐振器边缘与波导侧面之间的距离通常小于或等于c/f的1/10，其中：c是光速，f是激光发射频率。最靠近波导的局部谐振器与波导边缘侧面接触效果更佳。

尽管图1中没有显示，但是，至少一些(例如：全部)局部谐振器可以至少部分位于波导内部。这一特性具有加强与导模相互作用的优点。

局部谐振器在基本垂直于波导主轴方向上至少包含一个尺寸在光速c和激光发射频率f之比的1/5至1/20之间的元件。

如图1所示，局部谐振器元件的形状可以基本上是平行六面体。

根据实施例，形成谐振局部谐振器的元件被布置成最大尺寸按导波非零电场之一的方向取向，特别是按导电波主导电场方向取向。

此外，如图1所示，局部谐振器沿基本垂直于波导主轴的方向排列，局部谐振器之间的间隔小于与所述方向同向的局部谐振器尺寸，例如：间隔在c/f的1/10至1/50之间，其中：c是光速，f是激光发射频率。

局部谐振器可以由一种超材料(例如：具有电介质性质或者金属或金属组电介质性质的超材料)组成。超材料的谐振特性使得布拉格光栅反馈强度增加一个数量级成为可能，这一特性非常有利。

此外，根据本发明的实施例，使用激光发射频率的耗散材料(例如：金属)将局部谐振器的品质因数调节在10至100之间。在这种情况下，必须相应地调整谐振器的反馈频率和固有频率，从而使一个频率在另一个频率的谱宽之内。

根据首选实施例，光栅和波导被配置成使得具有局部谐振器的波导光波的光学限制因子得到调整，以便可以实现诱导透明现象。

诱导透明现象相当于耦合谐振振荡器之间的破坏性干涉效应，导致在吸收谱带中间出现窄透明窗。这一现象是原子物理学中观察到的诱导透明效应的常规类推。

在等离子体谐振器情况下，由于谐振等离子体元件之间的倏逝波耦合产生的局部表面等离子体破坏性干扰效应导致在吸收谱带中间出现窄透明窗口。

特别是，这有可能对局部谐振器的接近度和/或折射率起作用。

该诱导透明模式有很多优点。

与通常的布拉格光栅波导情况不同，促进激光作用的高密度光子状态也伴随着最大传输。

等离子体纳米谐振器的品质因数低，使得诱导透明相对于波前相位干扰特别稳健。正是这一特性被锁定用来使激光器在1.5μm的光通信中对寄生反馈非常宽容。

根据本发明设计的激光器，其单模光谱操作是与诱导透明现象相关的高密度状态的直接结果。

激光在诱导透明模式下的操作大幅减少了与金属吸收相关的损耗，从而降低了增益水平以及用来达到激光发射阈值的注入电流。

如图2所示，与诱导透明模式相关的光谱窗非常精细，可以实现非常高的单频输出。

此外，由于在诱导透明模式下操作，欧姆损耗减少，利用周期性布拉格光栅干扰将导模的限制因子Γ增加一个数量级因此成为可能。

更大的布拉格光栅强度使缩短设备长度以及朝着可能在光纤通信应用中发挥作用的激光源更加微型化方向发展成为可能。

超材料的谐振特性严重依赖光学模式偏振。发明人能够在诱导透明模式中探测到对光反馈15分贝的高容差。对于许多应用而言，19分贝的容差被认为是令人满意的，特别是根据IEEE802.3标准。

本发明还涉及一种包含根据本发明设计的激光二极管作为光源的电信设备。

使用根据本发明设计的激光二极管，可以不再需要光隔离器，这一点非常有利。

根据本发明设计的激光二极管也可以嵌入到光子集成电路(PIC)或传感器或光学仪器中。

以上对本发明的描述使用了附图中所示实施例，不限制本发明的总体构思。

在考虑本应用中所示不同实施例之后，业内精通技术人士可以想到许多其他修改和变化。这些应用系作为示例提供，并非旨在限制本发明的范围，本发明的范围仅由下文的权利要求确定。

在权利要求中，“包含”一词不排除其他元件或步骤，单数表达不排除复数情形。不同特性列在相互依赖的权利要求中这一事实并不表示不能有利地使用这些特征的组合。最后，权利要求中使用的任何参考不应被解释为对本发明范围的限制。

Claims

1.一种包含具有光栅辅助增益介质波导的分布式反馈激光二极管(10)，所述光栅由元件(22)分布形成，元件(22)包含包括沿波导轴向分布的局部谐振器(24)的子集，其中通过所述元件的空间分布在波导光波上所造成反馈的特征频率与所述局部谐振器的谐振频率之间的差异小于50％；所述激光二极管配置为使得，带有局部谐振器的波导光波的光学限制因子得以调整，从而可以实现诱导透明现象；其中，元件沿波导主轴以周期性光栅的形式分布。

2.根据权利要求1所述的分布式反馈激光二极管，其中，由分布式元件形成的光栅所诱导反馈的特征频率与局部谐振器本身的谐振频率之间的差异小于20％。

3.根据前述权利要求之一所述的分布式反馈激光二极管，其中，局部谐振器至少包含尺寸在光速c与在基本垂直于波导主轴方向上的激光发射的频率f之比的1/5至1/20之间的元件。

4.根据权利要求3所述的分布式反馈激光二极管，其中，形成谐振的局部谐振器的元件被布置成使最大尺寸沿导波的非零电场之一方向取向。

5.根据权利要求4所述的分布式反馈激光二极管，其中，谐振元件和局部谐振器被布置成使所述最大尺寸沿所述导波的主导电场方向取向。

6.根据权利要求5所述的分布式反馈激光二极管，其中，局部谐振器沿与波导主轴基本垂直的方向布置，局部谐振器之间的间隔小于沿所述方向的局部谐振器的尺寸。

7.根据权利要求6所述的分布式反馈激光二极管，其中间隔在c/f的1/10至1/50之间。

8.根据权利要求5至7之一所述的分布式反馈激光二极管，其中，最靠近波导的局部谐振器与波导侧面之间的距离小于等于c/f的1/10。

9.根据权利要求8所述的分布式反馈激光二极管，最靠近波导的局部谐振器与波导一个边缘接触。

10.根据权利要求5至7之一所述的分布式反馈激光二极管，其中，局部谐振器至少部分位于波导内部。

11.根据权利要求5至7之一所述的分布式反馈激光二极管，其中，周期性光栅的每个周期包含1个至10个局部谐振器。

12.根据权利要求5至7之一所述的分布式反馈激光二极管，其中，局部谐振器由具有电介质、金属或金属组电介质性质的超材料构成。

13.根据权利要求5至7之一所述的分布式反馈激光二极管，其中，在激光发射频率处使用耗散材料将局部谐振器的品质因数调节在10至100之间。

14.根据权利要求13所述的分布式反馈激光二极管，其中所述耗散材料是金属。

15.一种包含根据以上任一项权利要求所述的激光二极管作为光源的电信设备。

16.根据权利要求15所述的电信设备，不包含光隔离器。