CN111064074A - 高速半导体激光器及其调谐方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光电子器件领域，本发明公开了一种高速半导体激光器包括：级联的DFB节和无源腔反馈节，DFB节和无源腔反馈节均为脊波导结构，两个脊之间刻蚀有电隔离槽；所述DFB节从下而上依次设置有第一衬底、第一下缓冲层、光栅层、下分别限制层、有源层、上分别限制层、第一上缓冲层、第一停止腐蚀层、第一包层和第一覆盖层，在第一覆盖层上设有第一电极；所述无源腔反馈节从下而上依次设置有第二衬底、第二下缓冲层、波导芯层、第二上缓冲层、第二停止腐蚀层、第二包层和第二覆盖层，在第二覆盖层上设有第二电极。本发明提供的DFB半导体激光器相对于普通脊波导结构的DFB半导体激光器的调制带宽更大。

Description

高速半导体激光器及其调谐方法
技术领域
本发明属于光电子器件领域，更具体地，涉及一种高速直接调制DFB半导体激光器，该激光器是一种由普通脊波导DFB激光器和无源反馈腔组成的激光器，可有效的提高DFB激光器的直接调制带宽。
背景技术
互联网流量的爆炸式增长导致了光通信网络系统中传输容量的增加，为了满足这一需求，下一代的400-Gb/s以太网(400GbE)和下一代448Gb/s传输的OTU5光传输网络已经开始了标准化；进一步在光接入层面，ITU-T已经对由中国移动牵头，中国电信、中国联通等8家公司参与的单通道50G-PON标准开始立项。在这种趋势下，光通信网络对高数据速率的持续需求增加了对高速、低成本光源的需求，低成本高速直接调制半导体激光器在光网络中具有非常大的应用潜力。
传统的直接调制半导体激光器内部受到材料特性和载流子传输时间的限制，其弛豫频率相对较低，已经难以满足光通信网络对更大调制带宽的需求。
为了提高直接调制半导体激光器的直接调制带宽，可行的方法是采用掩埋异质结构波导提高激光器有源区光场限制因子和减小激光器的腔长来提高其谐振频率从而提升激光器的直接调制带宽，但是掩埋异质结构波导相对于脊波导来说，工艺制作更加复杂，而减小激光器腔长会使得热效应对激光器性能影响较大，而且会对激光器的可靠性造成不利影响。
发明内容
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高速传输网和接入网的高速直接调制半导体激光器，并且避免高速激光器制作时腔长过短可能引起的工艺问题和其他负面影响。
为达上述目的，本发明提供一种高速半导体激光器，包括：级联的DFB节和无源腔反馈节，DFB节和无源腔反馈节均为脊波导结构，两个脊之间刻蚀有电隔离槽；
所述DFB节从下而上依次设置有第一衬底、第一下缓冲层、光栅层、下分别限制层、有源层、上分别限制层、第一上缓冲层、第一停止腐蚀层、第一包层和第一覆盖层，在第一覆盖层上设有第一电极；
所述无源腔反馈节从下而上依次设置有第二衬底、第二下缓冲层、波导芯层、第二上缓冲层、第二停止腐蚀层、第二包层和第二覆盖层，在第二覆盖层上设有第二电极。
接上述技术方案，所述无源腔反馈节的波导芯层为InGaAsP，DFB节有源层采用InGaAlAs多量子阱结构。
接上述技术方案，无源腔反馈节波的导芯层材料带隙大于DFB节的有源层材料带隙。
接上述技术方案，无源腔反馈节的波导芯层材料折射率大于第二上缓冲层和第二下缓冲层材料折射率。
接上述技术方案，DFB节的光栅层和有源层的有效折射率均大于所述第一上缓冲层的折射率，且有源层的有效折射率要大于所述光栅层的有效折射率。
接上述技术方案，DFB节的出射端面镀有增透膜。
接上述技术方案，无源腔反馈节的出射端面镀有高反膜。
接上述技术方案，第一电极用于电注入直接调制，第二电极用于电注入调整无源反馈腔腔模相位。
接上述技术方案，DFB节长度为160-250μm，无源反馈腔节长度为200-240μm。
本发明还提供了一种半导体激光器的调谐方法，该调谐方法基于上述技术方案的高速半导体激光器，包括以下步骤：
由第一电极注入电流进行直接调制，电流达到阈值以上后DFB节开始工作；
通过改变第二电极电流改变无源反馈节的等效腔长；
调整无源反馈腔腔模频率，使得无源反馈腔腔模和激光器激射模式谐振强度增强，同时调整腔模频率和激射模频率之间的差值，使得光子-光子谐振峰出现在合适的位置，增大激光器的调制带宽。
实施本发明的有益效果：本发明通过普通DFB激光器与无源反馈腔级联的方式，有效的消除了DFB激光器中载流子-光子谐振频率对直接调制带宽的限制，通过增强DFB激光器内部的激射模和腔模谐振强度，使得调制响应出现光子-光子谐振峰，有效的提高了DFB激光器的3dB调制带宽。
附图说明
图1是本发明实施例高速半导体激光器的三维结构示意图；
图2是本发明实施例高速半导体激光器的纵向截面结构示意图；
图3是本发明实施例高速半导体激光器在不同无源反馈腔注入电流下的强度调制响应曲线图。
其中1是DFB节，2是无源反馈腔节，3是第一衬底、4是第一下缓冲层、5是光栅层、6是下分别限制层、7是有源层、8是上分别限制层、9是第一上缓冲层、10是第一停止腐蚀层、11是第一包层、12是第一覆盖层、13是第二衬底、14是第二下缓冲层、15是波导芯层、16是第二上缓冲层、17是第二停止腐蚀层、18是第二包层、19是第二覆盖层。
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。
为了进一步提高DFB激光器的调制带宽，且不引入复杂的工艺步骤和不带来可能的负面影响，本发明提供了一种高速半导体激光器，该激光器采用脊波导结构DFB节+无源腔节的结构，该结构激光器解决DFB激光器中载流子-光子谐振频率对直接调制带宽的限制，将普通DFB激光器的调制带宽由20GHz提高到接近40GHz，有效地提高DFB激光器的直接调制带宽，适用于高速通信应用。
本发明提供一种能够实现大带宽直接调制的直接调制半导体激光器，图1是实施例中半导体激光器的三维结构示意图。高速半导体激光器包括DFB节1和无源腔反馈节2，所述DFB节和无源腔反馈节均采用脊波导结构，DFB节1和无源腔反馈节2之间刻蚀有电隔离槽，电隔离槽用于隔离DFB节1电极和无源腔反馈节2电极的注入电流，避免泄漏电流造成串扰。
所述DFB节1从下而上依次设置有第一衬底3、第一下缓冲层4、光栅层5、下分别限制层6、有源层7、上分别限制层8、第一上缓冲层9、第一停止腐蚀层10、第一包层11和第一覆盖层12；所述无源腔反馈节从下而上依次设置有第二衬底13、第二下缓冲层14、波导芯层15、第二上缓冲层16、第二停止腐蚀层17、第二包层18和第二覆盖层19。
在本发明实施例中，DFB节1和无源腔反馈节2可采用对接生长的方式制作。
图2是本发明实施例中半导体激光器的纵向截面结构示意图。半导体激光器DFB节的第一覆盖层12上设有第一电极，无源腔反馈节的第二覆盖层19上设有第二电极。无源腔反馈节能够通过电注入方式改变其波导材料折射率，从而改变其有效腔长，使得腔模相位发生移动。通过调整注入电流大小，可以调整腔模的对应的频率，从而调整光子-光子谐振频率与强度。
DFB节1和无源反馈腔节2构成一个激光器，在激光器内部实现了两个谐振腔。其中，当无源反馈腔节1注入电流时，可以调整无源反馈腔节2的有效腔长，通过调整注入电流大小，可以调整腔模的对应的频率，从而调整光子-光子谐振频率与强度。当光子-光子谐振峰靠近载流子光子谐振峰时，其谐振强度逐渐增强，激光器直接调制响应曲线中将出现载流子-光子谐振峰与光子-光子谐振峰两个谐振峰，两个谐振峰之间的谐振阻尼将会减小，从而使得激光器的3dB调制带宽提高到光子-光子谐振峰附近，其调制带宽将大大增加。
更进一步地，DFB节有源层7可采用InGaAlAs多量子阱结构。
更进一步地，DFB节光栅层5材料采用InGaAsP，无源反馈腔节波导芯层15采用InGaAsP，且其材料带隙大于有源层InGaAlAs多量子阱材料带隙。
在本发明实施例中，DFB节各层所用材料、掺杂类型及相关结构参数如下表1所示：
表1DFB节各层材料参数
介质层 材料 掺杂类型 厚度(nm)
第一衬底层3 InP N型 ——
第一下缓冲层4 InP N型 300
光栅层5 InGaAsP N型 100
下分别限制层6 InGaAlAs —— 40
有源层7 InGaAlAs —— ——
上分别限制层8 InGaAlAs —— 40
第一上缓冲层9 InP P型 120
第一停止腐蚀层10 InGaAsP P型 20
第一包层11 InP P型 1600
第一覆盖层12 InGaAsP P型 200
在本发明实施例中，无源反馈腔节各层所用材料、掺杂类型及相关结构参数如下表2所示：
表2无源反馈腔节各层材料参数
介质层 材料 掺杂类型 厚度(nm)
第二衬底层13 InP N型 ——
第二下缓冲层14 InP N型 300
波导芯层15 InGaAsP —— ——
第二上缓冲层16 InP P型 120
第二停止腐蚀层17 InGaAsP P型 20
第二包层18 InP P型 1600
第二覆盖层19 InGaAsP P型 200
进一步地，在本发明实施例中，无源反馈腔节波导芯层15的有效折射率要大于所述第二上缓冲层16的折射率，无源反馈腔节波导芯层15的有效折射率要大于所述第二下缓冲层14的折射率，从而将光场限制在波导芯层中。
在本发明实施例中，DFB节光栅层5的材料带隙大于所述DFB节有源层材料带隙，无源反馈腔节波导芯层15大于DFB节有源层7的材料带隙，可以有效的减小波导层的材料吸收损耗。
更进一步地，DFB节光栅层5的有效折射率要大于第一上缓冲层9的折射率，DFB节有源层7的有效折射率要大于所述第一上缓冲层9的折射率，DFB节有源层7的有效折射率要大于光栅层5的有效折射率，使光场限制在有源区，提高有源区光场限制因子。
在本发明实施例中，DFB节出射截面镀有增透膜，无源反馈腔节出射端面镀有高反膜。
DFB节的长度DFB节长度可以为160-250μm，无源反馈腔节长度为200-240μm。
在本发明较佳实施例中，DFB节长度可为200μm，无源反馈腔节长度可为240μm。可避免高速DFB激光器制作中腔长过短和采用掩埋结构时的工艺问题，降低制作工艺成本，适合大批量生产。
本发明实施例的半导体激光器的调谐方法主要用于上述实施例的高速半导体激光器时，具体包括以下步骤：
S1、由第一电极注入电流进行直接调制，电流达到阈值以上后DFB节开始工作；
S2、通过改变第二电极电流改变无源反馈节的等效腔长；
S3、调整无源反馈腔腔模频率，使得无源反馈腔腔模和激光器激射模式谐振强度增强，同时调整腔模频率和激射模频率之间的差值，使得光子-光子谐振峰出现在合适的位置，增大激光器的调制带宽。
图3是实施例中半导体激光器在不同无源反馈腔注入电流下的强度调制响应曲线图。通过调整无源反馈腔注入电流改变其有效腔长，从而改变腔模的位置，调整腔模靠近激射模，腔模与激射模式之间的谐振将会增强，在调制响应曲线上出现的光子-光子谐振强度将会增强。当光子-光子谐振足够强时将会降低载流子-光子谐振峰之后的谐振阻尼，消除了载流子-光子谐振频率对激光器调制带宽的限制，有效提高激光器的3dB调制带宽。
综上，本发明的高速直接调制半导体激光器通过在普通DFB激光器上级联无源腔反馈节，在激光器内部实现两个谐振腔，从而使得激射模式和腔模发生谐振，产生光子-光子谐振效应，消除了载流子-光子谐振频率对带宽的限制，提升了激光器的3dB调制带宽，同时相比于一般高速直接调制激光器，能够避免短腔长和掩埋异质结构所可能带来的工艺问题和相关不利的影响。
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)

1.一种高速半导体激光器，其特征在于，包括：级联的DFB节和无源腔反馈节， DFB节和无源腔反馈节均为脊波导结构，两个脊之间刻蚀有电隔离槽；
所述DFB节从下而上依次设置有第一衬底、第一下缓冲层、光栅层、下分别限制层、有源层、上分别限制层、第一上缓冲层、第一停止腐蚀层、第一包层和第一覆盖层，在第一覆盖层上设有第一电极；
所述无源腔反馈节从下而上依次设置有第二衬底、第二下缓冲层、波导芯层、第二上缓冲层、第二停止腐蚀层、第二包层和第二覆盖层，在第二覆盖层上设有第二电极。
2.如权利要求1所述的高速半导体激光器，其特征在于，所述无源腔反馈节的波导芯层为InGaAsP，DFB节有源层采用InGaAlAs多量子阱结构。
3.如权利要求1或2所述的高速半导体激光器，其特征在于，无源腔反馈节的波导芯层材料带隙大于DFB节的有源层材料带隙。
4.如权利要求3所述的高速半导体激光器，其特征在于，无源腔反馈节的波导芯层材料折射率大于第二上缓冲层和第二下缓冲层材料折射率。
5.如权利要求3所述的高速半导体激光器，其特征在于，DFB节的光栅层和有源层的有效折射率均大于所述第一上缓冲层的折射率，且有源层的有效折射率要大于所述光栅层的有效折射率。
6.如权利要求4所述的高速半导体激光器，其特征在于， DFB节的出射端面镀有增透膜。
7.如权利要求6所述的高速半导体激光器，其特征在于，无源腔反馈节的出射端面镀有高反膜。
8.如权利要求7所述的高速半导体激光器，其特征在于，第一电极用于电注入直接调制，第二电极用于电注入调整无源反馈腔腔模相位。
9.如权利要求7所述的高速半导体激光器，其特征在于，DFB节长度为160-250μm，无源反馈腔节长度为200-240μm。
10.一种半导体激光器的调谐方法，其特征在于，该调谐方法基于权利要求1所述的高速半导体激光器，包括以下步骤：
由第一电极注入电流进行直接调制，电流达到阈值以上后DFB节开始工作；
通过改变第二电极电流改变无源反馈节的等效腔长；
调整无源反馈腔腔模频率，使得无源反馈腔腔模和激光器激射模式谐振强度增强，同时调整腔模频率和激射模频率之间的差值，使得光子-光子谐振峰出现在合适的位置，增大激光器的调制带宽。
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