CN112290380B - 一种直接调制激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接调制激光器，包括增益区、以及分别位于所述增益区两侧的前端面无源波导区和后端面无源波导区，所述后端面无源波导区上设有相移补偿区，所述相移补偿区用于补充激光器切换“0”信号和“1”信号时产生的瞬态啁啾、以及调整“0”信号和“1”信号在稳态啁啾期间的频率差值，以使“0”信号和“1”信号频率差值与信号时间的乘积等于π的奇数倍。本发明提供的直接调制激光器，能够避免现有技术中的啁啾管理激光器中复杂的反馈和控制系统，显著降低了器件的复杂度，降低了器件的成本。

Description

一种直接调制激光器

技术领域

本发明涉及激光器领域，特别涉及一种直接调制激光器。

背景技术

现有直接调制激光器传输距离有限的原因是输出信号存在频率啁啾，当存在啁啾的信号通过正常色散的光纤后，信号会在时域上发生展宽，从而导致码间串扰使误码率增加。啁啾现象严重限制了直接调制激光器在长距离通信系统中的应用，使网络建设中不得不使用价格昂贵，功耗较大的外调制型芯片(EML)。

由于信号啁啾的缺点，随着传输带宽的不断增加，直接调制激光器所能达到的最大传输距离不断减少，当传输带宽超过800Ghz后，直接调制激光器将会被结构复杂的EML或者MZ调制器完全替代。

现有技术方案中通过降低激光器“0”信号和“1”信号的功率差值来避免瞬时啁啾，通过增加外部滤波器平坦化啁啾曲线来保证相邻信号不会发生相干叠加而导致的误码，但是该方案中不仅需要增加尺寸较大的光滤波器，且需要实时监控激光器波长变化来调整滤波器的温度，导致实际器件控制器件复杂，价格较高。

发明内容

针对以上现有技术存在的不足之处，本发明提供了一种直接调制激光器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种直接调制激光器，包括增益区、以及分别位于所述增益区两侧的前端面无源波导区和后端面无源波导区，所述后端面无源波导区上设有相移补偿区，所述相移补偿区用于补充激光器切换“0”信号和“1”信号时产生的瞬态啁啾、以及调整“0”信号和“1”信号在稳态啁啾期间的频率差值，以使“0”信号和“1”信号频率差值与信号时间的乘积等于π的奇数倍。

进一步的，所述增益区包括从下至上依次设置的衬底、下包层、下波导层、有源层、上波导层、光栅层、上包层和接触层，所述增益区用于对所述激光器产生的激射信号增益；所述下波导层和所述上波导层所组成的波导结构为脊波导结构。

进一步的，所述光栅层由InGaAsP材料制备而成，所述光栅层的光栅周期为242.1nm、光栅占空比为0.5。

进一步的，所述上波导层的厚度为30-200nm，所述下波导层的厚度为30-500nm，所述上波导层和所述下波导层均由InAlGaAs材料制备而成。

进一步的，所述有源层为多量子阱结构，所述多量子阱结构由InAlGaAs材料制备而成。

进一步的，所述前端面无源波导区包括从下至上依次设置的衬底、前端面无源波导层和上包层，所述前端面无源波导区的一端和所述增益区的脊波导结构相连接，所述前端面无源波导区的另一端设有第一高透射膜，其中，所述前端面无源波导区和所述脊波导结构的连接处采用对接生长方式连接，以使光能量可从所述增益区中耦合进入所述前端面无源波导区；所述第一高透射膜的反射率为0.01-0.05。

进一步的，所述后端面无源波导区包括从下至上依次设置的衬底、后端面无源波导层和上包层，所述后端面无源波导区的一端和所述增益区的脊波导结构连接，所述后端面无源波导区的另一端设有第二高透射膜，其中，所述后端面无源波导区和所述脊波导结构的连接处连接处采用对接生长方式连接，以使光能量可以从所述增益区中耦合进入所述后端面无源波导区；所述第二高透射膜的反射率为0.8-0.95。

进一步的，所述相移补偿区包括从上自下设置的上包层、掺杂区域和衬底、以及设在所述上包层两侧的P掺杂区域电极和N掺杂区域电极，其中，所述掺杂区域的外延结构与所述后端面无源波导区的结构相同，所述掺杂区域包括依次侧向设置的N型高掺杂区域、N型低掺杂区域、P型低掺杂区域和P型高掺杂区域，所述N掺杂区域电极与所述N型高掺杂区域连接，所述P掺杂区域电极与所述P型高掺杂区域连接。

进一步的，所述N型高掺杂区域的掺杂浓度大于1E19，所述N型低掺杂区域的掺杂浓度在1E17至1E19之间，所述P型高掺杂区域的掺杂浓度大于1E18，所述P型低掺杂区域的掺杂浓度在1E17至1E18之间。

进一步的，所述相移补偿区的长度小于所述后端面无源波导区总长度的0.75倍。

本发明提供的直接调制激光器，利用后端面无源波导区上设置相移补偿区，对激光器输出信号的啁啾曲线进行补偿，以满足平坦化和乘积等于π两个条件，避免码间串扰引起的误码现象，相对于滤波器方案的啁啾管理激光器，本发明首先具有单片集成的优势，且不需要特意降低“0”信号和“1”信号的功率差值，因此，拥有更高的消光比；同时，相移补偿区的补偿量可以根据“0”信号和“1”信号的功率差值、频率差值以及激光器上升下降时间等固定的参数计算得出，即需要补偿的相位是一个稳定的数值，因此，不需要对激光器工作频率进行实时监控和调节；另外，由于相移补偿区的预定相位补偿量，开启时间都和增益区的调制信号一一对应，因此，激光器工作时两个区域可以简单地采用同步调制信号，并且当相移补偿区设计合理时，甚至可以直接将DFB调制信号同时加载至相移补偿区，避免了现有技术中的啁啾管理激光器中复杂的反馈和控制系统，显著降低了器件的复杂度，降低了器件的成本。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明示例性实施例中的一种直接调制激光器的结构示意图；

图2为本发明示例性实施例中的相移补偿区的截面结构图；

图3为本发明示例性实施例的相移补偿区在相位补偿量不同时，激光器工作波长的变化；

图4为无相位补偿和有相位补偿的器件输出“10”信号时的频率啁啾曲线；

图5为无相位补偿和有相位补偿的器件输出“101”信号在长距离光纤中传输的波形变化。

其中，1-接触层，2-上包层，3-光栅层，4-上波导层，5-下波导层，6-有源层，7-后端面无源波导层，8-前端面无源波导层，9-下包层，10-N型高掺杂区域，11-P型高掺杂区域，12-P型低掺杂区域，13-N型低掺杂区域，14-P掺杂区域电极，15-N掺杂区域电极，16-第二高透射膜，17-第一高透射膜。

具体实施方式

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”、“顺时针”、“逆时针”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”的含义是两个或两个以及，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，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。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。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种直接调制激光器，参见图1，包括增益区、以及分别位于增益区两侧的前端面无源波导区和后端面无源波导区，后端面无源波导区上设有相移补偿区，相移补偿区用于补充激光器切换“0”信号和“1”信号时产生的瞬态啁啾、以及调整“0”信号和“1”信号在稳态啁啾期间的频率差值，以使“0”信号和“1”信号频率差值与信号时间的乘积等于π的奇数倍。

其中，增益区用于为激光器提供增益电流，以提供激光器的信号增益，并将增益后的光信号分别输送给前端面无源波导区和后端面无源波导区。前端面无源波导区和后端面无源波导区均用于保护增益区的材料，提高芯片的可靠性。

本发明提供的直接调制激光器，利用后端面无源波导区上设置相移补偿区，对激光器输出信号的啁啾曲线进行补偿，以满足平坦化和乘积等于π两个条件，避免了码间串扰引起的误码现象。相对于滤波器方案的啁啾管理激光器，本发明首先具有单片集成的优势，且不需要特意降低“0”信号和“1”信号的功率差值，因此，拥有更高的消光比；同时，相移补偿区的补偿量可以根据“0”信号和“1”信号的功率差值、频率差值以及激光器上升下降时间等固定的参数计算得出，即需要补偿的相位是一个稳定的数值，因此，不需要对激光器工作频率进行实时监控和调节；另外，由于相移补偿区的预定相位补偿量，开启时间都和增益区的调制信号一一对应，因此，激光器工作时两个区域可以简单地采用同步调制信号，并且当相移补偿区设计合理时，甚至可以直接将DFB调制信号同时加载至相移补偿区，避免了现有技术中的啁啾管理激光器中复杂的反馈和控制系统，显著降低了器件的复杂度，降低了器件的成本。

在一些实施方式中，增益区包括从下至上依次设置的衬底、下包层9、下波导层5、有源层6、上波导层4、光栅层3、上包层2和接触层1，增益区用于对激光器产生的激射信号增益；下波导层5和上波导层4所组成的波导结构为脊波导结构。本实施例提供的，增益区不但能够利用有源层6将载流子转化为光子，提高有源区的光子密度，进而为激光器提供增益电流，而且增益区上的光栅层3还能够控制激光器的激射信号频率。作为优选的，增益区可以通过光刻、刻蚀或腐蚀的方法去除脊波导结构的脊条两侧的接触层1和上包层2，以使脊波导结构形成如图2所示的脊波导结构。

作为优选实施方式，光栅层3由InGaAsP材料制备而成，光栅层3的光栅周期为242.1nm、光栅占空比为0.5。在本实施方式中，光栅层3还采用具有1/4波长相移的光栅结构的设计，相移区域可以位于光栅层3的任意区域。

作为优选实施方式，上波导层4的厚度为30-200nm，下波导层5的厚度为30-500nm，上波导层4和下波导层5均由InAlGaAs材料制备而成。

作为优选实施方式，有源层6为多量子阱结构，多量子阱结构由InAlGaAs材料制备而成，在本实施方式中，多量子阱结构的增益谱峰值可以设定为1540nm±10nm。

作为优选实施方式，前端面无源波导区包括从下至上依次设置的衬底、前端面无源波导层8和上包层2，前端面无源波导区的一端和增益区的脊波导结构相连接，前端面无源波导区的另一端设有第一高透射膜17，其中，前端面无源波导区和脊波导结构的连接处采用对接生长方式连接，以使光能量可从增益区中耦合进入前端面无源波导区；第一高透射膜17的反射率为0.01-0.05，以使进入前端面无源波导区的光信号由第一高透射膜17输出。在本实施方式中，为了使前端面无源波导层8不吸收增益区输出的光信号，前端面无源波导层8由InGaAsP或者InP制备而成，可以有效的防止前端面无源波导层8氧化，提升前端面无源波导区的光学灾变阈值，提高了激光器的可靠性。作为优选的，第一高透射膜17为多层结构的透射膜。

前端面无源波导区用于保护增益区中含Al的材料，避免含Al的材料直接接触空气而发生氧化；另外，本实施方式中的前端面无源波导区还可以改善增益区的近场光斑，缩小激光器从前端面无源波导区的第一高透射膜17出射的光束发散角。同时，将增益区的上波导层4、有源区和下波导层5中的光能量耦合至前端面无源波导层8中，前端面无源波导层8厚度可以设置为400nm到1000nm，长度可以设置为10um到60um。

作为优选实施方式，后端面无源波导区包括从下至上依次设置的衬底、后端面无源波导层7和上包层2，后端面无源波导区的一端和增益区的脊波导结构连接，后端面无源波导区的另一端设有第二高透射膜16，其中，后端面无源波导区和脊波导结构的连接处连接处采用对接生长方式连接，以使光能量可以从增益区中耦合进入后端面无源波导区；第二高透射膜16的反射率为0.8-0.95，以使进入后端面无源波导区的光信号由第二高透射膜16输出。在本实施方式中，为了使前端面无源波导层8不吸收增益区输出的光信号，后端面无源波导层7由InGaAsP或者InP制备而成，可以有效的防止后端面无源波导层7氧化，提升后端面无源波导区的光学灾变阈值，提高了激光器的可靠性。作为优选的，第二高透射膜16为多层结构的透射膜。

后端面无源波导区用于保护增益区中含Al的材料，避免含Al的材料直接接触空气而发生氧化；另外，本实施方式中的后端面无源波导区与前端面无源波导区最大的不同点在于后端面无源波导区有很高的反射率，因此，从激光器中耦合进入后端面无源波导区的光信号在后端面无源波导区的实际相位会显著影响激光器的激射波长。

在一些实施方式中，相移补偿结构位于后端无源波导区的中间，具体结构如图2所示，相移补偿区包括从上自下设置的上包层2、掺杂区域和衬底、以及设在上包层2两侧的P掺杂区域电极14和N掺杂区域电极15，其中，掺杂区域的外延结构与后端面无源波导区的结构相同，掺杂区域包括依次侧向设置的N型高掺杂区域10、N型低掺杂区域13、P型低掺杂区域12和P型高掺杂区域11，N掺杂区域电极15与N型高掺杂区域10连接，P掺杂区域电极14与P型高掺杂区域11连接。

通过将掺杂区域的外延结构与后端面无源波导区的结构相同，掺杂区域包括依次侧向设置的N型高掺杂区域10、N型低掺杂区域13、P型低掺杂区域12和P型高掺杂区域11，可使相移补偿区以任意方式实现侧向PN结、PIN结以及MOS等高速调制结构，因此，本发明提供的相移补偿区能够通过在侧向PN结上施加反向偏压，控制脊波导结构附近材料的载流子浓度，通过调整载流子浓度的大小改变波导折射率。当波导折射率改变时，后端面无源波导区的相位发生变化，导致激光器激射波长发生偏移，因此，本发明提供的相移补偿区有两个功能，一个是当激光器信号由“0”信号变为“1”信号或由“1”信号变为“0”信号信号时，通过调整耗尽层中载流子浓度增加或减少相移区的波导折射率，补偿瞬时啁啾的频率变化量，使啁啾曲线平坦化；另一个是当“1”信号和“0”信号的稳态频率差值与信号时域宽度乘积不等于π时，在“1”信号上附加一个频率偏移量，最终使两者的乘积等于π的奇数倍。

具体地，当“1”信号和“0”信号的啁啾曲线满足平坦化和乘积等于π的奇数倍两个条件时，可以有效避免码间串扰带来的误码。例如，满足上述条件时“101”传输信号中的两个“1”信号相位差距为π的奇数倍，即使两个“1”信号发生交叠，交叠处发生相干相消，因此不会影响“0”信号的码型。

作为优选的，图2中的相移补偿区所形成的侧向PN结结构可以采用离子注入加扩散工艺完成。脊波导结构两侧的N型高掺杂区和P型高掺杂区的最内侧离脊条中心距离约3um到5um，注入深度约为1000nm到3000um，扩散工艺完成后两侧掺杂元素扩散至脊波导结构的波导中心区域。金属层与N型高掺杂区和P型高掺杂区直接接触，金属层作用是施加反向的控制电压在侧向PN结上，以控制耗尽区（即脊波导结构的材料）的材料折射率。

更进一步的，N型高掺杂区域10的掺杂浓度大于1E19，N型低掺杂区域13的掺杂浓度在1E17至1E19之间，P型高掺杂区域11的掺杂浓度大于1E18，P型低掺杂区域12的掺杂浓度在1E17至1E18之间。

具体地，相移补偿区的脊波导结构两侧的底部3um以外有不同掺杂类型的高掺杂区域，其中，P型高掺杂浓度大于5E18，N型高掺杂浓度大于1E19，两个高掺杂区域之间为低掺杂区域，由高掺杂后的扩散工艺实现，当相移区工作时，低掺杂区域可形成不同厚度的耗尽层。

参见图2，相移补偿区域中的脊波导结构两侧的底部有不同掺杂类型的高掺杂区域，距离脊波导结构的左侧约3um到16um的区域中无源波导中P型掺杂浓度大于5E18，脊波导结构的左侧3um以内P型掺杂浓度由5E18逐渐降低为1E17；距离脊波导结构的右侧约3um到16um的区域中无源波导中P型掺杂浓度大于1E19，脊波导侧的右侧3um以内P型掺杂浓度由1E19逐渐降低为1E17。

具体的，相移补偿区的长度小于后端面无源波导区总长度的0.75倍。

相移补偿区的外延结构与波导结构与后端面无源波导区相同，有利于避免腔内反射，相移补偿区与后端面无源波导区的不同之处在于相移补偿区材料的掺杂浓度。

进一步的，结合图3，4，5对本发明提供的直接调制激光器控制啁啾的原理进行详细介绍。图3中是按照示例结构进行仿真的波长曲线，如图所示当相移补偿区的补偿量为0时器件的激射波长为1550.8nm，补偿量增加至1/12π时器件的激射波长为1550.9nm，补偿量再次增加至1/6π时器件的激射波长为1551.226nm，补偿量增加为1/3π时器件的激射波长为1551.532nm。

假设实际芯片的调制速率为25Gbps，一个信号的时间宽度约为40ps，当相移补偿区的补偿量为0时，如图4中的黑实线所示，器件“0”信号工作状态的波长为1550.8nm，“1”信号工作状态的波长为1551.151nm。器件由“0”信号工作状态变化至“1”信号或者由“1”信号工作状态变化至“2”信号在8ps内产生一个约12.4GHz的瞬间频率漂移，即约为0.1nm的瞬时波长变化量。当器件传输“101”信号时第一个“1”信号的相位为零点，根据计算可以知道第二个“1”信号的相位为14π，由于瞬间频率漂移和14π的相位差导致第一个“1”信号和第二个“1”信号的重叠部分无法形成相干相消。如图5(a)所示，最终使接收端接受到错误的“111”信号，产生误码现象。

而当相移补偿区在器件“0”信号工作状态添加1/12π的相位补偿量后，波长变化为1550.9nm，在器件“1”信号工作状态添加1/6π的相位补偿量后，波长变化为1551.226nm。且由于InP基侧向PN调整器可以满足8ps，即120Ghz左右的调制速率，因此可以在激光器切换“1”信号和“0”信号的工作状态的8ps内通过增加约±1/12π的相位，使0.1nm的瞬时波长变化量得到补偿。如图4中的所示，通过对瞬时啁啾以及稳态啁啾同时补偿后，啁啾曲线获得平坦化的效果，且“1”信号和“0”信号的频率差约为40.652Ghz。此时，当器件传输“101”信号时，若第一个“1”信号的相位为零点，根据计算可以知道第二个“1”信号的相位为13π，第一个“1”信号和第二个“1”信号的重叠部分形成相干相消，如图5(b)所示，长距离传输后接收端依然能够接受到“101”信号。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种直接调制激光器，其特征在于，包括增益区、以及分别位于所述增益区两侧的前端面无源波导区和后端面无源波导区，所述后端面无源波导区上设有相移补偿区，所述相移补偿区用于补充激光器切换“0”信号和“1”信号时产生的瞬态啁啾、以及调整“0”信号和“1”信号在稳态啁啾期间的频率差值，以使“0”信号和“1”信号频率差值与信号时间的乘积等于π的奇数倍；

其中，所述相移补偿区包括从上自下设置的上包层、掺杂区域和衬底、以及设在所述上包层两侧的P掺杂区域电极和N掺杂区域电极，其中，所述掺杂区域的外延结构与所述后端面无源波导区的结构相同，所述掺杂区域包括依次侧向设置的N型高掺杂区域、N型低掺杂区域、P型低掺杂区域和P型高掺杂区域，所述N掺杂区域电极与所述N型高掺杂区域连接，所述P掺杂区域电极与所述P型高掺杂区域连接。

2.根据权利要求1所述的直接调制激光器，其特征在于，所述增益区包括从下至上依次设置的衬底、下包层、下波导层、有源层、上波导层、光栅层、上包层和接触层，所述增益区用于对所述激光器产生的激射信号增益；所述下波导层和所述上波导层所组成的波导结构为脊波导结构。

3.根据权利要求2所述的直接调制激光器，其特征在于，所述光栅层由InGaAsP材料制备而成，所述光栅层的光栅周期为242.1nm、光栅占空比为0.5。

4.根据权利要求2所述的直接调制激光器，其特征在于，所述上波导层的厚度为30-200nm，所述下波导层的厚度为30-500nm，所述上波导层和所述下波导层均由InAlGaAs材料制备而成。

5.根据权利要求2所述的直接调制激光器，其特征在于，所述有源层为多量子阱结构，所述多量子阱结构由InAlGaAs材料制备而成。

6.根据权利要求2所述的直接调制激光器，其特征在于，所述前端面无源波导区包括从下至上依次设置的衬底、前端面无源波导层和上包层，所述前端面无源波导区的一端和所述增益区的脊波导结构相连接，所述前端面无源波导区的另一端设有第一高透射膜，其中，所述前端面无源波导区和所述脊波导结构的连接处采用对接生长方式连接，以使光能量可从所述增益区中耦合进入所述前端面无源波导区；所述第一高透射膜的反射率为0.01-0.05。

7.根据权利要求2所述的直接调制激光器，其特征在于，所述后端面无源波导区包括从下至上依次设置的衬底、后端面无源波导层和上包层，所述后端面无源波导区的一端和所述增益区的脊波导结构连接，所述后端面无源波导区的另一端设有第二高透射膜，其中，所述后端面无源波导区和所述脊波导结构的连接处连接处采用对接生长方式连接，以使光能量可从所述增益区中耦合进入所述后端面无源波导区；所述第二高透射膜的反射率为0.8-0.95。

8.根据权利要求1所述的直接调制激光器，其特征在于，所述N型高掺杂区域的掺杂浓度大于1E19，所述N型低掺杂区域的掺杂浓度在1E17至1E19之间，所述P型高掺杂区域的掺杂浓度大于1E18，所述P型低掺杂区域的掺杂浓度在1E17至1E18之间。

9.根据权利要求1所述的直接调制激光器，其特征在于，所述相移补偿区的长度小于所述后端面无源波导区总长度的0.75倍。

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