CN112615253A - 一种波长可调谐半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波长可调的半导体激光器，包括有源区、相位区、光栅区和制作在光栅区内的相移区：相位区从上往下看由第二电极、第二包层、第一波导层和第二衬底构成；第一光栅区从上往下看由第三电极、第三包层、第一光栅层、第二波导层和第三衬底构成；相移区从上往下看由第四电极、第四包层、第三波导层和第四衬底构成；第二光栅区结构和第一光栅区完全一致。激光器左端面为解理面，激光器的输出光从这里出射。光栅区右端面通过增透膜镀层来减少端面向激光器内部的反射。本发明提供的激光器通过引入了光子‑光子谐振效应实现高调制带宽，同时还可以实现波长调谐功能，满足下一代光通信系统对于高性能高速直调的波长可调器件的需求。

Description

一种波长可调谐半导体激光器

技术领域

本发明属于光电子器件技术领域，更具体地，涉及一种波长可调的高速直接调制的分布反射式半导体激光器。

背景技术

随着智能应用、大数据分析、云技术等等一系列信息技术的发展，我们对数据通信的速率和容量的需求都与日俱增。电气和电子工程师协会等机构对于可应用于数据中心等短距应用中的光源也提出了要求，如200GHz的2公里短距传输链路中，需要用4个调制带宽为40G的工作在4个不同波长的激光器来构成光源。因此，在接入网中，被大量需求的波长可调的高速直调调制半导体激光器就具有重要意义和价值，也得到了世界各地研究人员的关注和研究。

为了实现波长可调谐的半导体激光器光源，基于分布布拉格反射光栅的半导体激光器(Distributed Bragg reflector laser，DBR laser)应运而生。这种激光器由有源区、相位区和光栅区构成。通过改变光栅区或相位区的电流。现有技术中通过改变光栅区电流实现了一种12纳米调谐范围的两段DBR激光器。但这类激光器的直接调制带宽一般较低，比如该文献中所实现的器件的带宽只有10GHz左右，难以满足上述的高速光源的要求。

另一方面，为了实现高速直接调制的激光器，美国的菲尼萨公司提出了一种利用光子-光子谐振(Photon-photon resonance，PPR)效应实现的55GHz的带宽激光器。所谓PPR效应，指的是通过在激光器中形成一个不激射的次模，让它和主激射模相互耦合，以此来极大地拓宽激光器的调制带宽。类似效应也可以在分布式反馈激光器上实现，但是目前上述器件都不能在实现PPR效应的同时，具有波长调谐的能力。

华中科技大学的朱尧等人在2015年提出了一种利用倾斜光栅实现的高速波长可调的激光器。该方案利用倾斜光栅，有效减小了激光器直接调制过程中啁啾引起的信号传输损伤，提高了信道容量，同时实现调谐功能，也是一种优质的相对高速的波长可调光源，但是其调制速率也没有达到如上文提到的40GHz或者更高的需求。

综上所述，目前市面上或研究领域提出的直接调制激光器，很多只有高带宽或者波长可调中的一项功能，少数激光器可以在实现波长调谐功能时得到20GHz以下的调制带宽，但仍不能满足下一代高速可调谐的光源需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种波长可调谐，同时实现40GHz的高速波长可调的直接调制半导体激光器。

本发明提供的一种波长可调谐半导体激光器包括：有源区、相位区、第一光栅区、相移区和第二光栅区；有源区用于产生激光并输出；所述相位区、第一光栅区和第二光栅区用于实现波长调谐；相移区设置在第一光栅区和第二光栅区之间，相移区用于通过引入等效相移实现光栅中相移大小的调控。具体地，通过引入的等效相移，会使等效相移布拉格光栅的反射谱的主瓣上出现凹陷，激光器的主激射模落在凹陷之内。

更进一步地，第一光栅区、相移区和第二光栅区共同构成等效相移布拉格光栅；且所述第一光栅区和第二光栅区的布拉格光栅的周期相同。

更进一步地，在所述有源区内从上往下依次设置有第一电极，第一包层，上分别限制层，有源层，下分别限制层和第一衬底；通过在第一电极上施加偏置电流使激光器开始工作产生激光并输出。

更进一步地，在所述相位区内从上到下依次设置有第二电极，第二包层，第一波导层和第二衬底；通过改变第二电极上施加的电流大小来改变激光器的激射波长。

其中，通过改变第二电极上的电流来改变半导体激光器的等效腔长，从而实现对腔内激射模波长的调控。

更进一步地，在第一光栅区内从上到下依次设置有第三电极，第三包层，第一光栅层，第三波导层和第三衬底；在第二光栅区内从上到下依次设置有第五电极，第五包层，第二光栅层，第四波导层和第五衬底。

其中，通过改变所述第三电极和第五电极上的电流使布拉格光栅的反射谱峰值发生移动，实现波长的调控。

其中，在第二光栅区的右端面设置有增透膜；增透膜用于增加透射率，使不需要的光更好地从光栅右端面出射，这样可以缓解激光器的多纵模激射情况。

更进一步地，在相移区内从上到下依次设置有第四电极，第四包层，第三波导层和第四衬底；通过改变施加在第四电极上电流的大小来改变所述相移区提供的等效相移的大小，从而实现改变所述第一光栅区、相移区和第二光栅区共同构成的整体光栅的反射谱。

其中，通过改变施加在所述第四电极上的电流改变主激射模和次纵模的相对强弱从而调控光子-光子谐振效应的有无和强弱。

由等效相移引入的凹陷内，除主激射模外，会出现另一个次纵模。该次模与主激射模相互作用，为激光器引入光子-光子谐振效应，提高激光器的直接调制带宽。光子-光子谐振的绝对光频率差值即为两个模式的频率间隔。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

(1)本发明中引入的等效相移段，在激光器的光栅反射谱上形成了凹陷。通过利用这个凹陷带来的相位跳变，使另一个邻近的次模满足激射相位条件，额外形成一个次模，进而引入PPR效应，极大地提高了激光器的直接调制带宽。

(2)本发明通过控制相位区和光栅区的电流，可以改变相位区的有效长度和光栅区的布拉格波长，从而改变了激光器腔体的相位条件，进而控制激射波长。这样可以实现7.5纳米左右的波长调谐功能。再通过控制相移区的电流，改变反射谱上凹陷的位置，可以保持主激射模准确落在光栅反射谱的凹陷内，使光子-光子谐振效应在波长调谐之后仍然有效，维持42GHz的直接调制带宽。使得器件兼具高速直接调制能力和波长调谐功能。

(3)本发明中光栅区引入了等效相移段代替传统相移方法，通过用一段5微米到25微米的均匀波导代替以往的四分之一波长相移段。并且在相移段上添加了电极，来用电流控制相移段带来的相移大小。由于相移区的相移可以用电流来控制，在制备过程中无需精确控制相移段的长度，减小了光刻过程中的精度需求，提高了工艺误差容限。

附图说明

图1为本发明实施例的纵向截面的结构示意图。

其中，1为有源区，2为相位区，3为第一光栅区，4为相移区，5为第二光栅区，6为第一电极，7为第一包层，8为上分别限制层，9为有源层，10为下分别限制层，11为第一衬底，12为第二电极，13为第二包层，14为第一波导层，15为第二衬底，16为第三电极，17为第三包层，18为第一光栅层，19为第三波导层，20为第三衬底，21为第四电极，22为第四包层，23为第三波导层，24为第四衬底，25为第五电极，26为第五包层，27为第二光栅层，28为第四波导层，29为第五衬底，30为增透膜。

图2是实施例中整体光栅的示意图。其中，Λ是布拉格光栅周期，Lps是等效相移段的长度。

图3是实施例中光栅整体的反射谱。其中，实线是反射率，虚线是激光器整体腔的往返相位。

图4是实施例中同步改变第一光栅区和第二光栅区电极注入电流时得到的波长静态调谐特性图。

图5是实施例中改变相位区电极注入电流时得到的波长静态调谐特性图。

图6是实施例中改变相移区电极注入电流分别为3.25毫安，12.25毫安和23.3毫安时，得到的小信号响应强度曲线。

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。

本发明的目的在于提供一种波长可调的半导体激光器，通过相位区和光栅区电流的调谐，可以改变激光器的激射相位条件，达到激射波长的调谐。同时利用相移段引入的凹陷，引入一个次模，来产生PPR效应，极大地提高激光器的直接调制带宽。本发明不仅可以进行约7.5纳米范围的激射波长的调谐，还能实现最高42GHz的直接调制带宽。

本发明提供了一种高直调带宽的波长可调的半导体激光器，附图1是其纵向截面的结构示意图。其中包括有源区1，相位区2，第一光栅区3，相移区4，第二光栅区5。另外，有源区1内，从上往下依次是：第一电极6，第一包层7，上分别限制层8，有源层9，下分别限制层10和第一衬底11；相位区2内，从上到下依次是：第二电极12，第二包层13，第一波导层14和第二衬底15；第一光栅区3内，从上到下依次是：第三电极16，第三包层17，第一光栅层18，第三波导层19和第三衬底20；相移区4内，从上到下依次是：第四电极21，第四包层22，第三波导层23和第四衬底24；第二光栅区5内，从上到下依次是：第五电极25，第五包层26，第二光栅层27，第四波导层28和第五衬底29。有源区1用于产生激光输出，相位区2和第一光栅区3、第二光栅区5用于波长调谐功能，相移区4用于调控光栅中的相移大小。有源层9和各个波导层都在同一高度，保证光场在腔内往返获得增益。增透膜30用于增加透射率，使不需要的光更好地从光栅右端面出射，这样可以缓解激光器的多纵模激射情况。

在本发明的实施例1中，有源层9可以采用带隙为1550纳米附近铟镓砷磷(InGaAsP)体系材料，并形成多量子阱结构。而第一波导层14、第二波导层19、第三波导层23、第四波导层28均可以采用带隙为900纳米或者更低的未掺杂InGaAsP体材料。可以通过改变各个层的具体材料组分和横向截面的结构来控制其有效折射率。第一衬底11、第二衬底15、第三衬底20、第四衬底24、第五衬底29均可以选用N掺杂的InP材料。第一包层7、第二包层13、第三包层17、第四包层22和第五包层26均可以选用P掺杂的InP材料。有源区选用掺杂材料是为了形成异质结结构，更好地把电子限制在有源层内，这样可以提高激光器的工作效率。其他区选用相同材料可以减少工艺的复杂度。第一光栅层和第二光栅层分别为其上部的包层材料和其下的波导层材料交叠而成。

相移区4位于第一光栅区3和第二光栅区5之间。图1中的第二波导层19、第三波导层23和第四波导层28均是同种材料生长而成。通过腐蚀一部分的波导层，再重新长出包层材料来形成光栅层。所以光栅层是由波导层材料和其上对应的包层材料交叠而成。其结构示意图如图2所示。图中矩形锯齿结构分别是第一光栅层18和第二光栅层27，布拉格光栅周期为Λ。中间均匀段为等效相移段，没有刻蚀光栅结构，长度为Lps，是若干个布拉格光栅周期的长度。相比于传统的四分之一波长相移，这种设计减小了光栅光刻过程中的精度需求，提高了工艺误差的容限。

如附图2所示，是实施例中第一光栅区、相移区和第二光栅区所共同构成的光栅段的三维结构示意图。其中第一光栅区和第二光栅区的长度相同，均为200微米到500微米之间，光栅过短则无法提供足够的反射率，光栅太长的话则会让相移区失效。两光栅区的耦合系数也相同，均为3000每米，有效折射率均为3.4。

在本发明中，所有光栅区光栅层及相连的波导层的折射率大于对应包层的折射率，以此将光束更好地限制在对应的波导层中，这样可以减少光场向波导层之外泄露，相当于提高了激光器的有效增益和效率。

相移区中，波导层的长度为5微米到25微米之间。这个长度太短的话，会使得金属电极的电镀难度加大，同时降低相移控制的效率；而如果太长的话，则会在光栅反射谱上引入更多的凹陷，使激光器的控制变得困难。依靠此均匀波导产生相移。相移区中的波导使得激光器的反射谱出现凹槽，当激射模落在这个凹槽之内时，可以引入一个次模，从而产生PPR效应，可提高激光器的带宽。

在本发明中，减少了有源区和相位区的长度，这样可以增加纵模间距，避免在反射谱主瓣上产生不需要的额外的激射模。同时降低了两个光栅区内的光栅层的刻蚀深度，避免了光栅产生过高的反射率，也避免了其他不需要的模式可以激射的情况。依靠这种合理的设计和优化，可以使激光器仅在反射谱凹槽中产生激射模，避免过多的纵模让激光器的输出不稳定。

在本发明中，通过调整第三、第四和第五电极上施加的电流，来改变第一光栅区、相移区和第二光栅区的注入电流，可以使主激射模落在凹槽的左侧，这样有利于产生PPR效应。同时要优化光栅的刻蚀深度和长度，使相移段产生的沟槽的宽度合理，不宜大于0.8纳米，这样会让两个模式的间距过大，PPR不起效果；也不能小于0.2纳米，否则PPR对带宽的增强效果不明显。对于本发明而言让沟槽的半高全宽为0.4到0.6纳米比较合适。

在本发明中，激光器的有源区1、相位区2、第一光栅区3、相移区4以及第二光栅区5上，均镀有钛合金电极，通过这些电极，可以向各个区注入电流。

在本发明的实施例1中，激光器的右端面镀有增透膜，减少了来自光栅端面的反射光，更利于激光器的稳定运行。左端面为输出端面，为自然解理面。

在本发明实施例中，通过在第一电极6上施加电流来驱动激光器工作，使激光器的有源区产生粒子数反转效果产生增益，当增益足以克服腔体内以及输出光损耗时，就会使光束在激光器腔体内往返时产生增益，激光器可以产生出射光。进一步优选地，可以将调制信号也加载在第一电极6上，使激光器的输出强弱变化来体现要传输的信号，当施加高电平时，激光器的输出功率较高，表现为“1”信号；反之施加低电平，激光器的输出功率较低，表现为“0”信号。

通过在第一光栅区3和第二光栅区5中引入等效相移段，可以使激光器的光栅反射谱产生一个凹槽，如附图3所示。该凹槽对应的相位会发生跳变，从而允许在凹槽中产生多个纵模。当主模和次模相互耦合，就产生了PPR效应，从而可极大地提高激光器的调制带宽。所以本发明在对第一电极6施加高频率调制信号时，激光器的输出信号有更好的品质因子，适合高速短距通信链路应用场景。

在本发明中，当激光器有源区施加低电平“0”信号时，激光器的激射波长向长波长移动，主激射模的功率向次模耦合，激光器的输出衰减更快；当有源区施加高电平“1”信号时，激光器的激射波长向短波长移动，次模的功率向主激射模耦合，激光器的输出更快升高。通过这种主次模相互耦合的PPR效应，激光器可以产生质量更好的调制眼图。

通过改变注入第一光栅区3和第二光栅区5的电流，可以改变光栅反射谱的布拉格波长，从而实现激射波长在大约6.5纳米的范围内粗略调谐。波长粗调的效果如附图4所示。光栅区电流越大，布拉格波长越小。

通过改变注入相位区2的电流，可以改变相位区的折射率，进而改变激光器的等效腔长，注入电流越大，有效腔长越短。这样可以实现激射波长在大约1纳米范围内细致调谐。波长细调的效果如附图5所示。通过同时改变相位区2、第一光栅区3和第二光栅区5的注入电流，本发明可以实现7.5纳米范围的稳定的波长连续调谐。

通过改变注入相移区4的电流，可以改变反射谱上凹槽的位置，进而改变前述的主模和次模的相对强弱，使激光器工作在不同状态下。更进一步地，当调整电流直至PPR效应生效时，激光器的直接调制带宽可以达到42GHz，如附图6所示的小信号响应曲线。另外，激光器调谐过程会使激射模跳出沟槽外，但是可以通过改变相移区4的注入电流，来改变沟槽的位置，从而保证在波长调谐之后，PPR效应仍然有效。

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)

1.一种波长可调谐半导体激光器，其特征在于，包括：有源区(1)、相位区(2)、第一光栅区(3)、相移区(4)和第二光栅区(5)；

所述有源区(1)用于产生激光并输出；

所述相位区(2)、所述第一光栅区(3)和所述第二光栅区(5)用于实现激光波长的调谐；

所述相移区(4)设置在第一光栅区(3)和所述第二光栅区(5)之间，所述相移区(4)用于通过引入等效相移实现光栅中相移大小的调控。

2.如权利要求1所述的波长可调谐半导体激光器，其特征在于，第一光栅区(3)、相移区(4)和第二光栅区(5)共同构成等效相移布拉格光栅；且所述第一光栅区(3)和所述第二光栅区(5)的布拉格光栅的周期相同。

3.如权利要求1或2所述的波长可调谐半导体激光器，其特征在于，在所述有源区(1)内从上往下依次设置有第一电极(6)，第一包层(7)，上分别限制层(8)，有源层(9)，下分别限制层(10)和第一衬底(11)；

通过在所述第一电极(6)上施加偏置电流使激光器开始工作产生激光并输出。

4.如权利要求1-3任一项所述的波长可调谐半导体激光器，其特征在于，在所述相位区(2)内从上到下依次设置有第二电极(12)，第二包层(13)，第一波导层(14)和第二衬底(15)；

通过改变所述第二电极(12)上施加的电流大小来改变激光器的激射波长。

5.如权利要求4所述的波长可调谐半导体激光器，其特征在于，通过改变所述第二电极(12)上的电流来改变半导体激光器的等效腔长，从而实现对腔内激射模波长的调控。

6.如权利要求1-5任一项所述的波长可调谐半导体激光器，其特征在于，在所述第一光栅区(3)内从上到下依次设置有第三电极(16)，第三包层(17)，第一光栅层(18)，第三波导层(19)和第三衬底(20)；

在所述第二光栅区(5)内从上到下依次设置有第五电极(25)，第五包层(26)，第二光栅层(27)，第四波导层(28)和第五衬底(29)。

7.如权利要求6所述的波长可调谐半导体激光器，其特征在于，通过改变所述第三电极(16)和所述第五电极(25)上的电流使布拉格光栅的反射谱峰值发生移动实现波长的调控。

8.如权利要求1-7任一项所述的波长可调谐半导体激光器，其特征在于，在所述第二光栅区(5)的右端面设置有增透膜(30)，用于减少端面向激光器内部的反射，缓解激光器的多纵模激射情况。

9.如权利要求1-8任一项所述的波长可调谐半导体激光器，其特征在于，在所述相移区(4)内从上到下依次设置有第四电极(21)，第四包层(22)，第三波导层(23)和第四衬底(24)；通过改变施加在所述第四电极(21)上电流的大小来改变所述相移区(4)提供的等效相移的大小，从而实现改变所述第一光栅区(3)、所述相移区(4)和所述第二光栅区(5)共同构成的整体光栅的反射谱。

10.如权利要求9所述的波长可调谐半导体激光器，其特征在于，通过改变施加在所述第四电极(21)上的电流改变主激射模和次纵模的相对强弱从而调控光子-光子谐振效应的有无和强弱。

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