CN113300215A - 一种具有高单纵模稳定性的半导体激光器 - Google Patents

一种具有高单纵模稳定性的半导体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有高单纵模稳定性的半导体激光器，在传统的FP激光器中引入了一个无源的失谐双光栅区，并且利用法布里珀罗腔的增益介质具有的非线性饱和效应作为非线性增益元件，从而构造出一类新型半导体激光器。其中，FP腔本征的多激射模式通过失谐双光栅区的高Q带通滤波，频谱被纯化，再通过FP激光器有源区非线性增益介质的放大，将频谱略展宽，如此往复，激光器的频谱经过多次滤波后被极大的压窄，最终形成单模激射振荡。

Description

一种具有高单纵模稳定性的半导体激光器
技术领域
本发明属于半导体激光器领域，具体涉及一种具有高单纵模稳定性的半导体激光器。
背景技术
随着英特网的飞速发展，以及大数据的急速推进，作为主要光源器件之一的单纵模半导体激光器在电信通信和数据通信领域中被大量需求。器件的高速调制特性，输出光谱的窄线宽特性以及输出光源的稳定性等都随着用户的更高要求不断的被提升。单纵模半导体激光器通常采用分布反馈机制来实现单模运转，如耦合腔机制，分布反馈激光器(DFB)，和分布布拉格反射镜激光器(DBR)。
通常，耦合腔结构激光器对耦合腔长等参数的控制要求极为严格，涉及有源区刻蚀，其封装或偏置的复杂性等都会导致高成本及低可靠性等问题。就单模DFB激光器的发展而言，自上世纪80年代开始，其经历了不断的改进和衍变，例如折射率耦合均匀光栅(或四分之一相移)IC-DFB激光器，增益或损耗耦合GC(LC)-DFB激光器等。IC-DFB激光器的一个主要的缺点是它对外部反馈光非常敏感，在实际通信系统中必须采用隔离器来保证激光器的稳定工作，这个缺点也使得DFB激光器与其他同基底器件无法实现单片集成，不符合器件的小型化发展趋势。
为了解决上述单模激光器存在的对外界反馈光敏感的问题，一些研究工作致力于研制改进结构，从而实现无光隔离器的发射机单元，以节约成本。这方面的工作主要分为两大类，一类是基于DFB结构的器件，另一类是基于FP结构的器件。基于DFB激光器的器件有：部分反馈波导激光器、具有线状有源区的分布反射镜激光器以及多量子阱横向耦合DFB激光器；基于提高传统FP激光器选模机制的研究包括：离散模式激光器以及具有谐振隧穿结构的单模FP激光器。
日本NEC公司中提出的结构其单模实现原理与IC-DFB相同，但是由于靠近出射端面的光栅部分被移除，结果显示当外部反馈光强度小于-20dB时，具有优于传统的IC-DFB的单模成品率(Y.Huang,et al.,IEEE J.of Selected Topics in Quantum Electronics,5,435-441,1999)。具有线状有源区的分布反射镜激光器，用DBR替代传统IC-DFB中的HR镀膜，有源区采用增益耦合DFB结构，实现单模，研究结果显示当外部反馈光强度低于-12.5dB时，具有较稳定的单模性能(S.H.Lee,et al.,In Lasers and Electro-Optics,CLEO/QELS2009)。但是它的制作工艺相对复杂，形成增益耦合光栅需要刻蚀多量子阱有源区，而高速器件有源区材料一般选用的含铝组分材料，可能会造成器件性能的不稳定。加拿大渥太华大学的光电子技术实验室于2014年首次报道了三阶光栅横向耦合DFB激光器在有外部反馈光下的特性，研究结果表明这种结构能承受的最大光反馈强度约为-11.5dB(R.Maldonado-Basilio,et al.,JW2A.78,CLEO 2014.)。通过在激光器谐振腔中引入折射率的微扰可以极大的影响激光器的激射谱从而实现激光器的单纵模激射，这种激光器被称为离散模式激光器，研究结果显示该结构相对于IC-DFB激光器对外部反馈光的免疫力提高了约5dB(C.Guignard,et al.,663-664,LEOS 2006.)。X.Li等利用在普通FP激光器腔内插入一个可单片集成的谐振隧穿带通滤波器实现了器件的单模工作，边模抑制比(SMSR)约40dB(X.Li,et al.,Appl.Phys.Lett.,107,091108,2015)。此结构基于FP激光器，选模机制也几乎不受端面相位影响，因此单模稳定性本质上由于IC-DFB结构。然而谐振隧穿结构的制作精度要求较高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种新型失谐光栅单纵模激光器，其具有对外部反馈光的高度免疫力，并且对端面相位的变化不敏感。
本发明提出一种具有高单纵模稳定性的半导体激光器，半导体激光器为FP脊波导激光器，脊波导中还包括由失谐双光栅区构成的高Q带通滤波器，失谐双光栅区包括级联的不同光栅周期的第一失谐光栅区和第二失谐光栅区；FP腔内本征的多激射模式通过高Q带通滤波器，频谱被纯化，再通过有源区非线性增益介质的放大，将频谱展宽，如此往复，FP脊波导激光器的频谱经多次滤波后被压窄，最终形成单纵模激射振荡。
优选地，利用第一失谐光栅区和第二失谐光栅区的透射谱的高锐通带边缘形成高Q带通滤波器的高Q窄带带通滤波特性。
优选地，失谐双光栅区沿z轴方向的长度为FP腔沿z轴方向总长度的7％～15％，且第一失谐光栅区和第二失谐光栅区的长度相等。
优选地，脊波导沿x轴方向的宽度w1为1.5～2.5微米，失谐双光栅区沿x轴方向的宽度w2的数值范围为w1≤w2≤4μm。
优选地，失谐双光栅区的刻蚀深度与所述脊波导沿y轴方向的厚度相同。
优选地，失谐双光栅区的光栅的倾斜角为2～4度。
优选地，第一失谐光栅区和第二失谐光栅区的光栅布拉格波长差为36～43纳米。
优选地，第一失谐光栅区和第二失谐光栅区的光栅布拉格波长差为40纳米。
优选地，FP脊波导激光器沿y轴方向自下而上依次为衬底、下包层、有源层、上包层和上包层脊条部分，沿z轴方向依次为后端面、第一FP腔电注入区，第一失谐光栅区、第二失谐光栅区、第二FP腔电注入区和前端面。
优选地，第一失谐光栅区和第二失谐光栅区无电注入。
本发明至少具有如下有益技术效果：
1)由于对外部反馈光的高度免疫力，光出射端口后无需连接不同材料体系的光隔离器，在减小光组件成本的同时，可减小光组件的尺寸；
2)由于对端面相位的变化不敏感，因此常规芯片解理工艺对器件单模特性影响小；
3)失谐光栅结构可在激光器脊波导上刻蚀形成，因此该激光器可与其它同基底光器件单片集成，利于光组件的小型化发展,因此该器件是一种具有较大应用潜力的新型光源器件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明有源振荡器原理图；
图2(a)和图2(b)分别为本发明提出的新型失谐光栅单纵模激光器的器件侧视图和俯视图；
图3(a)为失谐双光栅区的结构，图3(b)为失谐双光栅区的透射谱示意图；
图4中的(a)、(b)和(c)分别为失谐双光栅区倾斜角为0度、2度和4度时的透射谱和反射谱；图中R17表示失谐光栅区在界面17处的功率反射率，R19表示失谐光栅区在界面19处的功率反射率，T17-19表示从界面17到界面19的功率透射率，T19-17表示从界面19到界面17的功率透射率；其中T17-19和T19-17曲线重合。
图5为两节光栅的布拉格波长差δλB＝(λB1-λB2)对器件单模特性的影响；
图6中的(a)为普通FP激光器的多模光谱；图6中的(b)为本发明提出的采用了失谐双光栅区后获得的单纵模激射光谱；
图7为在不同外界光反馈强度情况下，反馈光信号相位从0变化到2π时，激光器单模成品率的变化。
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。
在本发明的权利要求书和说明书中，x轴方向为激光器FP激光器横向方向，即宽度方向；y轴方向为FP激光器外延生长方向，即高度方向；z轴方向为FP激光器出光方向，即长度方向。
本发明提出在传统的FP激光器中引入了一个无源的失谐双光栅区作为类似于电子振荡器中的带通滤波单元，并且利用法布里珀罗腔(FP)的增益介质具有的非线性饱和效应作为非线性增益元件，从而构造出一类新型半导体激光器。如图1所示，FP腔本征的多激射模式1通过失谐双光栅区2的高Q带通滤波，频谱被纯化，再通过FP激光器有源区非线性增益介质3的放大，将频谱略展宽，如此往复，所述激光器的频谱经多次滤波后被压窄，最终形成单纵模激射振荡，如频谱4。
对应于上述原理的器件结构如图2(a)和图2(b)所示。其中，图2(a)和(b)分别为本发明提出的新型失谐光栅单纵模激光器的器件侧视图和俯视图。本发明器件为脊波导结构，沿y方向自下而上依次为N型电极5、衬底及下包层6、有源层7、上包层8、上包层脊条部分9和P型电极10；其纵向结构即沿z方向从左至右依次为后端面13、FP腔电注入区15，第一失谐光栅区11、第二失谐光栅区12、FP腔电注入区16、前端面14。其中脊波导在x轴方向的宽度w1为1.5～2.5μm。
图3(a)和(b)分别为失谐双光栅区的具体结构及透射谱图。光栅与x方向的夹角为θg，高折射率区等效折射率为nH，低折射率区等效折射率为nL。第一失谐光栅区11为界面17到18之间的均匀光栅区域，长度为L1，光栅周期Λ1，其透射谱20的光谱阻带中心波长为λB1。第二失谐光栅区12为界面18到19之间的均匀光栅区域，长度为L2，光栅周期Λ2，其透射谱21的光谱阻带中心波长为λB2。且控制两个光栅区域的长度相等，即L1＝L2。由图3(b)可以看到两个透射谱20及21通过合理设计光栅周期Λ1及Λ2，利用两个透射谱的高锐通带边缘形成高Q窄带带通滤波特性22。
光栅区的等效高低折射率(nH和nL)由FP激光器的基础结构及光栅刻蚀深度决定，优选地，光栅刻蚀深度与脊波导厚度相同。光栅区z方向的长度越长，所形成的通带边沿锐度越高，但是光栅区光吸收会增加，优选地，该区域长度控制在FP腔z方向总长度的7％～15％。另外，光栅区x方向的宽度越宽，光栅的耦合强度越大，所形成的透射谱的通带边沿锐度越锐，优选地，光栅区在x轴方向的宽度w2的数值范围为w1≤w2≤4μm，以实现对光栅耦合强度的最有效控制。
通过设计两节光栅的布拉格波长(λB1和λB2)及差值(δλB)可以实现具有特定中心波长和带宽的带通型透射谱。通过调节光栅的倾斜角θg，可以使该失谐光栅所形成的反射谱被极大的反射至腔外，几乎不对器件内光振荡产生影响。
图4中的(a)、(b)和(c)为光栅倾斜角分别为0°、2°和4°时，整个光栅区的功率反射谱和透射谱。当倾斜角达到2°时，反射谱功率已被极大降低，当倾斜角达到4°时，反射谱功率几乎为零，此时双失谐光栅相对于FP激光器来说构成了一个近乎纯带通的透射型滤波器。
图5为两节光栅的布拉格波长差δλB＝(λB1-λB2)对器件单模特性的影响。若以边模抑制比SMSR>30dB为器件实现单模工作的标准，可以看出当两节光栅布拉格波长差δλB在36～43纳米之间时，器件的边模抑制比均能大于30dB。当δλB处于优化后最佳值40纳米附近时，SMSR可高达50dB。
优选的，光栅区无电注入，可以保证带通滤波单元的频谱稳定性不受激光器工作状态(例如不同偏置电流)的影响。
如上所述，本发明在传统FP脊波导激光器腔内插入具有不同光栅周期的两节均匀光栅，两节级联光栅结构通过特定的设计，其透射谱可形成一个带通滤波器。而激光器的两个解理端面提供了反馈回路。显然，带通滤波单元的选模特性，包括Q值和波长稳定性是影响激光器输出信号频谱纯净度的主要决定因素。
整个器件的制作过程简单，可与普通FP激光器的制作工艺兼容。光栅区的制作可采用光刻蚀技术与脊波导一同进行，或者分步进行。
实施例1
器件总腔长330μm，L1＝L2＝13微米,w2＝3微米，θg＝2度，δλB＝40纳米，图6中的(a)和(b)分别为普通FP激光器的多模光谱以及本发明采用了失谐双光栅区后获得的单纵模激射光谱，结果显示本发明所提出的单模激光器的边模抑制比高达50dB。图7对比了本发明所提出的单模激光器与传统的IC-DFB激光器对外部反馈光的免疫力，也即在不同外界光反馈强度情况下，反馈光信号相位从0变化到2π时，激光器单模成品率的变化。可以看到，本发明器件的单模成品率高于传统IC-DFB激光器，且几乎不受外界反馈光的干扰，而传统的IC-DFB激光器的单模成品率随着反馈强度的增加而显著降低。
通常，端面解理工艺会导致器件前、后端面形成等效相位，该相位在传统均匀光栅结构中会明显影响其SMSR，从而导致单纵模成品率的严重劣化。本发明所提出的单纵模激光器，通过对前、后端等效相位在0～2π范围内扫描计算，结果显示，单模成品率仍然高达80％，而归一化耦合系数为2的传统均匀光栅IC-DFB激光器的成品率通常仅约为30％(K.David,et al.，Quantum Electronics,IEEE Journal of,27(6),1714-1723,1991)。
本发明所提出的半导体激光器具有以下特点：
(1)由于失谐光栅形成的带通滤波单元具有高锐的通带边沿，因而所提出的器件具有较好的选模特性，输出光谱边模抑制比最高可达50dB；
(2)本发明提供的器件，不管光路中是否存在微扰，只要带通滤波单元具有足够高的中心频率稳定性和适宜的带宽，该振荡器发生谐振的相位匹配条件总是能够自动满足，因此该激光器具有对由外部反馈光干扰所带来的相位变化不敏感的固有特点；
(3)由于在上述振荡形成方式中较易满足所需的相位匹配条件，从而使得外部反馈光不易破坏激光器原有的振荡条件，这个显著特点将可以使得在激光器后连接光隔离器的传统方式无需再被采用，以极大的促进器件的集成及小型化发展；
(4)本发明提供的器件选模机制不依赖于端面相位，因此还具有对解离工艺造成的端面随机相位不敏感的特点，能够大大增加器件在实际制作中的单纵模成品率。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种具有高单纵模稳定性的半导体激光器，所述半导体激光器为FP脊波导激光器，其特征在于，所述FP脊波导激光器还包括通过刻蚀脊波导形成的失谐双光栅区，所述失谐双光栅区构成高Q带通滤波器，所述失谐双光栅区包括级联的不同光栅周期的第一失谐光栅区和第二失谐光栅区；FP腔内本征的多激射模式通过高Q带通滤波器，频谱被纯化，再通过有源区非线性增益介质的放大，将频谱展宽，如此往复，所述FP脊波导激光器的频谱经多次滤波后被压窄，最终形成单纵模激射振荡。
2.根据权利要求1所述的一种具有高单纵模稳定性的半导体激光器，其特征在于，利用所述第一失谐光栅区和第二失谐光栅区的透射谱的高锐通带边缘形成所述高Q带通滤波器的高Q窄带带通滤波特性。
3.根据权利要求1所述的一种具有高单纵模稳定性的半导体激光器，其特征在于，所述失谐双光栅区沿z轴方向的长度为FP腔沿z轴方向总长度的7％～15％，且所述第一失谐光栅区和第二失谐光栅区的长度相等。
4.根据权利要求1所述的一种具有高单纵模稳定性的半导体激光器，其特征在于，所述脊波导沿x轴方向的宽度w1为1.5～2.5μm，所述失谐双光栅区沿x轴方向的宽度w2的数值范围为w1≤w2≤4μm。
5.根据权利要求1所述的一种具有高单纵模稳定性的半导体激光器，其特征在于，所述失谐双光栅区的刻蚀深度与所述脊波导沿y轴方向的厚度相同。
6.根据权利要求1所述的一种具有高单纵模稳定性的半导体激光器，其特征在于，所述失谐双光栅区的光栅的倾斜角为2～4度。
7.根据权利要求1所述的一种具有高单纵模稳定性的半导体激光器，其特征在于，所述第一失谐光栅区和第二失谐光栅区的光栅布拉格波长差为36～43纳米。
8.根据权利要求7所述的一种具有高单纵模稳定性的半导体激光器，其特征在于，所述第一失谐光栅区和第二失谐光栅区的光栅布拉格波长差为40纳米。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种具有高单纵模稳定性的半导体激光器，其特征在于，所述FP脊波导激光器沿y轴方向自下而上依次为衬底、下包层、有源层、上包层和上包层脊条部分，沿z轴方向依次为后端面、第一FP腔电注入区，第一失谐光栅区、第二失谐光栅区、第二FP腔电注入区和前端面。
10.根据权利要求9所述的一种具有高单纵模稳定性的半导体激光器，其特征在于，所述失谐双光栅区无电注入。
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