CN113823993B - 一种集成表面光栅有源滤波器的半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成表面光栅有源滤波器的半导体激光器，在传统脊波导分布反馈布拉格光栅（DFB）激光器后单片集成一段表面光栅脊波导有源滤波器。DFB部分的脊条上设置电极以向DFB部分提供工作电流，使其输出满足波长要求的调制光信号。滤波器部分也通过脊条上设置的另一个独立电极进行电流注入，以向滤波器提供增益用于补偿DFB部分输出的调制光信号通过滤波器部分时产生的吸收损耗。滤波器通过对脊波导进行表面不规则光栅刻蚀形成，其通带透射谱和色散谱满足本发明提出的函数形式及特征，使DFB激光器输出的调制光信号在通过滤波器时能被有效的滤除通带外噪声、增加信号消光比，并进行色散预补偿，以提高本发明器件的输出信号在光纤中的传输距离。

Description

一种集成表面光栅有源滤波器的半导体激光器
技术领域
本发明属于半导体激光器领域，具体涉及一种集成表面光栅有源滤波器的半导体激光器。
背景技术
在过去的几十年里，互联网及多媒体应用的飞速发展使得对通信带宽的要求随之剧增。自上世纪70年代中期以来，容量距离积每四年就以十倍速度增长。在光纤通信系统中，脉冲信号在具有色散特性的介质中传输会引起波形失真，脉宽展宽，从而导致接收误码率增加。这一问题随着系统容量需求不断增加，信号传输速率随之提升而变得日益突出，成为下一代高速光纤通信系统发展的主要制约因素之一。
为了解决上述光纤通信系统传输容量受限的问题，发射机色散预补偿，传输链路色散补偿等都是有效技术方案([1] Mahgerefteh, et al., IEEE Journal of SelectedTopics in Quantum Electronics, 2010, 16(5):1126-1139. [2] Gruner-Nielsen L ,et al., Optical Fiber Technology, 2000, 6(2):164-180.)。其中，采用色散补偿光纤虽然效果明显，但是光纤的铺设及维护成本昂贵，方案缺乏灵活性。采用具有较高色散容忍度的发射机的解决途径则比较方便，近年来，啁啾管理激光器备受关注，它使得直接调制的激光器能够在高速、长距传输系统中得以应用。该结构包含了一个直接调制激光器和一个无源光谱整形单元，其中光谱整形单元是关键组件，一方面它利用边沿滤波将将直接调制激光器的消光比加大，另一方面经过特别色散设计的光谱整形单元在通带工作边沿处还可起到色散预补偿的作用。多腔周期滤波器、环形滤波器([3] Wei J , et al., IEEEPhotonics Technology Letters, 2011, 23(3):173-175. [4] Yan L S , et al.,Optics Express, 2005, 13(13):5106-5115.)等结构均可被用来作为光谱整形单元。这些滤波单元的共同点是均基于法布里帕罗标准具原理，因此，此类滤波器的通带宽度和通带边沿锐度受标准具原理限制无法实现独立改变，从而限制了啁啾管理激光器所能达到的最佳性能。光纤布拉格光栅是一种折射率沿光纤轴向周期性变化的光纤波导，具有窄带滤波特性，也可被用作光谱整形单元。然而采用均匀光栅的光纤布拉格光栅的反射谱通带外不可避免的存在旁瓣，影响滤除噪声的效果。切趾光纤光栅([5] Fr Hlich H G , et al.,Optics Communications, 1998, 157(1-6):273-281.), 可有效抑制反射谱旁瓣，提高噪声滤除特性，但是其反射谱的特性仍然受既定切趾函数的限制。另一方面，以上所报道的方案[1-5]均属于在半导体激光器外部集成其它分立部件，因此最终组件体积较大。
发明内容
为了解决现有方案的技术缺点，本发明提出一种集成表面光栅有源滤波器的半导体激光器结构，即在传统的DFB激光器之后单片集成一段仍基于脊波导结构的表面光栅有源滤波器，滤波器部分具有和DFB激光器部分相同的有源区外延结构。表面光栅有源滤波器的脊波导上方设置电极，可向滤波器有源区内注入电流，以提供增益用于补偿滤波器对光能量的吸收损耗。DFB激光器和滤波器中间刻蚀了电隔离槽，以实现两段电注入的电隔离和两段注入电流的独立可控。滤波器通过对脊波导进行表面不均匀光栅刻蚀形成，其透射谱和色散谱在应用频率范围内满足本发明提出的函数形式和特征，并根据所述函数形式和特征，利用光栅结构的逆向反推算法，可以计算出其对应的光栅结构，即表面光栅脊波导的齿周期、占空比、齿宽度调制分布等。选用在传统单纵模DFB激光器之后单片集成不均匀表面光栅滤波器，可以使得DFB激光器部分直接调制产生的高速调制光信号在经过表面光栅滤波器后被有效滤除通带外噪声，增加信号消光比，并同时进行色散预补偿，最终极大地提高了器件的输出信号在光纤中的传输距离。这些性能的提高均得益于本发明提出的独特的滤波器透射谱和色散谱设计以及相对应的简单及紧凑的结构实现。
优选地，DFB激光器选用单纵模DFB激光器，其结构沿y轴方向自下而上依次为N型电极、衬底、下包层、下分别限制层、有源层、上分别限制层、缓冲层、高折射率层、上包层、氧化层和P型电极。其中，高折射率层按常规光栅工艺刻蚀形成内部光栅。
优选地，DFB激光器脊波导沿x轴方向上的宽度
Figure 328236DEST_PATH_IMAGE001
的通常取值范围为1.5 ~ 3微 米，脊波导沿y方向上的高度通常取值范围为1.5~2微米，DFB激光器沿z轴方向上的长度
Figure 694626DEST_PATH_IMAGE002
通常取值范围为150 ~ 300微米。
优选地，表面光栅有源滤波器集成在DFB激光器后，其有源区外延结构与第一段DFB激光器相同。沿y轴方向自下而上依次为N型电极、衬底、下包层、下分别限制层、有源层、上分别限制层、缓冲层、高折射率层、上包层、氧化层和P型电极。其中，滤波器部分外延层中高折射率层不做光栅刻蚀。
优选地，滤波器的表面光栅采用脊波导刻蚀工艺制作，可选择与前段DFB激光器脊波导工艺同时进行，或分步进行。
优选地，表面光栅滤波器脊波导沿x轴方向上的宽度为
Figure 549450DEST_PATH_IMAGE003
，沿z轴方向为非均匀分 布，用
Figure 532449DEST_PATH_IMAGE004
表示。宽度的变化由表面光栅折射率调制幅度决定，通常其变化范围为：1.5 ~ 5微米。表面光栅的光栅周期沿z轴方向上的分布为
Figure 599762DEST_PATH_IMAGE005
，占空比为
Figure 820659DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure 705438DEST_PATH_IMAGE007
为光栅高折射率处对应的齿宽，
Figure 644576DEST_PATH_IMAGE008
为光栅低折射率处对应的齿宽。宽度、周期以及占空 比的分布由滤波器的透射谱和色散谱决定。表面光栅的脊波导沿y轴方向上的高度由刻蚀 深度决定，通常为1.5~2微米。表面光栅高度和DFB激光器脊波导高度
Figure 515580DEST_PATH_IMAGE009
可以相同，也可以 不同。表面光栅滤波器沿z轴方向上的长度一般大于300微米。
优选地，表面光栅滤波器为有源滤波器，脊波导上方设置电流注入电极，可由此向滤波器的有源区内注入电流以提供一定增益。
优选地，表面光栅滤波器的功率透射谱
Figure 588053DEST_PATH_IMAGE010
通带内透射率平坦，通带边沿线性度 好。通带内选用超高斯函数实现，通带两侧边沿选用线性函数实现，在感兴趣的应用频率范 围
Figure 378155DEST_PATH_IMAGE011
内，其函数形式如下：
Figure 804588DEST_PATH_IMAGE012
其中
Figure 72758DEST_PATH_IMAGE010
是归一化功率透射谱的对数，单位为dB，
Figure 2668DEST_PATH_IMAGE013
是偏离滤波器中心参考频率 的偏移量，单位为GHz，滤波器的参考频率是滤波器透射谱峰值处的频率。
Figure 963671DEST_PATH_IMAGE014
是滤波器通带 边沿斜率，单位为dB/GHz，
Figure 346242DEST_PATH_IMAGE015
是带通滤波器的3 dB带宽，单位为GHz。
Figure 559049DEST_PATH_IMAGE016
是应用频率边界值 大小，单位为GHz。
Figure 733678DEST_PATH_IMAGE010
对应的函数图像如图2所示。
优选地，式(1)中：指数
Figure 475369DEST_PATH_IMAGE017
；斜率
Figure 735449DEST_PATH_IMAGE014
的取值范围为0.8≤
Figure 220788DEST_PATH_IMAGE014
≤2dB/GHz；通带带 宽
Figure 249924DEST_PATH_IMAGE015
通常满足关系0.75B≤
Figure 428096DEST_PATH_IMAGE015
≤1.5B，其中B为激光器调制速率对应的频率；通带左侧和 右侧边沿线性区频率范围
Figure 175472DEST_PATH_IMAGE018
，其跨度大于10GHz；应用频率边界值
Figure 479150DEST_PATH_IMAGE016
通常取 值为1.5B。
优选地，表面光栅滤波器的透射谱相位产生的色散在透射频率谱左侧上升沿附近 平坦，并为负色散，色散谱在中心频率两侧具有反对称特性，在感兴趣的应用频率范围
Figure 362793DEST_PATH_IMAGE011
内，由如下函数形式实现：
Figure 977445DEST_PATH_IMAGE019
其中为
Figure 821904DEST_PATH_IMAGE020
滤波器的色散谱，单位为ps/nm，
Figure 39259DEST_PATH_IMAGE021
为预设色散曲线的最大色散；
Figure 918353DEST_PATH_IMAGE022
是色散从
Figure 438327DEST_PATH_IMAGE023
上升到
Figure 894716DEST_PATH_IMAGE021
的频率跨度，
Figure 791128DEST_PATH_IMAGE024
是色散平坦区
Figure 649363DEST_PATH_IMAGE023
到
Figure 340238DEST_PATH_IMAGE021
的频率跨度，
Figure 283923DEST_PATH_IMAGE025
是色散从
Figure 452868DEST_PATH_IMAGE021
或
Figure 165609DEST_PATH_IMAGE023
变化到0的频率跨度，单位均为GHz；应用频率边界值
Figure 290035DEST_PATH_IMAGE016
通常取值为 1.5B，B为信号调制速率对应的频率。
Figure 596383DEST_PATH_IMAGE020
对应的函数图像如图2所示。
优选地，式(2)中：
Figure 693652DEST_PATH_IMAGE021
由实际应用所需的色散补偿量来确定，通常范围为300ps/nm ~2000ps/nm；
Figure 136265DEST_PATH_IMAGE022
值的选取需要尽可能小，以保证在滤波器通带范围内，有较大的色散平坦 区，其取值范围为2≤
Figure 293577DEST_PATH_IMAGE022
≤4GHz；
Figure 352800DEST_PATH_IMAGE024
的取值范围一般为15GHz ~ 100GHz；为了获得最佳 的色散补偿效果，信号的频率偏移应该落在
Figure 988181DEST_PATH_IMAGE026
范围内，即色散是最小负 常数的范围内。
优选地，单纵模DFB激光器和表面光栅滤波器单片集成，激光器沿z轴方向依次为后端面、第一段单纵模DFB激光器、第二段表面光栅有源滤波器段和前端面。后端面镀高反膜，前端面镀增透膜，其中后端面高反膜的功率反射率为85%~95%，前端面的增透膜的功率反射率小于0.3%。
本发明至少具有如下有益技术效果：
（1）DFB激光器与表面光栅滤波器单片集成，结构紧凑，体积小。
（2）表面光栅滤波器和DFB激光器的有源区外延结构相同，两段结构交界处无需进行对接生长等复杂工艺，制作工艺简单，可靠性高。
（3）表面光栅滤波器上方设置独立电流注入电极，可提供增益形成有源滤波器，以补偿滤波器的吸收损耗，使得DFB激光器输出功率不受损失；
（4）表面光栅滤波器的透射谱通带边沿可实现高锐度以及可独立调节设计；有效提高光信号消光比；
（5）表面光栅滤波器的透射谱通带带宽可实现独立调节的设计，并且可根据不同激光器调制速率的应用进行设计优化，在不引起信号失真的前提下，最大程度的滤除入射信号的噪声；
（6）表面光栅滤波器色散谱在透射谱通带边沿可实现预设色散补偿功能，并可根据实际应用选择波长工作区域，在感兴趣的应用频率范围内进行色散补偿，从而可显著减小光信号在标准单模光纤中传输时的色散代价，极大改善普通DFB激光器的传输特性，特别是高速率和长距离的应用中；
（7）得益于表面光栅形成于表面脊波导的结构特征，表面光栅可在器件表面通过一次光刻工艺实现复杂设计的非均匀光栅结构，其制作工艺简单；更重要的是，其可以方便灵活的实现不同目标透射谱和色散谱的设计需求。
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(a)为本发明激光器结构俯视示意图；
图1(b)为本发明表面光栅俯视结构细节放大示意图；
图1(c)为本发明激光器结构侧视示意图；
图2为本发明提出的表面光栅滤波器功率透射谱和色散谱曲线图的典型示例；
图3为实施例中根据图2的透射谱要求设计出的表面光栅脊波导宽度沿z轴方向上的分布；
图4为实施例中设计出的表面光栅周期沿z轴方向上的分布；
图5为接入由图3和图4参数规范形成的表面光栅有源滤波器之前和之后的光信号眼图对比；
图6(a)为本发明激光器输出信号在调制速率为25Gb/s速率下，经过40公里光纤传输后的光眼图；
图6(b)为传统单节DFB激光器输出信号在调制速率为25Gb/s速率下，经过40公里光纤传输后的光眼图。
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，y轴方向为激光器外延生长方向，即高度方向；x轴方向为激光器横向方向，即宽度方向；z轴方向为激光器出光方向，即长度方向。
本发明提出在传统的单纵模DFB激光器后单片集成一段有源的表面光栅滤波器单 元，并且利用本发明提出的独特的滤波器透射谱和色散谱设计，从而构造出一类新型半导 体激光器，其结构俯视图和侧视图如图1(a)和图1(c)所示。本发明器件为脊波导结构，沿y 轴方向自下而上依次为N型电极1、衬底2、下包层3、下分别限制层4、有源层5、上分别限制层 6、缓冲层7、高折射率层8、上包层9、氧化层10、DFB激光器P型电极11、有源滤波器P型电极 12。其纵向结构即沿z方向从左至右依次为后端面16、第一段DFB激光器部分14、电极隔离区 13、第二段表面光栅有源滤波器部分15和前端面18。器件的DFB激光器脊波导，在x轴方向的 宽度
Figure 550880DEST_PATH_IMAGE001
为1.5 ~ 3 微米，沿z轴方向长度
Figure 879094DEST_PATH_IMAGE002
为150 ~ 300微米。器件的表面光栅有源滤波 器脊波导，在x轴方向的宽度
Figure 894454DEST_PATH_IMAGE004
变化范围为1.5 ~ 5微米，沿z轴方向长度大于等于300微 米。
优选地，在滤波器段设置电极注入电流，以向滤波器提供增益弥补光信号在经过滤波器的过程中产生的吸收损耗。
优选地，表面光栅滤波器的功率透射谱和色散谱由式(1)和式(2)的函数形式构造。
图2中实线为表面光栅滤波器的功率透射率谱，虚线为色散谱，分别由本申请说明书的式(1)和式(2)构造。
图3是根据图2所示的透射谱和色散谱，并结合强散射逆向反推算法，计算得到的表面光栅脊波导宽度沿z轴方向上的调制幅度分布。
图4是根据图2所示的透射谱和色散谱，并结合强散射逆向反推算法，计算得到的表面光栅的光栅周期沿z轴方向上的调制幅度分布。
如上所述，本发明在传统单纵模DFB脊波导激光器后单片集成一段有源的表面光栅滤波器，并按照式(1)和式(2)函数形式构造滤波器的透射谱和色散谱，利用光栅结构的逆向反推算法，计算出目标透射谱和色散谱对应的脊波导宽度分布、光栅周期及占空比分布，最后得到所需的滤波器脊波导结构。
整个器件的制作过程简单，可与前段DFB激光器的外延制作工艺兼容。表面光栅区的制作可采用光刻蚀技术与DFB脊波导一同进行，或者分步进行。
实施例 1
单纵模DFB激光器腔长
Figure 740050DEST_PATH_IMAGE027
微米，脊波导宽度
Figure 281890DEST_PATH_IMAGE028
微米，脊波导刻蚀 深度
Figure 656371DEST_PATH_IMAGE009
为1.6 微米。直调速率25Gb/s，工作波长1550 nm。滤波器目标透射谱和色散谱根据 式(1)和式(2)构造，各参数取值：
Figure 283661DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 404720DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 66645DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 612027DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 726614DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 648433DEST_PATH_IMAGE034
,
Figure 40231DEST_PATH_IMAGE035
。 对应的功率透射谱和色散谱如图2所示。根据光栅结构逆向反推算法获得表面光栅调制折 射率分布，相对应地，最后得到表面光栅滤波器的脊波导宽度沿z轴方向的分布
Figure 881148DEST_PATH_IMAGE036
以及 光栅周期沿z轴方向上的分布
Figure 623977DEST_PATH_IMAGE005
分别如图3和图4所示，为了获得较大的光栅耦合系数， 光栅占空比
Figure 208542DEST_PATH_IMAGE037
取50%，表面光栅长度毫米，脊波导刻蚀深度
Figure 454846DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure 607610DEST_PATH_IMAGE009
相同，均为1.6微米。
图5对比了本发明器件中，第一段DFB激光器的输出光调制信号在进入滤波器之前和经过滤波器之后的信号光眼图对比，从对比眼图可以看出，滤波器的接入使得信号的消光比由2dB提升至6.1dB。图6(a)和(b)分别对比了采用和未采用本发明滤波器的25Gb/s信号在传纤40公里后的传输眼图质量，可以看到采用了本发明滤波器后眼图明显张开，信号传纤质量极大提高。
本发明所提出的半导体激光器具有以下特点：
（1）由于表面光栅滤波器特殊的通道透射谱和色散谱设计，本发明所提出的器件输出的高速调制光信号能在光纤链路中传输更远的距离；
（2）由于表面光栅制作工艺的简单、易实现的特点，并结合光栅结构的逆向反推计算理论，表面光栅滤波器可以被灵活设计和实现；
（3）由于表面滤波器具有和前段DFB激光器相同的有源区外延结构，单片集成实现简单，可以有效减小器件的整体尺寸。
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 (8)

1.一种集成表面光栅有源滤波器的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器包括第一段单纵模脊波导DFB激光器以及与之单片集成的第二段表面光栅有源滤波器；所述DFB激光器和滤波器具有相同的有源区外延结构；所述DFB激光器和滤波器设置分立的电极以实现两段相互独立的电流控制；所述滤波器通过对脊波导进行表面不规则光栅刻蚀形成，所述半导体激光器在靠近DFB激光器的端面镀高反膜，在靠近滤波器部分的端面镀增透膜；
所述表面光栅有源滤波器的通带透射谱和色散谱在应用频率范围内分别满足如下函数形式：
Figure FDA0003465243280000011
Figure FDA0003465243280000012
其中T(ν)是归一化功率透射谱的对数，单位为dB；ν是偏离滤波器中心参考频率的偏移量，单位为GHz，滤波器的参考频率是滤波器透射谱峰值处的频率；a是滤波器通带边沿斜率，单位为dB/GHz；Δν是带通滤波器的3dB带宽，单位为GHz；D(v)为滤波器的色散谱，单位为ps/nm，D0为预设色散曲线的最大色散值；Δv1是色散从-D0上升到D0的频率跨度，Δv2是色散平坦区-D0到D0的频率跨度，Δν3是色散从D0或-D0变化到0的频率跨度；斜率a满足条件0.8dB/GHz～2dB/GHz；通带带宽Δν满足条件0.75B～1.5B，B为信号调制速率对应的频率；vi为1.5B，通带边沿线性区频率范围
Figure FDA0003465243280000021
其跨度大于10GHz；最大色散D0满足条件300ps/nm～2000ps/nm；频率跨度Δv1满足条件2GHz～4GHz，Δv2满足条件15GHz～100GHz。
2.根据权利要求1所述的一种集成表面光栅有源滤波器的半导体激光器，其特征在于，所述DFB激光器为单纵模DFB激光器，通过直接调制的方式产生调制光信号。
3.根据权利要求1所述的一种集成表面光栅有源滤波器的半导体激光器，其特征在于，所述DFB激光器和表面光栅有源滤波器的脊波导上都分别设置了相互独立的金属电极，DFB激光器脊波导上的电极用于向DFB提供工作电流，滤波器脊波导上的电极用于向有源滤波器注入电流，以向滤波器提供增益用于补偿前段DFB激光器输出的调制光信号通过滤波器部分时产生的吸收损耗。
4.根据权利要求1所述的一种集成表面光栅有源滤波器的半导体激光器，其特征在于，所述表面光栅有源滤波器，通过对脊波导进行表面不均匀光栅刻蚀形成，所述刻蚀与第一段DFB激光器部分的脊波导同时在一步刻蚀工艺内完成。
5.根据权利要求1所述的一种集成表面光栅有源滤波器的半导体激光器，其特征在于，形成光栅的齿周期和齿宽沿传播方向z非均匀分布，具体的齿周期、占空比、齿宽大小及分布由所述的函数形式通过强散射逆向反推算法获得。
6.根据权利要求1所述的一种集成表面光栅有源滤波器的半导体激光器，其特征在于，所述DFB激光器和滤波器具有相同的有源区外延结构，沿y轴方向自下而上依次为N型电极、衬底、下包层、下分别限制层、有源层、上分别限制层、缓冲层、高折射率层、上包层、氧化层和P型电极。
7.根据权利要求6所述的一种集成表面光栅有源滤波器的半导体激光器，其特征在于，所述DFB激光器的高折射率层刻蚀形成内部光栅，滤波器部分的高折射率层不做刻蚀，不在内部形成光栅。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种集成表面光栅有源滤波器的半导体激光器，其特征在于，沿z轴方向依次为后端面、第一段单纵模DFB激光器、电隔离槽、第二段表面光栅有源滤波器段和前端面，其中后端面镀反射率为85％～95％的高反膜，前端面镀反射率小于0.3％的增透膜。
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