CN114902507A - 带有成角度的中心波导部分的dfb激光器 - Google Patents
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Abstract
一种DFB激光器，具有后刻面(302)、前刻面(301)以及限定在后刻面和前刻面之间的激光腔。该腔具有包括布拉格光栅的波导(308)。该波导包括与后刻面(302)相邻的第一外部区域(L1)、与前刻面(301)相邻的第二外部区域(L2)以及在第一外部区域和第二外部区域之间的中心区域。波导的中心区域相对于第一外部区域和第二外部区域轴向偏移，并且中心区域中的光栅具有比第一外部区域和第二外部区域更大的有效光栅节距。可以获得具有恒定光栅节距的单一激光模式。
Description
技术领域
本发明涉及例如有助于单模激光发射的激光器。
背景技术
高性能低成本的激光模块用于诸如大容量、高速光接入网络等应用。
传统的激光二极管通常包括具有前面或前刻面、与前刻面相对的后面或后刻面以及在其间形成的激光腔的半导体块。该腔通常包括插置在p型或n型半导体材料层之间的有源层。一个或更多个涂覆层，诸如抗反射(AR)或高反射(HR)涂层，可以被应用于前刻面和后刻面，以提供预定的反射率。
在分布式反馈(DFB)激光器中，布拉格光栅用作至少一个面的波长选择元件并提供反馈，将光反射回腔中以形成谐振器。
希望将增益介质限制在光波导中。波导限制了光可以在其中传播的区域，并且包括相对于周围材料具有增加的折射率的区域，使得光的全内反射在波导内发生。这使得可以将发射的光引导成准直光束，并允许构建激光谐振器，以便可以将光耦合回增益介质中。
InP单模DFB激光器广泛用于电信系统。由于对称性，如图1的平面图所示的具有全光栅的传统DFB具有两种相互竞争的激光模式。布拉格光栅包括一系列平行元件，如101所示。
优选的是，打破DFB激光器的腔对称性以有助于单一激光模式的操作。已经提出了各种方案来做到这一点，包括引入λ/4相移光栅。锥形波导也可用于破坏DFB结构对称性。然而，使波导成锥形会影响波导的折射率，因此必须对光栅进行啁啾，以产生单波长输出。替代地，可以使用弯曲波导来打破DFB结构对称性。
为了提高直接调制DFB激光器的带宽，经常使用Kappa*L>2.0(其中Kappa是光栅强度，并且L是光栅长度)。因此，由于纵向空间烧孔效应，可能会发生模式跳跃，在低频下会出现带宽滚降。
为了抑制纵向空间烧孔效应和低频下的频率响应滚降，在激光器结构中应用了非对称波纹节距调制(CPM)光栅，如图2所示。APCM光栅部分201的周期与大约200nm的光栅202的标准节距相差大约0.4nm。已经证明，非对称波纹节距调制ACPM激光器具有更高的频率响应，并且能够实现在55℃对1000个波形具有22％的高掩模余量的28Gb/s的直接调制(OFC2013，Oth4H.3，2013)。然而，APCM光栅与标准光栅一起写需要电子束，这难以控制，并且产率可能较低。
需要开发一种易于制造的激光器，该激光器具有恒定的光栅节距，不需要啁啾以有助于单一激光模式。
发明内容
根据第一方面，提供了一种激光器，具有后反射体、前反射体和限定在后反射体和前反射体之间的激光腔，该腔具有包括布拉格光栅的波导，该波导包括与后反射体相邻的第一外部区域、与前反射体相邻的第二外部区域以及在第一外部区域和第二外部区域之间的中心区域，波导的中心区域相对于第一外部区域和第二外部区域轴向偏移，并且在中心区域中的光栅具有比在第一外部区域和第二外部区域中更大的有效光栅节距。
使用具有成角度的中心部分的波导可以提高产率，选择性地有助于优选的激光波长并减少模式跳跃。
布拉格光栅可以延伸穿过波导的第一外部区域、中心区域和第二外部区域。布拉格光栅可以包括在波导的第一外部区域、中心区域和第二外部区域中彼此平行的一系列元件。布拉格光栅的元件在波导的第一外部区域、中心区域和第二外部区域中可以具有相同的垂直于它们自身的节距。因此，可以沿波导结构应用恒定的物理光栅节距。控制中心部分中的光栅的长度也是容易的。因此，DML产率可能非常高，并且使用这种构造可以避免对昂贵且复杂的啁啾光栅的需求。可以使用低成本的全息光栅工艺来制造等节距光栅。
布拉格光栅在第一外部区域和第二外部区域中的元件可以具有彼此相同的有效节距。这可以简化激光器的制造。
波导的中心区域可以用作非对称波纹节距调制光栅。因此，三部分波导DFB激光器可用于实现具有与单模ACPM DFB激光器相似的特性但更容易制造的激光器。
波导的每个区域可以有助于沿各自轴线的光传播，并且中心区域的轴线可以相对于第一外部区域和第二外部区域的轴线成角度地偏移。中心区域的轴线可以相对于第一区域和第二区域的轴线成角度偏移1至10度之间。这可以允许波导区域的有效节距被相应地选择并根据激光器的应用进行控制。
第一外部区域和第二外部区域的轴线可以是平行的。这可以简化激光器的制造。
中心区域中的布拉格光栅的有效节距可以比第一外部区域和第二外部区域的布拉格光栅的有效节距长0.01-1nm之间。有效节距的差可以被相应地选择，并且可以提高激光器的产率。
波导可以在前反射体和后反射体之间延伸。这可以允许光在腔内反射，从而可以提高激光器的产率。
前反射体可以涂覆有抗反射涂层。后反射体可以涂覆有抗反射涂层或高反射涂层。这可以提高激光器的性能。
波导可以是脊形波导或掩埋异质结构波导。这可以允许灵活制造激光器。
激光器可以是分布式反馈激光器。这可以允许激光器用于诸如电信等应用。
波导的宽度可以在0.5μm到3.0μm之间。这可以允许波导的有效折射率被相应地选择。
布拉格光栅的强度Kappa*L可以在0.7到3.0的范围内。这可以允许激光器的光学特性被相应地选择。
附图说明
现在将参照附图以示例的方式描述本发明。
在附图中：
图1示意性地示出了传统DFB激光器的平面图；
图2示出了具有ACPM光栅的DFB激光器的示例；
图3示意性地示出了本文描述的DFB激光器的示例的侧视图；
图4示意性地示出了穿过本文描述的DFB激光器的示例的截面；
图5示意性地示出了本文描述的DFB激光器的示例的平面图。
具体实施方式
如图3所示，一种形式的DFB激光器包括半导体块，该半导体块具有前面301、与前面相对的后面302以及形成在其间的激光腔。前面和后面中的一个或二者可以是解理面。优选地，前刻面和后刻面彼此平行对齐。可以将高反射(HR)涂层应用于后刻面。后刻面用作后反射体，并且前刻面可用作前反射体。HR涂层或抗反射(AR)涂层可以应用于前面。光在前面处离开激光腔，如303所示。
如图3和4所示，激光腔包括插置在p型和n型半导体材料层(分别以305和306示出)之间的有源层304。在该示例中，半导体层由InP制成。然而，可以使用其他半导体材料，诸如GaAs。可以在p型和n型层305、306的区域中选择性地掺杂形成腔的材料。层304、305和306被限定在衬底307中。在该示例中，这些层在后反射体和前反射体之间延伸的方向上是细长的。
激光器的波导308包括折射率n大于衬底的折射率的材料。光从激光器的前面处的波导端部发射。
在图3到5所示的示例中，波导是脊形波导。脊形波导可以通过在波导的任一侧的材料中蚀刻平行沟槽以创建隔离的突出条来产生，其通常小于10μm宽，几百μm长。可以在脊的侧面沉积折射率比波导材料低的材料，以将注入的电流引导到脊中。替代地，脊可以在不与波导下方的衬底接触的三个侧面被空气包围。脊也可以涂覆有金，以提供电接触并在产生光时帮助从脊中除热。
波导包括布拉格光栅309。布拉格光栅可以定位在波导脊308和p-InP层305之间。替代地，布拉格光栅可以定位在有源区域下方，即在n掺杂层306中。
如图5的示例性平面图所示，布拉格光栅包括沿第一轴线F具有规则物理间隔∧std的一系列平行元件310。元件中的每个正交于第一轴线延伸。平行元件在波导的宽度上延伸。波导的宽度w是平行于元件测量的。光栅Kappa*L优选地在0.7到3.0之间。
如图5所示，波导308包括三个区域：分别为第一和第二外部区域L1和L2、以及中心区域Lang。第一和第二外波导区域以及中心波导区域彼此光学耦合。第一外部区域邻近(或终止于)后反射体302，并且第二外部区域邻近(或终止于)前反射体301。中心区域在第一和第二外部区域之间，并且相对于第一和第二外部区域轴向偏移。
波导的每个区域有助于沿着相应轴线的光传播：第一外部部分L1有助于沿着轴线D1的光传播，中心部分Lang有助于沿着轴线D2的光传播，并且第二外部部分L2有助于沿着轴线D3的光传播。中心区域的轴线D2相对于第一和第二外部区域的轴线D1和D3分别以角度θ成角度偏移。取决于波导和激光器设计，中心区域的轴线优选地相对于第一和第二区域的轴线成角度偏移1至10度之间。在该示例中，第一和第二外部区域的轴线彼此平行且是直是(即，与腔的长度对齐，垂直于波导的宽度)，并且中心部分Lang的轴线相对于第一和第二外部区域中的每个的轴线偏移角度θ。
布拉格光栅309延伸穿过波导的所有三个区域，并且沿轴线F具有沿整个波导相等的物理节距∧std(即，恒定的物理间隔)。波导的元件310彼此平行。
第一外波导部分L1包括元件310的第一子集，第二外波导部分L2包括元件310的第二子集，并且中心波导部分包括元件310的第三子集。在图5所示的示例中，轴线F平行于方向D1和D3，并且轴线F正交于前反射体301和后反射体302。
对于沿着波导从后面朝向前面传播的光，第一和第二外部波导部分L1和L2具有与中心波导部分Lang不同的有效节距∧eff。
如上所述，第一和第二外波导部分是直的，具有光栅节距∧std，其对应于布拉格光栅波长λstandard。在波导的中心部分中，等节距波导相对于第一和第二外部部分倾斜角度θ，在APCM激光器中，波导的中心部分将包括APCM光栅。
使中心波导部分成角度增加了在中心部分中的布拉格光栅的元件之间传播的光的路径长度。沿中心波导部分传播的光将经历有效周期为∧ang＝∧std/cos(θ)的光栅。因此，布拉格光栅在中心部分的有效节距∧ang大于物理节距，在第一和第二外波导部分是直的情况下，物理节距等于∧std。在所有波导部分中，波导的物理节距具有恒定值∧std。
在该示例中，布拉格光栅的元件跨波导的宽度进行布置，并且第一和第二外波导部分与腔的长度对齐(即，第一和第二外波导部分是直的)。中心波导部分相对于腔的长度成角度。布拉格光栅元件垂直于腔的长度延伸。后反射体是平面的，并且腔的长度是在垂直于后反射体的方向上(沿图5中的轴线F)测量的。
例如，如果第一和第二外部区域具有200nm的物理光栅节距，并且中心区域在第一和第二外波导区域之间以4度的角度θ倾斜，则会在中心波导区域产生200.49nm的有效节距。因此，使用θ＝4度的角度实现了0.49nm的光栅节距差，如在诸如图2所示的ACPM激光器中一样。
适当地，中心区域中的布拉格光栅的有效节距比第一和第二外部区域的有效节距长0.01nm至1nm之间。适当地，中心区域中的布拉格光栅的有效节距比第一和第二外部区域的有效节距长0.001-1％之间，优选地0.005-0.5％之间，更优选地0.1-0.3％之间。适当地，中心区域中的布拉格光栅的有效节距比第一和第二外部区域的有效节距长0.01nm到0.5％之间。
在图5所示的示例中，波导的第一和第二外部区域是直的(即，方向D1和D3平行于腔的长度，所述腔的长度沿在图5中为沿着轴线F)，并且中心区域相对于两个外部区域成角度(因此相对于腔的长度和轴线F成角度)。替代地，第一和第二外部区域中的一个或二者可以相对于垂直于布拉格光栅的元件的轴线成角度。因此，第一外部区域中的布拉格光栅可以具有与第二外部区域中的布拉格光栅不同的有效节距。在这种情况下，中心区域中的光栅的有效节距大于第一和第二外部区域中的每个中的布拉格光栅的有效节距。
波导的总长度L由L＝L1+L2+Lang给出。L1可以在L的5％到60％之间。Lang可以在L的15％到40％之间。
DFB激光器的波导可以是掩埋异质结构(BH)或浅脊形波导。波导宽度可以在大约0.5μm到3.0μm之间。中心波导部分Lang可以具有与外波导部分L1和L2相同的波导宽度。替代地，中心波导部分Lang可以具有与外波导部分L1和L2不同的波导宽度。替代地，所有波导部分可以具有彼此不同的宽度。
腔的有源区域和半导体层可以由InP、GaAs或其他半导体材料制成。
在本文描述的激光器中，可以沿波导结构应用恒定的物理光栅节距∧std。控制中心部分中的光栅的长度也是容易的。因此，DML产率可以非常高。使用上述构造可以避免对昂贵且复杂的啁啾光栅的需要。三个部分波导DFB激光器可以用于实现具有与单模ACPMDFB激光器相似特性的激光器。本文描述的激光器比ACPM DFB激光器更容易制造，因为不需要使用电子束写光栅，也不需要沿着波导改变光栅周期。光栅沿波导具有相同的节距(光栅周期对于整个波导都是恒定的)。可以使用低成本的全息光栅工艺来制造等节距光栅。光栅的物理节距可以是例如大约300nm、200nm或50nm。布拉格光栅可以是折射率耦合光栅、增益耦合光栅或复合耦合光栅。包括波导和/或光栅的层可以由p掺杂或n掺杂半导体材料制造。
提出的DFB激光器打破了激光腔的结构对称性。因而，使用具有成角度的中心部分的波导可以选择性地有助于优选的激光波长并减少模式跳跃。HR或AR涂层可以应用于激光器的刻面，以增强输出功率并进一步降低结构对称性。
激光器结构可以与另一光学功能结构集成，例如电吸收调制器(EAM)、马赫-曾德尔调制器或放大器。激光器的前面可以光学耦合到透镜。
申请人在此单独公开本文所述的每个单独的特征以及两个或多个这些特征的任何组合，以使得这些特征或组合能够基于本说明书作为一个整体根据本领域技术人员普通常规知识来实施，而无论这些特征或特征的组合是否解决了本文公开的任何问题，并且不限于权利要求的范围。申请人指出，本发明的各个方面可以由任何此种单独特征或特征的组合组成。鉴于前面的描述，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在本发明的范围内进行各种修改。
Claims (17)
1.一种激光器，具有后反射体(302)、前反射体(301)和限定在所述后反射体和所述前反射体之间的激光腔，所述腔具有包括布拉格光栅(309)的波导(308)，所述波导包括与所述后反射体相邻的第一外部区域(L1)、与所述前反射体相邻的第二外部区域(L2)以及在所述第一外部区域和所述第二外部区域之间的中心区域(Lang)，所述波导的中心区域相对于所述第一外部区域和所述第二外部区域轴向偏移，并且在所述中心区域中的所述光栅具有比在所述第一外部区域和所述第二外部区域中更大的有效光栅节距。
2.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述布拉格光栅延伸穿过所述波导的所述第一外部区域、所述中心区域和所述第二外部区域。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的激光器，其中，所述布拉格光栅包括在所述波导的所述第一外部区域、所述中心区域和所述第二外部区域中彼此平行的一系列元件。
4.根据权利要求3所述的激光器，其中，所述布拉格光栅的元件在所述波导的所述第一外部区域、所述中心区域和所述第二外部区域中具有相同的垂直于它们自身的节距。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的激光器，其中，所述布拉格光栅在所述第一外部区域和所述第二外部区域中的元件具有彼此相同的有效节距。
6.根据任一前述权利要求所述的激光器，其中，所述波导的中心区域用作非对称波纹节距调制光栅。
7.根据任一前述权利要求所述的激光器，其中，所述波导的每个区域有助于沿各自轴线的光传播，并且所述中心区域的轴线相对于所述第一外部区域和所述第二外部区域的轴线成角度地偏移。
8.根据任一前述权利要求所述的激光器，其中，所述中心区域的轴线相对于所述第一区域和所述第二区域的轴线成角度偏移1至10度之间。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的激光器，其中，所述第一外部区域和所述第二外部区域的轴线平行。
10.根据任一前述权利要求所述的激光器，其中，所述中心区域中的所述布拉格光栅的有效节距比所述第一外部区域和所述第二外部区域的有效节距长0.01-1nm之间。
11.根据任一前述权利要求所述的激光器，其中，所述波导在所述前反射体和所述后反射体之间延伸。
12.根据任一前述权利要求所述的激光器，其中，所述前反射体涂覆有抗反射涂层。
13.根据任一前述权利要求所述的激光器，其中，所述后反射体涂覆有抗反射涂层或高反射涂层。
14.根据任一前述权利要求所述的激光器，其中，所述波导为脊形波导或掩埋异质结构波导。
15.根据任一前述权利要求所述的激光器，其中，所述激光器是分布式反馈激光器。
16.根据任一前述权利要求所述的激光器，其中，所述波导的宽度在0.5μm到3.0μm之间。
17.根据任一前述权利要求所述的激光器，其在，布拉格光栅的强度Kappa*L在0.7至3.0的范围内。
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