CN114930657A - 单模dfb激光器 - Google Patents

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Abstract

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，该布拉格光栅具有一系列沿轴线具有相等物理间隔的平行元件，波导包括彼此光学连接的第一波导部分和第二波导部分。第一部分包括元件的第一子集，并且沿着第一方向延伸。第二波导部分包括元件的第二子集，并且沿着与第一方向偏移的第二方向延伸。

Description

单模DFB激光器
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。
对于直接调制的DFB激光器，更高的Kappa通常用于更高的带宽，这可能导致空间烧孔和模式跳跃。DFB激光器的产率对刻面相位和外部光学反射很敏感。对于单模DFB激光器，外部光反馈不仅会改变阈电流、效率、线宽和强度噪声，还会破坏调制图并产生误码率(BER)饱和。可以在DFB-LD模块中插入光隔离器，以切断外部光反馈。然而，这使得DFB模块变得昂贵并增加了它们的尺寸。
期望开发一种可以有助于单一激光模式的具有恒定光栅节距的激光器。
发明内容
根据一个方面，提供了一种激光器，该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，该布拉格光栅具有一系列沿轴线具有相等物理间隔的平行元件，其中该波导包括：第一波导部分，其包括元件的第一子集，第一波导部分沿第一方向延伸；以及第二波导部分，其包括元件的第二子集，第二波导部分与第一波导部分光学连接，并且沿着与第一方向偏移的第二方向延伸。
在光可以从第一波导部分传播到第二波导部分和从第二波导部分传播到第一波导部分的意义上，第二波导部分与第一波导部分光学连接。
第一方向可以与前反射体和后反射体中的一个或二者正交。这对于制造激光器可能是方便的。
该轴线可以平行于第一方向。这可以允许波导部分中的一个与腔的长度对齐，并且另一波导部分相对于其成角度。
第一波导可以有助于在第一较低波长峰值和第一较高波长峰值处的光学增强，第二波导可以有助于在第二较低波长峰值和第二较高波长峰值处的光学增强，并且第一方向和第二方向可以偏移为，使得第一较高波长峰值与第二较低波长峰值在波长上重叠。这可以允许通过实现单波长高强度峰值来实现单一激光模式。
元件中的每个可以正交于轴线延伸。这对于制造激光器可能是方便的。
第一波导部分和第二波导部分中的一个可以终止于(或邻近于)前反射体，并且第一波导部分和第二波导部分中的另一个可以终止于(或邻近于)后反射体。因此，波导可以形成为具有两部分的波导。
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。
前反射体和后反射体中的一个或二者可以由解理面构成。这对于制造激光器可能是方便的。
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。
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。
第一方向和第二方向可以偏移1至8度之间。这可以允许波导部分的有效节距被相应地选择。
激光器可以是分布式反馈激光器。激光器可以是单模激光器。这可以允许激光器用于需要单一激光模式的应用，诸如通讯。
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示出了传统DFB激光器的平面图；
图2示意性地示出了本文描述的DFB激光器的示例的侧视图；
图3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4示意性地示出了本文描述的DFB激光器的示例的平面图；
图5示意性地示出了DFB激光器的强度与波长的关系图；
图6(a)-(d)示出了本文描述的DFB激光器在第一波导部分和第二波导部分之间的不同相对偏移下的峰值。
具体实施方式
如图2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201、与前面相对的后面202以及形成在其间的激光腔。前面和后面可以是解理面。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203所示。
如图2和3所示，激光腔包括插置在p型和n型半导体材料层(分别以205和206示出)之间的有源层204。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205、206的区域中选择性地掺杂形成腔的材料。层204、205和206被限定在衬底207中。
激光器的波导208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2至4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209。布拉格光栅可以定位在波导脊208和p-InP层205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206中。
如图4的平面图所示，布拉格光栅包括沿轴线F具有规则物理间隔∧std的一系列平行元件210。元件中的每个都正交于轴线延伸。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4所示，波导208包括第一部分L1和第二部分L2。第一波导部分L1包括元件210的第一子集，并且沿第一方向D1延伸。与第一波导部分光学耦合的第二波导部分L2包括元件210的第二子集，并且沿与第一方向偏移角度θ的第二方向D2延伸。在图4所示的示例中，轴线F平行于第一方向D1，并且第一方向正交于前反射体201和后反射体202。
各波导部分中的布拉格光栅的物理节距沿整个波导是相同的。对于沿着波导从后面朝向前面传播的光而言，第一波导部分和第二波导部分具有不同的有效节距∧eff。
在图4所示的示例中，波导的第一部分是直的(即，与腔的长度对齐，且垂直于波导的宽度)，并且第二部分相对于第一部分偏移角度θ。对于第一部分直的波导L1，平行于腔长度测量的物理光栅节距∧std与λ/neff成正比，其中λ是激光波长，并且neff是波导的有效折射率。使波导部分L2成角度增加了布拉格光栅的元件之间传播的光的路径长度。因此，第二部分中的布拉格光栅的有效节距∧ang大于物理节距，在第一波导部分是直的情况下，物理节距等于∧std。
波导的光栅节距为∧std的直的第一部分对应于布拉格光栅波长λ0。沿第二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，在这种情况下，第一波导部分的有效节距小于第二波导部分的有效节距。在两个波导部分中，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，并且第一波导部分与腔的长度对齐(即，第一波导部分是直的)。第二波导部分相对于腔的长度成角度。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4中的轴线F)测量的。
如图5中的强度与波长的示意图所示，DFB激光器在第一较低波长峰值501和第一较高波长峰值502、第二较低波长峰值503和第二较高波长峰值504处有助于光学增强。这两组的两个峰值对应于第一激光模式和第二激光模式，波长分别为λ1和λ2。
在具有两部分的波导中，第一波导有助于在第一较低波长峰值和第一较高波长峰值处的光学增强，并且第二波导有助于在第二较低波长峰值和第二较高波长峰值处的光学增强。通过选择第一波导部分和第二波导部分的轴线之间的角度，DFB激光器可以被构造为使得第一较高波长峰值502与第二较低波长峰值503重叠。
这在图6(a)-6(d)中示出。在图6(a)中，峰值是分开的，就像在具有两种激光模式的标准直波导DFB激光器中一样。在图6(b)中，使第二波导部分相对于第一波导部分成角度会使两组峰值在波长上更接近。在图6(c)中，波导部分相对于彼此成角度，使得峰值502和503在波长上重叠以产生具有高强度的峰值505，这实现了单一激光模式。在图6(d)中，如果波导部分之间的角度进一步增加，则峰值502和503不再重叠以给出单个高强度峰值。
因此，第二波导部分中的有效节距的增加导致峰值的偏移。因而，可以将沿腔的长度方向恒定的物理光栅节距∧std应用于该结构。
作为示例，3.245的有效折射率neff、200nm的物理光栅节距和第一波导部分和第二波导部分之间的2度的角度θ产生第二波导部分中200.12nm的有效节距。这导致激光模式波长λ1＝1298.00nm及λ2＝1298.79nm。
因此，通过选择θ，并且因此选择∧ang，使两个模式的短波长模式与直的激光器部分的长波长模式重合，DFB激光器可以以重合的模式/波长进行激光发射。因此，波导选择性地有助于激光器的优选激光模式。
在图4所示的示例中，与后反射体202相邻的波导的第一部分L1是直的(即，第一方向D1平行于腔的长度，所述腔的长度沿图4中的轴线F)，而与前反射体201相邻的第二部分L2相对于第一部分成角度(因此相对于腔的长度和轴线F成角度)。然而，替代地，第二部分L2可以是直的(即，第二方向D2平行于腔的长度，所述腔的长度沿图4中的轴线F)，并且第一部分L1可以相对于第二部分成角度(并且因此相对于腔的长度和轴线F成角度)。替代地，第一部分和第二部分都可以相对于与布拉格光栅的元件垂直的轴线成角度，使得第一部分中的布拉格光栅与第二部分中的布拉格光栅具有不同的有效节距。
使用上述构造，沿DFB激光器的光栅可以是等节距的，以避免需要昂贵且复杂的啁啾光栅。不需要电子束写光栅写。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。
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。波导的第一部分可以具有与波导的第二部分不同的宽度，或者第一波导部分和第二波导部分可以具有相同的宽度。
在波导的总长度L＝L1+L2的情况下，L1优选在L的20％到80％之间。因此，第一波导部分可以沿轴线延伸第一波导部分加上第二波导部分沿轴线的总长度的20％到80％之间的长度。
优选地，两个波导部分之间的偏移角度θ在1到8度之间。可以根据激光的应用选择偏移角度。
腔的有源区域和各半导体层可以由InP、GaAs或其他半导体材料制成。
因此，可以使用具有两部分的波导来实现更容易制造的单模DFB激光器。光栅沿波导具有相同的节距(光栅周期对应整个波导都是恒定的)，并且不需要啁啾光栅。
所提出的DFB激光器打破了结构对称性。因此，它可能具有优选的激光波长，减少了模式跳跃。HR/AR涂层可以应用于刻面，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。激光器的前面可以与透镜光学耦合。
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 (15)

1.一种激光器，具有后反射体(202)、前反射体(201)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(209)的波导(208)，所述布拉格光栅(209)具有一系列沿轴线(F)具有相等物理间隔的平行元件(210)，其中，所述波导包括彼此光学连接的第一波导部分(L1)和第二波导部分(L2)，其中，所述第一波导部分(L1)沿第一方向(D1)延伸，并包括所述元件的第一子集，并且
所述第二波导部分(L2)沿与所述第一方向偏移的第二方向(D2)延伸，并且包括所述元件的第二子集。
2.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述第一方向与所述前反射体和所述后反射体中的一个或二者正交。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的激光器，其中，所述轴线平行于所述第一方向。
4.根据任一前述权利要求所述的激光器，其中，所述第一波导有助于在第一较低波长峰值和第一较高波长峰值处的光学增强，所述第二波导有助于在第二较低波长峰值和第二较高波长峰值处的光学增强，并且所述第一方向和所述第二方向偏移使得所述第一较高波长峰值与所述第二较低波长峰值在波长上重叠。
5.根据任一前述权利要求所述的激光器，其中，所述元件中的每个都正交于所述轴线延伸。
6.根据任一前述权利要求所述的激光器，其中，所述第一波导部分和所述第二波导部分中的一个在所述前反射体处终止，并且所述第一波导部分和所述第二波导部分中的另一个在所述后反射体处终止。
7.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。
8.根据任一前述权利要求所述的激光器，其中，所述前反射体和所述后反射体中的一个或二者由解理面构成。
9.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。
10.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。
11.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。
12.根据任一前述权利要求所述的激光器，其中，所述布拉格光栅的强度Kappa*L在0.7到3.0的范围内。
13.根据任一前述权利要求所述的激光器，其中，所述第一方向和所述第二方向偏移1至8度之间。
14.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。
15.根据任一前述权利要求所述的激光器，其中，所述激光器是单模激光器。
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