CN115207770A - 一种基于光-光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于光‑光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器，属于半导体激光器技术领域。该激光器主要包含三个部分分别为分布反馈半导体激光器部分，有源反馈区，有源放大反馈区。基于光‑光谐振效应的超高带宽直调激光器从上往下主要包括欧姆接触层、光栅层、上盖层、有源区以及下盖层。基于光‑光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器包含了光栅选模结构，使得激光器单模工作；包含有源反射结构，为直调激光器提供有效反馈；还包含有源放大反馈区对激光器形成额外腔反馈，不仅构成光‑光谐振效应还未激光器提供功率放大。本发明具有超高带宽、易于阵列集成、单模工作等诸多优点。
Description
技术领域
本发明涉及到半导体激光器技术领域，特别涉及一种基于光-光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器。
背景技术
随着通讯行业的飞速发展，大数据、云计算、物联网等对通信容量的需求成指数增长趋势。
半导体激光器能够与其他光学器件或者电学器件实现单片集成，作为光纤通信系统的光源，可以使得整个通信系统更加紧凑。半导体激光器因其有小体积、低功耗、高速率等优势性能，常被用于光纤通信系统的光源。
根据目前光纤通信发展来看，100Gb/s单个通道可以采用电吸收调制激光器和直调激光器实现，对于10km以内的短距离传输，直调激光器相对电吸收调制激光器具有低损耗、高的输出功率和低成本的优势，因此新型低成本的高速直调半导体激光器在5G前传、数据中心等市场有很大的竞争力。高速率直调制的半导体激光器为光纤通信系统和下一代光网络的关键器件之一。此外在模拟通信中直调光链路中，高带宽的直调激光器可以直接提升直调链路的转换效率，提升链路性能，是直调链路的关键核心器件。
激光器的高带宽和大功率，这两个指标是矛盾的，为进一步提升激光器调制带宽，失谐加载效应、相位调制-强度调制转移效应和光-光谐振(PPR)效应被广泛应用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于光-光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器，克服现有通过优化材料等特性提升直调激光器带宽的带宽受限的问题。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种基于光-光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器，所述激光器包含三个部分分别为有源分布布拉格反馈激光器部分，有源反馈区和有源相位区；
直调激光器芯片结构从上往下包括欧姆接触层、光栅层、上盖层、有源区以及下盖层；
上盖层位于所述光栅层下方，用来控制所述光栅层与激光器工作模式作用的大小，从而控制激光器输出的大小；
有源区位于所述上盖层下方，用来给所述激光器提供增益；有源区是半导体材料、量子阱、量子线、量子点或量子级联结构；
下盖层位于所述有源区之下波导盖层；
所述无源反馈区包含超长无源波导和波导耦合区。
进一步的，直调激光器包含三部分，分别为有源反馈区、分布反馈布拉格光栅激光器和有源相位区；其中有源反馈区布有布拉格光栅用于为激光器提供有效反馈。
进一步的，直调激光器包含光栅选模机制，使得激光器单模工作。
进一步的，直调激光器包含左、右两个输出端面，其中一个端面设有光栅或者镀膜低反射镜，使得激光器形成向着另一端面的单端输出，另一端镀有低反射面用于提供光反馈。
进一步的，所述光栅层在激光器的顶层为表面光栅或在非顶层为掩埋光栅，用于为激光器提供光反馈。
进一步的，激光器的输出端面镀有低反射镜，低反射镜与激光器形成激射模式的边带振荡即形成光-光谐振效应，用于提高激光器的直调制带宽；通过改变反射镜面的反射率来改变光反馈强度大小，进而影响激光器工作状态。
进一步的，激光器的有源相位结构不仅在低反射镜面的作用下形成激光器的光-光谐振效应，还为激光器提供功率放大效果，增加激光器的输出功率。
进一步的，有源相位结构用于作为激光器的集成反馈腔，反馈腔的长短决定光-光谐振峰值频率值。
进一步的，有源光栅反馈区的注入电流小于有源分布布拉格反馈激光器区域的注入电流，使激射波长处于布拉格反射区的长波长区，通过失谐加载效应，进一步提高直调激光器的带宽。
本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明通过对有源分布布拉格反馈激光器进行集成有源反馈区和有源相位区，实现全有源结构的高功率、高带宽的直调激光器。有源分布布拉格反馈激光器采用常规可单片集成的半导体激光器的多量子阱结构。本发明的激光器方案具有高带宽、灵活性高、易于形成阵列集成。
附图说明
图1是本发明提出的一种基于光-光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器的具体实施方式的结构示意图。
图2是基于光-光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器的截面结构示意图。
图3是激光器通过利用PPR效应之后带宽提升效果图。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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。
一种基于光-光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器，所述激光器包含三个部分分别为有源分布布拉格反馈激光器部分，有源反馈区和有源相位区；
直调激光器芯片结构从上往下包括欧姆接触层、光栅层、上盖层、有源区以及下盖层；
上盖层位于所述光栅层下方，用来控制所述光栅层与激光器工作模式作用的大小，从而控制激光器输出的大小；
有源区位于所述上盖层下方，用来给所述激光器提供增益；有源区是半导体材料、量子阱、量子线、量子点或量子级联结构；
下盖层位于所述有源区之下波导盖层；
所述无源反馈区包含超长无源波导和波导耦合区。
进一步的，直调激光器包含三部分，分别为有源反馈区、分布反馈布拉格光栅激光器和有源相位区；其中有源反馈区布有布拉格光栅用于为激光器提供有效反馈。
进一步的，直调激光器包含光栅选模机制，使得激光器单模工作。
进一步的，直调激光器包含左、右两个输出端面，其中一个端面设有光栅或者镀膜低反射镜，使得激光器形成向着另一端面的单端输出，另一端镀有低反射面用于提供光反馈。
进一步的，所述光栅层在激光器的顶层为表面光栅或在非顶层为掩埋光栅，用于为激光器提供光反馈。
进一步的，激光器的输出端面镀有低反射镜，低反射镜与激光器形成激射模式的边带振荡即形成光-光谐振效应，用于提高激光器的直调制带宽；通过改变反射镜面的反射率来改变光反馈强度大小，进而影响激光器工作状态。
进一步的，激光器的有源相位结构不仅在低反射镜面的作用下形成激光器的光-光谐振效应，还为激光器提供功率放大效果，增加激光器的输出功率。
进一步的，有源相位结构用于作为激光器的集成反馈腔，反馈腔的长短决定光-光谐振峰值频率值。
进一步的，有源光栅反馈区的注入电流小于有源分布布拉格反馈激光器区域的注入电流，使激射波长处于布拉格反射区的长波长区，通过失谐加载效应，进一步提高直调激光器的带宽。
下面为一更具体的实施例：
一种基于光-光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器，激光器结构示意图如图1所示，激光器包含三个部分，分别为有源反馈区1、分布反馈布拉格光栅激光器2和有源相位区3；
一种基于光-光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器的外延结构从上往下包括欧姆接触层11、光栅层4、上盖层5、有源区6以及下盖层7；
直调激光器的三部分均由有源结构，具有相同的有源区6和下盖层7以及背金层8；
直调激光器靠近有源反馈区1的一端可以镀有抗反模9；有源相位区一端可以镀有低反射膜10；
直调激光器除了表面光栅对应的方案，还可以为掩埋光栅方案，
一种基于光-光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器的截面示意图如图2所示，其中14和15分别为注入电流区域和波导区域(光栅区)。
激光器通过利用PPR效应之后带宽提升效果图如图3所示。除了常规载流子-光子谐振峰，还有一个谐振峰即光-光谐振峰。
一种基于光-光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器采用表面光栅避免激光器的二次外延，其中DFB的光栅采用两端式光栅形成单模DFB激光器(可参见中国发明专利：一种基于表面光栅的DFB激光器，专利号：CN106848835B和一种低成本、高成品率的短腔长分布反馈激光器，专利号：201720829192.6)，激光器的一端镀抗反膜，另一端靠近有源相位区一端镀低反射膜，用于为激光器提供少量光反馈，构成额外的谐振腔，形成PPR。
一种基于光-光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器的简要制作步骤包括1)直调激光器的外延结构生长，2)光栅的制备，3)波导的制作，4)电极的制备，5)电隔离区的制备。
综上所述，本发明提出了一种基于光-光谐振效应的超高带宽高功率。激光器主要包括三部分，分别为有源分布布拉格反馈激光器部分，有源反馈区和有源相位区。本发明的激光器方案具有高带宽、灵活性高、易于形成阵列集成。激光器可以通过失谐加载效应和PPR效应同时提高激光器的直调制带宽。
基于上述本发明的设计和运行原理，本领域人员完全能够理解，本具体的一种基于光-光谐振效应的超高带宽高功率激光器仅仅只是举例说明，相位区、反馈区、通道数量、无源波导等结构做具体限定。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种基于光-光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器，其特征在于，所述激光器包含三个部分分别为有源分布布拉格反馈激光器部分、有源反馈区和有源相位区；
直调激光器芯片结构从上往下包括欧姆接触层、光栅层、上盖层、有源区以及下盖层；
上盖层位于所述光栅层下方，用来控制所述光栅层与激光器工作模式作用的大小，从而控制激光器输出的大小；
有源区位于所述上盖层下方，用来给所述激光器提供增益；有源区是半导体材料、量子阱、量子线、量子点或量子级联结构；
下盖层位于所述有源区之下波导盖层；
所述无源反馈区包含超长无源波导和波导耦合区。
2.根据权利要求1所述的一种基于光-光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器，其特征在于，直调激光器包含三部分，分别为有源反馈区、分布反馈布拉格光栅激光器和有源相位区；其中有源反馈区布有布拉格光栅用于为激光器提供有效反馈。
3.根据权利要求1所述的一种基于光-光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器，其特征在于，直调激光器包含光栅选模机制，使得激光器单模工作。
4.根据权利要求1所述的一种基于光-光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器，其特征在于，直调激光器包含左、右两个输出端面，其中一个端面设有光栅或者镀膜低反射镜，使得激光器形成向着另一端面的单端输出，另一端镀有低反射面用于提供光反馈。
5.根据权利要求1所述的一种基于光-光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器，其特征在于，所述光栅层在激光器的顶层为表面光栅或在非顶层为掩埋光栅，用于为激光器提供光反馈。
6.根据权利要求4所述的一种基于光-光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器，其特征在于，激光器的输出端面镀有低反射镜，低反射镜与激光器形成激射模式的边带振荡即形成光-光谐振效应，用于提高激光器的直调制带宽；通过改变反射镜面的反射率来改变光反馈强度大小，进而影响激光器工作状态。
7.根据权利要求6所述的一种基于光-光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器，其特征在于，激光器的有源相位结构不仅在低反射镜面的作用下形成激光器的光-光谐振效应，还为激光器提供功率放大效果，增加激光器的输出功率。
8.根据权利要求7所述的一种基于光-光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器，其特征在于，有源相位结构用于作为激光器的集成反馈腔，反馈腔的长短决定光-光谐振峰值频率值。
9.根据权利要求1所述的一种基于光-光谐振效应的超高带宽高功率直调激光器，其特征在于，有源光栅反馈区的注入电流小于有源分布布拉格反馈激光器区域的注入电流，使激射波长处于布拉格反射区的长波长区，通过失谐加载效应，进一步提高直调激光器的带宽。
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