CN115275773A - 一种单纵模可调谐fp激光器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单纵模可调谐FP激光器及控制方法，属于半导体器件领域。激光器自下至上依次包括：n面电极、衬底、n型下包层、下限制层、多量子阱结构有源区、上限制层及p型上包层，还包括两个相互耦合的谐振腔及两个p面电极，所述两个相互耦合的谐振腔设在所述p型上包层上，所述两个p面电极分别对应的布置在两个谐振腔上，其中一个p面电极用于注入第一电流调控对应的谐振腔内增益最高的纵模的增益系数，另一个p面电极用于注入第二电流调控对应的谐振腔内增益最高的纵模的损耗系数。通过控制两个谐振腔内增益最高的纵模对应的增益系数及损耗系数，无需刻蚀光栅，即可实现FP激光器的单纵模激射。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域，更具体地，涉及一种单纵模可调谐FP激光器及控制方法。
背景技术
半导体激光器具有成本低、体积小、可批量生产等优势，已经成为低成本光纤通信应用中的重要光源。在5G通信网络、数据中心的巨大需求下，波分复用技术因其高带宽，多连接特性受到广泛关注。应用于波分复用系统的半导体激光器必须满足高功率，高带宽，高边模抑制比，可调谐及低成本特性。FP激光器是典型的半导体激光器，其体积小，工艺简单易制备，具有极大成本优势，但是，由于其增益谱较宽，支持多个纵模激射，限制了FP激光器在波分复用系统中的应用。因此，必须采用额外的方法来进行单模操作。
目前，大多数方法依赖于腔内光学反馈的使用，例如分布式布拉格反射镜和分布式反馈光栅。其中，分布式反馈激光器凭借其高功率高边模抑制比的特性成为首要选择。但是其工艺制备过程中涉及光栅刻蚀及二次外延，增加了工艺复杂度及制备成本。如何实现低成本的单纵模半导体激光器成为一个重要研究课题。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种单纵模可调谐FP激光器及控制方法，其目的在于降低FP激光器的工艺复杂度及制备成本。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种单纵模可调谐FP激光器，自下至上依次包括：n面电极、衬底、n型下包层、下限制层、多量子阱结构有源区、上限制层及p型上包层，还包括两个相互耦合的谐振腔及两个p面电极，所述两个相互耦合的谐振腔设在所述p型上包层上，所述两个p面电极分别对应的布置在两个谐振腔上，其中一个p面电极用于注入第一电流调控对应的谐振腔内增益最高的纵模的增益系数，另一个p面电极用于注入第二电流调控对应的谐振腔内增益最高的纵模的损耗系数，其中，所述第一电流大于所述FP激光器的阈值电流，所述第二电流小于所述FP激光器的阈值电流。
进一步地，所述两个相互耦合的谐振腔的耦合系数κ、谐振频率、增益系数及损耗系数之间满足：
(ω1-ω2)+κ2<(γ1-γ2)2
其中，ω1和ω2分别为两个谐振腔内增益最高的纵模的谐振频率，γ1表示其中一个谐振腔内增益最高的纵模的增益系数，γ2表示另一个谐振腔内增益最高的纵模的损耗系数。
进一步地，所述两个相互耦合的谐振腔包括两个相互耦合的波导。
进一步地，所述两个相互耦合的波导的宽度和高度均相同。
进一步地，所述两个相互耦合的波导采用深刻蚀，刻蚀至所述n型下包层。
进一步地，两个p面电极之间相互隔离。
进一步地，还包括设置在所述p型上包层上的二氧化硅绝缘层。
按照本发明的另一方面，提供了一种如第一方面任意一项所述的单纵模可调谐FP激光器控制方法，包括：
在一个所述p面电极内注入第一电流，所述第一电流注入对应的谐振腔，调节所述谐振腔内增益最高的纵模的增益系数γ1，其中，所述第一电流大于所述FP激光器的阈值电流；
在另一个所述p面电极内注入第二电流，所述第二电流注入对应的谐振腔，调节所述谐振腔内增益最高的纵模的损耗系数γ2，其中，所述第二电流小于所述FP激光器的阈值电流；
使所述两个相互耦合的谐振腔的耦合系数κ、谐振频率与所述增益系数γ1、损耗系数γ2之间满足：(ω1-ω2)+κ2<(γ1-γ2)2，实现所述FP激光器的单纵模激射，其中，ω1和ω2分别为两个谐振腔内增益最高的纵模的谐振频率。
进一步地，还包括：调整所述FP激光器的工作温度，实现所述FP激光器激射波长的动态调谐。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提供的单纵模可调谐FP激光器及控制方法，通过在p型上包层上布置两个谐振腔，针对两个谐振腔内增益最高的纵模，通过两个P面电极注入第一、第二电流，分别为两个谐振腔提供增益和损耗，通过控制两个谐振腔内增益最高的纵模对应的增益系数及损耗系数，实现增益最高的纵模打破宇称-时间对称性，无需刻蚀光栅即可实现FP激光器的单纵模激射，大大提高了FP激光器的边模抑制比，同时降低了单纵模半导体激光器的工艺制备成本。
(2)本发明中，通过调控两个相互耦合的谐振腔的耦合系数、谐振频率、其中一个谐振腔的增益系数及另一个谐振腔的损耗系数，使其满足设定的关系，即可选择性打破宇称-时间对称性，实现单纵模激射。
(3)进一步地，两个相互耦合的波导采用深刻蚀，刻蚀至所述n型下包层，使两个波导之间形成绝缘区，可以避免两个谐振腔注入的电流相互影响，进一步提升FP激光器的边模抑制比。
附图说明
图1示出了本公开实施例提供的一种单纵模可调谐FP激光器的示意图；
图2示出了本公开实施例提供的一种单纵模可调谐FP激光器实现单纵模激射的光谱图；
图3示出了本公开实施例提供的一种单纵模可调谐FP激光器实现中心波长动态可调的光谱图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1-n面电极、2-衬底，3-n型下包层，4-下限制层，5-多量子阱结构有源区，6-上限制层，7-p型上包层，8-二氧化硅绝缘层，9-耦合波导结构，10-p面电极。
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，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。如图1所示，本发明的单纵模可调谐FP激光器，自下至上依次包括：n面电极1、衬底2、n型下包层3、下限制层4、多量子阱结构有源区5、上限制层6及p型上包层7，在p型上包层7上布置有耦合波导结构9，耦合波导结构9包括两个相互耦合的波导，在每个波导上布置有p面电极10。
两个相互耦合的波导分别形成两个谐振腔，通过设计不同的波导间隔和波导宽度，即可调节两个腔之间的耦合系数κ；在其它实施例中，两个相互耦合的波导结构还可以是相互耦合的微环或微盘，相互耦合的微环或微盘形成谐振腔，两个谐振腔的增益系数，损耗系数及谐振频率独立可调。
电流通过两个p面电极注入到两个谐振腔内，光场主要集中在多量子阱结构有源区，下限制层和上限制层用于使光场束缚在多量子阱结构有源区。通过调节注入到两个p面电极内的电流大小，控制两个谐振腔内的光的增益系数和损耗系数，记注入到其中一个p面电极内的电流为第一电流，注入到另外一个p面电极内的电流为第二电流，其中，第一电流大于FP激光器的阈值电流，第二电流小于FP激光器的阈值电流；当两个谐振腔内增益最高的纵模的谐振频率差与耦合系数的平方和小于该增益最高的纵模的增益系数与损耗系数之差的平方，即可实现FP激光器的单纵模激射。具体关系为：
(ω1-ω2)+κ2<(γ1-γ2)2
其中，ω1和ω2分别为两个谐振腔内增益最高的纵模的谐振频率，κ为两个谐振腔之间的耦合系数，γ1、γ2分别为两个谐振腔内增益最高的纵模的增益系数、损耗系数，即γ1表示其中一个谐振腔内增益最高的纵模的增益系数，γ2表示另一个谐振腔内增益最高的纵模的损耗系数。
通过调节激光器的工作温度，可以动态调整激射波长。
作为优选，两个相互耦合的波导为对称结构，即两个相互耦合的波导的宽度相同，高度相同，提升边模抑制比。
本实施例中，两个相互耦合的波导宽度为2微米，波导之间的间隔大于3微米。
作为优选，两个p面电极之间相互隔离，使注入到两个p面电极内的电流独立可调，便于控制增益系数和损耗系数。
作为优选，为了避免两个谐振腔注入的电流相互影响，两个相互耦合的波导采用深刻蚀方案，刻蚀至n型下包层，通过深刻蚀使两个波导之间形成绝缘区。本实施例中，两个相互耦合的波导刻蚀深度为3微米。
作为优选，本实施例中，多量子阱结构有源区采用AlGaInAs材料，具有更高的微分增益，有助于提高激光器调制带宽。
作为优选，本发明的激光器还包括设置在p型上包层7上的二氧化硅绝缘层8，用于对整个器件进行绝缘、防护。
本实施例中，提供的单纵模可调谐FP激光器腔长为150微米，与长腔对比，具有更大的自由光谱范围，有利于实现更大的边模抑制比。
如图2和图3所示，本实施例中，提供的单纵模可调谐FP激光器激射波长在1330nm左右，通过调节激光器工作温度，即可实现激射波长动态可调。图3显示了在15度到35度范围内，可实现中心波长8nm的调谐。
本发明的单纵模可调谐FP激光器的控制方法包括：
当激光器处于工作状态时，一个p面电极内注入第一电流，第一电流进入该p面电极对应的谐振腔内，提供光增益，调节该谐振腔内增益最高的纵模的增益系数γ1，其中，该第一电流的电流值大于FP激光器的阈值电流；另一个p面电极内注入第二电流，第二电流进入该p面电极对应的谐振腔内，提供光损耗，调节该谐振腔内增益最高的纵模的损耗系数γ2，其中，该第二电流的电流值小于FP激光器的阈值电流；
调整上述的增益最高的纵模增益系数、增益最高的纵模损耗系数及两个谐振腔内增益最高的纵模的谐振频率差，使得两个谐振腔内增益最高的纵模的谐振频率差与两个波导之间的耦合系数的平方和小于增益最高的纵模的增益系数与增益最高的纵模的损耗系数之差的平方，即可实现FP激光器的单纵模激射。
即上述的增益最高的纵模的增益系数γ1、损耗系数γ2、两个谐振腔内增益最高的纵模的谐振频率差及耦合系数之间的关系满足：
(ω1-ω2)+κ2<(γ1-γ2)2
其中，ω1和ω2分别为两个谐振腔内增益最高的纵模的谐振频率，κ为两个谐振腔之间的耦合系数，γ1、γ2分别为两个谐振腔内增益最高的纵模的增益系数、损耗系数，即γ1表示其中一个谐振腔内增益最高的纵模的增益系数，γ2表示另一个谐振腔内增益最高的纵模的损耗系数。
利用增益谱随温度升高而红移，调节本发明的激光器的工作温度，即可实现激射波长的动态可调。
本发明提供的单纵模可调谐FP激光器及控制方法，利用FP激光器不同纵模具有不同的增益，设计合适的耦合系数，增益系数，损耗系数和谐振频率差即可选择性打破宇称-时间对称性，即增益最高的纵模打破宇称-时间对称性，除增益最高的纵模之外的其它纵模仍然满足宇称-时间对称性，实现单纵模激射。利用增益谱随温度升高而红移，调节半导体激光器的工作温度，即可实现激射波长的动态可调。大大提高了FP激光器的边模抑制比，同时降低了单纵模半导体激光器的工艺制备成本。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种单纵模可调谐FP激光器，自下至上依次包括：n面电极(1)、衬底(2)、n型下包层(3)、下限制层(4)、多量子阱结构有源区(5)、上限制层(6)及p型上包层(7)，其特征在于，还包括两个相互耦合的谐振腔及两个p面电极(10)，所述两个相互耦合的谐振腔设在所述p型上包层(7)上，所述两个p面电极(10)分别对应的布置在两个谐振腔上，其中一个p面电极用于注入第一电流调控对应的谐振腔内增益最高的纵模的增益系数，另一个p面电极用于注入第二电流调控对应的谐振腔内增益最高的纵模的损耗系数，其中，所述第一电流大于所述FP激光器的阈值电流，所述第二电流小于所述FP激光器的阈值电流。
2.根据权利要求1所述的单纵模可调谐FP激光器，其特征在于，所述两个相互耦合的谐振腔的耦合系数κ、谐振频率、增益系数及损耗系数之间满足：
(ω1-ω2)+κ2<(γ1-γ2)2
其中，ω1和ω2分别为两个谐振腔内增益最高的纵模的谐振频率，γ1表示其中一个谐振腔内增益最高的纵模的增益系数，γ2表示另一个谐振腔内增益最高的纵模的损耗系数。
3.根据权利要求2所述的单纵模可调谐FP激光器，其特征在于，所述两个相互耦合的谐振腔包括两个相互耦合的波导。
4.根据权利要求1所述的单纵模可调谐FP激光器，其特征在于，所述两个相互耦合的波导的宽度和高度均相同。
5.根据权利要求1所述的单纵模可调谐FP激光器，其特征在于，所述两个相互耦合的波导采用深刻蚀，刻蚀至所述n型下包层。
6.根据权利要求1所述的单纵模可调谐FP激光器，其特征在于，两个p面电极之间相互隔离。
7.根据权利要求1所述的单纵模可调谐FP激光器，其特征在于，还包括设置在所述p型上包层(7)上的二氧化硅绝缘层(8)。
8.一种如权利要求1-7任意一项所述的单纵模可调谐FP激光器控制方法，其特征在于，包括：
在一个所述p面电极内注入第一电流，所述第一电流注入对应的谐振腔，调节所述谐振腔内增益最高的纵模的增益系数γ1，其中，所述第一电流大于所述FP激光器的阈值电流；
在另一个所述p面电极内注入第二电流，所述第二电流注入对应的谐振腔，调节所述谐振腔内增益最高的纵模的损耗系数γ2，其中，所述第二电流小于所述FP激光器的阈值电流；
使所述两个相互耦合的谐振腔的耦合系数κ、谐振频率与所述增益系数γ1、损耗系数γ2之间满足：(ω1-ω2)+κ2<(γ1-γ2)2，实现所述FP激光器的单纵模激射，其中，ω1和ω2分别为两个谐振腔内增益最高的纵模的谐振频率。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，还包括：调整所述FP激光器的工作温度，实现所述FP激光器激射波长的动态调谐。
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