CN115528538A - 一种高速直调两段式分布反馈半导体激光器芯片 - Google Patents

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CN115528538A CN202211387960.9A CN202211387960A CN115528538A CN 115528538 A CN115528538 A CN 115528538A CN 202211387960 A CN202211387960 A CN 202211387960A CN 115528538 A CN115528538 A CN 115528538A
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徐逸帆
张云山
顾鸿鸣
李连艳
郭燕婷
邹辉
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Abstract

一种高速直调两段式分布反馈（DFB）半导体激光器芯片，由传统的DFB激光器和光栅反射器组成，两段共享同一外延层和波导结构，由电隔离隔开，通过独立电极分别注入电流。该设计结合了失谐加载效应、光子‑光子谐振（PPR）效应和腔内频率调制‑幅度调制转换效应，增加激光器的3‑dB带宽，实现高速直调。此外，本发明使用重构‑等效啁啾技术设计高速直调两段式DFB激光器的光栅，不仅能够精确控制两段光栅之间的失谐量，而且大大减小了激光器芯片的制造难度和制造成本。

Description

一种高速直调两段式分布反馈半导体激光器芯片
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种高速直调两段式分布反馈(DFB)半导体激光器芯片。
背景技术
半导体激光器是构成当今信息通信系统的重要元器件。在光通信系统中，通过对半导体激光器进行调制，从而实现信息的传输。对激光器进行调制有两种方案：一种是通过在半导体激光器的外部设置调制器来发送信号的外调制；另一种则是通过调制注入激光器有源区域的电流，从而对输出光信号进行调制的直接调制。由于直接调制激光器与外调制激光器相比具有体积小、功耗低、制造成本低等优势，因此广泛应用于短距离传输或数据中心等需要很多信息通信系统的地方。然而，直调激光器的调制带宽远落后于外调制激光器，因此提高直调激光器的带宽使其可应用于更高速率的数据传输，有很大的应用市场。
众多科研机构研究多种物理效应以提高直调激光器的调制带宽，如失谐加载效应、光子-光子谐振(PPR)效应和腔内频率调制-幅度调制转换效应。失谐加载效应最早由KerryVahala等人提出，研究表明具有耦合腔的半导体激光器相比传统的半导体激光器可以有更好的调制特性。该效应已经在分布式布拉格反射(DBR)激光器中得到了广泛的研究与应用(Chacinski M,Schatz R,Kjebon O,"Detuned-loading effects on directly-modulated high-speed lasers")。此外，PPR效应也被广泛用于提高直调带宽(Kreissl J,Vercesi V,et al."Up to 40Gb/s Directly Modulated Laser Operating at LowDriving Current:Buried-Heterostructure Passive Feedback Laser(BH-PFL)")。腔内频率调制-幅度调制转换效应存在于分布反射器(DR)激光器中(Matsui Y,Schatz R,PhamT,et al."55GHz Bandwidth Distributed Reflector Laser")。
然而，这些复杂的耦合腔激光器离不开有源区与无源区的集成，这无疑大大提高了激光器芯片的制造成本和制造难度。此外，DR激光器光栅之间需要存在细微的失谐，以更好地利用上述效应提高直调带宽。这对光栅的制造工艺、制造精度提出了非常苛刻的要求。普通的全息曝光无法满足上述需求。电子束曝光技术普遍应用于制造复杂精细的光栅结构，但其设备价格昂贵，制造过程耗时，同样会增加芯片的制造成本。
发明内容
本发明针对上述背景技术中的问题，提供一种高速直调两段式分布反馈半导体激光器芯片。
一种高速直调两段式分布反馈半导体激光器芯片，包括：DFB激光器、光栅反射器、电隔离、独立电极、高反膜、抗反膜；
DFB激光器，通过注入电流提供激光输出，其长度不超过500微米；
光栅反射器，用于满足失谐加载效应、PPR效应和腔内频率调制-幅度调制转换效应产生的条件，提高调制带宽，其长度不超过600微米；
电隔离，位于DFB激光器和光栅反射器之间，使得两段可以分别注入电流I1和I2，电隔离长度在10微米至80微米之间；
独立电极，DFB激光器和光栅反射器两段拥有各自的独立电极，可以是传统的方形电极，也可以采用圆盘电极来缩小电极面积，减小寄生参数对激光器芯片调制特性的影响；
高反膜，镀在DFB激光器端面上，增加光反馈，提高光栅反射器端口的出光功率，高反膜反射率>90％；
抗反膜，镀在光栅反射器的端面上，即高速直调两段式DFB半导体激光器芯片的出光口端，用于减小光反射，其反射率<5％；
进一步的，所述高速直调两段式DFB半导体激光器芯片共享同一外延层与波导结构。
进一步的，所述高速直调两段式DFB半导体激光器芯片的波导既可以使用脊波导结构，也可以使用掩埋异质结构。
进一步的，所述高速直调两段式DFB半导体激光器芯片的光栅是使用重构-等效啁啾技术设计的均匀采样光栅；DFB激光器和光栅反射器两段内的采样光栅具有不同的采样周期，因此两段采样光栅各自的等效光栅具有不同的布拉格波长，即存在失谐；等效光栅布拉格波长之间的失谐量不超过0.5纳米；两部分光栅的光栅强度小于100cm-1。
本发明的有益效果如下：
1)本设计可以利用失谐加载效应、PPR效应、腔内频率调制-幅度调制转换效应，提高直调激光器的3-dB带宽；
2)DFB激光器和光栅反射器共享同一外延层和波导结构，避免了有源和无源结构的集成，减小芯片制造难度和制造成本；
3)传统DFB半导体激光器复杂精细光栅的制作需要采用电子束曝光技术，耗时且成本高，本发明使用重构-等效啁啾技术设计采样光栅，能够等效实现光栅之间的失谐，且能精确控制失谐量，从而避免了电子束曝光的使用，并且该技术与传统的全息曝光工艺完全兼容，大大降低复杂、精细结构光栅的制作难度和制作成本；
4)通过实验验证，当调制速率分别为25Gb/s、40Gb/s和55Gb/s时，均能实现清晰的眼图开启，实现了高速的直调。
附图说明
图1为本发明实施例中高速直调两段式DFB半导体激光器芯片示意图。
图2为本发明实施例中各个模式在光栅反射器反射谱上的分布图。
图3为本发明实施例中高速直调两段式DFB半导体激光器芯片的功率-电流特性曲线图。
图4为本发明实施例中高速直调两段式DFB半导体激光器芯片的光谱图。
图5为本发明实施例中高速直调两段式DFB半导体激光器芯片的小信号响应曲线图。
图6为本发明实施例中高速直调两段式DFB半导体激光器芯片不同直调速率下的眼图。
图中，1-DFB激光器，2-光栅反射器，3-电隔离，41-独立电极，42-独立电极，5-高反膜，6-抗反膜，7-采样光栅。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
图1为所述高速直调两段式DFB半导体激光器芯片的结构示意图，该芯片包括DFB激光器1、光栅反射器2、电隔离3、独立电极4、高反膜5和抗反膜6。DFB激光器1和光栅反射器2共享同一外延层和波导结构。电隔离3确保了DFB激光器1和光栅反射器2之间的独立运行，其长度在10微米至80微米之间。通过独立电极41和独立电极42分别向DFB激光器1和光栅反射器2注入对应的电流I1和I2，I1大于其阈值电流，实现DFB激光器1的激射，提供光输出；I2小于其阈值电流，使得光栅反射器2工作在透明状态，不产生激射。阈值电流是指激光器刚刚出光时候的电流大小。由于激光器采用不同的光栅结构、不同材料和腔长，激光器自身的阈值电流值也都不一样。
独立电极41和独立电极42可使用传统的方形电极，也可以使用圆盘电极，以减小电极面积，降低激光器寄生参数对调制特性的影响。高反膜5镀在DFB激光器1的端面，增强光反馈，使得激光由光栅反射器2的端面出射，其反射率>90％。抗反膜6镀在光栅反射器2的端面，即激光出射面，以减小端面反射，其反射率不超过5％。DFB激光器1的长度不超过500微米。光栅反射器2满足失谐加载效应、PPR效应和腔内频率调制-幅度调制转换效应产生的条件，从而提高直调激光器芯片的3-dB带宽，其长度不超过600微米。
为了更好地利用上述效应来提高直调带宽，DFB激光器1和光栅反射器2之间的光栅需要存在失谐。为了实现这一条件，DFB激光器1和光栅反射器2的种子光栅需要有不同的周期，电子束曝光技术不可避免的需要用来制造这一复杂的光栅结构。为了解决这一问题，本发明采用重构-等效啁啾技术设计DFB激光器1和光栅反射器2的采样光栅7，实现两段光栅之间的等效失谐。DFB激光器1和光栅反射器2的采样光栅7具有相同的种子光栅周期Λ，不同的采样周期P1和P2。因此，传统的全息曝光工艺就可以完成光栅的制作，在成本上具有电子束曝光技术无法比拟的优势。采样光栅的结构参数与等效光栅的布拉格波长的关系如下：
Figure BDA0003930797430000061
其中，λ±1为采样光栅±1级信道的布拉格波长，neff是有效折射率，P是采样周期，Λ是种子光栅周期。在确定了种子光栅周期Λ的情况下，改变采样光栅的采样周期P就能够改变激光器±1级信道的布拉格波长，因此就等效实现了DFB激光器1和光栅反射器2的光栅之间的失谐。在实际制作中，确定种子光栅周期后，选择±1级信道中的一个，设计采样光栅的采样周期使其落入激光器的增益峰值区。
图2给出了各个模式在光栅反射器的反射谱上的分布。DFB激光器1和光栅反射器2的光栅之间的失谐使得激射主模落在光栅反射器2的布拉格反射包络的下降沿，则失谐加载效应可以提高激光器的弛豫振荡频率。同时，由于激光通过光栅反射器2出射，腔内频率调制-幅度调制转换效应可以提高高频处的调制频率。最后，一个临近主模的PPR模式将与主模相互作用，PPR效应将进一步改善调制带宽。
图3为激光器的功率-电流特性曲线。当光栅反射器2的注入电流I2为0mA和10mA时，两段式DFB激光器对应的阈值电流约为22mA和9mA，斜率效率约为0.248mW/mA和0.277mW/mA。向光栅反射器2注入电流可以减小其损耗，使它工作在透明状态，从而减小阈值，增加输出功率。
图4给出了激光器的光谱，其边模抑制比约为45dB，具有良好的单纵模特性。此外，距离激射主模约0.25nm处存在一个PPR模式。
图5为激光器的小信号调制响应。当DFB激光器1的直流偏置为100mA时，给光栅反射器2的注入电流从0mA变化到15mA，两段式DFB激光器的3-dB调制带宽由34GHz增加到37GHz。从响应曲线可以明显看出，除了第一个弛豫振荡峰值外，还出现了第二个PPR峰值，这大大拓展了激光器的直调带宽。此外，光栅反射器2电流的注入也加强了其反射，形成布拉格反射包络，因此频率调制-幅度调制转换效应大大抬高了高频处的响应。
图6为不同直调速率下的眼图。DFB激光器1的直流偏置为100mA，调制幅度为20mA，光栅反射器2的注入电流为15mA。当调制速率分别为25Gb/s、40Gb/s和55Gb/s时，均能实现清晰的眼图开启。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高速直调两段式分布反馈半导体激光器芯片，其特征在于：所述芯片包括分布反馈DFB激光器、光栅反射器、电隔离、独立电极、高反膜和抗反膜；
DFB激光器，通过注入的电流提供激光输出；
光栅反射器，通过改变注入的电流进行调谐，以满足失谐加载效应、PPR效应以及腔内频率调制-幅度调制转换效应产生的条件，提高直调带宽；
电隔离，位于DFB激光器和光栅反射器之间，实现两段之间的电隔离；
独立电极包括分别连接DFB激光器和光栅反射器的两部分，通过两部分的独立电极分别向DFB激光器和光栅反射器注入电流；
高反膜，镀在DFB激光器的端面即入光面，增强光反馈，使得激光通过光栅反射器后出射，反射率大于90%；
抗反膜，镀在光栅反射器的端面即出光面，减小光反射，激光从抗反射膜端输出，反射率小于5%；
DFB激光器与光栅反射器中的采样光栅基于重构-等效啁啾技术，实现两段采样光栅之间的等效失谐，通过控制两部分采样光栅的结构，使两部分光栅的光栅强度小于100 cm-1。
2.根据权利要求1所述的一种高速直调两段式分布反馈半导体激光器芯片，其特征在于：DFB激光器的长度不大于500微米，光栅反射器的长度不大于600微米。
3.根据权利要求1所述的一种高速直调两段式分布反馈半导体激光器芯片，其特征在于：电隔离的长度在10微米到80微米之间。
4.根据权利要求1所述的一种高速直调两段式分布反馈半导体激光器芯片，其特征在于：DFB激光器和光栅反射器共享同一外延层和波导结构，波导结构采用脊波导结构或掩埋异质结结构。
5.根据权利要求1所述的一种高速直调两段式分布反馈半导体激光器芯片，其特征在于：DFB激光器和光栅反射器两段内的采样光栅具有相同的种子光栅周期、和不同的采样周期，等效实现两段内光栅布拉格波长的失谐。
6.根据权利要求5所述的一种高速直调两段式分布反馈半导体激光器芯片，其特征在于：DFB激光器和光栅反射器的采样光栅的等效布拉格波长失谐量不超过0.5纳米，DFB激光器的光栅布拉格波长大于光栅反射器的布拉格波长。
7.根据权利要求5所述的一种高速直调两段式分布反馈半导体激光器芯片，其特征在于：两段光栅之间的失谐使得DFB激光器的激射主模落在光栅反射器的布拉格反射谱的下降沿，产生失谐加载效应，增加激光器弛豫振荡频率；同时激光通过光栅反射器后出射，腔内频率调制-幅度调制转换效应能够提高高频的调制响应。
8.根据权利要求5所述的一种高速直调两段式分布反馈半导体激光器芯片，其特征在于：DFB激光器和光栅反射器构成一个耦合腔，使得激射主模附近存在一个相邻的耦合腔模，即PPR模，PPR模与主模相互作用产生PPR效应，改善激光器直调带宽。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023216735A1 (zh) * 2022-05-10 2023-11-16 苏州旭创科技有限公司 半导体激光器及其制备方法

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