CN115702530A - 具有部分光栅的扩口dfb激光器 - Google Patents

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Abstract

一种激光器，具有后反射器、与所述后反射器间隔开的前表面以及限定在所述后反射器与所述前表面之间的空腔，所述空腔具有波导并且包括：邻近所述前表面的第一空腔段，所述第一空腔段包括布拉格光栅和所述波导的第一部分，所述第一部分具有第一宽度，所述布拉格光栅的长度在从所述后反射器到所述前表面距离的40％至60％的范围内；邻近所述后反射器的第二空腔段，所述第二空腔段包括所述波导的第二部分，所述第二部分具有大于所述第一宽度的第二宽度。

Description

具有部分光栅的扩口DFB激光器
技术领域
本发明涉及激光器，例如涉及改进分布式反馈(distributed feedback，DFB)激光器的操作和可制造性。
背景技术
如图1(a)和1(b)所示，标准DFB激光器包括半导体结构，该半导体结构具有后表面或后端面10、与前表面或前端面相对的前表面或前端面11以及形成在后表面或后端面10与前表面或前端面11之间的激光器空腔。激光器空腔包括插入p型半导体材料层与n型半导体材料层(分别以14和15示出)之间的有源层13。可以在空腔的相对的顶侧和底侧上的电极或接触件17a、17b上施加电压。该空腔包括波导(通常以12示出)，光可以沿着该波导被引导。光从空腔的前表面11处发射。
布拉格(Bragg)光栅16充当波长选择元件并提供反馈，从而将光反射回空腔，以形成谐振器。光栅可以被构造成仅反射波长的窄带。
在标准DFB激光器中，后端面通常涂覆有高反射(high-reflection，HR)涂层，以增强输出功率。具有HR涂层的后端面10用作后反射器。前端面11通常涂覆有抗反射(anti-reflection，AR)涂层，以增加输出功率和减少反射。光栅通常从HR端面跨越到AR端面。
为了产生单个发射波长(λ)，光栅周期Λ(x)与局部折射率分布neff(x)之间的关系应满足条件λ＝2neff(x)*Λ(x)。
单模DFB激光器可以具有直波导或弯曲波导。标准DFB激光器通常具有恒定的波导宽度和恒定的光栅间距，因为这样可以进行高效的大规模生产。
为了实现高效的单模操作，波导宽度可以在1.0μm至2.5μm之间。但是，当使用窄波导宽度时，接触电阻较高，沿空腔和HR端面处的电流密度和光密度也较高，这可能会降低性能。
其它方法使用λ/4相移光栅或使用啁啾光栅、可变波导宽度或非对称波纹间距调制(asymmetric corrugation-pitch-modulated，ACPM)光栅。
但是，很难进一步提高DFB激光器的性能，例如提高输出功率和可靠性。
期望开发一种具有高输出功率、良好可靠性和可制造性的激光器。
发明内容
根据一个方面，提供了一种激光器，具有后反射器、与所述后反射器间隔开的前表面以及限定在所述后反射器与所述前表面之间的空腔，所述空腔具有波导并且包括：邻近所述前表面的第一空腔段，所述第一空腔段包括布拉格光栅和所述波导的第一部分，所述第一部分具有第一宽度，所述布拉格光栅的长度在从所述后反射器到所述前表面距离(即空腔总长度)的40％至60％的范围内；邻近所述后反射器的第二空腔段，所述第二空腔段包括所述波导的第二部分，所述第二部分具有大于所述第一宽度的第二宽度。
激光器的后端面处的波导宽度更宽可以降低接触电阻和串联电阻，从而可以降低电阻和电流密度，并且可以降低端面处的光密度，同时提供高输出功率和单波长发射。这样可以提高性能。非光栅段中的波导宽度比光栅段中的波导宽度更宽，因此不会激发高阶光模。
所述空腔还可以包括过渡段，所述过渡段包括所述波导的过渡部分，所述过渡部分位于所述第一空腔段与所述第二空腔段之间并光学耦合到所述第一空腔段和所述第二空腔段。这可以使波导的第一部分和第二部分光学耦合，以沿着空腔引导光在前表面处输出。
所述第二空腔段和所述过渡段中的每一个可以不包括布拉格光栅。这可以使阈值电流更稳定并提高光输出功率，因为扩口非光栅段进行更优先电流泵浦。
所述波导的所述过渡部分的宽度可以在所述第一宽度与所述第二宽度之间变化。这可以使第一波导部分光学耦合到第二波导部分。所述过渡段的长度可以等于或短于所述第二空腔段的长度。
所述第一宽度可以在1.0μm与3.5μm之间。这可以实现激光器的单模操作。
所述波导的所述第一部分的所述宽度可以是恒定的。这可以使激光更容易地制造。
所述第一空腔段中的所述布拉格光栅的周期可以是恒定的。这可以进一步使激光器更容易地制造。
所述第二宽度可以在1.0μm至5.0μm之间。这可以使激光器以更稳定的阈值电流和更高的光输出功率进行单模操作。
所述激光器可以是分布式反馈激光器。这可以是单模激光振荡的方便操作格式。
所述布拉格光栅可以沿着所述第一空腔段的长度伸长。所述长度伸长可以与所述前表面正交。这可以使光栅设置在激光器空腔的半导体层之间。
所述布拉格光栅的长度可以在从所述后反射器到所述前表面的距离的45％至55％的范围内。与上述更宽的范围相比，在该较小范围内的值可能会产生更好的性能。
所述前表面可以涂覆有抗反射涂层，所述后反射器可以涂覆有高反射涂层。这可以增加功率并提高激光器的效率。
所述波导可以是脊形波导或埋入式异质结构波导。这可以实现激光器结构的多功能性。
所述前表面可以是所述激光器的发射面。这可以使激光器提供光输出或使激光器与其它光学功能结构集成。
后反射器可以是后端面，而前表面可以是前端面。前端面和后端面可以是劈裂面。这是方便的激光器制造方法。后反射器和前表面也可以通过其它方便的方法形成。
光栅强度和长度乘积(Kappa*Lg)可以在0.6至1.5的范围内。这可以实现良好的性能。
后反射器可以是平面的，并且从后反射器到前表面的所述距离可以在垂直于后反射器的方向上测量。
激光器空腔可以包括第一掺杂类型的第一半导体层、与第一类型相反的第二掺杂类型的第二半导体层以及位于第一半导体层与第二半导体层之间的有源区域，第一半导体层和第二半导体层在后反射器与前表面之间延伸的方向上伸长。这是一种方便的激光器配置。
布拉格光栅可以位于第一半导体层与第二半导体层之间，或位于第一空腔段中的这些层中的一个内。这可能便于制造激光器。
附图说明
现结合附图通过示例的方式对本发明进行描述。
在附图中：
图1(a)和图1(b)分别示出了标准DFB激光器的顶视图和侧视图。
图2(a)和图2(b)分别示出了激光器的顶视图和侧视图，其中第一空腔段邻近激光器空腔的前端面，该第一空腔段具有布拉格光栅，波导宽度比邻近后端面的空腔的第二段窄。
图3示出了具有用于第一空腔段和第二空腔段的单独顶部接触件的DFB激光器的替代配置的侧视图。
具体实施方式
如图2(a)和图2(b)所示，本文描述的DFB激光器的一个示例包括三个空腔段20、21、22，每个空腔段包括波导的一部分20a、21a、22a，所述波导的一部分20a、21a、22a用于引导光沿着空腔传播。
激光器通常包括半导体块，该半导体块具有后表面或后端面23、与前表面或前端面相对的前表面或前端面24。激光器空腔形成在后表面或后端面23与前表面或前端面24之间。激光器空腔的总长度为L。该长度优选地在后表面与前表面之间限定。高反射(high-reflection，HR)涂层优选涂覆到后端面23上，抗反射(anti-reflection，AR)涂层优选涂覆到前端面24上。具有HR涂层的后端面充当后反射器。优选地，前端面和后端面彼此平行对齐。优选地，前端面正交于空腔的长度和/或布拉格光栅。优选地，后端面正交于空腔的长度。激光器的前表面和/或后表面可以通过劈裂形成。波导的宽度优选地垂直于空腔的长度。
激光器空腔包括第一掺杂类型的第一半导体层、与第一类型相反的第二掺杂类型的第二半导体层以及位于第一半导体层与第二半导体层之间的有源区域，第一半导体层和第二半导体层在后反射器与前表面之间延伸的方向上伸长。在图2(b)所示的示例中，激光器空腔包括插入p型半导体材料层与n型半导体材料层(分别以26和27示出)之间的有源层25。在该示例中，半导体层由InP制成。但是，也可以使用其它半导体材料，如GaAs。形成空腔的材料可以选择性地掺杂在p型层26和n型层27的区域中。激光器的有源层25可以是无意掺杂的多量子阱(multiple quantum well，MQW)结构。层25、26、27在后表面23与前表面24之间延伸的方向上伸长。
可以在空腔的相对的顶侧和底侧上的电极或接触件29a和29b上施加电压。
激光器的波导包括折射率为n的材料，该折射率n大于衬底的折射率。波导可以是脊形波导或埋入式异质结构(buried-heterostructure，BH)波导，以便于制造的多功能性。脊形波导可以通过以下方式产生：在波导的任一侧的材料中蚀刻平行沟槽，以产生隔离的突出带，该突出带的宽度通常小于10μm，长度为几百μm。折射率比波导材料低的材料可以放置在脊的侧面，以将注入的电流引导到脊中。或者，脊的两侧可以由空气包围，所述两侧不与波导下面的衬底接触。BH波导包括由较长带隙波长半导体材料制成的芯，该芯被由较短带隙波长半导体材料制成的包层包围。
光在前表面24处从波导离开激光器空腔(即，前表面是激光器的发射面)。
空腔包括邻近前表面24的第一空腔段20。第一空腔段20具有长度L1，并且包括布拉格光栅28和波导的第一部分，在图2(a)中通常以20a示出。波导的第一部分20a具有第一宽度d1。d1优选地是恒定的。例如，波导的第一部分的宽度可以是恒定的，并且可以在1.0μm与3.5μm之间。这有助于确保单一光模的操作，并使得更容易地制造激光器。
布拉格光栅28具有长度Lg。空腔20的第一段中的布拉格光栅28的长度在从后反射器23到前表面24的距离的40％至60％的范围内，即L的40％至60％。第一段中的布拉格光栅的周期优选地是恒定的，以提高可制造性。如果波导宽度d1是可变的，则光栅周期也可以是可变的，以满足条件λ＝2neff(x)*Λ(x)。波导可以是直的，也可以是弯曲的，只要满足条件λ＝2neff(x)*Λ(x)即可。
在第一空腔段20中，光栅强度(Kappa)和长度乘积Kappa*Lg优选地在0.6与1.5之间。
在图2(b)所示的示例中，布拉格光栅28定位在有源层25与p型半导体层26之间的(涂覆有AR涂层的)前端面24附近(即紧邻或接近)。光栅也可以定位在有源层25与n型半导体层27之间。布拉格光栅与激光器的第一空腔段是一体的。布拉格光栅沿着空腔的长度伸长。光栅的长度伸长与前端面正交。
优选地，光栅沿着第一空腔段20的完整长度L1延伸(即L1＝Lg)。因此，空腔的第一段可以具有长度L1，该长度在从后反射器到前表面的距离的40％至60％的范围内。或者，光栅可以不一直延伸到空腔的前端面，并且可以存在紧挨着前表面24的空腔20的第一段的子段，该子段不具有布拉格光栅。在这种情况下，布拉格光栅的长度在从后反射器到前表面的距离的40％至60％的范围内。因此，激光器具有长度Lg为波导总长度的40％至60％的部分光栅。在这两种情况下，优选地，Lg在激光器空腔总长度的45％至55％的范围内，Lg可以等于从后反射器到前表面的距离的40％、45％、50％、55％或60％。
空腔包括邻近后反射器23的第二空腔段21。第二空腔段21具有长度L2，并且包括波导的第二部分，如图2(a)中的21a所示。波导的第二部分21a具有第二宽度d2。第二宽度d2大于第一宽度d1，使得不会激发高阶光模。优选地，d2在1.0μm至5.0μm之间。波导宽度d2可以是恒定的，或者它可以沿着波导的该部分可变。因此，激光器具有更宽的波导段，该波导段没有邻近(涂覆有HR涂层的)后端面的光栅。空腔的第二段用作增益段。
由于波导的第二部分21a比第一部分20a宽，后波导的表面积更大，因此激光器的接触电阻低于传统的DFB激光器。这也可能使热特性得到改善，因为由于散热的改善，热量可能较少。这也可以降低串联电阻，这可以降低电流密度，并且可以降低端面处的光密度。
光学耦合空腔第一段和第二段的是位于第一段20与第二段21之间的过渡段22。空腔22的过渡段具有长度L3和宽度d3。过渡段d3的宽度沿着过渡段的长度在第一宽度d1与第二宽度d2之间是可变的。在图2(a)所示的示例中，过渡段的宽度在第一宽度与第二宽度之间线性变化。但是，在其它实现中，过渡段的宽度可以在第一宽度d1与第二宽度d2之间非线性变化。
如图2(a)和图2(b)所示，第二空腔段和过渡段中的每一个不包括布拉格光栅。因此，空腔的非光栅段(由第二段和过渡段组成)的总长度为L2+L3，邻近(涂覆有HR涂层的)后表面。
过渡段22的长度可以等于或短于空腔21的第二段的长度。
第一段20和第二段21可以具有公共的顶部接触件29a，如图2(b)所示。或者，如图3中示意性所示，波导的第一段和第二段可以具有单独的顶部接触件29a和29c。可以在空腔的相对的顶侧和底侧上的电极或接触件29a和/或29c和29b上施加电压。这可以使激光其的不同段被独立控制。这在DC或调制激光器应用中可能很有用。
布拉格光栅可以通过电子束光刻法制备。这使得可以非常精确地控制光栅间距的精度。光栅可以是折射率耦合光栅、增益耦合光栅或复杂耦合光栅。包括布拉格光栅的层可以由p掺杂半导体材料或n掺杂半导体材料制成。
总之，本文所述的DFB激光器优选具有涂覆有抗反射(anti-reflection，AR)涂层的前表面和涂覆有高反射(high-reflection，HR)涂层的后表面，以获得高输出功率。扩口部分光栅激光器在后段内没有光栅，在前段内有光栅。非光栅段的长度在激光器空腔总长度的40％至60％之间。非光栅段中的波导宽度可以比光栅段中的波导宽度更宽，因此不会激发高阶光模。
因此，本文描述的DFB沿着波导的长度具有不同的波导宽度，以提高设备可靠性并实现高输出功率，但仍然可以通过满足单波长发射要求(即λ＝2neff(x)*Λ(x))来发射单波长。
扩口部分光栅DFB激光器具有稳定的相同光学纵模分布。因此，它对外部光学反射更耐受。前端面和后端面输出功率比分布更紧密。因此，激光器可以具有更高的产率。沿空腔的电场对于不同的端面相位是稳定的，因此空间烧孔效应可能较少。激光器还使阈值电流更稳定并提高光输出功率，因为扩口非光栅段进行更优先电流泵浦。邻近后表面的较宽波导没有光栅也可以使接触电阻较低，热特性更好。
本文描述的DFB设计可以提高可靠性，例如通过避免HR-COMD，以及光输出功率，同时在设备的前表面发射具有单一波长的光。它适合大规模生产，特别是使用步进器，以具有更好的波导脊控制。
激光器结构可以与另一个光学功能结构集成，例如电吸收调制器、马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)调制器或放大器。
激光器优选为单模激光器。
申请人在此单独公开本文所述的每一个体特征及两个或两个以上此类特征的任意组合。以本领域技术人员的普通知识，能够根据本说明书将此类特征或组合作为整体实现，而不考虑此类特征或特征的组合是否能解决本文所公开的任何问题；且不对权利要求书的范围造成限制。申请人指出，本发明的方面可以包括任何这样的单独特征或特征的组合。鉴于上述描述，本领域技术人员将明显地看到，在本发明的范围内可以进行各种修改。

Claims (15)

1.一种激光器，其特征在于，具有后反射器、与所述后反射器间隔开的前表面以及限定在所述后反射器与所述前表面之间的空腔，所述空腔具有波导并且包括：
邻近所述前表面的第一空腔段，所述第一空腔段包括布拉格(Bragg)光栅和所述波导的第一部分，所述第一部分具有第一宽度，所述布拉格光栅的长度在从所述后反射器到所述前表面的距离的40％至60％的范围内；
邻近所述后反射器的第二空腔段，所述第二空腔段包括所述波导的第二部分，所述第二部分具有大于所述第一宽度的第二宽度。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述空腔还包括过渡段，所述过渡段包括所述波导的过渡部分，所述过渡部分位于所述第一空腔段与所述第二空腔段之间并光学耦合到所述第一空腔段和所述第二空腔段。
3.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于，所述第二空腔段和所述过渡段中的每一个不包括布拉格光栅。
4.根据权利要求2或3所述的激光器，其特征在于，所述波导的所述过渡部分的宽度在所述第一宽度与所述第二宽度之间变化。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的激光器，其特征在于，所述过渡段的长度等于或短于所述第二空腔段的长度。
6.根据上述权利要求中任一项所述的激光器，其特征在于，所述第一宽度在1.0μm与3.5μm之间。
7.根据上述权利要求中任一项所述的激光器，其特征在于，所述波导的所述第一部分的所述宽度是恒定的。
8.根据上述权利要求中任一项所述的激光器，其特征在于，所述第一空腔段中的所述布拉格光栅的周期是恒定的。
9.根据上述权利要求中任一项所述的激光器，其特征在于，所述第二宽度在1.0μm与5.0μm之间。
10.根据上述权利要求中任一项所述的激光器，其特征在于，所述激光器是分布式反馈激光器。
11.根据上述权利要求中任一项所述的激光器，其特征在于，所述布拉格光栅沿着所述第一空腔段的长度伸长。
12.根据上述权利要求中任一项所述的激光器，其特征在于，所述布拉格光栅的长度在从所述后反射器到所述前表面的距离的45％至55％的范围内。
13.根据上述权利要求中任一项所述的激光器，其特征在于，所述前表面涂覆有抗反射涂层，所述后反射器涂覆有高反射涂层。
14.根据上述权利要求中任一项所述的激光器，其特征在于，所述波导是脊形波导或埋入式异质结构波导。
15.根据上述权利要求中任一项所述的激光器，其特征在于，所述前表面是所述激光器的发射面。
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