CN1177421A

CN1177421A - 激光器

Info

Publication number: CN1177421A
Application number: CN96192361.XA
Authority: CN
Inventors: R·J·卡姆贝尔; R·瓦特; G·谢尔若克; J·R·阿尔米塔格; M·C·布里尔莱; R·A·佩尼; D·威廉斯; M·J·罗伯森; H·J·维克斯
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: British Telecommunications PLC
Priority date: 1995-03-07
Filing date: 1996-03-07
Publication date: 1998-03-25
Anticipated expiration: 2016-03-07
Also published as: EP0813761A1; US5978400A; CA2212736C; AU4887596A; CN1147041C; CA2212736A1; WO1996027929A1; DE69603015D1; DE69603015T2; EP0813761B1; ES2135214T3

Abstract

一种激光器,包括限定激光腔的第一和第二个反馈元件以及激光腔内的增益介质,该增益介质具有第一和第二个小平面(5,6)以及用来在上述第一和第二小平面之间对于光辐射进行导向的光波导(8),其中第二个反馈元件是波长选择性的,而且光波导(8)的构形是以与第二小平面(6)的法线成一定角度θ对该光辐射进行导向。

Description

激光器

本发明涉及一种激光器。

在光学电信网中，例如需要具有窄的线宽输出的激光器。这种激光器可被用在例如密集的不同波长被利用来传送不同的信道场合下的波长分割多路系统中，或者被用在需要窄线宽的光源以避免弥散作用的高比特率的系统中。在半导体增益材料中带有衍射光栅的分布反馈(DFB)半导体激光器，已被利用作这些应用。这些分布反馈激光器的缺点在于，由于半导体材料的折射率与温度有关，故其输出波长随其温度变化而变化。这通常需要使用温度控制器及相关的电子线路来稳定分布反馈激光器的温度，从而稳定其输出波长。

这个问题在光纤光栅激光器(FGL)中已在某些程度上被克服，其带有透镜的光纤(包括光纤中的光栅)与半导体激光二极管排成一行而构成一短外腔激光器，例如可参见Bird等人发表在《ElectronicsLetters》，Vol.27，No.13，pp1115-1116，1991年6月20日上的文章“使用光纤光栅的窄谱线半导体激光光器”。在该器件中，激光二极管的最靠近带透镜光纤端的小平面是镀了增透膜的，以致于激光作用发生在该激光二极管后小平面和光纤中的光栅之间。由于包括光栅在内的大部分激光腔现在处于光纤而不是半导体材料中，故光纤光栅激光器输出波长随温度的变化远比分布反馈激光器要低。

本申请人还曾发现，已知的光纤光栅激光器对于用在实际的光学电信网中并不适合，这是由于当其驱动电流或者温度变化时，不仅其输出波长而且其输出功率都会不稳定。

根据本发明提供的激光器，包括限定激光腔的第一和第二个反馈元件以及激光腔内的增益介质，该增益介质具有第一和第二个小平面以及用来在上述第一和第二个小平面之间对于光辐射进行导向的光波导，其中第二个反馈元件是波长选择性的，且此光波导的构形是以与第二个小平面的法线成一定角度对该光辐射进行导向。

本申请人曾经发现，已知的光纤光栅激光器的不稳定性，是由于在半导体激光二极管的后小平面和前小平面(即最靠近光纤的小平面)之间，以及在光纤光栅和前小平面之间形成了耦合腔的缘故。已知的光纤光栅激光器输出的不稳定性，被认为是由于这些不同的耦合腔之间的模式竞争(competition)。这种模式竞争使已知的光纤光栅激光器在实际情况下变得不能使用，尽管在半导体激光二极管的前小平面上加了增透膜。当已有技术的光纤光栅激光器被利用在系统中传输数据时，所遇到的实际问题是，这些耦合腔的振荡模之间剧烈的模式跳跃，由于必然带来巨大的输出功率变化，所以将引起该系统误码率(BER)特性的变坏。

使用倾斜一定角度的小平面，尤其可以从《Electronics Letters》，vol.24，No.23，pp1439-1441，1988中了解到。在该文中，具有屋脊形(ridge)波导构形的二极管放大器所具有的屋脊以10°角相对小平面的法线定位，“以便抑制被劈开(cleave)小平面的半导体激光器中显然的内部共振”。该器件与两个外部反射器、一块平面反射镜和一块蚀刻在光纤中的光栅一起使用。激光器被设计成主动锁模的。

使用倾斜一定角度的小平面来抑制法布里珀罗振荡模，从稍远技术领域的超发光二极管中也可以了解到[它蓄意具有非常短的相干长度，通常为50μm，并不象半导体激光器(如在本发明中)通常具有约为2cm的相干长度]。

本发明通过提供一种能够以与激光器中增益介质的前一小平面的法线成一定角度对光辐射导向的光波导，试图克服或者至少在某种程度上将这些问题减轻。在光波导和前小平面的法线之间提供以角度的作用在于，由此前小平面产生的有效反射将被减少。由于光辐射以与前一小平面法线成一定角度入射而产生的进一步优点在于，来自此前小平面的反射很可能是对偏振敏感的。这就是说此小平面对于光波导的两种正交偏振模的反射率很可能是不相同的。这被发现在本发明的激光器中是有利的，因为它只按照一种模式帮助激光器产生激光作用。

最好让此光波导另外的构形是使光辐射基本上平行于第一小平面的法线导向。当第一反馈元件是由增益介质的第一个小平面提供时，这就尤其有利，因为在这种情况下所需要的来自此第一(或者后方)小平面的高反射率很容易提供，例如简单地从譬如半导体/空气界面之间的菲涅耳反射中提供。它还可能利用适当的镀膜来提高此小平面的反射率。

最好让此光波导的光路包括弯曲的部分。此弯曲的部分有利于实现该光波导基本上平行于第一小平面的法线，另一方法还满足与第二小平面的法线成一定角度。当这两个小平面彼此平行时，这尤其有利。

最好让此光波导与第二小平面法线之间的角度大于5°。该角度大于10°更为可取，约为12°则最为可取。

最好让此光波导弯曲部分的曲率半径在0.3mm和1mm之间。申请人已经发现，在实际的半导体器件中，对于光波导的这一曲率半径范围，意味着在对第一小平面提供相当大的角度以避免在该光波导弯曲部分造成波导损耗，和提供相当长的增益介质这种不相容的要求之间取得适当的平衡。

虽然光纤中由光栅来提供第二个波长选择性的反馈元件的一端可以包括透镜，然而此光纤一端最好是劈开的。劈开了的光纤端部将使该光纤与增益介质的对准容差放宽。最为可取地是使光纤被劈开，使得被劈开的平面的法线与光纤轴线成一定角度。

最好让增益介质和第二个波长选择性的反馈元件之间的对准容差进一步放宽，譬如通过在增益介质中使用一种能够改变波导中振荡模从增益介质第一小平面向第二小平面传播时大小的光波导结构。最好让该光波导包括申请人在1995年2月24日提出的，申请号为PCTGB95/00387的，涉及巨大光斑尺寸激光器的共同未决申请中所描述及要求保护的光波导结构。该申请在此被结合作为参考。

除了由于光波导与增益介质的前小平面构成一定角度而使本发明的激光器具有偏振敏感性之外，最好通过选定光波导的尺寸以使对一种偏振膜比另一种偏振膜提供更高的增益来进一步提高其偏振敏感性。

本发明的实施例，现在将仅通过实例和参照以下附图进行描述，其中，

图1为现有技术的光纤光栅激光器原理图；

图2为表示现有技术的带有总长约1cm、带宽0.2mm的光栅和500μm长的半导体激光二极管的光纤光栅激光器的功率/电流(LI)特性的实验曲线图；

图3表示本发明实施例的原理图；

图4为根据本发明实施例生长半导体激光二极管的示意图；

图5表示根据本发明实施例的激光器，其输出功率对于驱动电流的变化；

图6表示根据本发明实施例的激光器，其输出波长对于驱动电流的变化；

图7为表示激光作用的波长跨越光栅的反射率分布图随温度移动效果的原理图；

图8为表示根据本发明实施例的半导体激光二极管，其前小平面的反射率作为波导与该小平面法线之间角度的函数变化的理论曲线图；

图9为反射放大器的简图；

图10表示波长增益脉动对于输入小平面反射率关系的曲线图；

图11表示对于在有源的锥形波导下面带有无源的平面波导的复合波导结构设计的示意图；

图12表示在155Mbit/s下对本发明实施例的激光器进行的BER测量，既包括背对背的(方块表示)，又包括在40km的光纤上(三角表示)，以及

图13为本发明实施例的半导体激光二极管照片的复印件。

图1为现有技术的光纤光栅激光器的原理图，它包括与带有紫外写入光纤中的光栅3的光纤2排成一行的半导体激光二极管1。半导体激光二极管1包括在其后小平面5和前小平面6间对光辐射导向的光波导4。后小平面5可镀高反射率多层介质膜，以便在对半导体/空气界面菲涅耳反射外，提高它的反射率。此半导体激光二极管1的前小平6镀以多层介质增透膜。光纤2则包括在其靠近该半导体激光二极管1前小平面6一端的锥形的光纤透镜7。此现有技术的光纤光栅激光器的激光作用特性，主要是由光纤光栅3的波长、反射率和带宽决定的。然而本申请人已经发现，在利用这些器件作实验时，已有技术的光纤光栅激光器的功率/电流(LI)特性，显示出约有0.6nm的振荡模跳动，它周期性地随着光纤光栅激光器电流或者温度的变化而发生。这样的实验结果表示在图2中，由其可以看出，巨大的振荡模跳动的存在，是在光纤光栅激光器的驱动电流增加时发生的，不过不是在该激光器的驱动电流减小时发生的。并未对激光器施加温度控制，然而电流是变化的。

如图2表示的器件特性，通常并不认为适合于用在电信网中，由于如下若干理由：(a)大约0.5nm的振荡模跳动，当在WDM系统中使用时将引起系统的控制问题；(b)输出功率的巨大变化，将要求比所需要的要高的功率分配(budget)被结合在网路设计中；(c)器件的功率/电流特性中的迟滞现象，通常认为是低标准激光器的证明。

对于功率/电流特性中振荡模跳动的原因，已被本申请人认定是由于半导体激光二极管1的前后小平面以及光纤光栅3和半导体的前小平面6之间形成的耦合腔引起的。

当启动现有技术的光纤光栅激光器时，图2中表示的振荡模跳动是存在的，尽管在半导体激光二极管1的前小平面6上准备有增透膜。半导体激光二极管上利用增透膜时可以达到的最好反射率约为10^-4，然而即使这种程度的反射作用假定，被发现要使现有技术的光纤光栅激光器利用在电信系统中也是不能胜任的。而且10^-4的反射率是难以达到的，并且仅仅以非常低的产额能够达到。能以稍高的产额可以达到的更加典型的值是10^-3。适合的增透膜的细节，可以在G.Eisenstein等人发表在《Applied Optics》，Vol.23，No.1，pp161-164，1984上的论文中找到。

图3表示根据本发明实施例的光纤光栅激光器。此光纤光栅激光器包括在其前小平面6上面镀有增透膜的半导体激光二极管1以及带有光纤光栅3和锥形透镜7的光纤2。该半导体激光二极管1中的光波导8包括三个部分，即与后小平面5的法线基本上平行的直线部分9，与前小平面6的法线构成一定角度θ的直线部分11，以及连接两直线部分9和11的曲线部分10。

半导体激光二极管1是采用标准的MOVPE半导体生长方法和掩模技术制造的。半导体激光二极管生长的工艺过程如下，参见图4。

图4a表示的平的晶片，包括有n-Inp基片12、2μm厚的InP缓冲层(S掺杂的3E18)13、0.15μm厚的无掺杂的pQ1.54活性层14，以及0.4μm厚的pInP(掺杂Zn的4E17)封顶层15。然后按照传统方式利用一掩模掩蔽该平晶片，而且掩模被设计成限定一与该半导体激光二极管1的后小平面5和前小平面6适当地对准的波导8。参见图4b，在沉积一SiO₂层16之后，采用传统的活性离子蚀刻法蚀刻出一与掩模确定的波导8对应的台面。然后利用厚度为0.6μm的pInP阻挡层17(掺杂Zn的6E17)和厚度为0.4μm的nInP阻挡层18(S掺杂的9E17)将此台结构过度生长。然后进行第二阶段的过度生长，以便形成分别为P-InP和P+InGaAs的两个接触层19和20。接触层19包括相等厚度(0.75μm)的两层，分别具有Zn掺杂态(Level)的8E17和Zn掺杂态的2E18。接触层20具有0.1μm的厚度，而且是掺杂Zn的2E19。参见图4e及4f，接触层20随后被掩膜及在波导的两侧向下蚀刻到基片，以在波导的两则形成沟槽21。然后将此器件在pyrox22中按照传统方式进行涂敷，并且形成一接触窗23，如图4g所示。最后，对此器件进行修磨，并且在基片上镀以n型接触的金属的TiAu接头24，在其上表面镀以P型接触的金属的Ti/TiAu接头25。该器件的其余尺寸如下：

总的器件宽度：～200μm

总的器件长度：～500μm

器件修磨后的厚度：～90μm

活性层的宽度：～1.67μm

两沟槽间的宽度(内侧至内侧)：～20μm

沟槽的宽度：～5μm

然后利用多介质层对半导体激光二极管1的前小平面6镀增透膜。

图13为根据本发明实施例的半导体激光二极管照片的复印件。

根据本发明实施例的半导体激光二极管1，随后被耦合到带有光纤光栅3(具有24％的反射率和0.2mm的带宽)的光纤2上面。总的激光器腔长，即由光纤光栅3至半导体激光二极管1后小平面5的长度，约为1cm，其与0.05nm的自由光谱区对应。该激光器无温度控制的功率特性和波长变化，分别表示在图5及6中。从这些图中显然可以看出，使用带有光波导的半导体激光二极管，使光波导与其前小平面的法线构成一定角度，便可得到具有更加线性的功率/电流特性曲线的激光器，而且不会受到振荡模跳动或者功率波动的损害。

图5中表示的功率/电流曲线对预期的线性响应的轻微偏离，被认为是由于温度引起的、起因于激光作用的波长跨越光栅移动而带来的波长漂移所引起的结果。参见图7，随着波长跨越光栅反射率移动，反射率将变化而使激光腔的性能(即腔的反馈和输出端耦合)改变，其结果是使激光器的输出功率变化。

图5及6中表示的实验结果是针对本发明的光纤光栅激光器的，其所具有的光波导11和半导体激光二极管1前小平面6之间的角度θ为12°。具有θ角8°、10°、12°和14°的器件，已经被制备出来并从理论上加以模拟。图8表示前小平面的反射率作为波导11与前小平面法线之间角度θ函数的变化曲线图。此理论曲线图是建立在板块波导模型上的。通过实验发现，得出最好结果的角度约为12°。

为了对本发明实施例的半导体激光二极管的前小平面的反射率作出估算，作为放大器工作时该半导体激光二极管的波长脉动程度已在理论上进行模拟，并且通过实验进行过测量。

反射放大器基本上是一种半导体放大器，带有一个非常低反射率的小平面和一个比较高反射率的平面反射镜。它示意表示在图9中。

光经过一根单模光纤输入具有效率η的器件中。输入小平面的反射率为R₁。放大器的单程增益为Gs，而且平面反射镜的反射率为R₂。可以表示，该放大器总的反射增益G由下式给出

G = \frac{{(\sqrt{R_{1}} - G_{N} \sqrt{R_{2}})}^{2} + 4 G_{N} \sqrt{R_{1}} R_{2} \sin^{2} φ}{{(1 - \sqrt{R_{1}} R_{2} G_{N})}^{2} + 4 G_{N} \sqrt{R_{1}} R_{2} \sin^{2} φ}

其中位相项θ＝2ML/(λ-λ0)，L为激光器腔长，M为模数(整数)，λ为信号的波长，λ₀为最接近的脉动峰的波长。在这种情况下，当φ＝0，π时标准增益为最大，当φ＝π/2，3π/2时为最小。G对φ的相关性给出增益的增长。增益的脉动由下式给出

&PartialD; G = \frac{(\sqrt{R_{1}} - G_{N} \sqrt{R_{2}}) (1 + G_{N} \sqrt{R_{1}} R_{2})}{(\sqrt{R_{1}} + G_{N} \sqrt{R_{2}}) (1 - G_{N} \sqrt{R_{1}} R_{2})}

对于带有反射率85％的后小平面和光纤增益为20dB的光纤的器件来说，增益脉动随输入反射率的变化绘在图10中。

通过对本发明实施例的半导体激光二极管1作为反射放大器工作时的波长增益的脉动进行测量，有可能对其前小平面的反射率作出估算，其被估计约为5×10^-5。

光波导8的宽度已经变化，以便改变此半导体激光二极管1的偏振敏感性。宽度为1.2μm，1.44μm和1.79μm的光波导，已经加工出来。带有1.44μm宽的光波导的器件被发现运行最好，能够给出比带有较小宽度波导的器件更好的偏振敏感性，因而能够提高本发明实施例激光器的单模性质。

为了改进光纤2与半导体激光二极管1的对准容差，建议将作为波导8的波导结构加工成包括复合的波导，被设计来增大被引导模从后小平面5向前小平面6传播时的模式大小。这种复合波导的结构表示在图11中。

图5中表示的功率/电流特性，显然克服了图2中表示的已有技术的功率/电流特性中验明的所有缺陷。然后给定设想的工作环境，可以预期，即使本发明实施例的光纤光栅激光器，在该器件使用期限中的某一点也会遭受振荡模跳动和功率突变，如果不是建立在正规的基础上。事实上如果约50℃的工作温度范围给定而没有任何温度控制，那么激光器的振荡模跳动非常难以避免。使用本发明实施例激光器时观察到的波长跳动，在改变器件温度时被发现为≈0.05nm(跳动的大小是由激光腔的自由光谱区决定的)。外腔振荡模之间的跳动，要比前面针对已有技术的光纤光栅激光器(其中前小平面的反射占优势)描述的小得多。各振荡模跳动之间的功率变化，也比上述光纤光栅激光器中观察到的小很多。除了振荡模跳动的区域之外，本发明实施例的激光器能在所有状态下保持单一频率工作，只有电流超过95mA观察到多模工作区的情况除外。

对于本发明实施例的光纤光栅激光器所作的典型的BER测量表示在图12中，所针对的是器件工作在其特性的稳定的单模区中的情况。该器件的性能(既按背对背的测量，又越过40km的光纤)很容易满足设想中的系统的要求，而且与分布反馈激光器的性能相匹敌。

而且还进行一系列BER实验，其中该器件的温度跨过为包含振荡模跳动所知的范围摆动。贯穿每一测量迅速上升温度，以便模拟最恶劣的操作环境。与固定温度下的误码率结果相比，在误码率方面只有略微变坏，这是由于两振荡模之间的跳动引起的。当进行温度扫描时，典型地是固定温度下1×10^-9的误码率将增加到6×10^-9，这种变化量在通信网的功率分配中可以很容易地被接纳。

Claims

1.一种激光器，包括限定激光腔的第一和第二个反馈元件以及激光腔内的增益介质，该增益介质具有第一和第二个小平面以及用来在上述第一和第二小平之间对于光辐射进行导向的光波导，其中第二个反馈元件是波长选择性的，且此光波导的构形是以与第二个小平面的法线成一定角度对该光辐射进行导向，并且其中光波导另外的构形是对该光辐射基本上平行于第一小平面的法线进行导向。

2.如权利要求1所述的激光器，其中，第一个反馈元件是由上述第一小平面上的反射膜提供的。

3.如权利要求1或2所述的激光器，其中，光波导的光路包括弯曲的部分。

4.如权利要求3所述的激光器，其中，光波导的光路包括邻近第一小平面的第一个基本上为直线的部分，以及邻近第二小平面的第二个基本上为直线的部分，其中弯曲的部分位于上述两直线部分之间。

5.如上述任一权利要求所述的激光器，其中，光波导与第二小平面法线之间的角度大于5°。

6.如上述任一权利要求所述的激光器，其中，光波导与第二小平面法线之间的角度大于10°。

7.如上述任一权利要求所述的激光器，其中，光波导与第二小平面法线之间的角度约为12°。

8.如权利要求3至7之一所述的激光器，其中，光波导弯曲部分的曲率半径在0.3mm和1mm之间。

9.如上述任一权利要求所述的激光器，其中，波长选择性反馈元件包括一光栅。

10.如权利要求9所述的激光器，其中，光栅是在光纤中的。

11.如权利要求10所述的激光器，其中，邻近增益介质第二小平面的光纤端部是被劈开了的端部。

12.如权利要求11所述的激光器，其中，光纤劈开平面的法线与光纤轴线成一定角度。

13.如权利要求10所述的激光器，其中，邻近第二小平面的光纤端部包括有透镜。

14.如上述任一权利要求所述的激光器，其中，第一反馈元件是由增益介质的第一个小平面提供的。

15.如上述任一权利要求所述的激光器，其中，增益介质的第二个小平面包括增透膜。

16.如上述任一权利要求所述的激光器，其中，光波导支持具有正交偏振的两种模式，并且被加工成所需要的尺寸，以便为一种模式提供比另一种模式更高的增益。

17.如上述任一权利要求所述的激光器，其中，增益介质乃是半导体激光二极管。

18.如权利要求17所述的激光器，其中，光波导包括一种波导结构，该结构随波导中的振荡模由增益介质的第一小平面向第二小平面传播时将改变该振荡模的大小。

19.如权利要求18所述的激光器，其中，半导体激光二极管包括一复合的光波导，此复合波导具有第一个不旋光(optically passive)的平面波导和第二个旋光的(optically active)波导；其中上述第二个波导在基本上平行于上述第一波导平面的方向上，沿第二波导靠近半导体激光二极管第二小平面处长度的基本部分为锥形的，以使此复合波导支持的光学振荡基模的大小沿其靠近第二小平面处的长度增大。