CN118213854A - 一种用于ng-pon2突发模式的三段式半导体激光器及其制作和应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于NG‑PON2突发模式的三段式半导体激光器，由DFB区和两个反射区组成，三者共用一个光栅反馈层；光栅整体采用线性渐变啁啾结构，并在DFB区中间引入π相移。本发明还给出了三段式半导体激光器的制作及应用方法，工作时，DFB区注入正常工作电流，反射区注入小电流，反射区提供反馈以维持DFB的正常激射，反射区中小电流对芯片的热效应贡献较小，但是其提供的反馈可以维持正常的激射；当反射区中不注入电流时，DFB区因缺乏反馈不能实现激射。本发明通过控制反馈区中小电流从而实现大消光比的突发模式，且突发模式实现的过程中，DFB有源区结温几乎无变化，因此没有发生波长漂移。本发明为NG‑PON2中突发模式激光器的实现提供了解决方案。
Description
技术领域：
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种用于NG-PON2突发模式的三段式半导体激光器及其制作和应用方法。
背景技术：
NG-PON2(Next-Generation PON 2，下一代无源光网络)被视为PON(PassiveOptical Network，无源光网络)技术的未来发展方向，旨在为光接入网提供更高的带宽、更灵活的服务和更先进的特性。其核心是波分复用(WDM，Wavelength DivisionMultiplexing)和时分复用(TDM，Time Division Multiplexing)相混合的技术方案。
NG-PON2中的核心技术难点是突发模式(Burst mode)的实现方案。突发模式是指无源光网络中的一种传输模式，可以让ONU(Optical Network Unit，光网络单元)在需要时发送数据，而在空闲时保持静默以节省能源。因此，这对ONU的开关消光比(On/off ratio>45dBm)和突发模式稳定时间(Burst on time<500ns)都提出了极高的要求。进而，ONU中基于半导体激光器的光发射芯片的出光功率以及瞬态波长稳定度便成了技术难点。而光接入网的建设对成本敏感，因此需要寻求低成本的解决方案。
对于传统的解决方案，激光器工作在突发模式下时，激光器是有一段时间处于不工作的状态，在此状态下，激光器没有电流注入，其温度偏低；而当收到信号进入工作状态时，由于电流的注入，激光器的温度会升高，而激光器的激射波长会随着温度变化而变化，对于一般的半导体激光器来说，温漂系数大约为0.1纳米/度。也就是说，激光器从不工作到稳定工作的时间间隔其实是由温度稳定的时间决定的，而这个时间一般在几十到几百微秒量级，是远远达不到NG-PON2的指标要求的。
因此，更多地解决方案提出了在激光器前端单片集成SOA(SemiconductorOptical Amplifier，半导体光放大器)和外部调制器(如EAM，Electro-absorptionModulator，电吸收调制器、MZM，Mach-Zehnder Modulator，马赫曾德尔调制器等)。在ONU处于不工作状态时，不改变激光器注入电流而将SOA和外部调制器设置为反偏状态用以吸收激光器激射的光，从而实现“关”(Burst off)状态。但这种类似的解决方案若是基于同质集成工艺(即单片集成的SOA和外部调制器与激光器的外延结构完全一致)，则难以达到NG-PON2的无光水平，也就是开关消光比>45dBm；即使采用异质集成工艺(即单片集成的SOA和外部调制器与激光器的外延结构不同)，虽然能达到上述无光要求，但整体功耗很高，难以达到NG-PON2的指标要求。
目前缺乏开断消光比大(>45dBm)、突发模式稳定时间小(<500ns)、控制简单、功耗小的半导体激光器。基于此，发明提出一种用于NG-PON2突发模式的三段式半导体激光器及其制作和应用方法以解决上述问题。
发明内容：
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种用于解决NG-PON2突发模式的大开断消光比(>45dBm)、小突发模式稳定时间(<500ns)、控制简单以及功耗小的三段式半导体激光器及其制作和应用方法。
本发明采用以下技术方案：
(一)本发明提供一种用于NG-PON2突发模式的三段式半导体激光器，所述三段式半导体激光器由三段组成，分别为DFB区以及分布在DFB区前后的两个反射区；所述DFB区和两个反射区共用一个光栅层。三者均可对其注入电流进行独立控制。
进一步的，所述光栅层的光栅为线性渐变啁啾结构，三段式半导体激光器中，三段区域内的光栅呈周期线性渐变，且光栅周期在相邻两段区域间连续。
进一步的，所述光栅层中心设置相移结构，所述相移结构分布在DFB区中心位置。所述相移结构使得整体光栅单元达到相位匹配，从而使得三段式半导体激光器装置实现良好的单纵模激射输出。
进一步的，所述三段式半导体激光器由下至上依次由衬底、缓冲层、下限制层、多量子阱层、上限制层、光栅层、腐蚀阻挡层、波导层和接触层叠设而成。
进一步的，所述多量子阱层作为增益介质，覆盖三段式半导体激光器装置波长输出范围。
进一步的，所述多量子阱层为InGaAlAs多量子阱。
进一步的，所述衬底为n型掺杂的衬底，下限制层为n型掺杂和不掺杂的限制层。
(二)本发明还提供了以上所述的用于NG-PON2突发模式的三段式半导体激光器的制作方法，包括以下步骤：
S1、在衬底上通过金属有机化合物气相依次沉积生长缓冲层和下限制层，然后再在下限制层上生长多量子阱层，在多量子阱层上生长上限制层，然后在上限制层上方生长光栅层；
S2、光栅层为激光器光栅，采用重构等效啁啾技术设计，使激光器光栅的光栅周期整体线性渐变，段间光栅周期连续，并在DFB区中心位置引入π相移结构；
S3、在光栅层上方沉积InP，用于对光栅层掩埋，然后依次生长腐蚀阻挡层、波导层和接触层；
S4、将所述的波导层和接触层腐蚀形成脊型，并通过刻蚀得到相互隔离的DFB区和两个反射区，在接触层上方的脊型区域生长正面金属电极；
S5、减薄抛光所述衬底背面，蒸发背面电极并加热制得到合金，芯片解理后制得所述三段式半导体激光器。
(三)本发明还提供了以上所述的用于NG-PON2突发模式的三段式半导体激光器的应用方法，所述三段式半导体激光器用于实现在NG-PON2突发模式下工作，具体的实现方式为：控制主DFB激光器区的注入电流稳定在工作值不变，通过控制两个反射区的注入电流大小实现输出光的光突发控制；当反射区注入电流接通时，两个反射区为DFB区提供反馈，使激光器实现单纵模激射，工作模式为Burst on，输出正常功率光信号；当反射区注入电流断开时，两个反射区无法给DFB区提供反馈，激光器无法激射，工作模式为Burst off。反射区中小电流变化不会影响DFB区结温的变化，因此无波长漂移发生。
进一步的，通过控制反射区注入电流可实现光信号突发模式工作的时序小于500ns，光信号功率开断消光比大于45dBm，满足ITU-T G.989规范要求。
本发明的有益效果：
1、本发明的激光器采用线性啁啾光栅结构，整个光栅被分为三段，段内光栅结构的光栅线性变化，段间光栅周期连续，从而增强光栅反馈，改变激光器的禁带宽度，覆盖激射波长范围。在DFB区光栅中心位置引入π相移实现相位匹配并保证整体结构的单纵模激射。DFB区和前后两段反射区均为独立电极，可以实现注入电流独立控制和微调。
2、本发明可以在保持DFB区注入大电流的情况下，通过控制反射区的注入电流的通/断状态来实现激光器Burst on/off状态的控制，即在前后反射区注入电流时，反射区能够给DFB区提供足够的反馈以达到激射条件，可以正常工作，处于Burst on状态；但前后反射区不注入电流时，反馈不足，DFB区内难以达到激射条件，因此无法工作，处于Burst off状态。并且由于工作时主DFB激光器的注入电流很大且保持不变，与此同时反射区的注入电流很小，反射区远离激光器的激射区域，因此反射区注入电流的改变不会对激光器的结温产生影响，进而避免了在突发模式工作情况下由于温度变化带来的波长偏移，极大缩短了突发模式稳定时间；此外本发明对激光器Burst on/off的控制方法简单，且功耗小，有望用于解决NG-PON2中突发模式工作条件下的问题。
附图说明：
图1为本发明三段式半导体激光器示意图，其中101为DFB区，102和103为前后两段反射区，104为在DFB区光栅中心位置引入的等效相移；
图2为本发明三段式半导体激光器周期线性变化的光栅设计图；
图3为激光器透射谱仿真图，其中301为所使用的重构等效啁啾技术制备的光栅0级，302为所使用的重构等效啁啾技术制备的光栅+1级，303为所设计的带有相移104的光栅结构在所使用的重构等效啁啾技术制备的光栅+1级处引入的透射峰；
图4为实施例中的激光器实际光谱图，在DFB区注入电流的前提下，401表示在反射区注入电流时激光器激射时的光谱对应的激射峰，402表示在反射区未注入电流时激光器未发生激射时的光谱；
图5为实施例中的激光器在正常激射时的实际电流-功率图；
图6为实施例中的激光器在Burst on模式下(反射区注入小电流，DFB区正常注入电流)和Burst off模式下(反射区不注入电流，DFB区正常注入电流)的有源区温度随腔长分布；
图7为实施例中的激光器的突发模式稳定时间测试结果。
具体实施方式：
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
实施例1
本发明实施例提供一种用于NG-PON2突发模式的三段式半导体激光器，其由下至上依次由衬底、缓冲层、下限制层、多量子阱层、上限制层、光栅层、腐蚀阻挡层、波导层和接触层叠设而成；其中，光栅层由激光器光栅构成。
如图1所示，所述三段式半导体激光器采用三段式设计，分别为DFB区和两个反射区，两个反射区分布在DFB区两侧。其中，反射区长度为200μm，DFB区长度为400μm，总长度为800μm。三段均可对其注入电流进行独立控制。
本实施例中，所述DFB区和两个反射区共用一个光栅层，所述光栅层采用重构等效啁啾技术进行制备，三段式半导体激光器中，每段的光栅周期为线性变化，且光栅周期在相邻两段区域间连续。在重构等效啁啾技术中通过对光栅等效取样周期进行设计，实现光栅布拉格波长从1527.7nm变化到1529.3nm。
本实施例中，所述光栅层中心设置π相移结构，π相移结构分布在DFB区中心位置。本发明的三段式激光器通过光栅周期线性变化和DFB区中心位置引入的π相移的光栅结构保证整体光栅的单纵模激射输出。
本实施例中，激光器有源区为多量子阱结构，多量子阱层作为增益介质覆盖三段式半导体激光器装置波长输出范围。多量子阱作为增益介质，提供所需增益，增益谱设计覆盖波长输出范围。具体的，所述多量子阱层为InGaAlAs多量子阱。
本实施例中，所述衬底为n型掺杂的衬底，下限制层为n型掺杂和不掺杂的限制层，缓冲层为n型掺杂的InP缓冲层。相关限制层用于光场的约束及载流子的限制。
实施例2
本发明实施例提供了实施例1所述的三段式半导体激光器的制作方法，包括以下步骤：
步骤一、通过金属有机化合物气相沉积在衬底上依次生长n型掺杂的InP缓冲层、n型掺杂的限制层和不掺杂的限制层，然后再在下限制层上生长InGaAlAs多量子阱结构，在多量子阱层上生长上限制层，然后在上限制层上方生长InGaAsP光栅层。
步骤二、光栅层为激光器光栅，采用重构等效啁啾技术设计，使激光器光栅的光栅周期整体线性渐变，在段间处的光栅周期连续，并在DFB区中心位置引入π相移结构。
步骤三、在光栅层上方生长p型InP，用于对光栅层掩埋，然后依次生长腐蚀阻挡层、波导层和接触层；
步骤四、将所述的波导层和接触层腐蚀形成脊型，并通过刻蚀得到相互隔离的DFB区和两个反射区，在接触层上方的脊型区域生长正面金属电极；
步骤五、减薄抛光所述衬底背面，蒸发背面电极并加热制得到合金，芯片解理后制得所述三段式半导体激光器。
实施例3
本发明实施例提供了实施例1所述的三段式半导体激光器的应用方法。
所述三段式半导体激光器用于实现在NG-PON2突发模式下工作，具体的实现方式为：控制DFB区注入正常工作电流，通过控制两个反射区的注入电流大小实现输出光的光突发控制；当反射区注入电流接通时，两个反射区为DFB区提供反馈，使激光器实现单纵模激射，工作模式为Burst on，输出正常功率光信号；当反射区注入电流断开时，两个反射区无法给DFB区提供反馈，激光器无法激射，工作模式为Burst off。
测试结果如图4-7所示，在光谱、电流-功率以及突发模式稳定时间测试中可以判断，实际使用过程中处于Burst on模式下时可以激射1个波长，激射波长为1528.5nm，输出光功率为5.3dBm，边模抑制比较高；处于Burst off模式下时没有发生激射，功率小于-40dBm；且由Burst off模式切换至Burst on模式的切换稳定时间约为400ns，由此可以判断所设计的三段式激光器满足了通道开断消光比大(>45dBm)、突发模式稳定时间小(<500ns)的关键指标要求。由图6可知，激光器在Burst on模式和Burst off模式下温度分布相似度极高，可以判断两种模式下激光器的结温不会发生变化，即由于注入电流变化导致的激射波长温漂现象在突发模式工作状态下不会发生。
综上所述，本发明提供了一种用于NG-PON2突发模式的三段式半导体激光器，采用光栅周期线性渐变结构增大禁带宽度，并在DFB区中心位置处光栅引入相移，实现相移位置布拉格波长单模激射。激射波长阈值增益低，整体激光器阈值电流减小，增大光电转化效率，同时由于前后反射区的存在，可以通过控制反射区的注入电流的通/断状态来实现激光器Burst on/off状态的控制，即在前后反射区注入电流时，反射区能够给DFB区提供足够的反馈以达到激射条件，可以正常工作，处于Burst on状态；但前后反射区不注入电流时，反馈不足，DFB区内难以达到激射条件，因此无法工作，处于Burst off状态。并且由于工作时DFB区的注入电流很大且保持不变，与此同时反射区的注入电流很小，反射区远离激光器的激射区域，因此反射区注入电流的改变不会对激光器的结温产生影响，进而避免了在突发模式工作情况下由于温度变化带来的波长偏移，极大缩短了突发模式稳定时间。
本发明可实现单颗激光器稳定单模输出、通道开断消光比大以及突发模式稳定时间短，且控制简单，成本低，实用性强。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于NG-PON2突发模式的三段式半导体激光器，其特征在于，
所述三段式半导体激光器由三段组成，分别为DFB区以及分布在DFB区前后的两个反射区；所述DFB区和两个反射区共用一个光栅层。
2.根据权利要求1所述的用于NG-PON2突发模式的三段式半导体激光器，其特征在于，
所述光栅层的光栅为线性渐变啁啾结构；
三段式半导体激光器中，三段区域内的光栅呈周期线性渐变，且光栅周期在相邻两段区域间连续。
3.根据权利要求1所述的用于NG-PON2突发模式的三段式半导体激光器，其特征在于，
所述光栅层中心设置相移结构，所述相移结构分布在DFB区中心位置。
4.根据权利要求1所述的用于NG-PON2突发模式的三段式半导体激光器，其特征在于，
所述三段式半导体激光器由下至上依次由衬底、缓冲层、下限制层、多量子阱层、上限制层、光栅层、腐蚀阻挡层、波导层和接触层叠设而成。
5.根据权利要求4所述的用于NG-PON2突发模式的三段式半导体激光器，其特征在于，
所述多量子阱层作为增益介质，覆盖三段式半导体激光器装置波长输出范围。
6.根据权利要求4所述的用于NG-PON2突发模式的三段式半导体激光器，其特征在于，
所述多量子阱层为InGaAlAs多量子阱。
7.根据权利要求4所述的用于NG-PON2突发模式的三段式半导体激光器，其特征在于，
所述衬底为n型掺杂的衬底，下限制层为n型掺杂和不掺杂的限制层。
8.权利要求1～7任意一项所述的用于NG-PON2突发模式的三段式半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在衬底上通过金属有机化合物气相依次沉积生长缓冲层和下限制层，然后再在下限制层上生长多量子阱层，在多量子阱层上生长上限制层，然后在上限制层上方生长光栅层；
S2、光栅层为激光器光栅，采用重构等效啁啾技术设计，使激光器光栅的光栅周期整体线性渐变，并在DFB区中心位置引入π相移结构；
S3、在光栅层上方沉积InP，用于对光栅层掩埋，然后依次生长腐蚀阻挡层、波导层和接触层；
S4、将所述的波导层和接触层腐蚀形成脊型，并通过刻蚀得到相互隔离的DFB区和两个反射区，在接触层上方的脊型区域生长正面金属电极；
S5、减薄抛光所述衬底背面，蒸发背面电极并加热制得到合金，芯片解理后制得所述三段式半导体激光器。
9.权利要求1～7任意一项所述的用于NG-PON2突发模式的三段式半导体激光器的应用方法，其特征在于，
所述三段式半导体激光器用于实现在NG-PON2突发模式下工作，具体的实现方式为：
控制DFB区注入工作电流并保持，通过控制两个反射区的注入电流大小实现输出光的光突发控制；当反射区注入电流接通时，两个反射区为DFB区提供反馈，使激光器实现单纵模激射，工作模式为Burst on，输出正常功率光信号；当反射区注入电流断开时，两个反射区无法给DFB区提供反馈，激光器无法激射，工作模式为Burst off。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |