CN1372710A - 带有集成光调制器的可调谐激光源 - Google Patents

带有集成光调制器的可调谐激光源 Download PDF

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Abstract

一种带有一个集成光调制器(20)的可调谐激光源(10)。激光源(10)是一个包括一个在厚的低带隙的波导层(22)顶面上的有源区的可宽调谐的半导体激光器,其中波导层(22)与有源区都制作在一个P掺杂区与一个n掺杂区之间,一个电吸收调制器(20)集成在半导体激光器(10)内,其中电吸收调制器(20)与半导体激光器(10)共用波导层(22)。

Description

带有集成光调制器的可调谐激光源
参照的有关申请
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求由Thomas G.B.Mason.LarryA.Coldren与Gregory Fish于1999年9月3日提出的标题为“TUNABLELASER SOURCE WITH INTEGRATED OPTICAL MODULATOR”的美国临时专利申请系列号No.60/152432的优先权，在此引用其内容作为参考。
关于联邦政府赞助的研究与开发的声明
本发明在海军研究室根据Grant No.N00014-96-1-6014提供的政府支持下做成。政府在本发明中有一定的权利。
发明背景
1、发明领域
本发明一般地涉及半导体激光器，尤其涉及带有集成光调制器的可调谐激光源。
2、相关技术描述
光学元件与激光器的现代应用使通信与数据传输更加有效与更加经济。半导体激光器的应用使光源的制造与封装更加经济，并减小整个器件的尺寸。
然而，通信与数据传输系统的要求仍在增长。宽调谐激光器是各种各样的波长分割多路传输(WDM)与分组交换网络结构的基本元件。它们可用作长距离密集WDM通信系统中的替代源或用于进入网络的波长发送。它们也是应用实时延迟波束控制的下一代相控阵雷达系统的重要器件。
为得到宽调谐范围，这些器件要求相当大的无源调谐元件。这使这些器件比常规的固定波长的激光器大4至5倍。然而，激光腔内有这样大量的无源材料降低了可通过直流电调制来开关它们的速度。而且，它们能传输数据的速率受限，使它们不适用于高带宽的应用。
还有两个其它的因素使得难以使用这些器件来传输数据。取样光栅分布Bragg反射镜(SGDBR)激光器中的波长通过以光谐振腔在两个反射镜中定位一对反射峰来控制。当增益电流在宽电流范围内调制时，它会干扰这个定位，导致器件内状态不稳定，这是很不合乎数据传输需要的。为防止此状态不稳定，这类器件只能在窄输出功率范围内调制，这给它们的数据传输性能引入一个显著的消光比(extinction ratio)的损失。
直接调制激光器的另一个问题是频率啁啾，它是当输出功率水平改变时发生的激光器振荡频率的移动。这在传输系统中是不合乎需要的，因为频率啁啾引起脉冲扩散，它限制数据可通过光纤或其它色散介质发送的最大距离。
三种最成功的可宽调谐激光器类型是超结构光栅分布Bragg反射镜激光器(SSGDBR)、带有取样光栅反射镜的光栅辅助同向耦合器激光器(GCSR)与取样光栅DBR激光器(SGDBR)。所有这些器件能连续调谐大于40nm的范围。然而，SGDBR激光器与其它可宽调谐激光器设计有长的有源部分与十分大的光腔，这些因素把直接调制的带宽限制在3至4GHz之间。这使它们能在直接调制下用于OC-48数据传输系统，如果可容许一些波长啁啾的话。然而，这个带宽对于在10Gb/s下工作的大多数相控阵雷达系统或OC-192数据传输网络中的应用是不够的。
在这些应用中，频繁地使用外部调制器对光载波施加一个射电频率(RF)信号或数据。即使对于长距离OC-48系统，也频繁地使用外部调制器使频率啁啾减至最小。然而，外部调制器显著地增加了光组件的成本与复杂性，这使那些需要大量可调谐激光器与调制器的系统可能价格过高。由于这个原因，要求单片集成一个高速调制器与一个可调谐激光器作为一个单个的半导体器件。
发明概述
为使上述的现有技术中的限制减至最小，并使当阅读与了解本说明时将变为清晰的其它限制减至最小，本发明公开一种关于带有集成光调制器的可调谐激光源的器件、方法与制成品。此可调谐激光器是一种可宽调谐半导体激光器，它包括一个在一个厚的、低带隙的波导层上面的有源区，其中波导层与有源区都制作在一个P掺杂区与一个n掺杂区之间。一个电吸收调制器集成在半导体激光器内，其中电吸收调制器与半导体激光器共用波导层。
附图简述
现在参看附图其中相同的参考数字表示相应的部分：
图1是一个表示根据本发明的一个优选实施例的带有一个集成电吸收调制器的可宽调谐半导体激光器的结构的透视图；
图2表示一个根据本发明的优选实施例的激光器与调制器的剖视图；
图3A与3B是表示根据本发明的优选实施例的宽波长调谐的调谐曲线的图；
图4A、4B与4C表示根据本发明的优选实施例的调制器中的Franz-Keldysh效应；
图5是一个表示根据本发明的优选实施例的集成激光器与调制器器件在50nm调谐范围内的起始试验的响应曲线的图；与
图6A与6B是表示根据本发明的优选实施例的制作过程中采用的步骤的流程图。
发明详述
在下面对优选实施例的描述中，参考构成本说明一部分的附图，在这些附图中通过表示一个可实践本发明的具体实施例来说明本发明。应了解可采用其它的实施例并可作结构改变而不离开本发明的范围。
概述
本发明提供一种用于产生带有一个可制作在单个半导体芯片上的集成光调制器的可调谐激光器的简单而有效的方法。此激光器能迅速地在一个宽波长范围内调谐，从而使它能在从波长分割多路传输光纤通信至相控阵雷达的各种应用中使用。将调制器与激光器集成提供了一种用于调制激光器输出的强度而不扰动它的模式稳定性或引入高水平的频率啁啾的高度合乎需要的方法。它还使能达到比在单独使用激光器情况下更高的调制频率。
器件结构
图1是一个表示根据本发明的一个优选实施例的带有一个集成电吸收调制器的可宽调谐的半导体激光器的结构的透视图。激光器10是一个四部分埋置脊取样光栅分布Bragg反射镜(SGDBR)激光器。激光器10的四个独立部分组成调谐部分而包括：一个取样光栅后反射镜部分12，一个相位控制部分14，一个增益部分16，与一个取样光栅前反射镜部分18。一个电吸收(EA)调制器20同激光器10的后反射镜部分12、相控部分14、增益部分16与前反射镜部分18共用一个公共的波导22，其中设计波导管22以提供激光器10中高指数调谐效率与调制器20中好的反偏压消光。通常，器件的顶部接偏置电压而底部接地。当增益部分16上的偏置电压高于光激射阈限时，产生激光器10的输出。
图2表示一个根据本发明的优选实施例的集成的激光器10与调制器22器件的剖视图。此器件包括一个n掺杂区24，一个厚的低带隙的波导层26(构成图1中表示的波导管22)，一个抗反射涂层28，一个阻止刻蚀层30，一个有源区32，一个P掺杂区34，一个P+接触层36，与金属接触38。
N掺杂区24与P掺杂区34通常是不同的掺杂类型。虽然本实施例中采用磷化铟(InP)，掺杂区24与34及有源区32可以是任何激光产生材料。而且，n掺杂区24与P掺杂区34的位置可颠倒而不违背本发明的范围。
通过侧面构图波导层26或在其上面的层34使成为一个条状几何图形以形成一个侧向波导管22。本发明的一个关键设计要素是单个公共波导管22用于激光器10中的调谐部分12、14、16与18及用于调制器20。此侧向波导管22结构可构成为一个埋置的脊，或其它类型的侧向波导管22结构，例如一个简单的脊。
P掺杂区34包括在波导管22的上面与旁边的质子注入40，它们是起到隔离器的阻断作用的阻断结，使阻断激光器10中的侧向电流泄漏，并提供激光器10中的各部分之间的隔离，使减小调制器20的寄生结电容，并提供与调制器20的隔离。
有源区32包括提供激光器10输出的偏移多重量子阱(offset multiplequantum wells)(MQW)。当电流从P掺杂区34经过有源区32流向n掺杂区24时，从MQW产生一个激光器10的光输出。有源区32与波导层26由阻止刻蚀层30隔离，使能在制作期间用一种选择湿刻蚀剂去除有源区32。
后反射镜12与前反射镜18都包括一套以周期42刻入波导层26的周期性取样光栅。这种类型的取样光栅起波长选择反射镜作用，其中一个或多个特定的取样周期42将在由波导管22承载的光信号的周期性的波长间距处提供一个部分的反射。例如，如在此引用作为参考的美国专利No.4896325中所述，激光器10可通过适当调节反射镜部分12与18的控制电流迅速地在一个宽波长范围内调谐。
当从晶片切出器件之后在器件的每端涂抗反射涂层28。
调谐曲线
图3A与3B是表示根据本发明的优选实施例的宽波长调谐的调谐曲线的图。图3A中，X轴是后反射镜12的电流(mA)而Y轴是最高波长(nm)。图3B中，X轴是前反射镜18的电流(mA)而Y轴是最高波长(nm)。
如图3A与3B中表示，此激光器10的主要优点是可通过适当调节反射镜12与18的控制电流迅速地在一个宽波长范围内调谐。这是一个高度合乎需要的特征，它使本发明的器件可用于当前与下一代的光纤网络。
Franz-Keldvsh效应
图4A、4B与4C表示根据本发明的优选实施例的调制器20中的Franz-Keldysh效应。在这些图中，E1是价带(Ev)的能级，E2是导带(Ec)的能级，ΔE是E1与E2之间的带隙，而ΔX是波导层26的厚度。
在本发明中，通过使用一个厚的、低带隙的波导层26而使性能最佳化。这提供反射镜部分12与18中好的指数调谐效率，与调制器20中合理的消光系数和啁啾参数。
调制器20的操作以体半导体波导管22中的Franz-Keldysh效应，或MQW中的量子限制Stark效应为基础。当一个强电场施加于波导管22时，材料的带边缘移至较低的能量使它能吸收激光器10的输出光，如图4A、4B与4C中所示。此技术使得能以最小的波长啁啾很快地调制激光器10。在合适条件下，这能产生足够的光损失使输出光强度衰减20dB以上，即使在一个宽波长范围内。
对于较窄范围的操作，调制器20可包括一个生长在较高带隙的波导层26中心的MQW调制器。这将提供激光器10中较低效率的调谐，但可供调制器20中较低电压操作之用，因为由于MQW结构较尖锐的吸收边缘可减弱带隙失调。
响应曲线
图5是一个表示根据本发明的优选实施例的集成的激光器10与调制器20器件在50nm调谐范围内的起始试验的响应曲线的图。进行同取样光栅分布Bragg反射镜激光器10集成在一起的埋置异质结构电吸收调制器20的这些起始试验以示证本发明的操作与好处。在这些试验中，使用一个具有带隙波长为1.4μm的400nm厚的波导管22。激光器10有一个大于47nm的调谐范围。调制器20能在只有4V偏压的情况下在此全部调谐范围内产生26dB以上的衰减。
制作过程
图6A与6B是表示根据本发明的优选实施例的制作过程中采用的步骤的流程图。图6A表示当侧向波导管构成为一个简单脊时采用的步骤，而图6B表示其它类型的侧向波导管结构例如埋置的脊条时采用的步骤。
参看图6A，框44代表第一生长步骤，生长一个n-InP缓冲层24，Q-波导层26，阻止刻蚀层30，有源MQW区32，与小部分的P-InP包层34。
框46代表在除激光器10的增益部分16之外的各处构图与选择地刻蚀薄的顶部p-InP包层34与有源区32直至阻止刻蚀层30。
框48代表在反射镜部分12与18中构图与刻蚀一组或多组以周期42周期性取样的光栅。
对于简单脊，框50代表完成接触38下的P-InP包层34与P+接触层36的垂直结构生长的第二长生步骤。
框52代表进行质子注入40以隔离激光器10的各部分，并提供调制器20与激光器10之间的隔离。
框54代表构图接触38，通过刻蚀除去其间的P+接触层36，然后金属化接触38。
框56代表刻蚀一个脊波导管22条形至有源区32或波导层26。
框58代表从晶片切出激光器10与调制器10器件，然后在器件的每端上涂抗反射(AR)涂层28。
参看图6B，框60代表第一生长步骤，生长一个n-Inp缓冲层24，Q-波导层26，阻止刻蚀层30，有源MQW区32，与薄的P-Inp包层34。
框62代表在除激光器10的增益部分16之外的各处构图与选择地刻蚀薄的顶部P-Inp包层34与有源区32下至阻止刻蚀层30。
框64代表在与有源区32耦合的反射镜部分12与18中构图与刻蚀一组或多组以周期42周期性取样的光栅。
对于埋置的脊，框66代表第二生长步骤，它只包括一个薄的p-Inp包层34的附加生长以覆盖反射镜部分12与18中的以周期42周期性取样的光栅。
图68代表构图与刻蚀埋置脊波导管22条，把它侧向刻蚀在波导层26的下面。
框70代表P-Inp包层34与P+接触层36的第三生长步骤。
框72代表进行质子注入40以隔离激光器10的各部分和调制器20与激光器10之间，并限制侧向电流泄漏。
框74代表构图接触38，通过刻蚀除去其间的P+接触层36，然后金属化触点38。
框76代表从晶片切出激光器10与调制器20的器件，然后在器件的每端上涂抗反射(AR)覆盖层28。
结论
对本发明的优选实施例的描述作出结论。
总之，本发明公开一种关于带有集成光调制器的可调谐激光源的器件、方法与制成品。此可调谐激光源是一种可宽调谐的半导体激光器，它包括一个在一个厚的、低带隙的波导层上面的有源区，其中波导层与有源区都构成在p掺杂区与n掺杂区之间。一个电吸收调制器集成在半导体激光器内，其中电吸收调制器与半导体激光器共享波导层。
为说明与描述本发明提供了上面对本发明的优选实施例的描述。不打算穷举本发明或把本发明局限于公开的精确形式。根据以上教导可有许多修改与变更。其意图是本发明的范围不受此详细描述的限制，而受附加的权利要求书的限制。

Claims (26)

1.一种可调谐激光源包括：
一个可宽调谐的半导体激光器，包括一个在厚的、低带隙的波导层顶部上的有源区，其中波导层与有源区都制作在一个p掺杂区与一个n掺杂区之间；与
一个集成在半导体激光器内的电吸收调制器，其中电吸收调制器与半导体激光器共用波导层。
2.权利要求1的可调谐激光源，其中半导体激光器包括一个取样光栅后反射镜，一个相位控制部分，一个增益部分，与一个取样光栅前反射镜。
3.权利要求2的可调谐激光源，其中波导层是用于取样光栅后反射镜、相位控制部分、增益部分、取样光栅前反射镜与调制器的单个公共波导层。
4.权利要求1的可调谐激光源，其中设计波导层以提供激光器中高的指数调谐效率与调制器中好的反偏压消光。
5.权利要求1的可调谐激光源，其中波导是一个包括提供激光器输出的偏移多重量子阱(MQW)的埋置的异质结构波导。
6.权利要求1的可调谐激光源，其中波导是一个包括提供激光器输出的偏移多重量子阱(MQW)的脊波导。
7.权利要求1的可调谐激光源，其中波导层包括一个阻塞激光器中的侧电流泄漏与减小调制器的寄生结电容的阻塞结。
8.权利要求1的可调谐激光源，其中半导体激光器可通过适当调节反射镜的控制电流迅速地在一个宽波长范围内调谐。
9.一种用于制作带有集成调制器的可调谐激光器的方法，包括：
(a)进行一个第一生长步骤，其中在半导体晶片上生长一个缓冲层，一个波导层，一个阻止刻蚀层，一个有源区，与一个端接层；
(b)在除激光器的增益部分之外的各处构图与刻蚀端接层与有源区直至阻止刻蚀层；
(c)在激光器的一个或多个反射镜部分内构图与刻蚀一组或多组周期性取样的光栅；
(d)进行一个完成激光器的一个或多个接触下面的端接层与接触层的垂直结构生长的第二生长步骤；
(e)相互隔离激光器的各部分，并隔离调制器与激光器之间的各部分；
(f)构图激光器的接触，通过刻蚀除去其间的接触层，然后金属化该接触；
(g)构图与刻蚀一个脊波导条下至有源区或波导层；与
(h)把从晶片中切出器件，然后在器件的至少一端上涂覆抗反射涂层。
10.权利要求9的方法，其中激光器包括一个取样光栅后反射镜，一个相位控制部分，一个增益部分，与一个取样光栅前反射镜。
11.权利要求9的方法，其中波导层是用于取样光栅后反射镜、相位控制部分、增益部分、取样光栅前反射镜与调制器的单个公共波导层。
12.权利要求9的方法，其中设计波导层以提供激光器中高的指数调谐效率与调制器中好的反偏压消光。
13.权利要求9的方法，其中波导是一个包括提供激光器输出的偏移多重量子阱(MQW)的埋置的异质结构波导。
14.权利要求9的方法，其中波导是一个包括提供激光器输出的偏移多重量子阱(MQW)的脊波导。
15.权利要求9的方法，其中波导层包括一个或多个阻塞激光器中的侧电流泄漏与减小调制器的寄生结电容的阻塞结。
16.权利要求9的方法，其中激光器可通过适当调节它的反射镜的控制电流迅速地在一个宽波长范围内调谐。
17.一种包括一个根据权利要求9的方法制作的带有集成光调制器的可调谐激光器的制成品。
18.一种用于制作带有集成调制器的可调谐激光器的方法，包括：
(a)进行一个第一生长步骤，其中在半导体晶片上生长一个缓冲层，一个波导层，一个阻止刻蚀层，一个有源区，与一个包层；
(b)在除增益部分之外的各处构图与选择地刻蚀包层与有源区直至阻止刻蚀层；
(c)在激光器的一个或多个反射镜部分内构图与刻蚀一组或多组周期性取样的光栅；
(d)进行一个第二生长步骤，其中生长一个包层的附加生长以覆盖反射镜部分内的一个或多个周期性取样的光栅；
(e)构图与刻蚀一个埋置脊波导条，其中波导条被侧向刻蚀在波导层的下面；
(f)进行一个完成激光器的一个或多个接触下面的端接层与接触层的垂直结构生长的第三生长步骤；
(g)相互隔离激光器的各部分，并隔离调制器与激光器之间的各部分；
(h)构图激光器的接触，通过刻蚀除去其间的接触层，然后金属化该接触；
(i)从晶片切出器件，然后在器件的至少一端上涂覆抗反射涂层。
19.权利要求18的方法，其中激光器包括一个取样光栅后反射镜，一个相位控制部分，一个增益部分，与一个取样光栅前反射镜。
20.权利要求18的方法，其中波导层是用于取样光栅后反射镜、相位控制部分、增益部分、取样光栅前反射镜与调制器的公共波导层。
21.权利要求18的方法，其中设计波导层以提供激光器中高的指数调谐效率与调制器中好的反偏压消光。
22.权利要求18的方法，其中波导是一个包括提供激光器输出的偏移多重量子阱(MQW)的埋置的异质结构波导。
23.权利要求18的方法，其中波导是一个包括提供激光器输出的偏移多重量子阱(MQW)的脊波导。
24.权利要求18的方法，其中波导层包括一个或多个阻塞激光器中的侧电流泄漏与减小调制器的寄生结电容的阻塞结。
25.权利要求18的方法，其中激光器可通过适当调节它的反射镜的控制电流迅速地在一个宽波长范围内调谐。
26.一种包括一个根据权利要求18的方法制作的带有集成光调制器的可调谐激光器的制成品。
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