CN1432207A - 大功率取样光栅分布布拉格反射激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可调谐激光器，包括增益区，用来产生光束；相位区，用来将光束控制在带宽的中心频率附近；波导，用来在腔内导引和反射该光束，该腔包括一种相对低能带隙的分开限制异质结构(SCH)；前反射镜，限定该腔的一端；和后反射镜，限定腔的相反一端；其中增益被包括相位区、前反射镜和后反射镜的组中的至少一个来提供。

Description

大功率取样光栅分布布拉格反射激光器
相关申请的交叉参考
本申请要求根据35U.S.C.119(e)下述共同待审和共同受让的美国临时专利申请的利益，由Larry A.Coldren等人于2000年6月2日提交的 、名称为  “HIGH-POWER，MANUFACTURABLESAMPLED-GRATING DBR LASERS”、代理人卷号122.2-US-P1的顺序号第60/209068号美国临时专利申请，在此结合该申请以作参考。
本申请是下述共同待审和共同受让的美国实用专利(U.S.utilitypatent)申请的部分连续：
由Larry A.Coldren等人于2000年7月12日提交的、名称为“METHOD OF MAKING A TUNABLE LASER SOURCE WITHINTEGRATED OPITCAL AMPLIFIER”的顺序号第09/614224号；
由Larry A.Coldren于2000年7月12日提交的、名称为“INTEGRATED OPTO-ELECTRONIC WAVELENGTH CONVERTERASSEMBLY”的顺序号第09/614377号；
由Larry A.Coldren等人于2000年7月12日提交的、名称为“METHOD OF CONVERTING AN OPTICAL WAVELENGTH WITHAN OPTO-ELECTRONIC LASER WITH INTEGRATEDMODULATOR”的顺序号第09/614376；
由Larry A.Coldren等人于2000年7月12日提交的、名称为“OPTO-ELECTRONIC LASER WITH INTEGRATED MODULATOR”的顺序号第09/614378号；
由Larry A.Coldren于2000年7月12日提交的、名称为“METHODFOR CONVERTING AN OPTICAL WAVELENGTH USING AMONOLITHIC WAVELENGTH CONVERTER ASSEMBLY”的顺序号第09/614895号；
由Larry A.Coldren等人于2000年7月12日提交的、名称为“TUNABLE LASER SOURCE WITH INTEGRATED OPTICALAMPLIFIER”的顺序号第09/614375号；
由Larry A.Coldren等人于2000年7月12日提交的、名称为“METHOD OF MAKING AND OPTO-ELECTRONIC LASER WITHINTEGRATED MODULATOR”的顺序号第09/614195号；
由Larry A.Coldren等人于2000年7月12日提交的、名称为“METHOD OF GENERATING AN OPTICAL SIGNAL WITH ATUNABLE LASER SOURCE WITH INTEGRATED OPTICALAMPLIFIER”的顺序号第09/614665号；
由Larry A.Coldren于2000年7月12日提交的、名称为“METHODFOR MAKING A MONOLITHIC WAVELENGTH CONVERTERASSEMBLY”的顺序号第09/614674号；
所有的这些申请被结合在此以作参考，所有的这些申请都是其它申请的部分连续，并且所有的这些申请根据35U.S.C.119(e)都要求下述美国临时专利申请的利益：
由Gregory Fish等人于1999年9月2日提交的、名称为“OPTOELECTRONIC LASER WITH INTEGRATED MODULATOR”的顺序号第60/152038号；
由Larry A.Coldren于1999年9月2日提交的、名称为“INTEGRATED OPTOELECTRONIC WAVELENGTHCONVERTER”的顺序号第60/152049号；
由Beck Mason等人于1999年9月2日提交的、名称为“TUNABLELASER SOURCE WITH INTEGRATED OPTICAL AMPLIFIER”的顺序号第60/152072号。
背景技术
1.技术领域
本发明一般涉及宽波段可调谐半导体激光器，尤其涉及取样光栅分布布拉格反射(SGDBR)激光器。
2.相关技术描述
二极管激光器被用于像光通信、传感器和计算机系统这类应用中。在这类应用中，使用在宽波长范围内能被很容易调节来输出频率的激光器是非常有用的。能在覆盖宽波长范围的可选变化频率处被操作的二极管激光器例如宽波长可调谐激光器是一种非常宝贵的工具。没有这类激光器，可由光源在给定波长范围内进行切换的分离信道的数目是极其有限的。从而，在使用这类波段限制激光器的系统中，同时被切换存在的各个通信路径的数目也是非常有限的。因此，尽管二极管激光器已经解决了通信、传感器和计算机系统设计中的许多问题，但是其仍没有满足根据由基于光系统所提供的可利用带宽所产生的潜能。很重要的是，信道数应当增加，并且信道数可被选择的利用以使光学系统实现许多将来的应用。
对于各种各样的应用，需要使可调谐二极管可选择地被配置成发射基本上是宽波段波长其中的一个波长。这类应用包括在相干光波通信系统中的光源和本机振荡器，其他多信道光波通信系统的光源和用于频率调制传感系统中的光源。通常在一些波长范围内需要连续的可调谐性。
另外，宽波段可调谐半导体激光器像取样光栅分布布拉格发射(SGDBR)激光器、光栅耦合取样反射(GCSR)激光器和带有微机械移动镜的垂直腔激光器(VCSEL-MEMs)通常必须调和它们的输出功率以获得大的调谐范围。SGDBR激光器的基本功能被详细描述在1990年1月23日出版的、A.Coldren的名称为“MULTI-SECTIONTUNABLE LASER WITH DIFFERING MULTI-ELEMENT MIRRORS”的美国专利US4896325中，该专利被结合在此以作参考。能提供超过40nm调谐范围的设计已经不能够在其调谐光谱的极值外提供多于一毫瓦或两毫瓦的功率。然而，当前和将来的光纤通信系统及光谱学的应用都需要在整个调谐范围上有大于10mW的输出功率。国际电信联盟(ITU)的C波段在1.55μm附近是约40nm宽。同时也存在其它可用的ITU波段包括L波段和S波段。
因此，就需要有一种单个部件，其能够覆盖至少整个C波段。以高位速率工作的系统需要在整个ITU波段上高于20mW。这些来自分布反馈(DFB)激光器的功率是可用的，但是这些功率只能通过调节其温度来被调谐几个毫微米。因此，非常需要一种既具有宽调谐波段(＞40nm)又具有大功率(＞20mW)同时比已存在的宽调谐设计不会显著增加制作复杂性的光源。
本发明披露了增强半导体激光器特别是取样光栅分布布拉格(SGDBR)激光器的方法和装置，该激光器可在宽调谐范围上获得大功率并且可采用通常的技术来进行制造。
发明内容
为了解决上述的问题，本发明一般包括一种可调谐激光器，包括增益区，用来在一波段上通过众所周知的自发发射和受激发射现象来产生光束；相位区，用来将光束控制在带宽的中心频率附近；波导，用来在腔内导引和反射该光束，该腔包括一种相对低能带隙的分开限制异质结构(separate-confinement-heterostructure，即SCH)；第一或前反射镜，限定该腔的一端；和第二或后反射镜，限定腔的相反一端；其中用于光束的增益被包括相位区、前反射镜和后反射镜的组中的至少一个来提供。
对该SGDBR设计的修饰可提供普遍的可调谐器件，这些器件一般可提供比先前的SGDBR激光器更高的功率。另外，本发明的大多数实施例是相对易于简单制造的。
如下面的附图所图示的，本发明的一些实施例简化了基本的SGDBR设计，这是由于其在器件的整个长度上都采用相同的有源波导材料，而不是需要制作对接的有源和无源区。但是，其它的实施例包括对反射镜和相移区内带隙和波导区的改进。这种改进可用简单的量子阱无序方法、选择区域生长或再生长技术这些对本领域熟练人员众所周知的方法来实现。在大多数情形下，这些区的吸收限都需要被仅仅稍微的偏移，从而量子阱无序化(或混杂)和选择区域生长过程可简单地实现。这些后面的方法不需要额外的再生长步骤。
附图说明
现在参考附图，其中自始至终相似的参考标记表示对应的部分：
图1A和1B描绘一种SGDBR激光器，示出用于控制激光器发射功率和波长的四个区；
图2是本发明第一实施例的横截面示意图；
图3是在第一实施例SCH波导区上所描绘的能带横向示意图，其中在该第一实施例中单个均匀的量子阱SCH波导被用于整个器件长度上；
图4图示出在低和高载流子注入级时的能带结构；
图5图示出模式增益与图4载流子密度能量的关系曲线；
图6图示出模式指数与载流子密度的关系曲线；
图7图示出本发明另一实施例中混杂区的能带结构；
图8A-8B图示出另一实施例，其中产生有三个不同的带隙区。
具体实施方式
在下面的描述中，参考构成本发明其中一部分的附图，并通过例示的方式来说明本发明的优选实施例。应当理解，只要不脱离本发明的范围，也可采用其他的实施例并且作出结构上的变化。
图1A和1B示出一种典型的SGDBR激光器，图示出提供其独特调谐特性的四个区。该激光器100是由增益区102、相位区104、第一或前反射镜106和第二或后反射镜108组成。优选的是在这些区的下面设置有波导110以导引和反射光束，同时该整个器件形成在基片112上。工作时，通常将偏压接在器件顶部的电极114上，并将下部的基片112接地。当加在增益区102上的偏压高于一激光阈值时，就从激活区106产生一激光输出。
前反射镜106和后反射镜108一般是取样光栅反射镜，分别包括不同的取样周期118和120。该光栅起着波长选择反射器的作用，以使腔内在携带(carry)光信号的周期波长间隔处产生部分反射。通过有效波长及光栅差别，该前取样光栅反射镜106和后取样光栅反射镜108共同决定具有最小腔损失的波长，然而，激光波长仅能出现在波导110中光腔106的纵膜处。因此，很重要的就是要调整反射镜106、108和波导110的模相一致，从而获得对期望波长最低的腔损失。图1所示器件的相位区104被用来调整腔的光程以配置(position)腔模。
同时，也示出可任选的后侧监控器区122和前侧半导体光放大器(SOA)区及/或光调制器区124。施加在上述区各个电极114上的电流提供了期望的输出光功率和波长，如在1990年1月23日出版、LarryA.Coldren的名称为“MULTI-SECTION TUNABLE LASER WITHDIFFERING MULTI-ELEMENT MIRRORS”的美国专利US4896325中所述，该专利被结合在此以作参考。如其中所述，流向增益区102的电流产生光并提供增益以克服激光腔中的损耗；流向两个不同SGDBR波长选择反射镜106、108的电流被用来在一个宽波长范围上调谐一净低损耗窗口(net low-loss window)；流向相位区104的电流对模波提供细微的调谐。应当理解，各个区是有点相互作用的，从而流向一个区的电流会对主要由其它区控制的参数产生某些影响。
电流和电压在可任选区处被施加和/或被监控以控制功率或波长，或者提供放大或调制，如下面的美国实用专利申请所详细说明的：由Larry A.Coldren等人于2000年7月12提交的、名称为“METHODOF MAKING A TUNABLE LASER SOURCE WITH INTEGRATEDOPTICAL AMPLIFIER”的顺序号第09/614224号；由Larry A.Coldren等人于2000年7月12提交的、名称为“INTEGRATEDOPTO-ELECTRONIC WAVELENGTH CONVERTER AS SEMBLY”的顺序号第09/614377号；由Larry A.Coldren等人于2000年7月12日提交的、名称为“METHOD OF CONVERTING AN OPTICALWAVELENGTH WITH AN OPTO-ELECTRONIC LASER WITHINTEGRATED MODULATOR”的顺序号第09/614376；由LarryA.Coldren等人于2000年7月12日提交的、名称为“OPTO-ELECTRONIC LASER WITH INTEGRATED MODULATOR”的顺序号第09/614378号；由Larry A.Coldren于2000年7月12日提交的、名称为“METHOD FOR CONVERTING AN OPTICALWAVELENGTH USING A MONOLITHIC WAVELENGTHCONVERTER ASSEMBLY”的顺序号第09/614895号；由LarryA.Coldren等人于2000年7月12日提交的、名称为“TUNABLE LASERSOURCE WITH INTEGRATED OPTICAL AMPLIFIER”的顺序号第09/614375号；由Larry A.Coldren等人于2000年7月12日提交的、名称为“METHOD OF MAKING AND OPTO-ELECTRONIC LASERWITH INTEGRATED MODULATOR”的顺序号第09/614195号；由Larry A.Coldren等人于2000年7月12日提交的、名称为“METHOD OFGENERATING AN OPTICAL SIGNAL WITH A TUNABLE LASERSOURCE WITH INTEGRATED OPTICAL AMPLIFIER”的顺序号第09/614665号；由Larry A.Coldren于2000年7月12日提交的、名称为“METHOD FOR MAKING A MONOLITHIC WAVELENGTHCONVERTER ASSEMBLY”的顺序号第09/614674号；所有的这些申请被结合在此以作参考，所有的这些申请都是其它申请的部分连续，并且所有的这些申请根据35U.S.C.119(e)都要求下述美国临时专利申请的利益：由Gregory Fish等人于1999年9月2日提交的、名称为“OPTOELECTRONIC LASER WITH INTEGRATED MODULATOR”的顺序号第60/152038号；由Larry A.Coldren于1999年9月2日提交的、名称为“INTEGRATED OPTOELECTRONIC WAVELENGTHCONVERTER”的顺序号第60/152049号；由Beck Mason等人于1999年9月2日提交的、名称为“TUNABLE LASER SOURCE WITHINTEGRATED OPTICAL AMPLIFIER”的顺序号第60/152072号。本发明是在与这些先有背景发明相同的一般原理和技术下进行的。
本发明的一个重要方面是在SGDBR反射镜和/或相移区内提供增益来补偿通常伴随载流子注入而调谐的损耗。另一个重要方面是在具有比5至10mW更高饱和功率的结构一般是在1.5至1.6μm波长范围内的量子阱活性区中提供这种增益。本发明的各个实施例提供这两个方面的结合，并能够使器件具有比没有这些改进所能获得的更高的输出功率。
图2是本发明第一实施例的横截面示意图。可任选的后侧监视器区122和前侧半导体光放大器(SOA)区和/或光调制器区124被再次示出。未示出的是在相位区104、后反射镜区106或前反射镜区108内可选择无序或混杂的量子阱增益区，其为激光器100提供额外的最优化。如图示的，该器件包括沿其整个长度延伸的一通常波导层110。从而，不存在可引起不必要反射的光学不连续。因为这种混杂不会引起模式折射率的净变化，所以即使是该可选择量子阱混杂级(step)被增加，这也是真实的。同时，该简单的横截面也表明制作程序的简单，其仅仅需要一个再生长的步骤来对反射镜106、108形成嵌入光栅。然而，对于横向的光波导和电流限制却需要一个附加的再生长步骤。
第一实施例在器件的整个长度上都使用一普通的有源波导110。这种波导110由一相对低能带隙的分开限制异质结构(SCH)(separate-confinement-heterostructure)200组成，该异质结构包含居中的浅量子阱。这种结构被最优化使得随着载流子的注入增益在量子阱内迅速增加至大体等于器件阈值所需的水平。此时，浅量子阱被充满，并且一些载流子已经溢出进入SCH区200。从而，随着额外载流子的注入，增益易于饱和，于是随着额外注入的载流子充填较高的带隙SCH区200，期望光波段内仅仅有微小的增加。然而，SCH内载流子的增加会提供期望的折射率变化。从而，通过改变各个SGDBR激光器区102-108的相对偏压，就可调整各个折射率而同时使净增益仍保持在期望的阈值处。同时，由于微分增益(增益斜率比载流子密度)相对低于增益的翻转(rollover)点，因此，饱和功率倾向于比较高。
SCH区200内载流子的增加通常会伴随净自由载流子的吸收损耗，但是在这种情形下，随着额外的载流子由模式增益的些微增加而使这种吸收损耗得到部分或完全的补偿。由于波段收缩，这些增加就被增强，波段收缩是一种众所周知的多体效应，随着大载流子密度的获得而易于减小带隙能。从而，伴随SCH区200内载流子的增加，自由载流子的吸收也至少被波段对波段(band-to-band)的受激发射所部分补偿，该受激发射可出现在减小的带隙SCH区内高的载流子密度处。因为增益仅在总数的低能量边缘处被提供，所以饱和功率被再一次提高。为了获得期望的操作，带隙和量子阱的数目以及SCH区的带隙和宽度都必须被仔细的确定。
本发明的其它实施例包括对相位区104、前反射镜区108或后反射镜区106中一个或多个的吸收和增益性质进行的改进。因此，这些实施例可提供有源区102增益性质的更优化，并同时在反射镜区106、108和/或相移区104仍旧提供期望的高饱和功率低补偿。这种改进可通过选择量子阱的混杂、选择区域生长或者通过不同带隙波导的对接再生长来得到。例如，对于量子阱混杂的实施例，人们可采用在波导110上的磷离子注入技术来产生空位，然后在热处理步骤中空位可被扩散来使量子阱与围绕的SCH波导110材料相混杂。这种混杂可提高量子阱中的净吸收限(edge)，同时可降低相邻SCH区200的吸收限(edge)。从而，无序区的作用就基本类似于无源调谐区，由于载离子的注入无源调谐区具有显著的折射率变化。但在本发明下，仍旧具有期望的额外增益来补偿高泵浦处的损耗，其中该高载流子密度通过波段收缩降低了足以出现波段对波段转变的带隙。再一次，在这些混杂区内放大的饱和功率是显著高于原始的无混杂量子阱/SCH区。于是，此时无混杂增益区就具有更深的量子阱和更高的势垒(barrier)以提供更加充足的增益。
通过施加两级(level)量子阱混杂、可变宽度选择区域生长掩模或两个再生长步骤来提供沿激光器100的三个不同带隙可在一些实施例中获得进一步的最优化。增益区102最适宜的是被构造成具有相对低的量子阱和高SCH带隙。带隙的第一种变化(例如，一级混杂)提供了量子阱带隙些微增加和SCH带隙些微减小的区。带隙的第二种变化提供了可如通常的SGDBR设计一样被非常有效的调谐而同时有很少或没有损耗补偿的无源波导区。(例如，这可以用二级混杂来实现以几乎完全的将量子阱与SCH混杂。)该一级混杂对区提供了适当程度的增益，并且提供比原始无混杂区更高的饱和功率。由于载流子被受激复合(recombination)耗尽，所以这些区具有缩减的调谐性质，但却具有更好的增益性质。其中一个实施例在带有两个带隙区的SGDBR反射镜中采用周期性的选择无序化来以小的调谐损害(compromise)最优化损耗补偿。该优选实施例的详细说明如下。
对于没有任何量子阱无序化的第一实施例，该结构首先从InP基片202增长至SCH波导区110的顶部，一般是在一个MOCVD装置中采用标准的外延半导体生长技术。基片112的下包层(cladding)204一般是n型InP；SCH波导110一般是1.45-1.5μm带隙组成(精确的范围在下面详细说明)的InGaAsP；所包含的量子阱一般是InGaAs或InGaAsP阱，7-10nm厚、1.6-1.67μm带隙组成。此时，“基晶片”被加工将取样光栅槽刻蚀进SCH波导110的表面(一般是30nm深)。依据所使用的横向导引类型，晶片被再插入生长反应器内进行额外层生长。对于脊型或一些类型的嵌入异质结构(BH)横向波导，上部的包层206(一般是p型InP)和接触层114(一般是p+InGaAs)继续生长。接着，对于脊型，环绕材料被刻蚀成SCH波导110来横向限制，或对于嵌入异质结构(BH)，一条深脊被刻蚀穿过SCH，并且额外的半绝缘层或其它npnp阻挡层被生长以围绕该脊来提供电流和光学限制。对于包层和横向导引结构，其它如本领域熟练人员所众所周知的再生长变形也是可以的；本发明主要涉及SCH波导区110的设计和形成。
对于一些实施例，提供沿长度的可选带隙变化来更加优化各个区的增益性质和调谐性质。如果一些区的可任选量子阱无序化被用来减小克服大多数量子阱吸收的需求，则第一生长也包括数百nm厚的包层(一般是InP)。接着注入(一般用P)至小于包层厚度的深度来仅在该包层中产生空位。这些空位然后被扩散穿过SCH波导110和量子阱以在退火步骤中用SCH材料混杂量子阱。接着，移除第一顶部覆盖层，移除所有的离子注入损害(damage)；形成光栅；顶层如以前那样再生长。
这种沿激光器100长度带隙的可选择变化也可通过可选择区域生长来实现，其中该可选择区域生长采用变化宽度的掩模区来在第一生长期间向量子阱和SCH提供不同的组成和厚度。这也可以在第一生长和在第二生长时再生期望带隙区之后刻蚀掉某些区来实现。
图3是沿第一实施例SCH波导区110所描绘能带的横向示意图300，其中在该第一实施例中在整个器件长度上都使用一单个均匀的量子阱SCH波导。假设使用的是InGaAsP/InP材料，但其它对本领域熟练人员已知的材料也可以类似的方式来使用。如图3所示，本发明第一实施例的一个重要方面在于选择相对的带隙能或光学吸收限(edge)来在各个区适当的实现期望的增益、调谐和损耗性质，这些所有不同的区具有通常的波导结构。
如图3所图示的，生长状态的波导是由包含居中浅量子阱的、相对低的带隙能SCH302组成。这种结构被最优化使得随着载流子被注入至大体等于器件阈值304所需的程度(level)，增益在量子阱中迅速增加。此时，浅量子阱就被充满，并且一些载流子已经溢出进入SCH区。从而，随着额外载流子的注入，增益易于饱和，于是随着额外注入载流子填充较高的带隙SCH区，期望光波段仅有些微的增长。然而，载流子在SCH内的增加却提供了期望折射率的变化。从而，通过改变各个SGDBR激光器区的相对偏压，就可调整各个折射率而同时净增益仍旧保持在其所需的阈值处。
分析表明，SCH带隙的最佳值是1至2kT(或者能量大于激光能26至52meV，或者比1550nm附近的波长低50至100nm)。该激光能一般大约等于无泵浦时量子阱中计算的最低次能带转变能。带隙收缩缩减了带隙并且这种最低次能带在一般的阈值载流子密度处约为30meV，该谱线形状圆角(rounding)和填充状态相结合来将一般的激光波长向后置于同自由载流子计算的次能带限相同的点处。这种激光能和SCH波导吸收限之间的间距(separation)大大小于一般多量子阱SCH激光器中的正常值，其中通常期望在量子阱中具有良好的载流子限制。该间距致使增益比饱和的电流密度特性处于相对低的值。
对于1550nm附近的操作，量子阱最希望的是由具有约1％应变的压缩应变InGaAs或InGaAsP组成，尽管各种其它的阱设计也可工作的比较好。改变应变和组成会导致不同宽度的阱；具有最大压缩应变的三重阱是最窄并具有最低的饱和增益，具有最小压缩应变的三重阱是最宽并具有最大的饱和增益。期望的阱数和宽度依赖于考虑下具体器件的腔损耗。一般地，增益应当在约阈值增益级(level)处饱和。因此，详细说明的是选择阱的数目和组成以获得这种情形。
在这种设计下，SCH区内载流子的密度可通过改变加在各个区的偏流来进行调节。这种依次的调节改变了折射率和光程长和/或所述特定区的布拉格波长以调谐激光器。从而，流向各个电极的电流具有有点与先有技术SGDBR激光器相同的功能。然而，一般需要在增加另一个区内偏流的同时减小一个区的偏流，这是由于器件中的净模式增益要钳位(clamping)在其阈值处。这种效应可通过在增益曲线的饱和区内进行操作来最小化，但仍旧建议通过在减小一个电流的同时增加另一个来实现最佳的调谐。
图4图示出在低和高载流子注入级(level)(例如，低和高泵浦)时的能带结构400。与SCH区内载流子增加有关的不必要损耗被与波段至波段转变相联系的模式增益的些微增长来部分补偿，由于显著的波带收缩ΔEs，这种模式增益可存在于SCH内，该波带收缩将SCH带隙降低落入在高载流子密度处的激光波长范围内，其中在该高载流子密度处材料被转化。如图4所图示的，在高注入级处，载流子溢出量子阱来填充SCH区。这就提供了折射率的变化。然而，波带收缩ΔEs将SCH的带隙移至激光转变能之下。幸运的是，在导带/价电子带的状态处，占有(occupation)被反转使得产生净增益。这些效应，与第一步适当偏压中存在的无源损耗和散射损耗增益补偿的事实一起，就致使输出功率大大高于先有设计所可能的。图4图示出相对于高泵浦408、410处的低和高能级在低泵浦404、406处的低和高能级。
图5和6进一步描绘具有本发明基本设计的典型区其模式增益/损耗曲线。考虑的是图4中提出的相同两个泵浦级。图5图示出模式增益与图4载流子密度能量的关系曲线。图6表示模式折射率与载流子密度的关系曲线。
图5草拟了对于图4两泵浦级的增益。第一条曲线是对于适度的泵浦，如果所有的区都被相等的泵浦，则其一般足以为中心波长提供阈值模式增益级。正增益从低能404EL延伸至高能406EH，该EL是无扰次能带边缘的能量间距，该EL从SCH(表明SCH内载流子的巨大百分比)的导电边缘延伸至低于量子阱势垒的价电子带能。重要的是意识到在SCH内具有巨大的载流子百分比时，在量子阱中仍旧有极高的载流子密度。也即，模式折射率调谐并从而波长调谐仍旧是小的，如图6中所示。第二条曲线图示出高泵浦下的增益。有必要在别处稍微减小泵浦来避免载流子钳位，但如示出的，在任一波长处存在小的增益增长，从而这可以是不必要的。重点在于SCH内的载流子密度极高，并且这就提供显著的调谐，如图6中所示。增益频谱显著加宽，从低能408EL’至高能EH’，但在其峰值处存在小的增长，这是由于激光波段中可利用状态的饱和。
图5的增益曲线也表明此结构的饱和功率应当巨大。正如在各种操作中所发现的，例如借助于由L.Coldren和S.Corzine于1995年的Diode Lasers and Photonic Intergrated Circuits第8章等式(8.18)至(8.24)，其被结合在此以作参考，对于光功率P，增加增益g的饱和曲线被如下给出： g = g 0 1 + P / P S 其中g0是小信号增益，并且饱和功率 P S = wd ( hυ ) a Γ XY τ
参数w和d是包含载流子的激活区的宽度和厚度，(hυ)是光子能，a是微分增益，dg/dN、Гxy是测量相对增益/光模交叠的横向限制系数，τ是载流子的寿命。随着载流子溢出进入SCH区给出如图5所示的曲线，微分增益a变小(小于最好量子阱增益区的20％)，并且包好载流子的厚度d增加大于限制系数Гxy。从而，饱和功率增加数倍，于是促使输出功率为数十毫瓦特。
图7示出一混杂区(或有可选择区域生长或对接再生长形成的一个区)的能带结构700，该混杂区存在于另一个实施例中，其中在反射镜和/或相移区内引起带隙变化。最初的生长开始于较高的带隙SCH以更优化激活区。在混杂之后，量子阱带隙就提高，并且SCH带隙702稍微减小以对增益和调谐区提供更加优化的操作。在此情形下，初始材料的一般SCH带隙值是1.45至1.4μm。混杂结构700的SCH带隙702高于无混杂结构300的SCH带隙。
然而，本发明的另一个实施例减小了自由的增益钳位效应以改变任一区内的载流子密度同时也改变每个区偏压至至少透明性的需要。在这种情形下，该器件非常类似于先有技术的SGDBR激光器来进行工作，除了采取自由载流子吸收损耗补偿的措施之外。如果无序的量子阱区具有1-2kT的带隙，其大于激光波长带的中心，则这就会出现。从而，在较多数目的载流子被注入的较高泵浦级处，波带收缩将SCH的带隙移至激光波长处波带对波带转变在SCH中可能的级。因此，在不存在混杂的增益区，存在稍高的带隙SCH区以提供较好的载流子限制，同时在混杂区内在较高泵浦级处仍旧存在期望的损耗补偿。从而，就较小损害(compromise)各个区的期望单个性质。
图8A至8B图示出一个实施例，其中产生有三个不同的带隙区。该两个较低带隙区802被周期性的置于SGDBR反射镜区106、108内，如图8A所图示的。图8B图示出一种可能的单独电学连接，其连接在定位于SGDBR反射镜区106、108的其中两个区上。如一般那样，示出了增益区804和相位区806的电触点。前反射镜108和后反射镜106每个都具有与调谐触点812、814相交错的增益触点808、810。这并不是必须的，但却提供更优化的操作，只是以在每个反射镜中具有额外的电流端口为代价。这儿，增益区内SCH区可仍旧具有较大的带隙(1.3-1.4μm)和量子阱，该带隙和量子阱被最优化以最有效该区的操作；第一无序区(第二带隙)混杂量子阱以具有稍微增加的带隙和稍微减小的SCH。载流子限制的体积(volume)至少翻倍。该区被用于反射镜中的增益。因为其具有比最优化的量子阱增益区材料稍微高的饱和功率以及在波长带的大部分上都具有良好的增益性质，所以这是理想的。由于同最优化的无混杂增益区相比，较高的载流子密度是必要的以提供良好的增益，故带隙收缩将再次使其能够。该第二无序区(第三带隙)将完全与量子阱和SCH相混杂以提供最优的调谐曲线，并没有损耗补偿。该部分被混杂的增益区将被周期性地置于反射镜中来以相对高的饱和功率提供损耗补偿。
如对本领域熟练人员所显而易见的，本发明前述实施例的原理可用于产生最佳的集成放大器和调制器，正如在共同受让和共同待审美国实用专利申请中所描述的：由Larry A.Coldren等人于2000年7月12提交的、名称为“METHOD OF MAKING A TUNABLE LASERSOURCE WITH INTEGRATED OPTICAL AMPLIFIER”的顺序号第09/614224号；由Larry A.Coldren等人于2000年7月12提交的、名称为“INTEGRATED OPTO-ELECTRONIC WAVELENGTHCONVERTER ASSEMBLY”的顺序号第09/614377号；由LarryA.Coldren等人于2000年7月12日提交的、名称为“METHOD OFCONVERTING AN OPTICAL WAVELENGTH WITH ANOPTO-ELECTRONIC LASER WITH INTEGRATED MODULATOR”的顺序号第09/614376；由Larry A.Coldren等人于2000年7月12日提交的、名称为“OPTO-ELECTRONIC LAS ER WITH INTEGRATEDMODULATOR”的顺序号第09/614378号；由Larry A.Coldren于2000年7月12日提交的、名称为“METHOD FOR CONVERTING ANOPTICAL WAVELENGTH USING A MONOLITHIC WAVELENGTHCONVERTER ASSEMBLY”的顺序号第09/614895号；由LarryA.Coldren等人于2000年7月12日提交的、名称为“TUNABLE LASERSOURCE WITH INTEGRATED OPTICAL AMPLIFIER”的顺序号第09/614375号；由Larry A.Coldren等人于2000年7月12日提交的、名称为“METHOD OF MAKING AND OPTO-ELECTRONIC LASERWITH INTEGRATED MODULATOR”的顺序号第09/614195号；由Larry A.Coldren等人于2000年7月12日提交的、名称为“METHOD OFGENERATING AN OPTICAL SIGNAL WITH A TUNABLE LASERSOURCE WITH INTEGRATED OPTICAL AMPLIFIER”的顺序号第09/614665号；由Larry A.Coldren于2000年7月1 2日提交的、名称为“METHOD FOR MAKING A MONOLITHIC WAVELENGTHCONVERTER ASSEMBLY”的顺序号第09/614674号；所有的这些申请被结合在此以作参考，所有的这些申请都是其它申请的部分连续，并且所有的这些申请根据35U.S.C.119(e)都要求下述美国临时专利申请的利益：由Gregory Fish等人于1999年9月2日提交的、名称为“OPTOELECTRONIC LASER WITH INTEGRATED MODULATOR”的顺序号第60/152038号；由Larry A.Coldren于1999年9月2日提交的、名称为“INTEGRATED OPTOELECTRONIC WAVELENGTHCONVERTER”的顺序号第60/152049号；由Beck Mason等人于1999年9月2日提交的、名称为“TUNABLE LASER SOURCE WITHINTEGRATED OPTICAL AMPLIFIER”的顺序号第60/152072号。
这儿结束了本发明优选实施例的描述。总之，本发明披露一种可调谐激光器，包括增益区，用来在一带宽上通过受激和自发发射产生光束；相位区，用来将光束控制在带宽的中心频率附近；波导，用来在腔中导引和反射光束，该腔包括一种相对低能带隙的分开限制异质结构(SCH)；前反射镜，限定腔的一端和后反射镜，限定腔的相反一端，其中增益被包括相位区、前反射镜和后反射镜的组中的至少一个来提供。
为了示例和说明的目的，前述对本发明一个或多个实施例的描述已经给出。但这并不是穷尽的或并不将本发明限于披露的准确形式。依据上述的教导，多种改进和变形都是可能的。本发明的范围并不是由该详细说明来限定，而是由所附的权利要求书来限定。

Claims (39)

1.一种可调谐激光器，包括：
增益区，用来产生光束；
相位区，用来将光束控制在带宽的中心频率附近；
波导，用来在腔内导引和反射该光束，该腔包括一种相对低能带隙的分开限制异质结构(SCH)；
前反射镜，限定该腔的一端；和
后反射镜，限定腔的相反一端；
其中用于光束的增益由包括相位区、前反射镜和后反射镜的组中的至少一个来提供。
2.根据权利要求1的激光器，其中由包括相位区、前反射镜和后反射镜的组中至少一个来提供的增益具有高于大体为5mW的饱和功率。
3.根据权利要求1的激光器，其中该包括SCH的波导在增益区和相位区及前反射镜和后反射镜上是均匀的。
4.根据权利要求3的激光器，其中该SCH包括居中的浅量子阱。
5.根据权利要求3的激光器，其中该SCH被最优化使得增益迅速增加至大体等于器件阈值所需的级。
6.根据权利要求3的激光器，其中增益区、相位区、前反射镜和后反射镜中的每一个都具有一指数，该指数每一次被单个改变的偏压来单个的调节。
7.根据权利要求6的激光器，其中这些指数在被调节的同时净增益保持在器件的阈值处。
8.根据权利要求3的激光器，其中由于SCH中载流子增加而引起的自由载流子的吸收损耗被由包括相位区、前反射镜和后反射镜的组中至少一个所提供的增益来至少部分地补偿。
9.根据权利要求1的激光器，其中由包括相位区、前反射镜和后反射镜的组中至少一个所提供的增益通过一种方法来修改，该方法选自由选择量子阱混杂、选择区域生长和不同带隙波导的对接再生长所组成的组。
10.根据权利要求1的激光器，其中增益是由包括相位区、前反射镜和后反射镜的组中不止一个来提供，并且每个增益都由一种方法来单个的修改，该方法选自由选择量子阱混杂、选择区域生长和不同带隙波导的对接再生长所组成的组。
11.根据权利要求10的激光器，其中增益是由选择量子阱混杂所修改的前反射镜来提供，并且增益是由选择量子阱混杂所修改的后反射镜来提供，其中每种混杂都产生不同的带隙区。
12.根据权利要求10的激光器，其中增益区具有相对低的量子阱和高的SCH带隙。
13.根据权利要求1的激光器，其中由包括相位区、前反射镜和后反射镜的组中至少一个所提供的增益通过与调谐电触点相交错的电触点来施加。
14.一种产生半导体激光器的方法，包括步骤：
生长波导层，用来导引和反射光束，在基片上包括一种相对低能带隙的分开限制异质结构(SCH)区，包括增益区，用来产生光束，相位区，用来将该光束控制在带宽的中心频率附近，前反射镜，限定腔的一端，和后反射镜，限定腔的相反一端；
在该波导层上刻蚀取样光栅槽来形成前反射镜和后反射镜；和
在该波导层上生长上部覆盖层和接触层；
其中增益是由包括相位区、前反射镜和后反射镜的组中至少一个来提供。
15.根据权利要求14的方法，其中由包括相位区、前反射镜和后反射镜的组中至少一个来提供的增益具有高于大体为5mW的饱和功率。
16.根据权利要求14的方法，其中该包括SCH的波导在增益区和相位区及前反射镜和后反射镜上是均匀的。
17.根据权利要求16的方法，其中该SCH包括居中的浅量子阱。
18.根据权利要求16的方法，其中该SCH被最优化使得增益迅速增加至大体等于器件阈值所需的级。
19.根据权利要求16的方法，其中增益区、相位区、前反射镜和后反射镜中的每一个都具有一指数，该指数每一次被单个改变的偏压来单个的调节。
20.根据权利要求19的方法，其中这些指数在被调节的同时净增益保持在器件的阈值处。
21.根据权利要求16的方法，其中由于SCH中载流子增加而引起的自由载流子的吸收损耗被由包括相位区、前反射镜和后反射镜的组中至少一个所提供的增益来至少部分地补偿。
22.根据权利要求14的方法，其中由包括相位区、前反射镜和后反射镜的组中至少一个所提供的增益通过一种方法来修改，该方法选自由选择量子阱混杂、选择区域生长和不同带隙波导的对接再生长所组成的组。
23.根据权利要求14的方法，其中增益是由包括相位区、前反射镜和后反射镜的组中不止一个来提供，并且每个增益都由一种方法来单个的修改，该方法选自由选择量子阱混杂、选择区域生长和不同带隙波导的对接再生长所组成的组。
24.根据权利要求23的方法，其中增益是由选择量子阱混杂所修改的前反射镜来提供，并且增益是由选择量子阱混杂所修改的后反射镜来提供，其中每种混杂都产生不同的带隙区。
25.根据权利要求23的方法，其中增益区具有相对低的量子阱和高的SCH带隙。
26.根据权利要求14的方法，其中由包括相位区、前反射镜和后反射镜的组中至少一个所提供的增益通过与调谐电触点相交错的电触点来施加。
27.一种包括取样光栅分布布拉格反射(SGDBR)激光器的制造物品，该SGDBR激光器包括：
增益区，用来产生光束；
相位区，用来将光束控制在带宽的中心频率附近；
波导，用来在腔内导引和反射该光束，该腔包括一种相对低能带隙的分开限制异质结构(SCH)；
前反射镜，限定该腔的一端；和
后反射镜，限定腔的相反一端；
其中用于光束的增益被包括相位区、前反射镜和后反射镜的组中的至少一个来提供。
28.根据权利要求27的物品，其中由包括相位区、前反射镜和后反射镜的组中至少一个来提供的增益具有高于大体为5mW的饱和功率。
29.根据权利要求27的物品，其中该包括SCH的波导在增益区和相位区及前反射镜和后反射镜上是均匀的。
30.根据权利要求29的物品，其中该SCH包括居中的浅量子阱。
31.根据权利要求29的物品，其中该SCH被最优化使得增益迅速增加至大体等于器件阈值所需的级。
32.根据权利要求29的物品，其中增益区、相位区、前反射镜和后反射镜中的每一个都具有一指数，该指数每一次被单个改变的偏压来单个的调节。
33.根据权利要求32的物品，其中这些指数在被调节的同时净增益保持在器件的阈值处。
34.根据权利要求29的物品，其中由于SCH中载流子增加而引起的自由载流子的吸收损耗被由包括相位区、前反射镜和后反射镜的组中至少一个所提供的增益来至少部分地补偿。
35.根据权利要求27的物品，其中由包括相位区、前反射镜和后反射镜的组中至少一个所提供的增益通过一种方法来修改，该方法选自由选择量子阱混杂、选择区域生长和不同带隙波导的对接再生长所组成的组。
36.根据权利要求27的物品，其中增益是由包括相位区、前反射镜和后反射镜的组中不止一个来提供，并且每个增益都由一种方法来单个的修改，该方法选自由选择量子阱混杂、选择区域生长和不同带隙波导的对接再生长所组成的组。
37.根据权利要求36的物品，其中增益是由选择量子阱混杂所修改的前反射镜来提供，并且增益是由选择量子阱混杂所修改的后反射镜来提供，其中每种混杂都产生不同的带隙区。
38.根据权利要求36的物品，其中增益区具有相对低的量子阱和高的SCH带隙。
39.根据权利要求27的物品，其中由包括相位区、前反射镜和后反射镜的组中至少一个所提供的增益通过与调谐电触点相交错的电触点来施加。
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