CN1658453A - 混合集成的可调谐半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

一种混合集成的可调谐半导体激光器，其中包括：一衬底，在该衬底上用刻蚀的方法制作有定位槽；一激光器，该激光器制作在定位槽内；一脊型波导，刻蚀形成在衬底上，在脊型波导上形成有周期性的矩形槽；一布拉格光栅通过在脊型波导上周期性的矩形槽形成，该布拉格光栅和激光器利用自对准方法使布拉格光栅和激光器形成对接耦合；一电极形成在布拉格光栅上，该电极为加热电极，利用热光效应改变布拉格反射的波长；一负温度系数热敏电阻，该负温度系数热敏电阻制作在衬底上；一V形槽形成在衬底上的一端，用于固定光纤。

Description

混合集成的可调谐半导体激光器
技术领域
本发明涉及可调谐激光器，特别是指一种用于光通信领域窄线宽可调谐光源-混合集成的可调谐半导体激光器。
背景技术
目前有几种实现可调谐半导体激光器的技术，主要方法是改变激光器中的选频元件的波长来实现波长的调谐功能。主要包括单片集成的多电极激光器，如可调谐DBR激光器，取样光栅激光器，超结构光栅激光器等等，在半导体有源介质波导的一端制作各种结构的光栅，通过在光栅区通过加热，目前最主要的是电流注入的方法改变光栅区的有效折射率，这样便改变了反馈振荡的波长。另外一类就是外腔激光器，如Littman结构的外腔激光器，通过压电陶瓷等机械方式改变外腔衍射光栅的位置选择不同的振荡波长。还有一类是基于光纤环形激光器的可调谐激光器，在光纤环形激光器中加入各种可调谐调谐器件，如声光、电光晶体滤波器来选择输出不同的波长。一类简单的可调谐激光器是基于外波导布拉格(Bragg)光栅的激光器，如光纤中的Bragg光栅半导体激光器，以及氮化硅(Si3N4)或者二氧化硅平面波导中的Bragg光栅激光器，通过改变布拉格波长来改变振荡波长。
单片集成的多电极可调谐激光器的准连续调谐范围很大，主要缺点是成本很高，单片集成多段波导技术难度很大，复杂结构的光栅的制作更是困难。Littman结构的外腔可调谐激光器有很大的连续调谐范围，但是它的体积太大且需要机械调谐，不太容易在光通信领域内应用；最近提出了微机械调谐的器件，使体积减小，调谐速度也有了很大的改善。可调谐光纤环形激光器体积也比较大，稳定性是其致命弱点。一类简单的小范围调谐的器件就是光纤光栅激光器，通过机械的方式拉伸光纤光栅的长度而直接改变光纤光栅的写入周期，从而改变Bragg波长来产生调谐。正常情况下的拉伸可使Bragg波长移动5nm，利用特殊的装置可以实现上百nm的调谐。光纤光栅调谐激光器的问题也在于是机械式调谐，调谐速度比较慢。另外，光纤光栅和激光器波导的尺寸差别太大，二者之间的耦合问题也是一个关键，这大大增加了器件的制作难度。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种混合集成的可调谐半导体激光器，其基于硅基光电子集成技术，实现铟磷(InP)基的半导体激光器与硅基的单模脊波导集成，具有结构简单，制作方便，调谐速度快、范围大的可调谐激光器。
本发明一种一种混合集成的可调谐半导体激光器，其特征在于，其中包括：
一衬底，在该衬底上用刻蚀的方法制作有定位槽；
一激光器，该激光器制作在定位槽内；
一脊型波导，刻蚀形成在衬底上，在脊型波导上形成有周期性的矩形槽；
一布拉格光栅通过在脊型波导上周期性的矩形槽形成，该布拉格光栅和激光器利用自对准方法使布拉格光栅和激光器形成对接耦合；
一电极形成在布拉格光栅上，该电极为加热电极，利用热光效应改变布拉格反射的波长；
一负温度系数热敏电阻，该负温度系数热敏电阻制作在衬底上；
一V形槽形成在衬底上的一端，用于固定光纤。
其中衬底为硅基材料。
其中混合集成的可调谐半导体激光器为多路时，在激光器与布拉格光栅之间安装有分束器；在布拉格光栅与V形槽之间安装有合束器。
其中所述的电极为两块结构，分别制作在布拉格光栅的两侧，利用电光效应改变布拉格反射的波长。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是本发明第一实施例的热光可调谐激光器的示意图；
图2是图1的立体图；
图3是本发明第二实施例的电光可调谐激光器的示意图；
图4是在单个芯片上形成宽波长范围调谐激光器的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1和图2，图1和图2分别是发明第一实施例的热光可调谐激光器的示意图及立体图，所述的衬底1包括N-硅导光层，二氧化硅(SiO2)绝缘层和硅衬底。
在衬底1上刻蚀出定位槽2，最好将定位槽2刻到中间的埋层SiO2以下，这样可以利用衬低硅作为激光器的热沉。在衬底1上刻出脊型波导3，并在波导3上形成光栅4。为了便于与光纤对接，在波导3末端形成V型槽10。对于该外腔激光器的结构的描述还可以参见专利WO00/03461。对于激光器芯片7与波导2的对接安装的细节可以参见WO00/03461中引用的专利WO97/43676；把光纤通过V型槽与光波导耦合的技术一并参考WO00/03461中引用的WO97/42534。完全可以把波导2输出引导到该OEIC中的其他光/电元件上，如硅基的调制器，耦合器，阵列波导光栅，分/合束器，光开关等等。
对于激光器7的制作，一般来说采用常规的铟镓砷磷(InGaAsP/InP)外延工艺和后期工艺制作。由于硅(Si)是良好的导热导电体，所以硅基材料对激光器来说是天然的热沉与电极。为了能实现该器件的高频调制功能以用于高速光通讯中，可以制作高频调制的激光器7。器件解理成条形后在端面8镀制高反射膜，在激光器与波导3对接的面9上镀制增透膜，增透效果越高越好，以抑制本征腔模。最好应该达到半导体光放大器(SOA)的镀膜水平，如反射率＜10-3。事实上，这时的激光器的自发发射谱应该与放大器的类似，有着极宽的增益，增益谱的的波纹比较小，或者说就是一个超辐射二极管(SLD)。
波导3的端面6最好要保持垂直以及侧壁光滑，可以在刻蚀定位槽2时进行控制。同样要在上面形成增透膜，以防止不必要的反射与激光器端面9形成附加腔膜，使唯一的反馈机制由刻在波导3上的布拉格(Bragg)光栅4提供。
波导3上的光栅的制作可以参考WO00/03461描述的方法制作，或者利用传统的全息曝光技术和干法刻蚀来制作。电极5覆盖在Bragg光栅4上，也可以延伸到波导的两侧一段距离，通过电极加热使Bragg光栅4区的温度产生变化。硅材料的热光系数比较大，为1.9×10-4，因此50℃的变化范围可以使折射率变化为0.01，很容易获得5nm以上的调谐范围。由于硅波导下层的SiO2层是热的不良导体，因此热量不容易从衬低泄漏，因此可以很快达到热平衡而降低器件功耗，同时硅为热的良导体，热响应很快，因此调谐速度也比较快。若要实时监控波导上的温度变化，可以通过衬底1上制作负温度系数的热敏电阻12来进行监控以及反馈。
对于图3所示的电光可调谐激光器，最主要的部分是光栅电光调谐的结构，可以通过两种方法制作用于载流子注入的pin结构，一种是侧向注入结构，在Bragg光栅4区两边通过掺杂的方法制作pn结，并在结上面制作电极5，另一种是顶注入结构。硅的有效折射率大约为3.5，Bragg光栅周期制作为220nm，当硅的有效折射率变化0.01(例如，3.49)时，此时的Bragg光栅4的布拉格波长向长波长移动了大约5nm。从硅的等离子色散效应推算，此时的载流子浓度变化约为6×1018cm-1，但是同时由于硅的载流子吸收效应，在大注入载流子浓度情况下硅的吸收系数将显著增加，对上面的注入载流子浓度推算为10cm-1。因此，对于该激光器输出功率对不同的波长是有变化的，可以通过改变激光器注入电流来控制输出波长强度，为实现此控制功能，可以在激光器端面8后形成光电二极管(未画出)，通过标准的激光二极管输出功率控制技术来实现；或者如专利WO00/03461描述的在Bragg光栅4后面的波导3上形成波导耦合器输出部分光到光电二极管来控制输出光功率。由于大电流注入下的芯片发热问题严重，而且衬底1中的SiO2绝缘层对热扩散有阻挡作用，因此注入电流不能太高，这就影响了调谐范围，因此电光可调谐激光器只能实现比热光可调谐激光器小的调谐范围。为了保证较大电流注入下的散热问题，最好在芯片上方安装热沉(本发明未涉及)。
由于硅的折射率系数和InGaAsP/InP激光器的折射率相差不大，因此为了增大激光器7和Bragg光栅4的耦合效率，可以制作与激光器波导尺寸相近的硅波导3，这样可以大大减少整个器件的尺寸以及器件的功耗问题，更有利于硅基光电子的集成。
图4为一种集成式多波长可调谐激光器(图示为4个波长)，一个共用的半导体激光器7，在不同的波导3上设计不同周期的Bragg光栅4，在激光器7与布拉格光栅4之间安装有分束器13；在布拉格光栅4与V形槽10之间安装有合束器14。其中分束器13的两端通过波导3与波导3’分别与激光器7与布拉格光栅4连接；该合束器14的两端通过波导3与波导3’分别与拉格光栅4与V形槽10连接。参照本发明以上的描述，在每个Bragg光栅4上分别形成热光或者电光调谐的结构(图中为电光调谐)，为了防止相近Bragg光栅4之间的注入电流的相互影响，在波导4中间刻蚀隔离槽15。通过电流对各个Bragg光栅4进行控制，可以实现涵盖很宽波长范围的任意波长输出。
另外，由于对于不同的光路激光器的腔长最好保持一致，这样对不同的光路可以形成一致的激光特性(如边模抑制比，线宽等等)，而分束器13的光程对于不同的光路并不相同，因此由图4可以看到在波导3上形成的Bragg光栅4的位置并不相同。

Claims (4)

1、一种混合集成的可调谐半导体激光器，其特征在于，其中包括：
一衬底，在该衬底上用刻蚀的方法制作有定位槽；
一激光器，该激光器制作在定位槽内；
一脊型波导，刻蚀形成在衬底上，在脊型波导上形成有周期性的矩形槽；
一布拉格光栅通过在脊型波导上周期性的矩形槽形成，该布拉格光栅和激光器利用自对准方法使布拉格光栅和激光器形成对接耦合；
一电极形成在布拉格光栅上，该电极为加热电极，利用热光效应改变布拉格反射的波长；
一负温度系数热敏电阻，该负温度系数热敏电阻制作在衬底上；
一V形槽形成在衬底上的一端，用于固定光纤。
2、如权利要求1所述的混合集成的可调谐半导体激光器，其特征在于，其中衬底为硅基材料。
3、如专利要求1所述的混合集成的可调谐半导体激光器，其特征在于，其中混合集成的可调谐半导体激光器为多路时，在激光器与布拉格光栅之间安装有分束器；在布拉格光栅与V形槽之间安装有合束器。
4、如权利要求1所述的混合集成的可调谐半导体激光器，其特征在于，其中所述的电极为两块结构，分别制作在布拉格光栅的两侧，利用电光效应改变布拉格反射的波长。
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