CN1706080A - 具有用于提供波长稳定化的衍射光栅的泵浦激光器的无扭折工作 - Google Patents

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Abstract

半导体激光源包括具有前端面和后端面的激光二极管。该激光二极管。该激光二极管包括衬底和布置在衬底上的下包层。下包层用第一导电型的掺杂剂掺杂。有源层布置在该下包层上，并且上包层布置在该有源层上。上包层用第二导电型的掺杂剂掺杂。至少一个电极布置在二极管的第一外层上。一对电极布置在二极管的第二外层上。第二外层位于与第一外层相对的二极管的一侧上。电极对构造为允许应用不同电流到成对电极的电极中的每一个。位于激光二极管外的反射器与激光二极管的前端面光通信，用于向有源区提供光反馈。

Description

具有用于提供波长稳定化的衍射光栅的泵浦激光器的无扭折工作
技术领域
本发明涉及一种激光源，它提供具有对波长进行控制和稳定的高功率光辐射，该高功率光辐射具有足以供光纤应用中的掺稀土放大器的光泵浦使用的光强。
背景技术
半导体激光二极管是希望用来满足对于快速和大容量通信的日益增长的需求的那种光放大器系统的必要元件。特别地，在密集波分复用(DWDM)操作中的通信通道的日益增长的密度要求增加的功率，并要求对于光纤放大器增益平直度的控制的程度。而这反过来涉及到泵浦二极管激光器的功率容量、波长稳定性和控制。在本上下文中，必要元件二极管的性能是输出光强L与注入电流输入I在它们整个工作范围上的光滑相关性。
早先，曾显而易见的是二极管激光器极易受到来自激光腔外部的反射引入的光反馈的影响。但是，很快发现通过适当的控制，诸如通过使用外部反射镜或光栅，将部分二极管输出以受控的方式返回到激光腔中，这种最初不希望的特性能够被用为优点。尽管将特性的可能范围完全描述为电流调制和反馈强度的函数是极其复杂的，但是在弱和强反馈机制中都在外腔激光器中成功获得了稳定的窄谱线宽度单模工作。在这两种类型中，已经研制了几个器件结构，它们具有几kHz那样低的激光谱线宽度和超过100kHz的连续波长调谐。但是，在稳定的单模稳定性的这两个范围之间的中等强度反馈机制中，在二极管腔场和反射场之间缺少相干性。结果，谱线宽度急剧展宽并且激光器转变到在文献中称作“相干性破坏(coherence collapsed)”状态的机制。
如果由独立反射镜或光栅提供受控反馈，那么通常需要额外的光学元件来操纵和引导光线。就此而言，通过使用写入输出光纤自身的光纤布拉格光栅(FBG)作为反射元件可能对良好的简化性产生影响。如果最大光栅反射率的波长选为位于二极管波段的峰的附近，那么布拉格光栅将二极管腔输出锁定到光栅的布拉格波长。该锁定导致输出噪声的降低，边模抑制的增加和激光器稳定性的增加。理论上，如果在强反馈机制(为了该机制，在激光器的前端面提供了抗反射涂层，以使得光栅反馈能够相当于或大于前端面反馈)中工作，外腔反馈激光器应该充当有效的高功率单模光源。但是，在实践中，激光器的单模稳定性随着注入电流调制的最适合程度而急剧消失。可以对源进行跟踪，以得到这样的事实：二极管材料的折射率n对注入电流的值敏感，这主要(尽管并不是唯一)是由于引入的热量生成和导致的温度T的改变。由于典型二极管激光器半导体材料相对于折射率的温度相关性dn/dT的量级至少在比FBG材料(硅石)的折射率大的量级，激光腔模式的温度相关性(大约0.1nm/C)远远超过布拉格波长(大约0.01nm/C)的，即使光栅受到完全由电流引入的温度变化。结果是用电流调制的模式锁定被破坏。在单模强反馈工作中，使用抗反射涂层，激光器以约0.1nm的典型模式间隔来工作。对于该数量级的模式间隔，上述机制对于大约每1C的温度改变，导致分离的不稳定模式跳跃事件。
在典型的外腔二极管激光器中，接合到输出光纤中的光纤布拉格光栅拥有大约等于以波长λ0为中心的激光腔的5-6个间隔的反射光谱。如果FBG和二极管激光腔之间的距离小于无反馈时激光器的相干长度，那么通过来自激光器前端面的反射和光栅的反射之间的相长干涉能够使单模法布里-珀罗(FP)稳定。则泵浦波长与在光栅反射光谱范围内的激光器FP模式之一相关联。但是随着注入电流，有源区的温度升高，并且作为半导体和玻璃之间dn/dT的大差别的后果，激光器FP模式相对于λ0红移，诱发一系列激光器波长从一个FP模式向另一个跳跃。这些跳跃导致了在L-I曲线中的扭折。图1中示出了一个实例(引自IEEE Photonics Technology Letters，Vol.13，pp415-417，M.AchtenhageN，S.Mohrdiek，T.Pliska，N.Matuschek，C.C Harder，以及A.Hardy)，其中还较详细地绘出了相关的功率波动作为以I为函数的微分dL/dI(即，效率)。
这种扭折对激光器极为有害，已经或者通过减少驱动电流(美国专利No.6,251,809，“Stabilization of Laser Sources with Closely-Coupled Optical Reflectors using an Internal Dither Circuit”，M.Ziarri等人)或通过移动FBG到超过激光器的相干长度的距离(例如，见美国专利No.6,044,093，“Fibre-Grating-Stabilized Diode Laser”，B.F.Ventrudo和G.Rogers)来寻求解决这种扭折。在后一情况中，其中距离典型地在50到100cm量级，反射不再相长地干涉，并且来自FBG的反馈破坏了二极管激光器发射的相干性。在任何一种情况下，泵浦激光器遭受功率波动，它使激光器保持在瞬态多模机制中——所谓的相干性破坏的机制(见H.Temkin，N.Anders Olssen，J.H.Abeles，R.A.Logan和M.B.Panish在IEEE J.Quantum Electronics，Vol.22，pp.286-293中的“Reflection Noise in Index-Guided InGaAsP Lasers”)。在该多模机制中，光强度连续地取决于电流，这消除了单模操作的L-I扭折。但是，在该机制中获得的最大光功率基本上低于单模工作的最大光功率。图2示出了现有技术的示意性表示，其作为具有远程FBG的外腔激光器来图示出。该图包括诸如半导体激光二极管的激光源203，其经由前端面201耦合到光纤波导206。激光源203具有有源区202，其经由电极204并借助于电源电流205来泵浦。被写入到光纤波导206中的布拉格光栅207被置于与二极管腔前端面201足够远的距离处，使得不能发生强相长干涉。通过采用具有抗反射涂层的端面201，布拉格光栅现在有效地形成了这样形成的外腔激光器的前端面，并且引入了在“相干性破坏”无扭折状态下的工作。对于泵浦二极管激光器的这一方案被广泛地使用。但是，它有大量的缺点。首先，工作的最大功率仍然受到由于扭折引起的不稳定性以及低频噪声的限制。其次，设计不紧凑，并且它还要求为不同的激光器设计采用专门的光栅配置。
因此，希望提供克服上述缺点的激光源。
发明内容
根据本发明，半导体激光源包括具有前端面和后端面的激光二极管。该激光二极管。该激光二极管包括衬底和布置在衬底上的下包层。下包层用第一导电型的掺杂剂掺杂。有源层布置在下包层上并且上包层布置在有源层上。上包层用第二导电型的掺杂剂掺杂。至少一个电极布置在二极管的第一外层上。一对电极布置在二极管的第二外层上。第二外层位于与第一外层相对的二极管的一侧上。电极对构造为允许应用不同电流到成对电极的电极中的每一个。位于激光二极管外的反射器与激光二极管的前端面光通信，用于向有源区提供光反馈。
根据本发明的一个方面，在至少一个电极和电极对中的第一电极之间的有源区的第一部分被正向偏置以提供光增益，而在至少一个电极和电极对中的第二电极之间的有源区的第二部分被反向偏置以提供光吸收。
根据本发明的另一个方面，电极对中的电极被大于大约10Ohms的电阻彼此电隔离。
根据本发明的另一个方面，激光二极管以足以泵浦掺稀土光放大器的波长产生光能。
根据本发明的另一个方面，有源区包括多量子阱区。
根据本发明的另一个方面，反射器包括光学耦合到输出端面的布拉格光栅，用于将部分光功率反射回所述有源区。
根据本发明的另一个方面，有源区的第二部分被反向偏置以产生导致自脉动的单模激光器工作中的不稳定性。
根据本发明的另一个方面，施加到第二电极的电流和施加到第一电极的电流的比超过在激光二极管中产生的光压缩的相对量。
根据本发明的另一个方面，电极对布置在上包层上并且至少一个电极布置在衬底上。
根据本发明的另一个方面，至少一个电极是单个的、电连续的电极。
根据本发明的另一个方面，第一导电型是n型并且所述第二导电型是p型。
根据本发明的另一个方面，激光二极管和反射器位于共用平面光波导电路上。
根据本发明的另一个方面，平面波导形成在共用平面光电路上，将反射器耦合到激光二极管的前端面上。
根据本发明的另一个方面，掺稀土平面光波导形成在共用平面光波导电路上，从激光二极管接收泵浦能量。
根据本发明的另一个方面，稀土光放大器是掺稀土光纤放大器。
根据本发明的另一个方面，掺稀土光纤放大器是掺铒光纤放大器。
根据本发明的另一个方面，提供一种操作半导体激光器的方法。该方法始于将第一电流施加到激光二极管的第一部分，用于在其中产生光增益。将第二电流施加到激光二极管的第二部分，用于在其中产生光吸收，从而产生激光器工作的自脉动模式。最后，从外反射器向激光二极管提供光反馈，用于产生激光效应。
根据本发明的另一个方面，激光二极管以足以泵浦掺稀土光放大器的波长来产生光能。
根据本发明的另一个方面，激光二极管具有包括多量子阱区的有源区。
根据本发明的另一个方面，外反射器包括光学耦合到激光二极管的输出端面的布拉格光栅，用于将部分光功率反射回激光二极管的有源区。
根据本发明的另一个方面，外反射器包括光学耦合到激光二极管的输出端面的布拉格光栅，用于将部分光功率反射回激光二极管的有源区。
附图说明
图1示出了FBG稳定的激光器模块的典型光功率与电流和微分效率曲线。
图2是耦合到外部光纤布拉格光栅的现有技术二极管激光器的图示，该光纤布拉格光栅远远地定位使得能工作在“相干性破坏”的机制中。
图3是根据本发明构造的两部分半导体二极管激光器的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种激光源，其在保持多模的同时消除了对图1所述现有结构施加的低功耗限制，并从而提供了在高功率级时的无扭折工作。该结果是通过将独立增益和吸收体部分引入到激光二极管的有源区实现的，这继而引起由自脉动诱发的多模工作(例如，见G.Pham和G-H Duan，“Self-Pulsation in Two-Section DFB Semiconductor Lasersand its Synchronization to an External Signal”，IEEE J.QuantumElectronics Vol.34，pp1000-1008)。如下所述，本发明还允许激光源以紧凑方式封装。例如，泵浦激光器能被直接安装在平面光波导电路(PLC)芯片上，所述平面光波导电路(PLC)芯片还包括一个或多个掺铒波导。
发明的原理
本发明中采用的泵浦二极管激光器由独立增益和吸收体部分以及反馈光栅组成。在如下提出的一定条件下，该激光器显示出具有对于张驰振荡的不稳定性，这导致高功率时的自脉动和多模机制。先前，已经使用两段激光器在极高频率时引入模式锁定，并且也已经观察到了对本发明十分重要的张驰振荡(Kam Y.Lau，“Dynamics of QuantumWell Lasers”，第5章，“Quantum Well Lasers”，Peter S.Zory编著，Academic Press Inc.1993)。
为了分析两段激光器中的不稳定性的可能性，首先从增益部分的有源层之内的激光器动力学基本公式开始，其包括控制增益部分中的光子和载流子密度(分别为S和N)的一对速率公式，如下所示(见Kam Y.Lau参考文献，如上)。
dN/dt＝Ig/eVg-N/τs-vg(N，S)S，        (1)
dS/dt＝Γvg(N，S)S-S/τp(P)，          (2)
其中Γ是光约束因子，Ig是泵浦电流，Vg是有源层体积，τs是复合寿命，v是群速，g(N，S)是光增益。即
g(N，S)＝g(N)/(1+εS)                  (3)
其中ε是增益压缩因子，并且τp(P)是由下式给出的光子寿命，
1/τp(P)＝v/Lg*ln(RfRbexp(-Γα(P)La))-1＝
v/Lg*ln(RfRb)-1+vΓα(P)La/Lg，                     (4)
其中*表示乘法，Rb是激光器后端面的反射系数，Rf是光栅和激光器前端面的组合反射系数，Lg和La是各增益和吸收体部分的长度，并且α(P)＝-g(P)和P分别是吸收体部分的有源层的吸收系数和载流子的浓度，有：
dP/dt＝-Ia(P)/eVa-P/τs+vα(P)S                      (5)
其中，Va＝VgLa/Lg是吸收体有源层的体积。由于P低于透明浓度(transparency concentration)，所以α(P)为正量。在静态条件下，dN/dt＝dS/dt＝dP/dt＝0，
Ig＝Ig0＝(N0/τs+vg(N0，S0)S0)*eVg，                 (6)
S＝S0，N＝N0，P＝P0，Ia0＝Ia(P0)，                   (6a)
Γvg(N0，S0)S0-1/τp(P0)＝0，                        (7)
vα(P0)S0＝Ia0/eVa-P0/τs，                          (8)
其中Ia0是在反向偏置条件下吸收体电路中的直流电流。
为了研究这些静态条件的稳定性，以如下形式考虑对于电流微扰i(ω)＝i*exp(jωt)的小信号响应s，n和p，
Ig＝Ig0+i(ω)；S＝S0+s；N＝N0+n；P＝P0+p             (9)
将(9)代入公式(1)，(2)，(5)中并且使用等式(6)，(6a)，(7)和(8)获得了光和载流子密度与其稳态值的小偏移的公式，如下：
jωn＝-n/τs-vgn(N0)S0*n-vg(N，S)s，                 (10)
jωs＝Γvgn(N0)S0*n-εS0/τp*s+Γvgn(P0)S0La/Lg*p，  (11)
jω(1-C/C1)p＝-p/τs-vgn(P0)S0*p+vα(P0)s            (12)
其中，C1＝(dU/dP)-1*eVa～100pF，U是电子和空穴费米能级之差，在N＝N0时，gn(N0)＝dg/dN，并且在N＝P0时，gn(P0)＝-dα(P)/dp＝dg/dN.
由于在吸收体部分中的载流子浓度比在增益部分中的载流子浓度低得多，因此使N0＞＞P0。而且，由于g(N)是N的强次线性函数(stronglysub-linear function)，有vgn(P0)S0＞＞vgn(N0)S0＞＞1/τs(见Kam Y.Lau参考文献，如上)。使用这些关系和条件C/C1＝1，Ia(P0)eVa＞＞P0/τs，可以从(11)，(12)和(8)获得阻尼振荡形式，
s＝Γvgn(N0)S0/[ω2-j ωγ-(2πfr)2]，    (13)
其中张驰振荡的谐振频率fr由下式给出：
(2πfr)2＝vgn(N0)S0/τp(P0)               (14)
并且相关阻尼速率由下式表示：
γ＝(εS0-Ia0/Ig0)/τp(P0)                (15)
如果γ为负，则泵浦激光器表现出自脉动，并且因此以多纵模、无扭折机制来工作。在这种情况下，从(15)可以看出，由于光场加热电子，由吸收体消耗的光功率部分Ia0/Ig0超过了由增益压缩所消耗的光功率部分εS0。也就是说：
Ia0/Ig0＞εS0                             (16)
但是，即使在极高光功率下，增益压缩εS0的相对量同1相比还是小(εS0＜＜0.1)。所以能够使在自脉动下由吸收体部分引起的泵浦激光器量子效率的降低相对较小。另一方面，最大光功率仅受热沉限制，并且能够显著超过任何利用FBG来稳定波长的常规泵浦激光器的最大光功率。
本发明的说明性实施例
图3中描绘了本发明的示意性图示。如图所示，诸如激光二极管芯片的激光源300经由其前端面301光耦合到具有布拉格光栅(BG)341的外部波导结构340。激光源300具有n掺杂的下包层310、p掺杂的上包层320以及有源层330。上包层的电极由两个电气隔离的部分构成，即增益部分321和吸收体部分322。增益部分经由电触点321被正向偏置，吸收体部分经由电触点322被反向偏置。来自触点323和324的Ig0和Ia0分别是流经增益和吸收体部分的电流。激光器光腔在激光器芯片后端面302和由前端面301和BG341形成的组合反射器之间延伸。BG的光谱宽度被选为激光器芯片FP模式的5-6个间隔。如上面所讨论的，这样的泵浦激光器的无扭折工作能够在多FP模式工作中实现。而这反过来又在激光器由于张驰工作不稳定性而表现出自脉动的时候发生。在高光功率下，张驰振荡通常由于增益压缩效应而受到阻尼。另一方面，吸收体部分的部分漂白(bleaching)引起了相反的效果，这超过了在前一部分的等式(16)所描述的条件下的第一效果。如在同一部分中所述的那样选择电容器340的值C。
只要满足等式(16)就能保持无扭折工作。因此本发明提供了用于消除由LI曲线上的扭折引起的功率限制的方法，从而只有热效应限制输出功率。其次，由于BG 341可以放置得离激光器芯片的前端面301非常近，所以本发明能够用于紧凑封装。例如，泵浦激光器能够直接安装到平面波导电路(PLC)上，在该平面波导电路(PLC)上设置有掺铒波导。第三，由于所提出的方法甚至可以与宽带外部反射器一起工作，所以本发明不需要专门的波长稳定光栅。本发明的一些应用包括不用长光纤引出线就能组装小型稳定的泵浦封装激光器，封装的泵浦激光二极管与PLC芯片的集成在小型封装中，以及在需要稳定外部反射器时能够直接将未封装的激光二极管贴装或耦合到PLC芯片上。

Claims (30)

1.一种半导体激光源，包括：
具有前端面和后端面的激光二极管，该激光二极管包括：
衬底；
布置在衬底上的下包层，所述下包层用第一导电类型掺杂；
布置在下包层上的有源层；
布置在有源层上的上包层，所述上包层用第二导电类型掺杂；
布置在二极管的第一外层上的至少一个电极；
布置在二极管的第二外层上的一对电极，第二外层位于与第一外层相对的二极管的一侧上，所述电极对被配置为允许将不同电流应用到成对电极的电极中的每一个；以及
反射器，其位于激光二极管外部，并且与激光二极管的前端面光通信，用于向有源区提供光反馈。
2.根据权利要求1的半导体激光源，其中在至少一个电极和电极对中的第一电极之间的有源区的第一部分被正向偏置以提供光增益，并且在至少一个电极和电极对中的第二电极之间的有源区的第二部分被反向偏置以提供光吸收。
3.根据权利要求1的半导体激光源，其中电极对中的电极被大于大约10欧姆的电阻彼此电隔离。
4.根据权利要求1的半导体激光源，其中所述激光二极管以足以泵浦掺稀土光放大器的波长来产生光能。
5.根据权利要求1的半导体激光源，其中所述有源区包括多量子阱区。
6.根据权利要求1的半导体激光源，其中所述反射器包括光学耦合到所述输出端面的布拉格光栅，用于将部分光功率反射回所述有源区。
7.根据权利要求2的半导体激光源，其中所述反射器包括光学耦合到所述输出端面的布拉格光栅，用于将部分光功率反射回所述有源区。
8.根据权利要求2的半导体激光源，其中所述有源区的第二部分被反向偏置以产生在单模激光器工作中导致自脉动的不稳定性。
9.根据权利要求2的半导体激光源，其中施加到第二电极的电流和施加到第一电极的电流的比值超过在激光二极管中产生的光压缩的相对量。
10.根据权利要求7的半导体激光源，其中施加到第二电极的电流和施加到第一电极的电流的比值超过在激光二极管中产生的光压缩的相对量。
11.根据权利要求1的半导体激光源，其中所述电极对布置在上包层上。
12.根据权利要求11的半导体激光源，其中所述至少一个电极布置在衬底上。
13.根据权利要求12的半导体激光源，其中所述至少一个电极是单个的、电连续的电极。
14.根据权利要求11的半导体激光源，其中所述第一导电型是n型并且所述第二导电型是p型。
15.根据权利要求11的半导体激光源，其中激光二极管和反射器位于共用平面光波导电路上。
16.根据权利要求15的半导体激光源，还包括形成在共用平面光电路的平面波导，将反射器耦合到激光二极管的前端面上。
17.根据权利要求16的半导体激光源，还包括形成在共用平面光波导电路上的掺稀土平面光波导，从激光二极管接收泵浦能量。
18.根据权利要求1的半导体激光源，还包括从激光二极管接收泵浦能量的稀土光放大器。
19.根据权利要求18的半导体激光源，其中所述稀土光放大器是掺稀土光纤放大器。
20.根据权利要求19的半导体激光源，其中所述掺稀土光纤放大器是掺铒光纤放大器。
21.一种操作半导体激光器的方法，所述方法包括步骤：
将第一电流施加到激光二极管的第一部分，用于在其中产生光增益；
将第二电流施加到激光二极管的第二部分，用于在其中产生光吸收，从而产生激光器工作的自脉动模式；以及
从外反射器向激光二极管提供光反馈，用于产生激光效应。
22.根据权利要求21的方法，其中所述激光二极管以足以泵浦掺稀土光放大器的波长来产生光能。
23.根据权利要求21的方法，其中所述激光二极管具有包括多量子阱区的有源区。
24.根据权利要求21的方法，其中所述外反射器包括光学耦合到激光二极管的输出端面的布拉格光栅，用于将部分光功率反射回激光二极管的有源区。
25.根据权利要求22的方法，其中所述外反射器包括光学耦合到激光二极管的输出端面的布拉格光栅，用于将部分光功率反射回激光二极管的有源区。
26.根据权利要求21的方法，其中第二电流和第一电流的比值超过在激光二极管中产生的增益压缩的相对量。
27.根据权利要求24的方法，其中第二电流和第一电流的比值超过在激光二极管中产生的增益压缩的相对量。
28.根据权利要求21的方法，还包括从激光二极管向掺稀土光放大器提供光能的步骤。
29.根据权利要求28的方法，其中所述掺稀土光放大器包括位于具有激光二极管的共用平面光波导电路上的掺稀土平面波导。
30.根据权利要求28的方法，其中所述掺稀土光放大器是掺稀土光纤放大器。
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