CN1795591A - 高smsr单向蚀刻激光器和低背反射光子器件 - Google Patents

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Abstract

通过在激光腔中形成一个或多个蚀刻间隙(78、80)增强激光器的单向性。这些间隙可以设置于激光器的任何分段中，诸如环形激光器的任何支架，或者V形激光器(60)的一个支架(62)中。与激光器耦合的光子器件远端处的布儒斯特角小面降低了进入激光腔的背反射。分布布拉格反射器在激光器的输出处用于增强激光器的边模抑制率。

Description

高SMSR单向蚀刻激光器和低背反射光子器件
相关申请的对照
本申请在35U.S.C.119(e)下要求2003年3月19日提交的美国临时申请No.60/455562的权益，其揭示内容结合在此作为参考。
发明领域
本发明一般涉及用于从蚀刻的激光腔提供单向发射并用于从光子器件提供低背反射的方法和装置，尤其涉及与激光输出耦合的光子器件。特别是，本发明涉及具有蚀刻间隙的V形激光器和三角环形激光器，以通过提供高边模抑制来控制激光输出处发射的单向性，并涉及布儒斯特角或其附近的蚀刻小面的使用，以最小化光子器件中的背反射。
发明背景
当前单体集成技术的发展已允许制造各种几何形态的激光器，包括V形激光器和三角环形激光器，如1991年9月16日的Applied Physics Letters，59，pp.1395-97中所描述的。这些发展扩展了集成半导体激光器的应用并提升了对更高制造能力和更低成本的吸引力。该技术使得有机会开发能组合在激光腔之内和之外的新型部件。
2002年8月23日提交并转让给本受让人的共同待批的美国专利申请No.10/226076“Wavelength Selectable Device”(结合在此作为参考)揭示了单体结构，其通过器件几何形态的合适选择防止来自诸如电吸附调制器(EAM)的元件的入口小面的背反射进入用作元件光源的激光腔。在这种配置中，单向发射的激光器是期望的，以便最大化进入EAM或其它这种元件的激光的耦合。
如已知的，环形腔激光器具有Fabry-Perot腔所没有的好处；例如，环形腔能产生比用Fabry-Perot腔所能获得的更高光谱纯度的激光活动。现有技术以及2001年8月1日提交的共同待批的美国专利申请No.09/918544“Curved WaveguideRing Lasers”现在的2004年1月20日出版的美国专利No.6680961(转让给本发明的受让人，且其内容结合在此作为参考)已揭示了单体三角环形激光器以及其它类型的环形激光器和它们的集成耦合。此外，现有技术中还描述了环形激光器中的单向特性。
在过去几年，主要由于因特网的普及，对带宽的需求呈爆炸式增长。传输设备公司及其供应商通过安装波分复用(WDM)系统来解决该问题，该系统允许多个波长的激光通过单股光纤传输。WDM系统中使用的激光腔的主要要求之一是激光源具有光谱纯度，结果是激光腔的多数功率必须被集中在较窄的波长范围内。激光源具有许多可能的纵模，且尽管它具有在导致最大增益的一个纵模下操作的趋势，但也部分放大某些其它模，使其生成不同波长中的光辐射并降低其光谱纯度。
1984年6月的IEEE Journal of quantum Electronics，Vol.QE-20，No.6，pp.659-670中Larry A.Coldren和T.L.Koch的“Analysis and Design ofCoupled-Cavity Lasers-Part 1：Threshold Gain Analysis and DesignGuidelines”提出了用于用驻波操作的Fabry-Perot激光腔的光谱特性改善的间隙的使用。如所描述的，在两个劈开的小面之间引入间隙以实现不同腔之间的耦合，从而根据腔和间隙的长度改善模区分。然而，由于构建精确定位的劈开小面的固有困难以及将两个劈开小面设置成彼此接近来形成间隙所涉及的容差，不能实现这些激光器的大规模制造。Larry A.Coldren等人的“Etched Mirror and Groove CoupledGaInAsP/InP Laser Devices for Integrated Optics”IEEE Journal of QuantumElectronics，Vol.QE-18，No.10，pp.1679-1688，1982年10月中呈现了蚀刻反射镜和凹槽耦合器件。但是，在反射性上不等效于劈开小面的这些蚀刻小面和这些器件的蚀刻型式没有它们的劈开对应物那样有效。美国专利4851368教授了一种方法，它允许制造蚀刻的激光器小面，其在反射性上等效于劈开小面。
发明内容
本发明涉及一种新颖的技术，用于基于在激光器中提供一个或多个蚀刻间隙获得诸如环形激光器和V形激光器中的半导体光子器件的单向性，尤其涉及这种一个或多个间隙相对于环形激光器中的输出小面或者相对于V形激光器中的支架长度的位置。此外，本发明涉及具有至少一个蚀刻间隙以增强边模抑制率(SMSR)的半导体激光器的形成；所述边模抑制率即所述激光器中主激光波长和旁瓣的功率之间的差。此外，本发明涉及使用布儒斯特角或其附近的诸如光放大器、电吸收调制器等的光子器件上形成的小面来防止这种器件中的背反射。
在本发明的较佳形式中，通过在激光腔或波导中形成至少一个气隙来增强半导体激光器的单向性，且每个间隙由分开的小面限定以提升腔中的边模抑制率。例如，通过蚀刻通过基片表面上集成地制造的脊型环或V形激光器的腔来提供间隙。可以在激光腔的任一个支架中蚀刻一个或一些间隙，并可将其蚀刻成与激光器轴线成90°，或者可以蚀刻成与该轴线成一角度。在后一种情况中，间隙可按分离对被蚀刻，其中间隙之间的波导分段被偏移以补偿蚀刻小面处的折射。在本发明的另一种形式中，当激光器输出耦合到光子器件时，通过在光子器件的远端处以布儒斯特角提供小面来最小化背反射。
附图说明
本发明的前述和其它目的、特点和优点将通过其较佳实施例的以下详细描述以及附图而变得显而易见，其中：
图1是设置成防止背反射干扰激光器运作的耦合单体结构的示意图；
图2是根据本发明的具有两个深蚀刻间隙区域的三角环形激光腔激光器的示意图；
图3说明了图2的三角环形激光器的测得的光谱；
图4是图2环形激光器的单向性特性的图示；
图5(a)到5(f)示出了根据本发明的具有蚀刻间隙的三角环形腔的基本配置；
图6(a)和6(b)示出了由(a)平角小面气隙和(b)有角度小面气隙分开的双气隙；以及
图7(a)和7(b)示出了(a)没有气隙和(b)有气隙的DBR反射器的V形腔。
具体实施方式
图1说明了具有支架12、14和16的单体、单向的三角环形激光腔10形式的光子器件，其中支架12和16在出口小面18处结合。通过提供外部反射镜20，在激光器10中获得单向性，该反射镜20将激光器中传播并在出口小面18处发射的顺时针方向的光22反射回激光器，以增强逆时针方向的光24。光24的一部分在小面18处作为光束26发射，其耦合入另一个光子器件28，诸如半导体光放大器(SOA)、电吸收调制器(EAM)等等。在所示结构中，器件28是V形EAM，它包括输出小面34处各自第一端结合的第一和第二支架30和32，其中支架30的第二端具有设置成接收发射光束26的入口小面36，且支架32的第二端在小面38处的其末端或远端处终止，其处于布儒斯特角，以使反射率最小。
如上述申请No.10/226076中所述，通过将输入小面36定位成将光束26耦合入支架30同时确保从小面36反射的任何光40都反馈不耦合至激光器10，可以减小来自诸如光子器件28的外部器件的不期望的背反射。这样，器件28相对于激光器10的几何形态最小化反馈耦合；但是，这减少了可耦合入器件28的光量。为了最大化从激光器到调制器的光耦，可使用直接耦合，其中器件28的输入小面直接影响激光器的性能，例如通过增加反射率。
根据本发明的一个方面，通过在布儒斯特角或其附近器件28的最末远端处提供小面38，最小化从诸如EAM28的光子元件到激光器的背反射。采用这种结构，耦合入器件28的光42在支架30中传播并在临界角以下击向小面34，以便发射输出光束44。光46(小面34处内部反射的光42的一部分)在支架32中传播，击向小面38，并作为光束48被发射而不是被内部反射回。这样，不作为输出光束44发送的器件28中的光将不会反射回激光器10，这将防止在激光器中产生过量啁啾。为了完整地讨论调制器小面引起的激光器啁啾，例如参见D.Marcuse的“DFB laserwith attached external intensity modulator”IEEE Journal of QuantumElectronics，Volume 26，Issue2，Pages 262-269，1990年2月。
尽管图1所述的激光器是现有技术的单向环形激光器10，但可理解，具有布儒斯特角或其附近的小面38的光子器件28可以与各种其它类型的激光器耦合。还可理解，入口小面36可以垂直入射，以直接耦合器件28到激光器。
本发明的另一个方面在图2中示出，其中至少一个间隙设置于环形激光腔60中，且其中通过改善其边模抑制率(SMSR)及其单向性，这种间隙的尺寸以及构成腔的激光腔元件的长度确定激光腔的光谱特性。在所示实施例中，环形激光腔60是三角形的，包括小面68、70和72处结合的支架62、64和66。小面68和70完全内部反射，而小面72是发射逆方向旋转的光束74和76的出口小面。在所示实施例中，两个深间隙78和80被完全蚀刻通过支架62，其中每一个都具有间隙长度LG。小面72和间隙78之间的支架62的分段长度表示为LA；间隙78和间隙80之间的支架62的分段长度表示为LT；且间隙80和小面68之间的支架62的分段长度表示为LB1。支架64和66的长度表示为LB2和LB3，所以总长度LB或者光学腔的周长为：
LB＝LA+LT+LB1+LB2+LB3+2LG
选定支架62和66之间的角度，以使输出小面72具有小于临界角的角度，且由于支架62中的间隙78和80，逆时针方向(左)的输出光束74强于顺时针方向(右)的输出光束76。可以理解，输出光束74被引导到诸如图1的EAM 28的合适光子器件。
间隙78和80的尺寸以及形成环形激光腔60的各支架元件的长度确定激光器的光谱特性。通过添加单间隙，诸如间隙78，激光腔60被分成通过空气界面耦合的两个腔。使用由中间腔部分LT分开的两个间隙78和80将激光腔分成三个腔：LA，LT以及LB1、LB2和LB3的组合，它们由间隙连续耦合。图3中说明了这种器件的光谱效率的实例。
在本发明的一种形式中，三角环形激光腔60是磷化铟(InP)基片90上制造的单体脊形波导结构，具有350μm的总长LB。按已知方式将腔适当偏置，以生成将在箭头92表示的顺时针方向上和箭头94表示的逆时针方向上传播的光。环形激光腔的支架62和66在小面72处以角度96会合，该角度96被选择成为腔中传播的光产生约12°的入射角。
为了形成来自激光腔的高边模抑制输出，以及单向性特性，在腔的至少一个支架中设置至少一个气隙。在所示实施例中，例如借助光刻法和蚀刻，将两个气隙蚀刻通过腔支架62，每个间隙约3μm宽，其中间隙由约17.5μm的腔部分LT分开。这些蚀刻间隙形成腔部分之间的干扰，这会导致激光腔中一个纵模的振荡。这形成约38dB的边模抑制率(SMSR)，如图3中的曲线100所示，图3是形成输出左光束74的逆时针方向传播的光的测量谱。蚀刻间隙导致来自腔的光的基本单向发射。如图4的图表102所示，左光束74的光的强度约是右光束76的光的强度的5倍。
激光腔的总长LB可以广泛变化并优选在约10μm和10000μm之间。此外，可以改变间隙的数量，优选在1到10个间隙之间，设置于沿环形激光腔的长度的任何位置。每个间隙的长度优选在约0.001μm和约10μm之间并延伸完全通过腔。
图5(a)到5(f)示出了具有蚀刻间隙的环形激光腔的几种可能配置的实例。在这些实例中，使用两个间隙，尽管可理解也可如上所述地提供更少或更多的间隙。图5(a)中，三角环形激光腔120结合了左手腔分段或支架126中的两个间隙122和124，图5(b)中，间隙122和124设置于激光腔120的底部腔分段或支架128中，且图5(c)中，间隙122和124设置于激光腔120的右手腔分段130中。
图5(c)到5(f)示出了使用激光器出口小面附近设置的诸如布拉格反射器(DBR)的外部光子元件的激光腔配置。图5(d)中，激光器120结合了左手分段126中的间隙122和124，并包括与臂126对准的DBR元件140，用于反射环形激光器120的出口小面140发出的顺时针方向(右)光束142。在这种情况中，DBR器件被定位用于反射入最接近间隙的臂，并增强单向性。图5(e)中，DBR器件140被定位用于反射入离蚀刻间隙最远的臂，因此与臂130对准以便反射从小面144作为光束146发射的逆时针方向的光。在这种情况下，通过这种结构增强SMSR。
图5(f)示出了一实施例，其中当间隙122和124被设置于中心臂128中时，DBR140被定位用于反射入臂126或臂130。该结构是增加的SMSR和单向性之间的折衷。
也可以提供其它配置，如通过在左和右臂两者中结合间隙，具有或没有DBR器件。
诸如图2中的78和80以及图5(a)-5(f)中的122和124的蚀刻间隙可以在它们所处的激光腔的制造期间形成，或者可以通过在腔形成前蚀刻基片或者通过在腔制成后蚀刻腔而分开制造。这种蚀刻使用常规光刻技术进行，用于定位间隙和选择它们的宽度。
如图6(a)和6(b)所示，间隙的端部由蚀刻过程在激光腔中形成的小面限定。因此，例如，在图6(a)的实施例中，通过蚀刻掉激光腔或波导154的一些部分并在间隙150的端部156和158以及间隙152的端部160和162处形成波导中的小面，制成第一和第二间隙150和152。在本发明的较佳形式中，这些小面是平面的；即相对于波导的轴线164成90°。
在图6(b)的实施例中，在间隙处形成有角度的小面，在这种情况中，将邻接波导分段偏移以补偿激光腔和气隙的界面处的光折射。在所示实施例中，两个气隙170和172设置于波导174中，这些气隙将波导分成分段176、178和180。气隙170的端部分别由分段176和178中的平行的有角度小面182和184形成，而气隙172的端部分别由分段178和189中的平行的有角度小面186和188形成。小面182和184在与小面186和188相反的方向上形成角度，且间隙之间的波导分段178的中心线偏离波导174的中心线190，以便在光贯穿小面进入气隙随后返回入波导时补偿光折射。偏移距离d与小面相对于中心线的角度有关并与气隙的长度1有关。有角度的小面增加了单向环形激光器的效率，并通过抑制激光腔中传播的行波上的反射波改善了期望的输出光束(图2中的左光束)相对于被抑制的输出光束(图2中的右光束)的强度。虽然图6(b)中示出了两个间隙，但可以理解，可以提供不同数量的间隙。此外可以理解，可以在激光器制造过程中光刻形成腔分段相对于腔中心线的偏移。
本发明的另一个实施例在图7(a)和7(b)中示出，其中相对于图1-6讨论的环形激光器由V形激光腔200代替。图7(a)的激光腔结合了基片上形成的以角度206彼此相对的和在出口小面208处相交的第一和第二支架202和204，光从出口小面208出发出。通过支架202和204的相对长度建立激光腔的单向性。DBR反射器210和212可分别设置于支架202和204的自由端处，以减少阈值电流并提供改进性能。
如图7(b)所示，通过在构成腔的相交支架222和224之一中结合至少一个气隙来增强V形激光腔220中的单向性。在该实施例中，支架222中设置了两个分开的气隙226和228，这些间隙增加了腔中的SMSR以便在输出小面230处提供改善的单向性。如图所示，该实施例还可分别在支架222和224的自由端处采用DBR反射器232和234，以改善其性能。
本发明的气隙结构用于在将环形腔或V形腔激光器耦合到另一个光子元件(诸如图1所示的EAM器件)时显著降低或防止背反射。借助于光子元件中布儒斯特角的使用(如图1中EAM远端处)，进一步减少背反射。
尽管根据较佳实施例说明了本发明，但可以理解，可以进行变型和修改而不背离所附权利要求书中阐述的其真实精神和范围。

Claims (16)

1.一种半导体激光器，其特征在于，包括：
半导体激光腔，具有至少一分段和至少一输出；
至少一个蚀刻间隙，它位于所述至少一分段中；以及
至少一个分布布拉格反射器(DBR)，它位于所述至少一个输出处。
2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光腔的总长度在约10μm和约10000μm之间。
3.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述至少一个蚀刻间隙的长度在约0.001μm和约10μm之间。
4.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，进一步包括与所述激光腔的所述至少一个输出相连的至少一个光子器件。
5.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光腔是环形激光器。
6.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，激光器是V形激光器。
7.一种半导体激光器，其特征在于，包括：
半导体激光腔，它具有至少一分段以及至少一输出；
至少一个蚀刻间隙，它位于激光腔的至少一分段中；
至少一个光子器件，它与所述激光腔的所述至少一个输出相连；以及
所述光子器件的一端处布儒斯特角或其附近的至少一个蚀刻小面。
8.如权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述激光腔的总长度在约10μm和约10000μm之间。
9.如权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述至少一个蚀刻间隙的长度在约0.001μm和约10μm之间。
10.一种半导体光子器件，其特征在于，包括：
具有至少一分段的腔；以及
所述至少一分段的一端处布儒斯特角或其附近的至少一蚀刻小面。
11.如权利要求10所述的光子器件，其特征在于，所述腔包括入口小面和出口小面。
12.如权利要求10所述的光子器件，其特征在于，所述入口小面直接耦合到另一个光子器件。
13.如权利要求10所述的光子器件，其特征在于，所述光子器件是V形结构，且其中所述至少一个分段包括第一和第二支架。
14.如权利要求13所述的光子器件，其特征在于，布儒斯特角或其附近的所述蚀刻小面位于所述V形结构的所述第一支架的端部。
15.如权利要求14所述的光子器件，其特征在于，所述第一和第二支架在相应端部处结合，以形成所述V形结构，其中出口小面位于所述第一和第二支架的接合部处。
16.如权利要求15所述的光子器件，其特征在于，进一步包括所述V形结构的所述第二支架的自由端处的入口小面。
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