CN1823456A - 在二阶或高阶分布反馈激光器中抑制空间烧孔的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种半导体激光器结构(10)，定义了具有活性层(22)的本征谐振腔，比邻所述活性层(22)的相对连接的覆层，底层(17)和电极(12)，电流通过电极注入所述半导体激光器结构(10)，使得所述激光器结构以至少表面发射的形式发射输出信号，所述本征谐振腔设置为在阻带的较长波长侧具有主导模态。用于侧向地限制光模态的例如隐藏式异质结构的结构包括在内。与所述本征谐振腔相关的二阶分布式衍射光栅(24)，所述衍射光栅(24)具有多个光栅元件(27，28)，这些光栅元件具有周期性交变的光学性质，当所述电流注入所述激光器结构所述光栅具有一定尺寸和形状以在本征谐振腔内产生反向流动的导模态，其中所述光栅的占空因子大于50％且小于90％。还提供了在本征谐振腔内用于所述反向流动导模态使相移的装置(26)，以改变模态分布来增加所述输出信号的近场强度。

Description

在二阶或高阶分布反馈激光器中抑制空间烧孔的方法和设备
技术领域
本发明涉及电信领域，尤其涉及光信号电信系统。具体而言，本发明涉及用于为这种光学电信系统产生泵谱和载波信号的激光器，如半导体二极管激光器。
背景技术
现在有很多不同的激光源可以作为电信通信的光信号源。它们包括固定的、可切换的或者可调波长的各种形式的激光器，例如法布里—泊罗(Fabry-Perot)、分布式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector，DBR)、垂直腔面发射激光管(VerticalCavity Surface Emitting Lasers，VCSEL)和分布反馈(Distributed Feedback，DFB)设计。目前在电信通信应用中最常见的信号载波源是边发射折射率耦合DFB激光器源，其在调制速度、输出功率、稳定性、噪音和边模态抑止比(side mode suppressionratio，SMSR)方面均有良好性能。此处，SMSR指DFB激光器的属性，具有不同波长的两个低门限纵向模态，激光作用发生在这两个波长上，其中一个是希望产生的，而另一个是不希望产生的。SMSR包括将不希望产生的波模态抑止到一定程度的措施，因此使更多的能量被转化为希望的波模态，同时还具有减少了在又一DWDM通道波长来自不希望产生的波模态发射功率的串扰。此外，通过选择适当的半导体材料和激光器设计，可非常容易地产生通信波长。
然而，边发射激光器作为信号源也有很多缺点。主要问题是包装激光器的体积和成本，这是由于在大多数情况下需要包含光隔离器和昂贵的光学镜头，以将光线耦合单模光纤。此外，一旦晶片被劈为条，且边镀上了抗反射镀膜，边发射激光器才能被适当地检测。这些步骤不但耗时而且会导致产量下降，因此成本很高。所有这些导致需要研究一种信号源，它更简单、生产率更高、包装成本低廉，因此总体造价低廉。同时，所希望的信号源必须能达到可接受的类似或更好的输出特性。一种可能的解决方法是表面发射DFB激光器结构。
适合作为通信信号源使用的表面发射DFB激光器包括主动增益层，该层夹在具有横向光局限结构的光学局限层中，因此具有单横向模态。此外，在光模态体积内有二阶或更高阶的分布反馈光栅。尽管可以使用高阶光栅，本文的其余部分将主要参考二阶光栅来代表最佳实施例和性能。并不是所有的高阶光栅都可以用二阶光栅来说明性能特征的。起初，边发射DFB激光器的二阶折射率光栅的使用目的在于提高对称一阶DFB激光器的光谱简并性问题。在DFB激光器中，这两个反相传播模态可建设性地和破坏性地干涉，在阻带边缘生成两个主激光模态。阻带被定义为在这两个主模态间的区域且没有其他激光模态出现。在一阶结构中，这两个模态有相同的模态增益，因此发出激光的可能性相同(假设激光器在谐振腔端对称)。对于二阶结构，这两个模态有不同的辐射损耗，因此现在具有净增益区分机制在工作。谐振腔中具有光振幅破坏性干涉的模态的辐射损耗少些，因此与第二模态相比具有较低的门限增益。
这种在对称一阶DFB激光器中避免简并性问题的手段比通常方法更好，通过将抗反射(anti-reflection，AR)镀膜在一个小平面上且高反射(high-reflection，HR)镀膜在另一个小平面上以破坏激光器的对称来完成。这是因为使用通常方式对波长进行控制很困难，因为HR镀膜面的反射能使波长略为偏移，因此使得波长输出成为一个大问题，尽管SMSR输出得到提高。
还有其他方法通过提高简并性来提高单模态输出。四分之一相移光栅可能是混合AR/HR平面镀膜最常用的替代方法，相移使得单模态位于阻带中间(位于或非常接近布拉格波长)，门限增益比在阻带边缘的两模态要低，因此是一种理想的激光模态(lasing mode)。另一种不太常用的方式是使用复式耦合光栅。复式耦合光栅是指DFB激光器的偶合系数是复数。它可以通过主动耦合(增益或损耗波纹)和/或通过使用二阶或高阶光栅完成，它与辐射场耦合，构成偶合系数的虚数部分。每种方法都有自己的优缺点。
在上述二阶DFB激光器中的辐射损耗模态选择机制适于具有差的用于耦合单模光纤的表面发射近场分布的激光模态。该适用的模态，虽然在定义上具有很少的辐射损耗，但也相应地从表面发射少量的能量。因此，仅使用二阶折射率耦合光栅DFB激光器不足以使表面发射激光器适于在光通信应用中使用。为了提高激光束的形状同时作为模态选择机制除去辐射损耗，Kinoshita建议在二阶光栅中利用四分之一波相移区域[J.-I.kinoshita，“带有相移的二阶DFB激光器的光栅耦合辐射轴向分布”IEEE量子电子杂志，卷26，pp407-412，1990.3]。如下面所述，该方法不能完全解决表面发射DFB激光器的全部问题。
在电信领域之外，在美国专利5,727,013中提供了一个表面发射DFB激光器结构的实例。该专利中，揭示了用于产生蓝/绿光的单瓣表面发射DFB激光器，其中二阶光栅在该结构的吸收层中或直接在增益层中以改变激光束。然而有趣的是，该专利并没有公开光栅是如何影响光纤耦合效果的(因为它不涉及任何电信应用)。该专利同时没有说明是什么参数控制总输出功率和光纤耦合效率的平衡或如何有效地控制该模态。最后，该专利没有公开一种适合电信波长范围的表面发射激光器。
毫无疑问，关于四分之一波相移DFB激光器的设计，人们主要关注的是空间烧孔效应。空间烧孔效应是一种在激光器谐振腔内高度地不均匀的光场所产生的非线性作用。以高的注入率，光学场密集的区域很快变得饱和，因此与激光器谐振腔其他区域相比，这些区域的载流子的密度被耗尽。由于等离子作用，本地载流子耗尽反过来导致本地折射率的改变。本地折射率改变导致降低激光器性能的非线性作用。通过相对于主模态的作用使二阶模态得到增强，最明显的症状是SMSR下降。在更为极端的操作条件下，可能会出现模态跳换。
空间烧孔效应在使用二阶光栅的边发射和表面发射的激光器中所起作用不同。在边发射激光器中，通过设计使耦合系数保持相对低些，否则从边的发射效率就低。由于在整个谐振腔中光学场密度保持相当一致，低耦合系数依次减轻了烧孔。相反，对于表面发射激光器来说，所希望的是集中的单瓣光学场，以达到与单模态光纤最佳耦合。尽管可以通过不同的设计获得，最简单的是加入四分之一波相移。理想的理论性能也要求高耦合系数以提高表面发射效率和在此相移更紧密地浓缩该场。通过在一个地方高度地浓缩该光学场，对空间烧孔而言该最佳表面发射设计同时也是最糟糕的设计。因此早期在表面发射DFB激光器研究中，人们认识到为了耦合和强度的目的从表面最大化光学场浓度的要求和为了空间烧孔的原因最小化该浓度之间的内在矛盾。从上面的考虑可以看到空间烧孔效应的控制在设计应用四分之一波相移的用以控制光模态和场分布的表面发射DFB激光器极为重要。
有两个专利试图减小烧孔效应，它们是美国专利4,958,357和5,970,081。第一个专利中，预示使用复杂电极几何形状以使更强的电流注入易受烧孔影响的区域。这种解决方法最多只是从性能上说有部分作用，而在制造和部署上更为复杂，导致更高的成本。此外，该专利是基于折射率耦合光栅的，没有说明其他因素在减轻烧孔效应时有巨大作用。第二个专利中，它也是基于折射率耦合光栅的，通过在较大的区域(定义为比一个光栅周期大)分布相移来减轻烧孔，以减少峰值光学场密度。这种方法虽然可行，却产生较少的较佳区域分布，还需要复杂的制造过程。它也没有给出具有其他减轻因素的启示。在这两个专利中，没有认识到和理解具有其他重要的减轻因素能够导致不一致、高成本和不可接受的结果。因此这些专利的教导在商业上不可行。
就单模工作而言，制造带有复杂光栅的四分之一波相移的激光器是毫无意义的。它自己本身的四分之一波相移足以适当地控制该模态。然而，为了提高DFB激光器的FM响应，Okai首先提出了在四分之一波相移DFB激光器中使用一阶复杂耦合光栅的想法[M.Okai，M.Suzuki和M.aoki，“具有平坦FM响应的复杂耦合λ/4相移DFB激光器”IEEE杂志量子电子学选题，Vol..1，pp.461-465，1995年6月]。在同相复杂光栅中，耦合系数的实部和虚部是同样的信号，同相复杂光栅通常被具体化为增益耦合光栅。反相复杂光栅是信号相反的光栅，最常见的实例是损耗耦合光栅。除了按照预想提高FM响应，Okai还提示了，在反相复杂光栅加强烧孔并降低激光器性能的同时，同相一阶复杂光栅能抑制空间烧孔效应。
所希望的是表面发射激光器结构，其可提供有用数量的输出功率且没有有害的空间烧孔问题或者与现有相移技术相关的复杂的和部分解决方案。同时还希望一种结构，它具有低间歇噪音同时对背反射光反应迟钝。
发明内容
本发明涉及在一阶四分之一波相移DFB激光器中抑制空间烧孔效应的理论和物理学。在对物理学的正确理解的基础上，表明增益耦合、二阶、四分之一波相移且具有适当的占空因子的光栅构成表面发射激光器，其具有卓越的光模态和光谱性质，同时实际上不受空间烧孔的影响。依据本发明的激光器设计减少了种种设计用于减小空间烧孔方法的需要，这些方法通常很复杂。同时还提供了依据本发明的增益耦合、相移和二阶光栅激光器的实验结果，以说明本发明的性能。
本发明的一个方面表明，在不使用复杂的多电极注入技术或难度很大的相移方法的情况下，通过明智的占空因子的选择，仍有可能大大减小具有四分之一波相移区域的二阶DFB激光器的引入空间烧孔的多模态操作的发生。该可能性源于二阶光栅本质上是复杂耦合光栅，通过复杂耦合光栅有可能大大降低空间烧孔效应。
以往就有人建议使用四分之一波相移和二阶光栅，但没有说明结果。迄今为止，光栅的占空因子，即光栅齿宽与光栅周期之比，不再被认为是重要的设计参数。依据本发明，这是因为直到目前为止，人们对直接影响空间烧孔的设计因素仍不能完全认识和理解。依据本发明，在占空因子的特定范围内，空间烧孔的有害效果——限制激光器的工作电流和输出功率——通过适当的设计选择自然地被减轻。进一步，依据本发明，这种作用能被添加性地与增益耦合光栅设计结合以使激光器实际不受烧孔的影响。因此依据本发明的激光器设计具有四分之一波相移(即优良的单模态作业和用于光纤耦合的优良的表面发射光模态形状)的优点而没有由空间烧孔引起的典型的有害作用。同时，该设计固有的低间歇噪音和对背反射光反应高度迟钝。
在本发明的一方面示例了，既然二阶光栅固有地为复杂光栅，就有可能通过明智的光栅的占空因子的选择来减小或避免空间烧孔。因此，只要二阶光栅的占空因子的选择适当，甚至是反射率耦合设计，同样能够表现出提高的空间烧孔抵制能力。此外，当与增益耦合光栅一起使用以获得对空间烧孔反应的极度迟钝时，通过仔细选择占空因子获得的改善还可带来附加的效果。相反地，依据本发明，四分之一波相移损耗耦合光栅性能低下，由于有必要达到有用的光学场分布的占空因子，损耗耦合设计固有的增强空间烧孔使得情况更糟。
本发明的一个目的是提供一种表面发射激光器结构，它既能适合用在电信应用又可避免或减少与现有技术设计相联系的空间烧孔问题。本发明的一个目的是提供一种低成本光学信号源，它能够产生适合使用的在光学宽带电信信号范围内的信号。最好这种信号源是表面发射半导体激光器的形式，它能使用传统半导体制造技术制成而且比现有技术的生产量更高。因此，本发明的一个目的是以比上述所引用的现有技术更低的成本产生信号源。
本发明的另一个目的是，对于宽带通信应用来说，这样的信号源具有足够的功率、波长稳定、精确，且不会遇到由空间烧孔导致的不实际的限制。更具体地，所需要的是一种激光器结构，模态形状优化以允许光纤耦合，而且它可以使用半导体领域的传统平板印刷和材料技术制造。因此，所希望的是一种表面发射激光器，它包括一种改进空间烧孔的装置以使从激光器输出的实际功率得到提高。进一步，这种设备应该显示出很小的间歇噪音，使信号得以传输和操作，而且没有不可接受的脉冲加宽。进一步，该设备应该对背反射光很迟钝，允许设备作为通信信号源工作且不需要使用光隔离器来维持稳定性能。
还希望一种半导体激光器信号源，它具有易于且高效地与单模态光纤耦合的信号输出。这样的设备最好还应该在单晶片上以阵列形式制造，而且可与如信号吸收邻接区域和光电探测器的邻近结构同时形成或制造。
本发明的进一步特征涉及制造效率。信号源阵列数目越大，低次品生产率的要求就越高。因此，如果每个源的生产率为98％，生产一个40个信号源的阵列的生产率仅为45％。因此，对于成本效率高的阵列生产而言，提高生产率非常重要。
本发明的另外一个方面是阵列的每个激光器源可被制造为可以在相同或不同的波长工作，最好是在电信通信信号波段范围内的波长。此外，这种设备可具有内置探测器，与外部反馈电路连接，用于信号监视和信号保持。
附图说明
本发明的优选实施例将结合附图以实例说明，其中：
图1是依据本发明在增益介质中形成的具有四分之一波相移二阶光栅的表面发射半导体激光器的一个实施例的侧视图；
图2是图1的实施例的端视图；
图3是各种激光结构的模谱的图表；
图4a是占空因子大于50％的模谱的图表；
图4b是占空因子小于50％的模谱的图表；
图5是kL＝2的折射率耦合光栅的模谱的图表；
图6是kL＝2的增益耦合光栅的模谱的图表；
图7是kL＝2的损耗耦合光栅的模谱的图表；
图8是kL＝3的折射率耦合光栅的模谱的图表；
图9是kL＝3的损耗耦合光栅的模谱的图表；
图10是kL＝3的增益耦合光栅的模谱的图表；
图11是kL＝4的折射率耦合光栅的模谱的图表；
图12是kL＝4的增益耦合光栅的模谱的图表；
图13是依据本发明的激光器的功率对注入电流的示意图；
图14是依据本发明的激光器电流刚好高于门限电流时的光谱的图表；
图15是依据本发明的激光器电流远远高于门限电流时的光谱的图表。
具体实施方式
图1是依据本发明的表面发射半导体激光器结构10的一个实施例的侧视图，图2是该同一结构的端视图。激光器结构10由许多使用标准半导体制造技术的层一个在另一个之上层叠而成。使人非常高兴的是，本发明使用这种已知的半导体制造技术意味着本发明可大量高效制造而不需要任何新的制造技术。
在本公开说明书中，以下术语具有如下的意思。半导体的p区是掺杂电子接受者的区域，其中空穴(价带中的空位)是主载流子。半导体的n区是掺杂电子的区域，它具有过量的电子，作为载流子。输出信号指由本发明的半导体激光器产生的任何光学信号。模态体积是指在该体积内存在大量光模，即，光(信号)强度很大。例如，模态体积能够以80％的光模能量定界。为了公开的目的，分布式衍射光栅是这样一种光栅，该光栅与激光谐振腔的主动增益长度或者吸收长度结合，以使来自光栅的反馈引起干涉作用，该干涉作用只允许在一定波长的振动或者激光作用，其干涉得到加强。
本发明的衍射光栅由光栅或栅格元件组成，光栅或栅格元件能产生交变的光学性能，最好能改变增益或/和折射率效果。两个相邻的光栅元件定义为一个光栅周期。交变增益效果是相邻光栅元件上的增益不同，一个具有相对较高的增益效果而另一个具有相对较低的增益效果。本发明包括，相对较低的增益效果可能很小且是正增益值或者可能没有实际增益。因此，假设两相邻光栅元件间的增益作用和折射率的相对差已经足够引起仅在一定波长的激光干涉作用，本发明包括光栅元件任何增益效果的绝对值。本发明包括任何可建立前面所述交变增益效果的光栅，包括在活性区中的增益耦合光栅。
依据本发明的衍射光栅的全部效果可被定义为限制激光振动为两个纵向模态中的一个，该纵向模态可被称为单模输出信号。依据本发明，可使用各种技术进一步设计激光器以使模态分布能有效地与光纤耦合。
如图1所示，激光器结构10的两个外层12和14是电极。该电极的目的是能够把电流注入激光器结构10中。注意，电极12包括开口16。开口16可使光学输出信号从激光器结构10中向外穿出，在下面将作详细描述。尽管图示有开口，本发明包括使用连续电极，相同部分制成透明的，至少部分是透明的，以使产生的光信号穿出激光器结构10。由于易于制造且成本低，具有开口16的简单金属电极能够提供合理的结果且广受欢迎。光线输出开口窗可位于电极14上(n侧开口)。在后一种情况中，在本发明精神的范围内，为了能够更好的光输出，除去衬底的一部分也是可行的。
毗邻电极14的是n+InP衬底，或晶片17。毗邻衬底17的是缓冲层18，其最好由n-InP组成。接下来的一层是由n-InGaAsP构成的限制层20。本层和其他四元层的一般组成的形式为InxGa1-xAsyP1-y而三元层的一般组成为In1-xGaxAs。接下来的一层是活性层22，它由活性量子阱和障壁(barrier)交替薄层构成，两者都是由InGaAsP或InGaAs构成。本领域的技术人员知道InGaAsP或InGaAs是优选的半导体，这是因为这些半导体在一定组成范围内能够在1200nm至1700nm或更高的范围内表现出光学增益，这个范围包括了1300nm(1270-1320nm)的波段、S波段(1470-1520nm)、C波段(1525-1565nm)和L波段(1568-1610nm)的宽带光谱。倘若产生的输出信号落入宽带范围，其他半导体材料，如GaInNAs，InGaAIAs也包括在本发明中。对于使用适宜的材料组成(如InGaAs/GaAs)依照本发明设计的设备的电信重要性的又一相关波长范围是从910nm至990nm的区域，它与最常碰到的泵谱光学放大器和基于Er、Yb或Yb/Er掺杂材料的光纤激光器的波长范围相对。
在活性层22上的一层是p-InGaAsP限制层34。
在图1的实施例中，衍射光栅24在活性层22和限制层34中形成。光栅24由高增益部分27和低增益部分28交替而成。优选地，光栅24为普通光栅，即具有常数周期穿过光栅，在激光器10中具有固定的大小、形状和位置以组成上面所述的分布式衍射光栅。这种情况下，光栅24的周期定义为高增益部分27的长度32和相邻低增益部分28的长度30之和。与高增益部分27相比，低增益部分28表现出低增益或无增益，这是因为该区域中大部分或所有活性结构已被移除。依据本发明，光栅24是一个二阶光栅，即，具有在以表面发射的形式输出信号的谐振腔内的引导波长相同的周期。
位于光栅24中心的是用于相移的装置，它包括稍微有点宽的高增益“齿”26。齿26的尺寸和形状应能够发出四分之一波的相移。本领域技术人员应该了解本发明包括其他相移元件。所需要的是为光栅提供足够的相移以改变附近区域强度分布，把主导模态从双峰设置转变为单峰设置，峰通常位于相移上。这种模态分布比双瓣分布能更有效地与单模光纤耦合。因此，倘若改变模态分布以提高耦合率，相移量和影响相移的方式可在不偏离本发明主旨的情况下进行各种改变。
例如，可使用多个相移产生完全四分之一波移，如两个λ/8，或两个3λ/8，或包括其他组合。同时连续产生间歇噪音的光栅或调制节距光栅(pitch grating)也包含在内，尽管它们制造起来很困难。逐渐减小波导折射率是在谐振腔内分布相移的另外一种方法。很重要，需注意的是尽管可以使用其他相移的方法，它们必须被严格设计，在阻带较长波长侧的本征谐振腔(intrinsic cavity)具有主导模态并且在长轴方向保持希望的模态形状。
在活性层22和限制层34上的一层是InP，埋在和填充在光栅35中。位于光栅埋层(grating burying layer)35上是p-InP缓冲区36。位于层36上的是p-InP覆层40，它依次在P++-InGaAs盖层42上。
本领域技术人员应该明白，按如上描述配置的层制成的半导体激光器能够被调整产生预定波长的输出信号，如从写在活性层的衍射光栅来的分布反馈致使激光器成为单模态激光器一样。输出信号的精确波长是许多变量的函数，这些变量依次相互关联和与激光器结构的其他变量以复杂方式关联。例如，一些影响输出信号波长的变量包括光栅周期、活性层折射率、限制、覆层(其中一些依次随温度和注入电流而变化)、活性区域的组成成分(影响层应变、增益波长和折射率)和上述各层的厚度。另外一个重要变量是通过电极注入该结构的电流量。因此，依据本发明，通过操作这些变量，激光器结构可制成具有预定和高精确度的输出波长的输出。这样的激光器在需要用于各自通道的信源或组成DWDM光谱的信号元件的通信工业是有用的。因此，本发明包括层厚度、增益周期、注入电流等等的各种各样的组合，这些组合产生具有适用于电信应用的功率、波长和带宽的输出信号。
然而，仅仅获得希望的波长和带宽是不够的。本发明解决的一个更为困难的问题是从二阶光栅(因此，作为表面发射)产生所希望的精确的波长，以此方式它可被有效地耦合，例如与光纤耦合。输出信号的空间特性对耦合效率影响很大，理想形状是单模态单瓣高斯曲线。对于表面发射半导体激光器而言，两个主模态包括一个发散的双瓣模态和一个单瓣模态。前者很难与大多电信应用中必需的单模态光纤耦合，这是因为光纤只有一个单高斯模态。
术语占空因子(duty cycle)是指一个表现为高增益的光栅周期长度与光栅周期相比的分数。以更简单的术语解释，占空因子定义为光栅24周期中表现为高增益的部分。如图1所示，在增益耦合激光器中通过蚀刻掉活性层的部分来控制占空因子这个参数，剩下的活性层部分就是占空因子。
图1中，现在可以明白二阶分布衍射光栅通过蚀刻增益媒介刻写以形成光栅24。仅一个模态(增益门限最低的模态)会发出激光，产生良好的SMSR。本发明包括所希望的激光模态是单瓣的且近似高斯分布。以此方式，由于功率或信号强度的分布促进输出信号耦合至光纤，激光模态能够更容易地耦合至光纤。相移二阶主动耦合光栅具有三个可激光的模态，与单瓣模态且低增益门限的主模态相比，其中两个模态具有高增益门限和与单模态光纤的低耦合效率。主模态在相移位置具有一个峰，依据本发明，该峰在用于优化耦合至光纤的激光器结构的中点。
转向图2，所示为图1激光器结构的侧视图。如图2所示，电极12和14允许电压加在穿过半导体激光器结构10以激发如上所描述的发激光，如前所述。进一步，可以看出，由阻隔层38所包的波导构成的掩埋的异质结结构用于把光模态侧向地限制在电流注入流过的区域。除少部分区域在隐藏式异质结构上，绝缘层44设在电极12和盖层42之间。绝缘层的设置以一种已知方式限制电流注入到靠近隐藏式异质结构的位置。尽管在本实施例中示例了隐藏式异质结构，但是它包括一种近似结构，这种近似结构可以使用脊形波导设计侧向地限制载流子和光学场来制造。
在一阶四分之一波相移光栅中的空间烧孔
理解占空因子在四分之一波相移增益光栅中在抑制空间烧孔的作用可能与在使用复杂光栅的一阶四分之一波相移DFB激光器中抑制空间烧孔的理论和物理学有关。在这样的DFB激光器结构中，光学场在谐振腔中心在相移处达到峰值。因此，在此区域中激励发射率(例如，激励载流子复合)最高。增加注入电流，因此来激励更多发射，在高场区域谐振腔的中心耗尽载流子。由于等离子作用(随着载流子浓度减少折射率增加)在高场区域的折射率增加，使得谐振腔内的折射率不再一致。由于该折射率的改变也改变了光学场的相位(使中心四分之一波相移大些)，因此在阻带较短波长一侧的模态与阻带中心的主模态竞争。四分之一波相移激光器的主模态和两个主导侧模态在图3中由轨迹A图示。在图3中，除了A所示的四分之一波相移光栅的模态光谱外，B还图示了对称折射率耦合光栅的本征模态光谱，C还包括了带有烧孔效应的对称折射率耦合光栅的本征模态光谱，D为对称同相(增益耦合)光栅的本征模态光谱，E为对称反相(损耗耦合)光栅的本征模态光谱。注意，在具有图3的B-E中所示的光谱的DFB激光器中没有相移区域。
用这种方式设计带有四分之一波相移的谐振腔以抑制空间烧孔效应，定义本征谐振腔这个概念是有用的。本征谐振腔意思是指从该光栅移除四分之一波相移而获得的谐振腔。本征谐振腔的模态光谱在相应的四分之一波相移的激光器中起着重要的作用。为了在四分之一波相移DFB激光器中减小空间烧孔，相应本征谐振腔的主导模态应该在阻带的边上，平衡由于空间烧孔与主模态竞争的模态。换而言之，相应本征谐振腔的主导模态为实际情况的利益应该在阻带较长波长的一侧。该模态随后抑制阻带较短波长侧的模态，不允许它与位于阻带中心的主模态竞争。应该注意，在传统具有一阶折射率光栅的四分之一波相移DFB激光器中，在阻带较短波长一侧的模态与主模态竞争。图3对比了有和没有烧孔效应的一阶折射率耦合光栅的模态光谱，同相主动光栅，和反相主动光栅。从图中清楚示出了，如果将它们用在四分之一波相移结构中，同相(增益耦合)光栅抑制空间烧孔效应。相反地，反相(损耗耦合)和折射率耦合光栅在四分之一波相移设计中增强了空间烧孔效应，这是因为本征谐振腔的主导模态位于阻带较短的波长一侧，因此降低了相应四分之一波相移激光器的性能。
基于上面的在一阶四分之一波相移激光器中抑制/增加空间烧孔的物理图，本发明包含下列结果。
(1)在带有一阶折射率光栅的四分之一波相移DFB激光器中，既不希望有抑制也不希望有增强空间烧孔的机制。
(2)在带有一阶折射率光栅的四分之一波相移DFB激光器中，相应的本征谐振腔支持在阻带较长侧的模态。因此，在相应的四分之一波相移光栅中会有一些对空间烧孔的抑制。
(3)在具有一阶损耗光栅的四分之一波相移DFB激光器中，相应的本征谐振腔支持在该阻带较短侧的模态。因此，在加强了空间烧孔并因此降低了相应的四分之一波相移光栅的性能。
在二阶光栅中抑制空间烧孔效应
现在我们考虑实现二阶光栅。原则上，下面描述的效果能够用于高阶光栅，但由于实际和描述的原因，我们把讨论限于二阶光栅。二阶光栅引入了辐射场(和因此表面发射)和复杂耦合系数，其能够被用到空间烧孔问题。在重要发展中，我们此处表明二阶光栅的占空因子能够用于作为控制空间烧孔的手段。如介绍中所作的描述，我们必须认识到二阶光栅为复杂耦合结构。当采用这种革新方式时，我们考虑了光栅占空因子对空间烧孔的作用，这里占空因子定义为光栅齿宽和光栅周期的比值。使用第一次在前边描述的考虑本征谐振腔的方法，我们可计算图4所示二阶、四分之一波相移、折射率耦合、增益耦合、损耗耦合的光栅占空因子大于和小于50％时的模态光谱。因此，图4的模态光谱如下：占空因子＞50％时折射率耦合(A)、增益耦合(B)和损耗耦合(C)的光栅和占空因子＜50％时折射率耦合(D)、增益耦合(E)和损耗耦合(F)的光栅。
从图4，我们看到在具有占空因子小于50％的二阶光栅的四分之一波相移DFB激光器中，本征谐振腔在阻带较短波长侧具有主导模态，因此相应的四分之一波相移激光器受加强的空间烧孔的影响。对于三种耦合形式来说这或多或少都是正确的。另一方面，占空因子大于50％时，可能除了损耗光栅，本征谐振腔的主导模态将在阻带较长波长的一侧，因此在相应的四分之一波相移激光器中导致对空间烧孔的抑制作用。
在具有二阶增益耦合光栅的四分之一波相移DFB激光器中，占空因子小于50％时，在室温下激光器谐振腔可能没有足够的增益发射激光。甚至在高水平增益或较长的谐振腔时，由于增益微扰的耦合系数和由于辐射场的耦合系数趋向于彼此抵消，光栅甚至可能会变成反相，就空间烧孔而言这是非常有害的。为了避免高物质增益需求和获得具有高耦合系数的适当的近场辐射模式，最好使用蚀刻入活性区间(增益耦合)的四分之一波相移光栅且占空因子大于50％。对于这种激光器而言，由于本征谐振腔将在阻带较长波长侧发射激光[D.M.Adams，I.Woods，J.K.White，R.Finally和D.Goodchild，“具有截去量子阱二阶光栅的增益耦合DFB激光器”vol.37，no.25，pp.1521-1522，2001年12月]且由于辐射场的耦合系数增强了增益耦合系数，在相应四分之一波相移装置中的空间烧孔被高度抑制。这意味着离散四分之一波相移能制成实际的表面发射装置，不需要采用极端措施如复杂电极或通过在很大的区域分布相移来退化光学空间分布。这对于占空因子大于50％的增益耦合装置来说千真万确，对于相似占空因子的折射率耦合装置来说效果会有所减弱但仍然有效。
循着同一条原因线索，我们发现空间烧孔在具有损耗耦合光栅的四分之一波相移二阶DFB激光器中相当强烈。这种情况下，因为占空因子必须小于50％以避免高物质增益需求，占空因子大于50％高谐振腔损耗必须遵循这种高物质增益需求。接下来，空间烧孔和本征谐振腔都喜欢阻带较短波长一侧的模态，导致增强而不是抑制空间烧孔。
线宽考虑
通过结合占空因子大于50％的二阶增益耦合光栅，对空间烧孔效应的极端抑制允许耦合系数相当高，且不会伴随通常的性能下降。除了集中光学场外，增加的耦合系数还有其他的有益作用。增加的折射率耦合系数减小激光器的门限，只需要更少的增益就可驱动激光器。因此，更少的自发发射与激光器模态耦合，这是减小线宽的一种手段。当使用直接调制传输源传送信息时，线宽的减少对减少间歇噪音和加大仪器覆盖范围是有帮助的。最后，由于当耦合系数大时边缘的场强度很低所以镜损耗变小。这导致与不同纵向模态耦合的自发发射变得相关性更弱，进一步减小激光器的线宽[P.Szczepanki和A.Kujawski，“分布反馈激光器的纵向特征模的非正交性”光学通信，vol.87 pp.259-262，1992]。
数字结果
为了支持以上模态，同相或反相光栅在四分之一波相移激光器空间烧孔的效果使用数字实例计算。
首先，考虑折射率耦合，具有调制标准化耦合系数为kL＝2的四分之一波相移DFB激光器。注意这里k是由折射率调制引起的耦合系数，L是激光器谐振腔的长度。注意，该耦合系数将被认为相对高以至可能成为边发射设备的潜在问题。该激光器甚至在如图5所示的100mA的基本水平时表现良好。引入10％的增益或损耗耦合系数(分别为同相和反相)仍然能使激光器保持在单模态状态，分别如图6和7所示。但是，引入增益耦合系数提高了光谱纯度(图6)反之引入损耗耦合系数(图7)使激光器更容易空间烧孔。较短波侧模态的强度相对增加说明了这一点。
在第二个实例中，我们把标准耦合系数增加到kL＝3。基准电流仍然是100mA。在此电流注入水平，激光器是单模态，如图8所示。然而，很有趣能注意到效果显著的边模态——尤其是在较短波长侧。通过引入10％的损耗耦合(反相光栅)激光器进入多模态工作，如图9所示。因此，空间烧孔导致严重的性能降低。另一方面，引入10％的增益耦合(同相光栅)减小在阻带较短波长侧的模态的相对强度，因此空间烧孔效应得到高度抑制，如图10所示。
最后，我们考虑具有强耦合系数kL＝4的激光器。如图11所示，在100mA注入电流下折射率耦合激光器进入多模态工作。我们早就说明kL＝3的损耗耦合有问题，所以此处不再考虑这种情况。但是通过使用同相增益光栅激光器包含进10％增益耦合，激光器工作在单模态状态，如图12所示。因此对于具有离散四分之一波相移和大于50％占空因子的优选配置的二阶增益耦合光栅而言，即使是非常强耦合的激光器，伴随有较低门限电流，为光纤耦合提高了光模态、线宽变窄、优化表面发射效果，仍可在不受空间烧孔损害的情况下工作。
实验结果
具有二阶增益耦合光栅和大于75％占空因子的四分之一波相移DFB激光器中的抑制空间烧孔通过实验得到验证。在典型装置中，占空因子为75％，图13所示的LI曲线表明门限电流约为20mA。在25mA基准电流下的激光器光谱如图14所示。从阻带开始，该装置的标准耦合系数为kL＞4。对于这样高的耦合系数而言，在基准不偏离门限电流很多的情况下，可以期望典型DFB光栅结构多模态工作。但是，如图15所示，即使是在基准电流150mA的情况下，这是门限电流的7倍还多，激光器在侧模态抑制接近60dB仍然保持单模态工作。这清楚地说明该设计的强空间烧孔抑制。
背反射迟钝
二阶表面发射DFB激光器设计的另外一个重要优点就是由于从谐振腔中出来的辐射的耦合本性，在光路中的反射不会导致外部谐振腔的建立，外部谐振腔会与内部谐振腔竞争并使内部谐振腔不稳定。结果是激光器对背反射较所有传统设计，包括边发射DFB、外部谐振腔和VCSEL激光器都更稳定。这个特点在中距离和较远距离(一般超过40km)的电信通信应用中尤为重要，在中距离和较远距离的电信通信应用中通常使用光隔离器以防止与背反射有关的性能下降。
优选实施例
上述设计考虑可在许多材料系统中使用。对于电信通信应用而言，优选的材料系统是InGaAsP/InP和AllnGaAs/InP，这是因为它们现在是生产波长范围在1.25-1.65μm的激光器的主要材料系统。然而，基于氮化物的新材料系统正在开发中，而且也适用于电信通信应用。
优选实施例使用具有5-10个量子阱的多量子阱结构来在期望的波长波段提供增益。DFB光栅最好使用干法蚀刻过程来生产方形、占空因子(定义为在光栅结构中没有蚀刻的相对长度)大于50％且小于90％最好在60-70％范围内的光栅。这平衡了为高反馈提供强耦合系数和具有高辐射耦合系数的场浓度。注意如果占空因子下降到50％，辐射耦合很高但耦合系数降至0。随着占空因子的增加，耦合系数在占空因子75％时达到最大值，然后在占空因子为100％降至0，而辐射耦合在占空因子为100％时单调地降至0。因此，如上所述，优选范围是低于75％在64％的范围，此时对于反馈和本地光学模来说耦合相对地强，而且同时辐射耦合也没有强烈地下降。光栅深度的选择应该使标准耦合系数kL在3-7之间，最好是在4.5-5.5之间。这些高数值最小化了从设备边的功率发射，最小化了线宽，最大化了FM响应，最小化了直接调制的间歇噪音。
如果光栅是湿法蚀刻的——通常产生三角形(或可能是梯形的)的光栅，尽管不能非常有效，光栅的性能还是令人刮目相看的。在此例子中，占空因子(此处定义为光栅最宽部分没有蚀刻的部分长度)一定要小一些，一般是40-60％，以优化相关耦合系数。
该装置可通过典型脊形波导(ridge waveguide，RWG)结构或隐藏式异质结构(buried heterojunction，BH)构造。前者易于制造，但结很难于热控制，使得在未冷却的应用中性能下降。还值得注意的是，对于RWG结构而言，由于在电极上开足够长的洞向脊里注入电流会使性能降低，表面发射最好从设备的n侧或衬底进行。相反，我们示例了，尽管在BH结构上开250μm的开口，以允许光从p侧上表面发出，电流注入还是可以很好的保持。从光学的观点来看，两种情况都很容易操作。
为了达到最佳热性能，优选BH结构。进一步，在构造BH结构中，最好使用半绝缘材料而不是可逆流的p-n结来形成电流阻碍结构。前一种情况允许使用加强热管理，同时减少导致高速应用性能下降的寄生电容。
本发明的另一个优点现在可以理解了。本发明包括一种制造方法，既不需要在晶片上劈开独立元件，也不需要在开始功能测试激光器结构之前完成激光器结构的端封装。例如，参照图1，当结构建好仍处于晶片形式时，结构10中形成电极12和14。当在晶片上时，每个结构10都可以通过晶片上的电极的适当的模式和沉积与相邻结构电隔绝，在光栅间的连接区域形成高阻区，如上记录的那样。因此，每个结构的电特性均可在任何封装之前在晶片上测试，仅通过向晶片上的每个光栅结构注入电流。因此，在封装步骤前(甚至劈片前)有缺陷的结构可被抛弃或丢弃，这意味着依据本发明的激光器结构的生产更为高效，因此比现有技术花费更低，现有技术中的封装不但复杂且必须在测试前完成。因此，现有技术中必须的对不起作用的或纯粹故障的激光器结构的劈片、端封步骤本发明中完全除去了。
欢迎本领域的技术人员在不偏离所附范围很宽的权利要求的主旨下参考优选实施例对本发明进行各种修改和变换。一些变更已在上面进行了讨论，一些则是对本领域的技术人员而言显而易见的。例如，虽然表明了本发明半导体激光器的结构的各层的优选结构，也可以使用其他能产生可接受的结果的结构。这些结构也许是折射率耦合，也许是增益耦合，或者两者都是。相信重要的是在阻带较长波长侧有具有主导模态的本征谐振腔。

Claims (30)

1.一种表面发射半导体激光器包括：
半导体激光器结构，定义了具有活性层的本征谐振腔，邻近所述活性层的相对连接的覆层，衬底和电极，电流通过电极注入所述半导体激光器结构以使所述激光器结构以至少表面发射的形式发射输出信号，所述本征谐振腔被配置为在阻带的较长波长侧具有主导模态；
侧向地限制光模态的装置；
与所述本征谐振腔相关的二阶分布式衍射光栅，所述衍射光栅具有多个光栅元件，这些光栅元件具有周期性交变的光学性质，当所述电流注入具有一定尺寸和形状以在本征谐振腔内产生反向流动的导模态的所述激光器结构所述光栅时，其中所述光栅的占空因子大于50％且小于90％；和
用于在本征谐振腔内转移所述反向流动导模态的相位以改变模态分布和所述输出信号的辐射强度的装置。
2.如权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中，所述交变的光学性质包含交变的折射率和交变的活性层增益。
3.如权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中，所述交变的光学性质包含交变的折射率。
4.如权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中，所述占空因子在50％和90％之间。
5.如权利要求4所述的表面发射半导体激光器，其中，所述占空因子在60％和67％之间。
6.如权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中，所述阻带的中心波长在1.25微米到1.65微米的范围内。
7.如权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中，所述谐振腔包含具有5到10个量子阱的多量子阱结构。
8.如权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中，所述光栅为方形干法蚀刻的光栅。
9.如权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中，所述光栅深度使得标准耦合系数在3和7之间。
10.如权利要求7所述的表面发射半导体激光器，其中，所述光栅深度使得标准耦合系数在4.5和5.5之间。
11.如权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中，所述分布式衍射光栅为光学活性且在活性层的增益介质中形成。
12.如权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中，所述结构进一步包括邻近区域，它在平面上至少部分包围所述光栅。
13.如权利要求12所述的表面发射半导体激光器，其中，所述邻近区域进一步包括完整地形成的吸收区域，该区域位于所述分布式衍射光栅的任意一端。
14.如权利要求12所述的表面发射半导体激光器，进一步包括具有光电探测器的邻近区域。
15.如权利要求14所述的表面发射半导体激光器，其中，所述光电探测器与所述激光结构完全地形成在一起。
16.如权利要求14所述的表面发射半导体激光器，进一步包括与所述光电探测器连接的反馈回路，以将期望的输出信号和测试到的输出信号进行比较。
17.如权利要求16所述的表面发射半导体激光器，进一步包括调节器，用于调节输入电流，以使所述输出信号保持期望特性。
18.如权利要求12所述的表面发射半导体激光器，其中，所述邻近区域从当所述激光器使用时具有能够足够电隔绝所述光栅的阻抗的材料而形成。
19.如权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中，其中，所述电极之一包括信号发射开口。
20.如权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中，用于侧向地限制光模态的所述装置由脊形波导结构构成。
21.如权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中，用于侧向地限制光模态的所述装置由隐藏式异质结构构成。
22.如权利要求1所述的表面发射半导体激光器的阵列，其中，所述阵列包括在同一衬底上两个或两个以上的所述激光器。
23.如权利要求22所述的表面发射半导体激光器的阵列，其中，每一个所述两个或两个以上的所述激光器产生具有不同波长和输出功率的输出信号，而且能够被单独调制。
24.如权利要求22所述的表面发射半导体激光器的阵列，其中，每一个所述两个或两个以上的所述激光器产生具有相同波长的输出信号。
25.一种制造表面发射半导体激光器的方法，所述方法包括如下步骤：
构成多个半导体激光器结构，在同一晶片衬底上通过以连续的层形成而定义出许多本征激光谐振腔；
在所述晶片衬底上，第一覆层，活性层和第二覆层；
形成多个二阶分布式衍射光栅，以定义所述本征谐振腔，其中所述本征谐振腔在阻带的较长波长侧具有主导模态；
在所述光栅上形成相移器，以改变所述半导体激光器的输出信号的模态分布，所述光栅的占空因子大于50％且小于90％；
形成侧向地限制光模态的装置；和
在所述晶片层上的每一个所述半导体激光器结构上形成电极，用于将电流注入每一个所述激光器结构。
26.如权利要求25所述的制造表面发射半导体激光器的方法，进一步包括在所述多个具有所述本征谐振腔的分布式衍射光栅间同时形成邻近区域的步骤。
27.如权利要求25所述的制造表面发射半导体激光器的方法，其中，所述侧向地限制光模态的装置是隐藏式异质结构的构造。
28.如权利要求25所述的制造表面发射半导体激光器的方法，其中，所述侧向地限制光模态的装置是脊形波导结构。
29.如权利要求25所述的制造表面发射半导体激光器的方法，进一步包括在每个所述光栅的任一端在所述邻近区域内形成吸收区域的步骤。
30.如权利要求25所述的制造表面发射半导体激光器的方法，进一步包括沿所述邻近区域劈开所述晶片以形成激光器阵列的步骤。
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