CN201332218Y

CN201332218Y - 双波长半导体激光器

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Publication number: CN201332218Y
Application number: CNU2008201676100U
Authority: CN
Inventors: 潘锡光
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-11-17
Filing date: 2008-11-17
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2018-11-17

Abstract

一个单片集成的双波长激光器包含至少三个串联耦合的法－布腔，每个法－布腔之间用宽度恰为四分之一波长奇整数倍的垂直刻蚀空气槽分隔。前两个腔是一样长度的，被有源泵浦来提供组合腔的增益，并且产生一系列的双模。第三个腔的长度比较小，被用作标准具滤波器来选择组合腔的其中一个双模作为激射模。这个双模在光电探测器上的拍频就产生了一个微波载波信号，它的频率可以通过两个有源腔的注入电流之间的平衡来调节。

Description

双波长半导体激光器

技术领域

本发明主要涉及半导体激光器，特别是用于产生微波载波的集成型双波长半导体激光器。

背景技术

最近宽带光纤上的毫米波传输在新一代的无线接入系统以及本地多点分配服务的应用中得到了极大的关注。它使得许多复杂的系统功能能够在远距离的处理中心实现，而不局限于大量的天线站点上。用于产生以微波频率调制的光学信号的许多不同的技术已经被发展起来。其中最有前景的技术之一是在高速光电探测器上产生的频率间隔为所需毫米波频率的两个光学频率成分的拍频。目前，这一般可以通过合并两个商用的单频激光二极管来实现。为了获得毫米波频率的高稳定性和低相位噪声，需要毫开量级精度的激光温度控制以及像光学锁相环这种技术，但这也增加了复杂性和成本，很难使所产生的毫米波的线宽减小到期望值。

从一个单一的激光器中产生频率间隔为所需毫米波频率的两个波长成分是非常有利的。它可消除任何由于温度波动所产生的影响从而提供了频率稳定的毫米波。我们还希望能够调谐毫米波的频率，即两个激射波长的频率间隔。此外，我们还希望能够将光电探测器集成到同一片芯片上，并且通过锁相装置集成的方式以进一步改善线宽。

本发明的目标是要提供一个单片集成的半导体激光器，它能够同时产生两个波长，这种激光器具有所有上述希望得到的特性，并且有紧凑、制作简单和低成本等优点。

发明内容

根据本发明，一个单片集成的双波长激光器包括：

第一个光学腔，带有两个部分反射元件；

第二个光学腔，带有两个部分反射元件，第二个光学腔与第一个光学腔通过一个共同的部分反射元件耦合起来；

第一个有源波导，它在第一个光学腔内；第二个有源波导，它在第二个光学腔内；前述有源波导均各自夹在一对电极之间，电极用来注入电流以提供光学增益；

一个光学滤波器，用于选择一对激射模，该滤波器至少包含一个带有两个部分反射元件的无源光学腔，此无源光学腔与第二个光学腔通过一个共同的部分反射元件耦合起来。

根据本发明的另一种实现方案，一个单片集成的双波长激光器包括：

第一个有源光学腔，带有两个部分反射元件；所述第一个有源光学腔包含第一个有源波导，此有源波导夹在一对电极之间，电极用来注入电流以提供光学增益；

第二个有源光学腔，带有两个部分反射元件，此有源光学腔与第一个有源光学腔通过一个共同的部分反射元件耦合起来；所述第二个有源光学腔包含第二个有源波导，此有源波导夹在一对电极之间，电极用来注入电流以提供光学增益；

第一个光学滤波器，包含一个带有两个部分反射元件的第一个无源光学腔，此无源光学腔与第一个有源光学腔通过一个共同的部分反射元件耦合起来；

第二个光学滤波器，包含一个带有两个部分反射元件的第二个无源光学腔，此无源光学腔与第二个有源光学腔通过一个共同的部分反射元件耦合起来。

附图说明

图1是在现有技术的基于法-布腔(a)和分布反馈光栅(b)的半导体激光器。波导结构包含基底50、下包层40、有源层30、上包层20，被夹在两个电极10和60之间。(b)中的分布反馈光栅半导体激光器还包含一个分布反馈(DFB)光栅80。

图2是本发明的一种集成双波长激光器的示意图，包括由空气槽150隔开的两个增益谐振腔100和200，以及一个滤波器300构成。被夹在两个电极10和60之间的波导结构包含基底50、下包层40、有源层30和上包层20。

图3是在1550nm波长处空气槽的反射和透射系数作为槽宽的函数。

图4是不带标准具滤波器的两个相互耦合的法-布腔的简化结构。

图5是根据图4的结构得到的阈值以下小信号增益谱的计算结果，相关参数如下：腔长L1＝L2＝428.2um，g1＝g2＝13.75cm^-1(实线)以及g1＝1.63cm^-1，g2＝25.87cm^-1(虚线)。

图6是保持两个腔的增益系数的和不变，两组参数情况下频率差作为第一个光学腔的增益系数g1的函数，(a)L1＝L2＝428.5um，g1+g2＝27.5cm^-1；(b)L1＝L2＝214.3um，g1+g2＝55cm^-1。

图7是一个长度为Lp＝20um，一端终止于解理面，另一端终止于5λ/4空气槽的标准具滤波器的反射谱。

图8是在1550.12nm波长附近的双峰激射阈值下的小信号增益谱计算结果，相关参数如下：L1＝L2＝214.3um，Lp＝20um，g1＝g2＝14.8cm^-1。

图9是根据本发明另一种方案实现的包含两个有源增益谐振腔和两个标准具滤波器(300和400)的集成双波长激光器的示意图。两个增益谐振腔100和200由空气槽150隔开，标准具滤波器400和增益谐振腔100之间以及标准具滤波器300和增益谐振腔200之间的刻蚀槽50和250由填充材料填充。

图10是两个带有9λ/4刻蚀槽并填充有折射率为2.3的材料(例如氮化硅)的标准具滤波器的反射谱，相关参数：腔长LP1＝20um(实线)，LP2＝61.25um(虚线)。

图11是包含两个有源腔和两个标准具滤波器的完整激光器结构阈值以下小信号增益谱的计算结果。

图12是当滤波器调整到1550.12nm波长时不同模式的增益阈值。

具体实施方式

下面根据附图和实施例，详细说明本发明。

图1(a)是现有技术中法-布腔半导体激光器的示意图。光在两块由半导体晶体解理面构成的镜面间来回反射。通过电流的注入来电泵浦两块镜面间的波导区域以提供光放大。因为法-布腔的周期性的纵模结构，模式的选择仅仅由材料增益谱的分布来提供。由于空间烧孔效应，激光器通常都是多模输出，并且不同模式间的强度分布也不稳定。

图1(b)是另一种现有技术中的半导体激光器示意图，它是基于分布反馈式光栅(DFB)的。与法-布腔激光器不同，DFB激光器在其增益区内刻蚀了一个光栅。这个光栅起到了稳定激光器输出频率的作用，使该激光器有一个精确波长的单模输出，从而可应用到光纤传输系统中。

在微波载波的产生中，需要激光器产生两个波长，并且它们之间有精确的频率差和稳定的强度。图2是一个根据本发明的单片集成的双波长激光器。它包含三个前后耦合的法-布腔100、200和300，每个法-布腔之间用宽度恰为四分之一波长奇整数倍的垂直的刻蚀空气槽150分隔。前两个腔100和200是一样长度的，被有源泵浦来提供组合腔的增益，并且产生一系列的双模。第三个腔300的长度比较小，被用作标准具滤波器来选择组合腔的其中一个双模作为激射模。这个双模在光电探测器上的拍频就产生了一个微波载波信号。通过调整两个有源腔100和200的注入电流之间的平衡，可以改变这个双模的频率差而不影响它们的相对强度。无源滤波器300的中心波长可以通过改变它的折射率来进行微调，而这可通过载流子注入或反偏电光效应来实现。加上电反馈信号可以微调滤波器的中心波长以稳定这两个激射模的相对强度。

沉积于衬底50的波导结构通常由一个缓冲层或称下包层(40)，波导中心的有源层(30)以及上面的上包层(20)组成，其中波导中心的有源层40在电泵浦时提供增益。一个电极层10被沉积在上表面。衬底的背面也沉积了另外一个金属电极层60作为接地平面。这对电极10和60提供了注入电流以产生光学增益，而对于标准具滤波器300，则可以改变波导的折射率。更适宜地，波导中心的有源层可以包含像传统激光器结构那样的多量子阱，并可进行适当的掺杂。在横向方向上，标准的脊形波导被应用来限制横向上光的模式。

此结构中的空气槽被用作腔的高反射镜面。为了得到高的反射率，槽宽大小必须恰好等于四分之一波长的奇整数倍，即λ/4，3λ/4，5λ/4等。图3显示了在1550nm波长处空气槽的反射和透射系数作为槽宽的函数。如果槽宽等于四分之一波长的偶整数倍(即λ/2，λ，3λ/2等)，则空气槽本身构成一个谐振腔并且它的反射率几乎可以忽略不计。整个器件本质上就像单一谐振腔激光器那样工作(由两个解理面构成)而不是多个耦合腔。

理论上来说，当空气槽宽最小(即λ/4)时可以得到最好的性能。这是因为光束在非波导型的空气槽中的发散引起的损耗随着槽宽的增大而增大。因此，如图3中所示，反射率峰值有所减小。另一方面，当槽宽变小时，制作上也具有更大的挑战性，因为λ/4间隙对于1550nm波长仅仅只有0.3875um。一个范围从5λ/4到9λ/4的槽宽，对应大小为1.94um到3.49um，是一个不错的折衷选择。对基于磷化铟的材料系统，不管空气隙大小如何，空气隙大小的错误容差应在+0.1um量级。这以现有的制作工艺技术水平是可以达到的。

为了说明此双波长激光器的工作原理，我们首先考虑如图4所示的简化了的结构，它仅有两个耦合的法-布腔100和200(没有标准具滤波器300)。我们利用传输矩阵方法，计算当入射光从第一个增益腔的解理面耦合进入时此结构的小信号增益。在我们的数值实例中，我们假设波导的有效折射率为3.5。图5显示了两个腔长度一样(L1＝L2＝428.5um)这种情况下的小信号增益谱的计算结果。图中实线表示的是两个腔波导以稍微低于阈值的相同的增益系数(g1＝g2＝13.75cm^-1)来泵浦。它展示了对应于组合腔纵模的一系列双峰。不同双峰间的间隔由腔的自由光谱范围来确定，在此例中是0.8nm。单个双峰中两个峰之间的间隔是0.143nm，对应于18GHz的频率差。

如果这两个腔的泵浦不同，则单个双峰中两个峰的间隔就会减小。然而，这两个峰的强度仍然是一样的。例如图5中虚线所示，是在g1＝1.63cm^-1，g2＝25.87cm^-1这种情况下的计算结果，两个峰之间的间隔变为0.066nm，对应于约8.3GHz的频率差。

图6(a)显示了当保持两个腔的增益系数的和不变(即g2＝27.5cm^-1-g1)，频率差作为第一个光学腔的增益系数g1的函数。因此，我们可以通过调整两个腔之间泵浦水平的平衡来调节频率差，但有一个最大值(此例中为18GHz)。

通过减小腔长可以使频率差的最大值(对应于两个腔的相同泵浦水平)变得更大。例如，对于L1＝L2＝214.3um，在相同泵浦下组合腔的激射阈值变为g1＝g2＝27.5cm^-1。图6(b)中的实线显示了当保持两个增益系数和为55cm^-1不变时(即g2＝55cm^-1-g1)，频率差作为第一个腔的增益系数g1的函数。这种情况下频率的最大值可以达到35GHz。进一步减小腔长可以得到更高的频率。

根据本发明，一个光学滤波器被利用来选择仅仅一对双峰产生激射。这个光学滤波器是利用一个或多个无源法-布腔以集成的方式来实现，术语“passive”(无源)在这里的意思是在那些腔中没有提供增益。然而，作为选择，可以用电注入的方式来改变折射率以调节滤波器的波长。图2所示为双波长激光器结合一个作为滤波器的法-布腔标准具。图7给出了包含5λ/4空气槽，腔长为Lp＝20um的标准具滤波器的反射谱。由于标准具滤波器的引入，在滤波器反射谱峰值(约1550.12nm)处的组合腔模式将会有最低的激射阈值。

图8显示了有相同增益系数g1＝g2＝14.8cm^-1，在1550.12nm波长附近双峰激射阈值下的完整激光器结构的小信号增益谱的计算结果，相关参数如下：L1＝L2＝214.3um，Lp＝20um。在滤波器反射谱峰值处的双峰其小信号增益比其他模式的更高。

滤波器的自由光谱范围与其长度有如下关系Δf＝c/2n_gL_p，其中c为真空中的光速，n_g为波导的有效群折射率，Lp为无源滤波器的腔长。为了不同时产生多于一个的激射双峰，Δf_c至少要大于材料的增益窗口宽度。这就要求滤波器的腔长要短。而另一方面，一个短的腔长导致了一个宽的滤波函数，这将降低双峰的模式选择性。显然，可以利用能产生窄的反射峰和宽的自由光谱范围的多个法-布腔来设计更为复杂的滤波器。

为改善模式选择性，可以在两个有源腔均加一个标准具滤波器，即以标准具滤波器300和400取代两个解理面，如图9所示。通过组合不同腔长的两个标准具滤波器，可以得到窄的滤波函数和宽的自由光谱范围。为了不影响频率差值的调节曲线，可以设计标准具滤波器使得它们与解理面有一样的峰值反射率。这可以利用填充有介质折射率材料的深刻蚀槽(50和250)或利用浅刻蚀槽来实现。图10显示了两个带有9λ/4刻蚀槽并填充有折射率为2.3的材料的标准具滤波器的反射谱，腔长分别为Lp1＝20um，Lp2＝61.25um。图11显示了包含有两个标准具滤波器和两个腔长为L1＝L2＝214.3um的有源腔的完整激光器结构的小信号增益谱。它是在1550.12nm波长附近的双峰激射阈值下的计算结果，相应的增益系数为g1＝g2＝27.3cm^-1。

激光器的模式选择性可以用边模和主模之间的阈值差异来描述。图12显示了不同模式的激射阈值。此例中边模的最低阈值约为33.9cm^-1。边模与主模间达到了约24％的阈值差异。在上述计算中，没有考虑有源波导材料的增益谱分布，而这种因素会进一步增强模式的选择性。

如果光学滤波器的中心波长位于所选双模的中间，则两个激射模将有相同的激射阈值和输出功率。然而，由于激光器谐振腔中模式竞争的存在以及诸如温度变化这样的不稳定环境因素，两个模式的输出功率会发生抖动。为了稳定两个模式之间的相对功率，可以在光学滤波器上加电反馈信号以微调无源波导的折射率，进而细微地移动光学滤波器的中心波长。光电探测器可以集成到芯片上用来产生两个激射模式的拍频信号，此拍频信号可以作为反馈信号用来保持毫米波载波的功率稳定。

对于无源腔，当波导材料的折射率由电注入的方式调节时需要其足够的透明。当产生所需要的折射率改变时，一种保持透明或低损耗的方法是利用更大禁带宽度的无源波导材料和载流子注入的方式。其与有源波导的集成可以利用刻蚀-再生长技术或后生长能带工程方法如量子阱混合来实现。另一种可选方案是泵浦有源激光器材料至透明。

很多其它的具体实现方案可以从本发明衍生出来，而不改变其精神和范围。例如，分割不同腔的单个空气槽可以被多个空气槽取代。槽中可以填充介质材料诸如氧化硅或氮化硅。解理面可以被镀上电介质薄膜。刻蚀面或空气槽可以被用作反射镜以取代激光器的解理端面，等等。

Claims

1.一种单片集成的双波长激光器，其特征在于包含：

第一个光学腔，带有两个部分反射元件；

2.根据权利要求1所述的一种单片集成的双波长激光器，其特征在于所述第一个和第二个光学腔是通过一个空气槽作为共同的部分反射元件耦合起来的。

3.根据权利要求2所述的一种单片集成的双波长激光器，其特征在于所述空气槽是一个边壁垂直、宽度尺寸等于四分之一波长的奇数倍的深刻蚀空气槽。

4.根据权利要求1所述的一种单片集成的双波长激光器，其特征在于所述第一个和第二个光学腔的腔长相等。

5.根据权利要求1所述的一种单片集成的双波长激光器，其特征在于注入到所述第一个和第二个有源波导的电流不同以改变两个输出波长的频率差。

6.根据权利要求1所述的一种单片集成的双波长激光器，其特征在于所述光学滤波器包含一个基本透明的波导，该波导被夹在一对电极之间，该电极用来注入电流以改变波导的等效折射率从而改变光学滤波器的波长，调节两个输出激光模的功率平衡。

7.一种单片集成的双波长激光器，其特征在于包含：

8.根据权利要求7所述的一种单片集成的双波长激光器，其特征在于所述第一个和第二个光学腔是通过一个空气槽作为共同的部分反射元件耦合起来的。

9.根据权利要求7所述的一种单片集成的双波长激光器，其特征在于所述空气槽是一个边壁垂直、宽度尺寸等于四分之一波长的奇数倍的深刻蚀空气槽。

10.根据权利要求7所述的一种单片集成的双波长激光器，其特征在于所述第一个和第二个光学滤波器无源光学腔的腔长不同以产生一个具有大自由光谱范围的窄滤波函数。