CN203466423U

CN203466423U - 一种内置光栅可调谐半导体环形激光器

Info

Publication number: CN203466423U
Application number: CN201320588189.1U
Authority: CN
Inventors: 袁国慧; 王卓然; 何涛; 郭慧
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-09-23
Filing date: 2013-09-23
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2023-09-23

Abstract

本实用新型的目的一种内置光栅可调谐半导体环形激光器，包括环形谐振腔和输出波导，其中环形谐振腔内嵌有周期不同的第一光栅和第二光栅，用于提高调谐输出波长的范围，输出波导与环形谐振腔耦合连接，用作信号输出。该激光器通过在半导体环形激光器的环形腔谐振腔（跑道形波导腔）中引入可调谐光栅，在合理利用半导体环形激光器的双稳态特性的基础上，通过光栅反射谱的叠加形成较高的边模抑制比的单纵模输出，不仅输出功率增加，而且调谐范围增加，可以作为新一代密集波分复用系统以及全光网络中光子交换的关键光电子器件，它的运用可以使得全光逻辑、全光存储的灵活性和扩展性大大增强。

Description

一种内置光栅可调谐半导体环形激光器

技术领域

本实用新型属于光通信技术领域，具体涉及一种可用于全光逻辑、全光存储于全光信号处理以及光互连、光网络的单片的内置光栅的可调谐半导体环形激光器。

背景技术

现代社会对超高容量信息存储，超快速率信息处理的需求越来越高，包括信号的产生、检测、调制、开关、滤波和复用等功能的全光子系统的微型化与集成化的激光器成为必然趋势。基于F-P腔半导体激光器已在现有技术中应用，用以达到高速度、高密度、低功耗、低成本等要求。在同一衬底上集成不同功能的通用性微型光子器件是一种简单灵活的单片集成全光互联网络的实现方式。半导体环形激光器的双稳态特性是半导体环形激光器固有特性：当电流低于激光器的阈值电流时，顺时针和逆时针方向的会同时输出微弱的光，当电流超过阈值电流并逐渐增加时，顺时针和逆时针的激光会交替出现，即所谓的双稳态。

半导体激光器调谐的物理机理是通过直接或间接改变激光器谐振腔的长度，使谐振腔中谐振模式位置产生微小移动，并通过频率选择元件，选择出频率移动的波长。半导体有源区能在较宽的波长范围内产生光增益，这为波长调谐提供了必要条件。

半导体激光器的谐振条件为

n₁C=m₁λ₁

式中：λ₁为可以输出的谐振波长，m₁为阶数，n₁为有效折射率，C为谐振腔的周长。很明显，如果改变m₁、n₁、和C之中的一个或多个变量，波长也一定会改变。对于特定的环形谐振腔来说，周长是个定值，因而通过改变注入电流或者改变温度的方式改变有效折射率是一种有效可行的方案。

与F-P腔半导体激光器不同，半导体环形激光器利用闭合波导回路作为光学谐振腔，并利用与其相邻的波导将激光耦合输出。一方面，它在形成激射时不需要解理面或光栅提供光反馈。另一方面，由于在波导环形回路中存在两束传播方向相反的光，所以其本身就具有理想的双稳态输出特性。因此它成为实现全光逻辑与全光存储单片集成的最具潜力的器件。随着研究的不断深入，其应用范围已从早期的集成光源和激光陀螺扩展到光随机存储器、全光逻辑、光开关和波长转换器等方面，并在光互连、光网络和光存储等领域产生了重要的影响。但是，现有的半导体环形激光器仍受输出功率、边摸抑制比以及调谐范围不足的影响。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有的半导体环形激光器输出功率、边摸抑制比以及调谐范围不足的缺陷，提出了一种内置光栅可调谐半导体环形激光器。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种内置光栅可调谐半导体环形激光器，包括环形谐振腔和输出波导，其特征在于，所述环形谐振腔内嵌有周期不同的第一光栅和第二光栅，用于提高调谐输出波长的范围，输出波导与环形谐振腔耦合连接，用作信号输出。

进一步的，所述环形谐振腔为跑道形波导腔，由两段环形波导区和两段直波导区交替耦合连接组成。

进一步的，所述光栅嵌于跑道型波导腔的直波导区。第一光栅与第二光栅之间具有一段未刻蚀的有源波导，与第一光栅和第二光栅组成可调谐光栅。

进一步的，所述输出波导为一段直波导，与跑道形波导腔的未嵌光栅的直波导区平行并耦合。或者，输出波导由两段直波导构成，分别与跑道形波导腔的两段环形波导区耦合。或者输出波导由两段直波导构成，分别与跑道形波导腔的环形波导区之一和未嵌光栅的直波导区耦合。

进一步的，作为调谐可调性更强的优选方案，所述跑道形波导腔的两段直波导区均包含周期不同的第一光栅和第二光栅。

所述第一光栅与第二光栅之间的具有未刻蚀的有源波导。

所述有源波导包括金属电极，用于调节注入电流。

本实用新型的有益效果：本实用新型的内置光栅可调谐半导体环形激光器通过在半导体环形激光器的环形腔谐振腔（跑道形波导腔）中引入可调谐光栅，在合理利用半导体环形激光器的双稳态特性的基础上，通过光栅反射谱的叠加形成较高的边模抑制比的单纵模输出，不仅输出功率增加，而且调谐范围增加，可以作为新一代密集波分复用系统以及全光网络中光子交换的关键光电子器件，它的运用可以使得全光逻辑、全光存储的灵活性和扩展性大大增强。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的内置光栅可调谐半导体环形激光器的结构示意图；

图2是本实用新型光栅与有源波导的结构示意图；

图3为本实用新型实施例2的内置光栅可调谐半导体环形激光器的结构示意图；

图4为本实用新型实施例3的内置光栅可调谐半导体环形激光器的结构示意图；

图5为本实用新型实施例4的内置光栅可调谐半导体环形激光器的结构示意图。

附图标记说明：环形谐振腔1，可调谐光栅2，上包层21，有源层22，衬底层23，第一光栅241，有源波导242，第二光栅243，耦合器3，输出波导4。

具体实施方式

为进一步说明本实用新型的具体技术内容，下面结合附图和实施例对本实用新型详细说明如后，其中：

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例的一种内置光栅可调谐半导体环形激光器，包括环形谐振腔1和输出波导4，所述环形谐振腔1内嵌有第一光栅241和第二光栅243，两种光栅的刻蚀深度可以相同，也可以不同，周期不相同，输出波导4与环形谐振腔1耦合连接，用作信号输出。作为一种优选方案，环形谐振腔1为跑道形波导腔，由两段环形波导区和两段直波导区交替耦合连接组成。具体的，所述第一光栅241和第二光栅243嵌于所述直波导区内，如图1所示。第一光栅与第二光栅之间的直波导区上嵌有一段有源波导242，有源波导242与第一光栅241和第二光栅243组成可调谐光栅2，用于调谐输出波长。在本实施例中，输出波导4为一段直波导，与跑道形波导腔的未嵌光栅的直波导区平行并耦合，图1示出了输出波导4与跑道形波导腔1耦合的耦合区3，具体通过常用的波导耦合方式输出光信号。

图2所示为光栅与有源波导的结构示意图，由外而内依次为层叠的上包层21，有源层22和衬底层23。在上包层21中利用掩膜板在半导体环形激光器的包层上采用电子束曝光的方式刻蚀有一定规格的光栅（第一光栅和第二光栅）。上包层21上镀有金属电极，通过调节金属电极上的注入电流实现激光器的输出波长调谐。

实施例2：

本实施例的内置光栅可调谐半导体环形激光器的结构示意图如图3所示，与实施例1的不同点在于本实施例的输出波导由两段直波导构成，分别与跑道形波导腔（环形谐振腔/有源谐振腔/半导体环形激光器）的两段环形波导区耦合。

实施例3：

图4示出了本实施例的内置光栅可调谐半导体环形激光器的具体结构，与实施例1的不同点在于本实施例的输出波导由两段直波导构成，分别与跑道形波导腔（环形谐振腔/有源谐振腔/半导体环形激光器）的环形波导区之一以及未嵌光栅的直波导区耦合。

实施例4：

如图5所示，本实施例的内置光栅可调谐半导体环形激光器与实施例3的激光器相比，不同点在于，跑道形波导腔的两段直波导区均包含有可调谐光栅2。所示可调谐光栅与其他实施例中的可调谐光栅结构相同，其结构如图2所示。需要另行说明的是，本实施例中的采用多组可调谐光栅的结构的方案同时也可以与其他实施例结合形成更多的优选实施例，这些组合的优选实施例均属于本实用新型的保护范围。

上述实施例中，半导体环形激光器是有源谐振腔，利用低噪声电源驱动，除可调谐光栅部分外，其余的部分采取固定电流注入，可通过改变可调谐光栅两端的注入电流使得两端光栅的反射谱在不同的中心波长处产生叠加，在别的波长处因为相消而减弱，当中心波长同时满足半导体激光器的谐振条件时便可以输出。半导体环形激光器的双稳态特性使得一个方向的输出光会抑制另一个反向的光输出，因而输出激光会保持单纵模输出，分别改变光栅的注入电流可以实现在一个很宽的范围内的连续调谐。

所述光栅是利用掩膜板在半导体环形激光器的包层上采用电子束曝光的方式刻蚀出一定规格的光栅。由于刻蚀过程中并不刻穿有源层，因而不会对有源层材料产生阈值损伤，且制作方式简单，即节约了成本，又大大增加了成品率。

本实用新型实施例的主要特征是在环形激光器中引入一个可调谐光栅，即在环形激光器的直波导区域的两端，采取电子束曝光的方式，在上包层上刻蚀两种不同规格的光栅（刻蚀深度相同，周期不同或者刻蚀深度和周期都不相同），由于工艺过程是在上包层进行，避免了刻蚀对有源区材料造成的阈值损伤。

通过采取固定半导体环形激光器其他位置的注入电流，只改变可调谐光栅两端的注入电流的方式。由两个不同的光栅区以及中间的有源区组成的可调谐光栅可以看出是一个内置在半导体环形激光器中的可调谐激光器，根据布拉格反射原理，只有同时满足条件

2n₂L₂=m₂λ₂

2n₃L₃=m₃λ₂

的波长才能从可调谐光栅中输出，λ₂为可以输出的谐振波长，m₂和m₃分别为两端光栅的衍射阶数，n₁和n₂分别为可调谐光栅两端光栅的有效折射率，L₁和L₂分别为可调谐光栅两端光栅区的有效长度。

由于可调谐光栅同时是半导体环形激光器的一部分，所以只有满足光栅布拉格条件和半导体环形激光器的谐振条件的波长才能实现激射。可调谐光栅区域中出射的单纵模是两个不同刻蚀情况的光栅的反射谱的叠加输出，因而边模抑制比很高，能有效抑制半导体环形激光器中其他的激射波长，从而实现高边模抑制比、高功率、宽调谐范围的单纵模输出。

以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，本领域的技术人员将会理解，在本实用新型所揭露的技术范围内，可以对本实用新型进行各种修改、替换和改变。因此本实用新型不应由上述事例来限定，而应以权力要求书的保护范围来限定。

Claims

1.一种内置光栅可调谐半导体环形激光器，包括环形谐振腔和输出波导，其特征在于，所述环形谐振腔内嵌有周期不同的第一光栅和第二光栅，用于提高调谐输出波长的范围，输出波导与环形谐振腔耦合连接，用作信号输出。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述环形谐振腔为跑道形波导腔，由两段环形波导区和两段直波导区交替耦合连接组成。

3.根据权利要求1或2所述的激光器，其特征在于，所述光栅嵌于跑道型波导腔的直波导区。

4.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，第一光栅与第二光栅之间具有一段有源波导，与第一光栅和第二光栅组成可调谐光栅。

5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述输出波导为一段直波导，与跑道形波导腔的未嵌光栅的直波导区平行并耦合。

6.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，输出波导由两段直波导构成，分别与跑道形波导腔的两段环形波导区耦合。

7.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，输出波导由两段直波导构成，分别与跑道形波导腔的环形波导区之一和未嵌光栅的直波导区耦合。

8.根据权利要求6所述的激光器，其特征在于，所述跑道形波导腔的两段直波导区均包含周期不同的第一光栅和第二光栅。

9.根据权利要求4所述的激光器，其特征在于，所述有源波导包括金属电极，用于调节注入电流。