CN205122996U - 一种频率间隔连续可调的v型耦合腔双波长半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种频率间隔连续可调的V型耦合腔双波长半导体激光器。第一有源谐振腔与第二有源谐振腔在一端以V形相耦合形成多模耦合区，多模耦合区的端面具有腔面反射面，第一有源谐振腔的另一端和第一无源滤波器之间通过深刻蚀槽串联构成激光器的一臂；第二有源谐振腔的另一端和第二无源滤波器之间通过深刻蚀槽串联构成激光器的另一臂；第一有源谐振腔和第二有源谐振腔上设有浅刻蚀槽。本实用新型的激光器具有结构紧凑，制作工艺简单，成本较低，无需外部参考光源等优点。

Description

一种频率间隔连续可调的V型耦合腔双波长半导体激光器

技术领域

本实用新型涉及微波光子学领域，尤其涉及一种用于微波产生的单片集成且频率间隔连续可调的V型耦合腔双波长半导体激光器。

背景技术

微波频段的信号在无线通信、雷达探测、微波传感等诸多领域均有非常重要的应用。特别是近年来随着用户对无线数据流量要求的急剧攀升以及“移动互联网”的迅速发展，高速宽带无线通信技术成为下一代无线通信技术的发展方向，也成为市场需求新的增长点。而微波光子技术，特别是微波光源的产生作为“移动互联网”的核心技术，正成为各个研究小组和学术机构的研究热点。

基于两束相近波长拍频产生微波载波是实现光生微波载波的主要方式。目前已经报道的技术主要包括三类：即基于多光栅耦合的光纤激光器或半导体激光器；基于光学非线性效应产生高频微波载波的微波光源系统；以及基于耦合腔耦合的半导体激光器。

基于光栅耦合的光纤激光器由于其光栅可做得很长，并且具有很长的增益区，并且可以进行偏振控制或相位锁定等复杂的控制手段，一般具有较好的光谱特性和微波频谱特性，但其存在微波频率不可调谐，制作工艺复杂，系统体积庞大，成本较高等缺点。

而基于光纤非线性效应的微波光源系统一般能够实现微波频率的连续可调，并且基于非线性效应的双波长之间一般具有很好的相位相关性，能够实现较窄的微波频谱线宽，一般包括基于强度调制、相位调制、四波混频或受激布里渊散射等边带产生的技术、注入锁定技术以及锁相环技术等多种技术。但它本身需要提供一个精确的微波本振源，技术实现复杂，系统庞大，成本高等缺点。

对于微波载波的产生，通常需要激光器产生两个临近的、频率间隔和强度稳定的双波长。最常见的结构就是基于两个不同光栅周期的DFB串联耦合的结构。图1为基于光栅耦合的双波长半导体激光器示意图，被报道于"Dual-wavelengthInGaAs-GaAsridgewaveguidedistributedBraggreflectorlaserswithtunablemodeseparation.",Roh,S.D,etal.PhotonicsTechnologyLetters,IEEE12.10(2000):1307-1309，由于光栅的选模作用，这类激光器一般具有很好的单模特性和频率稳定性。但这类激光器涉及复杂的光栅制作及二次外延生长，成本很高。

为了提供廉价的双波长频率间隔可调谐半导体激光器，何建军于2005年提出了一种基于多段FP谐振腔耦合的双波长半导体激光器，公开于美国实用新型专利："Dual-wavelengthsemiconductorlaser"，公开号：US20050243882A1。图2为该激光器的结构示意图。它由三段通过深刻蚀槽耦合的法布里-珀罗谐振腔串联构成，每个深刻蚀槽的宽度均为四分之一波长的奇数倍。其中相邻的两段法布里-珀罗谐振腔具有相等的光学长度，用来产生一系列的双波长梳状谱。另一段长度较短的法布里-珀罗标准具作为滤波器选出其中的某一个双波长模式。这类激光器可以实现双波长频率间隔的连续调谐，制作成本也比较低。但是由于制作工艺精度的限制，深刻蚀槽的宽度很难精确控制，同时器件的尺寸也比较长，制作的成品率不高。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型旨在提出了一种频率间隔连续可调的V型耦合腔双波长半导体激光器，它具有微波频率连续可调，结构紧凑，制作工艺容差较大等优点，避免了非常精确的工艺制备条件，同时具有耦合腔半导体激光器的一系列优点。

本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型的激光器包括第一有源谐振腔、第二有源谐振腔、第一无源滤波器和第二无源滤波器，第一有源谐振腔与第二有源谐振腔一端之间以V形相耦合形成多模耦合区，形成V型腔，多模耦合区的端面具有腔面反射面，多模耦合区为四分之一波长耦合区，即多模耦合区的直通耦合系数与交叉耦合系数之间具有90°的相位差；第一有源谐振腔的另一端和第一无源滤波器之间通过深刻蚀槽串联构成激光器的一臂；第二有源谐振腔的另一端和第二无源滤波器之间通过深刻蚀槽串联构成激光器的另一臂；多模耦合区所在的第一有源谐振腔的一段波导与第一有源谐振腔的其余波导之间设有用于电隔离的浅刻蚀槽，多模耦合区所在的第二有源谐振腔的一段波导与第二有源谐振腔中其余波导之间设有用于电隔离的浅刻蚀槽。

所述的第一有源谐振腔与第二有源谐振腔具有相等的光学长度。

所述的第一无源滤波器和第二无源滤波器的光学长度均为四分之一激光出射波长的奇数倍且互不相同。

所述第一有源谐振腔和第一无源滤波器之间的深刻蚀槽与第二有源谐振腔和第二无源滤波器之间的深刻蚀槽的光学长度均为四分之一激光出射波长的奇数倍。

所述的多模耦合区上设有用于相位调整的相位微调电极。

除多模耦合区以外的所述第一有源谐振腔和所述第二有源谐振腔分别设有第一增益调谐电极和第二增益调谐电极。

所述的第一无源滤波器和第二无源滤波器上分别设有用于折射率调整的第一波长微调电极和第二波长微调电极，用于实现激光器激射模式和滤波器中心的对准

优选地，所述的第一有源谐振腔与第二有源谐振腔均可采用有源法布里-珀罗谐振腔。

优选地，所述的第一无源滤波器和第二无源滤波器均可采用无源法布里-珀罗谐振腔。

本实用新型的两段有源谐振腔在电注入达到阈值增益时将产生一系列的双波长激射模，无源滤波器作为带通滤波器选出其中的一个双波长模式，激光器输出的双波长频率间隔随着两臂注入电流比的变化而变化，通过高速探测器接收产生对应差频的微波载波信号。本实用新型能通过改变两臂有源区的注入电流比，可以实现微波载波频率的可调谐。无源滤波器上也设有调谐电极，用来实现激射波长和滤波器通带中心的对准，提高双波长模式的模式选择性。

本实用新型与背景技术相比，具有的有益效果是：

本实用新型无需制作光栅，制作成本低。

本实用新型的V型腔结构可减小器件的长度，使器件结构更加紧凑简单。

本实用新型的四分之一波长耦合器上设有调谐电极，可微调耦合器的相位，增大了器件的容差，提高了器件的成品率。

本实用新型无需设置外部微波信号源，降低了系统的复杂度和成本。

本实用新型中两段有源区上设有增益调节电极，可以通过简单的调节两臂之间的增益差就能实现双波长之间频率间隔的连续调谐，调谐算法简单。

本实用新型两个无源滤波器上设有波长微调电极，用于微调无源波导的折射率，实现无源滤波器通带中心和激射波长的对准，可以同时实现较好的模式选择性和较大的自由光谱范围。

综合上述，本实用新型体积小尺寸短，制成的器件性能对刻蚀槽宽度的精度要求不高，刻蚀宽度容易精确控制，制作工艺简单，制作成本可以大大降低，具有更大的发展前景和商业应用价值。

附图说明

图1为背景技术中基于光栅耦合的可调频率间隔双波长半导体激光器示意图。

图2为背景技术中基于刻蚀槽耦合的可调频率间隔双波长半导体激光器示意图。

图3为本实用新型的结构示意图。

图4为本实用新型相位微调电极的横截面示意图。

图5为本实用新型一臂沿波导传输方向的横截面示意图。

图6为在1550nm波长下，深刻蚀空气槽的透射率与反射率与槽宽的关系图。

图7为本实用新型实施例在不考虑无源波导滤波器时的阈值下小信号增益谱图。

图8为本实用新型实施例在不考虑无源波导滤波器时的阈值增益谱图。

图9为本实用新型实施例在不考虑无源波导滤波器时，两臂在不同注入增益情况下的阈值下小信号增益谱图。

图10为本实用新型实施例在不考虑无源波导滤波器时，双波长频率间隔和两臂增益差的关系图。

图11为本实用新型实施例在不考虑无源波导滤波器时，双波长最大频率间隔和有源波导腔长的关系图。

图12为本实用新型实施例在不考虑无源波导滤波器时，两种不同臂长情况下双波长频率间隔和直通耦合系数的关系图。

图13为本实用新型实施例的两段无源波导滤波器的反射谱及其叠加谱图。

图14为实施例在考虑两段无源波导滤波后的阈值下小信号增益谱图。

图15为实用新型实施例在考虑两段无源波导滤波后的阈值增益谱图。

图中：1、多模耦合区，2、第一有源谐振腔，3、第二有源谐振腔，4、第一无源滤波器，5、第二无源滤波器，6、深刻蚀槽，7、腔面反射面，8、相位微调电极，9、第一增益调节电极，10、第二增益调节电极，11、第一无源滤波器调节电极，12、第二无源滤波器调节电极，13、上包层，14、有源区，15、缓冲层，16、衬底层，17、背面电极，18、浅刻蚀槽。

具体实施方式

下面根据附图和实施例，详细说明本实用新型。

本实用新型采用基于耦合腔耦合的半导体激光器，利用多段FP腔相互耦合来产生双波长，相对背景技术中的前两种方法，它产生的微波频谱线宽会有一定展宽，但由于两束波长共享一个增益腔，具有相同的外界环境，两个波长之间也具有较强的相位相关性，能够实现较好的微波频谱特性。

本实用新型的实施例及其工作原理如下：

具体实施中，如图3所示，本实用新型包括两段等长的有源法布里-珀罗谐振腔以及两段不等长的无源法布里-珀罗谐振腔，V型腔的两臂通过四分之一波长耦合区1耦合连接，多模耦合区1的端面具有腔面反射面7，V型腔的每一臂都是由有源法布里-珀罗谐振腔和无源法布里-珀罗标准具串联构成，所形成的四分之一波长耦合区的直通耦合系数与交叉耦合系数之间具有90°的相位差。第一有源谐振腔2和第二有源谐振腔3中位于多模耦合区1的部分和有源谐振腔的其余部分衔接处均设有用于电隔离的浅刻蚀槽18。

第一有源法布里-珀罗谐振腔2和第一无源法布里-珀罗谐振腔4之间通过深刻蚀槽6串联构成激光器的一臂，第二有源法布里-珀罗谐振腔3和第二无源法布里-珀罗谐振腔5之间通过深刻蚀槽6串联构成激光器的另一臂；有源法布里-珀罗谐振腔2与有源法布里-珀罗谐振腔3之间通过一段四分之一波长耦合器连接。耦合区上设有相位微调电极8，两臂有源谐振腔上设有增益调节电极9和10，两臂无源滤波器上设有折射率微调电极11和12。

这里定义直通耦合系数为有源法布里-珀罗谐振腔经多模耦合区1的端面反射后返回自身谐振腔的光场强度与入射光场强度的比值，交叉耦合系数为有源法布里-珀罗谐振腔经多模耦合区1的端面反射后进入另一个谐振腔的光场强度与入射光场强度的比值。

激光器工作时，四分之一波长耦合器及两段相等的法布里-珀罗有源腔在电注入条件下会出现一系列的双波长梳状谱。长度稍短的法布里-珀罗谐振腔作为滤波器用来选出其中的一对双波长作为最终的激射模。输出的双波长的拍频信号可以通过高速光探测器接收转化成对应的微波载波信号。通过调节两臂有源谐振腔的注入电流比例，可以调节双波长之间的频率间隔，并保证输出光强不变，从而实现微波载波信号的可调谐。对于无源滤波器，可以通过载流子注入效应或者反偏电光效应来改变波导的有效折射率，利用电反馈信号控制无源滤波器的中心波长，从而稳定两个波长之间的相对强度。

相对刻蚀槽耦合的双波长半导体激光器，基于四分之一波长耦合器的半导体激光器由于耦合器电极上的偏置电流可以提供一定范围的相位补偿，大大增加了激光器工艺的制作容差，提高了器件制作的成品率。同时V型腔的结构也使器件的尺寸更加紧凑，提高了器件的集成度。

如图4所示，具体实施的激光器的层状由衬底层16、缓冲层15、提供光学增益的芯层14以及上包层13构成，器件的上表面和下表面会镀上不同的电极金属材料形成P型电极和N型电极，第一、第二增益调节电极9和10作为P型电极，衬底层16底部的背面电极17作为N型电极。这样可以通过电注入提供光学增益。一般情况下芯层由多量子阱层构成，并根据不同的情况进行一定量的掺杂。从横截面上来看，一般采用脊型波导或掩埋型波导来限制光场。

如图5所示，除了在有源波导和无源滤波器之间用深刻蚀槽6隔开外，四分之一波长耦合器上的相位微调电极和有源谐振腔上的增益电极之间还需要浅刻蚀槽18进行电隔离。

激光器结构中的深刻蚀槽用来作为谐振腔的高反射面。为了达到较高的反射率，深刻蚀槽的宽度必须是四分之一波长的奇数倍。空气深刻蚀槽的透射率和反射率与槽宽的关系如图6所示，可发现，只有在四分之一波长奇数倍的位置才会出现反射率的极大值。理论上，当空气槽宽度为四分之一波长时损耗最小，随着槽宽的增加，光场由于在空气槽中的模式扩散和衍射效应会引起损耗的增加，因此反射率的峰值在逐渐减小。另一方面，槽宽的减小对制作工艺的精度要求越来越高。对于1550nm的波长来说，四分之一波长仅为0.3875um，普通的光刻工艺很难满足要求。对于目前工艺，空气槽制作的误差在±0.1um量级，为了满足工艺上的要求，一般采用5/4λ，即1.94um，其中λ为激光器的工作波长。

为了阐明双波长激光器的工作原理，首先只考虑不包含无源滤波器的激光器结构，用传输矩阵法计算不包含滤波器条件下的V型腔激光器的小信号增益谱，如图7所示。假定激光器的有效折射率为3.29，两个有源谐振腔的腔长为L₁＝L₂＝210.1um，四分之一波长耦合器的直通耦合系数为0.6，并且两臂拥有相等的增益系数(g1＝g2＝29.9cm^-1)，可发现一系列的双波长梳状谱，双波长之间的波长间隔为0.42nm，自由光谱范围为1.6nm。对应情况下的阈值增益谱如图8所示，可发现四分之一波长耦合器并没有模式选择性，所有的双波长模式都能够同时起振。

激光器两臂在注入相等增益和不同增益条件下的小信号增益谱如图9所示，激光器参数设定为有源腔腔长L₁＝L₂＝210.1um，四分之一波长耦合器的直通耦合系数为0.8。当两臂注入相等增益时(第一增益和第二增益分别是g1＝g2＝29.87cm^-1)，小信号增益谱和图7相同，双波长之间的波长间隔为0.356nm，对应频率间隔为44.5GHz，如图9中实线所示。如果增大两臂之间的增益差，双波长之间的频率间隔会减小。如图9中虚线所示，当g1＝0cm^-1，g2＝59.7cm^-1时，双波长之间的波长间隔为0.152nm，对应频率间隔为19GHz。图10给出了在不考虑无源波导滤波器时，双波长频率间隔和两臂之间增益差的关系，这里设定两个有源谐振腔的腔长L₁＝L₂＝210.1um，直通耦合系数为0.6，可以发现当两臂具有相等的增益时，双波长之间的频率间隔最大，随着两臂之间增益差的增加，双波长之间的频率间隔逐渐减小。

图11为本实用新型实施例在不考虑无源波导滤波器时，双波长最大频率间隔(对应两臂拥有相等的增益系数)和有源腔腔长的关系。耦合器的直通耦合系数设为0.6，可以发现，双波长最大频率间隔随着腔长的增加而减少。

图12给出了双波长最大频率间隔(对应两臂拥有相等的增益系数)和四分之一波长耦合器直通耦合系数之间的关系。随着耦合器直通耦合系数的增加，双波长最大频率间也隔逐渐减少，因此可根据需要合理地选择激光器的腔长和耦合器的参数。

由于四分之一波长耦合器本身没有模式选择性，为了选出双波长频率梳中的某一个双波长模式作为激射模，需要采用无源滤波器进行滤波选模。图13给出了本实用新型实施例的两段无源波导滤波器的反射谱及其叠加谱。激光器两臂的腔长设为L₁＝L₂＝210um，刻蚀槽的宽度设为5/4λ，两段无源滤波器的长度分别为L_f1＝19.9um和L_f2＝61.4um。位于滤波器中心的模式将会具有最低的阈值增益而激射。滤波器的自由光谱范围由滤波器的腔长决定，满足△f＝c/2n_gL_p，其中，c为真空中的光速，n_g为光在波导中传输的群速度，L_p为无源滤波器的腔长。为了使增益谱内只有一个双波长模式激射，其中的一个滤波器长度必须足够短，以保证其自由光谱范围大于激光器的增益谱宽。但较短的滤波器对应的滤波函数的半高全宽比较宽，模式选择比不高，这可以通过增加一个较长的无源滤波器来同时实现较窄的滤波函数和较宽的自由光谱范围。对应的包括两个无源滤波器后的小信号增益谱如图14所示，可以发现，只有一个双波长模式能够起振，图15则为对应的阈值增益谱。由图发现，对应滤波器中心波长的位置具有最低的阈值增益，为44.5cm-1，相邻双波长模式的阈值增益为49.5cm-1，阈值增益差达到了5cm-1，具有很好的模式选择性。

如果滤波器的中心波长能够对准双波长模式的中心，这两个模式会具有相同的阈值增益同时起振，并且具有相同的输出功率。但是由于腔内存在模式竞争或温度漂移等不稳定因素，两个波长的输出功率会出现一定的抖动。为了稳定双波长之间的相对强度，可以将电反馈信号加载到无源滤波器上，通过改变无源滤波器的折射率来微调滤波器的中心波长。电反馈信号可以通过在片上或腔外集成光探测器，利用双波长的拍频信号作为负反馈来稳定PD输出的微波载波信号的强度。

对于无源滤波器，可通过刻蚀再生长禁带宽度更大的无源波导的方法来实现，也可以通过一些芯片后处理的方式，如量子阱混杂技术等。如果制作工艺不允许，也可以通过将有源滤波器电注入到刚好在阈值增益以下来实现。

综合上述，本实用新型尺寸小，制作工艺简单，四分之一波长耦合器的引入除了能够实现激光器的双波长激射，还使器件的制作工艺容差大大增加，提高了器件的成品率，具有突出显著的技术效果。除此之外，本实用新型在不引入外部本振光源的条件下就能够用简单的算法实现双波长频率间隔的连续可调，利用负反馈信号还可以实现微波功率和频率的稳定，具有很大的发展前景和商业应用价值。

上述实施例用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制。在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型做出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。如腔与腔之间的一个空气槽可以用多个空气槽来代替，无源标准具的个数可以是一个或多个，可以根据需要来实现更好的滤波器性能。深刻蚀槽之间填充的不一定是空气，还可以是SiO₂，SiN或者BCB等半导体工艺中常涉及的材料。激光器的端面既可以用深刻蚀槽、深刻蚀面来定义，也可以用解理端面来定义。腔面的端面还可以还可以通过镀膜来满足不同情况下的需求等。

Claims (9)

1.一种频率间隔连续可调的V型耦合腔双波长半导体激光器，包括第一有源谐振腔(2)、第二有源谐振腔(3)、第一无源滤波器(4)和第二无源滤波器(5)；其特征在于：第一有源谐振腔(2)与第二有源谐振腔(3)一端之间以V形相耦合形成多模耦合区(1)，多模耦合区(1)的端面具有腔面反射面(7)，多模耦合区(1)为四分之一波长耦合区；第一有源谐振腔(2)的另一端和第一无源滤波器(4)之间通过用于部分反射的深刻蚀槽(6)串联构成激光器的一臂；第二有源谐振腔(3)的另一端和第二无源滤波器(5)之间通过用于部分反射的深刻蚀槽(6)串联构成激光器的另一臂；多模耦合区(1)所在的第一有源谐振腔(2)波导与第一有源谐振腔(2)其余波导之间设有用于电隔离的浅刻蚀槽(18)，多模耦合区(1)所在的第二有源谐振腔(3)波导与第二有源谐振腔(3)其余波导之间设有用于电隔离的浅刻蚀槽(18)。

2.根据权利要求1所述的一种频率间隔连续可调的V型耦合腔双波长半导体激光器，其特征在于：所述的第一有源谐振腔(2)与第二有源谐振腔(3)具有相等的光学长度。

3.根据权利要求1所述的一种频率间隔连续可调的V型耦合腔双波长半导体激光器，其特征在于：所述的第一无源滤波器(4)和第二无源滤波器(5)的光学长度均为四分之一激光出射波长的奇数倍且互不相同。

4.根据权利要求1所述的一种频率间隔连续可调的V型耦合腔双波长半导体激光器，其特征在于：所述第一有源谐振腔(2)和第一无源滤波器(4)之间的深刻蚀槽(6)与第二有源谐振腔(3)和第二无源滤波器(5)之间的深刻蚀槽(6)的光学长度均为四分之一激光出射波长的奇数倍。

5.根据权利要求1所述的一种频率间隔连续可调的V型耦合腔双波长半导体激光器，其特征在于：所述的多模耦合区(1)上设有相位微调电极(8)。

6.根据权利要求1所述的一种频率间隔连续可调的V型耦合腔双波长半导体激光器，其特征在于：除多模耦合区(1)以外的所述第一有源谐振腔(2)和所述第二有源谐振腔(3)分别设有第一增益调谐电极(9)和第二增益调谐电极(10)。

7.根据权利要求1所述的一种频率间隔连续可调的V型耦合腔双波长半导体激光器，其特征在于：所述的第一无源滤波器(4)和第二无源滤波器(5)上分别设有第一波长微调电极(11)和第二波长微调电极(12)。

8.根据权利要求1所述的一种频率间隔连续可调的V型耦合腔双波长半导体激光器，其特征在于：所述的第一有源谐振腔(2)与第二有源谐振腔(3)均采用有源法布里-珀罗谐振腔。

9.根据权利要求1所述的一种频率间隔连续可调的V型耦合腔双波长半导体激光器，其特征在于：所述的第一无源滤波器(4)和第二无源滤波器(5)均采用无源法布里-珀罗谐振腔。