WO2017092094A1 - 一种可调谐波长半导体激光器 - Google Patents

Abstract

一种可调谐波长半导体激光器，包括有源区(10)、相位区(20)及光栅区(30)，光栅区(30)包含取样布拉格光栅，取样布拉格光栅反射谱为梳状反射谱，其中心波长远离有源区增益峰；其中，有源区(10)、相位区(20)及光栅区(30)依序纵向相连，在有源区(10)中，有一部分端面镀有反射膜(12)，同时光栅区(30)的端面镀有低反射膜(32)；各区分别具有电极(11、21、31)，有源区电极(11)用于有源区电流注入，相位区电极(21)及光栅区电极(31)用于对波导进行电流注入或者通过加热的方式改变相位区波导及光栅区波导的折射率。解决了使用普通光刻工艺低成本快速制备不同起始波长的可调谐半导体激光器的技术问题，利于复杂光子集成器件的制作。

Description

一种可调谐波长半导体激光器 技术领域

本发明涉及通信领域技术领域，尤指一种可调谐波长半导体激光器。

背景技术

半导体激光器是光纤通信系统中的重要光源。它体积小，效率高，十分适合光纤通信系统中使用。目前光纤通信系统普遍使用波分复用方式增加单根光纤的通信容量。每一个通信信道占用一个半导体激光器，不同信道波长不同。传统的固定波长半导体激光器每种只能输出一个波长，因此在波分复用系统中，需要为每个不同的信道准备不同的半导体激光器，极大的增加了运营商的仓储压力。因此在波分系统中急需波长可调谐半导体激光器。一个波长可调谐半导体激光器可以覆盖部分或者全部通信信道，减小运营商备货种类，降低运营商仓储压力及成本。同时可调谐半导体激光器还可以广泛的应用于波分复用系统中各个光网络功能单元内，如光分叉复用器，波长转换器等。因此可调谐半导体激光器在光通信系统中具有举足轻重的作用。随着光通信系统的发展，光子集成器件得到越来越广泛的应用，而可调谐激光器作为重要的光源单元，在光子集成器件中起着举足轻重的作用。

传统的分布布拉格反射镜(DBR)激光器，其反射镜由一段连续的均匀光栅组成，激射波长仅由光栅周期与波导有效折射率决定。因此在波导有效折射率一定的情况下，要大幅度改变DBR激光器的调谐范围的起始波长，需要更改波导光栅的光栅周期。在集成器件，低成本的波导光栅一般由双光束干涉曝光法刻写，同一晶圆上的光栅周期相同，因此制作的DBR可调谐激光器起始波长也是固定的，这使得DBR激光器在光子集成器件中的应用受到限制，当需要两个起始波长不同的DBR激光器同时存在于一个光子集成器件中时，就需要在同一晶圆上更改不同DBR激光器的波导光栅的光栅周期，而要实现这一点一般需要使用电子束光刻等方法进行加工。理论上电子束光刻可以在同一晶圆上刻写任意周期的光栅，可以灵活实现不同DBR激光器起始波长的调整，但是这种方法的成本高昂，产量低，并不适应工业化规模生产。亦或者可以增大激光器的调谐范围，采用四段式的取样光栅DBR激光器，拓展可调谐激光器的调谐范围，实现全部工作波长范围内的调谐。但是四段式可调谐取样光栅激光器，原理复杂，控制电路 十分繁琐。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种可调谐波长半导体激光器。

为达成上述目的，本发明应用的技术方案是：提供一种可调谐波长半导体激光器，包括一段提供增益的半导体有源区、一段进行相位调节的无源波导区以及一段含有取样布拉格光栅的无源波导光栅区，取样布拉格光栅反射谱为梳状反射谱，其中：有源区、波导区以及光栅区依序纵向相连，各区分别具有电极，在有源区中，有一部分端面镀有反射膜，同时光栅区的端面镀有低反射膜，其中有源区电极用于有源区电流注入，相位区电极及光栅区电极用于对波导进行电流注入或者通过加热的方式改变相位区波导及光栅区波导的折射率。

在本实施例中优选，有源区、波导区以及光栅区之间的连接为直接耦合连接，或者为通过透镜通过空间光路连接。

在本实施例中优选，取样布拉格光栅包括布拉格中心波长，有源区包括增益峰，布拉格中心波长远离有源区增益峰，布拉格中心波长在增益峰短波方向，或者在增益峰长波长方向。

在本实施例中优选，布拉格中心波长与有源区增益峰相差大于50nm，以此避免激光器在布拉格中心波长处激射。

在本实施例中优选，取样布拉格光栅的取样周期为P，通过取样布拉格光栅形成梳状反射谱，其中+1反射峰或-1级反射峰处于有源区增益带宽内，取样布拉格光栅+1级反射峰或-1级反射峰与布拉格中心波长的间距由取样周期P决定。

在本实施例中优选，有源区包含增益介质的半导体材料，其波导结构是脊型结构或条形结构。

在本实施例中优选，波导区以及光栅区与有源区采用同一半导体材料体系单片集成，或者与有源区采用不同的半导体材料体系混合集成。

在本实施例中优选，组成光栅区与波导区采用的材料是三五族半导体材料，或者是硅材料、二氧化硅材料、氮化硅材料及聚合物材料。

本发明与现有技术相比，其有益的效果是：具备起始波长低成本灵活调整的能力，可以用于复杂光子集成器件的制作，降低光子集成器件的制作难度与成本， 同时产品成本低廉、适应面广及调整灵活。

附图说明

图1为本发明实施例的结构框图。

图2为取样光栅结构原理图。

图3为取样光栅反射谱示意图。

图4为本发明实施例的增益谱与取样布拉格光栅反射镜的反射谱之间的关系图。

图5为本发明实施例的立体结构图。

图6为本发明实施例的有源区增益谱及取样布拉格反射镜反射谱之间的关系图。

图7为本发明实施例的取样布拉格光栅梳状反射谱峰值间隔与取样周期的关系图。

图8为本发明实施例的激射谱模拟图。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步详细说明。下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明的技术方案，而不应当理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

请参阅图1并结合参阅图4所示，在传统的可调谐DBR半导体激光器中，分布布拉格反射镜一段由均匀光栅构成。而在本发明中，请参阅图1，均匀光栅被替换成一段取样光栅30。取样光栅30是在普通的均匀光栅(即基础光栅)上对部分光栅进行周期性的调制，调制周期为P。通常调制方式为强度调制(即周期性的抹除一部分光栅)，其结构如图2。经过取样以后的光栅反射谱受到取样图形的调制，呈现为梳状(如图3)。梳状反射峰的间隔由调制的取样周期P决定。 反射峰间隔与取样周期P的关系为：

其中n_effg为波导的群折射率，λ₀为取样前均匀光栅的布拉格反射峰，通常取样光栅中，取样周期为微米量级，该量级的图形可以通过普通光刻方便容易的实现。本发明正是利用了取样光栅的这一性质，用以实现可调谐激光器起始波长的调整。通过普通光刻可以灵活的修改取样光栅梳状反射谱的反射峰间隔。当0级反射峰相同时，+1级或者-1级反射峰位置就可以随着取样周期P灵活调整。

在半导体激光器中，激射波长位于阈值增益最低的腔模处。阈值增益受激光器增益介质增益及腔内损耗及镜面损耗共同控制，关系如下：

g_th(λ)＝g(λ)+α_in(λ)+α_m(λ)

其中，g(λ)为有源区的增益谱，α_in(λ)为腔内损耗谱，α_m(λ)为镜面损耗谱，在DBR激光器中，α_m(λ)由DBR光栅反射谱决定。由此可知，我们可以通过对布拉格光栅反射峰位置的调整，调整激光器的激射波长。在普通的DBR激光器中，均匀光栅的反射谱只有一个反射峰，将反射峰移入有源区的增益谱带宽内，激光器将在反射峰处激射。而在取样光栅DBR激光器中，反射谱呈梳状，且强度大小不一(如图3)。一般反射最强烈的在0级反射峰处，其次是+1级或者-1级反射峰。通过调整0级反射峰，+1级或者-1级的位置以及增益谱带宽大小及位置，使得0级反射峰处，增益很小或者没有增益，而使得+1级或者-1级反射峰受收到的增益最大。两者共同作用可以使得+1级或者-1级反射峰处的阈值增益最低，从而实现激光器在+1级或者-1级反射峰处激射的目的(如图4)。而取样光栅的+1级或者-1级反射峰与0级反射峰的位置如前述可以通过取样周期的大小灵活调整，因此可以在0级反射峰位置固定的情况下，进一步的可以调整DBR激光器的起始激射波长。而取样周期一般比较大，取样图案可以通过普通光刻的方式低成本、快速的制得。

在本发明实施例中，取样DBR光栅0级反射峰一般处于远离有源区10增益谱峰值的位置处，使得取样DBR光栅0级反射峰处的增益很小或者呈现吸收状 态；激光器在有源区上设有电极11，注入电流，使得有源区10产生增益；激光器在相位区20及光栅区上均设有电极21，通过注入电流或者热效应改变相位区20或者光栅区的有效折射率，改变取样DBR光栅反射谱的位置，调整激光器的激射波长；取样DBR光栅0级反射峰可以处于有源区增益峰长波方向，也可以处于有源区增益峰短波方向；取样DBR光栅通过适当的取样周期设计，使得+1级或者-1级反射峰，处于有源区增益峰值附近，获得较大的增益，使得此处的阈值增益最低；取样DBR光栅的取样周期可以灵活的在同一晶圆上进行调整，使得在0级反射峰一致的情况下，+1级或者-1级反射峰在不同取样DBR激光器中的位置并不相同。进而使得不同取样DBR激光器的起始激射波长不同，适应集成器件的使用。

请再参阅图、图5并结合参阅图6至图8所示，图5包含一段提供增益的有源区10，一段进行相位调整的无源波导区20，一段包含取样布拉格光栅的波导光栅区30。

有源区10通常采用InGaAsP/InP材料制作，内含量子阱增益区13，在本实施例中，进行相位调整的无源波导区20以及包含取样光栅的波导光栅区30都与的有源区10采用同一材料及单片集成的方式制作。采用的制作工艺如普通DBR半导体激光器，在本实施例中，波导采用脊型波导结构。所不同的地方在于本实施例中，普通DBR激光器中的均匀光栅被替换成了取样光栅22。在有源区10、相位区20、光栅区30上分别含有电极11、21、31，用以对有源区注入电流提供增益及改变相位区及光栅区的有效折射率。

本例中布拉格波导光栅的有效折射率为3.4。利用全息曝光法联合普通光刻，制作取样光栅。取样光栅的光栅周期为242.64nm，取样光栅22的取样周期为5um，取样周期数N为40。通过简单的计算我们可以得到波拉个波导光栅的反射谱如图6。光栅反射谱的0级反射峰位于1650nm处，+1级反射峰位于1570nm处。+1级反射峰波长与取样周期P的关系如图7所示。

在图6中，我们同时显示了本例中采用的有源区的增益谱及取样DBR反射镜反射谱，可以看出有源区10增益谱峰值约在1570nm处，增益谱半高宽约为100nm。可以看出取样光栅的0级反射峰位于有源区增益谱范围以外，而+1级反射峰111位于增益谱范围内。因此只有+1级反射峰能够对有源区10产生的受激 辐射光进行有效的反馈，通过调整相位区的有效折射率，调整DBR激光器内的腔模位置，使DBR激光器内的腔模与+1级反射峰峰值对准。当有源区增益足够克服激光器腔内的损耗时，激光器产生激光。产生的激光波长位于+1级反射峰位置处。

通过在制作取样光栅时对取样周期进行调整，在0级反射峰位置不变的情况下，可以灵活的调整+1级反射峰位置，进而可以调整可调谐DBR激光器的起始波长。而取样光栅的取样图案通常使用普通光刻制作，因此可以低成本快速的制得，从而避免了采用电子束光刻这种昂贵，效率低的方式。最后在激光器两端靠近有源区的端面镀上部分反射膜12，靠近光栅的端面上镀上增透模32。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1. 一种可调谐波长半导体激光器，包括一段提供增益的半导体有源区、一段进行相位调节的无源波导区以及一段含有取样布拉格光栅的无源波导光栅区，取样布拉格光栅反射谱为梳状反射谱，其特征在于：有源区、波导区以及光栅区依序纵向相连，各区分别具有电极，在有源区中，有一部分端面镀有反射膜，同时光栅区的端面镀有低反射膜，其中有源区电极用于有源区电流注入，相位区电极及光栅区电极用于对波导进行电流注入或者通过加热的方式改变相位区波导及光栅区波导的折射率。
2. 如权利要求1所述的可调谐波长半导体激光器，其特征在于：有源区、波导区以及光栅区之间的连接为直接耦合连接，或者为通过透镜通过空间光路连接。
3. 如权利要求2所述的可调谐波长半导体激光器，其特征在于：取样布拉格光栅包括布拉格中心波长，有源区包括增益峰，布拉格中心波长远离有源区增益峰，布拉格中心波长在增益峰短波方向，或者在增益峰长波长方向。
4. 如权利要求3所述的可调谐波长半导体激光器，其特征在于：布拉格中心波长与有源区增益峰相差大于50nm，以此避免激光器在布拉格中心波长处激射。
5. 如权利要求4所述的可调谐波长半导体激光器，其特征在于：取样布拉格光栅的取样周期为P，通过取样布拉格光栅形成梳状反射谱，其中+1反射峰或-1级反射峰处于有源区增益带宽内，取样布拉格光栅+1级反射峰或-1级反射峰与布拉格中心波长的间距由取样周期P决定。
6. 如权利要求5所述的可调谐波长半导体激光器，其特征在于：有源区包含增益介质的半导体材料，其波导结构是脊型结构或条形结构。
7. 如权利要求6所述的可调谐波长半导体激光器，其特征在于：波导区以及光栅区与有源区采用同一半导体材料体系单片集成，或者与有源区采用不同的半导体材料体系混合集成。
8. 如权利要求7所述的可调谐波长半导体激光器，其特征在于：组成光栅区与波导区采用的材料是三五族半导体材料，或者是硅材料、二氧化硅材料、氮化硅材料及聚合物材料。

Images