高速直調v型耦合腔可調諧半導體激光器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種高速直調V型耦合腔可調諧半導體激光器。它包括半波耦合器、波長參考FP諧振腔和波長調諧FP諧振腔；所述波長參考FP諧振腔由短腔有源波導和短腔無源波導串接構成，波長調諧FP諧振腔由長腔有源波導和長腔無源波導串接構成；短腔有源波導與短腔無源波導的光學長度比例等于長腔有源波導與長腔無源波導的光學長度比例，這樣激光器在高速直接調制時，不會跳模。該激光器還可以進一步包含在半波耦合器頂部增加的一段薄膜電阻來增大調諧范圍；包含腔外增加的兩段有源波導和深刻蝕槽來減小激光器閾值，并提供片上集成的光功率計。本發明可以覆蓋C波段甚至更大范圍的調諧，并對每個通信波長實現10Gbps以上的直接調制性能。
【專利說明】高速直調V型耦合腔可調諧半導體激光器
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體激光器，尤其涉及一種高速直調V型耦合腔可調諧半導體激光 器。
【背景技術】
[0002]高速直調的寬帶可調諧的半導體激光器在接入網和數據交換網中有著非常廣泛 的應用。不僅可以用作備份光源，減少庫存成本，還可以用來設計更加智能的光網絡或者光 模塊。例如，可調諧激光器和波分復用器件一起可以實現可重構光上載下載復用器；可調諧 激光器還可以與半導體光放大器一起構成波長轉換器。
[0003]目前所提出的單片集成的大范圍可調諧半導體激光器大多數都是基于光柵選模， 這些激光器由于需要制作光柵，工藝十分復雜，而且所需要的外延片面積也比較大，導致成 本很高，阻礙了很多應用的推廣。例如，圖1為基于調制光柵Y型(MG-Y)可調諧半導體激 光器的結構不意圖，被報道于"High-speed direct modulation of widely tunable MG-Y laser" , IEEE Photonics Technology Letters, 17 (6) (2005): 1157-1159.這種 MG-Y 可 調諧半導體激光器包含一個增益區，一個共同相位區，一個MMI耦合器，一個微分相位區以 及兩個光柵，結構十分復雜；該激光器實現單模穩定工作和波長調諧需要調節共同相位區、 微分相位區和光柵上的注入電流，這種多電極協調的調諧算法十分復雜，不利于激光器驅 動電路的設計和激光器高效批量化生產，而且高昂的成本阻止了應用的推廣。
[0004]為了提供廉價的可調諧半導體激光器，何建軍于2006年提出了一種基于V型腔結 構的半導體激光器，公開于中國發明專利:"V型耦合腔波長可切換半導體激光器"，專利 號ZL 200610154587.7。這種激光器可以實現約20多個信道，IOOGHz間隔的數字式切換，但 是由于該設計只在構成V腔的兩個FP諧振腔中的一個FP諧振腔設置了一個無源調諧區， 激光器其余部分都為有源，雖然可以實現20多個信道的切換，激射電流閾值比較低，但是 高速直接調制的速度受到腔內載流子濃度變化引起的波長跳模的限制，因為在激光器耦合 器注入微波信號后，兩個FP諧振腔的載流子水平變化不一致，很容易發生激射模式跳變， 這樣極大程度的限制了該設計的應用；而且該設計想擴大調諧范圍覆蓋整個C波段或者更 大的范圍，將必須不斷增大有源區的電流以產生熱量來移動增益譜，由于大電流的注入，將 會使激光的噪聲水平很高，線寬特性會惡化，不同信道間的功率差異也十分大，且對于激光 器的壽命也會產生明顯影響。

【發明內容】

[0005]針對【背景技術】的不足，本發明的目的在于提供一種高速直調V型耦合腔可調諧半 導體激光器，它可以容易的實現高速直接調制，同時又具有一個覆蓋整個C波段甚至更大 的波長調諧范圍，并且可以集成光功率計實現實時片上功率監測。
[0006]本發明采用的技術方案是:
[0007]技術方案1:[0008]本發明包括半波耦合器、波長參考FP諧振腔和波長調諧FP諧振腔；其特征在于:所述波長參考FP諧振腔由短腔有源波導和短腔無源波導串接構成，波長調諧FP諧振腔由長腔有源波導和長腔無源波導串接構成；短腔有源波導與短腔無源波導的光學長度比例等于長腔有源波導與長腔無源波導的光學長度比例；短腔有源波導和長腔有源波導上設置有調制信號電極，長腔無源波導上設置有波長調諧電極。
[0009]所述短腔無源波導上設置有波長微調電極。
[0010]所述短腔有源波導和長腔有源波導上設置有加熱薄膜電阻，加熱薄膜電阻在調制信號電極上方，加熱薄膜電阻和調制信號電極之間有一層電絕緣薄層；加熱薄膜電阻兩側分別設置有上熱空氣隔離槽和下熱空氣隔離槽。
[0011]技術方案2:
[0012]本發明包括半波耦合器、波長參考FP諧振腔和波長調諧FP諧振腔；其特征在于:所述波長參考FP諧振腔由短腔有源波導和短腔無源波導串接構成，波長調諧FP諧振腔由長腔有源波導和長腔無源波導串接構成；短腔有源波導與短腔無源波導的光學長度比例等于長腔有源波導與長腔無源波導的光學長度比例；短腔有源波導和長腔有源波導上設置有調制信號電極，長腔無源波導上設置有波長調諧電極，短腔無源波導上設置有波長微調電極；所述短腔無源波導通過短腔深刻蝕槽串接有短腔ro有源波導，短腔ro有源波導上設置有短腔ro電極；長腔無源波導通過長腔深刻蝕槽串接有長腔ro有源波導，長腔ro有源波導上設置有長腔ro電極。
[0013]所述短腔有源波導和長腔有源波導上設置有加熱薄膜電阻，加熱薄膜電阻在調制信號電極上方，加熱薄膜電阻和調制信號電極之間有一層電絕緣薄層；加熱薄膜電阻兩側分別設置有上熱空氣隔離槽和下熱空氣隔離槽。
[0014]本發明與【背景技術】相比，具有的有益效果是:
[0015]I)本發明無需制作光柵，結構簡單，成本低，成品率高。
[0016]2)本發明無需多電極協同調諧，調諧算法簡單。
[0017]3)本發明兩個FP諧振腔采用對稱型設計，都設置有無源段，大于或等于IOGbps速率的高速直調時不會跳模，容易實現所有信道的高速直接調制。
[0018]4)本發明采用加熱薄膜電阻在半波耦合器區域來產生熱以移動增益譜，實現整個C波段甚至更大的波長調諧范圍，卻不會影響激光器的線寬特性、出射功率均衡性、噪聲特性以及工作壽命。
[0019]5)本發明提供了片上集成光功率計，減少了封裝成本，增加了模塊穩定性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為【背景技術】中基于調制光柵Y型(MG-Y)可調諧半導體激光器的結構示意圖。
[0021]圖2是本發明第I個實施例的結構示意圖。
[0022]圖3是第I個實施例中輸出功率和調制信號電極注入電流之間的功率-電流曲線。
[0023]圖4是第I個實施例中改變波長調諧電極注入電流得到的靜態調諧特性圖。
[0024]圖5是第I個實施例中快速改變波長調諧電極注入電流得到的波長切換瞬時響應圖。[0025]圖6是第I個實施例中進行IOGbps直接調制的眼圖。
[0026]圖7是本發明第2個實施例的結構示意圖。
[0027]圖8是本發明第3個實施例的結構示意圖。
[0028]圖9是本發明第4個實施例的結構示意圖。
[0029]圖中:1、半波耦合器，2、波長參考FP諧振腔，3、波長調諧FP諧振腔，101、短腔 有源波導，102、長腔有源波導，103、短腔無源波導，104、長腔無源波導，105、短腔TO有源 波導，106、長腔ro有源波導，111、深刻蝕面，112、上熱空氣隔離槽，113、下熱空氣隔離槽， 114、短腔深刻蝕槽，115、長腔深刻蝕槽，121、調制信號電極，122、波長微調電極，123、波長 調諧電極，124、短腔電極，125、長腔電極，131、加熱薄膜電阻。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。
[0031]如圖2所示，是本發明高速直調V型耦合腔可調諧半導體激光器的第I個實施例。 本發明包括半波耦合器1、波長參考FP諧振腔和波長調諧FP諧振腔；所述波長參考FP諧 振腔2由短腔有源波導101和短腔無源波導103串接構成，波長調諧FP諧振腔3由長腔有 源波導102和長腔無源波導104串接構成；短腔有源波導101與短腔無源波導103的光學 長度比例等于長腔有源波導102與長腔無源波導104的光學長度比例；短腔有源波導101 和長腔有源波導102上設置有調制信號電極121，長腔無源波導104上設置有波長調諧電極 123。
[0032]所述短腔無源波導103上設置有波長微調電極122。
[0033]無源波導可以通過偏置量子阱技術或者量子阱混雜等能帶技術實現。
[0034]激光器工作時，調制信號電極121上注入帶調制信號的電流，提供隨信號變化的 增益，還可以通過偏置電流提供一定范圍內的相位調整；改變波長調諧電極123的注入電 流可以實現快速波長調諧。對于整個激光器而言，調制信號電極121和波長調諧電極123 一起工作就可以保證激光器的正常工作了 ；當然增加波長微調電極122可以增加激光器波 長調諧的靈活性，通過波長微調電極122注入電流也可以切換波長，不過方向與通過波長 調諧電極123來調諧相比，切換方向是反方向的，另外，波長微調電極122與波長調諧電極 123協調調諧時可以提供相位調整，用來實現小范圍的波長連續微調。
[0035]如圖3所示，是第I個實施例中輸出功率和調制信號電極注入電流之間的功 率-電流曲線，該曲線是波長微調電極122和波長微調電極122都偏置在18mA時計算得到。 可以看出激光器的激射閾值電流為35mA，調制信號電極121注入電流為IOOmA時，輸出功率 約為9.5mW，性能比較理想，滿足了大多數情況下的要求。如圖4所示，是第I個實施例中 改變波長調諧電極注入電流得到的靜態調諧特性圖，該曲線是在波長參考FP諧振腔2和波 長調諧FP諧振腔I分別為420 y m和440 u m,調制信號電極121和波長微調電極122分別 偏置在IOOmA和18mA時計算得到，可以看到21個信道切換可以實現，而且電流變化范圍僅 僅為9mA到24mA，調諧效率很高。
[0036]如圖5所示，是第I個實施例中快速改變波長調諧電極注入電流得到的波長切換 瞬時響應圖。由于是采用的無源波導利用載流子注入效應來進行調諧，波長切換速率非常 快，由圖中可以看到在低于8ns的情況下，激射波長就可以穩定切換到對應波長。[0037]對于直接調制，無論載流子濃度如何變化，只有在滿足:
/7p Zjp /Zot L/^/ * \
[0038]=(I)
Lu L21
[0039]時，才能實現無跳模工作。其中Ln、L12、L21和、L22分別為短腔有源波導101、短腔無源波導103、長腔有源波導102和長腔無源波導104的長度，n12和n22分別是短腔無源波導103和長腔無源波導104對應的折射率，只要n12和n22不隨調制信號變化而變化即可實現無跳模直接調制。
[0040]載流子濃度由:I \ [j
[0041 ]—-AN-BN2-OVr' -2gv,.P(2)
dt de°
[0042]描述，其中N為載流子濃度，J為注入電流密度，d為有源區厚度，e為電子電量，A、 B和C分別為非輻射復合系數、雙分子復合系數和俄歇復合系數，g為增益系數，Vg為群速度，P為光功率。對于有源波導而言，如果光功率發生變化，式(2)中2gvgP這一項將會明顯影響載流子濃度；但是對于無源波導，由于增益系數g幾乎為零，2gvgP這一項對載流子濃度的影響可以忽略。
[0043]對于高速直接調制而言，中國發明專利:"V型耦合腔波長可切換半導體激光器"(專利號ZL 200610154587.7)的直接調制速率受到限制，這是由于它的設計中兩個FP 諧振腔不對稱，其中波長參考FP諧振腔2是全有源的，這樣耦合區調制電流在變化時，由于光功率實時變化，受式⑵中2gvgP的影響，參考FP諧振腔2中并非只有耦合器部分的載流子濃度在變化，而是所有區域的的載流子濃度都在變化；但是波長調諧FP諧振腔3中只有長腔有源波導102中的載流子濃度在變化，長腔無源波導104中的載流子濃度卻不受影響。 由于波導的折射率隨載流子濃度變化，這樣式(I)就沒法滿足，故直接調制可能造成跳模。
[0044]但是對于本發明提出的設計方案，波長參考FP諧振腔2由短腔有源波導101和短腔無源波導103構成，波長調諧FP諧振腔3由長腔有源波導102和長腔無源波導104構成。這樣調制信號電極121上注入大信號的RF信號時，短腔無源波導103和長腔無源波導 104中的載流子濃度不會隨光功率發生變化，而且由于短腔有源波導與短腔無源波導的光學長度比例等于長腔有源波導與長腔無源波導的光學長度比例，這樣(I)式可以一直被滿足，使得兩諧振腔的諧振模波長隨有源波導中的載流子濃度變化同步移動，不會跳模，可以實現高速直接調制。
[0045]如圖6所示，是第I個實施例中進行IOGbps直接調制的眼圖，消光比達到了 8dB， 可以滿足接入網以及一些互聯網絡的要求。另外，我們可以通過優化電極設計和波導的寬度，可以實現更高的直接調制速率。
[0046]如圖7所示，是本發明高速直調V型耦合腔可調諧半導體激光器的第2個實施例。 所述短腔有源波導101和長腔有源波導102上設置有加熱薄膜電阻131，加熱薄膜電阻131 在調制信號電極121上方，加熱薄膜電阻131和調制信號電極121之間有一層電絕緣薄層進行隔離；加熱薄膜電阻131兩側分別設置有上熱空氣隔離槽112和下熱空氣隔離槽113 對熱進行限制。
[0047]本發明與第I個實施例的差別在于本發明在第I個實施例的基礎上增加了加熱薄膜電阻131、上熱空氣隔離槽112和下熱空氣隔離槽113。[0048]可以通過加熱薄膜電阻131加熱半波耦合器I區域的有源波導，這樣增益材料的增益譜會紅移；半波耦合器I的最佳耦合條件也會紅移，如此該設計可以取得更大范圍的調諧范圍，并不會對噪聲和線寬產生影響，而且可以兼得實施方案I中所有的特性。
[0049]這種熱調諧加電調諧的設計無法在所有信道間實現快速調諧，但是可以在每個自由光譜范圍內可以實現快速調諧，這足以滿足一些應用的要求。
[0050]如圖8所示，是本發明高速直調V型耦合腔可調諧半導體激光器的第3個實施例。本發明包括半波耦合器1、波長參考FP諧振腔和波長調諧FP諧振腔；所述波長參考FP諧振腔2由短腔有源波導101和短腔無源波導103串接構成，波長調諧FP諧振腔3由長腔有源波導102和長腔無源波導104串接構成；短腔有源波導101與短腔無源波導103的光學長度比例等于長腔有源波導102與長腔無源波導104的光學長度比例；短腔有源波導101和長腔有源波導102上設置有調制信號電極121，長腔無源波導104上設置有波長調諧電極123，短腔無源波導103上設置有波長微調電極122 ;所述短腔無源波導103通過短腔深刻蝕槽114串接有短腔ro有源波導105，短腔ro有源波導105上設置有短腔ro電極124 ;長腔無源波導104通過長腔深刻蝕槽115串接有長腔ro有源波導106，長腔ro有源波導106上設置有長腔ro電極125。
[0051]本發明與第I個實施例的差別在于本發明在第I個實施例的基礎上增加短腔ro有源波導105和長腔ro有源波導106，這兩段波導可以用來作為激光器的光功率計，這樣可以簡化封裝工藝；短腔ro電極124和長腔ro電極125也可以合為一個電極；另外短腔深刻蝕槽114和長腔深刻蝕槽115替代了第I個實施例中的深刻蝕面111，可以更大的反射率，讓整個激光器的閾值更低。
[0052]第3個實施例的制作工藝與第I個實施例的加工工藝一樣，區別是為了實現更多的功能，第3個實施例占用了更多的外延片面積。
[0053]如圖9所示，是本發明高速直調V型耦合腔可調諧半導體激光器的第4個實施例。所述短腔有源波導101和長腔有源波導102上設置有加熱薄膜電阻131，加熱薄膜電阻131在調制信號電極121上方，加熱薄膜電阻131和調制信號電極121之間有一層電絕緣薄層進行隔離；加熱薄膜電阻131兩側分別設置有上熱空氣隔離槽112和下熱空氣隔離槽113對熱進行限制。
[0054]本發明與第3個實施例的差別在于本發明在第3個實施例的基礎上增加了加熱薄膜電阻131、上熱空氣隔離槽112和下熱空氣隔離槽113。其中加熱薄膜電阻131設置在短腔有源波導101和長腔有源波導102上，加熱薄膜電阻131和調制信號電極121之間有一層電絕緣薄層進行隔離；加熱薄膜電阻131兩側設置有上熱空氣隔離槽112和下熱空氣隔離槽113對熱進行限制。
[0055]與第2個實施例一樣，本實施例可以通過加熱薄膜電阻131加熱來取得更大范圍的調諧范圍，并不會對噪聲和線寬產生影響，而且可以兼得實施方案3中所有的特性。
【權利要求】
1.一種高速直調V型耦合腔可調諧半導體激光器，包括半波耦合器(I)、波長參考FP諧振腔和波長調諧FP諧振腔；其特征在于:所述波長參考FP諧振腔(2)由短腔有源波導(101)和短腔無源波導(103)串接構成，波長調諧FP諧振腔(3)由長腔有源波導(102)和長腔無源波導(104)串接構成；短腔有源波導(101)與短腔無源波導(103)的光學長度比例等于長腔有源波導(102)與長腔無源波導(104)的光學長度比例；短腔有源波導(101)和長腔有源波導(102)上設置有調制信號電極(121 )，長腔無源波導(104)上設置有波長調諧電極(123)。
2.根據權利要求1所述的一種高速直調V型耦合腔可調諧半導體激光器，其特征在于:所述短腔無源波導(103)上設置有波長微調電極(122)。
3.根據權利要求2所述的一種高速直調V型耦合腔可調諧半導體激光器，其特征在于:所述短腔有源波導(101)和長腔有源波導(102)上設置有加熱薄膜電阻(131)，加熱薄膜電阻(131)在調制信號電極(121)上方，加熱薄膜電阻(131)和調制信號電極(121)之間有一層電絕緣薄層；加熱薄膜電阻(131)兩側分別設置有上熱空氣隔離槽(112)和下熱空氣隔離槽(113)。
4.一種高速直調V型耦合腔可調諧半導體激光器，包括半波耦合器(I)、波長參考FP諧振腔和波長調諧FP諧振腔；其特征在于:所述波長參考FP諧振腔(2)由短腔有源波導(101)和短腔無源波導(103)串接構成，波長調諧FP諧振腔(3)由長腔有源波導(102)和長腔無源波導(104)串接構成；短腔有源波導(101)與短腔無源波導(103)的光學長度比例等于長腔有源波導(102)與長腔無源波導(104)的光學長度比例；短腔有源波導(101)和長腔有源波導(102)上設置有調制信號電極(121 )，長腔無源波導(104)上設置有波長調諧電極(123)，短腔無源波導(103)上設置有波長微調電極(122);所述短腔無源波導(103)通過短腔深刻蝕槽(114)串接有短腔ro有源波導(105)，短腔ro有源波導(105)上設置有短腔ro電極(124);長腔無源波導(104)通過長腔深刻蝕槽(115)串接有長腔H)有源波導(106)，長腔ro有源波導(106)上設置有長腔ro電極(125)。
5.根據權利要求4所述的一種高速直調V型耦合腔可調諧半導體激光器，其特征在于:所述短腔有源波導(101)和長腔有源波導(102)上設置有加熱薄膜電阻(131)，加熱薄膜電阻(131)在調制信號電極(121)上方，加熱薄膜電阻(131)和調制信號電極(121)之間有一層電絕緣薄層；加熱薄膜電阻(131)兩側分別設置有上熱空氣隔離槽(112)和下熱空氣隔離槽(113)。
【文檔編號】H01S5/14GK103579900SQ201310545457
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月5日 優先權日:2013年11月5日
【發明者】武林, 鄧浩瑜, 孟劍俊, 何建軍 申請人:浙江大學