CN1333500C

CN1333500C - 一种多段式分布反馈半导体激光器

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Publication number: CN1333500C
Application number: CNB2005100892160A
Authority: CN
Inventors: 罗毅; 万钦; 孙长征; 熊兵; 王健
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2025-07-27
Also published as: CN1710761A

Abstract

一种多段式分布反馈半导体激光器，属于光电子器件技术领域，其特征在于：多个DFB段中至少有一个DFB段的波导宽度与其他DFB段不同。DFB激光器的激射波长不仅与光栅周期相关，而且与等效折射率有关。因此，可通过在不同的DFB段采用不同的波导宽度得到等效折射率差，从而实现激射波长的差异，使对应的激射谱产生微小的差异(量级0.01nm)，从而达到波长偏移的效果。此外，还可以对已经制作的光栅结构加以修补，起到优化器件性能的效果。本发明结构新颖，制作工艺简单，将在未来的高速通讯领域具有广泛的应用前景。

Description

一种多段式分布反馈半导体激光器

技术领域

本发明属于光电子器件技术领域，尤其涉及半导体激光器技术领域。

背景技术

本发明是一种可产生高速激光脉冲的激光器装置，其应用范围十分广泛，包括光纤通信骨干网、无线局域网等。下面首先介绍光时钟恢复中该器件的应用，然后简要介绍其作为核心部件构成的归零码(RZ)光源和高频微波源。

现代社会处在一个信息的时代。具有“信息高速公路”之称的国际互联网(Internet)的出现，标志着通信技术从传统语音服务向综合数据业务的转变。这一转变，带来的是对更大的传输容量和更快的传输速率的需求。光纤通信***具有大容量和高速率的优点，目前成为通信***干线网的主要方式，是人类信息社会的基石。自上世纪末以来的20年间，光纤通信***的传输容量经历了从Mb/s到Gb/s再到Tb/s的飞跃。如今，波分复用(WDM)技术日趋成熟，所能提供的传输速率也日渐饱和，创造新技术实现更高速率的长距离光信息传输已经成为一个全球性的研究热点。

光时钟恢复是全光再生的重要组成功能，是自脉动多段式分布反馈(DFB)半导体激光器的主要应用之一。高比特率的数据信号在光纤中传播一段距离后，由于光纤的损耗、色散和非线性的作用而产生了衰减和失真。因此需要设置中继节点来对信号进行放大和整形，即信号的再生。传统的信号再生方法依靠电的方法：将光信号转换成电信号，在电域内对电信号进行处理后，再转换成光信号，从而完成光信号的再生。这一方法包含光-电-光转换，而光信号与电信号之间的转换速率有限，因而最终造成了***传输速率的“瓶颈”。光信号在光域内的再生，即全光再生技术，是实现长距离通信***高传输速率的一个关键。全光再生技术不经过光电转换直接在光域对信号进行再生，可以尽量甚至避免减少信息在网络中间节点的光-电-光转换，从而克服传输速率的“电子瓶颈”。自脉动多段式DFB激光器自身可产生高频率的光脉冲信号，利用该器件在光域内可实现从信号光中提取出信号时钟，实现时钟的恢复。多段式DFB激光器是下一代全光网络中颇具应用潜力的光时钟恢复器件。

另一方面，下一代超高速光网络的各种方案中，光时分复用(OTDM)备受青睐。光时分复用***中使用输出为光脉冲的光源，而非输出为连续光波的光源。传统的RZ码光源采用的是一个连续波光源和两个调制器的组成方式，两个调制器分别用作产生时钟和数据调制。而多段式DFB激光器只需再外加一个调制器就可以构成RZ码光源。相比而言，由多段式DFB激光器组成的RZ码光源具有器件尺寸小、制作成本低等优点。

再次，无线通信能够为人们创造便捷的通信平台，因此无线局域网一直以来就是通信领域研究的热点。然而，随着信息量的不断增加，人们对无线通信带宽的需求也在迅速攀升。在无线通信中，微波被用来做载波信号，更高的带宽意味着需要更高的载波频率。而目前，这个载波频率正越来越接近电子器件能够产生的微波信号的频率极限。多段式DFB激光器的自脉动输出频率为几十GHz左右的光脉冲，用高速探测器接收此光脉冲信号后输出的就能得到相应频率的高频微波信号。该方法能够得到传统电方法无法实现的高频微波信号，为实现更高频率的无线通信提供了可能。

下面来，对多段式DFB激光器的自脉动原理进行说明，以便理解本发明提出的新器件的特点和优势。

理论研究已经表明，多段式DFB激光器是靠多个DFB段的模式间的拍频来产生自脉动。激光器的模式是指能够在激光器谐振腔内存在的稳定光场分布形式。一般而言，模式不同，对应的光波波长也不同。所谓拍频，则是指根据振动迭加原理，频差较小，速度相同的二同向共线传播的简谐波相迭加形成拍频波。拍频波的频率是相叠加二简谐波的频差。目前研究较多的多段式DFB激光器包含两个DFB段。如果两个DFB段的激射模式不同，造成激射波长之间存在微小的差别，两个激射模式发生拍频从而导致器件产生自脉动输出。实验中观测到，多段式DFB激光器自脉动输出的频率，对应两个激射模式之间的频率差，这也反过来验证了拍频自脉动机理。因此，多段式DFB激光器拍频产生自脉动的必要条件是DFB段的激射模式之间的波长的微小差异。

通常，上述多段式DFB激光器由三部分组成：两个DFB段和处在它们之间的相位调节段。通过设计材料参数和器件结构参数，可使得两个DFB段在不同的波长产生谐振输出激光。顾名思义，相位调节段的作用是改变光场通过该段时的相位变化，这是通过改变相位调节段的偏置电压来实现的。不同的相位条件可以得到不同频率的自脉动输出。此外，由于DFB激光器的端面反射率的幅值和相位对其模式特性的影响很大，因而对自脉动的产生也有着至关重要的影响。一般而言，在其他条件完全一致的情况下，端面反射率不同的两个多段式DFB激光器的自脉动特性完全不同。DFB激光器的端面一般由解理而得到，其解理面的位置随机改变无法由制作工艺保证，因此端面反射率的相位也是随机变化的。因此，引入相位调节段亦可以提高多段式DFB激光器的器件制作的可重复性。

鉴于多段式DFB激光器的巨大应用潜力，研究人员对其结构特别是如何产生激射波长的微小差别进行了广泛深入的研究。由于DFB激光器的激射波长与光栅的结构参数密切相关，因而研究的焦点聚集在如何在一个器件中实现不同的光栅参数。常见的方法包括制作不同周期的光栅结构或者引入光栅的非连续性。文献(M.Mohrle，B.Sartorius，C.Bornholdt，etal.，“Detuned grating multisection-RW-DFB lasers for high-speed optical signalprocessing”，IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics，vol.7，no.2，pp.217-223，2001)中报道了对多段式DFB激光器的不同的DFB段制作周期不同的光栅结构。合理的设计两段光栅的周期的大小，使得两段激射波长产生微小的差异，从而满足了产生自脉动的条件。文献(S.Nishikawa，M.Gotoda，T.Nishimura et al.，“Self-pulsationand optical injection locking for multielectrode distributed feedback lasers usingphase-shift-induced modes”，Applied Physics Letters，vol.85，no.21，pp.4480-4481，2004)提供的方法则是仅在一个DFB段引入1/4波长相移光栅。其他结构参数相同的情况下，含1/4波长相移光栅的DFB激光器和含均匀光栅的DFB激光器激射波长存在差异。因此，这一方法得到的器件也可以满足产生拍频自脉动的条件。

如前所述，现有技术都是通过制作不同的光栅结构来实现产生自脉动的条件。在半导体加工工艺中，光栅属于制作难度很高的结构。然而光栅结构的好坏，又是器件性能至关重要的决定因素，一旦光栅参数在制作过程中出现偏差，无法进行微调修补。此外，非均匀光栅的制作不能用相对简单成本低廉的全息曝光方法，而需电子束曝光或者其他复杂的制作工艺。因此，存在成本高，成品率低，制作方法复杂的问题。这些缺点将直接影响多段式DFB激光器的实用化。

发明内容

针对背景技术中提到的缺点，本发明提供了一种新型多段式DFB半导体激光器，集成至少两个单独的DFB段(DFB段之间有过渡段进行电隔离)，其特征在于：多个DFB段中至少有一个DFB段的波导宽度与其他DFB段不同。DFB激光器的激射波长不仅与光栅周期相关，而且与等效折射率有关。因此，可通过在不同的DFB段采用不同的波导宽度得到等效折射率差，从而实现激射波长的差异。本发明的原理是通过这种新的机构——波导宽度的差异，改变光波导的等效折射率，使对应的激射谱产生微小的差异(量级0.01nm)，从而达到波长偏移的效果。此外，引入新机构，可以对已经制作的光栅结构加以修补，起到优化器件性能的效果。

为了简化制作工艺，本发明还提出在所述的多段式DFB激光器中采用具有相同周期的光栅结构，这样可以采用相对简单许多的全息曝光方式制作光栅，又利用DFB段的波导宽度差异引入等效折射率差异和波长偏移，实现高性能、低成本的高速激光器。

相比于其他获得激射波长差异的方法，变波导宽度多段式DFB激光器的优点在于制作方法的简化和成本的降低。从制作工艺角度来看，改变波导的宽度远比制作非均匀光栅简单。绘制具有不同宽度波导的光刻模板，然后简单光刻再腐蚀即可在同一器件中制作不同的波导宽度。

在激光器制作过程中，材料的外延生长是价格昂贵的一步工艺。采用侧向耦合光栅可以避免制作内置光栅，从而减小外延次数，是一种新型DFB激光器。为了简化制作过程，本发明还提出，可以在多个DFB段中采用侧向耦合光栅结构，其光栅位于脊波导两侧。这种结构的激光器可以只进行一次材料外延生长，然后制作侧向耦合光栅和光波导结构。

为了减小端面反射率对自脉动特性的影响以及提高DFB激光器的输出功率，本发明还提出，激光器的两端至少一端采用抗反镀膜，抗反镀膜后的端面反射率范围在10^-4到10％之间。

为了提高DFB段之间的耦合效率，本发明还提出，多个DFB段之间带有宽度渐变的波导段，波导两端的宽度分别与其连接的DFB段的波导宽度相同。

为了进一步优化DFB激光器的工作性能，本发明还提出，所述的激光器采用由两个DFB段和处于两段之间的不含光栅结构的相位调节段，所述相位调节段在与两个DFB段的相邻的部位分别含有一个电隔离过渡段。

本发明具有成本低、成品率高、制作方法简单而又能改善器件性能的优点。

附图说明

图1.变波导宽度的多段式DFB激光器示意图

图2.带有调相段的变波导宽度的多段式DFB激光器示意图

图3.基于侧向耦合光栅的带有调相段的多段式DFB激光器示意图

图中的各个数字标号分别对应于：1.N电极，2.衬底和下包层，3.下波导层，4.多量子阱有源层，5.光栅层，6.上波导层，7.上包层，8.欧姆接触层，9.波导，10.P电极，11.DFB段1，12.过渡段，13.DFB段2，14.相位调节段，15.侧向耦合光栅结构。

具体实施方式

下面介绍一个本发明装置的三个实施例，即变波导宽度多段式DFB激光器，带有调相段的变波导宽度多段式DFB激光器和基于侧向耦合光栅的带有调相段的变波导宽度多段式DFB激光器：

【实施例1】工作波长在1550nm波段内的InGaAsP/InP变波导宽度多段式DFB激光器。

器件的外延材料如下所述。首先在n型衬底材料上一次外延、n型InP缓冲层(厚度200nm、掺杂浓度约1×10¹⁸cm^-2)、100nm厚非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层(光荧光波长1.2微米)、应变InGaAsP多量子阱(光荧光波长1.52微米，7个量子阱：阱宽8nm，0.5％压应变，垒宽10nm，晶格匹配材料，光荧光波长1.2微米)、70nm厚的InGaAsP光栅材料层。接下来通过全息干涉曝光的方法制作出光栅结构。然后二次外延100nm厚p型晶格匹配InGaAsP波导层(光荧光波长1.2微米，掺杂浓度约1×10¹⁷cm^-2)、1.7微米厚P型InP限制层(掺杂浓度从3×10¹⁷cm^-2逐渐变化为1×10¹⁸cm^-2)和100nm厚的p型InGaAs欧姆接触层(掺杂浓度＞1×10¹⁹cm^-2)。

两个DFB段均采用脊波导结构，长度均为400微米，脊宽分别为3、1.5微米，脊两侧沟宽20微米，深1.5微米。两个DFB段之间有长度10微米的波导过渡区，此区域内的欧姆接触层被腐蚀掉，从而形成两个DFB段之间的电极隔离。两个DFB段的表面采用300nm厚的SiO₂绝缘层，脊上的SiO₂被腐蚀掉和金属电极连接。器件的两端均有抗反镀膜，镀膜后反射率小于1％。

本实例的特征参数为：制成的两段式激光器装置的单个DFB段的阈值电流典型值为10mA，边模抑制比达到40dB以上。自脉动输出频率在40GHz左右，可用于40GHz***的光时钟恢复。

【实施例2】工作波长在1550nm波段内的InGaAsP/InP带有调相段的变波导宽度多段式DFB激光器。

器件的外延材料如下所述。首先在n型衬底材料上一次外延n型InP缓冲层(厚度200nm、掺杂浓度约1×10¹⁸cm^-2)、100nm厚非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层(光荧光波长1.2微米)、应变InGaAsP多量子阱(光荧光波长1.52微米，7个量子阱：阱宽8nm，0.5％压应变，垒宽10nm，晶格匹配材料，光荧光波长1.2微米)、70nm厚的InGaAsP光栅材料层。接下来通过全息干涉曝光的方法制作出光栅结构，并通过光刻和湿法腐蚀的方法去除相位调节段区域内的光栅以及往下的量子阱层。然后二次外延p型晶格匹配InGaAsP波导层(光荧光波长1.2微米，掺杂浓度约1×10¹⁷cm^-2，DFB段该层的厚度为100nm)、1.7微米厚P型InP限制层(掺杂浓度从3×10¹⁷cm^-2逐渐变化为1×10¹⁸cm^-2)和100nm厚的p型InGaAs欧姆接触层(掺杂浓度＞1×10¹⁹cm^-2)。

两个DFB段均采用脊波导结构，长度均为400微米，脊宽分别为3、1.5微米，脊两侧沟宽20微米，深1.5微米。DFB段与相位调节段之间有长度10微米的波导过渡区，此区域内的欧姆接触层被腐蚀掉，从而形成不同区段之间的电极隔离。相位调节段为波导宽度渐变的脊波导结构，其两端的波导宽度同与其连接的DFB段的波导宽度相同。两个DFB段的表面采用300nm厚的SiO₂绝缘层，脊上的SiO₂被腐蚀掉和金属电极连接。器件的两端均有抗反镀膜，镀膜后反射率小于1％。

本实例的特征参数为：制成的三段式激光器装置的单个DFB段的阈值电流典型值为10mA，边模抑制比达到40dB以上。自脉动输出频率在40GHz左右，且频率通过改变相位调节段的偏置电流可调谐，可用于10～40GHz***的光时钟恢复。

【实施例3】工作波长在1550nm波段内的基于侧向耦合光栅的带有调相段的变波导宽度多段式DFB激光器。

器件的外延材料通过一次外延在n型衬底材料上形成，包括n型InP缓冲层(厚度200nm、掺杂浓度约1×10¹⁸cm^-2)、100nm厚非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层(光荧光波长1.2微米)、应变InGaAsP多量子阱(光荧光波长1.52微米，7个量子阱：阱宽8nm，0.5％压应变，垒宽10nm，晶格匹配材料，光荧光波长1.2微米)、100nm厚p型晶格匹配InGaAsP波导层(光荧光波长1.2微米，掺杂浓度约1×10¹⁷cm^-2)、1.7微米厚P型InP限制层(掺杂浓度从3×10¹⁷cm^-2逐渐变化为1×10¹⁸cm^-2)和100nm厚的p型InGaAs欧姆接触层(掺杂浓度＞1×10¹⁹cm^-2)。

器件结构的制作方法描述如下。沉积厚度约400nm的SiNx，光刻形成多段式的图形，SF_b等离子体刻蚀掉200nm的SiNx，从而形成电注入条形保护区。通过全息曝光形成光栅图形，采用二级光栅，周期约为400nm；SF₆等离子体刻蚀形成SiNx掩模；利用Cl₂/BCl₃/CH₄等离子体刻蚀制作光栅&波导结构。SF₆等离子体刻蚀掉电注入区域以外的SiNx掩模，利用湿法腐蚀液腐蚀掉电注入区域以外的欧姆接触层。沉积厚度约2μmSiO₂作为绝缘层，光刻腐蚀掉电注入区域顶部的SiO₂；蒸镀Cr/Au合金作为P电极，通过光刻腐蚀将不同区段间的P型电极金属以及往下的欧姆接触层去掉。减薄衬底厚度至约100μm；蒸镀Au/Ge/Ni合金作为N电极。

本实例的特征参数为：制成的三段式激光器装置的单个DFB段的阈值电流典型值为20mA，边模抑制比达到40dB。自脉动输出频率在40GHz左右，且频率通过改变相位调节段的偏执电流可调谐，可用于10~40GHz***的光时钟恢复。

Claims

1、一种多段式分布反馈半导体激光器，集成至少两个中间用过渡段进行电隔离的单独的DFB段，所述DFB是分布反馈的英文缩写形式，其特征在于：所述的激光器的多个DFB段中至少有一个DFB段的波导宽度与其他DFB段不同。

2、根据权利要求1所述的多段式分布反馈半导体激光器，其特征在于：所述的激光器的多个DFB段具有相同周期的光栅结构。

3、根据权利要求1所述的多段式分布反馈半导体激光器，其特征在于：所述的激光器的多个DFB段采用侧向耦合光栅结构，其光栅位于脊波导两侧。

4、根据权利要求1所述的多段式分布反馈半导体激光器，其特征在于：所述的激光器的两端至少一端采用抗反镀膜，抗反镀膜后的端面反射率范围在10^-4到10％之间。

5、根据权利要求1所述的多段式分布反馈半导体激光器，其特征在于：所述的激光器的多个DFB段之间的过渡段中带有宽度渐变的波导，波导两端的宽度分别与其连接的DFB段的波导宽度相同。

6、根据权利要求1～5中任意一项权利要求所述的多段式分布反馈半导体激光器，其特征在于：所述的激光器由两个DFB段和处于两段之间的不含光栅结构的相位调节段组成，所述相位调节段内在与两个DFB段相邻的部位分别含有一个电隔离过渡段。