CN201038595Y

CN201038595Y - 一种可调谐半导体激光器

Info

Publication number: CN201038595Y
Application number: CNU2007200841727U
Authority: CN
Inventors: 何晓颖; 余永林; 黄德修
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2007-04-13
Filing date: 2007-04-13
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2017-04-13

Abstract

本实用新型公开了一利可调谐半导体激光器，增益段的两端分别由两个布拉格反射段限定边界，前端和后端布拉格反射段都可设计为布拉格光栅，该光栅在形式上适用于生成峰值均衡的梳状反射峰。激光器的两个布拉格反射段还可以设计成布拉格光栅的各种变迹、相移和啁啾的形式。利用游标卡尺的原理，改变激光器两端布拉格反射段的折射率值，从而实现宽谱的准连续调谐。本实用新型的输出光功率高，每个信道的光功率一致性好，动态波长切换的速率高。

Description

一种可调谐半导体激光器

技术领域

本实用新型属于激光技术领域，具体涉及一种可调谐半导体激光器，该激光器是一种基于数字级联光栅的布拉格反射激光器。

背景技术

随着网络容量的增加和传输速率的提高，需要为每个波长信道配置一个固定波长的激光器，这将限制了整个网络的扩容和灵活性，而且增加了网络运行的成本，导致网络管理更加复杂化。固定波长激光器除了在网络领域有局限性，在传感***、大气通信和测量等领域中，同样限制了***的灵敏度、响应速度、扩展性。和固定波长激光器相比下，可调谐半导体激光器能够大大降低花在网络中光源配备，备份和维护上的巨额费用，提高网络的灵活性，扩展性。并且在全光网络***中可调谐半导体激光器是实现全光波长转换、全光交叉连接(OXC)、光分插复用(OADM)、光标记交换(OLS)等器件的核心。除了在光网络***中，还可在大气检测、通信和频率调制的传感***中用做光源。

一般来讲，一种可知的可调激光器通常可由电流注入改变折射率、热效应改变温度、改变拉伸(收缩)应力、机械转动和移动等方式实现调谐。

美国L. A.Coldren等人在US-A-4896325公开了在其增益段的前部和后部都是取样光栅的可调谐半导体激光器，其结构如图1所示。其包含有增益段A、相位段B、和前、后布拉格反射段C和D。前布拉格反射段C和后布拉格反射段D主要由能够生成梳状反射谱的取样布拉格光栅构成。取样布拉格光栅在一个取样周期Z0内的光栅结构如图2(a)所示，其中光栅段1的长度为Zg。其反射谱如图2(b)具有Sinc函数谱包络的梳状谱。前布拉格反射段C的梳状反射峰间距和后布拉格反射段D的光谱峰值间距有微小的差别，这样在前、后布拉格反射段C和D的两个梳状反射谱之间存在游标卡尺的效应。通过电注入的方式来实现准连续宽波段调谐。

因此，近年来用游标卡尺原理实现波长准连续调谐的技术已受到学术界广泛的关注，各种基于此波长调谐技术的可调谐半导体激光器先后出现，例如：日本NTT公司设计的超结构光栅布拉格反射激光器(H.Ishii，H.Tanobe， F. Kano， et al. “Quasicontinuous wavelength tuning insuper-structure-grating DBR lasers”，J.Quantum.Electron.，32(3)，pp.433-441，1996)，I.A.Avrutsky等人设计的二进制超强光栅布拉格反射激光器(I.A.Avrutsky，D.S.Ellis，A.Tager， et al，“Design of widely tunable semiconductorlasers and the concept of binary superimposed gratings”，J.Quantum.Electron.，34(4)，pp.729-74 1，1 998)，英国的bookham设计的数字超模布拉格反射激光器(A.J.Ward，D.J.Robbins，G. Busico，et al，“Widely tunable DS-DBR laserwith monolithically integrated SOA：design and performance”，Journal ofSelected topics in quantum electronics，11(1)，pp.1 49-1 56，2005)。还有一种用于波分复用(WDM)***中改进式取样光栅——间插取样光纤光栅(美国专利：US-B1-6317539)。该专利中的间插取样光纤光栅是将N个具有不同布拉格波长且占空比非常小的取样光栅在光纤上交替间插，该间插取样光纤光栅的反射谱也是N个相同峰值间隔梳状谱交替间插，让整个反射谱的信道数增加为原来单个取样光纤光栅的N倍。这种间插光纤取样光栅主要是用于WDM***中做色散补偿，波分复用器和上下复用器等，但在2000见到了相移间插式取样光栅激光器的理论报道(M.Gioannini andI.Montrosset“Novel interleaved sampled grating mirrors for widely tunableDBR lasers”，IEE proceeding，148(1)，pp13-18，2001)。上述的相移间插式取样光栅激光器的报道文献不多，且由于制作的难度，仅限于理论的研究。

美国L. A.Coldren等人制作的取样光栅半导体激光器(SG-DBR)的取样光栅的反射谱是Sinc函数包络的形状，导致在宽波段调谐时存在各信道的输出光功率不一致性，而且损耗过大，输出光功率过小等问题。

日本制作的超结构光栅半导体激光器(SSG-DBR)在波长调谐的过程中出现模式缺少现象(原本有模式激射的波长没有出现光激射)，输出模式不稳定，而且输出功率过小的问题仍然没有解决，仍然需要与半导体光放大器集成从而获得高的光输出功率。

I.A.Avrutsky等人设计的二进制超强光栅布拉格反射激光器(BSG-DBR)由于二进制超强光栅制作难，目前还没有制作出实际的产品。

Bookham制作的数值超模布拉格反射激光器(DS-DBR)输出功率仍然很低需要通过半导体光放大器(SOA)来提高输出功率。而且激光器中的前端光栅是采用由多个分立的光栅段组成，每一段都是以某个单一波长为中心并具有宽波长反射谱，需要多个接触电极，这种设计结构使得波长切换时候响应速度降低。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种可调谐半导体激光器，它可以解决现有激光器在调谐波段上输出光功率值不一致和输出光功率过低的问题，并能实现快速波长切换。

本实用新型提供的一种可调谐半导体激光器，包括前布拉格反射段和后布拉格反射段、以及位于二者之间的增益段，每段均包括上波导层、有源层和下波导层，有源层位于上波导层和下波导层之间；其特征在于：在每段上均制作有电极，前布拉格反射段的前端和后布拉格反射段的后端都分别镀有增透膜；前、后布拉格反射段具有形成在上波导层中的前、后布拉格光栅；

前布拉格光栅由若干个相同的第一数字级联光栅段构成，第一数字级联光栅段的长度为Z01，它由N个不同中心波长的光栅子段构成，N个光栅子段的布拉格波长呈现等差数列的排列；

后布拉格光栅由若干个相同的第二数字级联光栅段构成，第二数字级联光栅段的长度为Z02，它由N个不同中心波长的光栅子段构成，所有光栅子段的布拉格波长呈现等差数列的排列。

本实用新型的优点在于：

1、本实用新型采用的布拉格光栅的梳状反射谱的峰值均衡性很好，而且这种布拉格光栅没有像取样光栅一样的空白间隙区(不需要制作光栅的区域)，这样整个光栅设计的长度相对于取样光栅要短。因而使得可调谐半导体激光器在准连续调谐范围的每个波长上的输出功率值一致性很好并具有高输出光功率。

2、本实用新型的制作电极数要远小于数值超模布拉格反射激光器(DS-DBR)的电极数目，在切换的时候不需要大量的电极切换电路，所以在波长切换的过程中自然提高了切换速度。

3、本实用新型的结构简单，容易实现和制作，易于各种半导体器件集成，实现各种不同的功能。

4、本实用新型利用的是游标卡尺调谐原理，可使得可调谐半导体激光器获得宽的准连续调谐谱和窄的光谱线宽。

附图说明

图1是现有的四段式可调谐取样光栅半导体激光器的横截面示意图；

图2(a)为图1中布拉格反射段中一个周期内的取样光栅段的结构示意图；

图2(b)为图1中布拉格反射段中取样光栅的梳状反射谱；

图3为本实用新型的含有数字级联光栅的可调谐半导体激光器(四段式)的横截面示意图；

图4(a)为本实用新型的布拉格反射段中数字级联光栅段的第一个实施实例的结构示意图；

图4(b)为第一个实施实例中本实用新型的布拉格反射段的反射谱；

图5(a)为本实用新型的布拉格反射段中数字级联光栅段的第二个实施实例的结构示意图；

图5(b)为第二个实施实例中本实用新型的布拉格反射段的反射谱；

图6(a)为本实用新型的布拉格反射段中数字级联光栅段的第三个实施实例的结构示意图；

图6(b)为第三个实施实例中本实用新型的布拉格反射段的反射谱；

图7为本实用新型的可调谐半导体激光器的前、后布拉格反射段的梳状反射谱。

具体实施方式

可调谐半导体激光器要实现每个信道的高输出功率、每个信道的输出光功率均衡、高的动态波长切换速度等，就必须具有反射峰值均衡的梳状反射谱的短布拉格反射段。本实用新型针对上面这一点，对两端布拉格反射段的光栅结构进行了新的设计。本实用新型的核心思想：如果将具有不同中心波长的梳状反射谱按照反射谱的峰值间距进行等间距的级联，这样就可以对峰值较低反射峰进行补偿来均衡反射峰值。这个思想反映到实空间就是：布拉格反射段波导层中的布拉格光栅是由若干个光栅段构成，而光栅段由N(N≥3)个不同中心波长的光栅子段级联而成，所有光栅子段的布拉格波长呈现等差数列的排列，从而称这个光栅段为数字级联光栅段。假设整个布拉格反射段的等效布拉格中心波长为λc，那么对应该等效中心波长的光栅周期为Λc，有效折射率为neffc，则级联的N个光栅子段与布拉格反射段的等效中心波长λ。之间的关系可以表示为：

其中

其中n_eff(i)、Λi分别为级联的任意一个光栅子段的有效折射率和光栅周期。λi为第i个子段的布拉格波长。N是级联的光栅子段的个数。当N取为大于2的偶数时，则有M＝m×(i+1/2)，其中m是一个大于等于3小于等于N+1的正整数，i是绝对值小于(N-2)/2的整数。当N取大于等于3的奇数时，则有M＝m×(i)，其中m是一个大于等于3小于等于N+1的正整数，i是绝对值小于(N-1)/2的整数。而且中心光栅与数字级联光栅段的长度Z0满足下面关系式：

Z0＝NncΛc (2)，

其中n_c为Z₀/N段长度内中心光栅的周期数。

对用于光通信领域的一般III-V族可调谐半导体激光器，其激射的中心波长可公认为1 550nm，那么中心波长对应光栅的有效折射率也是确定的大约为3.45。这两个值确定了，且布拉格反射段的一个周期内长度给定，那么用于通信中的本实用新型可调谐半导体激光器的布拉格反射段中的数字级联光栅段的设计结构就可有下面两种情况精确的确定。

只要制作本实用新型的材料产生离子束反转的激射波段允许，本实用新型的可调谐半导体激光器工作的中心波长除了1550nm外，还可工作于其他的中心波长上。

为了实现满足公式(1)和(2)所反应的数字级联光栅段，第一种情况为令Λi等于Λc时，公式(1)和(2)联合确定了N个光栅子段的有效折射率值：

第二种情况令n_eff(i)等于neffc，公式(1)和(2)可以联合，确定N个光栅子段的光栅周期为：

由上面的(1)—(4)式，数字级联光栅段中的每个光栅子段的光栅周期、有效折射率、长度都可以确定。

参照图3，它们显示了本实用新型的可调谐半导体激光器的横截面示意图。与半导体激光器中的常规情况一样，该激光器由一系列生长层构成，包括上波导层2、有源层3和下波导层4，有源层3位于上波导层2和下波导层4之间。

如图3所示，本实用新型的可调谐半导体激光器由四段构成，依次为前布拉格反射段5、增益段6、相位段7和后布拉格反射段8，在每段上单独制作有电极11、12、1 3和14。相位段7可以放在后布拉格反射段8和增益段6之间，也可以放在前布拉格反射段5和增益段6之间。如果不需要准连续的波长调谐，也可以在可调谐半导体激光器中不制作相位段7。前布拉格反射段5的前端和后布拉格反射段8的后端都分别镀有增透膜15、16，来保证获得高输出功率。前、后布拉格反射段5和8具有形成在上波导层2中的前、后布拉格光栅9和10。

前布拉格光栅9是由若干个相同的第一数字级联光栅段17构成，第一数字级联光栅段17的长度为Z01，它由N个不同中心波长的光栅子段构成，N个光栅子段的布拉格波长呈现等差数列的排列，且级联的N个光栅子段与前布拉格光栅9的等效中心波长之间的关系在表达式(1)中描述出来了，只是表达式(1)中的Z0＝Z01。

后布拉格光栅10是由若干个相同的第二数字级联光栅段18构成。第二数字级联光栅段18的长度为Z02，它由N个不同中心波长的光栅子段构成，所有光栅子段的布拉格波长呈现等差数列的排列，且级联的N个光栅子段与前布拉格光栅1 0的等效中心波长之间的关系在表达式(1)中描述出来了，只是表达式(1)中的Z0＝Z02。

第一、第二数字级联光栅段17、18的长度设计与现有的取样光栅半导体激光器中前、后取样光栅的取样周期的长度设计一致。

第一、第二数字级联光栅段1 7、18的长度Z01和Z02的取值之间存在微小的差距，其实施例的结果见表1，这样的前、后布拉格反射段5和8会在不同的波长上产生均衡的梳状反射峰，保证在一个宽波段内每个反射峰的峰值一致。前、后数字级联光栅段17、18具体结构的实施实例将在下面的图4—图6中详细描述。

如图3所示，在本实用新型披露的可调谐半导体激光器中，增益段6是一个宽带上通过自发辐射和受激辐射来产生光的区域，该区域的工作机理是：通过电极将电流注入增益层，引起增益层内的载流子(电子和空穴)浓度增加，造成一定数目的载流子反转，处于不稳定状态的电子和空穴对相互复合产生自发辐射光和受激辐射光。相位段7是一个用来将光控制在带宽的中心频率附近的区域，通过电流注入来改变光传播的波导层中的折射率，从而来微调激光器内谐振光的频率。前、后布拉格反射段5、8形成了一个具有选频功能的谐振腔，它的工作原理主要是：前、后布拉格反射段5、8的反射谱为峰值均衡的梳状谱，且两个布拉格反射段的反射光谱峰值间隔约为不同，通过游标卡尺的对准原理选择激射光频率，然后让被选中频率的光在两个布拉格反射器形成的谐振腔中谐振，当光增益与整个腔内的损耗达到平衡后，该频率的光就从镀膜端面1 5出射，通过改变两个布拉格反射段的有效折射率来移动布拉格反射段的反射光谱，从而利用游标卡尺的原理实现可调的宽范围选频功能。

本实用新型的相位段7和前、后布拉格反射段5、6都容许电流注入来改变其材料的折射率值，从而调谐激光器的输出波长。也容许通过其他的方式来改变本实用新型激光器的相位段7和前、后布拉格反射段5、6的材料折射率来调谐激光器的输出波长。

本实用新型的设计适用于半导体材料及掺有稀土材料的光纤及各种波导材料制造的激光器，尤其适用于III-V族半导体材料制造的激光器。

本实用新型的前、后布拉格反射器内的光栅可以采用纳米压印技术、电子束或离子束自己写入技术、多角度全息曝光技术和高能飞秒激光器写入等各种已有的成熟技术制作。

本实用新型的激光器还可以与电吸收调制器，马赫曾德(Mach-Zehnder)调制器，光电探测器，半导体光放大器，等器件一起集成在相同的半导体衬底上，特别是III-V族材料构成的衬底，以实现各种不同的功能。比如：光标记记忆，3R再生等等。

按照第一种情况(即每个光栅子段的光栅周期相同)设计，当级联的光栅子段个数N取为3时，第一、第二数字级联光栅段17、18的第一种结构实施实例如图4(a)所示，由第一前、中、后光栅子段19、20、21构成，各光栅子段的光栅周期相同，都为Λc。第一中光栅子段20的有效折射率是取i＝0时带入(3)式的结构设计，第一前光栅子段19的有效折射率是i取为-1时带入(3)式的结构设计。第一后光栅子段21的有效折射率是i取为+1时带入(3)式的结构设计。由于制作的精度问题，可以容许第一前、中、后光栅子段19、20、21的有效折射率的取值相对于(3)式给出的取值有轻微的偏离，但偏离值不能超过0.04。从图4(b)所示的反射谱可知，其明显反射峰值比起图2(b)均衡，而且布拉格反射段相同长度上其反射峰值也比图2(b)的高。

按照第二种情况(即每个光栅子段的有效折射率相等)设计，当级联光栅子段的个数N取为3时，第一、第二数字级联光栅段17、18的第二种结构实施实例如图5(a)所示，由第二前、中、后光栅子段22、23和24构成，各光栅子段22、23、24有相同的周期数nc；第二前光栅子段22的光栅周期的值为i取为-1时候代入(4)式值，第二中光栅子段24的值为i为0时(4)式的取值，第二后光栅子段24的值为i为+1时代入(4)式值。由于制作的精度问题，可以容许第二前、中、后光栅子段22、23、24的光栅周期取值相对于(4)式给出的取值有轻微的偏离，其偏离值要小于Λc/3。

按照第二种情况设计，当级联光栅子段的个数N取为3时，图6(a)所示的结构与图5(a)的结构有很多相同之处。第一、第二数字级联光栅段17、18的第三种实施结构实例如图6(a)所示，由第三前、中、后光栅子段25、26和27构成，各光栅子段25、26和27有不同的周期数；第三前光栅子段25的光栅周期的值为i取为-1时候代入(4)式值，第三中光栅子段26的值为i为0时(4)式的取值，第三后光栅子段27的值为i为+1时代入(4)式值。在图6(a)中，光栅子段25、26、27有相同的长度，即Zg7＝Zg8＝Zg9。由于制作的精度问题，可以容许第三前、中、后光栅子段25、26、27的光栅周期取值相对于(4)式给出的取值有轻微的偏离，其偏离值要小于Λc/3。

图5(a)和图6(b)的这两个实施实例的梳状反射谱分别为图5(b)，图6(b)。如图5(b)和图6(b)中所示，这两种设计同样都获得峰值均衡的梳状反射谱。从图5(b)和图6(b)所示的反射谱可知，其明显反射峰值比起图2(b)要均衡很多，而且对于相同长度的布拉格反射段，由数字级联光栅组成的布拉格反射段的反射率比取样光栅组成的布拉格反射段的反射率要高很多。

本实用新型的布拉格反射段中数字级联光栅段可采用现有各种变迹、相移和啁啾技术处理，从而获得更好的峰值均衡的梳状反射谱。而且本实用新型的布拉格反射段中的数字级联光栅可以用于光通信中的其他器件和***中以实现其他的一些功能。

图7为本实用新型的可调谐半导体激光器的前布拉格反射段(前光栅)5和后布拉格反射段(后光栅)8的反射谱图。从图中可以观测到，前布拉格反射段5和后布拉格反射段8的反射谱的峰值间距有微小的不同，能够在两个峰值均衡的梳状反射谱之间呈现游标卡尺的效应。当两个梳状反射谱中间的0阶峰值重合，那么其它几阶的峰值都出现游标卡尺一样的错位。这样在激光器中就只有0阶纵模才会在激光器中起振，其他的谐振纵模的能量都会被泄漏。通过多种方式改变光栅区的有效折射率，就可以移动整个梳状反射谱，这样使得前向和后向的反射峰在另一波长处出现峰值重合，这样可达到宽波长调谐。在激光器前、后布拉格反射段的设计中，后布拉格反射段产生大约85％的峰值反射率，而前布拉格反射段具有能保持边模抑制比标准的最短长度和反射率值，这样前、后布拉格反射段5、8的长度都比取样光栅可调谐半导体激光器的前、后布拉格反射段短，且损耗小，那么将前布拉格反射段的前端面作为激光器的激射端面，可以获得高输出光功率。而且两梳状反射峰的峰值均衡，对于整个宽波长调谐范围内，每个信道激射所需的阈值电流值均衡，并且每个信道输出的光功率均衡。在图8中所给的前、后布拉格反射段中布拉格光栅的设计参数可参见表1。

表1 激光器前后布拉格光栅的设计参数表

	整个布拉格反射段的长度	数字级联光栅段的长度	光栅数	nc	级联的三个光栅子段的布拉格波长	光栅的调制折射率值
	整个布拉格反射段的长度	数字级联光栅段的长度	光栅数	nc	级联的三个光栅子段的布拉格波长	光栅的调制折射率值	前布拉格反射段后布拉格反射段	366.5 1 2μm226.434μn	Z01＝45.814μnZ02＝37.739μn	86	6856	1 527.2nm；1 550nm；1 572.8nm1 522.3nm；1550nm；1 577.7nm	18×10-34×10-3

Claims

1.一种可调谐半导体激光器，包括前布拉格反射段(5)和后布拉格反射段(8)、以及位于二者之间的增益段(6)，每段均包括上波导层(2)、有源层(3)和下波导层(4)，有源层(3)位于上波导层(2)和下波导层(4)之间；其特征在于：在每段上均制作有电极(11、12、13、14)，前布拉格反射段(5)的前端和后布拉格反射段(8)的后端都分别镀有增透膜(15、16)；前、后布拉格反射段(5、8)具有形成在上波导层(2)中的前、后布拉格光栅(9、10)；

前布拉格光栅(9)由若干个相同的第一数字级联光栅段(17)构成，第一数字级联光栅段(17)的长度为Z₀₁，它由N个不同中心波长的光栅子段构成，N个光栅子段的布拉格波长呈现等差数列的排列；

后布拉格光栅(10)由若干个相同的第二数字级联光栅段(18)构成，第二数字级联光栅段(18)的长度为Z₀₂，它由N个不同中心波长的光栅子段构成，所有光栅子段的布拉格波长呈现等差数列的排列。

2.根据权利要求1所述的可调谐半导体激光器，其特征在于：所述前布拉格反射段(5)和增益段(6)之间设有相位段(7)。

3.根据权利要求1所述的可调谐半导体激光器，其特征在于：所述增益段(6)和后布拉格反射段(8)之间设有相位段(7)。