專利名稱：帶有電吸收光柵結(jié)構(gòu)的q－調(diào)制半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器和調(diào)制器，尤其涉及一種與利用電流注入或電吸收效應(yīng)來(lái)改變激光器品質(zhì)因子的Q-調(diào)制器單片集成的四分之一波長(zhǎng)相移分布反饋激光器或者分布式布拉格反射激光器。
背景技術(shù)：
高速半導(dǎo)體激光器和調(diào)制器是當(dāng)今光導(dǎo)纖維通信系統(tǒng)的關(guān)鍵元件?；ヂ?lián)網(wǎng)傳輸量的迅速增加要求這些光學(xué)元件能處理更加大的比特率。通過(guò)改變激光器的偏置電流來(lái)直接進(jìn)行光信號(hào)強(qiáng)度調(diào)制是最簡(jiǎn)單的方法，它不需要一個(gè)外部調(diào)制器。但是，直接調(diào)制的激光器有根本的速度限制，并且還顯示瞬變振蕩，其頻率等于它的弛豫振蕩頻率。波長(zhǎng)啁啾是直接調(diào)制激光器的另一問(wèn)題。當(dāng)激光器的輸入驅(qū)動(dòng)電流改變時(shí)，載流體密度以及折射率都隨著變化，從而使波長(zhǎng)也隨著改變。當(dāng)脈沖上升和下降時(shí)激光波長(zhǎng)分別向相反方向變化。比特率越高，啁啾越是明顯，其效果使激光線寬加寬。由于光纖的色散作用，脈沖變寬現(xiàn)象在更寬的激光線寬情況下越是嚴(yán)重，從而限制傳輸距離。
人們可以讓激光器工作在連續(xù)波(CW)狀態(tài)，而用一個(gè)外置調(diào)制器來(lái)調(diào)制它。這樣可以消除上述瞬變振蕩的問(wèn)題，并減少啁啾。電吸收調(diào)制器(EAM)是作為外置調(diào)制器的一個(gè)很好選擇，它通過(guò)施加一個(gè)電信號(hào)來(lái)改變它的吸收系數(shù)。當(dāng)調(diào)制器是在開(kāi)的狀態(tài)時(shí)激光器的輸出光束能低損耗地穿過(guò)調(diào)制器，而當(dāng)調(diào)制器是在關(guān)的狀態(tài)時(shí)光能量將被大部吸收。這種電吸收調(diào)制器與其它調(diào)制器比較的優(yōu)點(diǎn)是低驅(qū)動(dòng)電壓，小尺寸，并且可以與分布反饋(DFB)或分布布拉格反射器(DBR)激光器單片集成。電吸收調(diào)制器的結(jié)構(gòu)與激光器非常相似，只是它的有源層禁帶帶隙稍微不同。另一區(qū)別是它是工作在反向偏壓狀態(tài)。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)改變調(diào)制器的反向偏壓，調(diào)制器波導(dǎo)的吸收系數(shù)改變，從而導(dǎo)致輸出光學(xué)功率的變化。
雖然相對(duì)直接調(diào)制激光器電吸收調(diào)制器顯著改進(jìn)了啁啾性能，啁啾問(wèn)題仍然存在，因?yàn)檎凵渎首兓豢杀苊獾匕殡S著吸收系數(shù)的調(diào)制。而且調(diào)制器啁啾是動(dòng)態(tài)的，隨著實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓的變化而變化?，F(xiàn)在電吸收調(diào)制器可提供大約10Gb/s的調(diào)制速率，能否達(dá)到更高的速度(如40Gb/s以上)而同時(shí)不引起相當(dāng)大的寄生相位調(diào)制還不能肯定。而且它的消光比性能不理想，與插入損耗和速率等性能之間存在相互妥協(xié)。另外，單片集成的電吸收調(diào)制激光器(EML)需要多次外延成長(zhǎng)，因此工藝復(fù)雜，制造成本昂貴。
另一種調(diào)制光的方法是使用馬赫-曾特(Mach-Zehnder，簡(jiǎn)稱MZ)干涉儀，用具有強(qiáng)的電光效應(yīng)的材料(如鈮酸鋰LiNbO3晶體)制作。通過(guò)施加電壓改變折射率和光學(xué)路徑長(zhǎng)度，使得光學(xué)信號(hào)在MZ干涉儀每條道路里傳播的相對(duì)位相被調(diào)制。將二個(gè)不同相位調(diào)制的光束結(jié)合起來(lái)就可將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度調(diào)制。如果在兩條光路里的相位調(diào)制正好大小相等但符號(hào)相反，此調(diào)制器將無(wú)任何啁啾，這意味著輸出信號(hào)只有強(qiáng)度調(diào)制而不存在寄生的相位或頻率調(diào)制。但是，這種外置調(diào)制器是非常昂貴的，且很難與激光器單片集成，目前只用在長(zhǎng)距離和超長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種帶有電吸收光柵結(jié)構(gòu)的Q-調(diào)制半導(dǎo)體激光器與高速、低啁啾調(diào)制器的單片集成，解決傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器和調(diào)制器成本高，不易集成，波長(zhǎng)啁啾，制作復(fù)雜等問(wèn)題。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案1一種帶有電吸收光柵結(jié)構(gòu)的Q-調(diào)制半導(dǎo)體激光器，包含一個(gè)嵌入在有源波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的相移分布反饋光柵，兩個(gè)相互分離的第一上電極和第二上電極分別覆蓋于增益區(qū)域和調(diào)制器區(qū)域的頂部，和一個(gè)作為公共接地面的下電極；所述相移分布反饋光柵依次分為第一部分、第二部分和第三部分，其中第一部分和第二部分由相移區(qū)隔開(kāi)；所述沉積于增益區(qū)域的第一上電極覆蓋所述光柵的第一部分、第二部分及其間的相位區(qū)，并將一個(gè)恒定電流注入該電極下的有源光波導(dǎo)，為激光器提供所需的光增益，所述覆蓋于調(diào)制器區(qū)域的第二上電極覆蓋所述光柵的第三部分，用來(lái)提供一個(gè)電信號(hào)，以改變處于該電極下的光波導(dǎo)的損耗，從而改變激光器的閾值和輸出功率。
所述相移分布反饋光柵中的相移等于四分之一波長(zhǎng)。
所述相移分布反饋光柵中的相移是通過(guò)將相移區(qū)一側(cè)的光柵圖案相對(duì)另一側(cè)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)而形成的。
所述相移分布反饋光柵中的相移是通過(guò)一段具有不同有效折射率的相移區(qū)波導(dǎo)來(lái)構(gòu)成的。
所述第三部分光柵的周期使得激光器的工作波長(zhǎng)位于該光柵的禁帶中央?yún)^(qū)域。
所述調(diào)制器區(qū)域的光波導(dǎo)損耗是通過(guò)正向偏置的電流注入來(lái)調(diào)制的。
所述調(diào)制器區(qū)域的光波導(dǎo)損耗是通過(guò)反向偏置的電吸收效應(yīng)來(lái)調(diào)制的。
技術(shù)方案2一種帶有電吸收光柵結(jié)構(gòu)的Q-調(diào)制半導(dǎo)體激光器，包含第一分布式布拉格反射光柵，第二分布式布拉格反射光柵，以及位于這兩個(gè)光柵之間的增益區(qū)域；所述的增益區(qū)域被夾在第一對(duì)電極之間，該第一對(duì)電極用來(lái)注入恒定電流從而為激光器提供光增益；所述的第二分布式布拉格反射光柵包含一個(gè)具有電控吸收性質(zhì)的調(diào)制器區(qū)域，該調(diào)制器區(qū)域被夾在第二對(duì)電極之間，該電極用來(lái)施加一個(gè)電信號(hào)以改變前述調(diào)制器區(qū)域的光損耗，從而改變激光器的閾值和輸出功率。
所述調(diào)制器區(qū)域與增益區(qū)域之間是由第二分布式布拉格反射光柵的一部分所隔開(kāi)的。
所述調(diào)制器區(qū)域所包含的光柵的周期使得激光器的工作波長(zhǎng)位于該光柵禁帶的中央?yún)^(qū)域。
本發(fā)明具有的有益效果是1.本發(fā)明利用一個(gè)新的原理機(jī)制將半導(dǎo)體激光器與高速、低啁啾Q-調(diào)制器單片集成，實(shí)現(xiàn)高性能、小尺寸的激光發(fā)射器，同時(shí)具有與直接調(diào)制激光器相類似的低成本和制作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
2.本發(fā)明有多種不同具體結(jié)構(gòu)形式，包括基于四分之一波長(zhǎng)相移分布反饋激光器和分布式布拉格光柵激光器等不同結(jié)構(gòu)。
3.本發(fā)明將調(diào)制功能與增益功能的區(qū)域相分離，后者是被恒流泵浦的，這不僅減少了波長(zhǎng)啁啾，也提高了調(diào)制速度，因此相對(duì)于直接調(diào)制或外置電吸收調(diào)制器，本發(fā)明的調(diào)制器長(zhǎng)度要短得多，從而有更小的電容，更高的速率。
4.本發(fā)明具有集成化、高速、高消光比、低波長(zhǎng)啁啾和低成本等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是基于本發(fā)明的第一種實(shí)現(xiàn)方法的Q-調(diào)制半導(dǎo)體激光器的示意圖，其結(jié)構(gòu)帶有四分之一波長(zhǎng)相移的分布反饋(DFB)光柵。
圖2是調(diào)制器區(qū)域處于透明(開(kāi)啟)和吸收(關(guān)閉)狀態(tài)時(shí)，光從增益區(qū)一側(cè)入射激光器結(jié)構(gòu)的反射譜。
圖3是調(diào)制器區(qū)域吸收系數(shù)分別為i)α＝0；ii)α＝500cm-1；iii)α＝500cm-1且折射率增加了0.005時(shí)在相移區(qū)的調(diào)制器一側(cè)的DBR光柵的反射譜(a)及反射相位變化(b)。
圖4是調(diào)制器區(qū)域的吸收系數(shù)分別為α＝0，和α＝500cm-1時(shí)激光器結(jié)構(gòu)的透射小信號(hào)增益光譜。
圖5是激光器的閾值增益系數(shù)與調(diào)制器吸收系數(shù)的函數(shù)關(guān)系。
圖6是調(diào)制器分別處于開(kāi)啟(a)和關(guān)閉(b)狀態(tài)時(shí)激光器結(jié)構(gòu)中的光強(qiáng)分布。其中相移是由四分之一波長(zhǎng)位移產(chǎn)生的。
圖7是當(dāng)調(diào)制器處于開(kāi)啟(a)和關(guān)閉(b)狀態(tài)時(shí)激光器結(jié)構(gòu)中的光強(qiáng)分布。其中相移是由一個(gè)50μm長(zhǎng)的具有不同有效折射率的光柵片段實(shí)現(xiàn)的。
圖8是基于本發(fā)明的第二種實(shí)現(xiàn)方法的Q-調(diào)制半導(dǎo)體激光器的示意圖，其結(jié)構(gòu)帶有分布式布拉格反射光柵。
具體實(shí)施例方式
下面根據(jù)附圖和實(shí)施例，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
本發(fā)明的Q-調(diào)制半導(dǎo)體激光器有多種不同具體結(jié)構(gòu)，其中激光諧振器可分別基于帶有相移的分布反饋(DFB)光柵或分布式布拉格反射(DBR)光柵。
激光諧振器的Q因子或稱品質(zhì)因子是用來(lái)衡量有多少來(lái)自激光器增益介質(zhì)的光通過(guò)光學(xué)諧振器被反饋回來(lái)，高的Q因子意味著光在諧振器中傳播每個(gè)來(lái)回受到較小的損失。Q-調(diào)制的原理是利用一個(gè)可改變諧振器Q因子的裝置來(lái)改變激光輸出光功率，這已經(jīng)應(yīng)用在產(chǎn)生周期性短脈沖的調(diào)Q染料或固體激光器中。通常實(shí)現(xiàn)調(diào)Q的現(xiàn)有技術(shù)方法包括在光學(xué)諧振腔中使用旋轉(zhuǎn)鏡，或使用電光或聲光調(diào)制器。但這些方法對(duì)于微小的半導(dǎo)體激光器來(lái)說(shuō)都不可行。
對(duì)于半導(dǎo)體激光器的調(diào)制，減少波長(zhǎng)啁啾是非常重要的一個(gè)需要考慮的方面。在一九八七年五月十九日授權(quán)的美國(guó)專利4,667,331中R.C.Alferness等描述了在激光諧振腔中放置電調(diào)制器的方法，但這種方法并不優(yōu)越可行，因?yàn)槌嗽黾又谱鲝?fù)雜程度外，還會(huì)引入和直接調(diào)制激光器類似的顯著的波長(zhǎng)啁啾。
在二零零三年二月十一日授權(quán)的的美國(guó)專利6,519,270中，H.B.Kim and J.J.Hong描述了一個(gè)由單模分布反饋激光器與無(wú)源光波導(dǎo)區(qū)域集成形成的復(fù)合腔激光器。通過(guò)調(diào)制無(wú)源波導(dǎo)的折射率，從而調(diào)制無(wú)源波導(dǎo)后解理面有效反射率的相位，進(jìn)而調(diào)制激光頻率，然后通過(guò)在激光器前面放置一個(gè)象由Mach-Zehnder干涉儀構(gòu)成的窄帶光濾波器，將頻率調(diào)制轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度調(diào)制。雖然這個(gè)調(diào)制器也是放置在激光器的后端，但它改變的并不是激光器的Q值，而只是相位，導(dǎo)致頻率的調(diào)制而不是強(qiáng)度調(diào)制。將頻率調(diào)制轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度調(diào)制所需要的窄帶濾波器使它很難實(shí)際應(yīng)用于普通的通訊系統(tǒng)，所需要的有源-無(wú)源波導(dǎo)集成也使器件的制作變得困難和昂貴。
一篇題為“Q-modulation of a surface emitting laser and an integrated detunedcavity”，S.R.A.Dods，and M.Ogura，IEEE Journal of Quantum Electronics，vol.30，pp.1204-1211，1994的論文描述并分析了與一個(gè)失諧諧振腔豎直集成的表面發(fā)射垂直腔激光器，通過(guò)改變失諧諧振腔中的折射率可以實(shí)現(xiàn)激光強(qiáng)度的調(diào)制。同樣的原理被應(yīng)用在二零零四年四月十日授權(quán)的B.Sartorius and M.Moehrle的美國(guó)專利6,215,805中。在以上兩個(gè)現(xiàn)有技術(shù)中，激光器腔的一個(gè)反射體是一個(gè)微量失諧的諧振腔，它在激光器工作波長(zhǎng)上的反射率高度色散，也就是說(shuō)反射率光譜在激光波長(zhǎng)附近展現(xiàn)出一個(gè)尖銳的負(fù)尖峰。高的反射率色散是必需的，這樣失諧的諧振腔中微小的折射率變化就能引起反射體反射率的很大改變，從而調(diào)制激光輸出。然而，這個(gè)現(xiàn)有技術(shù)方法有很大的缺陷1)在近諧振條件下，反射率高度依賴于波長(zhǎng)，因此需要根據(jù)事先確定的兩個(gè)諧振腔之間的失諧要求來(lái)精確校正它們的諧振波長(zhǎng)，這非常困難，對(duì)制作也很敏感。2)失諧諧振腔中折射率改變引起的反射率改變伴隨著很大的相位改變，這將導(dǎo)致激光波長(zhǎng)的很大啁啾。
為克服了先前技術(shù)方法的缺陷，本發(fā)明人在一項(xiàng)相關(guān)的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)枮?00610050484.6)中提出了一種新型結(jié)構(gòu)，通過(guò)使用一個(gè)反諧振腔作為半導(dǎo)體激光器的后反射體，此反射體的反射率可以通過(guò)改變反諧振腔內(nèi)波導(dǎo)材料的光學(xué)吸收來(lái)改變。與諧振腔相比，反諧振腔的反射率和由光學(xué)損耗調(diào)制引起的反射率變化對(duì)波長(zhǎng)的依賴大大減弱，反射率改變時(shí)所引起的相位變化也相當(dāng)小，因此波長(zhǎng)啁啾非常低。上述結(jié)構(gòu)中通常需要垂直深刻蝕的空氣槽來(lái)實(shí)現(xiàn)激光諧振腔和調(diào)制器反諧振腔的單片集成。
本發(fā)明公開(kāi)另一種Q-調(diào)制半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變后反射器一部分光柵的吸收系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)反射率和激光器品質(zhì)因子的調(diào)制，不需要垂直深刻蝕的空氣槽。激光器和它后反射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得當(dāng)反射率改變時(shí)其反射相位幾乎不變，因此這種實(shí)現(xiàn)方法只會(huì)引入很小的波長(zhǎng)啁啾。其調(diào)制機(jī)制不需要使用對(duì)波長(zhǎng)敏感的的諧振腔結(jié)構(gòu)。光損耗的變化可以通過(guò)電流注入來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以使用與激光增益介質(zhì)相同的材料，因此大大簡(jiǎn)化了制作。下面將詳細(xì)描述實(shí)現(xiàn)以上機(jī)制的單片Q-調(diào)制半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。
圖1是本發(fā)明的第一種具體實(shí)施結(jié)構(gòu)，它是一個(gè)與電吸收Q-調(diào)制器單片集成的帶有四分之一波長(zhǎng)相移的單模分布反饋半導(dǎo)體激光器，包括一個(gè)λ/4相移的DFB光柵130，分為增益區(qū)域和調(diào)制器區(qū)域。增益區(qū)域包括相移區(qū)100，以及位于相移區(qū)兩側(cè)的帶有光柵的波導(dǎo)101和102區(qū)。增益區(qū)域由第一上電極108覆蓋，并被夾在第一上電極108和接地電極120之間。當(dāng)直流電流通過(guò)第一上電極108注入時(shí)，增益區(qū)域?yàn)榧す馄魈峁┕庠鲆?。調(diào)制器區(qū)域105是一個(gè)離開(kāi)相移區(qū)的剩余光柵部分，對(duì)激光器起到Q-調(diào)制的作用。電信號(hào)通過(guò)第二上電極110加在調(diào)制器區(qū)域，通過(guò)改變?cè)搮^(qū)域波導(dǎo)的吸收系數(shù)來(lái)改變激光器的Q值，從而改變閾值電流和輸出功率。光束140從增益區(qū)域的前端面，也就是與調(diào)制器相反的一側(cè)的端面出射。
波導(dǎo)結(jié)構(gòu)一般包括緩沖層116，電泵浦時(shí)提供光增益的波導(dǎo)芯層114以及表面覆蓋層112，它們都沉積在基底118上。波導(dǎo)芯層114最好包含多量子阱結(jié)構(gòu)，而且各層中有象傳統(tǒng)激光器結(jié)構(gòu)層那樣適當(dāng)摻雜。在橫截面上，波導(dǎo)被加工成標(biāo)準(zhǔn)的脊型波導(dǎo)，以在水平方向也得到光模式的限制。相互隔絕的上電極108和電極110分別沉積在增益區(qū)域和調(diào)制器區(qū)域的上表面，基底的背面也沉積一層金屬電極120作為公共的接地電極。電極對(duì)108/120用來(lái)為有源的增益區(qū)域進(jìn)行電流注入以提供光增益。電極對(duì)110/120用來(lái)改變調(diào)制器區(qū)域波導(dǎo)的吸收系數(shù)(利用電流注入或者反向偏壓)從而改變激光器的Q值。
在增益區(qū)域和調(diào)制器區(qū)域可以使用不同的波導(dǎo)材料結(jié)構(gòu)使得這兩個(gè)區(qū)域分別得到優(yōu)化。在實(shí)際制作過(guò)程中，這可以通過(guò)蝕刻-再生長(zhǎng)技術(shù)或是諸如量子阱混合技術(shù)之類的生長(zhǎng)后帶隙工程來(lái)實(shí)現(xiàn)。更簡(jiǎn)單的辦法則是采用同樣的激光器層狀結(jié)構(gòu)，但是施加不同的電壓或電流，以得到兩個(gè)區(qū)域不同的性能。增益區(qū)域采用強(qiáng)的電流泵浦以產(chǎn)生光增益，調(diào)制器區(qū)域則在透明(小電流注入)和吸收(零電流注入)兩個(gè)狀態(tài)之間變化。
為了闡明本發(fā)明Q-調(diào)制激光器的工作原理，我們考慮一個(gè)具體的實(shí)例。在該實(shí)例中，光柵的折射率呈矩形分布，且n1＝3.215，n2＝3.21(Δn＝0.005)，光柵周期為Λ＝0.2412μm，工作波長(zhǎng)為λ＝1550nm。調(diào)制區(qū)長(zhǎng)度Lm＝150μm。增益區(qū)總長(zhǎng)度為400μm，λ/4相移區(qū)距離調(diào)制器100μm(也就是說(shuō)區(qū)域101和102的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1＝300μm，和L2＝100μm)。激光腔Q值可由Q＝λ/Δλ得到，其中Δλ是當(dāng)增益區(qū)域?yàn)橥该鳡顟B(tài)時(shí)透射率或反射率光譜的諧振峰的線寬。
圖2是調(diào)制器區(qū)域處于透明(開(kāi)啟)和吸收(關(guān)閉)狀態(tài)時(shí)，光從增益區(qū)域一側(cè)入射到此激光器結(jié)構(gòu)的反射譜。其中，設(shè)調(diào)制區(qū)域吸收系數(shù)分別為α＝0(開(kāi))，和α＝500cm-1(關(guān))。兩種狀態(tài)時(shí)反射峰的半幅全寬(FWHM)分別為0.1nm和0.37nm，相應(yīng)的Q值為15500和4189。
相移DFB光柵也可以看作是一個(gè)帶有由分布式布拉格反射光柵(DBR)構(gòu)成的兩反射鏡的法布里-泊羅腔。第一個(gè)DBR是在相移區(qū)右側(cè)的101區(qū)部分，第二個(gè)DBR是由在相移區(qū)左側(cè)的102區(qū)部分以及調(diào)制器區(qū)域105組成。激光波長(zhǎng)由下面的諧振條件決定4πnλ(Lp+Λ2)+Φ1+Φ2=2mπ---(1)]]>上式中n是相移區(qū)的平均有效折射率，A＝λ/2n是光柵周期，Lp是相移的量(即區(qū)域100的長(zhǎng)度)，Ф1和Ф2是第一個(gè)和第二個(gè)DBR相對(duì)于相移區(qū)的反射相位變化，m是一個(gè)整數(shù)。DBR光柵存在一個(gè)稱之為禁帶的波長(zhǎng)窗口，波長(zhǎng)處于此窗口之內(nèi)的光大部分會(huì)被反射。對(duì)于在DBR禁帶中心的波長(zhǎng)，Ф1＝Ф2＝0。當(dāng)m＝1時(shí)，Lp＝λ/4n，這對(duì)應(yīng)四分之一波長(zhǎng)的相移。上述四分之一波長(zhǎng)相移的DFB結(jié)構(gòu)可以通過(guò)將相移位置一側(cè)的光柵圖樣相對(duì)于另一側(cè)進(jìn)行反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這可以在光柵制作過(guò)程中利用極性相反的光刻膠來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖3是由上述102和105區(qū)構(gòu)成的第二個(gè)DBR光柵的反射率光譜(a)及其對(duì)應(yīng)的相位變化(b)。光從相移區(qū)100入射，調(diào)制器區(qū)域105的吸收系數(shù)分別為α＝0和α＝500cm-1。從圖中我們可以看到調(diào)制器的吸收會(huì)導(dǎo)致反射峰的極大變化，同時(shí)伴隨的相位變化在峰值波長(zhǎng)(禁帶的中心)處卻是最小。反射率的變化引起激光腔的Q值的變化，從而改變激光閾值。由(1)式可知，最小的相位改變對(duì)應(yīng)于最小的波長(zhǎng)啁啾，這是非常重要的。
在半導(dǎo)體材料中，根據(jù)克萊默-克朗寧(Kramer-Kronig)關(guān)系，吸收的改變總是伴隨著折射率的改變，在某些工作情況下，這個(gè)折射率的改變可能是非常大的。它可以用來(lái)增強(qiáng)對(duì)激光閾值的調(diào)制。然而，折射率的變化會(huì)導(dǎo)致峰值的移動(dòng)以及反射相位的變化，增加波長(zhǎng)啁啾。在調(diào)制器區(qū)域和相移區(qū)域加入DBR光柵區(qū)102(在上述例子中L2＝100μm)則可以使峰值移動(dòng)和相位變化最小。圖3也給出了當(dāng)調(diào)制器區(qū)域處于吸收狀態(tài)(α＝500cm-1)，同時(shí)伴隨的折射率增加0.005時(shí)的DBR光柵的反射率光譜和相位變化。折射率變化引起的反射峰移動(dòng)只有0.35nm。在沒(méi)有DBR區(qū)102的情況下，調(diào)制器區(qū)反射峰的移動(dòng)由(2)式計(jì)算Δλ=Δnnλ---(2)]]>用上述例子中的參數(shù)計(jì)算，由此引起的波長(zhǎng)移動(dòng)為Δλ＝1550×0.005/3.215＝2.4nm。因此，在調(diào)制器和相移區(qū)加入DBR區(qū)102可以大大減小波長(zhǎng)移動(dòng)。另外，從圖5(b)中可看出，在禁帶的中心區(qū)域的相位變化也很不顯著。隨著L2的減小，峰值移動(dòng)和相位變化相應(yīng)增加。另一方面，調(diào)制的效率隨著L2的增大而減小。因此，在選擇L2的值的時(shí)候我們需要綜合考慮，這也取決于光柵的折射率差。
與直接調(diào)制的四分之一相移DFB激光器相比，從(1)和(2)式中可知，本發(fā)明中的Q-調(diào)制激光器的在減小波長(zhǎng)啁啾方面有著明顯的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于那些直接調(diào)制激光器，由于整個(gè)激光器結(jié)構(gòu)的折射率都會(huì)隨著調(diào)制電流而改變，由(2)式可得，在上述例子中波長(zhǎng)的波動(dòng)為2.4nm。而在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，由于僅僅調(diào)制離開(kāi)相移區(qū)的那一部分光柵的損耗，(1)式中的相移區(qū)折射率n和第一DBR區(qū)相位Ф1將保持不變，而只有第二DBR區(qū)的相位Ф2會(huì)隨著調(diào)制電流輕微的變化。但是根據(jù)圖5(b)，這個(gè)相位變化可以通過(guò)設(shè)計(jì)處于調(diào)制器區(qū)域和相移區(qū)之間的102區(qū)長(zhǎng)度而得以最小化。因此，波長(zhǎng)啁啾可以大大地減小。
圖4是上述例子中，增益系數(shù)為g＝9.25cm-1，吸收系數(shù)分別為α＝0，和α＝500cm-1的兩種調(diào)制器狀態(tài)時(shí)激光器結(jié)構(gòu)的透射小信號(hào)增益譜。由于在DFB光柵中存在四分之一波長(zhǎng)的相位移動(dòng)，激光波長(zhǎng)處于禁帶中心。當(dāng)調(diào)制器處于透明狀態(tài)(α＝0)，激光模式的閾值增益系數(shù)為9.25cm-1。當(dāng)調(diào)制器處于吸收狀態(tài)，且吸收系數(shù)為α＝500cm-1時(shí)，閾值增益系數(shù)增大為38cm-1，而波長(zhǎng)仍為λ＝1549.711nm保持不變。如在計(jì)算中考慮折射率變化，則閾值增益系數(shù)變?yōu)?1.5cm-1，而激光波長(zhǎng)為1549.745nm處，漂移僅有0.034nm。與傳統(tǒng)的直接調(diào)制DFB激光器的數(shù)納米的波長(zhǎng)啁啾相比，這一數(shù)字減少了2個(gè)數(shù)量級(jí)。
調(diào)制器區(qū)域的兩種狀態(tài)下激光模式閾值的巨大差異表明了利用本發(fā)明的Q-調(diào)制器損耗變化實(shí)現(xiàn)Q-調(diào)制是行之有效的辦法。當(dāng)泵浦增益區(qū)的恒定電流產(chǎn)生的光增益低于調(diào)制器處于吸收狀態(tài)的激光閾值但卻遠(yuǎn)高于其處于透明狀態(tài)的激光閾值時(shí)，激光器的輸出就會(huì)受到加在調(diào)制器兩端電信號(hào)的調(diào)制。伴隨著Q值調(diào)制的相位變化只會(huì)引起很低的波長(zhǎng)啁啾，這個(gè)相位變化是小得幾乎可以忽略，這是本發(fā)明的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。
圖5給出了激光器的閾值增益系數(shù)與調(diào)制器吸收系數(shù)的函數(shù)關(guān)系?？梢钥吹疆?dāng)調(diào)制器的吸收系數(shù)僅為200cm-1時(shí)，這個(gè)閾值就有高達(dá)300％的的差異。在上述實(shí)施方案中，開(kāi)啟狀態(tài)下調(diào)制器區(qū)域的有效折射率最好能與增益區(qū)域相同。在器件工作時(shí)，增益區(qū)域由一個(gè)相對(duì)較強(qiáng)的電流泵浦，以便為激光器提供增益。如果調(diào)制器區(qū)域和增益區(qū)域的波導(dǎo)材料、橫截面形狀以及光柵周期都一樣的話，調(diào)制區(qū)域在開(kāi)啟狀態(tài)可以以同樣電流密度注入電流。然而，即使是在開(kāi)啟狀態(tài)下，調(diào)制器區(qū)域一般沒(méi)有必要也注入這么大的電流，因?yàn)榇蟮碾娏髯⑷雽?dǎo)致大的總驅(qū)動(dòng)功率。一般來(lái)說(shuō)，在開(kāi)啟狀態(tài)，只要加上能讓波導(dǎo)足夠透明的電流便足夠了。由于增益區(qū)域和調(diào)制器區(qū)域的電流密度不同，這兩個(gè)區(qū)域的有效折射率也會(huì)有微小的差異。這個(gè)效應(yīng)可以通過(guò)改變調(diào)制器區(qū)域波導(dǎo)的橫截面的形狀(如脊寬度)來(lái)補(bǔ)償，也就是在增益區(qū)域和調(diào)制器區(qū)域采用不同的脊寬，另外可以用一個(gè)寬度漸變結(jié)構(gòu)來(lái)減小過(guò)渡損耗。
圖6給出了調(diào)制器分別處于開(kāi)啟(a)和關(guān)閉(b)狀態(tài)時(shí)激光器結(jié)構(gòu)中光強(qiáng)分布，這是在增益系數(shù)為g＝8.8cm-1，吸收系數(shù)分別為＝0和α＝500cm-1時(shí)計(jì)算得到的?？梢钥吹?，在開(kāi)啟狀態(tài)下，光強(qiáng)從兩端向中央呈指數(shù)增長(zhǎng)，直到在相移位置達(dá)到最大。當(dāng)調(diào)制器轉(zhuǎn)到關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，光強(qiáng)顯著的減弱，并且分布也會(huì)改變。這種極度不均勻的場(chǎng)分布，特別是在開(kāi)啟狀態(tài)下相移區(qū)尖銳的峰會(huì)導(dǎo)致很強(qiáng)的空間燒孔效應(yīng)和增益飽和。
為了減輕空間燒孔效應(yīng)，相移可以通過(guò)一個(gè)有效折射率稍有不同，具有特定長(zhǎng)度的波導(dǎo)區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)。讓我們考慮另一個(gè)例子，在這個(gè)例子中，調(diào)制區(qū)長(zhǎng)度Lm＝150μm，增益區(qū)由兩個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)1＝250μm和L2＝100μm DBR區(qū)組成，它們被一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)p＝50μm相移區(qū)隔開(kāi)。相移區(qū)有同樣的光柵周期Λ＝0.2412μm，不過(guò)其有效折射率減小到了3.204，而其它區(qū)域的有效折射率則為3.2125。
圖7(a)和(b)分別給出了調(diào)制器在開(kāi)啟狀態(tài)(α＝0)和關(guān)閉狀態(tài)(α＝500cm-1)時(shí)的光強(qiáng)分布，計(jì)算時(shí)所用的增益系數(shù)g＝8.2cm-1。與圖8比較，相移區(qū)的光強(qiáng)變化變得不太顯著。波長(zhǎng)λ＝1549.75nm時(shí)，激光閾值增益系數(shù)在調(diào)制器開(kāi)啟狀態(tài)下為8.6cm-1，關(guān)閉狀態(tài)(α＝500cm-1)下為29cm-1。在本例中，DFB光柵的相移區(qū)可以通過(guò)不同脊寬的波導(dǎo)，或者通過(guò)一個(gè)分離的電極注入不同的電流密度來(lái)實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明中，調(diào)Q的機(jī)制也可以應(yīng)用于傳統(tǒng)的帶有均勻光柵的DFB激光器(即不存在相移區(qū))。然而，在這種情況下，調(diào)制區(qū)的DBR光柵就需要一個(gè)與DFB區(qū)失諧的禁帶。為了能夠得到單模，可以使用部分增益耦合的DFB光柵，類似于G.P.Li，T.Makino，和H.Lu在其論文“Simulation and interpretation oflongitudinal-mode behavior in partly gain-coupled InGaAsP/InP multiquantum-wellDFB lasers”，IEEE Photonics Technology Letters，vol.4，no.4，pp.386～388，1993中描述的那樣。在這種情況下，激光波長(zhǎng)處于DFB禁帶的長(zhǎng)波方向一側(cè)。根據(jù)本發(fā)明的思想，調(diào)制器區(qū)域的光柵需要工作在高反射率狀態(tài)，處于其禁帶中心附近。該一點(diǎn)是非常重要的，因?yàn)槿鐖D3(b)所示，波長(zhǎng)在禁帶的中心時(shí)，開(kāi)啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)的相位差異是最小的。因此，DBR調(diào)制器區(qū)域與DFB增益區(qū)域的波長(zhǎng)的失諧是有必要的，這樣可以減少波長(zhǎng)啁啾。波長(zhǎng)的失諧可以通過(guò)調(diào)整橫截面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，例如波導(dǎo)脊寬或者光柵周期來(lái)實(shí)現(xiàn)。也可以在DFB區(qū)和調(diào)制區(qū)之間加一個(gè)固定的或者可調(diào)的相位區(qū)域從而將激光波長(zhǎng)調(diào)整到調(diào)制器區(qū)域DBR光柵的禁帶中心。為了減小伴隨著損耗調(diào)制的折射率變化引起的相位變化和波長(zhǎng)漂移，可以在調(diào)制器和相位/DFB區(qū)之間加入另一個(gè)固定電流注入的DBR區(qū)。該固定電流注入的DBR區(qū)與相位區(qū)以及DFB區(qū)可以使用一個(gè)公共電極共同形成一個(gè)增益區(qū)，類似于圖1中的實(shí)施方案。
本發(fā)明的Q-調(diào)制半導(dǎo)體激光器也可以采用分布式布拉格激光器的形式。圖8給出了本發(fā)明的另一種實(shí)施方案。激光器由兩個(gè)DBR光柵231和232以及處于這兩個(gè)光柵之間的增益波導(dǎo)區(qū)200組成。包含DBR光柵231的波導(dǎo)區(qū)201和包含一部分DBR光柵232的波導(dǎo)區(qū)202是無(wú)源并且是基本透明的。增益區(qū)不包括光柵，它被夾在一對(duì)電極208/120之間用來(lái)提供光增益。由另一部分DBR光柵232組成的調(diào)制器區(qū)域205也處于一對(duì)電極110/120之間，該電極用來(lái)改變其間光波導(dǎo)的光損耗，從而改變Q值以及激光閾值和輸出功率。
顯然，圖10所示方案中的DBR光柵201可以被一個(gè)部分反射的解理面代替，這個(gè)面可以鍍上介質(zhì)薄膜，也可以不鍍。
本發(fā)明的Q-調(diào)制激光器有很多優(yōu)點(diǎn)。由于調(diào)制功能與增益區(qū)域相分離，后者是被恒流泵浦的，這不僅減少了波長(zhǎng)啁啾，也提高了調(diào)制速度，因?yàn)橄鄬?duì)于直接調(diào)制或外置電吸收調(diào)制器，本發(fā)明的調(diào)制器長(zhǎng)度要短得多，從而有更小的電容和更高的速率。相對(duì)于放置在輸出激光束路徑上的電吸收調(diào)制器，由于使用Q開(kāi)關(guān)機(jī)制本發(fā)明調(diào)制器的消光比也要高的多，且不需要很長(zhǎng)的調(diào)制器長(zhǎng)度。而且，它并不像外置電吸收調(diào)制器那樣不可避免地會(huì)產(chǎn)生能量損耗。
本發(fā)明的實(shí)施例只是用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。例如，本發(fā)明中的Q調(diào)制半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)原理也可以應(yīng)用于垂直腔表面輻射激光器。
權(quán)利要求
1.一種帶有電吸收光柵結(jié)構(gòu)的Q-調(diào)制半導(dǎo)體激光器，其特征在于包含一個(gè)嵌入在有源波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的相移分布反饋光柵，兩個(gè)相互分離的第一上電極和第二上電極分別覆蓋于增益區(qū)域和調(diào)制器區(qū)域的頂部，和一個(gè)作為公共接地面的下電極；所述相移分布反饋光柵依次分為第一部分、第二部分和第三部分，其中第一部分和第二部分由相移區(qū)隔開(kāi)；所述沉積于增益區(qū)域的第一上電極覆蓋所述光柵的第一部分、第二部分及其間的相位區(qū)，并將一個(gè)恒定電流注入該電極下的有源光波導(dǎo)，為激光器提供所需的光增益，所述覆蓋于調(diào)制器區(qū)域的第二上電極覆蓋所述光柵的第三部分，用來(lái)提供一個(gè)電信號(hào)，以改變處于該電極下的光波導(dǎo)的損耗，從而改變激光器的閾值和輸出功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Q-調(diào)制半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述相移分布反饋光柵中的相移等于四分之一波長(zhǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種Q-調(diào)制半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述相移分布反饋光柵中的相移是通過(guò)將相移區(qū)一側(cè)的光柵圖案相對(duì)另一側(cè)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)而形成的。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種Q-調(diào)制半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述相移分布反饋光柵中的相移是通過(guò)一段具有不同有效折射率的相移區(qū)波導(dǎo)來(lái)構(gòu)成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Q-調(diào)制半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述第三部分光柵的周期使得激光器的工作波長(zhǎng)位于該光柵的禁帶中央?yún)^(qū)域。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Q-調(diào)制半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述調(diào)制器區(qū)域的光波導(dǎo)損耗是通過(guò)正向偏置的電流注入來(lái)調(diào)制的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Q-調(diào)制半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述調(diào)制器區(qū)域的光波導(dǎo)損耗是通過(guò)反向偏置的電吸收效應(yīng)來(lái)調(diào)制的。
8.一種帶有電吸收光柵結(jié)構(gòu)的Q-調(diào)制半導(dǎo)體激光器，其特征在于包含第一分布式布拉格反射光柵，第二分布式布拉格反射光柵，以及位于這兩個(gè)光柵之間的增益區(qū)域；所述的增益區(qū)域被夾在第一對(duì)電極之間，該第一對(duì)電極用來(lái)注入恒定電流從而為激光器提供光增益；所述的第二分布式布拉格反射光柵包含一個(gè)具有電控吸收性質(zhì)的調(diào)制器區(qū)域，該調(diào)制器區(qū)域被夾在第二對(duì)電極之間，該電極用來(lái)施加一個(gè)電信號(hào)以改變前述調(diào)制器區(qū)域的光損耗，從而改變激光器的閾值和輸出功率。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種Q-調(diào)制半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述調(diào)制器區(qū)域與增益區(qū)域之間是由第二分布式布拉格反射光柵的一部分所隔開(kāi)的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種Q-調(diào)制半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述調(diào)制器區(qū)域所包含的光柵的周期使得激光器的工作波長(zhǎng)位于該光柵禁帶的中央?yún)^(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種帶有電吸收光柵結(jié)構(gòu)的Q－調(diào)制半導(dǎo)體激光器。包含一個(gè)λ/4相移的分布反饋光柵，兩個(gè)相互分離的上電極沉積于光柵頂部，一個(gè)電極沉積在激光器基底作為公共地。第一個(gè)上電極覆蓋了光柵的一部分，包括相移區(qū)，通過(guò)注入的恒定電流為激光器提供光增益。第二個(gè)上電極則覆蓋了遠(yuǎn)離相移區(qū)的光柵的剩余部分，作為激光器的Q－調(diào)制器。電信號(hào)可以加在該第二個(gè)上電極來(lái)改變帶有電吸收光柵結(jié)構(gòu)的調(diào)制器區(qū)域波導(dǎo)的吸收系數(shù)，改變激光器的Q值，從而改變激光閾值和輸出功率。本發(fā)明的Q－調(diào)制半導(dǎo)體激光器具有集成化、高速、高消光比、低波長(zhǎng)啁啾和低成本等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01S5/00GK1851990SQ20061005075
公開(kāi)日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月12日
發(fā)明者何建軍 申請(qǐng)人:何建軍