專利名稱：波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器，并尤其涉及這樣一種激光器， 該激光器的輸出光信號(hào)的波長(zhǎng)可以利用具有光柵作為外腔的反射濾波器來(lái) 控制。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)變得越來(lái)越信息取向，互連網(wǎng)使用增多，通信量呈幾何基數(shù) 增長(zhǎng)，存在適應(yīng)這種通信的高容量光通信的需求。從而，光信號(hào)的速度已經(jīng)被提高來(lái)增加光通信的容量。但是，速度已經(jīng)達(dá)到10到40Gbps的極限?？朔@個(gè)極限的一種通常方法是波長(zhǎng)分割多 路轉(zhuǎn)換(WDM)的方法，在該方法中，通過(guò)一根光線傳遞多個(gè)波長(zhǎng)?；赪DM的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON)(以下稱為WDM-PON)在中央站 和訂購(gòu)者之間通過(guò)分配給每個(gè)訂購(gòu)者的波長(zhǎng)進(jìn)4亍通信。由于每個(gè)訂購(gòu)者使用他們自身的波長(zhǎng)，保密性很好，且高容量通信服務(wù)成為可能，并且，不同的傳輸技術(shù)可以應(yīng)用于每個(gè)訂購(gòu)者或每項(xiàng)服務(wù)， 例如鏈接率(link rate)、幀格式等。但是，由于WDM-PON對(duì)一根光纖使用多個(gè)波長(zhǎng)，需要與屬于遠(yuǎn)程節(jié) 點(diǎn)(RN)的訂購(gòu)者同樣多的光源。對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)需要一個(gè)光源增加了用戶和才喿作者操作WDM-PON的成 本，由此使得WDM-PON并不實(shí)用。為了克服這個(gè)問(wèn)題，已經(jīng)研究可調(diào)光源，該可調(diào)光源可以選擇性地調(diào) 整其輸出的光的波長(zhǎng)。波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器對(duì)于半導(dǎo)體激光二極管而言具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，并 且使用外部波長(zhǎng)可調(diào)布拉格光柵反射濾波器。為了減少光源的成本，通常使用混合集成方法，其中，波長(zhǎng)可調(diào)布拉 格光柵反射濾波器和半導(dǎo)體激光二極管在波導(dǎo)平臺(tái)上安裝到一起。與主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方法相比，混合集成方法帶來(lái)較低的光偶合效率，這是由于倒裝芯片結(jié)合設(shè)備的對(duì)準(zhǔn)誤差所致，并且需要具有集成點(diǎn)尺寸轉(zhuǎn)換器的 昂貴的激光二極管。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器，該激光器具有穩(wěn)定的光耦合 效率和振蕩特性，其中，波長(zhǎng)可調(diào)波導(dǎo)型布拉格光柵反射濾波器和半導(dǎo)體 激光二極管不通過(guò)被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方法，而是通過(guò)主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方法利用單獨(dú)襯底來(lái) 光耦合。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器，該激光器包括半導(dǎo)體激光二極管，該半導(dǎo)體激光二極管輸出多波長(zhǎng)光信號(hào)并且安 裝到第一襯底上；以及波長(zhǎng)可調(diào)反射濾波器，該波長(zhǎng)可調(diào)反射濾波器安裝 到第二襯底上，利用具有預(yù)定周期的布拉格光柵的諧振輸出多波長(zhǎng)光信號(hào) 中的單波長(zhǎng)光信號(hào)，并通過(guò)改變布拉格光柵的折射率來(lái)調(diào)節(jié)所輸出的單波 長(zhǎng)光信號(hào)的波長(zhǎng)。如上所述，根據(jù)本發(fā)明，半導(dǎo)體激光二極管和波長(zhǎng)在波長(zhǎng)可調(diào)外腔激 光器中主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，由此，提高光偶合效率并活的高的光輸出功率。而且，根據(jù)本發(fā)明，提供了在光耦合過(guò)程中的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性，由此 減少制造故障。另外，利用光透鏡，半導(dǎo)體激光二極管的點(diǎn)尺寸轉(zhuǎn)換器的遠(yuǎn)場(chǎng)角的可 允許范圍增加，由此降低裝置的成本。


圖1包括波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器的俯視圖(a)和側(cè)視圖(b),在該激光器 中，波導(dǎo)型布拉格光柵反射濾波器和半導(dǎo)體激光二極管安裝到單個(gè)平臺(tái) 上；圖2包括波導(dǎo)型布拉格光柵反射濾波器結(jié)構(gòu)的透視圖(a)和根據(jù)溫度 的折射率的曲線(b);圖3包括根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器的俯視圖(a)和側(cè)視 圖(b),其中半導(dǎo)體激光二極管和波長(zhǎng)可調(diào)布拉格光柵反射濾波器利用耦合 透4竟光耦合；圖4包括根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器的俯視圖(a)和側(cè)視圖(b),其中，半導(dǎo)體激光二極管和波長(zhǎng)可調(diào)布拉格光柵反射濾波器在沒有耦合透鏡情況下光耦合；以及圖5示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器的工作原理。
具體實(shí)施方式
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器，該激光器 包括半導(dǎo)體激光二極管，該半導(dǎo)體激光二極管輸出多波長(zhǎng)光信號(hào)并安裝 到第一襯底上；以及波長(zhǎng)可調(diào)反射濾波器，該反射濾波器安裝到第二襯底 上，利用具有預(yù)定周期的布拉格光柵的諧振輸出多波長(zhǎng)光信號(hào)中的單波長(zhǎng) 光信號(hào)，并且通過(guò)改變布拉格光柵的折射率來(lái)調(diào)節(jié)所輸出的單波長(zhǎng)光信號(hào) 的波長(zhǎng)。下面參照附圖更全面描述本發(fā)明，在附圖中示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例。圖1包括波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器的俯視圖(a)和側(cè)視圖(b),其中，波導(dǎo)型 布拉格光柵反射濾波器和半導(dǎo)體激光二極管安裝在波導(dǎo)平臺(tái)上。半導(dǎo)體激光二極管200的前面201被防反射(AR)涂覆，并且后面 202被高反射(HR)涂覆。當(dāng)從AR涂覆的前面201發(fā)出的光線光耦合到可以調(diào)節(jié)光的波長(zhǎng)的波 長(zhǎng)可調(diào)布拉格光柵反射濾波器103上時(shí)，在半導(dǎo)體激光二極管和其中刻畫 光柵的反射濾波器之間形成外腔。諧振的振蕩波長(zhǎng)由布拉格光柵110的反射帶確定。而且，為了精細(xì)調(diào)節(jié)振蕩波長(zhǎng)，可以加入調(diào)節(jié)相位的另一個(gè)加熱器。典型地，在外腔激光器中，半導(dǎo)體激光二極管200被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)并且利用 倒裝芯片方法安裝到波導(dǎo)平臺(tái)100上，在該波導(dǎo)平臺(tái)100上集成布拉格光 柵反射濾波器103。在這種情況下，光耦合效率由半導(dǎo)體激光二極管200的輸出光線的遠(yuǎn) 場(chǎng)角確定。典型地，利用20度或更小的遠(yuǎn)場(chǎng)角，可以獲得直到40%的光耦合效率。但是，為了 20度或更小的遠(yuǎn)場(chǎng)角，點(diǎn)尺寸轉(zhuǎn)換器應(yīng)該集成在半導(dǎo)體 激光二極管的前面上，從而增加了光學(xué)器件的價(jià)格，由于被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方法在對(duì)準(zhǔn)偏移上仍呈現(xiàn)出很大變動(dòng)，難于獲得穩(wěn)定的光耦合效率。圖2包括波導(dǎo)型布拉格光柵反射濾波器結(jié)構(gòu)的透視圖(a)和根椐溫度折 射率變化的曲線(b)。波長(zhǎng)可調(diào)布拉格光柵反射濾波器103在芯部區(qū)域100形成具有預(yù)定周 期的波導(dǎo)布拉格光柵110，并且通過(guò)使薄膜加熱器101沉積在外鞘 (overclad)的上部上而利用熱-光效應(yīng)。利用具有周期性變化折射率的紫外線反應(yīng)芯部材料，光柵可以通過(guò)濕 或干蝕刻芯部區(qū)域的一部分而形成。在此，布拉格光4冊(cè)110通過(guò)以周期間隔蝕刻波導(dǎo)芯部區(qū)域100而形成。薄膜加熱器101和102通過(guò)沉積金屬，如Cr、 Au、 Ni、 Ni-Cr而形成。當(dāng)電流施加到薄膜加熱器101和102上時(shí)，溫度局部升高，并且折射 率通過(guò)熱-光效應(yīng)而增大或減小，由此調(diào)節(jié)布拉格光柵的反射帶。典型地，當(dāng)溫度升高時(shí)，金屬氧化物材料的折射率增加，而聚合物材 料的折射率減小。圖2的曲線(b)示出隨著聚合物材料溫度變化折射率的變化。對(duì)于波長(zhǎng)^^.63pm的光信號(hào)，聚合物材料的折射率隨著溫度升高而降低。圖3包括根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器的俯視圖(a) 和側(cè)視圖(b)，其中，半導(dǎo)體激光二極管和波長(zhǎng)可調(diào)布拉格光柵反射濾波器 利用耦合透鏡光耦合。根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例，波導(dǎo)平臺(tái)由聚合物材料形成在硅村底上，該 聚合物具有負(fù)熱-光系數(shù)，并且該波導(dǎo)平臺(tái)包括波長(zhǎng)可調(diào)布拉格光柵110和 相位控制加熱器102。從半導(dǎo)體激光二極管200發(fā)出的光信號(hào)通過(guò)光耦合透鏡204與布拉格 光柵反射濾波器103主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。半導(dǎo)體激光二極管200安裝在襯底205上，并且為了氣密密封(207)而 蓋密佳'于(cap-sealed)。用于驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光二極管200的引線框206和半導(dǎo)體激光二極管 200線結(jié)合(wire-bonding)。從半導(dǎo)體激光二極管200發(fā)出的光線的軸通過(guò)窗口 210和光耦合透鏡 204主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)在波導(dǎo)107的輸入面上。光耦合透鏡204可以是球面透鏡或非球面透鏡，并且可以直接附著到 蓋密封的窗口 210上。在圖3中，半導(dǎo)體激光二極管200平行于光信號(hào)的軸400，但是也可 以在30度范圍內(nèi)傾斜。而且，用于監(jiān)控光輸出的mPD (監(jiān)控PD)安裝在半導(dǎo)體激光二極管 200的背面。安裝到一起的半導(dǎo)體激光二極管200和mPD 209稱作TO頭203。 光耦合透鏡204可以包含在TO頭203內(nèi)。半導(dǎo)體激光二極管的前面201被防反射(AR)涂覆，殘留反射為0.1%或 更小。與前面201相對(duì)的后面是高反射(HR)涂覆的，優(yōu)選的呈現(xiàn)反射30%或 更高。為了有效光耦合前面201和輸入面(波導(dǎo)面)107，點(diǎn)尺寸轉(zhuǎn)換器可 以集成在半導(dǎo)體激光二極管中。通常，遠(yuǎn)場(chǎng)角可以是35度或更小。波導(dǎo)可調(diào)布拉格光柵反射濾波器103具有圖2的結(jié)構(gòu)(a)。 在波導(dǎo)的芯部區(qū)域100中的蝕刻深度小于l(im。 波導(dǎo)的材料的熱-光系數(shù)的絕對(duì)值為1.0 x IO力度或更大。 波導(dǎo)可以是埋溝(buried-channel)、反向i里溝(reversed buried畫channel)、 肋、脊等。在根據(jù)本發(fā)明的波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器中，電流施加到在布拉格光柵 110的上部的加熱器101,以通過(guò)局部加熱來(lái)控制振蕩波長(zhǎng)，/人而布拉格 光柵110的溫度需要被精確控制。為此，^法襯底106和TO頭203的下部利用環(huán)氧^5更化方法、激光焊 接、釬焊、機(jī)械接合等方法附著到熱-電冷卻器(TEC) 301上。TEC 301的下表面303輻射熱。圖4包括根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器的俯視圖(a)和 側(cè)視圖(b),其中，半導(dǎo)體激光二極管和波長(zhǎng)可調(diào)布拉格光柵反射濾波器在 沒有耦合透鏡的情況下光耦合。根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例，波導(dǎo)平臺(tái)由聚合物材料形成在硅襯底106 上，該聚合物具有負(fù)熱-光系數(shù)，并且該波導(dǎo)平臺(tái)包括波長(zhǎng)可調(diào)布拉格光柵 110和相4立4空制加熱器102。從半導(dǎo)體激光二極管200輸出的光信號(hào)在沒有光耦合透鏡的情況下主 動(dòng)與布拉格光柵反射濾波器103對(duì)準(zhǔn)。由于沒有使用耦合透鏡，為了獲得20%或更高的光耦合效率，可以集 成允許從半導(dǎo)體激光二極管200的前面輸出的光線具有20度或更小的遠(yuǎn) 場(chǎng)角的點(diǎn)尺寸轉(zhuǎn)換器。而且，在前面201和輸入表面(波導(dǎo)表面)107之間的空氣間隙的尺 寸可以是30nm或更小。半導(dǎo)體激光二極管200的前面201被AR涂覆，優(yōu)選的，殘留反射在 0.1%或更小。而且，與前面201相對(duì)的后面纟皮HR涂覆，優(yōu)選的呈現(xiàn)30%或更高的 反射。半導(dǎo)體激光二極管200安裝到襯底500上，并與輸入表面(波導(dǎo)表面 107)主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。而且mPD 209可以形成在襯底500上、在半導(dǎo)體激光二極管200的背面，以監(jiān)控光輸出。在圖4中，半導(dǎo)體激光二極管200平行于光信號(hào)的軸400，但也可以在30度內(nèi)傾斜。波導(dǎo)可調(diào)布拉格光柵反射濾波器103具有圖2的結(jié)構(gòu)(a)。 在波導(dǎo)的芯部區(qū)域100內(nèi)的蝕刻深度小于l(im。 波導(dǎo)的材料的熱-光系數(shù)的絕對(duì)值為1.0 x l(rV度或更大。 波導(dǎo)可以是i里溝(buried-channel)、反向i里溝(reversed buried-channel)、肋、脊等。在上述結(jié)構(gòu)中，為了布拉格光柵反射濾波器103的穩(wěn)定性，襯底500 的下部利用環(huán)氧硬化方法、激光焊接、釬焊、機(jī)械結(jié)合等方法安裝到熱電 冷卻器(TEC) 301的冷卻表面302上，其中在襯底的下部安裝硅襯底 106和TO頭203。TEC 301的下表面303輻射熱。圖5示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器的工作原理。半導(dǎo)體激光二極管通過(guò)光耦合透鏡與布拉格光柵反射濾波器光耦合(S500)。在半導(dǎo)體激光二極管和布拉格光柵反射濾波器的布拉格光柵之間形成 外腔(S510)。電流施加到在布拉格光柵反射濾波器的上外殼上安裝的薄膜加熱器 上，以改變布拉格光柵的折射率，由此改變從布拉格光柵反射濾波器輸出 的光信號(hào)的波長(zhǎng)(S520)。本發(fā)明還可以實(shí)施為在計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)上的計(jì)算機(jī)可讀代碼。該 計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)是可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的任何數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，該數(shù)據(jù)此后可 以由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)讀取。計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)的示例包括只讀存儲(chǔ)器 (ROM)、隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器(RAM)、 CD-ROM、磁帶、軟盤、光數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)裝置和載體波(如通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信)。計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)還可 以分布在網(wǎng)絡(luò)耦合的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使得計(jì)算機(jī)可讀代碼以分布方式存儲(chǔ)和 執(zhí)行。雖然已經(jīng)參照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例具體圖示和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng) 域技術(shù)人員可以理解到在不背離由所附權(quán)利要求書及其等價(jià)物限定的本發(fā) 明的精髓和范圍的前提下可以在形式和細(xì)節(jié)上作出改動(dòng)。優(yōu)選實(shí)施例僅被 認(rèn)為是描述，而不用于限制的目的。因此，本發(fā)明的范圍不由本發(fā)明的詳 細(xì)描述來(lái)限定，而僅由所附的權(quán)利要求書限定，并且在該范圍內(nèi)的所有修 改應(yīng)包含在本發(fā)明中。如上所述，根據(jù)本發(fā)明，半導(dǎo)體激光二極管和波導(dǎo)在波長(zhǎng)可調(diào)外腔激 光器中主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，由此增加了光耦合效率并獲得高的光輸出功率。而且，根據(jù)本發(fā)明，可以提供光耦合過(guò)程的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性，由此減 少制造故障。另外，利用光耦合透鏡，可以增加半導(dǎo)體激光二極管的點(diǎn)尺寸轉(zhuǎn)換器 的遠(yuǎn)場(chǎng)角的允許范圍，由此降低器件成本。在波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器中，半導(dǎo)體激光二極管和波導(dǎo)主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，由此 增加光耦合效率并獲得高的光輸出功率。
權(quán)利要求
1.一種波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器，包括半導(dǎo)體激光二極管，該半導(dǎo)體激光二極管輸出多波長(zhǎng)光信號(hào)并且安裝在第一襯底上；以及波長(zhǎng)可調(diào)反射濾波器，該波長(zhǎng)可調(diào)反射濾波器安裝到第二襯底上，利用在半導(dǎo)體激光二極管和具有預(yù)定周期的布拉格光柵之間形成的外腔的諧振，輸出所述多波長(zhǎng)光信號(hào)中的單波長(zhǎng)光信號(hào)，并且通過(guò)改變布拉格光柵的折射率來(lái)調(diào)節(jié)所輸出的單波長(zhǎng)光信號(hào)的波長(zhǎng)。
2. 如權(quán)利要求1所述的波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器，其中，所述第一襯底是 III-V族化合物半導(dǎo)體襯底。
3. 如權(quán)利要求1所述的波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器，其中，所述第二襯底由 硅基材料形成，并且所述波長(zhǎng)可調(diào)反射濾波器由具有負(fù)熱-光系數(shù)的聚合物 材料形成，并具有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
4. 如權(quán)利要求1所述的波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器，還包括光耦合透鏡，來(lái) 增加半導(dǎo)體激光二極管和波導(dǎo)之間的光耦合效率。
5. 如權(quán)利要求1所述的波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器，還包括監(jiān)控單元，該 監(jiān)控單元監(jiān)控從半導(dǎo)體激光二極管輸出的光輸出功率的特性；以及溫度控制單元，該溫度控制單元用于控制波長(zhǎng)可調(diào)反射濾波器的溫度。
6. 如權(quán)利要求3所述的波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器，其中，所述波導(dǎo)具有埋 溝結(jié)構(gòu)、反向埋溝結(jié)構(gòu)、肋結(jié)構(gòu)和脊結(jié)構(gòu)中的一種。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種波長(zhǎng)可調(diào)外腔激光器，包括半導(dǎo)體激光二極管，該半導(dǎo)體激光二極管輸出多波長(zhǎng)光信號(hào)并且安裝在第一襯底上；以及波長(zhǎng)可調(diào)反射濾波器，該波長(zhǎng)可調(diào)反射濾波器安裝到第二襯底上，利用在半導(dǎo)體激光二極管和具有預(yù)定周期的布拉格光柵之間形成的外腔的諧振，輸出所述多波長(zhǎng)光信號(hào)中的單波長(zhǎng)光信號(hào)，并且通過(guò)改變布拉格光柵的折射率來(lái)調(diào)節(jié)所輸出的單波長(zhǎng)光信號(hào)的波長(zhǎng)。該波長(zhǎng)可調(diào)布拉格光柵反射濾波器和半導(dǎo)體激光二極管安裝到單獨(dú)的襯底上，并且半導(dǎo)體激光二極管和波導(dǎo)型布拉格光柵反射濾波器的光耦合效率利用主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方法而增加，由此增加光輸出功率并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定振蕩模式。
文檔編號(hào)G01S3/10GK101405920SQ200780009919
公開日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2007年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月20日
發(fā)明者樸萬(wàn)鏞, 金秉輝 申請(qǐng)人:韓國(guó)電子通信研究院