專利名稱：Q－調(diào)制半導體激光器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體激光器和調(diào)制器，尤其涉及一種與利用電流注入或電吸收效應來改變激光器后反射體反射率的Q-調(diào)制器單片集成的Q-調(diào)制半導體激光器。
背景技術：
高速半導體激光器和調(diào)制器是當今光導纖維通信系統(tǒng)的關鍵元件?；ヂ?lián)網(wǎng)傳輸量的迅速增加要求這些光學元件能處理更加大的比特率。通過改變激光器的偏置電流來直接進行光信號強度調(diào)制是最簡單的方法，它不需要一個外部調(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。波長啁啾是直接調(diào)制激光器的另一問題。當激光器的輸入驅(qū)動電流改變時，載流體密度以及折射率都隨著變化，從而使波長也隨著改變。當脈沖上升和下降時激光波長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重，從而限制傳輸距離。
人們也很希望有波長可調(diào)諧或可切換的半導體激光器，用于可動態(tài)重組的光網(wǎng)絡。但是，直接調(diào)制激光器所伴隨固有的位相變化經(jīng)常會與波長調(diào)諧機制和激光穩(wěn)定性相干擾，使得可調(diào)諧激光器通常不能和直接調(diào)制相兼容。
人們可以讓激光器工作在連續(xù)波(CW)狀態(tài)，而用一個外置調(diào)制器來調(diào)制它。這樣可以消除上述瞬變振蕩的問題，并減少啁啾。電吸收調(diào)制器(EAM)是作為外置調(diào)制器的一個很好選擇，它通過施加一個電信號來改變它的吸收系數(shù)。當調(diào)制器是在開的狀態(tài)時激光器的輸出光束能低損耗地穿過調(diào)制器，而當調(diào)制器是在關的狀態(tài)時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)點是低驅(qū)動電壓，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)。當輸入數(shù)據(jù)信號改變調(diào)制器的反向偏壓，調(diào)制器波導的吸收系數(shù)改變，從而導致輸出光學功率的變化。
雖然相對直接調(diào)制激光器電吸收調(diào)制器顯著改進了啁啾性能，啁啾問題仍然存在，因為折射率變化不可避免地伴隨著吸收系數(shù)的調(diào)制。而且調(diào)制器啁啾是動態(tài)的，隨著實際驅(qū)動電壓的變化而變化?，F(xiàn)在電吸收調(diào)制器可提供大約10Gb/s的調(diào)制速率，能否達到更高的速度(如40Gb/s以上)而同時不引起相當大的寄生相位調(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，因此工藝復雜，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，簡稱MZ)干涉儀，用具有強的電光效應的材料(如鈮酸鋰LiNbO3晶體)制作。通過施加電壓改變折射率和光學路徑長度，使得光學信號在MZ干涉儀每條道路里傳播的相對位相被調(diào)制。將二個不同相位調(diào)制的光束結(jié)合起來就可將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換成強度調(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相反，此調(diào)制器將無任何啁啾，這意味著輸出信號只有強度調(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，目前只用在長距離和超長距離傳輸系統(tǒng)中。
隨著用于寬帶接入的光纖到戶(FTTP)技術的發(fā)展以及高密度波分復用器件(DWDM)在城域和局域網(wǎng)中的推廣，低成本半導體激光器和調(diào)制器已變得越來越重要。法布里-泊羅(Fabry-Perot)激光器被普遍應用于接入網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)，以及存儲局域網(wǎng)的光纖通道。法布里-泊羅激光器的動態(tài)波長穩(wěn)定性對傳輸距離有重大影響，尤其是使用多模光纖時更是如此。因此迫切需要一種高速、低成本的調(diào)制器，能夠減小激光波長啁啾并保持激光器的動態(tài)穩(wěn)定性，它不僅對長距離傳輸和城域網(wǎng)，而且對接入網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)也具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提出一種Q-調(diào)制半導體激光器，解決了傳統(tǒng)半導體激光器和調(diào)制器成本高，不易集成，波長啁啾，制作復雜等問題。
本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的一種Q-調(diào)制半導體激光器，包含第一個光學腔和第二個光學腔，所述的第一個光學腔是一個包含增益區(qū)域的諧振腔，所述的第二個光學腔是一個包含調(diào)制器區(qū)域的反諧振腔；所述的第二個光學腔通過一個部分反射的分隔元件與第一個光學腔相耦合，并作為激光器的后反射體；所述的調(diào)制器區(qū)域的吸收系數(shù)通過一電致方法被調(diào)制并導致所述的后反射體反射率和激光器Q值的調(diào)制從而改變激光發(fā)射的閾值和輸出能量。
所述的分隔元件是一個邊壁垂直的深刻蝕空氣槽。
所述的深刻蝕空氣槽的寬度尺寸等于四分之一波長的奇數(shù)倍。
所述的分隔元件是一個分布式布拉格光柵。
所述的調(diào)制器區(qū)域的吸收系數(shù)是通過正向偏置的電流注入來調(diào)制的。
所述的調(diào)制器區(qū)域的吸收系數(shù)是通過反向偏置的電吸收效應來調(diào)制的。
第一種具體的技術方案是所述的第一個光學腔包含增益區(qū)域，所述的增益區(qū)域是由夾在增益區(qū)域的上電極和接地電極中的第一段光波導組成的，所述的增益區(qū)域的上電極和接地電極是用來在第一段光波導中注入電流以提供光增益的一對電極；所述的調(diào)制器區(qū)域是由夾在調(diào)制器區(qū)域的上電極和接地電極中的第二段光波導組成的，所述的調(diào)制器區(qū)域的上電極和接地電極是用來提供一個電信號以調(diào)制所述第二段光波導的光損耗，從而調(diào)制激光器的閾值和輸出能量的一對電極。
所述的第一段光波導的波導芯層的上表面包含分布反饋光柵或者所述的第一段光波導和第二段光波導的波導芯層的上表面均包含分布反饋光柵。
第二種具體的技術方案是所述的第一個光學腔包含增益區(qū)域和相位區(qū)域，所述的增益區(qū)域是由夾在增益區(qū)域的上電極和接地電極中的第一段光波導組成的，所述的第一段光波導的波導芯層的上表面包含一個分布反饋光柵，所述的增益區(qū)域的上電極和接地電極是用來在第一段光波導中注入電流以提供光增益的一對電極；所述的相位區(qū)域是由夾在相位區(qū)域的上電極和接地電極中的第三段光波導組成的，所述的相位區(qū)域的上電極和接地電極是用一種電致方法來調(diào)節(jié)所述第三段光波導的有效折射率的一對電極；所述的調(diào)制器區(qū)域是由夾在調(diào)制器區(qū)域的上電極和接地電極中的第二段光波導組成的，所述的調(diào)制器區(qū)域的上電極和接地電極是用來提供一個電信號以調(diào)制所述第二段光波導的光損耗，從而調(diào)制激光器的閾值和輸出能量的一對電極。
所述的第一段光波導，第二段光波導和第三段光波導的波導芯層的上表面均包含分布反饋光柵。
本發(fā)明具有的有益效果是1.本發(fā)明的Q-調(diào)制半導體激光器利用一個新的原理機制將半導體激光器與高速、低啁啾Q-調(diào)制器單片集成，實現(xiàn)高性能、小尺寸的激光發(fā)射器，同時具有與直接調(diào)制激光器相類似的低成本和制作簡單的優(yōu)點。
2.本發(fā)明的Q-調(diào)制半導體激光器有多種不同具體結(jié)構形式，包括基于分布反饋激光器、法布里-泊羅激光器、分布式布拉格光柵激光器和波長可調(diào)復合腔激光器等不同結(jié)構。
3.本發(fā)明的Q-調(diào)制半導體激光器將調(diào)制功能與增益區(qū)域相分離，后者是被恒流泵浦的，這不僅減少了波長啁啾，也提高了調(diào)制速度，因此相對于直接調(diào)制或外置電吸收調(diào)制器，本發(fā)明的調(diào)制器長度要短得多，從而有更小的電容，更高的速率。
4.本發(fā)明的Q-調(diào)制半導體激光器，在Q-調(diào)制器與法布里-泊羅激光器或波長可變多腔激光器集成的情況下，由調(diào)制器帶來的相位變化非常小，這樣使得波長穩(wěn)定性很好，模式跳頻減少，也從而減少了相對強度噪聲。
5.本發(fā)明的Q-調(diào)制半導體激光器具有集成化、高速、高消光比、低波長啁啾和低成本等優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明提出的與一個Q-調(diào)制器單片集成的半導體激光器的示意框圖。
圖2是基于本發(fā)明的第一種實現(xiàn)方法的Q-調(diào)制半導體激光器的示意圖。
圖3是空氣槽的反射率和透射系數(shù)在1550nm波長隨空氣槽寬度尺寸變化的函數(shù)。
圖4是對于兩個不同歸一化吸收系數(shù)αL＝0和αL＝2.4，由置于兩個刻蝕空氣槽之間的調(diào)制器區(qū)域組成的激光腔后反射體的反射率(a)和反射相位改變(b)隨波長變化的光譜函數(shù)。
圖5是在兩個不同歸一化吸收系數(shù)αL＝0和αL＝2.4的調(diào)制器狀態(tài)下，激光器結(jié)構的小信號增益光譜函數(shù)。
圖6是激光閾值增益系數(shù)(a)和波長變化(b)隨歸一化調(diào)制器吸收系數(shù)αL變化的函數(shù)。
圖7是對于不同調(diào)制器區(qū)域吸收值，激光后反射體的反射率光譜函數(shù)。假設調(diào)制器區(qū)域的波導有效折射率實部和虛部之比為1.5。
圖8是對應調(diào)制器區(qū)域反諧振光學腔的不同工作點，閾值增益系數(shù)(a)和波長變化(b)隨歸一化調(diào)制器吸收系數(shù)αL變化的函數(shù)。
圖9是基于本發(fā)明第二種實現(xiàn)方法的Q-調(diào)制半導體激光器的示意圖，其結(jié)構包含了分布反饋光柵。
圖10是激光閾值增益(a)和波長(b)隨相位區(qū)域折射率變化而變化的函數(shù)，對應光柵被空氣槽在一個光柵周期范圍內(nèi)四個不同位置截斷的四種情況高折射率段中間，低折射率段末端，低折射率段中間和高折射率段末端。
圖11是在歸一化吸收系數(shù)αL＝0和αL＝2.4兩種調(diào)制器狀態(tài)下，在三個區(qū)域都包含有DFB光柵的激光器結(jié)構的小信號增益光譜函數(shù)。
圖12是在歸一化調(diào)制器吸收系數(shù)αL＝0和αL＝2.4兩種情況下，激光主模式周圍幾個不同模式(由標志標出)的閾值增益。
圖13是基于本發(fā)明第三種實現(xiàn)方法的Q-調(diào)制半導體激光器的示意圖，該激光器是一個簡單的法布里-泊羅激光器(a)或是額外帶有通過深刻蝕制作的模式選擇器的法布里-泊羅激光器(b)。
圖14是在調(diào)制器開(αL＝0)和關(αL＝1.2)兩種狀態(tài)下后反射體反射率以及模式選擇器反射率的光譜函數(shù)。
圖15是在調(diào)制器開(αL＝0)和關(αL＝1.2)兩種狀態(tài)下，在設計的中心波長1550nm周圍，不同縱模的激光發(fā)射閾值。
圖16是在歸一化調(diào)制器吸收系數(shù)αL＝0和αL＝1.2兩種情況下，圖13(b)的激光器結(jié)構的小信號增益光譜函數(shù)。
圖17是針對圖13(b)激光器結(jié)構的激光閾值增益系數(shù)(a)和波長變化(b)隨歸一化調(diào)制器吸收變化的函數(shù)。
圖18是基于本發(fā)明第四種實現(xiàn)方法的Q-調(diào)制半導體激光器的示意圖，該激光器是包含一個信道選擇區(qū)域的多腔波長可變激光器。
圖19是基于本發(fā)明第五種實現(xiàn)方法的Q-調(diào)制半導體激光器的示意圖，該激光器包含分布式布拉格光柵。
圖中100、發(fā)射輸出光束的前端面，101、增益區(qū)域，102、相位區(qū)域，103、調(diào)制器區(qū)域，104、光探測器，105、分隔調(diào)制器區(qū)域103和相位區(qū)域102的分隔元件，106、分隔光探測器104和調(diào)制器區(qū)域103的分隔元件，107、分隔模式選擇器108和增益區(qū)域101的分隔元件，108、模式選擇器，110、分隔元件或者解理面，112、表面覆蓋層，114、波導芯層，116、緩沖層，118、基底，120、接地電極，201、增益區(qū)域101的上電極，202、相位區(qū)域102的上電極，203、調(diào)制器區(qū)域103的上電極，204、光探測器104的上電極，208、模式選擇器108的上電極，301、分布反饋光柵，404、分隔耦合波導區(qū)域409和增益區(qū)域101的分隔元件，406、分隔信道選擇區(qū)域408和耦合波導區(qū)域409的分隔元件，407、分隔信道選擇區(qū)域408和增益區(qū)域101的分隔元件，408、信道選擇區(qū)域，409、耦合波導區(qū)域，500、505、510、分布式布拉格光柵，508、信道選擇區(qū)域408的上電極
具體實施例方式
下面根據(jù)附圖和實施例，詳細說明本發(fā)明。
如圖1所示，一種Q-調(diào)制半導體激光器，包含第一個光學腔和第二個光學腔，所述第一個光學腔是一個包含增益區(qū)域的諧振腔，所述第二個光學腔是一個包含調(diào)制器區(qū)域的反諧振腔；所述第二個光學腔通過一個部分反射的分隔元件與第一個光學腔相耦合，并作為激光器的后反射體；所述調(diào)制器區(qū)域的吸收系數(shù)通過電流注入或電吸收效應被調(diào)制并導致所述后反射體反射率和激光器Q值的調(diào)制從而改變激光發(fā)射的閾值和輸出能量。本發(fā)明的Q-調(diào)制半導體激光器有多種不同具體結(jié)構，其中第一個光學腔可分別基于分布反饋光柵、法布里-泊羅諧振腔、分布式布拉格光柵和波長可變的復合諧振腔結(jié)構。
激光器光學諧振腔的Q因子或稱品質(zhì)因子是用來衡量有多少來自激光器增益介質(zhì)的光通過光學諧振腔被反饋回來，高的Q因子意味著光在諧振腔中傳播每個來回受到較小的損失。Q-調(diào)制的原理是利用一個可改變諧振腔Q因子的裝置來改變激光輸出光功率，這已經(jīng)應用在產(chǎn)生周期性短脈沖的調(diào)Q染料或固體激光器中。通常實現(xiàn)調(diào)Q的現(xiàn)有技術方法包括在光學諧振腔中使用旋轉(zhuǎn)鏡，或使用電光或聲光調(diào)制器。但這些方法對于微小的半導體激光器來說都不可行。
對于半導體激光器的調(diào)制，減少波長啁啾是非常重要的一個需要考慮的方面。在一九八七年五月十九日授權的美國專利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，因為除了增加制作復雜程度外，還會引入和直接調(diào)制激光器類似的顯著的波長啁啾。
在二零零三年二月十一日授權的的美國專利6,519,270中，H.B.Kim and J.J.Hong描述了一個由單模分布反饋激光器與無源光波導區(qū)域集成形成的復合腔激光器。通過調(diào)制無源波導的折射率，從而調(diào)制無源波導后解理面有效反射率的相位，進而調(diào)制激光頻率，然后通過在激光器前面放置一個象由Mach-Zehnder干涉儀構成的窄帶光濾波器，將頻率調(diào)制轉(zhuǎn)化為強度調(diào)制。雖然這個調(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，導致頻率的調(diào)制而不是強度調(diào)制。將頻率調(diào)制轉(zhuǎn)化為強度調(diào)制所需要的窄帶濾波器使它很難實際應用于普通的通訊系統(tǒng)，所需要的有源-無源波導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失諧諧振腔豎直集成的表面發(fā)射垂直腔激光器，通過改變失諧諧振腔中的折射率可以實現(xiàn)激光強度的調(diào)制。同樣的原理被應用在二零零四年四月十日授權的B.Sartorius and M.Moehrle的美國專利6,215,805中。在以上兩個現(xiàn)有技術中，激光器腔的一個反射體是一個微量失諧的諧振腔，它在激光器工作波長上的反射率高度色散，也就是說反射率光譜在激光波長附近展現(xiàn)出一個尖銳的負尖峰。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，這個現(xiàn)有技術方法有很大的缺陷1)在近諧振條件下，反射率高度依賴于波長，因此需要根據(jù)事先確定的兩個諧振腔之間的失諧要求來精確校正它們的諧振波長，這非常困難，對制作也很敏感。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，這將導致激光波長的很大啁啾。
本發(fā)明克服了先前技術方法的缺陷，通過使用一個反諧振腔作為半導體激光器的后反射體，此反射體的反射率可以通過改變反諧振腔內(nèi)波導材料的光學吸收來改變。與諧振腔相比，反諧振腔的反射率和由光學損耗調(diào)制引起的反射率變化對波長的依賴大大減弱，反射率改變時所引起的相位變化也相當小，因此波長啁啾非常低。作為調(diào)制器的反諧振腔內(nèi)波導光學損耗變化可以通過電流注入來實現(xiàn)，可以使用與激光增益介質(zhì)相同的材料，因此大大簡化了制作。下面將詳細描述實現(xiàn)以上機制的單片Q-調(diào)制半導體激光器結(jié)構的細節(jié)。
圖2是本發(fā)明的第一種具體實施結(jié)構，它是一個與電吸收Q-調(diào)制器單片集成的單模分布反饋半導體激光器。該激光器包含了發(fā)射輸出光束的前端面100，作為激光器后反射體的調(diào)制器區(qū)域103，刻蝕在增益區(qū)域101用來穩(wěn)定單模激光工作頻率的分布反饋(DFB)光柵301，以及相位區(qū)域102。Q-調(diào)制器在調(diào)制器區(qū)域103，包括分隔調(diào)制器區(qū)域103和相位區(qū)域102的分隔元件105(這里是一個空氣槽)，另一分隔元件或解理面110以及這兩者之間的電吸收波導?？諝獠?05和分隔元件或解理面110組成了反諧振法布里-泊羅Fabry-Perot腔，它的反射率可以通過改變腔內(nèi)的波導吸收來改變。除去調(diào)制器部分的激光器的工作原理與J.-J.He and M.Cada在一篇題為″Phase-matched combineddistributed-feedback/Fabry-Perot structure for semiconductor lasers″，OpticsCommunications，vol.110，pp.115-119，1994的論文中描述的結(jié)構類似。分布反饋光柵可以是部分增益耦合結(jié)構以提高激光器的單模選擇性。一般來說(但并非必須)，前端面100是解理面，可以鍍上增透膜以將隨機反射相位效應減至最小。
波導結(jié)構一般包括緩沖層116，電泵浦時提供光增益的波導芯層114以及表面覆蓋層112，它們都沉積在基底118上。波導芯層114最好包含多量子阱結(jié)構，而且各層中有象傳統(tǒng)激光器結(jié)構層那樣適當摻雜。在橫截面上，波導被加工成標準的脊型波導，以在水平方向也得到光模式的限制。上電極201，202，203被分別沉積在增益區(qū)域101，相位區(qū)域102，調(diào)制器區(qū)域103三個區(qū)域的上表層，基底的背面也沉積了另一個接地電極120作為接地面。通過電極可以在增益區(qū)域101注入電流產(chǎn)生光增益，在調(diào)制器區(qū)域103利用一種電致方法(通過反偏電壓或電流注入)來改變波導的吸收系數(shù)，從而改變激光器后反射體的反射系數(shù)。在相位區(qū)域102，使用一種電致方法使此段波導充分透明并調(diào)節(jié)它的有效折射率，使得對于激光模式，后反射體的反射相位與光柵相位相匹配，這樣就能夠達到最低的激光發(fā)射閾值和最高的邊模抑制比率。
上述三個區(qū)域的波導材料可以不同，使得具有不同功能的每個單獨區(qū)域的結(jié)構獨立優(yōu)化。這可以利用刻蝕再生長技術或諸如量子阱混合技術的生長后能帶間隙工程方法來達到上述目的。另一個更簡單的方法是在三個區(qū)域都利用相同的激光器的層狀結(jié)構，但是施加不同的電壓或電流，以得到三個區(qū)域不同的性能。
本發(fā)明器件的一個重要結(jié)構組分是作為分隔元件的豎直深刻蝕空氣槽，它形成了電吸收Q-調(diào)制器的反諧振腔并組成了激光器的后反射體。過去的幾年中，制作豎直、平滑深刻蝕面的干化刻蝕技術取得了巨大進步，例如，在一篇名為“Monolithic integrated wavelength demultiplexer based on a waveguide Rowlandcircle grating in InGaAsP/InP”，J.Lightwave Tech.Vol.16，pp.631-638，1998的論文中，J.-J.He，B.Lamontagne，A.Delage，L.Erickson，M.Davies，and E.S.Koteles在以InP為基礎的材料系統(tǒng)上得到了非常好的刻蝕面質(zhì)量。高質(zhì)量刻蝕面的一個應用是基于波導的階梯光柵器件，它已經(jīng)被商業(yè)開發(fā)。豎直、光滑刻蝕邊壁和空氣槽制作技術的成熟也為本發(fā)明器件的技術可行性提供了基礎。
空氣槽在這個器件結(jié)構中起了部分反射鏡的作用。當空氣槽寬度尺寸為四分之一波長的奇數(shù)倍時，也就是λ/4，3λ/4，5λ/4，...時，能夠得到高的反射率。圖3是空氣槽的反射率和透射率在1550nm波長上隨寬度變化的函數(shù)。當寬度尺寸為四分之一波長的偶數(shù)倍的時候(也就是λ/2，λ，3λ/2，...等等)，空氣槽的反射率幾乎可以忽略不計。
理論上，當空氣槽寬度最小時，也就是λ/4左右，能夠達到最佳性能。這是因為光束的發(fā)散，使得空氣槽的損耗隨著寬度尺寸變大而變大。因此，如圖4所示，反射率峰值逐漸下降。同時，隨著寬度尺寸增大，反射率的波長依賴性越來越強。但另一方面，如果寬度尺寸減小，制作將變得更加困難，因為對于1550nm的波長來說，λ/4的寬度只有0.3875μm。5λ/4到9λ/4的寬度，對應的尺寸為1.94μm到3.49μm，是一個不錯的折中選擇。無論空氣槽寬度尺寸如何，基于InP材料系統(tǒng)的空氣槽在寬度上的容差為±0.1μm量級，這對于目前的工藝制作技術來說是可以達到的。隨著技術的進步，我們可以預期能夠達到的寬度尺寸會越來越小。為了說明本發(fā)明器件的工作原理，我們在下面的數(shù)值舉例中暫時忽略由光束發(fā)散導致的空氣槽損耗。
空氣槽寬度尺寸的設計也可以偏離四分之一波長奇數(shù)倍的原則，使得空氣槽可以有最佳反射率。在這種情況下，空氣槽的反射會產(chǎn)生一個非零的相位改變Φ。
按照本發(fā)明的一個實施方式，電吸收調(diào)制器的波導被放置在由兩個刻蝕空氣槽(或一個刻蝕空氣槽和一個解理面)組成的反諧振腔中。當光學腔工作在高反射狀態(tài)，腔內(nèi)能量密度小時，稱其為反諧振腔。調(diào)制器區(qū)域和空氣槽構成激光器的后反射體，它的反射率可以通過電吸收效應被改變。這里的電吸收效應是對通過反向偏置電壓或電流注入等電致方法來改變波導的吸收系數(shù)的通稱。調(diào)制器區(qū)域的光學路徑長度被設計為接近以下的反諧振條件4πnλL+2Φ=(2m+1)π---(1)]]>其中L為調(diào)制器區(qū)域的長度，n為有效折射率，λ為真空中波長，Φ為空氣槽反射率的相位，m為整數(shù)。
作為數(shù)值舉例，我們假設λ＝1550nm，n＝3.215，以及m＝50?？諝獠鄣膶挾瘸叽邕x擇為1.15λ＝1.7825μm。計算得到的空氣槽的反射率為0.85，相位為-0.3943。根據(jù)式(1)，得到調(diào)制器區(qū)域長度為L＝12.2μm。圖4(a)顯示了當調(diào)制器區(qū)域的吸收系數(shù)為α＝0和α＝2000cm-1(分別對應于歸一化吸收系數(shù)αL＝0 and αL＝2.4)時，后反射體的兩個反射率光譜函數(shù)。圖4(b)顯示了相應的反射率相位改變隨波長的變化，這兩條對應于不同調(diào)制器吸收值的曲線相交在λ＝1550.5nm。我們可以看到，在1550nm附近，反射率隨著調(diào)制器吸收系數(shù)的改變而變化很大，而相應的相位變化卻小得可以忽略不計。正如我們后面將展示的，反射率的改變將導致激光腔Q值的改變，從而改變激光發(fā)射閾值。理論上，除了反諧振條件，調(diào)制器也可以工作在諧振條件，也就是
4πnλL+2Φ=2mπ---(2)]]>這對應于圖4(a)中的反射率最小值，也就是λ＝1536.1nm或λ＝1565.3nm。在這種情況下，反射率隨調(diào)制器吸收系數(shù)的變化也有顯著變化(變化方向與反諧振情況相反)，但是可以從圖4(b)看出，它對應的相位變化也非常大，這樣就會使激光器的啁啾性能變差。除此之外，在諧振條件附近波長依賴性也非常強，導致很窄的工作波長帶寬和很小的制作容許誤差。
圖5顯示了針對圖2的完整激光器結(jié)構的小信號增益光譜函數(shù)。分布反饋光柵DFB區(qū)域的長度為400μm，假設光柵有效折射率分布為矩形函數(shù)，高折射率段n1＝3.215，低折射率段n2＝3.21(Δn＝0.005)，周期為Λ＝0.2412μm。它的歸一化耦合系數(shù)由下式計算得到 我們進一步假設光柵是部分增益耦合的，增益只產(chǎn)生在高折射率段。G.P.Li，T.Makino，and H.Lu在“Simulation and interpretation of longitudinal-modebehavior in partly gain-coupled InGaAsP/InP multiquantum-well DFB lasers”，IEEEPhotonics Technology Letters，vol.4，no.4，pp.386～388，1993這篇論文中描述了一個增益耦合分布反饋激光器的例子。在我們的數(shù)值舉例中，相位區(qū)的長度被設定為Lp＝50.2μm。圖6中的兩個光譜函數(shù)是當增益系數(shù)為g＝9.1cm-1而歸一化吸收系數(shù)分別為αL＝0 and αL＝2.4時計算的。
鑒于光學增益是在光柵高折射率段產(chǎn)生的，所以光柵禁帶的長波長側(cè)的分布反饋激光模式具有最低閾值。當調(diào)制器處于透明狀態(tài)(α＝0)時，在禁帶長波長側(cè)的激光主模(λ＝1550.25nm)的閾值增益系數(shù)為9.1cm-1，同時在禁帶短波長側(cè)的第一個模(λ＝1548.51nm)的閾值為65cm-1。如此大的閾值差保證激光器工作在單模狀態(tài)并具有很高的邊模抑止率。當調(diào)制器處于吸收狀態(tài)αL＝2.4時，上述兩個模式的波長不變而閾值增益系數(shù)分別上升到37.6cm-1和71.3cm-1。激光主模在兩個調(diào)制器狀態(tài)下如此大的閾值差別(9.1cm-1和37.6cm-1)說明了調(diào)制器對激光產(chǎn)生了很有效的Q調(diào)制。當激光器增益區(qū)域被恒定電流泵浦，其產(chǎn)生的光增益低于調(diào)制器吸收狀態(tài)的激光閾值而又高于透明(或低吸收)狀態(tài)的激光閾值時，激光輸出就能夠有效地被施加在調(diào)制器上的信號所調(diào)制。與Q-調(diào)制相隨的相位變化可忽略不計從而導致很小的波長啁啾是本發(fā)明激光調(diào)制器件的重要優(yōu)點。
圖6(a)是激光增益系數(shù)隨調(diào)制器吸收系數(shù)變化的曲線。我們可以看到調(diào)制器吸收系數(shù)只需要500cm-1(相應于αL＝0.6)就可以獲得100％的閾值差。如果調(diào)制器的光學路徑長度設計使得激光波長處在圖4(b)兩條曲線的交點處(也就是λ＝1550.5nm)，整個結(jié)構的激光波長由于調(diào)制器吸收值變化的偏移將可以小得忽略不計。當激光波長遠離該最佳工作點時，偏移將會增大。盡管如此，偏移量仍舊比直接調(diào)制激光器小幾個量級。圖6(b)顯示了上例結(jié)構中激光波長隨調(diào)制吸收系數(shù)變化的函數(shù)。此激光工作波長為λ＝1550.25nm，偏移最佳工作點0.25nm。當歸一化調(diào)制吸收αL從0變化到2.4時，閾值變化了四倍(從9.1cm-1到37.6cm-1)，而波長變化量小于0.007nm。相比之下，傳統(tǒng)直接調(diào)制分布反饋激光器有高達幾個納米量級的波長啁啾。
在半導體材料中，根據(jù)Kramer-Kronig關系，吸收的改變伴隨著折射率的改變，這個折射率變化在一定工作條件下可以非常大。通過在反諧振條件附近適當選擇調(diào)制器腔的工作參數(shù)，折射率改變可以被用來增強激光閾值的調(diào)制。圖7顯示了相對于不同的調(diào)制器吸收系數(shù)αL＝0，αL＝0.24，αL＝0.6，αL＝1.2 andαL＝2.4，后反射體的反射率光譜函數(shù)。我們假設了調(diào)制器波導有效折射率實部和虛部改變之比為1.5。我們可以看到在工作波長1550nm附近，隨著吸收值的增大，折射率改變引起的光譜偏移進一步降低了反射率。
調(diào)制器腔的工作條件可以由一個分數(shù)參量f(0≤f＜1)描述，在調(diào)制器吸收為零時(透明狀態(tài))時，該參量由下面的方程定義4πnλL+2Φ=2(m+f)π---(3)]]>圖8顯示了激光閾值增益系數(shù)(a)和相應的波長變化(b)在f＝0.5(對應準確的反諧振條件)，f＝0.6和f＝0.73的條件下隨著調(diào)制器吸收系數(shù)變化的函數(shù)。我們可以看到閾值變化斜率比圖6(a)大，說明了折射率變化增加了激光閾值的變化。當f參量從0.5上升時，對給定閾值變化所需要的調(diào)制器吸收系數(shù)變化降低了。例如，對于f＝0.73，從0到500cm-1(相應于αL從0變化到0.6)的調(diào)制器吸收系數(shù)改變能夠引起閾值增益系數(shù)從12.8cm-1增大到52.3cm-1，超過四倍的變化量。而相應的波長變化僅為0.039nm。
在本發(fā)明的以上實施方式中，相位區(qū)域的光學路徑長度對于器件工作是很重要的，需要調(diào)整它以使得法布里-泊羅Fabry-Perot諧振模的場分布與分布反饋光柵DFB諧振模的場分布是相長干涉的。因此，為了獲得完整的調(diào)整范圍，相位區(qū)域的長度要足夠長以能夠通過改變施加的電流或電壓產(chǎn)生π的相位改變。實際工作時，可以在調(diào)制器設定為開的狀態(tài)下，通過將激光發(fā)射閾值最小化或?qū)⑤敵瞿芰孔畲蠡瘉頉Q定所需要的施加在相位區(qū)的直流電壓或電流。施加在這個區(qū)域的直流偏壓也可以用來細微地調(diào)節(jié)激光的工作波長。
在以上的實施方式中，分布反饋光柵只被制作在激光器的增益區(qū)域101，而相位區(qū)域102和調(diào)制器區(qū)域103沒有光柵。對于傳統(tǒng)分布反饋激光器，光柵是通過利用兩光束干涉的全息曝光方法來刻畫的。如果只在晶片特定的部分區(qū)域刻畫光柵會提高制作的復雜度。幸運的是，如下所示，光柵在相位和調(diào)制區(qū)域中的存在并不影響器件的工作。這樣就允許我們通過在整個晶片上刻畫光柵來簡化制作過程。
圖9顯示了本發(fā)明的第二種實施方式。它包括三個區(qū)域增益區(qū)域101，相位區(qū)域102和調(diào)制器區(qū)域103。這個器件是通過在晶片上刻畫上均勻的分布反饋光柵301而制作的。每個區(qū)域有一個分離的上電極(分別為201、202和203)和在底面的共同的接地電極120。調(diào)制器區(qū)域和相位區(qū)域被分隔元件105分隔，這里是一個穿過波導芯層的豎直深刻蝕空氣槽，而增益區(qū)域101和相位區(qū)域102的波導是連續(xù)連接的。增益區(qū)域101被注入大量電流為激光提供光學增益。相位區(qū)域102被泵浦到基本透明狀態(tài)，同時通過對它的偏置電流的調(diào)節(jié)為被分隔元件105(這里是一個空氣槽)和調(diào)制器區(qū)域103反射的光波提供相位控制。調(diào)制器區(qū)域103上施加了電信號，使得其波導材料性質(zhì)在基本透明(或小增益)和基本吸收狀態(tài)間振蕩變化。調(diào)制器區(qū)域的另一端被另一個分隔元件106所截斷，106可以是刻蝕空氣槽或一個解理面。一個帶有單獨上電極204的光探測器104也可被集成在同一器件上。
由于調(diào)制器區(qū)域103的長度相對較短，光柵的作用幾乎可以忽略不計。除了調(diào)制器波導上加上有周期為Λ＝0.2412μm、Δn＝0.005的光柵，我們用與圖4相同的參數(shù)計算了后反射體的反射率光譜，結(jié)果與圖4的光譜幾乎完全一致。
相位區(qū)域102也是不管有無光柵，其效果幾乎不受影響。除了在調(diào)制器和相位區(qū)域中加上光柵結(jié)構，我們使用與上面例子相同的參數(shù)來模擬一個激光調(diào)制結(jié)構。圖10顯示了當相位區(qū)域的折射率改變時，激光閾值增益(a)和激光發(fā)射波長(b)的變化。相位區(qū)域的長度大約為Lp＝50.2μm。四條曲線分別代表光柵被空氣槽在一個光柵周期內(nèi)的四個不同位置截斷的情況高折射率段的中間，低折射率段的末端，低折射率段的中間和高折射率段的末端。我們可以看到無論光柵在哪里被截斷，我們都可以調(diào)整相位區(qū)域的折射率來得到激光器的最低發(fā)射閾值。當相位區(qū)域被調(diào)節(jié)時，激光發(fā)射波長小量偏移(在一個納米量級)，同時當閾值到達一定高的水平時會發(fā)生跳模。然而，當相位區(qū)域調(diào)節(jié)而達到最低閾值時，激光發(fā)射波長基本上不依賴于光柵的末端相位(在這個例子中為1550.4nm)。
圖11顯示了在增益系數(shù)為g＝9.8cm-1，歸一化調(diào)制器吸收系數(shù)分別為αL＝0和αL＝2.4時計算得到的上述激光器結(jié)構的小信號增益光譜。我們可以看到它們與圖5的幾乎完全相同，說明在調(diào)制器區(qū)域和相位區(qū)域中的光柵對器件工作幾乎沒有影響。
在圖12中我們給出了相對于歸一化調(diào)制器吸收系數(shù)分別為αL＝0和αL＝2.4時激光發(fā)射主模1550.4nm周圍模式的閾值增益，不同模式的位置用記號標出。由于使用部分增益耦合分布反饋光柵DFB，閾值區(qū)別很大，這確保了激光器的動態(tài)單模工作。調(diào)制器吸收系數(shù)的改變導致基模閾值從9.8cm-1上升到32cm-1，顯示了有效的Q調(diào)制機制。
對于一個本領域的內(nèi)行來說顯而易見的是在以上兩種實施方式中，如果在制造時空氣槽相對于分布反饋光柵的相位位置能夠被精確控制，那么相位區(qū)域可以被省去。另一方面，作為調(diào)制器的反諧振腔中可以添加一個相位區(qū)域，以調(diào)整Q調(diào)制器的工作點。同樣也可以用帶有三個或更多電極的多區(qū)域分布反饋來代替上面例子中的DFB和相位區(qū)域來提高激光器的波長可調(diào)性。
圖13(a)顯示了本發(fā)明的第三種實施方式，其中Q-調(diào)制器與一個法布里-泊羅激光器集成在一起，它包括了增益區(qū)域101和調(diào)制器區(qū)域103。每個區(qū)域有一個單獨的上電極(分別為201和203)和在底部的共同的接地電極120。調(diào)制器區(qū)域103和增益區(qū)域102被分隔元件105分隔，這里是一個穿過波導芯層的豎直深刻蝕空氣槽。此外，如圖13(b)所示，我們也可以將由一個或更多個法布里-泊羅腔構成的模式選擇器108集成在同一芯片上來獲得激光器的單模式工作。模式選擇器108起到光學濾波的作用，可通過分隔元件107(這里是另外一個深刻蝕空氣槽)來與增益區(qū)域101相分隔。模式選擇器區(qū)域的頂部可以沉積一個上電極208，以注入電流使下面的波導基本透明，并改變其折射率以便調(diào)節(jié)模式選擇器的中心波長。由于不需要分布反饋光柵，這個器件制作非常簡單，同時在波長穩(wěn)定性和調(diào)制速度上遠好于直接調(diào)制的法布里-泊羅激光器。它在城域和接入網(wǎng)絡中的應用具有很大的潛力，因為低成本的元器件對這方面的應用極為重要。
值得注意的是法布里-泊羅激光器對于激光發(fā)射波長總是工作在諧振條件下，因此腔內(nèi)具有高的能量密度，而本發(fā)明中的調(diào)制器區(qū)域和模式選擇器的光學腔最好是工作在接近于反諧振條件。作為一個例子，我們設調(diào)制器區(qū)域、增益區(qū)域和模式選擇器的波導長度分別為12.2μm，200μm和24.5μm，空氣槽為1.78μm。圖14顯示了在調(diào)制器區(qū)域狀態(tài)為開(αL＝0)和關(αL＝1.2)的情況下調(diào)制器光學腔反射率以及模式選擇器光學腔反射率的光譜函數(shù)(從增益區(qū)域入射)。模式選擇器和調(diào)制器光學腔反射率光譜的乘積決定了選擇激光模式的濾波函數(shù)。該光譜濾波函數(shù)的峰位一般是設計成與材料增益光譜函數(shù)的峰位基本重合，這樣在此峰位附近的有源腔模式將擁有最低的激光發(fā)射閾值。圖15顯示了對于調(diào)制器開與關兩個狀態(tài)，在設計的中心波長1550nm附近不同縱模相應的激光發(fā)射閾值。上述計算中，并沒有考慮波導材料的增益光譜分布，而材料的增益光譜分布將進一步提高模式的選擇性。當調(diào)制器從開狀態(tài)轉(zhuǎn)換到關狀態(tài)的時候，最低閾值從8.8cm-1上升到21cm-1。
圖16顯示了增益系數(shù)為g＝8.8cm-1，歸一化調(diào)制器吸收系數(shù)分別為αL＝0和αL＝1.2時計算得到的如圖13(b)激光器結(jié)構的小信號增益光譜。激光器工作在單模狀態(tài)，且在被調(diào)制時，其波長偏移量非常小。
圖17顯示了激光器閾值增益系數(shù)(a)和相應的波長變化(b)隨調(diào)制器吸收系數(shù)變化的函數(shù)。當歸一化調(diào)制器吸收系數(shù)αL從0變化到1.2時，閾值從8.8cm-1變化為21cm-1，同時波長變化量小于0.02nm。
本發(fā)明的Q調(diào)制器也可以與一個基于多重法布里-泊羅腔的波長可調(diào)激光器集成在一起，該激光器可見J.-J.He的美國專利申請No.10/908,362，題為“Wavelength switchable semiconductor laser”。圖18描述了本發(fā)明的第四種實施方式。它包括一個近反諧振的調(diào)制器區(qū)域103，一個諧振的增益區(qū)域101和一個諧振的信道選擇區(qū)域408。調(diào)制器區(qū)域103和增益區(qū)域101被一個分隔元件105(這里是部分反射的深刻蝕空氣槽)所分隔，其尺寸基本上是四分之一波長的奇數(shù)倍。信道選擇區(qū)域408通過另一個分隔元件407(這里是一個有損耗的空氣腔)與增益區(qū)域101相連，空氣腔的尺寸正好為半波長的倍數(shù)。調(diào)制器區(qū)域103如同前面的實施方式一樣是在一個近反諧振的光學腔內(nèi)，同時增益區(qū)域101和信道選擇區(qū)域408是在諧振的光學腔內(nèi)并且通過電泵浦來為激光產(chǎn)生光學增益。通過設計增益區(qū)域101的長度和由此得到的自由光譜寬度，可以使其諧振波長正好對應一系列離散的等間隔的工作信道。信道選擇區(qū)域408的長度與增益區(qū)域101長度稍有不同，使得在有源波導材料的光譜增益窗口中，其光學腔只有一個諧振波長與增益區(qū)域101的光學腔的一個諧振波長相重合，這樣激光發(fā)射將發(fā)生在這個共同的諧振波長上。這兩個腔通過一個分隔元件407相連，這里是一個引入一定的耦合損耗并使相鄰兩個諧振腔光場有相疊加的相位關系的空氣槽。工作時，增益區(qū)域101被注入基本固定的電流，而注入信道選擇區(qū)域的電流可以改變，從而可將激光波長切換到所選擇的由增益區(qū)域101決定的一系列離散工作波長中的一個信道。作為一種變更方式，空氣槽407可由一個如圖18(b)所示耦合波導區(qū)域409替代，尺寸正好等于四分之一波長奇數(shù)倍的空氣槽404和406被用來分隔相鄰的增益區(qū)域101、耦合波導區(qū)域409和信道選擇區(qū)域408，其中耦合波導區(qū)域409的光學路徑長度正好等于半波長的倍數(shù)，這樣增益區(qū)域101和信道選擇區(qū)域408在諧振條件下能夠相位匹配。耦合區(qū)域的波導通常是吸收性的，以改善單模特性。它可以施加偏壓以提供可調(diào)節(jié)的損耗，從而為波長可調(diào)激光器獲得最優(yōu)的單模選擇性。
圖19顯示了本發(fā)明的第五種實施方式，其中Q-調(diào)制器和一個分布式布拉格反射光柵(DBR)激光器集成在一起。它包括增益區(qū)域101，調(diào)制器區(qū)域103和三個DBR光柵500、505和510。它可以被看成是一個傳統(tǒng)DBR激光器的后反射體被分成了兩個區(qū)域(505和510)，然后將一個調(diào)制器區(qū)域103嵌入在它們之間。Q-調(diào)制器波導的長度通過設計使得Q-調(diào)制器腔滿足(1)式形成反諧振。DBR光柵為激光器提供了良好的波長選擇性，這些DBR光柵區(qū)域的波導材料最好是透明的，與增益和調(diào)制器區(qū)域的材料不同，這可通過刻蝕再生長技術或是諸如量子阱混合技術的生長后能隙調(diào)整方法來實現(xiàn)。增益區(qū)域101和調(diào)制器區(qū)域103各有一個單獨的上電極(分別為201和203)，共用的接地電極120沉積在底部。在增益區(qū)域101的電極提供了注入電流而產(chǎn)生光增益，在調(diào)制器區(qū)域103的電極用來施加一種電致方法(電流注入或反偏電壓)以改變波導的吸收系數(shù)，從而改變后反射體(也就是分布布拉格反射光柵505和510)的反射率，最后導致對激光器閾值和輸出能量的調(diào)制。
本發(fā)明的激光調(diào)制集成器件有很多優(yōu)點。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，這不僅減少了波長啁啾，也提高了調(diào)制速度，因此相對于直接調(diào)制或外置電吸收調(diào)制器，本發(fā)明的調(diào)制器長度要短得多，從而有更小的電容和更高的速率。相對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開關機制本發(fā)明調(diào)制器的消光比也要高的多，且不需要很長的調(diào)制器長度。而且，它并不像外置電吸收調(diào)制器那樣不可避免地會產(chǎn)生能量損耗。在Q-調(diào)制器與法布里-泊羅激光器或波長可調(diào)多腔激光器集成的情況下，由調(diào)制器帶來的相位變化非常小，這樣使得波長穩(wěn)定性很好，模式跳頻減少，也從而減少了相對強度噪聲。
應該指出的是本發(fā)明器件的調(diào)制機理是用一個反諧振腔結(jié)構組成半導體激光器的后反射體并在其中引入損耗調(diào)制。在本發(fā)明說明書的舉例中我們主要使用電吸收或電流注入作為損耗調(diào)制的機制，但其它用來制作可變光衰減器和光開關的現(xiàn)有技術都可以被用來做同樣的功能，這并不背離本發(fā)明的思想和范圍。
還可以構想出許多其它的具體實施方式
，例如分隔各個區(qū)域的單個空氣槽可以用多重空氣槽所替代，這些空氣槽也可以用諸如氧化硅或氮化硅這樣的具有中間折射率的材料來充填。
本發(fā)明的實施例只是用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種Q-調(diào)制半導體激光器，其特征在于包含第一個光學腔和第二個光學腔，所述的第一個光學腔是一個包含增益區(qū)域的諧振腔，所述的第二個光學腔是一個包含調(diào)制器區(qū)域的反諧振腔；所述的第二個光學腔通過一個部分反射的分隔元件與第一個光學腔相耦合，并作為激光器的后反射體；所述的調(diào)制器區(qū)域的吸收系數(shù)通過一電致方法被調(diào)制并導致所述的后反射體反射率和激光器Q值的調(diào)制從而改變激光發(fā)射的閾值和輸出能量。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種Q-調(diào)制半導體激光器，其特征在于所述的分隔元件是一個邊壁垂直的深刻蝕空氣槽。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種Q-調(diào)制半導體激光器，其特征在于所述的深刻蝕空氣槽的寬度尺寸等于四分之一波長的奇數(shù)倍。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種Q-調(diào)制半導體激光器，其特征在于所述的分隔元件是一個分布式布拉格光柵。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種Q-調(diào)制半導體激光器，其特征在于所述的調(diào)制器區(qū)域的吸收系數(shù)是通過正向偏置的電流注入來調(diào)制的。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種Q-調(diào)制半導體激光器，其特征在于所述的調(diào)制器區(qū)域的吸收系數(shù)是通過反向偏置的電吸收效應來調(diào)制的。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種Q-調(diào)制半導體激光器，其特征在于所述的第一個光學腔包含增益區(qū)域(101)，所述的增益區(qū)域(101)是由夾在增益區(qū)域的上電極(201)和接地電極(120)中的第一段光波導組成的，所述的增益區(qū)域的上電極(201)和接地電極(120)是用來在第一段光波導中注入電流以提供光增益的一對電極；所述的調(diào)制器區(qū)域(103)是由夾在調(diào)制器區(qū)域(103)的上電極(203)和接地電極(120)中的第二段光波導組成的，所述的調(diào)制器區(qū)域(103)的上電極(203)和接地電極(120)是用來提供一個電信號以調(diào)制所述第二段光波導的光損耗，從而調(diào)制激光器的閾值和輸出能量的一對電極。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種Q-調(diào)制半導體激光器，其特征在于所述的第一段光波導的波導芯層的上表面包含分布反饋光柵或者所述的第一段光波導和第二段光波導的波導芯層的上表面均包含分布反饋光柵。
9.根據(jù)權利要求1所述的一種Q-調(diào)制半導體激光器，其特征在于所述的第一個光學腔包含增益區(qū)域(101)和相位區(qū)域(102)，所述的增益區(qū)域(101)是由夾在增益區(qū)域的上電極(201)和接地電極(120)中的第一段光波導組成的，所述的第一段光波導的波導芯層的上表面包含一個分布反饋光柵，所述的增益區(qū)域的上電極(201)和接地電極(120)是用來在第一段光波導中注入電流以提供光增益的一對電極；所述的相位區(qū)域(102)是由夾在相位區(qū)域(102)的上電極(202)和接地電極(120)中的第三段光波導組成的，所述的相位區(qū)域(102)的上電極(202)和接地電極(120)是用一種電致方法來調(diào)節(jié)所述第三段光波導的有效折射率的一對電極；所述的調(diào)制器區(qū)域(103)是由夾在調(diào)制器區(qū)域(103)的上電極(203)和接地電極(120)中的第二段光波導組成的，所述的調(diào)制器區(qū)域(103)的上電極(203)和接地電極(120)是用來提供一個電信號以調(diào)制所述第二段光波導的光損耗，從而調(diào)制激光器的閾值和輸出能量的一對電極。
10.根據(jù)權利要求9所述的一種Q-調(diào)制半導體激光器，其特征在于所述的第一段光波導，第二段光波導和第三段光波導的波導芯層的上表面均包含分布反饋光柵。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Q－調(diào)制半導體激光器，包含第一個光學腔和第二個光學腔，所述第一個光學腔是一個包含增益區(qū)域的諧振腔，所述第二個光學腔是一個包含調(diào)制器區(qū)域的反諧振腔；所述第二個光學腔通過一個部分反射的分隔元件與第一個光學腔相耦合，并作為激光器的后反射體；所述調(diào)制器區(qū)域的吸收系數(shù)通過一電致方法被調(diào)制并導致所述后反射體反射率和激光器Q值的調(diào)制從而改變激光發(fā)射的閾值和輸出能量。本發(fā)明有多種不同具體結(jié)構，其中第一個光學腔可分別基于分布反饋光柵、法布里—泊羅諧振腔、分布式布拉格光柵和波長可變的復合諧振腔結(jié)構。本發(fā)明的Q－調(diào)制半導體激光器具有集成化、高速、高消光比、低波長啁啾和低成本等優(yōu)點。
文檔編號H01S5/10GK1838492SQ20061005048
公開日2006年9月27日 申請日期2006年4月24日 優(yōu)先權日2006年4月24日
發(fā)明者何建軍 申請人:何建軍