專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于長(zhǎng)周期深刻蝕槽光柵的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種波 長(zhǎng)可調(diào)諧激光器，尤其涉及一種基于長(zhǎng)周期深刻蝕槽光柵的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器。
背景技術(shù)：
人類(lèi)社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)信息交換量爆炸式急劇增長(zhǎng)的時(shí)代，同時(shí)伴隨著光纖和激光器技術(shù)的重大突破，光纖通信技術(shù)以其巨大的寬帶潛力和無(wú)與倫比的傳輸性能等優(yōu)點(diǎn)在通信領(lǐng)域。其中波分復(fù)用技術(shù)(wavelength-division multiplexing, WDM)是目前大容量光纖通信網(wǎng)普遍采用的技術(shù)。有線電視綜合業(yè)務(wù)的開(kāi)展，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的日益增長(zhǎng)，各類(lèi)選擇性服務(wù)的實(shí)施、網(wǎng)絡(luò)升級(jí)改造經(jīng)濟(jì)費(fèi)用的考慮等等，WDM的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)在CATV傳輸系統(tǒng)中逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。這項(xiàng)技術(shù)是將一系列載有信息、但波長(zhǎng)不同的光信號(hào)合成一束，沿著單根光纖傳輸；在接收端再用某種方法，將各個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(kāi)的通信技術(shù)。這種技術(shù)可以同時(shí)在一根光纖上傳輸多路信號(hào)，每一路信號(hào)都由某種特定波長(zhǎng)的光來(lái)傳送，這就是一個(gè)波長(zhǎng)信道?？梢?jiàn)波分復(fù)用技術(shù)是在同一根光纖上成倍提高傳輸容量，來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)容并以較小的成本進(jìn)一步提高通信容量。這其中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器要求具有較大調(diào)諧范圍(比如5 10nm)，工作穩(wěn)定、成本低廉、操作簡(jiǎn)單。目前在光通訊領(lǐng)域中使用最為廣泛的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器有兩種方案通過(guò)溫度調(diào)節(jié)的分布反饋激光器(DFB)、通過(guò)電流調(diào)節(jié)的分布反射光柵激光器(DBR)。典型DFB激光器的結(jié)構(gòu)如圖I所示，其中量子阱層被刻蝕成光柵的形狀，為諧振腔提供反饋。通過(guò)調(diào)節(jié)DFB激光器的工作溫度改變材料折射率，進(jìn)而移動(dòng)其反射峰的位置，可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧的效果。這種調(diào)諧方式的最大缺點(diǎn)是速度慢，另外其調(diào)諧范圍比較小，大約T5nm。另一種常用結(jié)構(gòu)是DBR激光器，其結(jié)構(gòu)如圖2。該器件在工作時(shí)，通過(guò)向有源區(qū)I加電流提供增益，光柵區(qū)3與另一端的反射面構(gòu)成了激光器的諧振腔，同時(shí)向相位區(qū)2注入電流用于調(diào)節(jié)腔內(nèi)相位使得所需波長(zhǎng)達(dá)到諧振條件的相位要求。調(diào)節(jié)光柵區(qū)3的注入電流可以有效調(diào)節(jié)光柵的反射峰，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧的效果。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)范圍較大，而且調(diào)節(jié)速度較快。但其缺點(diǎn)也是非常顯著的，首先需要至少3個(gè)電極同時(shí)工作，而實(shí)際應(yīng)用中一般是:Γ5個(gè)電極實(shí)現(xiàn)控制，需要復(fù)雜的外圍電路支持；其次DBR激光器的制造中需要制作光柵、刻蝕光柵、二次外延等步驟，以上兩點(diǎn)大大增加了該器件的成本。以上兩種激光器設(shè)計(jì)的共同之處是都使用光柵提供反饋，而由于光柵在上包層下，所以都粗要二次外延，有一種更為簡(jiǎn)單的替代方案是利用周期性的刻蝕槽陣列來(lái)代替光柵，為腔內(nèi)提供反饋，這樣就可以免去二次外延的工藝，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，降低成本。UniversityCollege Cork的一個(gè)研究組在這方面取得了許多不錯(cuò)的成果，圖3所示是他們提出的一個(gè)設(shè)計(jì)，其中5是反射區(qū)，6是增益區(qū)。反射區(qū)波導(dǎo)交錯(cuò)放置著兩組不同周期的刻蝕光柵，通過(guò)調(diào)節(jié)這兩組光柵的注入電流，他們得到了 37個(gè)通信信道，間隔為100GHz。但是該器件需要3電極支持，并要求同時(shí)調(diào)節(jié)兩個(gè)電極的注入電流才可以實(shí)現(xiàn)調(diào)諧，這需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路，因此在實(shí)際使用時(shí)仍存在很大的麻煩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)背景技術(shù)的不足，提供一種基于長(zhǎng)周期深刻蝕槽光柵刻的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于長(zhǎng)周期深刻蝕槽光柵的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器，它主要由一體形成的深刻蝕反射面、第一深刻蝕槽光柵區(qū)、第二深刻蝕槽光柵區(qū)和輸出波導(dǎo)等組成；所述的第一深刻蝕槽光柵區(qū)和第二深刻蝕槽光柵區(qū)分別由Γ3個(gè)深刻蝕槽構(gòu)成，每個(gè)深刻蝕槽的寬度是四分之一激光器中心波長(zhǎng)的整數(shù)倍；所述的第一深刻蝕槽光柵區(qū)和第二深刻蝕槽光柵區(qū)具有不同的光柵周期，并分別被第一深刻蝕槽光柵區(qū)電極和第一深刻蝕槽光柵區(qū)電極覆蓋，可以通過(guò)向第一深刻蝕槽光柵區(qū)電極或第一深刻蝕槽光柵區(qū)電極注入電流來(lái)調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)；所述激光器制作在半導(dǎo)體外延片上，從下往上生長(zhǎng)下包層、量子 阱層、上包層以及上述各層之間的輔助層；所述第一深刻蝕槽光柵區(qū)第二深刻蝕槽光柵區(qū)和深刻蝕反射面的刻蝕深度均到達(dá)下包層。進(jìn)一步地，所述第一深刻蝕槽光柵區(qū)和第二深刻蝕槽光柵區(qū)具有不同的光柵周期，兩個(gè)周期長(zhǎng)度的光程均為四分之一激光器中心波長(zhǎng)的整數(shù)倍，并且其中至少有一個(gè)周期長(zhǎng)度的光程為四分之一激光器中心波長(zhǎng)的偶數(shù)倍。進(jìn)一步地，所述深刻蝕反射面與第二深刻蝕槽光柵區(qū)的尾部深刻蝕槽構(gòu)成了激光器諧振腔的兩個(gè)反射面，激光器的輸出可以直接從深蝕反射面輸出，也可以通過(guò)尾部深刻蝕槽耦合入輸出波導(dǎo)輸出。本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益效果是本發(fā)明操作簡(jiǎn)便，能夠?qū)崿F(xiàn)單電極調(diào)諧信道；可應(yīng)用于集成光路器件。


圖I是分布反饋激光器(DFB)結(jié)構(gòu)示意圖 圖2是分布反射光柵激光器(DBR)結(jié)構(gòu)意圖
圖3是。University College Cork研究組的激光器結(jié)構(gòu)示意圖 圖4是基于長(zhǎng)周期深刻蝕槽光柵的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器結(jié)構(gòu)示意圖 圖5是深刻蝕槽深度與反射率以及損耗的關(guān)系 圖6是深刻蝕槽槽寬與反射率以及損耗的關(guān)系
圖7是基于長(zhǎng)周期深刻蝕槽光柵的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器調(diào)諧前狀態(tài)示意8是基于長(zhǎng)周期深刻蝕槽光柵的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器調(diào)諧后狀態(tài)示意9是一個(gè)基于長(zhǎng)周期深刻蝕槽光柵的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器的一種設(shè)計(jì)的單電極掃描波長(zhǎng)調(diào)諧 圖中，有源區(qū)I、相位區(qū)2、3為光柵區(qū)3、量子阱層4、反射區(qū)5、增益區(qū)6、第一深刻蝕槽光柵區(qū)7、第二深刻蝕槽光柵區(qū)8、深刻蝕反射面9、輸出波導(dǎo)10、下包層11、量子阱層12、上包層13、輔助層14、第一深刻蝕槽光柵區(qū)電極70、第二深刻蝕槽光柵電極80、尾部深刻蝕槽101、第一深刻蝕槽光柵區(qū)7生成的反射譜15、第二深刻蝕槽光柵區(qū)8生成的反射譜16。
具體實(shí)施例方式圖4是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，其結(jié)構(gòu)包括第一深刻蝕槽光柵區(qū)7、第二深刻蝕槽光柵區(qū)8、深刻蝕反射面9、輸出波導(dǎo)10、下包層11，量子阱層12、上包層13以及以上所述各層之間的輔助層14等。第一深刻蝕槽光柵區(qū)7和第二深刻蝕槽光柵區(qū)8分別由f 3個(gè)深刻蝕槽構(gòu)成。圖5是設(shè)計(jì)波長(zhǎng)在1550附近時(shí)，深刻蝕槽深 度與反射率以及損耗的關(guān)系，當(dāng)刻蝕深度小于在量子阱層(圖中的MQW區(qū)域)的深度時(shí)，槽的損耗較大并且反射率較?。划?dāng)刻蝕深度超過(guò)量子阱層深度時(shí)，槽的損耗逐漸降低并且反射率逐漸變大。因此為了給激光器腔內(nèi)提供足夠的反饋同時(shí)減小腔內(nèi)的反饋，第一深刻蝕槽光柵區(qū)7和第二深刻蝕槽光柵區(qū)8中的每個(gè)深刻蝕槽的刻蝕深度都要超過(guò)量子阱層12到達(dá)下包層11，一般來(lái)說(shuō)大于4微米。深刻蝕反射面9與上述兩個(gè)深刻蝕槽光柵區(qū)具有相同的刻蝕深度。圖6是設(shè)計(jì)波長(zhǎng)在1550附近時(shí)深刻蝕槽槽寬與反射以及損耗的關(guān)系，當(dāng)槽寬大約設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的四分之三時(shí)，反射最大，深刻蝕槽主要起反射作用；當(dāng)槽寬大約等于設(shè)計(jì)波長(zhǎng)時(shí)，反射最小，深刻蝕槽主要起透射作用。第一深刻蝕槽光柵區(qū)7和第二深刻蝕槽光柵區(qū)8具有不同的光柵周期，并分別被第一深刻蝕槽光柵區(qū)電極70和第一深刻蝕槽光柵區(qū)電極80覆蓋。為了滿足激光器諧振的相位條件，對(duì)上述兩個(gè)深刻蝕槽光柵區(qū)的光柵周期要求其光程為四分之一激光器中心波長(zhǎng)的整數(shù)倍，并且第一深刻蝕槽光柵區(qū)7和第二深刻蝕槽光柵區(qū)8中至少有一個(gè)的光柵周期為四分之一激光器中心波長(zhǎng)的偶數(shù)倍，以確保激光器中心波長(zhǎng)能夠在腔內(nèi)起振。根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求，我們可以設(shè)定第一深刻蝕槽光柵區(qū)7的周期為
A，第第二深刻蝕槽光柵區(qū)8的周期為& ,其中Z1 >4。因此得到兩組不同周期的反射
譜，如圖7所示，15是第一深刻蝕槽光柵區(qū)7生成的反射譜，反射峰間隔為, 16是第二
深刻蝕槽光柵區(qū)8生成的反射譜，反射峰間隔為Δ為，由于I1 >￡3,所以>Δ為。當(dāng)
兩組反射譜在&波長(zhǎng)處對(duì)齊的時(shí)候，Λ)成為唯一在第一深刻蝕槽光柵區(qū)7和第二深刻蝕槽光柵區(qū)8中能夠形成諧振的波長(zhǎng)，而其他波長(zhǎng)則不滿足諧振條件，最終在一定的自由光譜范圍內(nèi)僅有波長(zhǎng)&形成振蕩，此時(shí)激光器的輸出波長(zhǎng)為為。當(dāng)我們固定第一深刻蝕槽光柵區(qū)電極70入電流，增加第一深刻蝕槽光柵區(qū)電極80入電流，注入電流帶來(lái)的折射率變化會(huì)使梳狀激射峰向短波方向移動(dòng)，而電流注入所帶來(lái)的熱效應(yīng)則會(huì)使梳狀激射峰向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，而在激光器正常工作的時(shí)候，由于電流較大，引發(fā)的熱效應(yīng)占主導(dǎo)，因此激光器的輸出波長(zhǎng)是隨著調(diào)節(jié)電極的注入電流增大而增大。
如圖8所示，第二深刻蝕槽光柵區(qū)8的反射譜整體向長(zhǎng)波方向移動(dòng)_Δ&，此時(shí)兩組
激射峰在為波長(zhǎng)處對(duì)齊，激光器的輸出波長(zhǎng)變?yōu)闉椤Ｍㄟ^(guò)這個(gè)方式我們只需要固定第一深刻蝕槽光柵區(qū)電極70入電流，單獨(dú)調(diào)節(jié)第一深刻蝕槽光柵區(qū)電極80入電流就可以實(shí)現(xiàn)信道的切換，信道間隔為HiiLi調(diào)諧范圍大約為[4/|Ζο-Α|]·ΔΑ ,同時(shí)波長(zhǎng)變化時(shí)隨第一深刻蝕槽光柵區(qū)電極80入電流單調(diào)變化的，這可以大大簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)和產(chǎn)品檢測(cè)步驟。圖9是一個(gè)基于長(zhǎng)周期深刻蝕槽光柵的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器的一種設(shè)計(jì)的實(shí)測(cè)信道切換圖。該器件為4段式激光器，長(zhǎng)度分別為453μπι、453μπι、408μπι、408μπι，4個(gè)深刻蝕槽的寬度以此為1. 15 μ m、I. 67 μ m、I. 67 μ m、I. 67 μ m。兩組周期性波導(dǎo)的周期長(zhǎng)度差被設(shè)計(jì)為相差10%，因此在同一個(gè)FSR內(nèi)可以得到大約9個(gè)信道，信道間隔約為100GHz，波長(zhǎng)調(diào)諧范圍從1577nm到1585nm，所有信道的SMSR均在30dB以上。我們將周期為453 μ m的深刻蝕槽光柵區(qū)的注入電流固定在80mA，調(diào)節(jié)周期為408 μ m的調(diào)節(jié)的深刻蝕槽光柵區(qū)的注入電流，可以看到電流從IOmA到70mA的變化過(guò)程中出射波長(zhǎng)有規(guī)律地切換。本發(fā)明有以下三種結(jié)構(gòu)上的變形
I，激光器輸出由尾部深刻蝕槽1011禹合入輸出波導(dǎo)10,輸出波導(dǎo)10可以根據(jù)實(shí)際需要與要求的光電子器件相連，由此實(shí)現(xiàn)光源在器件上的單片集成。 2，激光器輸出由深刻蝕反射面9出射，類(lèi)似于常規(guī)的激光器芯片，此時(shí)尾部深刻蝕槽101以及輸出波導(dǎo)10可以保留或者由另一個(gè)深刻蝕反射面代替。3，可以根據(jù)需要，在第一深刻蝕槽光柵區(qū)7和第二深刻蝕槽光柵區(qū)8之間加入一段增益波導(dǎo)，以增大激光器的輸出功率。以上措施為描述性質(zhì)的，任何與其精神相似的方案都屬于專(zhuān)利的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于長(zhǎng)周期深刻蝕槽光柵的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器，特征在于，它主要由一體形成的深刻蝕反射面(9)、第一深刻蝕槽光柵區(qū)(7)、第二深刻蝕槽光柵區(qū)(8)和輸出波導(dǎo)(10)等組成；所述的第一深刻蝕槽光柵區(qū)(7)和第二深刻蝕槽光柵區(qū)(8)分別由f 3個(gè)深刻蝕槽構(gòu)成，每個(gè)深刻蝕槽的寬度是四分之一激光器中心波長(zhǎng)的整數(shù)倍；所述的第一深刻蝕槽光柵區(qū)(7)和第二深刻蝕槽光柵區(qū)(8)具有不同的光柵周期，并分別被第一深刻蝕槽光柵區(qū)電極(70)和第一深刻蝕槽光柵區(qū)電極(80)覆蓋，可以通過(guò)向第一深刻蝕槽光柵區(qū)電極(70)或第一深刻蝕槽光柵區(qū)電極(80)注入電流來(lái)調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)；所述激光器制作在半導(dǎo)體外延片上，從下往上生長(zhǎng)下包層(11)、量子阱層(12)、上包層(13)以及上述各層之間的輔助層(14);所述第一深刻蝕槽光柵區(qū)(7)、第二深刻蝕槽光柵區(qū)(8)和深刻蝕反射面(9)的刻蝕深度均到達(dá)下包層(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于長(zhǎng)周期深刻蝕槽光柵的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器，其特征在于，所述第一深刻蝕槽光柵區(qū)(7)和第二深刻蝕槽光柵區(qū)(8)具有不同的光柵周期，兩個(gè)周期長(zhǎng)度的光程均為四分之一激光器中心波長(zhǎng)的整數(shù)倍，并且其中至少有一個(gè)周期長(zhǎng)度的光程為四分之一激光器中心波長(zhǎng)的偶數(shù)倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于長(zhǎng)周期深刻蝕槽光柵的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器，其特征在于，所述深刻蝕反射面(9)與第二深刻蝕槽光柵區(qū)(8)的尾部深刻蝕槽(101)構(gòu)成了激光器諧振腔的兩個(gè)反射面，激光器的輸出可以直接從深刻蝕反射面(9)輸出，也可以通過(guò)尾部深刻蝕槽(101)耦合入輸出波導(dǎo)(10)輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于長(zhǎng)周期深刻蝕槽光柵的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器，它包括深刻蝕反射面、第一深刻蝕槽光柵區(qū)、第二深刻蝕槽光柵區(qū)和輸出波導(dǎo)；第一深刻蝕槽光柵區(qū)與第二深刻蝕槽光柵區(qū)由深刻蝕槽構(gòu)成，兩個(gè)區(qū)域具有不同的光柵周期并分別被兩塊獨(dú)立電極覆蓋，通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)電極的注入電流可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)；激光器制作在半導(dǎo)體外延片上，從下往上分別包括下包層，量子阱層和上包層以及以上所述各層之間的一些輔助層；本發(fā)明操作簡(jiǎn)便，能夠?qū)崿F(xiàn)單電極調(diào)諧信道；可應(yīng)用于集成光路器件。
文檔編號(hào)H01S5/125GK102931581SQ20121046290
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月16日
發(fā)明者王寅, 楊友光, 何建軍 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)