專利名稱：一種多波長(zhǎng)激光器及其制備方法及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多波長(zhǎng)激光器及其制備方法 及應(yīng)用。
背景技術(shù)：
目前，WPON(波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò))中，通過(guò)CO(中心局)多個(gè)OLT(光 線路終端)產(chǎn)生具有彼此不同波長(zhǎng)的多個(gè)下行光信號(hào)來(lái)提供多種不同的通信業(yè) 務(wù)；多個(gè)ONU (光網(wǎng)絡(luò)單元)接收相應(yīng)的下行光信號(hào)，并將上行光信號(hào)經(jīng)過(guò)傳 輸光纖傳輸至光線路終端；通過(guò)接入中間ODN (無(wú)源光分配網(wǎng)絡(luò))節(jié)點(diǎn)達(dá)到無(wú) 源光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。其中，中心局 一般采用多個(gè)DFB (分布反饋式布拉格(Bragg ))激光器或 者多波長(zhǎng)激光器等產(chǎn)生上行光信號(hào)光源。然而，分布反饋式激光器價(jià)格昂貴， 在長(zhǎng)波段尤為顯著，而且性能不穩(wěn)定。而現(xiàn)有的多波長(zhǎng)激光器采用腔內(nèi)選頻， 難于系統(tǒng)集成，且波長(zhǎng)選擇性差、輸出功率低等。發(fā)明內(nèi)容鑒于上述的分析，本發(fā)明旨在提供一種多波長(zhǎng)激光器及其制備方法及應(yīng)用， 用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的多波長(zhǎng)激光器集成難度高，且波長(zhǎng)選擇性差、輸出 功率低的問(wèn)題。本發(fā)明的目的主要是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供了 一種多波長(zhǎng)激光器，所述激光器從下至上至少由封裝襯底、熱電冷卻器、基板、載片以及激光器芯片構(gòu)成，其中，所述激光器芯片至少由以下部件依次構(gòu)成半導(dǎo)體村底、分布反饋式Bragg光柵、下包層、下勢(shì)壘層、 激活區(qū)、上勢(shì)壘層、上包層、分布反饋式Bragg光柵和金屬電極，其中，所述 激活區(qū)內(nèi)設(shè)置有有源增益介質(zhì)，所述有源增益介質(zhì)由多個(gè)預(yù)定的半導(dǎo)體介質(zhì)材 料的、由組分及尺寸調(diào)制的量子點(diǎn)帶構(gòu)成，每個(gè)量子點(diǎn)帶內(nèi)包含有多個(gè)尺寸相 同且分布均勻的量子點(diǎn)；所述多個(gè)量子點(diǎn)帶呈一字布列，每個(gè)量子點(diǎn)帶對(duì)應(yīng)不 同的激射波長(zhǎng)，且各個(gè)量子點(diǎn)帶中的量子點(diǎn)的尺寸均不相同。進(jìn)一步地，所述半導(dǎo)體介質(zhì)材料為下述半導(dǎo)體材料中的一種或多種 InAs、 GaAs、 CdSe、 AlGaAs、 InGaAs、 ZnSe、 Si、 Ge、 InGaAsP。 進(jìn)一步地，在所述半導(dǎo)體材料為InAs/GaAs的情況下，所述各量子點(diǎn)帶的 間隔在0.5mm量級(jí)，且各量子點(diǎn)帶內(nèi)所含量子點(diǎn)數(shù)目大于等于100x IOO個(gè)，量 子點(diǎn)間距比擬于量子點(diǎn)尺寸。上述多波長(zhǎng)激光器的制備方法，所述方法包括步驟A:根據(jù)多波長(zhǎng)激光器需要的激射波長(zhǎng)范圍選定相應(yīng)的半導(dǎo)體介質(zhì)材料；步驟B:根據(jù)多波長(zhǎng)激光器所需的激射波長(zhǎng)數(shù)目確定量子點(diǎn)帶的數(shù)目，同時(shí) 根據(jù)量子點(diǎn)尺寸與其電子能級(jí)的關(guān)系確定各激射波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的量子點(diǎn)帶內(nèi)的量子 點(diǎn)的尺寸；步驟C:根據(jù)選定的半導(dǎo)體材料依次生長(zhǎng)外延下包層、下勢(shì)壘層、有源增益 介質(zhì)、上勢(shì)壘層，并通過(guò)電子束刻蝕法對(duì)生長(zhǎng)后的芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕，形成確 定好的多個(gè)量子點(diǎn)帶；步驟D:對(duì)制備的多個(gè)量子點(diǎn)帶外延生長(zhǎng)上包層、接觸層及金屬電極，從而組成激光器芯片；步驟E:將封裝襯底、焊錫、熱電冷卻器、焊錫、基板、焊錫、載片以及所述激光器芯片按照從下到上的順序封裝成所述多波長(zhǎng)激光器。進(jìn)一步地，所述量子點(diǎn)尺寸與其電子能級(jí)的關(guān)系由以下公式確定 乖)^+"W+V)/2i 2一1.8e2/氣其中，五W為激子的激發(fā)態(tài)能量，其大小與量子點(diǎn)尺寸有關(guān)，^g為體材料能隙；化和w分別為電子和空穴 的有效質(zhì)量；f為材介電常數(shù)；R為量子點(diǎn)的尺寸。進(jìn)一步地，所述選定的半導(dǎo)體材料的禁帶寬度接近所需要的激射波長(zhǎng)值。 利用上述多波長(zhǎng)激光器的波分時(shí)分混合復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)，包括光線路終 端、光分配網(wǎng)絡(luò)和光網(wǎng)絡(luò)單元，所述光線路終端至少包括有多波長(zhǎng)激光器，則 所述光網(wǎng)絡(luò)單元至少包括有光學(xué)非線性器件，其中，所述多波長(zhǎng)激光器的激活 區(qū)內(nèi)設(shè)置有有源增益介質(zhì)，所述有源增益介質(zhì)由多個(gè)預(yù)定的半導(dǎo)體介質(zhì)材料的、 由組分及尺寸調(diào)制的量子點(diǎn)帶構(gòu)成，每個(gè)量子點(diǎn)帶內(nèi)包含有多個(gè)尺寸相同且分 布均勾的量子點(diǎn)；所述多波長(zhǎng)激光器，用于產(chǎn)生下行種子光，并將產(chǎn)生的下行種子光經(jīng)光分 配網(wǎng)絡(luò)后傳送給各個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元；所述光學(xué)非線性器件，用于接收所述多波長(zhǎng)激光器產(chǎn)生的種子光，并將所 述種子光進(jìn)行放大調(diào)制反射回傳上行調(diào)制光信號(hào)給光線路終端接收。進(jìn)一步地，所述光學(xué)非線性器件為反射式半導(dǎo)體光放大器。本發(fā)明有益效果如下量子材料的組分、尺寸甚至對(duì)稱性等方法調(diào)制其源區(qū)激發(fā)能帶結(jié)構(gòu)，波長(zhǎng)選擇性好，并且輸出光功率高。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說(shuō)明書中闡述，并且，部分的從說(shuō)明 書中變得顯而易見，或者通過(guò)實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可 通過(guò)在所寫的說(shuō)明書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲 得。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例所述多波長(zhǎng)激光器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例所述多波長(zhǎng)激光器芯片的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例所述多波長(zhǎng)激光器芯片有源區(qū)增益物質(zhì)量子點(diǎn)的分布 示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例所述多波長(zhǎng)激光器的制備方法的流程示意圖； 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中基于CdSe單一量子點(diǎn)增益區(qū)的單波長(zhǎng)光源發(fā)光圖； 圖6為本發(fā)明實(shí)施例中GaAs/AlGaAs單一量子點(diǎn)增益區(qū)的單波長(zhǎng)激光激射 光譜圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例中InAs/GaAs量子點(diǎn)激射寬帶光源光譜圖； 圖8為本發(fā)明實(shí)施例所述多波長(zhǎng)激光器應(yīng)用于波分時(shí)分混和復(fù)用無(wú)源光網(wǎng) 絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖將描述對(duì)本發(fā)明的優(yōu)先實(shí)施例說(shuō)明。為了清楚和簡(jiǎn)化的目的， 當(dāng)其可能使本發(fā)明的主題模糊不清時(shí)，將省略本文所描述的器件中已知功能和 結(jié)構(gòu)的詳細(xì)具體描述。首先結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例所述的多波長(zhǎng)激光器進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示，圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例基于量子約束效應(yīng)的多波長(zhǎng)激光器結(jié)構(gòu)示意圖，所述多波長(zhǎng)激光器至少包括封裝襯底、熱電冷卻器、基板、載 片以及激光器芯片等，其中，封裝襯底和熱電冷卻器通過(guò)焊錫固定在一起，熱 電冷卻器和基板通過(guò)焊錫固定在一起，基板和載片通過(guò)焊錫固定在一起。此外， 可同時(shí)通過(guò)熱電偶實(shí)時(shí)探測(cè)芯片的溫度而進(jìn)行溫度管理，耦合光纖可以采用微 聚焦耦合工藝。如圖2所示，圖2所示為基于量子點(diǎn)的激光器芯片結(jié)構(gòu)示意圖。其中，由 下至上依次為歐姆電極、襯底、分布反饋式Bragg光柵、下包層、下勢(shì)壘層、 激活區(qū)、上勢(shì)壘層、上包層、(保護(hù)層)、分布反饋式Bragg光柵、上電極等。 其中，芯片增益介質(zhì)源區(qū)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，芯片增益介質(zhì)源區(qū)可為按一定比 例優(yōu)化分布的特定半導(dǎo)體材料組分和尺寸的多個(gè)量子點(diǎn)帶構(gòu)成，每個(gè)量子點(diǎn)帶 內(nèi)包含有多個(gè)尺寸相同且分布均勻的量子點(diǎn)陣列；所述多個(gè)量子點(diǎn)帶呈一字布 列，每個(gè)量子點(diǎn)帶對(duì)應(yīng)不同的激射波長(zhǎng)，且各個(gè)量子點(diǎn)帶中的量子點(diǎn)的尺寸均 互不相同，如圖3所示。量子點(diǎn)的分布陣列參數(shù)需與量子點(diǎn)的尺寸可比擬，以期望達(dá)到良好的出射 光源質(zhì)量，并且量子點(diǎn)的受激激發(fā)能級(jí)可選擇為符合ITU-T標(biāo)準(zhǔn)的波長(zhǎng)能量。 全同量子點(diǎn)陣列的選擇可根據(jù)所需要出射的波長(zhǎng)數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。最終，出射的多 波長(zhǎng)激光可選擇通過(guò)數(shù)值孔徑較大的微透鏡實(shí)現(xiàn)耦合光纖的對(duì)接?？筛鶕?jù)需要激射波長(zhǎng)的性能需求，通過(guò)改變量子點(diǎn)陣列的尺寸和組分等參 數(shù)，最終獲得某幾種特定波長(zhǎng)多波長(zhǎng)激光激射。實(shí)現(xiàn)這種陣列量子點(diǎn)的工藝方 法業(yè)界有很多種，例如模板外延法、圖形村底熱蒸發(fā)法等。接入來(lái)，結(jié)合附圖4對(duì)本發(fā)明實(shí)施例所述多波長(zhǎng)的制備方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明實(shí)施例以制備InAs/GaAs多波長(zhǎng)激光器為例闡述本發(fā)明，主要步驟可以包括步驟401:根據(jù)所需設(shè)計(jì)的激光器激射波長(zhǎng)范圍選擇相應(yīng)的半導(dǎo)體介質(zhì)材 料，要求材料禁帶寬度接近所需設(shè)計(jì)波長(zhǎng)值(所述材料禁帶寬度是由半導(dǎo)體材 料本身性質(zhì)所決定， 一般可根據(jù)需要選擇比較接近所述涉及波長(zhǎng)值的即可)， 且其兼容于現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝。此實(shí)施例中，以選擇InAs/GaAs材料為例，其體 材料激射波長(zhǎng)約1.3pm左右。步驟402:根據(jù)所設(shè)計(jì)的多波長(zhǎng)激光器所需的激射波長(zhǎng)數(shù)目，確定各不同尺 寸的量子點(diǎn)帶的帶數(shù)目，并設(shè)計(jì)所需各個(gè)量子點(diǎn)帶對(duì)應(yīng)的模板尺寸陳列分布； 即一般情況下選擇各帶間間隔在0.5mm量級(jí)，并各帶所內(nèi)含量子點(diǎn)數(shù)目控制在 100xlOO個(gè)以上，量子點(diǎn)間距比擬于量子點(diǎn)尺寸(〈50nm)，且各帶沿圖3所示垂 直于諧振腔體向一字布列。步驟403:根據(jù)有源區(qū)量子點(diǎn)尺寸與其電子能級(jí)所遵循的主要能帶基本公 式，即有效質(zhì)量近似下，激子最低激發(fā)態(tài)ls近似能量， 五(i )二五g+方V(奶戶+^—"/2i 2-1.8一/氣WW為激子的激發(fā)態(tài)能量，其大小與量子點(diǎn)尺寸有關(guān)，^g為體材料能隙；氣和氣分別為電子和空穴的有效質(zhì) 量；f為材介電常數(shù)；R為量子點(diǎn)的尺寸。依此初步選擇確定所需生長(zhǎng)的各波長(zhǎng) 對(duì)應(yīng)各帶內(nèi)的量子點(diǎn)基本尺寸分布范圍。步驟404:按照芯片結(jié)構(gòu)初步外延生長(zhǎng)至有源區(qū)。按照?qǐng)D2所示，在整個(gè) n-GaAs的半導(dǎo)體襯底基片上，依次生長(zhǎng)外延一層n-GaAs緩沖層、n-InGaAs下包 層、GaAs下勢(shì)壘、InAs量子點(diǎn)有源區(qū)、GaAs上勢(shì)壘等。步驟405:根據(jù)所設(shè)計(jì)模板，通過(guò)電子束刻蝕法對(duì)生長(zhǎng)后有源區(qū)的芯片結(jié)構(gòu) 進(jìn)行刻蝕，即可直接形成有源區(qū)的陣列式的多量子點(diǎn)帶分布。步驟406:按照芯片結(jié)構(gòu)完成對(duì)制備后的多量子點(diǎn)帶外延生長(zhǎng)。對(duì)制備的多 量子點(diǎn)帶外延生長(zhǎng)p-InGaAs上包層、p-GaAs接觸層、分布反饋式Bragg光柵及金 屬電極等，最終獲得多波長(zhǎng)激光器芯片。步驟407:依照?qǐng)Dl所示，將制備后的多波長(zhǎng)激光器芯片按其激光器結(jié)構(gòu)進(jìn) 行封裝。此處，本發(fā)明實(shí)施例僅以InAs/GaAs材料為例進(jìn)行了說(shuō)明，但本發(fā)明實(shí)施 例并不僅僅局限于這兩種材料，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)所需設(shè)計(jì)的激光器激 射波長(zhǎng)范圍選擇相應(yīng)的半導(dǎo)體介質(zhì)材料，比如，CdSe、 AlGaAs、 InGaAs、 ZnSe、 Si、 Ge、 InGaAsP等。材料禁帶寬度接近所需設(shè)計(jì)波長(zhǎng)值，且其兼容于現(xiàn)代半導(dǎo) 體工藝即可。利用電子束刻蝕法，由于其具有量子點(diǎn)和量子線等低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)陣列的 位置以及尺寸形狀的控制性佳、工藝簡(jiǎn)單、模板設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、需求性好等優(yōu)點(diǎn)。 經(jīng)過(guò)電子束刻蝕后可以得到尺寸均勻的半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)陣列，因而，根據(jù)低維 量子點(diǎn)的尺寸效應(yīng)公式，可以通過(guò)控制量子點(diǎn)的大小，對(duì)其某一通訊波段范圍 內(nèi)的波長(zhǎng)進(jìn)行微調(diào)，同時(shí)，分別調(diào)節(jié)各全同量子點(diǎn)陣列有源區(qū)的注入電流密度， 從而實(shí)現(xiàn)符合ITU標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)的比較平坦信道的多波長(zhǎng)激光激射。圖5所示為基于CdSe單一量子點(diǎn)增益區(qū)的單波長(zhǎng)光源發(fā)光圖。通過(guò)熒光光 譜結(jié)構(gòu)可以看出，量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)具有很高的量子轉(zhuǎn)換效率和很窄的譜寬?？梢钥?出，可以通過(guò)這種電子束刻蝕法獲得較好的量子點(diǎn)陣列有源區(qū)增益物質(zhì)。圖6所示為GaAs/AlGaAs單一量子點(diǎn)增益區(qū)的單波長(zhǎng)激光激射光譜圖。其 中，閾值電流可達(dá)到4.3mA,且具有很佳的激射譜峰。說(shuō)明，單一全同量子點(diǎn) 陣列具有很高的量子轉(zhuǎn)換效率，出射激光波長(zhǎng)具有很窄的峰寬。這很利于其應(yīng)用于對(duì)激發(fā)波長(zhǎng)高要求的光接入網(wǎng)系統(tǒng)，同時(shí)隨著對(duì)接入帶寬容量和多業(yè)務(wù)需 求的急劇增加，將具有4艮大的市場(chǎng)應(yīng)用潛力。圖7所示為InAs/GaAs量子點(diǎn)激射寬帶光源光譜圖。由于這種低維量子結(jié) 構(gòu)相對(duì)于半導(dǎo)體量子阱超晶格等結(jié)構(gòu)具有高微分增益，而且隨著維度的降低， 能帶結(jié)構(gòu)愈趨分離，因此，其具有很低的閾值電流密度以及很窄的激發(fā)語(yǔ)線寬 度，而且經(jīng)量子填充后的高能級(jí)的多波長(zhǎng)能帶更適宜于通訊光網(wǎng)絡(luò)。從圖中可 以看出，通過(guò)調(diào)制一定的激發(fā)功率，可以獲得高的量子填充，進(jìn)而獲得一定范 圍內(nèi)的寬帶光源。最后，結(jié)合附圖8對(duì)利用本發(fā)明實(shí)施例所述多波長(zhǎng)激光器的波分時(shí)分混合 復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖8示為應(yīng)用了上述多波長(zhǎng)激光器的波分時(shí)分混和復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò) 架構(gòu)示意圖，在現(xiàn)有波分時(shí)分混和復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，利用本發(fā)明實(shí)施 例所述的多波長(zhǎng)激光器及相應(yīng)的光學(xué)非線性器件，提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的帶寬容量。在局端OLT側(cè)，多個(gè)的時(shí)分復(fù)用PON單元的多波長(zhǎng)光發(fā)送模塊a-Tx)發(fā)送信號(hào)aD1TADn)和光接收模塊a-Rx)接收信號(hào)aul ^Un)、組播業(yè)務(wù)發(fā)送信號(hào)Xm、 CATV業(yè)務(wù)信號(hào)Ao以及局端多波長(zhǎng)激光器(MWL)或?qū)拵Ч庠?BLS)種 子光auir)iUn)通過(guò)波分復(fù)用器(WDM)及環(huán)行器(C)和雙向光放大器合波進(jìn) 入同一根單模光纖傳輸。其中MWL/BLS產(chǎn)生的種子光經(jīng)"無(wú)色"ONU側(cè)RSOA 類似等光學(xué)非線性器件放大調(diào)制反射回傳上行調(diào)制信號(hào)光。光線路終端(OLTl OLTn)下行發(fā)送的波長(zhǎng)為？id的光信號(hào)、組播信號(hào)入m、 CATV信號(hào)Xc，經(jīng)波分復(fù)用器(WDM)耦合進(jìn)入同一根單模光纖傳輸。其中， 下行種子光源和上行信號(hào)光可被雙向光放大器信號(hào)放大以期提高探測(cè)光信號(hào)質(zhì)量。在局端光分配網(wǎng)絡(luò)ODN中經(jīng)光下載/透?jìng)鲝?fù)用器ODTM將不同的光波長(zhǎng)入D、入m、入C下載/透?jìng)?，并分別經(jīng)耦合單纖傳送至POC，最終被用戶端遠(yuǎn)程接入單元人-RIU (ONU)對(duì)單播、組播、CATV經(jīng)波分復(fù)用器(WDM)復(fù)用/解復(fù)用。對(duì)于光網(wǎng)絡(luò)單元(ONUll ONUnm)上行發(fā)送的波長(zhǎng)為 iu的光信號(hào)，通 過(guò)光分配器(P0C1 POCn)匯聚后，經(jīng)光下載/透?jìng)鲝?fù)用器ODTM,由耦合單 纖傳送經(jīng)波分復(fù)用器WDM光波長(zhǎng)解復(fù)用至每一個(gè)PON單元(PON1 ~ PONn) 的OLT (OLTl OLTn)上行光多波長(zhǎng)復(fù)用光接收模塊ORx)接收。最終，通過(guò)所提出的波分時(shí)分混合復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)單播、 IP視頻組播、CATV廣播等多種業(yè)務(wù)的單纖傳輸，這極大地提高了視頻業(yè)務(wù)的 傳輸效率，對(duì)于管道資源受限的城市接入網(wǎng)絡(luò)非常有利。此處，MWL/BLS用于產(chǎn)生多個(gè)承載多業(yè)務(wù)的多波長(zhǎng)種子信號(hào)光，經(jīng)終端無(wú) 色ONU反射調(diào)制放大產(chǎn)生上行信號(hào)光。波長(zhǎng)數(shù)的增加可以提高帶寬容量。而傳 統(tǒng)的多波長(zhǎng)激光器體積較大，出射多波長(zhǎng)光i普信號(hào)光學(xué)質(zhì)量差， 一方面給器件 的集成度以及光線傳輸路徑其它光電器件制備工藝帶來(lái)了難度，同時(shí)也給網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)造成了業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量的影響。如果采用基于量子限制效應(yīng)的多波長(zhǎng)激光器， 可以提高OLT側(cè)器件的集成度，相比傳統(tǒng)多波長(zhǎng)激光器或?qū)拵Ч庠淳哂谐錾涓?波長(zhǎng)功率大、譜峰半高寬窄、受溫度影響小、功耗低等無(wú)法替代的品質(zhì)，從而 提高了光網(wǎng)絡(luò)功率預(yù)算和波分復(fù)用器等相關(guān)光電器件的制備工藝冗余度等優(yōu) 勢(shì)，特現(xiàn)了很佳光學(xué)質(zhì)量的承載光信道能力。綜上所述，本發(fā)明公開了一種多波長(zhǎng)激光器及其制備方法及應(yīng)用，將傳統(tǒng) 的半導(dǎo)體激光器光源激活區(qū)結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)，提出了利用當(dāng)今科研領(lǐng)域及工藝界日益關(guān)注的低維量子材料的能帶剪裁工藝，依據(jù)低維量子材料的量子尺寸效應(yīng)公式以及組分公式，通過(guò)改變有源區(qū)量子材料的組分、尺寸甚至對(duì)稱性等方法 調(diào)制其源區(qū)激發(fā)能帶結(jié)構(gòu)，并分別調(diào)節(jié)各全同量子點(diǎn)陣列有源區(qū)的注入電流密度，從而同時(shí)獲得多個(gè)較平坦信道的符合ITU標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)的多波長(zhǎng)激光器或一定 譜寬的寬譜光源。其具有如下特點(diǎn)1.波長(zhǎng)選擇性好；2.量子轉(zhuǎn)換效率高；3.極 低的閾值激射電流密度；4.信多波長(zhǎng)信道平坦度高；5.輸出光功率高；6.特征 溫度高；7.具有高直接調(diào)制速度；8.具有4艮窄的激射譜線；9.高器件集成性； 10.根據(jù)需求可剪裁性佳等。盡管本發(fā)明專利僅僅以半導(dǎo)體量子點(diǎn)陣列為例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知 道，任何基于利用有源區(qū)零維量子點(diǎn)、 一維量子線能帶剪裁來(lái)實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)光輸 出或?qū)拵Ч庹Z(yǔ)均涵蓋于本發(fā)明專利中，同時(shí)以此為基礎(chǔ)的輸出光偏振控制等外 在光信號(hào)的改進(jìn)、修飾并不改變本發(fā)明的初衷。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局 限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易 想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù) 范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種多波長(zhǎng)激光器，其特征在于，所述激光器從下至上至少由封裝襯底、熱電冷卻器、基板、載片以及激光器芯片構(gòu)成，其中，所述激光器芯片至少由以下部件依次構(gòu)成半導(dǎo)體襯底、分布反饋式Bragg光柵、下包層、下勢(shì)壘層、激活區(qū)、上勢(shì)壘層、上包層、分布反饋式Bragg光柵和金屬電極，其中，所述激活區(qū)內(nèi)設(shè)置有有源增益介質(zhì)，所述有源增益介質(zhì)由多個(gè)預(yù)定的半導(dǎo)體介質(zhì)材料的、由組分及尺寸調(diào)制的量子點(diǎn)帶構(gòu)成，每個(gè)量子點(diǎn)帶內(nèi)包含有多個(gè)尺寸相同且分布均勻的量子點(diǎn)；所述多個(gè)量子點(diǎn)帶呈一字布列，每個(gè)量子點(diǎn)帶對(duì)應(yīng)不同的激射波長(zhǎng)，且各個(gè)量子點(diǎn)帶中的量子點(diǎn)的尺寸均不相同。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波長(zhǎng)激光器，其特征在于，所述半導(dǎo)體介質(zhì)材 料為下述半導(dǎo)體材料中的 一種或多種InAs、 GaAs、 CdSe、 AlGaAs、 InGaAs、 ZnSe、 Si、 Ge、 InGaAsP。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多波長(zhǎng)激光器，其特征在于，在所述半導(dǎo)體材料 為InAs/GaAs的情況下，所述各量子點(diǎn)帶的間隔在0.5mm量級(jí)，且各量子點(diǎn)帶 內(nèi)所含量子點(diǎn)數(shù)目大于等于100x IOO個(gè)，量子點(diǎn)間距比擬于量子點(diǎn)尺寸。
4、 一種如權(quán)利要求1到3中任意一項(xiàng)所述的多波長(zhǎng)激光器的制備方法，其 特征在于，所述方法包括步驟A:根據(jù)多波長(zhǎng)激光器需要的激射波長(zhǎng)范圍選定相應(yīng)的半導(dǎo)體介質(zhì)材料；步驟B:根據(jù)多波長(zhǎng)激光器所需的激射波長(zhǎng)數(shù)目確定量子點(diǎn)帶的數(shù)目，同時(shí) 根據(jù)量子點(diǎn)尺寸與其電子能級(jí)的關(guān)系確定各激射波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的量子點(diǎn)帶內(nèi)的量子 點(diǎn)的尺寸；步驟C:根據(jù)選定的半導(dǎo)體材料依次生長(zhǎng)外延下包層、下勢(shì)壘層、有源增益介質(zhì)、上勢(shì)壘層，并通過(guò)電子束刻蝕法對(duì)生長(zhǎng)后的芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕，形成確定好的多個(gè)量子點(diǎn)帶；步驟D:對(duì)制備的多個(gè)量子點(diǎn)帶外延生長(zhǎng)上包層、接觸層及金屬電極，從 而組成激光器芯片；步驟E:將封裝襯底、焊錫、熱電冷卻器、焊錫、基板、焊錫、載片以及所 述激光器芯片按照從下到上的順序封裝成所述多波長(zhǎng)激光器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述量子點(diǎn)尺寸與其電子能 級(jí)的關(guān)系由以下^^式確定<formula>formula see original document page 3</formula>其中，^ )為激子的激發(fā)態(tài)能量，其大小與量子點(diǎn)尺寸有關(guān)，^為體材料能隙； 和^分別為電子和空穴 的有效質(zhì)量；s為材介電常數(shù)；R為量子點(diǎn)的尺寸。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述選定的半導(dǎo)體材料的禁 帶寬度接近所需要的激射波長(zhǎng)值。
7、 利用權(quán)利要求1到3中任意一項(xiàng)所述的多波長(zhǎng)激光器的波分時(shí)分混合復(fù) 用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)，包括光線路終端、光分配網(wǎng)絡(luò)和光網(wǎng)絡(luò)單元，其特征在于， 所述光線路終端至少包括有多波長(zhǎng)激光器，則所述光網(wǎng)絡(luò)單元至少包括有光學(xué) 非線性器件，其中，所述多波長(zhǎng)激光器的激活區(qū)內(nèi)設(shè)置有有源增益介質(zhì)，所述 有源增益介質(zhì)由多個(gè)預(yù)定的半導(dǎo)體介質(zhì)材料的、由組分及尺寸調(diào)制的量子點(diǎn)帶 構(gòu)成，每個(gè)量子點(diǎn)帶內(nèi)包含有多個(gè)尺寸相同且分布均勻的量子點(diǎn)；所述多波長(zhǎng)激光器，用于產(chǎn)生下行種子光，并將產(chǎn)生的下行種子光經(jīng)光分 配網(wǎng)絡(luò)后傳送給各個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元；所述光學(xué)非線性器件，用于接收所述多波長(zhǎng)激光器產(chǎn)生的種子光，并將所述種子光進(jìn)行放大調(diào)制反射回傳上行調(diào)制光信號(hào)給光線路終端接收。
8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的波分時(shí)分混合復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所 述光學(xué)非線性器件為反射式半導(dǎo)體光放大器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多波長(zhǎng)激光器及其制備方法及應(yīng)用，該多波長(zhǎng)激光器至少由封裝襯底、熱電冷卻器、基板、載片以及激光器芯片構(gòu)成，其中激光器芯片至少由以下部件依次構(gòu)成半導(dǎo)體襯底、分布反饋式Bragg光柵、下包層、下勢(shì)壘層、激活區(qū)、上勢(shì)壘層、上包層、分布反饋式Bragg光柵和金屬電極，在激活區(qū)內(nèi)設(shè)置有有源增益介質(zhì)，其由多個(gè)預(yù)定的半導(dǎo)體介質(zhì)材料的、由組分及尺寸調(diào)制的量子點(diǎn)帶構(gòu)成，每個(gè)量子點(diǎn)帶內(nèi)包含有多個(gè)尺寸相同且分布均勻的量子點(diǎn)；多個(gè)量子點(diǎn)帶呈一字布列，每個(gè)量子點(diǎn)帶對(duì)應(yīng)不同的激射波長(zhǎng)，且各個(gè)量子點(diǎn)帶中的量子點(diǎn)的尺寸均不相同；本發(fā)明具有波長(zhǎng)選擇性好、量子轉(zhuǎn)換效率高、輸出光功率高等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04Q11/00GK101404384SQ20081017218
公開日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月13日
發(fā)明者黃少華 申請(qǐng)人:中興通訊股份有限公司