鎖模光纖光柵外腔半導體雷射器結構的製作方法
2023-05-05 12:12:06
專利名稱：鎖模光纖光柵外腔半導體雷射器結構的製作方法
技術領域：
本發明提供一種半導體雷射器結構，特別是指一種鎖模光纖光柵外腔半導體雷射器結構。
背景技術：
光時分復用(OTDM)技術是目前擴展光通信系統傳輸容量的一種解決方案，但是由於OTDM系統自身的難度，因此發展還處於實驗室水平。目前該系統的容量已經達到1.45THz，將來波分復用(WDM)和OTDM系統的組合將更加充分有效地利用光纖通信帶寬，因此具有非常廣泛的應用前景。OTDM系統是在時域上對光脈衝信號進行分割來分組編碼，因此要求光脈衝的寬度足夠窄。一般要求光脈衝寬度要小於復用信號重複周期的1/3，並且要求脈衝抖動很小，系統總的時間抖動均方根值不應大於信道時隙的1/14。目前應用比較廣泛的是鎖模光纖雷射器以及鎖模光纖環形雷射器，採用主動鎖模技術，調製器一般為EA調製器、鈮酸鋰(LiNbO3)行波調製器，或者直接對半導體光放大器進行調製，最高調製速率達到了40GHz。鎖模光纖雷射器的優點是脈寬窄、量子噪聲低、功率大；缺點是長期工作穩定性問題，例如機械振動、溫度變化等因素導致的波長漂移以及重複頻率的變化。另一類實現高重複頻率光脈衝的方法是採用外腔結構的雷射器，由半導體雷射器有源區和外腔反射鏡構成，外腔反射鏡一般為體光柵結構。這種器件的優點是可以通過改變腔長來方便地改變脈衝重複頻率，並且還可以調諧脈衝的波長；缺點是器件結構不緊湊、尺寸較大，並且穩定性不高，光路調節也比較困難。單片集成的鎖模半導體雷射器由於其結構緊湊，性能穩定而引起了人們的重視，隨著EA調製器和半導體雷射器的集成技術的發展，單片集成主動鎖模雷射器便隨之發展起來。美國貝爾實驗室90年代初製作了重複頻率2.5～10GHz的集成式主動鎖模雷射器，日本NTT公司的K.Sato等製作了重複頻率20GHz、40GHz的單片集成式主動鎖模雷射器(見IEEE J.Selected Topics in Quantum Electronics，5(3)，1999，「Chirped-compensated 40GHz mode-locked lasers integrated with electroabsorptionmodulators and chirped gratings」)。
由上所述，單片集成的鎖模半導體雷射器無疑是最好的脈衝發射光源，然而器件的製作非常複雜，因此低成本的鎖模雷射器便是發展的一個方向，其中光纖光柵外腔半導體雷射器用於超短光脈衝發射光源獲得了一定的發展。傳統的配置是半導體雷射器和光纖光柵對接耦合，通過直接調製半導體雷射器有源區注入電流來實現主動鎖模。因為半導體雷射器有源區比較長，結電容和寄生電容都比較大，因此直接調製速率達到10GHz比較困難。在ECOC2001會議上D.Arbel報導了在半導體雷射器有源區製作兩段式結構，較短的一段加上反向偏壓作為可飽和吸收體，較長的一段作為有源區，然後與光纖光柵耦合形成一種混合集成式鎖模半導體雷射器結構。這種器件的缺點是可飽和吸收區和有源區的結構相同，沒有調製信號時可飽和吸收區的光吸收也比較大，從而使得半導體雷射器激射閾值電流升高。另外可飽和吸收區也不能提供足夠高的調製深度，造成光脈衝序列的消光比不高，不能產生變換極限的光脈衝。
發明內容
本發明的目的在於，提供一種鎖模光纖光柵外腔半導體雷射器結構，其中電吸收調製區和雷射器有源區為單片集成式結構，再和光纖光柵對接耦合形成混合集成式結構。通過電吸收調製器對光纖光柵外腔半導體雷射器諧振腔內的光進行損耗調製，在特定的調製頻率下產生主動鎖模效應，產生超短光脈衝序列並由光纖輸出。其優點是降低了光纖光柵外腔半導體雷射器的激射閾值電流，增大了光脈衝序列的消光比。另一個優點是還可以利用分數諧波(sub-harmonic)鎖模效應使輸出脈衝重複頻率達到調製頻率的數倍。
本發明一種鎖模光纖光柵外腔半導體雷射器結構，其特徵在於，其中包括一半導體雷射器，該半導體雷射器構成整個器件的雷射增益裝置，其中間為量子阱結構有源層，在該半導體雷射器上製作有雷射器電極；一電吸收調製器，在該電吸收調製器上製作有調製器高頻電極，該電吸收調製器與半導體雷射器集成在同一晶片上，該電吸收調製器構成整個器件的調製裝置，其中間為量子阱結構電吸收層；一單模光纖；
一光纖光柵，該光纖光柵製作在單模光纖上；該光纖光柵與半導體雷射器對接耦合。
其中電吸收調製器的端面鍍制高反射膜。
其中半導體雷射器內端面鍍制增透膜。
其中光纖的端面鍍制增透膜。
其中單模光纖的端面被加工成光纖透鏡，使耦合效率儘可能高，以增加半導體雷射器和光纖光柵的耦合效率。
為進一步說明本發明的技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明如後，其中圖1是本發明鎖模光纖光柵外腔半導體雷射器的結構示意圖；圖2是本發明提出的鎖模光纖光柵外腔半導體雷射器的一個具體實施例的示意圖。
具體實施例方式
請參閱圖1所示，本發明一種鎖模光纖光柵外腔半導體雷射器結構，其中包括一半導體雷射器1，該半導體雷射器1構成整個器件的雷射增益裝置，其中間為量子阱結構有源層4，在該半導體雷射器1上製作有雷射器電極9；該半導體雷射器1內端面鍍制增透膜7；一電吸收調製器2，在該電吸收調製器2上製作有調製器高頻電極8，該電吸收調製器2與半導體雷射器1集成在同一晶片上，該電吸收調製器2構成整個器件的調製裝置4；該電吸收調製器2的端面鍍制高反射膜6；其中間為量子阱結構電吸收層5；一單模光纖3，該單模光纖3的端面被加工成光纖透鏡10，使耦合效率儘可能高，以增加半導體雷射器1和光纖光柵11的耦合效率；光纖3的端面鍍制增透膜；一光纖光柵11，該光纖光柵11製作在單模光纖3上；該光纖光柵11與半導體雷射器1對接耦合。
下面將根據一個具體實施例來進一步描述本發明。圖2是本發明提出的鎖模光纖光柵外腔半導體雷射器的一個具體實施例的示意圖。圖中顯示了該鎖模光柵外腔半導體雷射器的基本結構，主體包括一個半導體雷射器1，電吸收調製器2，以及光纖3中的光纖光柵11所構成的外腔三部分。光纖光柵外腔半導體雷射器諧振腔的光反饋裝置由電吸收調製器2鍍制高反膜6的端面和光纖光柵11共同構成。其中4為半導體雷射器1中生長量子阱結構的有源區，電吸收調製器2中生長量子阱結構的電吸收層5。通過雷射器電極9注入電流IDC到量子阱結構有源層4中產生光增益對光進行放大，高頻射頻電路12通過調製器高頻電極8將射頻調製信號fRF和直流信號-I2反向加載到電吸收調製器2的量子阱結構電吸收層5中，利用量子限制斯塔克效應使電吸收調製器2的吸收係數隨外加電場的變化而發生周期性變化，從而對光纖光柵外腔半導體雷射器諧振腔內的光形成損耗調製。
為了保證從半導體雷射器1發射的光能夠儘量多地耦合進單模光纖3中，以及由光纖光柵11選擇反饋回的光能夠儘量多地耦合進半導體雷射器1中，即半導體雷射器1和單模光纖3之間的耦合效率足夠大，這就要求對單模光纖3的端面進行特殊加工，形成光纖透鏡10，同時在半導體雷射器1的內端面處鍍制增透膜7，以增大半導體雷射器1和單模光纖3之間的耦合效率，並減小對光纖光柵外腔半導體雷射器不利的法布裡-伯羅(Fabry-Perot)腔效應。光纖光柵11的製作可以利用光敏光纖的光敏特性用紫外光寫入的方法實現。光纖光柵11的溫度敏感性比半導體雷射器1有源區材料低很多，光纖光柵11的反射波長相對於半導體雷射器1的激射波長來說其溫度漂移要小一個數量級，因此耦合光纖光柵11後的外腔半導體雷射器不需要特殊的溫度控制裝置就可以使輸出光波長相對穩定。由於光纖光柵11反射波長的控制非常方便，因此通過半導體雷射器1與具有不同反射波長的光纖光柵11的耦合就可以方便地獲得所需要的波長。
由於本發明提出的鎖模光柵外腔半導體雷射器採用腔內光調製方式，載流子以及光子在腔內的濃度分布是動態變化的，從光纖光柵11右端輸出的脈衝光帶有一定程度的啁啾，這對於高速光纖通信系統是不利的。為此，光纖光柵11可製作為啁啾光柵，以對脈衝光的啁啾進行抵消補償。啁啾光柵的光柵周期按照圖2所描述方向分布，即周期較長的部分在左，周期較短的部分在右；或者按反向配置。具體配置方向由光脈衝啁啾的正、負特性確定，因此提供了兩種啁啾光柵的光柵周期分布方式可供選擇。另外，由於啁啾光柵的時延曲線近似為線性，因此本發明提出的鎖模光柵外腔半導體雷射器的有效腔長是隨波長變化的，可以通過改變射頻電路的調製頻率方便地調諧鎖模脈衝的重複頻率和脈衝波長。這些特點對於低成本高性能的應用將非常有價值。
電吸收調製器2由於晶體生長等因素會形成一定的結電容，再加上後期工藝製作高頻電極8時也不可避免地形成一定的寄生電容，因此導致了電吸收調製器2的調製頻率受到了限制。本發明提出的鎖模光柵外腔半導體雷射器的另一個優點在於，可以利用分數諧波(sub-harmonic)鎖模效應，使射頻調製頻率僅為光柵外腔半導體雷射器諧振腔縱模頻率間隔的1/N，即可以獲得與光柵外腔半導體雷射器諧振腔縱模頻率間隔相同的光脈衝輸出頻率，這樣就達到了用較低的調製頻率獲得較高重複頻率(N倍於調製頻率)的光脈衝的目的。
權利要求
1.一種鎖模光纖光柵外腔半導體雷射器結構，其特徵在於，其中包括一半導體雷射器，該半導體雷射器構成整個器件的雷射增益裝置，其中間為量子阱結構有源層，在該半導體雷射器上製作有雷射器電極；一電吸收調製器，在該電吸收調製器上製作有調製器高頻電極，該電吸收調製器與半導體雷射器集成在同一晶片上，該電吸收調製器構成整個器件的調製裝置，其中間為量子阱結構電吸收層；一單模光纖；一光纖光柵，該光纖光柵製作在單模光纖上；該光纖光柵與半導體雷射器對接耦合。
2.如權利要求1所述的鎖模光纖光柵外腔半導體雷射器，其特徵在於，其中電吸收調製器的端面鍍制高反射膜。
3.如權利要求1所述的新型鎖模光纖光柵外腔半導體雷射器，其特徵在於，其中半導體雷射器內端面鍍制增透膜。
4.如權利要求1所述的新型鎖模光纖光柵外腔半導體雷射器，其特徵在於，其中光纖的端面鍍制增透膜。
5.如權利要求1所述的新型鎖模光纖光柵外腔半導體雷射器，其特徵在於，其中單模光纖的端面被加工成光纖透鏡，使耦合效率儘可能高，以增加半導體雷射器和光纖光柵的耦合效率。
全文摘要
一種鎖模光纖光柵外腔半導體雷射器結構，其中包括一半導體雷射器，該半導體雷射器構成整個器件的雷射增益裝置，其中間為量子阱結構有源層，在該半導體雷射器上製作有雷射器電極；一電吸收調製器，在該電吸收調製器上製作有調製器高頻電極，該電吸收調製器與半導體雷射器集成在同一晶片上，該電吸收調製器構成整個器件的調製裝置，其中間為量子阱結構電吸收層；一單模光纖；一光纖光柵，該光纖光柵製作在單模光纖上；該光纖光柵與半導體雷射器對接耦合。
文檔編號G02B6/42GK1665083SQ200410007710
公開日2005年9月7日 申請日期2004年3月5日 優先權日2004年3月5日
發明者陳少武, 徐慶揚 申請人:中國科學院半導體研究所