一種內置光柵可調諧半導體環形雷射器的製造方法

2023-04-30 17:22:46

一種內置光柵可調諧半導體環形雷射器的製造方法
【專利摘要】本實用新型的目的一種內置光柵可調諧半導體環形雷射器，包括環形諧振腔和輸出波導，其中環形諧振腔內嵌有周期不同的第一光柵和第二光柵，用於提高調諧輸出波長的範圍，輸出波導與環形諧振腔耦合連接，用作信號輸出。該雷射器通過在半導體環形雷射器的環形腔諧振腔（跑道形波導腔）中引入可調諧光柵，在合理利用半導體環形雷射器的雙穩態特性的基礎上，通過光柵反射譜的疊加形成較高的邊模抑制比的單縱模輸出，不僅輸出功率增加，而且調諧範圍增加，可以作為新一代密集波分復用系統以及全光網絡中光子交換的關鍵光電子器件，它的運用可以使得全光邏輯、全光存儲的靈活性和擴展性大大增強。
【專利說明】一種內置光柵可調諧半導體環形雷射器
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於光通信【技術領域】，具體涉及一種可用於全光邏輯、全光存儲於全光信號處理以及光互連、光網絡的單片的內置光柵的可調諧半導體環形雷射器。
【背景技術】
[0002]現代社會對超高容量信息存儲，超快速率信息處理的需求越來越高，包括信號的產生、檢測、調製、開關、濾波和復用等功能的全光子系統的微型化與集成化的雷射器成為必然趨勢。基於F-P腔半導體雷射器已在現有技術中應用，用以達到高速度、高密度、低功耗、低成本等要求。在同 一襯底上集成不同功能的通用性微型光子器件是一種簡單靈活的單片集成全光網際網路的實現方式。半導體環形雷射器的雙穩態特性是半導體環形雷射器固有特性:當電流低於雷射器的閾值電流時，順時針和逆時針方向的會同時輸出微弱的光，當電流超過閾值電流並逐漸增加時，順時針和逆時針的雷射會交替出現，即所謂的雙穩態。
[0003]半導體雷射器調諧的物理機理是通過直接或間接改變雷射器諧振腔的長度，使諧振腔中諧振模式位置產生微小移動，並通過頻率選擇元件，選擇出頻率移動的波長。半導體有源區能在較寬的波長範圍內產生光增益，這為波長調諧提供了必要條件。
[0004]半導體雷射器的諧振條件為
[0005]H1C=Iii1 入丄
[0006]式中:X i為可以輸出的諧振波長，Hi1為階數A1為有效折射率，C為諧振腔的周長。很明顯，如果改變H^n1、和C之中的一個或多個變量，波長也一定會改變。對於特定的環形諧振腔來說，周長是個定值，因而通過改變注入電流或者改變溫度的方式改變有效折射率是一種有效可行的方案。
[0007]與F-P腔半導體雷射器不同，半導體環形雷射器利用閉合波導迴路作為光學諧振腔，並利用與其相鄰的波導將雷射耦合輸出。一方面，它在形成激射時不需要解理面或光柵提供光反饋。另一方面，由於在波導環形迴路中存在兩束傳播方向相反的光，所以其本身就具有理想的雙穩態輸出特性。因此它成為實現全光邏輯與全光存儲單片集成的最具潛力的器件。隨著研究的不斷深入，其應用範圍已從早期的集成光源和雷射陀螺擴展到光隨機存儲器、全光邏輯、光開關和波長轉換器等方面，並在光互連、光網絡和光存儲等領域產生了重要的影響。但是，現有的半導體環形雷射器仍受輸出功率、邊摸抑制比以及調諧範圍不足的影響。
實用新型內容
[0008]本實用新型的目的是為了解決現有的半導體環形雷射器輸出功率、邊摸抑制比以及調諧範圍不足的缺陷，提出了一種內置光柵可調諧半導體環形雷射器。
[0009]為了實現上述目的，本實用新型的技術方案是:一種內置光柵可調諧半導體環形雷射器，包括環形諧振腔和輸出波導，其特徵在於，所述環形諧振腔內嵌有周期不同的第一光柵和第二光柵，用於提高調諧輸出波長的範圍，輸出波導與環形諧振腔耦合連接，用作信號輸出。
[0010]進一步的，所述環形諧振腔為跑道形波導腔，由兩段環形波導區和兩段直波導區交替耦合連接組成。
[0011]進一步的，所述光柵嵌於跑道型波導腔的直波導區。第一光柵與第二光柵之間具有一段未刻蝕的有源波導，與第一光柵和第二光柵組成可調諧光柵。
[0012]進一步的，所述輸出波導為一段直波導，與跑道形波導腔的未嵌光柵的直波導區平行並耦合。或者，輸出波導由兩段直波導構成，分別與跑道形波導腔的兩段環形波導區耦合。或者輸出波導由兩段直波導構成，分別與跑道形波導腔的環形波導區之一和未嵌光柵的直波導區耦合。
[0013]進一步的，作為調諧可調性更強的優選方案，所述跑道形波導腔的兩段直波導區均包含周期不同的第一光柵和第二光柵。
[0014]所述第一光柵與第二光柵之間的具有未刻蝕的有源波導。
[0015]所述有源波導包括金屬電極，用於調節注入電流。
[0016]本實用新型的有益效果:本實用新型的內置光柵可調諧半導體環形雷射器通過在半導體環形雷射器的環形腔諧振腔(跑道形波導腔)中引入可調諧光柵，在合理利用半導體環形雷射器的雙穩態特性的基礎上，通過光柵反射譜的疊加形成較高的邊模抑制比的單縱模輸出，不僅輸出功率增加，而且調諧範圍增加，可以作為新一代密集波分復用系統以及全光網絡中光子交換的關鍵光電子器件，它的運用可以使得全光邏輯、全光存儲的靈活性和擴展性大大增強。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型實施例1的內置光柵可調諧半導體環形雷射器的結構示意圖；
[0018]圖2是本實用新型光柵與有源波導的結構示意圖；
[0019]圖3為本實用新型實施例2的內置光柵可調諧半導體環形雷射器的結構示意圖；
[0020]圖4為本實用新型實施例3的內置光柵可調諧半導體環形雷射器的結構示意圖；
[0021]圖5為本實用新型實施例4的內置光柵可調諧半導體環形雷射器的結構示意圖。
[0022]附圖標記說明:環形諧振腔1，可調諧光柵2，上包層21，有源層22，襯底層23，第一光柵241,有源波導242,第二光柵243,稱合器3,輸出波導4。
【具體實施方式】
[0023]為進一步說明本實用新型的具體技術內容，下面結合附圖和實施例對本實用新型詳細說明如後，其中:
[0024]實施例1:
[0025]如圖1和圖2所示，本實施例的一種內置光柵可調諧半導體環形雷射器，包括環形諧振腔I和輸出波導4，所述環形諧振腔I內嵌有第一光柵241和第二光柵243，兩種光柵的亥_深度可以相同，也可以不同，周期不相同，輸出波導4與環形諧振腔I耦合連接，用作信號輸出。作為一種優選方案，環形諧振腔I為跑道形波導腔，由兩段環形波導區和兩段直波導區交替耦合連接組成。具體的，所述第一光柵241和第二光柵243嵌於所述直波導區內，如圖1所示。第一光柵與第二光柵之間的直波導區上嵌有一段有源波導242，有源波導242與第一光柵241和第二光柵243組成可調諧光柵2,用於調諧輸出波長。在本實施例中,輸出波導4為一段直波導，與跑道形波導腔的未嵌光柵的直波導區平行並耦合，圖1示出了輸出波導4與跑道形波導腔I耦合的耦合區3，具體通過常用的波導耦合方式輸出光信號。
[0026]圖2所示為光柵與有源波導的結構示意圖，由外而內依次為層疊的上包層21，有源層22和襯底層23。在上包層21中利用掩膜板在半導體環形雷射器的包層上採用電子束曝光的方式刻蝕有一定規格的光柵(第一光柵和第二光柵)。上包層21上鍍有金屬電極,通過調節金屬電極上的注入電流實現雷射器的輸出波長調諧。
[0027]實施例2:
[0028]本實施例的內置光柵可調諧半導體環形雷射器的結構示意圖如圖3所示，與實施例I的不同點在於本實施例的輸出波導由兩段直波導構成，分別與跑道形波導腔(環形諧振腔/有源諧振腔/半導體環形雷射器)的兩段環形波導區耦合。
[0029]實施例3:
[0030]圖4示出了本實施例的內置光柵可調諧半導體環形雷射器的具體結構，與實施例1的不同點在於本實施例的輸出波導由兩段直波導構成，分別與跑道形波導腔(環形諧振腔/有源諧振腔/半導體環形雷射器)的環形波導區之一以及未嵌光柵的直波導區耦合。
[0031]實施例4:
[0032]如圖5所示，本實施例的內置光柵可調諧半導體環形雷射器與實施例3的雷射器相比，不同點在於，跑道形波導腔的兩段直波導區均包含有可調諧光柵2。所示可調諧光柵與其他實施例中的可調諧光柵結構相同，其結構如圖2所示。需要另行說明的是，本實施例中的採用多組可調諧光柵的結構的方案同時也可以與其他實施例結合形成更多的優選實施例，這些組合的優選實施例均屬於本實用新型的保護範圍。
[0033]上述實施例中，半導體環形雷射器是有源諧振腔，利用低噪聲電源驅動，除可調諧光柵部分外，其餘的部分採取固定電流注入，可通過改變可調諧光柵兩端的注入電流使得兩端光柵的反射譜在不同的中心波長處產生疊加，在別的波長處因為相消而減弱，當中心波長同時滿足半導體雷射器的諧振條件時便可以輸出。半導體環形雷射器的雙穩態特性使得一個方向的輸出光會抑制另一個反向的光輸出，因而輸出雷射會保持單縱模輸出，分別改變光柵的注入電流可以實現在一個很寬的範圍內的連續調諧。
[0034]所述光柵是利用掩膜板在半導體環形雷射器的包層上採用電子束曝光的方式刻蝕出一定規格的光柵。由於刻蝕過程中並不刻穿有源層，因而不會對有源層材料產生閾值損傷，且製作方式簡單，即節約了成本，又大大增加了成品率。
[0035]本實用新型實施例的主要特徵是在環形雷射器中引入一個可調諧光柵，即在環形雷射器的直波導區域的兩端，採取電子束曝光的方式，在上包層上刻蝕兩種不同規格的光柵(刻蝕深度相同，周期不同或者刻蝕深度和周期都不相同)，由於工藝過程是在上包層進行，避免了刻蝕對有源區材料造成的閾值損傷。
[0036]通過採取固定半導體環形雷射器其他位置的注入電流，只改變可調諧光柵兩端的注入電流的方式。由兩個不同的光柵區以及中間的有源區組成的可調諧光柵可以看出是一個內置在半導體環形雷射器中的可調諧雷射器，根據布拉格反射原理，只有同時滿足條件
[0037]2n2L2=m2 入 2
[0038]2n3L3=m3 入 2[0039]的波長才能從可調諧光柵中輸出，A 2為可以輸出的諧振波長，m2和m3分別為兩端光柵的衍射階數，H1和n2分別為可調諧光柵兩端光柵的有效折射率，L1和L2分別為可調諧光柵兩端光柵區的有效長度。
[0040]由於可調諧光柵同時是半導體環形雷射器的一部分，所以只有滿足光柵布拉格條件和半導體環形雷射器的諧振條件的波長才能實現激射。可調諧光柵區域中出射的單縱模是兩個不同刻蝕情況的光柵的反射譜的疊加輸出，因而邊模抑制比很高，能有效抑制半導體環形雷射器中其他的激射波長，從而實現高邊模抑制比、高功率、寬調諧範圍的單縱模輸出。
[0041]以上所述僅為本實用新型的【具體實施方式】，本領域的技術人員將會理解，在本實用新型所揭露的技術範圍內，可以對本實用新型進行各種修改、替換和改變。因此本實用新型不應由上述事例來限定，而應以權力要求書的保護範圍來限定。
【權利要求】
1.一種內置光柵可調諧半導體環形雷射器，包括環形諧振腔和輸出波導，其特徵在於，所述環形諧振腔內嵌有周期不同的第一光柵和第二光柵，用於提高調諧輸出波長的範圍，輸出波導與環形諧振腔耦合連接，用作信號輸出。
2.根據權利要求1所述的雷射器，其特徵在於，所述環形諧振腔為跑道形波導腔，由兩段環形波導區和兩段直波導區交替耦合連接組成。
3.根據權利要求1或2所述的雷射器，其特徵在於，所述光柵嵌於跑道型波導腔的直波導區。
4.根據權利要求3所述的雷射器,其特徵在於,第一光柵與第二光柵之間具有一段有源波導，與第一光柵和第二光柵組成可調諧光柵。
5.根據權利要求1所述的雷射器，其特徵在於，所述輸出波導為一段直波導，與跑道形波導腔的未嵌光柵的直波導區平行並耦合。
6.根據權利要求1所述的雷射器，其特徵在於，輸出波導由兩段直波導構成，分別與跑道形波導腔的兩段環形波導區耦合。
7.根據權利要求1所述的雷射器，其特徵在於，輸出波導由兩段直波導構成，分別與跑道形波導腔的環形波導區之一和未嵌光柵的直波導區耦合。
8.根據權利要求6所述的雷射器，其特徵在於，所述跑道形波導腔的兩段直波導區均包含周期不同的第一光柵和第二光柵。
9.根據權利要求4所述的雷射器，其特徵在於，所述有源波導包括金屬電極，用於調節注入電流。
【文檔編號】H01S5/10GK203466423SQ201320588189
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年9月23日 優先權日:2013年9月23日
【發明者】袁國慧, 王卓然, 何濤, 郭慧 申請人:電子科技大學