一种负啁啾直接调制半导体激光器

专利摘要:
本实用新型公开了一种负啁啾直接调制半导体激光器，包括作为光增益区的直流区，所述半导体激光器还包括设置在半导体激光器非输出一端的调制区，所述直流区和调制区均包括波导结构和光栅层，所述调制区还包括用于输入电压进行电光调制的第一电极，所述直流区还包括用于注入驱动电流的第二电极，所述第一电极和第二电极之间电隔离。与现有技术相比，本实用新型的优点在于：通过增设具有波导结构和光栅层的调制区，直流区注入恒定的电流产生激光器工作所需增益，调制区通过电压信号加载调制信号，调制区在不同的电压下能产生不同光反馈强度，从而导致激光器输出的光强度变化，实现电光调制，输出具有负啁啾的调制特性，能够实现远距离传输。
公开号:CN214337120U
申请号:CN202120549480.2U
申请日:2021-03-17
公开日:2021-10-01
发明作者:陆明之
申请人:Ningbo Yuanxin Optoelectronic Technology Co ltd；
IPC主号:H01S5-00

专利说明:
[n0001] 本实用新型属于半导体激光器技术领域，尤其是涉及一种负啁啾直接调制半导体激光器。
[n0002] 随着大容量超高速光纤通信技术的发展，直调制半导体激光器成为光纤通信系统和下一代光网络的关键器件之一。直调制半导体激光器具有低功耗、低成本和尺寸小等特点，但是，传统的直接调制激光器产生的正频率啁啾信号在G.652光纤(色散正常光纤)中传播时产生正色散，将导致传输过程中光脉冲展宽，从而严重影响了传输距离和系统容量。
[n0003] 直接调制半导体激光器的啁啾是指激光器在进行调制过程中调制电平的变化导致的光载波频率变化Δν，可以被表示：
[n0004]
[n0005] 其中Δv为直接调制激光器啁啾；ΔN为激光器腔内载流子密度变化；α为激光器线宽增强因子；Γ为激光器光限制因子；v_g表示群速度；a是激光器的微分增益。从激光器的啁啾物理表达式可以看出，啁啾的产生主要是由于激光器腔内的载流子的变化引起的。传统的直接调制半导体激光器是通过改变有源区的电流注入，来加载调制信号。小电流注入下，激光器腔内载流子密度减小，激光器输出光功率也减小，表示信号‘0’输出；大电流注入下，激光器腔内载流子密度增加，激光器输出光功率也增加，表示信号‘1’的输出。由此，可见传统的直接调制半导体激光器的调制信号由信号‘0’变化为信号‘1’时，激光器腔内载流子密度ΔN为正值，激光器啁啾Δv也为正值。由于目前的1550nm波段光纤通信窗口的色散也为正值，使得传统直接调制激光器产生的光信号在正色散光纤中经过一段距离传输光信号脉冲发生展宽，这将导致信号‘0’和信号‘1’发生重叠产生误码。这就是目前传统直接调制半导体激光器无法进行远距离传输的根本原因。
[n0006] 光信号在G.652光纤(色散正常光纤)中经过长距离传输后，必须对光信号的色散进行补偿，这将大幅增加光纤传输链路的成本和复杂性。目前，外调制激光器在一定条件下，可以输出具有负频率啁啾的光信号，可以在一定程度上补偿正色散。但是，单片集成外调制器和激光器还是比较困难，对技术、工艺要求很高，价格昂贵，分立器件的尺寸较大，功耗较高。
[n0007] 啁啾管理激光器技术可以一定程度抑制输出信号中的频率啁啾，但其必须外加一个光滤波器，而且要求输出光的波长必须严格、稳定地对准滤波器的滤波边缘，这在实际中并不容易做到(Chirp-Managed Directly Modulated Laser(CML)[J].IEEE PhotonicsTechnol Lett,2006,18(2):385-387)。所以，目前非常希望得到具有负啁啾特性的直接调制半导体激光器。
[n0008] 本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种负啁啾直接调制半导体激光器，能够进行远距离传输。
[n0009] 本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种负啁啾直接调制半导体激光器，包括作为光增益区的直流区，其特征在于：所述半导体激光器还包括设置在半导体激光器非输出一端的调制区，所述直流区和调制区均包括波导结构和光栅层，所述调制区还包括用于输入电压进行电光调制的第一电极，所述直流区还包括用于注入驱动电流的第二电极，所述第一电极和第二电极之间电隔离。
[n0010] 为便于导电到波导结构，所述第一电极和相应的波导结构之间以及所述第二电极和相应的波导结构之间均设置有电极接触层。
[n0011] 优选的，所述波导结构包括从上至下依次设置的波导上盖层、上光限制层、波导传输层、下光限制层和波导下盖层，所述光栅层设置在波导上盖层和上光限制层之间。
[n0012] 优选的，所述波导传输层为有源量子阱材料。
[n0013] 优选的，所述直流区的光栅层包含有相移区。相移区的引入使得光栅层的布拉格波长同时也是谐振腔的谐振波长，同时也是激光器的激射波长，这使得可以通过精确控制光栅的布拉格波长来控制激光器的激射波长，同时由于光栅层只能在布拉格波长处提供最有效的反射，所以激光器的单模特性好。
[n0014] 优选的，所述直流区和调制区的光栅层为表面光栅、侧面光栅、啁啾光栅或啁啾采样光栅。
[n0015] 优选的，所述调制区的光栅层的光栅和直流区的光栅层的光栅的周期和阶数均不相同。
[n0016] 为便于减小调制区的反射，所述调制区远离直流区的一端镀增透膜或采用抗反射的结构。
[n0017] 为便于减小直流区的反射，所述直流区远离调制区的一端为激光器的输出端面，所述输出端面镀有增透膜，所述输出端面的增透膜的反射率小于1％。
[n0018] 与现有技术相比，本实用新型的优点在于：通过增设具有波导结构和光栅层的调制区，直流区注入恒定的电流产生激光器工作所需增益，调制区通过电压信号加载调制信号，调制区在不同的电压下能产生不同光反馈强度，从而导致激光器输出的光强度变化，实现电光调制，输出具有负啁啾的调制特性，能够实现远距离传输。
[n0019] 图1为本实用新型的负啁啾直接调制半导体激光器的结构示意图；
[n0020] 图2为本实用新型的负啁啾直接调制半导体激光器的工作示意图；
[n0021] 图3为模拟得到的调制区不同电压下的激光器的输出光功率与注入电流关系；
[n0022] 图4为模拟得到的本实用新型的负啁啾直接调制半导体激光器10Gb/s的调制速率下，输出光功率和频率啁啾的关系。
[n0023] 以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
[n0024] 参见图1，一种负啁啾直接调制半导体激光器，包括调制区1和直流区2，直流区2也可以称为光增益区，需要注入稳定电流，给激光器提供增益，调制区1和直流区2并列布置，直流区2的长度(图1所示为左右方向上的尺寸)可以根据所需的阈值增益进行自定义调节，调制区1的长度(图1所示为左右方向上的尺寸)可以根据所需的调制速率进行自定义。
[n0025] 直流区2和调制区1均包括波导结构(有源波导)和光栅结构，在本实施例中，从上而下均依次包括电极接触层3、波导上盖层4、光栅层5、上光限制层6、波导传输层7、下光限制层8和波导下盖层9，上述的波导上盖层4、上光限制层6、波导传输层7、下光限制层8和波导下盖层9即构成上述的波导结构，光栅层5即构成上述的光栅结构。电极接触层3目的是实现良好的欧姆接触。
[n0026] 直流区2部分的光栅层5包含有相移区，如λ/4的相移、CPM相移或多相移等。相移区的引入使得光栅层5的布拉格波长同时也是谐振腔的谐振波长，同时也是激光器的激射波长。这使得可以通过精确控制光栅的布拉格波长来控制激光器的激射波长。同时由于光栅层5只能在布拉格波长处提供最有效的反射，所以激光器的单模特性好。直流区2和调制区1的光栅是一种广义能提供反馈的光栅结构，如表面光栅、侧面光栅、啁啾光栅和啁啾采样光栅等。调制区1的光栅层5的光栅可以采用与直流区2的光栅不一样的周期和阶数。波导传输层7为有源量子阱材料，该区域需要加载电压调整信号。
[n0027] 调制区1在激光器非输出的一端，直流区2远离调制区1的一端为激光器的输出端面(图1中所示为左侧端面)。调制区1远离直流区2的一端(图1中所示为右侧端面)可以镀增透膜或采用抗反射的结构来降低反射，而直流区2的输出端面则镀有增透膜以减小反射，该输出端面的增透膜的反射率小于1％。这种负啁啾直接调制半导体激光器方案可以使激光器具有负啁啾调制特性，同时具有制作难度小的特点。
[n0028] 参见图2，调制区1具有第一电极101，直流区2具有第二电极102，第一电极101和第二电极102之间电隔离。第一电极101和第二电极102位于相应的电极接触层3远离波导结构的外侧。第一电极101的两端连接到调制信号，第二电极102的两端连接到直流信号。电极的设置方式可以同现有技术，如每个电极可均包括P电极和N电极，分别设置在上下两端电极接触层3的外侧，将电压的两端施加到P电极和N电极。
[n0029] 通过在调制区1的第一电极101上加载调制信号，通过电极接触层3，调制区1在不同的调制电压信号下，能为激光器提供不同光反馈强度，从而导致激光器输出的光强度变化，实现电光调制。直流区2的第二电极102的两端注入稳定直流，向第二电极102两端施加电压，由此注入驱动电流，通过电极接触层3被注入到波导结构。于是，被注入了驱动电流后的波导结构作为活性层来发挥功能，给激光器提供增益。
[n0030] 参见图3，在调制区1的第一电极101两端加载0.5V的电压，调制区1的光反馈增强，激光器腔内载流子密度减少，输出光功率增加，产生信号‘1’，输出光功率与注入电流关系的曲线以虚线“------”示出，位于上方。在调制区加载-0.5V的电压，调制区1的光反馈减弱，激光器腔内载流子密度增加，输出光功率减少，产生信号‘0’，输出光功率与注入电流关系的曲线以虚线示出，位于下方。
[n0031] 由此，当本实用新型的负啁啾直接调制半导体激光器产生的调制信号由信号‘0’变化为信号‘1’时，激光器腔内载流子密度ΔN为负值，激光器啁啾Δν也为负值，参见图4。产生的负啁啾信号在正色散光纤中经过一段距离传输后不会产生脉宽展宽现象，因此可实现进行远距离传输。
[n0032] 与传统直接调制半导体激光器相比，本实用新型引入了一个调制区1，直流区2注入恒定的电流产生激光器工作所需增益，调制区1通过电压信号加载调制信号。调制区1在不同的电压下能产生不同光反馈强度，从而导致激光器输出的光强度变化。当调制区1处于正向偏压时，调制区1的有源波导不会产生光子吸收损耗，调制区1的光栅能够为激光器提供较强的光反馈，此时，激光器的输出光功率将增加。但是，当调制区1处于负向偏压时，调制区1的有源波导会产生较大光子吸收损耗，不再能为激光器提供足够光反馈，激光器的输出光功率将下降。由于，本实用新型的负啁啾直接调制半导体激光器调制信号由信号‘0’变为信号‘1’时，激光器激射频率产生负频率移动，具有负啁啾的调制特性。

权利要求:
Claims (9)
[0001] 1.一种负啁啾直接调制半导体激光器，包括作为光增益区的直流区(2)，其特征在于：所述半导体激光器还包括设置在半导体激光器非输出一端的调制区(1)，所述直流区(2)和调制区(1)均包括波导结构和光栅层(5)，所述调制区(1)还包括用于输入电压进行电光调制的第一电极(101)，所述直流区(2)还包括用于注入驱动电流的第二电极(102)，所述第一电极(101)和第二电极(102)之间电隔离。
[0002] 2.根据权利要求1所述的负啁啾直接调制半导体激光器，其特征在于：所述第一电极(101)和相应的波导结构之间以及所述第二电极(102)和相应的波导结构之间均设置有电极接触层(3)。
[0003] 3.根据权利要求1所述的负啁啾直接调制半导体激光器，其特征在于：所述波导结构包括从上至下依次设置的波导上盖层(4)、上光限制层(6)、波导传输层(7)、下光限制层(8)和波导下盖层(9)，所述光栅层(5)设置在波导上盖层(4)和上光限制层(6)之间。
[0004] 4.根据权利要求3所述的负啁啾直接调制半导体激光器，其特征在于：所述波导传输层(7)为有源量子阱材料。
[0005] 5.根据权利要求1所述的负啁啾直接调制半导体激光器，其特征在于：所述直流区(2)的光栅层(5)包含有相移区。
[0006] 6.根据权利要求1所述的负啁啾直接调制半导体激光器，其特征在于：所述直流区(2)和调制区(1)的光栅层(5)为表面光栅、侧面光栅、啁啾光栅或啁啾采样光栅。
[0007] 7.根据权利要求1所述的负啁啾直接调制半导体激光器，其特征在于：所述调制区(1)的光栅层(5)的光栅和直流区(2)的光栅层(5)的光栅的周期和阶数均可不相同。
[0008] 8.根据权利要求1～7中任一项所述的负啁啾直接调制半导体激光器，其特征在于：所述调制区(1)远离直流区(2)的一端镀增透膜或采用抗反射的结构。
[0009] 9.根据权利要求1～7中任一项所述的负啁啾直接调制半导体激光器，其特征在于：所述直流区(2)远离调制区(1)的一端为激光器的输出端面，所述输出端面镀有增透膜，所述输出端面的增透膜的反射率小于1％。

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引用文献:

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

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法律状态:
2021-10-01| GR01| Patent grant|

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2021-10-01| GR01| Patent grant|

优先权:

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申请号 | 申请日 | 专利标题

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CN202120549480.2U|CN214337120U|2021-03-17|2021-03-17|一种负啁啾直接调制半导体激光器|CN202120549480.2U| CN214337120U|2021-03-17|2021-03-17|一种负啁啾直接调制半导体激光器|