基于耦合腔的单模高速调制法布里-珀罗半导体激光器

摘要

一种基于耦合腔的单模高速调制法布里一珀罗半导体激光器，包括：一管芯，该管芯为一叠层结构，包括：一下电极；一下接触层，其制作在下电极上；一N型衬底，其制作在下接触层上；在N型衬底上分为两部分，一是为法布里珀罗型微腔，二是为回音壁型微腔，该法布里一珀罗型微腔制作在N型衬底上，其一端与N型衬底的一端齐平，该回音壁型微腔制作在N型衬底上，位于法布里一珀罗型微腔的另一端，该法布里一珀罗型微腔和回音壁型微腔的层叠结构相同。本发明是将高功率的法布里一珀罗微腔与单模高速调制回音壁型微腔相结合，通过调节两腔之间的模式耦合以调节法布里一珀罗微腔的等效反射率，从而实现高功率、单模激射和更好的高速调制特性。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，尤其涉及一种基于耦合腔的单模高速 调制法布里-珀罗半导体激光器，更具体的是本发明提出了通过在法布里 珀罗微腔的一个反射面附近制作一个回音壁型微腔以实现法布里-珀罗激 光器的单模输出及高速调制。

背景技术

半导体激光器具有电光转换效率高、体积小、寿命长、成本低、易于 单片集成和能直接电流调制等优点，是超高速、大容量光通信和大规模光 子集成电路的核心器件之一。其中，法布里-珀罗型激光器是较为传统的 一种半导体激光器，其结构和制作工艺简单，输出功率强，成本低，已被 广泛地应用于低传输速率的光纤通信网络中。然而，在大容量高速调制信 息传输网络中，法布里-珀罗激光器由于其自身模式问题限制而很难被应 用，其问题主要表现为多个纵模并存以及光谱线宽较宽两方面。

传统的解决半导体激光器多纵模问题的方法主要是通过在腔内引入 分布反馈光栅或者采用外腔反馈选模方法，然而其在制作过程中需要引入 二次外延或者额外的波长选择装置，会引入较大的光损耗，并且增加了系 统的复杂性从而不利于大规模集成。

回音壁模式微腔利用光纤在弯曲界面的全反射形成谐振模式，具有体 积小、阈值低、功耗低、易于集成等优点而被广泛的应用于光子集成电路、 光互连、光通信和微波光子等领域。与传统的半导体激光器相比，由于其 具有高品质因子及小尺寸，而在直接高速调制等方面展现出了明显的优 势。据报道，目前在半径为7微米直接连接输出波导的AlGaInAs/InP圆 盘微腔已经实现了超过20GHz的小信号直接高速调制信号输出。然而，回 音壁模式微腔激光器由于其自身腔体积较小，其输出功率与传统激光器相 比较小，故需要在其输出功率与腔的单模性之间作出一定的权衡。因此， 实现一种兼具单模、高功率、高调制速率以及易于集成的半导体激光器具 有重要的应用价值。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种基于耦合腔的单 模高速调制法布里-珀罗半导体激光器，将高功率的法布里-珀罗微腔与单 模高速调制回音壁型微腔相结合，通过调节两腔之间的模式耦合以调节法 布里-珀罗微腔的等效反射率，从而实现高功率、单模激射和更好的高速 调制特性。

本发明提供一种基于耦合腔的单模高速调制法布里-珀罗半导体激光 器，包括：

一管芯，该管芯为一叠层结构，包括：

一下电极；

一下接触层，其制作在下电极上；

一N型衬底，其制作在下接触层上；

在N型衬底上分为两部分，一是为法布里-珀罗型微腔，二是为回音 壁型微腔，该法布里-珀罗型微腔制作在N型衬底上，其一端与N型衬底 的一端齐平，该回音壁型微腔制作在N型衬底上，位于法布里-珀罗型微 腔的另一端；

该法布里-珀罗型微腔和回音壁型微腔的层叠结构相同，包括：

一N型限制层，其制作在N型衬底上；

一有源层，其制作在N型限制层上；

一P型限制层，其制作在有源层上；

一P型盖层，其制作在P型限制层上；

一上接触层，其制作在P型盖层上；

一上电极，其制作在上接触层上。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的这种耦合腔法布里-珀罗半导体激光器，利用法布里 -珀罗微腔反射面附近的倏逝波强耦合回音壁模式微腔激光器进行模式选 择，实现了高功率单模定向输出。

2、本发明提供的这种耦合腔法布里-珀罗半导体激光器，通过对回音 壁型微腔部分进行直接高速调制从而实现了对法布里-珀罗微腔的高速调 制。同时，通过调节回音壁型微腔的偏置电压可以间接地调控激射模式的 损耗系数，降低正偏直接电流调制下载流子寿命对动态调制的限制作用， 达到提高激光器调制带宽的目的。

3、本发明提供的这种耦合腔法布里-珀罗半导体激光器，其制作工艺 简单，成本低，易于集成，在光纤通信、光互连等领域具有广阔的应用前 景。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1为本发明实施例的耦合腔法布里-珀罗半导体激光器的三维结构 示意图；

图2为本发明实施例中利用时域有限差分方法数值计算的五边形回音 壁模式微腔的频谱图；

图3为本发明实施例在保持五边形微腔不同偏置电压情况下，输出激 光耦合到单模光纤的功率-电流曲线图；

图4为本发明实施例在法布里-珀罗微腔注入电流为35毫安、五边形 微腔偏置电压为1伏特情况下测得的输出激光光谱图；

图5为本发明实施例在保持法布里-珀罗微腔注入电流为45毫安，改 变不同五边形微腔偏置电压情况下测得的激光器小信号动态响应曲线图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种基于耦合腔的单模高速调制法布里 珀罗半导体激光器，包括：

一管芯，该管芯为一叠层结构，包括：

一下电极101；

一下接触层102，其制作在下电极101上，为重掺杂N型III-V族材 料；

一N型衬底103，其制作在下接触层102上；

在N型衬底103上分为两部分，一是为法布里-珀罗型微腔201，二是 为回音壁型微腔202，该法布里-珀罗型微腔201制作在N型衬底103上， 其一端与N型衬底103的一端齐平，该回音壁型微腔202制作在N型衬底 103上，位于法布里-珀罗型微腔201的另一端；

该法布里-珀罗型微腔201和回音壁型微腔202的层叠结构相同，包 括：

一N型限制层104，其制作在N型衬底103上；

一有源层105，其制作在N型限制层104上，所述有源层105的结构 为体材料、量子阱、量子线或量子点，采用的材料为III-V族半导体材料；

一P型限制层106，其制作在有源层105上；

一P型盖层107，其制作在P型限制层106上；

一上接触层108，其制作在P型盖层107上，为重掺杂P型III-V族 材料。该上接触层108可以通过干法刻蚀或湿法腐蚀选择性地进行刻蚀， 从而使所述的法布里-珀罗微腔201和回音壁型微腔202得以分别地注入 载流子，实现良好的电隔离；

两上电极109，其制作在上接触层108上，分别用于对所述法布里- 珀罗微腔201和所述五边形回音壁型微腔202进行电注入。

所述法布里-珀罗微腔201作为主激光器在电流注入下提供光子，回 音壁型微腔202相当于一个反射率随激射波长和注入电流变化的反射镜， 通过调节模式间耦合来控制等效反射率从而实现对法布里-珀罗微腔的激 射模式选择，达到单模激射和动态高速调制。

其中所述法布里-珀罗型微腔201和回音壁型微腔202为直接相连或 存在间隙，间隙的距离为0至1.5微米，小的间隙可以使得法布里-珀罗 微腔201和回音壁型微腔202之间形成强耦合；在垂直于衬底方向上均为 深刻蚀，从所述上接触层108刻蚀至所述N型衬底103，具体刻蚀方法可 以采用干法刻蚀或湿法化学腐蚀方法，尽量使得器件侧壁保持较好的陡直 度和光滑度，从而提高微腔品质因子，降低激射阈值并提高输出功率。

所述法布里-珀罗型微腔201和回音壁型微腔202可以由相同材料相 同工艺制成，也可由不同材料制备而成；可以利用选择性区域生长或量子 阱混杂技术将回音壁型微腔202的有源层进行带隙波长蓝移，从而减少微 腔内对光子吸收损耗，提高高速调制特性。

所述法布里-珀罗型微腔201为条状结构，其长度为20微米至1毫米， 宽度为0.3微米至10微米，其长度和宽度的增大可以提高激光器的最高 输出功率，但同时会引入较多的纵模和横模，因此为了获得大的输出功率 和好的单模性，可以增加法布里-珀罗微腔的长度，同时减小其宽度使其 小于所述回音壁型微腔202的半径尺寸；

所述回音壁型微腔202的形状为圆盘型、圆环形、多边形或椭圆形， 该回音壁型微腔202中心到边缘的半径尺寸为1微米至50微米，所述回 音壁型微腔应在设计允许的范围内尽可能地满足高品质因子和单模激射， 以达到更好的模式选择作用。

在本实施例中，选用的衬底材料为InP，有源层为AlGaInAs多量子阱 结构；该耦合腔法布里-珀罗半导体激光器器件总长度为240微米，其中 法布里-珀罗微腔201长度为220微米，宽度为2微米，回音壁型微腔202 选用的为五边形结构，其边长为12微米，在一个顶角处与法布里-珀罗微 腔直接相连形成强耦合。在叠层结构方向上，两腔体采用相同材料以及相 同的工艺制备而成，刻蚀深度为4微米，有源层厚度为100纳米，位于深 度2微米处。所述的法布里-珀罗微腔与五边形微腔之间存在一个电隔离 沟，长约10微米，是通过腐蚀上述两腔之间的上接触层P型重掺杂材料 而成，以实现电隔离，隔离电阻为8000欧姆。

参阅图2，给出了该实施例中利用时域有限差分方法数值计算的直接 连接条形输出波导的五边形回音壁模式微腔的频谱图，其中五边形回音壁 型微腔的边长为12微米，直连输出波导的宽度为2微米，长度为5微米， 其末端进入完美匹配层使传输的光场全部被吸收，有源层折射率为3.2， 周围介质折射率为1.54。可以看出，模拟得到的纵模间隔为15.3纳米， 且在一个自由频谱宽度范围内只有一个高品质因子的横模，因此直连波导 的引入使得该激光器具有较好的单横模性，同时五边形微腔与条形波导直 接相连有利于五边形微腔与波导之间模式的耦合进而实现好的选模效果。

参阅图3，给出了该实施例在保持五边形微腔不同偏置电压情况下， 输出激光耦合到单模光纤的功率-电流曲线。其中，该器件实现了室温连 续电注入激射，并且通过提高五边形微腔部分的偏置电压可以大幅度提高 该耦合腔的输出功率，同时还降低了激射阈值。

参阅图4，给出了该实施例在法布里-珀罗微腔注入电流为35毫安、 五边形微腔偏置电压为1伏特情况下测得的输出激光光谱图。激射模式波 长位于1526纳米附近，边模抑制比约为35dB，实现了良好的单模工作。

参阅图5，给出了该实施例在保持法布里-珀罗微腔注入电流为45毫 安，改变不同五边形回音壁型微腔偏置电压情况下测得的激光器小信号动 态响应曲线。其中，当五边形微腔偏置电压保持为0、0.85、1.0和1.2 伏特时，该耦合腔法布里-珀罗激光器的小信号调制3dB带宽分别为8.1、 7.4、9.2和9.4GHz，这说明该激光器可以应用于调制频率为10GHz左 右的高速光纤通信系统，同时，该激光器与外腔法布里-珀罗激光器相比 具有易于集成的优点。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。