專利名稱：可調(diào)諧激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可調(diào)諧激光器，并且特別地涉及，但不必局限于，在電信系統(tǒng)中的工作于C波段(即1530至1570nm波段內(nèi))的可調(diào)諧激光器。這些實施例特別地涉及，但并不局限于，具有四個段的分布式布拉格反射器可調(diào)諧激光器。
背景技術(shù)：
在本說明書中，術(shù)語“光”被用來表達下面的意思，即用于光學系統(tǒng)中時，它不僅表示可見光，同時還表示波長在1000納米(nm)～3000nm范圍內(nèi)的電磁輻射。
單波長激光器在遠程光通信的多種應(yīng)用中，以及在信號處理應(yīng)用中具有重要的作用。這些應(yīng)用包括使用波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的多信道遠程光通信網(wǎng)絡(luò)。這樣的網(wǎng)絡(luò)可以提供高級的特性，諸如波長路由、波長轉(zhuǎn)換、信道插入和分出，以及以與在時分復(fù)用系統(tǒng)中的時隙處理方式相似的方式進行波長處理。許多這樣的系統(tǒng)工作于1530～1570nm的C波段中。
用于上述光通信系統(tǒng)(尤其是與WDM電信系統(tǒng)相連的光通信系統(tǒng))中的可調(diào)諧激光器是為人們所知的。一種已知的可調(diào)諧系統(tǒng)包含成組的單波長分布式布拉格反射器(DBR)激光器，這些激光器可以被單獨選擇，或在較窄范圍內(nèi)進行調(diào)諧，或通過可以電驅(qū)動的寬調(diào)諧范圍激光器來提供所需的波長。依靠熱效應(yīng)進行調(diào)諧的調(diào)諧范圍有限的可調(diào)諧激光器也是為人們所知的。
US-A-4896325公開了在其增益段的前部和后部具有取樣光柵的可以調(diào)諧波長的激光器。該說明書中描述的激光器依賴于兩個不同的光柵，這兩個光柵會在前部和后部的光柵中產(chǎn)生存在細微差異的反射梳。這會給該器件提供反饋。光柵彼此之間可以通過電流來進行波長調(diào)諧。從前部光柵和后部光柵同時入射最大值的模式被稱為超模式。要使器件在超模式之間進行切換，需要用微調(diào)方式少量地增加進入光柵之一的電流，以便使一對不同最大值發(fā)生重合。通過將電流加到兩個光柵，使得在超模式中可以連續(xù)調(diào)諧相應(yīng)的最大值軌跡。
總而言之，對于在前部和后部光柵段中的一組給定驅(qū)動電流，只可能在一個波長上發(fā)生反射峰的同時對應(yīng)，其結(jié)果是該器件發(fā)出這一波長的激光。要改變這一波長，需要對前部和后部光柵施加不同的電流。因此，前部和后部光柵以微調(diào)模式工作，其中波長的互相對應(yīng)決定超模式波長。
相移光柵是一種改進形式的選擇性光柵，如UK-A-2 337 135中所述的，其內(nèi)容在此被并入以作為參考。
在這里用到的術(shù)語“相移光柵”是用來描述和定義一種選擇性反射分布式布拉格光柵，其構(gòu)造和工作方式與在UK-A-2 337 135中描述和請求保護的內(nèi)容相對應(yīng)。換句話說，相移光柵是這樣一種光柵其中的光柵結(jié)構(gòu)包含有多個重復(fù)的光柵，其中每個光柵單元都包含一系列相鄰的具有相同柵距的衍射光柵，其特征在于多個光柵單元以及在一個光柵單元內(nèi)的相鄰光柵在彼此之間存在基本上為pi(π)弧度的相移，且其中同一光柵單元內(nèi)，至少有兩個光柵的長度不同，可以選擇該長度從而提供預(yù)先設(shè)定的反射譜。
相移光柵的構(gòu)造和工作的細節(jié)可以在UK-A-2 337 135中找到。布拉格光柵可以通過用電子束寫入適合的光刻膠這種工藝步驟來限定。
發(fā)明簡述在本發(fā)明中提供了可調(diào)諧激光器，它的增益段在一端由第一反射器限定邊界，該反射器在形式上是適用于生成梳狀反射峰的分布式布拉格反射器，另一端的邊界由第二布拉格反射器限定邊界，該第二布拉格反射器適用于對多個波長進行反射，且能夠在不同段中有選擇地發(fā)生變化，使得能夠?qū)Σ祭穹瓷淦髦械囊粋€段或者幾個段中進行調(diào)諧，以便使用其中的一個段來反射較低波長，從而增強對于較短波長的反射率。
第二反射器經(jīng)調(diào)諧后達到的較短波長可能基本上與第一反射器的峰值重合。
第二反射器可以是由具有可變折射率的材料形成的，且可以通過改變該材料的折射率來改變所反射的波長。
通過經(jīng)由電極使電流穿過形成第二反射器的材料，就可以改變折射率。
第二布拉格反射器可以是啁啾光柵，并且可能由這樣的材料形成該材料的折射率根據(jù)其中穿過的電流而發(fā)生變化，在沿著光柵的長度上可能有多個外部電極，其中每個電極都可以有選擇地連接到一個電源。
第二布拉格反射器可以包含多個分立的光柵段，其中可能至少有兩個光柵段具有不同的柵距，且至少可以在具有較長柵距的光柵上施加電流，以使得具有較長柵距的光柵的有效波長可以被調(diào)諧至具有較短柵距的光柵的波長。
啁啾布拉格反射器可以包含其柵距沿啁啾發(fā)生漸進變化的線性啁啾，其中最靠近增益段處的柵距最短。
第二布拉格反射器可以包含多個分立的光柵段，其中每一個光柵段都具有不同的柵距，最靠近增益段處的光柵段的柵距最短，從增益段開始，每一個連續(xù)光柵段的柵距都大于前一個光柵段的柵距。
每一個光柵段都可以含有可獨立操作的電極。
可以提供切換電路，用以將電流切換至電極。
可以用半導(dǎo)體材料，特別是用III-V族半導(dǎo)體材料來制造可調(diào)諧激光器?？梢圆捎秒娮邮鴮懭爰夹g(shù)來制造，或者可以采用全息相位光柵板來制造可調(diào)諧激光器。
第二反射器中的布拉格段中的每一個段可以都設(shè)置為較短，以使得與布拉格光柵相關(guān)聯(lián)的累積波導(dǎo)長度最小化，從而維持較低的波導(dǎo)衰減損耗。
形成第一反射器的分布式布拉格反射器可以是相移布拉格光柵反射器，而光可以射入第二反射器。
在增益段與兩個反射器中的任一個反射器之間，或者在增益段與全部兩個反射器之間，可能存在相位變化段。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以采用替換形式的分段的光柵的順序。
可以采用其他替換形式的啁啾，例如，非線性的漸進啁啾，而且最靠近增益段的柵距最長。
當?shù)诙瓷淦鳛檫辈祭穹瓷淦鲿r，可以認為該反射器被分為一些啁啾段，每一個段由整個啁啾光柵的一部分構(gòu)成，并且所有的啁啾段是連接在一起的。
可以使用除電流之外的其他改變折射率的方法，例如通過熱學方式，或使用電場。
較短的布拉格段意味著其長度使得每一段的相關(guān)反射率較寬，且相鄰段的反射率之間有一定的重疊。然而，段反射率間的區(qū)別足以使激光器處于穩(wěn)定的發(fā)射激光工作狀態(tài)，且降低了光功率損耗。
在一個實施例中，第一反射器包含較長的分布式布拉格反射器，其長度正如在這里定義的。
“長”用在本文中的意思是重復(fù)光柵單元的數(shù)目與UK-A-2 337135中所述的相同，以便產(chǎn)生足夠窄的峰，從而使激光器工作于單縱模方式。最好有10個或更多的重復(fù)光柵單元。
第一反射器還可以具有電極，以允許電流流過它從而改變梳狀反射峰發(fā)生反射的波長。
相位變化段可以具有電極，以允許電流通過該相位變化段，從而改變相位變化段材料的折射率，從而影響相位的變化。
形成前部和后部布拉格光柵的材料的反射率是同時變化的，以影響激光器的微調(diào)。
第二反射器上電極之間的距離像在這里定義地一樣短。
第一反射器的光柵可能較長，以便在充分定義的波長上生成反射峰。
附圖簡述附圖1是根據(jù)本發(fā)明的含有分段的布拉格第二反射器的激光器的橫截面示意圖，附圖2a～2e是對于分段的布拉格第二反射器的實施例的光的強度I與波長λ的關(guān)系圖，附圖3是根據(jù)本發(fā)明的含有啁啾布拉格第二反射器的激光器的橫截面示意圖，附圖4顯示了本發(fā)明的第二實施例，附圖5顯示了啁啾光柵，附圖6顯示了啁啾線，附圖7顯示了光通過啁啾光柵的放大圖，附圖8和9顯示了光的強度與波長之間關(guān)系的盒狀圖，附圖10是啁啾激光器的啁啾線與光的強度的說明性示意圖，附圖11和12顯示了啁啾線圖，以及附圖13a～13e是對于啁啾布拉格第二反射器的實施例的光的強度I與波長λ的關(guān)系圖。
本發(fā)明優(yōu)選實施例的描述上面所述的感興趣的波長(例如1530～1570nm的C-波段波長)是光在自由空間中的波長。當這樣的光通過折射率為neff的介質(zhì)時，光在該介質(zhì)中的實際波長，在這里稱為A’，等于波長A除以折射率Neff值。也就是說λ’＝Neff(1)其中Neff為由自由空間傳播的光波長λ所經(jīng)歷的該介質(zhì)的有效折射率。
在電信系統(tǒng)中被普遍采用的玻璃(二氧化硅)光纖在約1100nm、1300nm和1500nm的波長上具有低損耗區(qū)。這些區(qū)的寬度約為100nm，因此為了制造能夠產(chǎn)生位于該低損耗段的激光的激光器而做了大量的工作。對于本發(fā)明的可調(diào)諧激光器來說，情況也是如此。本發(fā)明的特定示例就是被設(shè)計用于工作于C波段，但是如果需要，以及如果可以獲得新型的光纖光纜的話，本發(fā)明一樣可以用于其他的波長。
參照附圖1～附圖3，它們顯示了根據(jù)本發(fā)明的激光器的橫截面示意圖。與半導(dǎo)體激光器中的常規(guī)情況一樣，該激光器由一系列層構(gòu)成，其中層1位于下層2和上層3之間。層1限制在層2和3之間以形成波導(dǎo)。在該結(jié)構(gòu)中可以有多個層，但它們對本發(fā)明來說并不重要，而且為了更好地理解本發(fā)明，沒有將它們示出。
在附圖1中，激光器本身具有4個主要的段。增益段4、相位變化段5以及前部和后部反射段6和7。后部反射段7具有形成在層3中的相移光柵分布式布拉格反射器8。這樣的反射器會在不同波長上產(chǎn)生梳狀反射峰，且每個峰的高度幾乎相等。前部反射器6由一系列段組成，每個段均為分布式布拉格反射器，每一段都以某一單一波長為中心并且具有寬波長反射譜。段9～16各自峰的中心波長與由前部反射器分布式布拉格反射器生成的梳狀反射峰相一致。
在附圖3中，激光器本身具有4個主要的段。增益段61、相位變化段60以及前部和后部反射段62和50。后部反射段50具有形成在層3中的相移光柵分布式布拉格反射器51。這樣的反射器會在不同波長上產(chǎn)生梳狀反射峰，且每個峰的高度幾乎相等。前部反射器段62包含其柵距沿光柵長度發(fā)生漸進變化的線性啁啾光柵。在該啁啾光柵上有一系列相鄰的單獨電極65～72，其定義了子區(qū)域啁啾光柵，而這些子區(qū)域啁啾光柵一起構(gòu)成了整體的啁啾光柵。每一個子區(qū)域啁啾光柵都會反射一定范圍的波長。在無源狀態(tài)下，總的反射譜覆蓋感興趣的波段，并具有相同的反射率。
本發(fā)明的設(shè)計適用于采用III-V族半導(dǎo)體材料或其他半導(dǎo)體材料制造的固體激光器。
在采用分段的布拉格光柵前部反射器4段激光器的情況下，參照附圖2a～2e可以更容易地理解該激光器的工作方式。這些圖上下對齊，顯示了由前部和后部反射器產(chǎn)生的反射梳。在圖中，縱軸表示的是反射的強度I，橫軸表示的是波長λ。附圖2a顯示了反射梳29a～36a，它們是由分段的光柵9～16生成的，且此時未對電極9a～16a施加任何電流。由于布拉格光柵段較短，所以梳狀峰較寬。這些梳位于附圖2b所示的由激光器中的后部光柵8生成的反射梳39a～46a的正上方?？梢钥吹?9a～36a峰值所處的波長與39a～46a峰值所處的波長基本上一致。
如果在增益段注入的電流僅僅是正好能夠產(chǎn)生光的電流，則激光器不會發(fā)出激光，這是因為由峰值29a～36a代表的所有波長(當然還有其他波長)的光的強度都低于發(fā)射激光的閾值。
為使激光器按預(yù)想地發(fā)射激光，不但需要在增益材料中獲得一定數(shù)目的帶電載流子反轉(zhuǎn)，同時還要使得至少一個波長，而且優(yōu)選地是一個波長，高于發(fā)射激光閾值。上述過程是這樣實現(xiàn)的通過電極4a將足夠的電流注入增益段4以造成一定數(shù)目的載流子反轉(zhuǎn)，前部光柵的一部分反射某一優(yōu)選波長的光，使得后部光柵選擇性地反射該特定的波長。前部光柵又會將該波長的光反射回去，這樣，該波長就成為優(yōu)選或增強的波長，并且激光器就開始以該波長發(fā)射激光。
其實現(xiàn)方式如下。
形成層3中的相應(yīng)于反射器6和7段的材料具有如下特性，使得當有電流通過時，其折射率會降低。因此，如果有電流流過電極12a，則段12中的布拉格反射器所反射的光的波長就會降低。如果所述的波長降低使得反射的光的波長與相鄰段(段11)的布拉格反射器反射的光的波長相同，則會發(fā)生如附圖2c中所示的情況。如附圖2a所示的峰31a的強度被增強，使得其增高到如附圖2c中所示的A那樣，并且強度大于峰29a、30a和33a～36a。因此，附圖2a中的峰32a被減小至附圖2c所示的B。
現(xiàn)在，如果同樣有電流流過電極4a從而在增益段4中產(chǎn)生強度高于發(fā)射激光的閾值的光，那么對應(yīng)于峰值31a以及峰值41a的波長的光就會被選擇性增強，并且激光器開始以如附圖2d中的C所示的波長發(fā)射激光。這樣，激光器就被調(diào)諧至該波長。這種激光器設(shè)計的好處就是前部反射器峰值的寬度可以足夠?qū)?，從而在由較寬的前部反射器峰值確定的波長窗口內(nèi)，調(diào)諧僅僅受到后部光柵調(diào)諧電流的影響。
如果還有電流流過電極7a，則會有效地將整個峰值梳39a～46a以及峰值D移至如附圖2e中所示的較短波長。峰值D的強度會比峰值C的強度略小，這是因為前部和后部反射器的峰值的最大值不再完全對準。
如果在同一時刻有電流流過電極11a，且流過電極12a的電流增大，那么附圖2a中的峰值31a也會移至較短的波長，那么前部和后部反射器的峰值的最大值回到完全對準的狀態(tài)。
因此，通過上面兩種操作中的任一種，可以對該激光器進行微調(diào)，使其發(fā)射的激光波長在如附圖2b所示的峰39a～45a之間的范圍內(nèi)。
可以理解，通過這種方法不能將峰值35a再移至更長的波長，該激光器能夠發(fā)射激光的最長波長是如附圖2d中所示的峰值45a。
為了確保完全覆蓋該波段，可以應(yīng)用帶外或邊帶段。長波長的帶外段配有可調(diào)諧的電極，以使其能夠通過電流注入而被驅(qū)動，從而與第一個帶內(nèi)的長波長段重合。不需要為短波長的帶外段配備電極，因為它的工作情況，也就是它的發(fā)射激光的波長是由進入最短波長帶內(nèi)段的驅(qū)動電流決定的。如果需要微調(diào)的話，則要為短波長的帶外段配備電極。加入這些帶外或邊帶段使得產(chǎn)品的工作特性多樣化，從而幫助提高產(chǎn)品產(chǎn)量。
使用InP這一典型的III-V族激光器材料，由電流注入所造成的材料折射率減小可以允許在1-10nm的范圍內(nèi)進行波長調(diào)諧。使用這種材料，調(diào)諧段典型的設(shè)計波長間距為4nm。采用這樣的設(shè)置，要產(chǎn)生與其鄰近的最短波長的重合，該段需要有4nm的波長移動，同時留下了另外4nm的重合調(diào)諧能力。通過這種方法可以覆蓋整個感興趣的波段。
在啁啾光柵分布式布拉格前部反射器的情況下，參考附圖3～12可以更容易地理解啁啾段的工作方法。
參照附圖3，它顯示了本發(fā)明另一種可供選擇的形式，其中附圖1中分立的布拉格光柵段9～16由啁啾光柵代替。該激光裝置包含類似于附圖1中后部反射段7的后部反射段50，它還含有相移布拉格光柵51、增益段61、相位變化段60和啁啾光柵段62。電極64位于增益段61上，以允許電流流入增益段。電極52與電極63分別位于后部反射段50和相位變化段60上，以允許電流分別流入后部反射器和相位變化段。一系列分立的、可選擇電極65～72位于啁啾布拉格段上，以允許電流有選擇地流入段62之中的部分啁啾光柵。
啁啾光柵是一種形式的布拉格光柵，反射的光的波長在沿啁啾光柵長度的方向上發(fā)生連續(xù)變化。因此，它區(qū)別于反射單一峰值波長的普通分布式布拉格反射器(DBR)，也區(qū)別于反射多個分立波長的采樣光柵DBR。
啁啾光柵形成于兩個具有不同折射率的材料的交界面，并且可以用圖像表示為正弦波形或是齒形(castellated form)。光柵的物理形狀依賴于所應(yīng)用的刻蝕技術(shù)并可能導(dǎo)致齒形，特別在采用干法刻蝕的工藝來生產(chǎn)光柵的情況下可能會導(dǎo)致齒形，其中干法刻蝕例如是反應(yīng)式離子刻蝕。
用于生產(chǎn)啁啾光柵的大部分的光所通過的材料的折射率為n，這種材料為四元化合物材料(InGaAsP)，且該材料的折射率隨通過材料的光的波長不同而變化。典型地，波長在1570nm時，折射率為3.33；波長在1550nm時，折射率為3.38；波長在1530nm時，折射率為3.43。這樣，從1530nm到1570nm，n減小了約3％。
附圖4～附圖12為啁啾光柵的構(gòu)造和工作原理提供了說明。
如附圖5所示，光柵被形成為一個位于具有低折射率的上層材料81與具有較高折射率的下層材料82之間的界面80。可以用波形來描述該界面，且構(gòu)成光柵的波形的波距Λ沿光柵的長度逐漸增加，從在啁啾光柵的短端處的AS增加到在光柵長端處的ΛL。在附圖5中，為了說明發(fā)生的情況，波距的增加被刻意夸大了。而在實際應(yīng)用中，在沿整個光柵長度上的波距增加是很小的，也就是約2.5％，以使得光柵在短端反射波長約1530nm的光，而在長端反射波長約1570nm的光。那么，在光柵的長度上存在40nm的反射波長的差異，這約為平均波長1550nm的2.5％。
在附圖6中，顯示了光柵柵距是如何沿其長度發(fā)生變化的。其中縱坐標Λ為柵距，而橫坐標為光柵的長度x。
可以理解，可以繪制出沿著光柵長度方向上的柵距值Λ與光柵長度的直接關(guān)系，并且得到的是一條直線。依賴于柵距長度隨光柵長度的變化，該圖線可以是直線也可以是曲線。如果光柵柵距的增加速率恒定，則該圖線為如圖中83a所示的直線，而該光柵被稱作線性啁啾光柵。若柵距沿光柵的增加不均勻，或換句話說，沿Λ的增長方向，每一Λ都比前一Λ的增加恒定的較小增量，則該圖線將不是線性的，而是如圖中83b所示，圖線向下彎曲。光柵柵距隨光柵長度的其他方式的增加會產(chǎn)生不同的曲線。
參照附圖7，該圖說明了光線通過啁啾光柵的效果。同樣，光柵被表示為具有較低折射率的上層85和具有較高折射率的下層86之間的正弦曲線界面84。大部分的光線通過該裝置中具有較高折射率的波導(dǎo)，該波導(dǎo)被表示為87，上述波導(dǎo)87通過具有低折射率的中間層88與啁啾光柵所處的下層86分開。在波導(dǎo)87下面是具有更低折射率的襯底89。添加在層結(jié)構(gòu)圖上的示意圖顯示了沿箭頭91所示的、在90處由左至右通過該裝置的光的波陣面。曲線92顯示了該裝置的層中的光的強度分布，并且可以看到，大部分光線通過具有高折射率的波導(dǎo)。
如附圖7所示，不止是有光通過波導(dǎo)，還有倏逝波通過形成啁啾光柵的下層的層86。如果光的波長λ’恰好為柵距Λ的兩倍，則該光線會被反射回去，也就是若Λ＝2Λ，則該波長的光將被反射。因此，整體而言，啁啾光柵所反射的光的范圍為λ’S＝2ΛS至Λ’L＝2ΛL，其中ΛS為最短的光柵柵距，ΛL為最長的光柵柵距。波長處于上述范圍之外的光線將不會被沿波導(dǎo)反射回去。
上述情況可以由附圖8和附圖9的盒狀示，其中縱坐標為光的強度I，橫坐標為波長λ’。當有附圖8中的93所示的一組具有多個波長的光進入光柵時，該包絡(luò)是完整的，且代表了具有很大間隔的λ’1和λ’2之間的所有波長。然而，由于啁啾光柵會反射某些波長，例如附圖5中處于λ’S和λ’L之間的波長，所以如附圖9中的94所示的顯現(xiàn)的波長盒狀圖具有缺口95，它對應(yīng)于由啁啾光柵反射的位于λ’S與λ’L之間的波長。
若在完整的且未被改變的情況下，啁啾光柵會無偏好地反射λ’S與λ’L之間所有的波長。然而若某一電極(例如附圖10中所示的電極68)有電流通過，則會使得制作啁啾光柵的材料的折射率降低。這會導(dǎo)致整個光柵對于某一相鄰的較短波長的反射率有選擇地增大，而這會使得激光器以該特定波長發(fā)射激光。
上述情況可以參照附圖10更詳細地加以說明。在這張圖中，上面的部分顯示了附圖4中所示的激光器。它被放在啁啾圖上面(如附圖6所示)，在啁啾圖下面還有啁啾光柵的反射率與距離的關(guān)系圖。
由附圖10的中間部分可以看到，圖中繪制了柵距A與距離x之間的關(guān)系，啁啾響應(yīng)線如線96所示?？梢钥吹?，線96具有區(qū)域98，該區(qū)域位于圖線的主體部分之下，并且用虛線表示，下面將解釋其中的原因。
在激光器的外表面有一系列的電極63～72。電極64可以用來向增益段注入電流以使得該段產(chǎn)生光。通過下述的方式，可以用電極63控制相位段，而電極65～72可以向光柵62的不同區(qū)域注入電流。
如果在增益段注入的電流僅僅是正好能夠產(chǎn)生光的電流，那么如果啁啾段可以反射1530～1570nm波長范圍內(nèi)的光，則波長處于該范圍內(nèi)的光會被內(nèi)部反射。處于反射波長范圍外的光將被吸收或是從激光器的一端射出。該激光器不會發(fā)射激光，因為處于1530～1570nm的頻率范圍內(nèi)的所有光的強度都低于發(fā)射激光的閾值。
對于啁啾光柵所反射的特定波長的選擇是通過向位于啁啾光柵某部分上的電極(例如電極68)通入電流來發(fā)生作用的，這對應(yīng)于啁啾圖線96中的區(qū)域98。通入電流的效果就是增加光柵中該區(qū)域的電流強度，這會使電極68下方的光柵層86的折射率變小。折射率的減小的結(jié)果會造成光柵反射較短的波長，這與縮短該區(qū)域光柵柵距的所達到的效果相同。
這就意味著如附圖10中間部分中所示的虛線部分99的有效光柵柵距現(xiàn)在與鄰近的區(qū)域97形成一線，從而構(gòu)成了啁啾法布里-珀羅腔(Fabry-Perot etalon)，因此增強了鄰近區(qū)域97內(nèi)的反射。
參照附圖10中最下面的部分，也就是反射率11與距離x的關(guān)系圖，可以看到光柵的反射率有一個凹槽98A，它與現(xiàn)在反射較短的波長的區(qū)域98相對應(yīng)。但是，由于諧振啁啾法布里-珀羅腔結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在區(qū)域97的反射率得到了加強。因此產(chǎn)生了增強的反射峰97A。
因此，與反射峰97A的位置對應(yīng)的波長的光被選擇性地反射。
可以理解，在不進行任何進一步的調(diào)節(jié)的情況下，啁啾光柵的反射特性只能被調(diào)節(jié)至一定數(shù)目個不同波長，而所述數(shù)目與電極65～72的數(shù)目相同。
然而，如果假定構(gòu)成啁啾光柵的材料具有充分可變的折射率，則光柵可以被制造成可進行連續(xù)調(diào)節(jié)。
附圖11說明了上述過程如何實現(xiàn)。在附圖11中顯示了在三種不同情況下啁啾光柵充當反射鏡的情況。
在圖中顯示了有10個電極位置100～109，它們對應(yīng)于附圖10中的電極位置65～72。換句話說，在這張圖中用10個電極位置代替了位于后部光柵上的8個電極。線110與附圖10中所示的光柵的線96相對應(yīng)?？v向的虛線顯示了電極與啁啾圖中的一些部分的對準。
在附圖11上面的部分中，沒有電流通過任一電極100～109。線110是連續(xù)的，且沒有任何部分是優(yōu)選的。
在附圖11的中間部分，有一電流通過電極106。施加的電流值為用于使位于電極106下面的構(gòu)成啁啾光柵的材料的折射率產(chǎn)生最大限度減小所需的電流值的一半，而該材料與附圖10中的材料86相同。其結(jié)果是使得圖線110中的111部分下移。該操作造成這樣一種結(jié)果對于啁啾光柵所反射的特定波長的選擇方式與上述參照附圖10所描述的方式完全相同。
為了進一步調(diào)節(jié)光柵從而減小發(fā)生反射時的波長，可以將電流通入所有的電極100～105，同時增大通入電極106的電流。這就造成了如圖中虛線所示的啁啾線的部分112相對于其原始位置下移。線110的部分111a也同時下移，因此將選擇點移動到了較短的波長。在最好的實際過程中，不需要在電極107～109中通入附加的電流，因為它們沒有在反射過程中起作用。但是由于它們沒有在選擇過程中起作用，所以可以與電極100～105類似地減少電極107～109的數(shù)目，同時不妨礙波長選擇性。當通入電極106的電流為所能施加的、使n減小的電流值的最大值時，并且因此可以獲得最大限度的微調(diào)時，通入電極100～105的電流值與電極100～105下面的段62的材料的n值降低量的一半相對應(yīng)。
為了進一步調(diào)節(jié)光柵反射的波長，去掉通入電極106的電流并將其施加到下一個鄰近的電極(或任意其他選定的電極)上，并依次重復(fù)上述操作。通過這種方法，光柵可以在1530nm～1570nm的整個波段范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。
如附圖12所示，可以提高某一特定波長的啁啾選擇性。這張圖與附圖11類似，但顯示了當啁啾光柵的兩個相鄰段移到一起時所發(fā)生的情況。
在附圖12上面的部分中，啁啾光柵與附圖11中所示的位置相同。附圖12的中間部分也是這樣，其中在電極106上通有電流，并使線111下移至其最大下移程度一半的位置。若在電極105通有電流則會造成線113的下移，同時以同樣的速率增大通入電極106的電流，使得線111a與113同步下移。這就意味著通過增大反射率使得光柵的選擇性得到提高。
當在電極105上所施加的電流為在電極106上所施加電流的一半，且線111a已被降至最低程度時，線111a和113也會與線110的114部分重合，從而造成三個區(qū)域的重合。
可以理解到，安裝在啁啾上的電極越多，則可發(fā)生重合的區(qū)域的越多，從而使在任意點處用來調(diào)節(jié)啁啾所需要的n的減小越小。對于調(diào)節(jié)范圍總計為40nm的情況，如果假設(shè)，采用了12個不同的電極位置，則每一個只需要能夠在4nm的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)就可以覆蓋整個波段，其中在波段的邊緣還會有一定程度的波長空白。
參照附圖13可以最容易地理解前部與后部反射器之間的相互關(guān)系。
附圖13中的這些圖一個接一個地顯示了由前部和后部反射器所生成的反射梳。圖中，縱軸上表示的是反射的強度I，橫軸上表示的是波長λ。附圖13a顯示了在無源情況下，即電極65～72沒有施加電流的情況下，由電極65～72下面的啁啾光柵所生成的反射強度(反射率)I。該基本上一致的反射率200位于如附圖13b中所示的反射梳65a～72a的正上方，而上述反射梳由附圖3激光器中的后部光柵51生成。如附圖13a所示的平滑的反射率曲線是理想狀態(tài)下的情況，而在實際應(yīng)用中，該曲線會具有與制造公差相關(guān)的結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)，以及任何噪聲的強度與由前部和后部反射器產(chǎn)生的受控峰相比要小得多。
如果在增益段注入的電流僅僅是正好能夠產(chǎn)生光的電流，則該激光器不會發(fā)射激光，因為由來自后部反射器的反射峰65a～72a所代表的所有波長(當然還有所有其他波長)的光的強度都低于發(fā)射激光的閾值。
為使激光器按預(yù)想地發(fā)射激光，不但需要在增益材料中獲得一定數(shù)目的帶電載流子反轉(zhuǎn)，同時還要使得至少一個波長，而且最好是一個波長，高于發(fā)射激光的閾值。上述過程是這樣實現(xiàn)的通過電極64將足夠的電流注入增益段61以造成一定數(shù)目的載流子反轉(zhuǎn)，并使一部分前部光柵反射某一優(yōu)選波長的光，這樣后部光柵就選擇性地反射該特定的波長。前部光柵又會將該波長的光反射回去，這樣該波長就成為優(yōu)選或增強的波長并且激光器就開始以該波長發(fā)射激光。
其實現(xiàn)方式如下。
在段50和段62中形成層3的材料具有如下特性，從而當有電流通過時，其折射率會降低。若有足夠的電流通過電極68，以使得該電極下的光柵波長反射率疊加并增強電極67下的光柵的反射率，則在前部反射器的響應(yīng)中會生成如附圖13c所示的反射峰201。
現(xiàn)在，如果同樣有電流流過電極64以在增益段61中產(chǎn)生強度高于發(fā)射激光閾值的光，那么對應(yīng)于峰值201的波長的光就會被選擇性地增強，并且激光器開始發(fā)射波長為E的激光，如附圖13d所示。這樣，激光器就被調(diào)諧至該波長。這種激光器設(shè)計的好處就是前部鏡反射的峰值寬度可以足夠?qū)挘瑥亩谟奢^寬的前部鏡反射峰值確定的波長窗口內(nèi)，調(diào)諧僅僅受到后部光柵調(diào)諧電流的影響。
如果現(xiàn)在有電流流過電極52，這會將所有的反射梳65a～72a以及峰值F移動至如附圖13e中所示的較短的波長。峰值F的強度會比峰值E的強度略小，這是因為前部和后部反射器的峰值的最大值不再完全對準。
如果在同一時刻有電流流過電極67且流過電極68的電流增大，附圖13c中的峰值201也會移至較短的波長，那么前部和后部反射器的峰值的最大值回到完全對準的狀態(tài)。
因此，可以微調(diào)該激光器，使其發(fā)射的激光波長在如附圖13b中所示的峰65a～72a之間。
可以理解，峰值201無法有效地存在于啁啾布拉格光柵的極長波長端盡頭，即對應(yīng)于附圖3中電極72下面的光柵。
為了確保完全覆蓋該波段，可以應(yīng)用帶外或邊帶段。長波長帶外段配有可調(diào)諧的電極，以使其能夠通過電流注入而驅(qū)動至與第一個帶內(nèi)長波長段重合。短波長帶外段不需要配備電極，因為當發(fā)射該波長的激光的時候，它的工作情況由最短波長帶內(nèi)段的驅(qū)動電流決定。如果需要微調(diào)的話，則要為短波長帶外段配備電極。加入這些帶外或邊帶段使得產(chǎn)品的工作特性多樣化，從而幫助提高產(chǎn)品產(chǎn)量。
使用InP這一典型的III-V族激光器材料，由電流注入所造成的材料折射率減小可以允許的波長調(diào)諧范圍是1-10nm。使用這種材料，調(diào)諧段典型的設(shè)計波長間距為4nm。采用這樣的設(shè)置，要想與下一個鄰近的最短波長的重合，該段需要有4nm的波長移動，同時留下了又一個4nm的重合調(diào)節(jié)能力。通過這種方法可以覆蓋整個感興趣的波段。
在實施例中展示的激光器并沒有固定的腔長，這是因為激光由一個超模式跳到另一個超模式，而如果對如何避免它沒有給予足夠重視的話，這會導(dǎo)致跳?，F(xiàn)象。相位變化段60的功能是在進行激光調(diào)諧時對這一光路長度上的變化進行補償。段60也是用這樣的材料形成的，該材料在有電流通過時，其折射率會減小，而且可以通過在電極63上施加電流來影響這一變化。
因此，如圖13b所示，采用一種簡單而有效的方式就可以使本發(fā)明的激光器能夠在峰值65a～72a之間進行粗調(diào)，而且可以微調(diào)至較短波長的峰值。
盡管上述描述涉及了采用相移光柵分布式布拉格反射器作為后部反射鏡，但也可以采用采樣分段的光柵分布式布拉格反射器。優(yōu)選采用相移光柵分布式布拉格反射器，這是由于這種分布式布拉格反射器生成的梳狀反射峰基本上是平坦的和均勻的。另一方面，若采用采樣分段的光柵分布式布拉格反射器，如US-A-4 896 325中所采用的，其反射譜具有Sinc平方包絡(luò)，這意味著具有這種輸出分布的激光器無法像那些采用相移光柵分布式布拉格反射器作為后部反射鏡的激光器那樣，可靠地在如此寬的光波段內(nèi)工作。
在正常的工作狀態(tài)下，光由鄰近增益段的激光器前部耦合出來，而一小部分光可能來自鄰近布拉格光柵的激光器后部，以實現(xiàn)諸如波長鎖定等輔助功能。但是，這并不意味著從本發(fā)明的范圍內(nèi)排除光主要通過由激光器后部耦合出來的這種實施方式。
優(yōu)選地，后部反射鏡的反射率盡可能的高，其典型值的范圍為50％～80％。另一方面，前部反射鏡的反射率應(yīng)該較低一些，其典型值的范圍為20％～40％。
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)諧激光器，該可調(diào)諧激光器具有一個增益段，增益段在一端由第一反射器限定邊界，該反射器在形式上是適用于生成梳狀反射峰的分布式布拉格反射器，該增益段在另一端由第二布拉格反射器限定邊界，第二布拉格反射器適用于對多個波長進行反射，且能夠通過分立的段選擇性地發(fā)生變化，以使得布拉格反射器中的一個段或者幾個段能夠被調(diào)諧到較短的波長，從而與反射該較短波長的段一起進行反射，進而提高該較短波長的反射率。
2.如權(quán)利要求1中所述的可調(diào)諧激光器，其中第二反射器被調(diào)諧到的較短波長基本上與第一反射器的峰值重合。
3.如權(quán)利要求1或2中所述的可調(diào)諧激光器，其中第二反射器是由具有可變折射率的材料形成的，并且其中，可以通過改變該材料的折射率來影響反射波長的變化。
4.如權(quán)利要求3中所述的可調(diào)諧激光器，其中可以通過在形成第二反射器的材料中通以電流來改變該材料的折射率。
5.如權(quán)利要求4中所述的可調(diào)諧激光器，其中第二布拉格反射器為啁啾光柵且由這樣的材料形成，該材料的折射率可響應(yīng)于通過其中的電流而發(fā)生變化，沿光柵的長度有多個外部電極，其中每個電極都可以選擇性地與電源相連。
6.如權(quán)利要求5中所述的可調(diào)諧激光器，其中啁啾布拉格反射器包含柵距沿啁啾發(fā)生漸進變化的線性啁啾，并且在最靠近增益段處的柵距最短。
7.如權(quán)利要求5或6中所述的可調(diào)諧激光器，其中啁啾布拉格反射器被分為多個啁啾段，其中每一個啁啾段包含整個啁啾光柵的一部分，所有的啁啾段相連。
8.如權(quán)利要求4中所述的可調(diào)諧激光器，其中第二布拉格反射器包含多個分立的光柵段，其中至少有兩個光柵段具有不同的柵距，其中至少可以在具有較長柵距的光柵上施加電流，以使得具有較長柵距的光柵的有效波長可以被調(diào)諧至具有較短柵距的光柵的波長。
9.如權(quán)利要求4中所述的可調(diào)諧激光器，其中第二布拉格反射器包含多個分立的光柵段，每一個光柵段都具有不同的柵距，使得最靠近增益段處的光柵段的柵距最短，由增益段處開始的每一個連續(xù)光柵段的柵距都大于前一段的柵距。
10.如權(quán)利要求9中所述的可調(diào)諧激光器，其中每一個光柵段都具有可獨立操作的電極。
11.如權(quán)利要求4～10中的任一項所述的可調(diào)諧激光器，其中提供有切換電路，用以將電流切換至電極。
12.如權(quán)利要求1～11中的任一項所述的可調(diào)諧激光器，其中該可調(diào)諧激光器是用半導(dǎo)體材料制造的。
13.如權(quán)利要求12中所述的可調(diào)諧激光器，其中該可調(diào)諧激光器是用III-V族半導(dǎo)體材料制造的。
14.如權(quán)利要求1～13中的任一項所述的可調(diào)諧激光器，其中該可調(diào)諧激光器是采用電子束寫入技術(shù)制造的。
15.如權(quán)利要求1～13中的任一項所述的可調(diào)諧激光器，其中該可調(diào)諧激光器是采用全息相位光柵板制造的。
16.如前述所有權(quán)利要求中的任一項所述的可調(diào)諧激光器，其中第二反射器中的每個布拉格段都保持像這里定義地一樣短，以使得與布拉格光柵相關(guān)聯(lián)的累積波導(dǎo)長度最小化，從而保持低的波導(dǎo)損耗。
17.如前述所有權(quán)利要求中的任一項所述的可調(diào)諧激光器，其中形成該第一反射器的分布式布拉格反射器為相移布拉格光柵反射器。
18.如權(quán)利要求17中所述的可調(diào)諧激光器，其中該第一反射器像這里定義地一樣短。
19.如前述所有權(quán)利要求中的任一項所述的可調(diào)諧激光器，其中光射入該第二反射器。
20.如前述所有權(quán)利要求中的任一項所述的可調(diào)諧激光器，其中在增益段與兩個反射器的任何一個之間存在相位變化段，或者是在增益段與全部兩個反射器之間存在相位變化段。
21.如權(quán)利要求20中所述的可調(diào)諧激光器，其中相位變化段位于增益段與第一或第二反射器之間。
22.如權(quán)利要求21中所述的可調(diào)諧激光器，其中相位變化段具有電極，以允許電流通過相位變化段，從而通過改變相位變化段的材料的折射率來影響相位變化。
23.一種基本上如在此處參照附圖描述并由


的可調(diào)諧激光器。
全文摘要
一種可調(diào)諧激光器，其增益段在一端由第一反射器限定邊界，該反射器在形式上是適用于生成梳狀反射峰的分布式布拉格反射器，在另一端由第二布拉格反射器限定邊界，該第二布拉格反射器適用于對多個波長進行反射，且能夠通過分立的段選擇性地發(fā)生變化，以使得布拉格反射器中的一個段或者幾個段能夠被調(diào)諧到較短的波長，并與反射該較短波長的那個段一起進行反射，從而提高該較短波長的反射率。
文檔編號H01S5/042GK1561566SQ02819127
公開日2005年1月5日 申請日期2002年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月30日
發(fā)明者A·C·卡特, D·雷德, D·J·羅賓斯, A·瓦德 申請人:布克哈姆技術(shù)公共有限公司