一種內(nèi)置光柵可調(diào)諧半導(dǎo)體環(huán)形激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的一種內(nèi)置光柵可調(diào)諧半導(dǎo)體環(huán)形激光器，包括環(huán)形諧振腔和輸出波導(dǎo)，其中環(huán)形諧振腔內(nèi)嵌有周期不同的第一光柵和第二光柵，用于提高調(diào)諧輸出波長的范圍，輸出波導(dǎo)與環(huán)形諧振腔耦合連接，用作信號輸出。該激光器通過在半導(dǎo)體環(huán)形激光器的環(huán)形腔諧振腔（跑道形波導(dǎo)腔）中引入可調(diào)諧光柵，在合理利用半導(dǎo)體環(huán)形激光器的雙穩(wěn)態(tài)特性的基礎(chǔ)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(diào)諧范圍增加，可以作為新一代密集波分復(fù)用系統(tǒng)以及全光網(wǎng)絡(luò)中光子交換的關(guān)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(nèi)置光柵可調(diào)諧半導(dǎo)體環(huán)形激光器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種可用于全光邏輯、全光存儲于全光信號處理以及光互連、光網(wǎng)絡(luò)的單片的內(nèi)置光柵的可調(diào)諧半導(dǎo)體環(huán)形激光器。 【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)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(chǎn)生、檢測、調(diào)制、開關(guān)、濾波和復(fù)用等功能的全光子系統(tǒng)的微型化與集成化的激光器成為必然趨勢?；贔-P腔半導(dǎo)體激光器已在現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)用，用以達(dá)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互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)方式。半導(dǎo)體環(huán)形激光器的雙穩(wěn)態(tài)特性是半導(dǎo)體環(huán)形激光器固有特性:當(dāng)電流低于激光器的閾值電流時，順時針和逆時針方向的會同時輸出微弱的光，當(dāng)電流超過閾值電流并逐漸增加時，順時針和逆時針的激光會交替出現(xiàn)，即所謂的雙穩(wěn)態(tài)。
[0003]半導(dǎo)體激光器調(diào)諧的物理機理是通過直接或間接改變激光器諧振腔的長度，使諧振腔中諧振模式位置產(chǎn)生微小移動，并通過頻率選擇元件，選擇出頻率移動的波長。半導(dǎo)體有源區(qū)能在較寬的波長范圍內(nèi)產(chǎn)生光增益，這為波長調(diào)諧提供了必要條件。
[0004]半導(dǎo)體激光器的諧振條件為
[0005]Ii1C=In1 λ i
[0006]式中:λ i為可以輸出的諧振波長，Hi1為階數(shù)，叫為有效折射率，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。對于特定的環(huán)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(dǎo)體激光器不同，半導(dǎo)體環(huán)形激光器利用閉合波導(dǎo)回路作為光學(xué)諧振腔，并利用與其相鄰的波導(dǎo)將激光耦合輸出。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，由于在波導(dǎo)環(huán)形回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(wěn)態(tài)輸出特性。因此它成為實現(xiàn)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(yīng)用范圍已從早期的集成光源和激光陀螺擴展到光隨機存儲器、全光邏輯、光開關(guān)和波長轉(zhuǎn)換器等方面，并在光互連、光網(wǎng)絡(luò)和光存儲等領(lǐng)域產(chǎn)生了重要的影響。但是，現(xiàn)有的半導(dǎo)體環(huán)形激光器仍受輸出功率、邊摸抑制比以及調(diào)諧范圍不足的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的半導(dǎo)體環(huán)形激光器輸出功率、邊摸抑制比以及調(diào)諧范圍不足的缺陷，提出了一種內(nèi)置光柵可調(diào)諧半導(dǎo)體環(huán)形激光器。
[0009]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種內(nèi)置光柵可調(diào)諧半導(dǎo)體環(huán)形激光器，包括環(huán)形諧振腔和輸出波導(dǎo)，其特征在于，所述環(huán)形諧振腔內(nèi)嵌有周期不同的第一光柵和第二光柵，用于提高調(diào)諧輸出波長的范圍，輸出波導(dǎo)與環(huán)形諧振腔耦合連接，用作信號輸出。
[0010]進(jìn)一步的，所述環(huán)形諧振腔為跑道形波導(dǎo)腔，由兩段環(huán)形波導(dǎo)區(qū)和兩段直波導(dǎo)區(qū)交替耦合連接組成。
[0011]進(jìn)一步的，所述光柵嵌于跑道型波導(dǎo)腔的直波導(dǎo)區(qū)。第一光柵與第二光柵之間具有一段未刻蝕的有源波導(dǎo)，與第一光柵和第二光柵組成可調(diào)諧光柵。
[0012]進(jìn)一步的，所述輸出波導(dǎo)為一段直波導(dǎo)，與跑道形波導(dǎo)腔的未嵌光柵的直波導(dǎo)區(qū)平行并耦合?；蛘?，輸出波導(dǎo)由兩段直波導(dǎo)構(gòu)成，分別與跑道形波導(dǎo)腔的兩段環(huán)形波導(dǎo)區(qū)耦合?；蛘咻敵霾▽?dǎo)由兩段直波導(dǎo)構(gòu)成，分別與跑道形波導(dǎo)腔的環(huán)形波導(dǎo)區(qū)之一和未嵌光柵的直波導(dǎo)區(qū)耦合。
[0013]進(jìn)一步的，作為調(diào)諧可調(diào)性更強的優(yōu)選方案，所述跑道形波導(dǎo)腔的兩段直波導(dǎo)區(qū)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(dǎo)。
[0015]所述有源波導(dǎo)包括金屬電極，用于調(diào)節(jié)注入電流。
[0016]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的內(nèi)置光柵可調(diào)諧半導(dǎo)體環(huán)形激光器通過在半導(dǎo)體環(huán)形激光器的環(huán)形腔諧振腔(跑道形波導(dǎo)腔)中引入可調(diào)諧光柵，在合理利用半導(dǎo)體環(huán)形激光器的雙穩(wěn)態(tài)特性的基礎(chǔ)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(diào)諧范圍增加，可以作為新一代密集波分復(fù)用系統(tǒng)以及全光網(wǎng)絡(luò)中光子交換的關(guān)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為本發(fā)明實施例1的內(nèi)置光柵可調(diào)諧半導(dǎo)體環(huán)形激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是本發(fā)明光柵與有源波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為本發(fā)明實施例2的內(nèi)置光柵可調(diào)諧半導(dǎo)體環(huán)形激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4為本發(fā)明實施例3的內(nèi)置光柵可調(diào)諧半導(dǎo)體環(huán)形激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖5為本發(fā)明實施例4的內(nèi)置光柵可調(diào)諧半導(dǎo)體環(huán)形激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]附圖標(biāo)記說明:環(huán)形諧振腔1，可調(diào)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(dǎo)242,第二光柵243,稱合器3,輸出波導(dǎo)4。
【具體實施方式】
[0023]為進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明詳細(xì)說明如后，其中:
[0024]實施例1:
[0025]如圖1和圖2所示，本實施例的一種內(nèi)置光柵可調(diào)諧半導(dǎo)體環(huán)形激光器，包括環(huán)形諧振腔I和輸出波導(dǎo)4，所述環(huán)形諧振腔I內(nèi)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(dǎo)4與環(huán)形諧振腔I耦合連接，用作信號輸出。作為一種優(yōu)選方案，環(huán)形諧振腔I為跑道形波導(dǎo)腔，由兩段環(huán)形波導(dǎo)區(qū)和兩段直波導(dǎo)區(qū)交替耦合連接組成。具體的，所述第一光柵241和第二光柵243嵌于所述直波導(dǎo)區(qū)內(nèi)，如圖1所示。第一光柵與第二光柵之間的直波導(dǎo)區(qū)上嵌有一段有源波導(dǎo)242，有源波導(dǎo)242與第一光柵241和第二光柵243組成可調(diào)諧光柵2,用于調(diào)諧輸出波長。在本實施例中,輸出波導(dǎo)4為一段直波導(dǎo)，與跑道形波導(dǎo)腔的未嵌光柵的直波導(dǎo)區(qū)平行并耦合，圖1示出了輸出波導(dǎo)4與跑道形波導(dǎo)腔I耦合的耦合區(qū)3，具體通過常用的波導(dǎo)耦合方式輸出光信號。
[0026]圖2所示為光柵與有源波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖，由外而內(nèi)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(dǎo)體環(huán)形激光器的包層上采用電子束曝光的方式刻蝕有一定規(guī)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(diào)節(jié)金屬電極上的注入電流實現(xiàn)激光器的輸出波長調(diào)諧。
[0027]實施例2:
[0028]本實施例的內(nèi)置光柵可調(diào)諧半導(dǎo)體環(huán)形激光器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，與實施例I的不同點在于本實施例的輸出波導(dǎo)由兩段直波導(dǎo)構(gòu)成，分別與跑道形波導(dǎo)腔(環(huán)形諧振腔/有源諧振腔/半導(dǎo)體環(huán)形激光器)的兩段環(huán)形波導(dǎo)區(qū)耦合。
[0029]實施例3:
[0030]圖4示出了本實施例的內(nèi)置光柵可調(diào)諧半導(dǎo)體環(huán)形激光器的具體結(jié)構(gòu)，與實施例1的不同點在于本實施例的輸出波導(dǎo)由兩段直波導(dǎo)構(gòu)成，分別與跑道形波導(dǎo)腔(環(huán)形諧振腔/有源諧振腔/半導(dǎo)體環(huán)形激光器)的環(huán)形波導(dǎo)區(qū)之一以及未嵌光柵的直波導(dǎo)區(qū)耦合。
[0031]實施例4:
[0032]如圖5所示，本實施例的內(nèi)置光柵可調(diào)諧半導(dǎo)體環(huán)形激光器與實施例3的激光器相比，不同點在于，跑道形波導(dǎo)腔的兩段直波導(dǎo)區(qū)均包含有可調(diào)諧光柵2。所示可調(diào)諧光柵與其他實施例中的可調(diào)諧光柵結(jié)構(gòu)相同，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。需要另行說明的是，本實施例中的采用多組可調(diào)諧光柵的結(jié)構(gòu)的方案同時也可以與其他實施例結(jié)合形成更多的優(yōu)選實施例，這些組合的優(yōu)選實施例均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0033]上述實施例中，半導(dǎo)體環(huán)形激光器是有源諧振腔，利用低噪聲電源驅(qū)動，除可調(diào)諧光柵部分外，其余的部分采取固定電流注入，可通過改變可調(diào)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(chǎn)生疊加，在別的波長處因為相消而減弱，當(dāng)中心波長同時滿足半導(dǎo)體激光器的諧振條件時便可以輸出。半導(dǎo)體環(huán)形激光器的雙穩(wěn)態(tài)特性使得一個方向的輸出光會抑制另一個反向的光輸出，因而輸出激光會保持單縱模輸出，分別改變光柵的注入電流可以實現(xiàn)在一個很寬的范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)諧。
[0034]所述光柵是利用掩膜板在半導(dǎo)體環(huán)形激光器的包層上采用電子束曝光的方式刻蝕出一定規(guī)格的光柵。由于刻蝕過程中并不刻穿有源層，因而不會對有源層材料產(chǎn)生閾值損傷，且制作方式簡單，即節(jié)約了成本，又大大增加了成品率。
[0035]本發(fā)明實施例的主要特征是在環(huán)形激光器中弓丨入一個可調(diào)諧光柵，即在環(huán)形激光器的直波導(dǎo)區(qū)域的兩端，采取電子束曝光的方式，在上包層上刻蝕兩種不同規(guī)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)，由于工藝過程是在上包層進(jìn)行，避免了刻蝕對有源區(qū)材料造成的閾值損傷。
[0036]通過采取固定半導(dǎo)體環(huán)形激光器其他位置的注入電流，只改變可調(diào)諧光柵兩端的注入電流的方式。由兩個不同的光柵區(qū)以及中間的有源區(qū)組成的可調(diào)諧光柵可以看出是一個內(nèi)置在半導(dǎo)體環(huán)形激光器中的可調(diào)諧激光器，根據(jù)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(diào)諧光柵中輸出，λ 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(shù)，H1和n2分別為可調(diào)諧光柵兩端光柵的有效折射率，L1和L2分別為可調(diào)諧光柵兩端光柵區(qū)的有效長度。
[0040]由于可調(diào)諧光柵同時是半導(dǎo)體環(huán)形激光器的一部分，所以只有滿足光柵布拉格條件和半導(dǎo)體環(huán)形激光器的諧振條件的波長才能實現(xiàn)激射。可調(diào)諧光柵區(qū)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(dǎo)體環(huán)形激光器中其他的激射波長，從而實現(xiàn)高邊模抑制比、高功率、寬調(diào)諧范圍的單縱模輸出。
[0041]以上所述僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解，在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明進(jìn)行各種修改、替換和改變。因此本發(fā)明不應(yīng)由上述事例來限定，而應(yīng)以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍來限定。
【權(quán)利要求】
1.一種內(nèi)置光柵可調(diào)諧半導(dǎo)體環(huán)形激光器，包括環(huán)形諧振腔和輸出波導(dǎo)，其特征在于，所述環(huán)形諧振腔內(nèi)嵌有周期不同的第一光柵和第二光柵，用于提高調(diào)諧輸出波長的范圍，輸出波導(dǎo)與環(huán)形諧振腔耦合連接，用作信號輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器，其特征在于，所述環(huán)形諧振腔為跑道形波導(dǎo)腔，由兩段環(huán)形波導(dǎo)區(qū)和兩段直波導(dǎo)區(qū)交替耦合連接組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光器，其特征在于，所述光柵嵌于跑道型波導(dǎo)腔的直波導(dǎo)區(qū)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光器,其特征在于,第一光柵與第二光柵之間具有一段有源波導(dǎo)，與第一光柵和第二光柵組成可調(diào)諧光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之任一權(quán)利要求所述的激光器，其特征在于，所述輸出波導(dǎo)為一段直波導(dǎo)，與跑道形波導(dǎo)腔的未嵌光柵的直波導(dǎo)區(qū)平行并耦合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4之任一權(quán)利要求所述的激光器，其特征在于，輸出波導(dǎo)由兩段直波導(dǎo)構(gòu)成，分別與跑道形波導(dǎo)腔的兩段環(huán)形波導(dǎo)區(qū)耦合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4之任一權(quán)利要求所述的激光器，其特征在于，輸出波導(dǎo)由兩段直波導(dǎo)構(gòu)成，分別與跑道形波導(dǎo)腔的環(huán)形波導(dǎo)區(qū)之一和未嵌光柵的直波導(dǎo)區(qū)耦合。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光器，其特征在于，所述跑道形波導(dǎo)腔的兩段直波導(dǎo)區(qū)均包含周期不同的第一光柵和第二光柵。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光器，其特征在于，所述有源波導(dǎo)包括金屬電極，用于調(diào)節(jié)注入電流。
【文檔編號】H01S5/10GK103490279SQ201310435608
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】袁國慧, 王卓然, 何濤, 郭慧 申請人:電子科技大學(xué)