单片集成无跳模波长可调谐半导体激光器

摘要

本发明公开了一种单片集成无跳模波长可调谐半导体激光器。包括由波导端面和波长色散衍射光栅组成的光学腔、置于光学腔一侧提供增益的一个有源波导、置于光学腔另一侧作为滤波器选择发射激光波长的波长色散衍射光栅，有源波导和波长色散衍射光栅之间由平板波导区和波长调谐区组成，波长调谐区被夹在一对电极之间。通过一种电效应改变波长调谐区的有效折射率从而调节光栅滤波器的波长，同时调节光学腔的长度，使得激光模式波长的调节与光栅滤波器的波长调节同步，从而实现无跳模连续调谐。这种设计结构可用于多波段集成可调激光器以及多波长可调谐激光器阵列。

权利要求

1.一种单片集成无跳模波长可调谐半导体激光器，其特征在于：包括由波导端面(M)和波长色散衍射光栅(4)组成的光学腔、置于光学腔一侧提供增益的一个有源波导(1)、置于光学腔另一侧作为滤波器选择发射激光波长的波长色散衍射光栅(4)，有源波导和波长色散衍射光栅之间由平板波导区(3)和波长调谐区(2)组成，波长调谐区(2)被夹在一对电极之间，电极能够通过一定的方式改变波导的折射率； 由有源波导(1)发出并入射到波长色散衍射光栅(4)上两个不同位置的任意两条光路将沿着各自的直线横穿波长调谐区(2)，波长调谐区(2)的形状和尺寸使任意两条直线在波长调谐区(2)内的光程差与总光程差的比值是一个常数γ，该常数γ同光路通过波长调制器区(2)部分的往返光程与在光学腔内往返总光程的比值相等。

2. 根据权利要求1所述的一种单片集成无跳模波长可调谐半导体激光器， 其特征在于：所述的波长色散衍射光栅(4)是闪耀光栅。

3. 根据权利要求1所述的一种单片集成无跳模波长可调谐半导体激光器， 其特征在于：当波长调谐区(2)在平板波导区（3)的左边时，波长调谐区(2)的一 端为波导的末端0，另一边的边界为曲线MB，曲线MB由公式/^=;^~决定， 其中AL,^-^i， 0点为波导的端点，A是光栅曲线上离波导的端点O点最近 的点，M是OA连线上的任一点，P是光栅上的任意给定点；^， ^表 示沿5?方向由0点到波长调谐区（2)边界曲线的距离，^表示沿^方向由0 点到波长调谐区（2)边界曲线的距离；Y是一个常数，是波长调谐区内的光程差与光学腔内总光程差的比值，各参数需满足关系式"。4("丽)="(丽.丄-其中：n,"L是有源波导的折射率和长度，L是有源波导的端点O到光栅的中心C之间的距离，1是OC位于波长调谐区内的部分的长度。

4. 根据权利要1所述的一种单片集成无跳模波长可调谐半导体激光器， 其特征在于：当波长调谐区（2)在平板波导区（3)的右边时，波长调谐区(2)的一 端为光栅面曲线，另一边的边界为曲线MB，曲线MB由公式A/p二^A^ ，其中 ALp=^-^i, 0点为波导的端点，A是光栅曲线上离波导的端点O点最近的 点，M是OA连线上的任一点，P是光栅上的任意给定点；A/,巧-】¥，巧表 示沿^方向由P点到波长调谐区（2)边界曲线的距离，^F表示沿&方向由A 点到波长调谐区(2)边界曲线的距离；y是一个常数，是波长调谐区内的光程差与光学腔内总光程差的比值，各参数需满足关系式〜丄。(/-!^)-nd.丄-^i./);其中：na，La是有源波导的折射率和长度，L是有源波导的端点O到光栅的中心C 之间的距离，！是OC位于波长调谐区内的部分的长度。

5. —种单片集成无跳模波长可调谐半导体激光器，其特征在于：包括部分反射面（Ml)、同部分反射面（Ml)相结合的一个有源波导（l)作为公共波导、 同部分反射面（Ml)组合形成一个光学腔的一组高反射面（M2)阵列、与一组 高反射面（M2)相结合并在被泵浦时为各自所在的光学腔提供增益的一组有源 波导（l)阵列； 一组有源波导（1)阵列中的每一个有源波导（1)对应一个相应的光波段， 一个用于接收由一组有源波导（1)阵列发射的一束光，把光束输 出到作为公共波导的有源波导（1)并作为滤波器选择某一波段内一个激射波长 的波长色散衍射光栅（4);有源波导（1)和波长色散衍射光栅（4)之间由波 长调谐区（2)和平板波导区（3)组成；波长调谐区（2)被夹在一对电极之间， 电极能够通过一定的方式改变波导的折射率；波长调谐区的形状使激射波长被调节时光学腔长能够自动调节从而达到无 跳模输出；由一组有源波导（1)阵列中的任意一个波导发出并入射到波长色散 衍射光栅（4)上两个不同位置的任意两条光路将沿着各自的直线横穿波长调谐 区（2)，波长调谐区（2)的形状和尺寸使这任意两条直线在波长调谐区内的光 程差与总光程差的比值是一个常数，其中的常数与光路通过波长调谐区部分的 往返光程与在光学腔内往返总光程的比值相等。

6. 根据权利要求5所述的一个单片集成无跳模波长可调谐半导体激光器， 其特征在于：作为公共波导的一个有源波导（1)和一组有源波导（1)阵列被 设定在特定位置，以使波长色散衍射光栅（4)在这些位置上的后向衍射效率最 小化，同时使由作为公共波导的一个有源波导（1)和一组有源波导（1)阵列 所共同组成的谐振腔中的波长衍射效率最大化。

7. —种单片集成无跳模波长可调谐半导体激光器，其特征在于：包括由波 导端面（M)和波长色散衍射光栅(4)组成的光学腔、置于光学腔一侧提供增益 的一组有源波导(l)阵列、置于光学腔另一侧作为滤波器选择发射激光波长的波 长色散衍射光栅(4)有源波导和波长色散衍射光栅之间由平板波导区(3)和波长 调谐区（2)组成，波长调谐区（2)被夹在一对电极之间，电极能够通过一定的 方式改变波导的折射率；波长调谐区的形状使激射波长被调节时光学腔长能够自动调节从而达到无 跳模输出；由一组有源波导（1)阵列中的任意一个波导发出并入射到波长色散 衍射光栅（4)上两个不同位置的任意两条光路将沿着各自的直线横穿波长调谐区（2)，波长调谐区（2)的形状和尺寸使这任意两条直线在波长调谐区内的光 程差与总光程差的比值是一个常数，其中的常数与光路通过波长调谐区部分的 往返光程与在光学腔内往返总光程的比值相等。

说明书

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单片集成无跳模波长可调谐半导体激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器，尤其是涉及一种单片集成无跳模波长可调谐半 导体激光器。 背景技术
在干涉测量、光谱学、光通信等多个应用领域，都希望能得到一个覆盖宽 光谱范围的无跳模波长可调激光源。激光器一般通过调节谐振腔的光学性质来 改变其输出波长，而当谐振腔光学特性连续调谐时激光器的激发模式有时会由 一个波长突然跳跃到另一个波长，这就是所说的跳模。以波长扫描干涉测量法 为例，跳模对于距离测量的空间分辨率，位置精确度以及其他依赖于距离/深度 的特性都会产生不利的影响。为了实现无跳模波长调节，当波长受到一个波长 选择因素的影响被调谐时，必须使谐振腔的光程长度也被同步调节。以外腔可 调激光器为例，当通过旋转衍射光栅对波长进行调节时，必须同时使它产生空 间位移以保证总腔长中包含相同的波长数。
同由多个分立元件装配而成的外腔可调激光器相比，单片集成半导体可调 激光器具有更多优点。它结构紧凑，成本低，而且更可靠，因为它没有任何可 移动部件。 一个常规的单片集成可调激光器通常包括一个多电极结构来实现无 跳模调谐。图1是个已有技术的实例， 一个半导体可调激光器由一个布拉格分
布反射（DBR)光栅（波长调谐元件）， 一个有源增益区（产生激光）， 一个相移 区（调节光学腔长）组成。用于电控的电极被沉积到这三部分的顶部。当DBR 光栅的反射峰值波长被输入电流或负载电压调节时，为了防止随波长改变发生 跳模，必须同时调整相移区。因此，为了实现无跳模波长调谐，就需要两个控 制电路。对两个控制单元的同步要求使得设备的复杂性和成本都有所增加，并 且由于激光器使用年限或者环境条件等因素的影响要保持同步是非常困难的。
在很多应用领域，还需要激光波长被调谐以使其能覆盖两个或更多的波段， 或者能使其同时发射多个波长的光波。 发明内容
本发明的目的在于提供一个单片集成半导体激光器，它可以通过单电极控 制就能实现无跳模波长调谐。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是-方案一： 一种单片集成无跳模波长可调谐半导体激光器包括由波导端面和 波长色散衍射光栅组成的光学腔、置于光学腔一侧提供增益的一个有源波导、 置于光学腔另一侧作为滤波器选择发射激光波长的波长色散衍射光栅，有源波 导和波长色散衍射光栅之间由平板波导区和波长调谐区组成，波长调谐区被夹 在一对电极之间。
由有源波导发出并入射到波长色散衍射光栅上两个不同位置的任意两条光 路将沿着各自的直线横穿波长调谐区，波长调谐区的形状和尺寸使任意两条直 线在波长调谐区内的光程差与总光程差的比值是一个常数Y，该常数Y同光路 通过波长调制器区部分的往返光程与在光学腔内往返总光程的比值相等。
所述的波长色散衍射光栅是闪耀光栅。
当波长调谐区在平板波导区的左边时，波长调谐区的一端为波导的末端0， 另一边的边界为曲线MB，曲线MB由公式Alp = Y ALp决定，其中〜=^-&， 0点为波导的端点，A是光栅曲线上离波导的端点0点最近的点，M是OA连线上 的任一点，P是光栅上的任意给定点；a/,^-丽，^表示沿Z^方向由0点到波 长调谐区边界曲线的距离，丽表示沿&方向由0点到波长调谐区边界曲线的 距离；Y是一个常数，是波长调谐区内的光程差与光学腔内总光程差的比值，
同时，各参数需满足关系式"。丄。(/-^) = ?<^^:-^/)。
当波长调谐区在平板波导区的右边时，波长调谐区的一端为光栅面曲线，
另一边的边界为曲线MB，曲线MB由公式Alp =y ALp ，其中a、-^-&， 0 点为波导的端点，A是光栅曲线上离波导的端点0^一最近的点，M是0A连线上 的任一点，P是光栅上的任意给定点；a^巧—I， ^表示沿^方向由P点到波 长调谐区边界曲线的距离，^表示沿^方向由A点到波长调谐区边界曲线的距 离；y是一个常数，是波长调谐区内的光程差与光学腔内总光程差的比值。同 时，各参数需满足关系式"。z。(/-Z^) = "(I^x-。
方案二： 一种单片集成无跳模波长可调谐半导体激光器包括部分反射面、 同部分反射面相结合的一个有源波导作为公共波导、同部分反射面组合形成一 个光学腔的一组高反射面阵列、与一组高反射面中的任意一个相结合并在被泵
浦时为各自所在的光学腔提供增益的一组有源波导阵列； 一组有源波导阵列
中的每一个有源波导对应一个相应的光波段， 一个用于接收由一组有源波导阵 列发射的一束光，把光束输出到作为公共波导的有源波导中并作为滤波器选择
某一波段内的一个激射波长的波长色散衍射光栅；有源波导和波长色散衍射光 栅之间由波长调谐区和平板波导区组成；波长调谐区被夹在一对电极之间。波长调谐区的形状使激射波长被调节时光学腔长能够自动调节从而达到无 跳模输出；由一组有源波导阵列中的任意一个波导发出并入射到波长色散衍射 光栅上两个不同位置的任意两条光路将沿着各自的直线横穿波长调谐区，波长 调谐区的形状和尺寸使这任意两条直线在波长调谐区内的光程差与总光程差的 比值是一个常数，其中的常数与光路通过波长调谐区部分的往返光程与在光学 腔内往返总光程的比值相等。
作为公共波导的一个有源波导和一组有源波导阵列被设定在特定位置，以 使波长色散衍射光栅在这些位置上的后向衍射效率最小化，同时使由作为公共 波导的一个有源波导和一组有源波导阵列所共同组成的谐振腔中的波长衍射效 率最大化。
方案三： 一种单片集成无跳模波长可调谐半导体激光器包括由波导端面和 波长色散衍射光栅组成的光学腔、置于光学腔一侧提供增益的一组有源波导阵 列、置于光学腔另一侧作为滤波器选择发射激光波长的波长色散衍射光栅，有 源波导和波长色散衍射光栅之间由平板波导区和波长调谐区组成，波长调谐区 被夹在一对电极之间。
波长调谐区的形状使激射波长被调节时光学腔长能够自动调节从而达到无 跳模输出；由一组有源波导阵列中的任意一个波导发出并入射到波长色散衍射
光栅上两个不同位置的任意两条光路将沿着各自的直线横穿波长调谐区，波长 调谐区的形状和尺寸使这任意两条直线在波长调谐区内的光程差与总光程差的 比值是一个常数，其中的常数与光路通过波长调谐区部分的往返光程与在光学 腔内往返总光程的比值相等。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
本发明公开了一种单片集成无跳模波长可调谐半导体激光器。该激光器可 实现出射激光的无跳模连续调谐。该激光器具有一个特定形状和尺寸的波长调 谐区，该区域夹在一对电极之间，通过一种电效应改变该区域的有效折射率从 而调节光栅滤波器的波长，同时调节光学腔的长度，使得激光模式波长的调节 与光栅滤波器的波长调节同步，从而通过单电极控制就能实现无跳模连续调谐。 另外，本发明还可用于多波段集成可调谐激光器以及多波长可调谐激光器阵列。 附图说明
图1是背景技术的半导体可调激光器。
图2是背景技术的基于集成闪耀光栅的波长解复用器。 图3是本发明的集成可调谐激光器的第一种结构示意图。图4是图3中0C处截面剖视图。
图5是一个光栅滤波器光谱响应示意图（a)以及谐振腔Fabry-Perot模式的 示意图（b)。
图6是本发明的集成可调谐激光器的第二种结构示意图。 图7是本发明的集成可调谐激光器的第三种结构示意图。 图8是一个基于本发明的具有多个输出波段的集成可调谐激光器示意图。 图9是sine状衍射包络函数、工作波长的特定位置以及需要被抑制的寄生 波长位置的示意图。
图IO是基于本发明的一个集成可调谐激光器阵列示意图。 图中：I、 DBR光栅，II、有源增益区，III、相移区，Gl、公共波导，G2、 有源波导阵列，1、有源波导，2、波长调谐区，3、平板波导区，4、闪耀光栅， 5、上包层，6、芯层，7、缓冲层，8、基底，9、下电极，10、上电极，11、输 出波导，12、输入波导，13、闪耀光栅，14、单模光纤。 具体实施方式
同常规的使用DBR或者DFR (分布反馈）光栅选择工作波长的激光器不同， 本发明的器件是基于波长色散衍射光栅进行波长选择的，例如闪耀光栅、阵列 波导光栅。目前波导衍射光栅技术已经比较成熟，可以作为波长（解）复用器 被很好的应用于光通信的DWDM系统中。
图2就是一个典型的基于集成衍射光栅的波长解复用器的示意图，它包括 一个输入/输出波导阵列和一个闪耀光栅。不同波长的输入光信号被光纤14耦 合到解复用器的输入波导12中，在输入波导的另一端，当光进入平板波导的时 候将发散，入射到刻蚀闪耀光栅13然后再被光栅反射回平板波导中。根据光栅 的曲率反射光线将被会聚到输出波导ll的入口。由于衍射光栅的色散特性，不 同波长的光信号被会聚到不同的输出波导11。对于一个给定的输出波导，被选 定的光信号波长取决于平板波导的有效折射率以及光栅的几何参量。
图3是一个本发明的波长可调谐激光器。它由以下几部分组成： 一个有源 波导1 (增益区）， 一个闪耀光栅4 (波长选择） 一个平板波导区3以及一个波 长调谐区2。谐振腔由波导端面M和闪耀光栅组成。
图4是图3中平板波导区3和波长调谐区2的截面图。平板波导由缓冲层7、 芯层6、上包层5三部分组成并沉积在基底上。上电极10被沉积到波长调谐区 的顶部。基底8的底部沉积了金属下电极9。电极能够通过一定的方式改变波导 的折射率，例如向平板波导注入电流或者提供一个可控的电场。一端为有源波导1
的终点0，它另一面的边界曲线AB (图3)取决于公式Alp =y ALp ，其中 ALp=^-^i， 0点为有源波导1的端点，A是闪耀光栅4曲线上离0点最近的 点，P是闪耀光栅4上的任意给定点；A/p=^-^i， ^表示沿^方向由0点
到波长调谐区2边界曲线的距离；y是一个常数，它决定了波长调谐区2的形
状，并且为了实现无跳模调谐，该常数必须满足一定的条件。下面将看到关于 这些条件的细节描述。
由0点出射并能经过闪耀光栅4反射返回0点的光波波长必须满足以下条件: 斗y
A (D= [wA~+ A/J = 2mgiV;r........................(l)
义
其中AO是光在闪耀光栅刻面的A点和P点发生反射时的相位差，A为真 空中的波长，mg是光栅的衍射级次，N是点A与点P之间的光栅周期数，n和nt分 别表示平板波导区3和波长调谐区2的折射率。
图5可以看到波导具有一个高斯状的模场轮廓。闪耀光栅4和有源波导1 组成一个光谱滤波器，它具有一个特定宽度的光谱相应。光谱滤波器函数的通 频带可能包括谐振腔的多个Fabry-Perot模（图5)。假设通频带外的实际增益 是相当低的，那么激光的波长将由通频带中损耗最低的Fabry-Perot模决定。 在由波导端面M和闪耀光栅组成的谐振腔中的Farby-Perot模的波长由下式决 定：
na， L是有源波导1的折射率和长度，L是有源波导1的端点0到光栅的中心 C之间的距离，1是0C位于波长调谐区2内的部分的长度（"而），nw是一个 与Fabry-Perot模数相对应的整数。
当波长调谐区2的有效折射率受电流或电压影响而发生改变时，闪耀光栅4 的光谱响应波长以及Farby-Perot模的波长都将被调节。为了避免跳模，这两 个波长必须以相同的速度进行调节。由公式(1)进行推导可以得到闪耀光栅4频 谱的调谐率：
A义=..................................,….③
义 w + (w, —y
其中A/,^A^。同理由公式(2)可以得到Farby-Perot模的调谐率：-=- .................................(4)
义 w。Z^ + "丄+ (", — ") z
由公式(3)(4)的右边相等，可以得到：
为了实现无跳模工作，这个条件决定了图3中波长调谐区2的形状。就是 说，当波长调谐区2的有效折射率受到电流或外加电场的影响而发上改变时， Farby-Perot模和闪耀光栅4光谱响应将同步改变。
另外，C点也在闪耀光栅4面上，因此在C点同样满足△ lp 二 y △ Lp ，即"，
丄—
将其带入（5)可得"。丄"(/-^) = ^(1-/)....................................(6)
由此可知当闪耀光栅4和有源波导1的各参数确定时，可根据该公式求得1 的值，进而求得Y 。
以上讨论的为波长调谐区2边界曲线上端点与光栅顶点A重合的情况，下
面讨论一般情况。
如图6所示波长调谐区2的边界曲线上端点为0A上的任一点M。此情况下 以上各等式仍然成立，不过这里的A/^^^-^F，即两条光路在波长调谐区2内
的波长差，其它各参数定义与以上各式相同，因此可得到与以上相同的Y表达 式（5)。另外，由于C点也在闪耀光栅4面上，因此在C点同样满足A lp 二 Y △ Lp ，
而此时7 = ！^，将其带入公式（5)可得：
"。4 (/ -丽）=.................................(7)
比较（6)、 （7)式可知，（6)式即为（7)式在M点与A点重合时的特殊情况， (7)式为M为0A上任一点情况下的一般表达式，对于任意情况下，只需各参 数满足上式即可确定波长调谐区2的形状及尺寸。
以上讨论的为波长调谐区2在平板波导区3左边的情况，同样波长调谐区2参数定义 与以上各式相同，因此可以得到相同的Y表达式（5)。另外，由于C点也在闪
耀光栅4面上，因此在C点同样满足Alp二Y ALp ，而此时7 = ^4£，将其带
丄-04
入公式（5)可得：
(/ - 2¥) = .丄- & • /)....................................(8)
当波长调谐区2在平板波导区3右边时，只需各参数满足公式（8)即可确 定波长调谐区2的形状及尺寸。
由公式(3)可以看到，波长调节范围可近似表示为#«~。这样将会的
到一个偏大的Y值，为了实现波长调节范围的最大化，需要一个与之相应的偏
大的波长调谐区2长度。波长调谐范围可以近似表示为Ma鲑^_一，并且小
于Ant/nt。由于可达到的折射率变化在反偏置电光效应时大约在O. 1%左右，而 在电流注入的情况下大概是1%左右，因此无跳模调谐的范围一般是一纳米至几
要覆盖更宽的波长范围或更多波段，可以通过多个有源波导来实现，如图 8所示。对于一个给定的波长，阵列中的一个与之相应有源波导1将被泵浦.设 有源波导阵列的中央波导为G2，而有源波导Gl是所有波段的公共波导，它总是 被泵浦。谐振腔由部分反射面Ml和高反射面M2组成。输出光被部分反射面Ml 耦合到一根光纤中。可以通过切换波导阵列中被泵浦的有源波导来改变输出波 段。波段的中心波长同给定的阵列中央有源波导G2相对应，可表示为 h"A(sir^ + sin^)/mg，其中A表示闪耀光栅4周期，6 t和9 2是有源波导Gl ， G2同闪耀光栅4曲线中心C点处的法线的夹角（所有的有源波导都对准闪耀光 栅4中心C)。
当有源波导Gl和以G2为中心的一个有源波导阵列中的有源波导被泵浦时，还可能产生其他的出射激光波长，这是因为还存在其他的谐振腔： 一个由部分 反射面Ml和闪耀光栅4组成，另一个由高反射面M2和闪耀光栅组成。这些谐 振腔产生的波长可由以下公式分别得到;i^2^VsinA/附g， ；i2a2"ASii^2/Wg。为了 防止多波长同时出射，必须要注意解复用器的设计。公共有源波导G1的末端Ol 必须同有源波导阵列隔离开。当它们的距离足够远时有源波导1材料在波长
入i，入2的增益将比波长A的增益低得多。而A的增益非常接近材料中心工作 波段的增益峰值。此外，光栅面被闪耀，从而使公共有源波导Gl至有源波导阵 列的中心有源波导G2的传输最大化。单个光栅面的衍射特性决定了衍射的包络
曲线为sine状曲线，当对闪耀光栅4的衍射级次即光栅面的几何尺寸进行最优 化之后，能够使、，入2接近曲线上强度最小的区域，同时使A接近曲线峰值， 如图9所示。
对于某些特定应用，有时需要多个波长同时出射。这同样可以利用图8的 结构来实现，只需要同时泵浦两个或更多的有源波导阵列中的有源波导即可。 多个波长可以在各自波段内被同时调谐。以光通信为例，假如多个波长的激光 需要被分别直接调谐，那么多个激光的公共波导G1应该是无源的或者是具有最 低泵浦（以及增益）的，以使不同的激光经交叉增益调制后产生的串扰最小。
如图10所示，对设计进行一点小的修改，当前发明的器件还能够被改进为 一个可调谐激光器阵列，每个激光器发射一个不同波段的光波。与图8中各个 波长的激光都在部分反射面Ml处被耦合到同一根光纤中不同，图10中的设计 结构需要把各激发波长耦合到多个不同的光纤中。将光栅面的闪耀角最优化可 使中央有源波导发射的光被闪耀光栅4反射后能够再返回到原波导中。由于各 个激光器的波长调节是由相同的波长调谐区2实现的，因此它们是严格同步的。
利用当前的发明思想，还有很多其他的具体器件可以被实现，例如可以使 用阵列波导光栅取代闪耀光栅。