[发明专利]包括由应变的集合体材料制成的布拉格段的带分布式布拉格光栅的可调谐激光器

说明书

技术领域

本发明的领域涉及具有分布式布拉格(Bragg)光栅的可调谐激光器。这些激光器大量地用在基于波长复用(也称为WDM(波分复用))的光学通信网络中。当然，本发明的主题可以扩展到具有通过注入电流可调谐波长的布拉格段的任何半导体光学设备。

背景技术

具有分布式布拉格光栅的可调谐激光器也称为DBR(分布式布拉格反射器)激光器。如图1所示，DBR激光器1是一体地集成由不同电流分别控制的三个段的元件，这三个段即有源段2和两个无源段，这两个无源段是相位段3和布拉格段4。借助于电极21、31和41向各个段提供电流。

讨论激光器1的前表面5和后表面6。后表面6的反射率非常低，处于0.01％的量级，而前表面5的反射率约等于3％。因此，在前表面5和布拉格段4的等效镜之间产生了法布里-珀罗腔。

有源段2是放大介质，其经由电流I_有源为腔提供增益，并且允许FP模式的梳齿(comb)的发射，所述模式的分布由法布里-珀罗腔的光学特征施加。在图2中示出了该模式的梳齿。

布拉格段4主要由在工作波长处无吸收的材料组成，并且包括布拉格光栅42，即有效折射率的周期性变化。该结构表现为中心波长为λ_Bragg的反射滤波器，该波长λ_Bragg由以下传统等式给出：

λ_Bragg＝2n_effΛ，

其中n_eff是波导的有效折射率，并且Λ是布拉格光栅的周期。

图2示出了该布拉格滤波器的反射系数R_Bragg随波长的变化。当注入电流I_Bragg时，载流子密度增加，从而减小有效折射率并且因此减小波长λ_Bragg。这样，改变了反射系数R_Bragg的变化曲线。

可调谐性基于如图2所示的这种原理。激光发射以在布拉格滤波器上具有最高的反射率的FP模式来进行。在图2中以粗体示出了滤波器选择的这种模式。当通过注入电流到布拉格段而调谐布拉格滤波器时，继而接连发射多个FP模式，通过模式跳跃获得可调谐性。当电流注入到相位段中时，有效折射率以与布拉格段的有效折射率相同的方式减小，从而FP模式的梳齿向较短波长方向移动，并且因此允许对发射波长的精细调谐。因此，有可能获得由λ_Bragg的可调谐性覆盖的所有波长。这称为准连续调谐。

通过这些装置，DBR可调谐激光器的发射波长有可能在16纳米的Δλ_Bragg范围中变化。

总而言之，一种由布拉格段施加的模式8在腔的前表面和后表面之间振荡，该模式由图1中的半圆形箭头表示，并且该辐射的一部分经由前表面5发生激光发射7。

然而，对于多个应用，尤其在光学通信领域中，获得的可调谐性范围是不够的。例如，在光学通信中，需要约35纳米的可调谐性以覆盖整个C波段(1528nm-1562nm)或整个L波段(1570nm-1605nm)。当前，为了获得该大范围的可调谐性，必须使用多个复杂光栅之间的交互，所述复杂光栅诸如采样光栅或其周期进行周期性改变的光栅，或者必须使用一连串具有偏移周期的布拉格光栅，或者必须例如使用耦合器来增加若干DBR激光器的可调谐范围。

发明内容

本发明的目的在于：使用通过电流注入的载流子变化，充分增大DBR的布拉格段或任何其他段的可调谐性范围。值得注意的是，这使得简化最终元件的设计成为可能。因此，以下情况是可能的：

以单个元件覆盖C波段或L波段；

仅使用两个DBR激光器而不是三个；

在采样光栅等等的特征以及构造方面获得较大的公差(tolerance)；以及

减少布拉格段中所需的电流。因此获得了几纳秒量级的超高速可调谐性。

本发明的核心是利用应变的集合体材料制造布拉格段。将说明，主要通过作用于波长可调谐性范围Δλ_Bragg来修改的多个效应之一，该效应称为能带填充。

更精确地，本发明的主题是具有分布式布拉格光栅的可调谐半导体设备，包括布拉格无源段，该布拉格无源段包括其光学折射率变化由注入电流控制的材料，其中布拉格段的所述材料是由相同材料的多个层组成的应变的集合体材料，每层具有栅格参数并且集合体材料的应变等于各层之间的栅格参数的相对变化。

优选地，应用于集合体材料的应变至少为0.1％；该材料包括一连串层，其中一些层有应变而其他层无应变。