[发明专利]单片集成串联耦合腔波长可切换半导体激光器

说明书

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的波长可切换半导体激光器。

背景技术

宽带可调谐的激光器在城域网和长距离远程通信中都有着非常广泛的应用。除了用作替换光源，可以减少库存数目和成本，还可以为设计更有效、更灵活的网络结构提供了可能性。例如，可调谐激光器和波长路由器的结合可以实现格式无关的空间光开关以及可重组光分插复用功能等。

与用分离元件构成的外腔可调谐激光器相比，单片集成的半导体可调谐激光器有许多优点，如结构紧凑，成本低，而且由于没有活动部件，因而具有更高的可靠性。传统的单片集成可调谐半导体激光器通常需要用多个电极来连续调谐。图1为一个基于分布布拉格反射光栅的传统可调谐半导体激光器的结构示意图，它包含一个有源增益区，一个相移区，以及一个布拉格光栅。三个区域上部分别有一个控制电极，当通过注入电流或者调节电极电压来改变布拉格光栅的反射峰值波长来调谐激光器的波长时，相移区必须跟着以一定关系同时调节来防止激光器的模式跳变。而且由于受到调谐区材料折射率调节范围的限制，这种激光器波长的调节范围通常只有10nm左右。

V.Jarayman，Z.M.Chuang，以及L.A.Coldren在他们的文章“Theory，design，and performance of extended tuning range semiconductor lasers with sampledgratings”IEEE J.Quantum Electron.Vol.29，pp.1824-1834，1993中描述了一种更复杂的调谐结构，能够实现更大范围的调谐。它包含四个电极分别控制两个分布反射布拉格光栅，以及相移区和增益区。波长的调节需要同时调节三个电极，其电流需要满足精确的相互关系，需要复杂的控制电路。这样调节的复杂性大大降低了制造的成品率，增加了生产成本，同时也带来了器件的可批量生产性以及长期稳定性的问题。

关于串联耦合腔激光器的研究兴起于20世纪80年代初，当时的串联耦合腔激光器有两类工艺制作方式，一种是在解离出来的法布里-珀罗腔激光器上刻蚀凹槽得到，(具体见“Monolithic two-section GaInAsP/InP active-optical-resonatordevices formed by reactive-ion-etching”，by L.A.Coldren et al，Appl.Phys.Lett.vol.38，pp.315～317，1981中的详细描述)，另外一种为通过解理耦合腔的结构来实现(具体见“The cleaved-coupled-cavity(C3)laser”，by W.T.Tsang，Semiconductorsand Semimetals，vol.22，p.257，1985中的描述)。然而，这些早期的串联耦合腔激光器在模式选择性能上不能令人满意，因而此后很少有人再做相关的研究。本发明提出了一系列创新性设计，包括波长切换机理和引入一个损耗可调的中间增益腔，从而大大提高了串联耦合腔激光器的模式选择性能。

在很多应用中，并不需要连续调谐激光器的波长，而只是要求激光器能在一系列的离散波长上任意切换，比如世界电信联盟定义的一系列相同信道间隔的工作波长。这样的激光器可以用于可重构型光分插复用以及基于波长的光交换等。这类激光器的关键技术要求包括：(1)激光器可切换波长与事先所定义的一系列离散波长的精准匹配(例如国际典型联盟的某类标准定义)；(2)简单同时可靠的波长切换控制；(3)高切换速度；(4)低信道串扰；(5)工艺简单，成本较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单片集成串联耦合腔波长可切换半导体激光器，可以实现波长切换的功能同时满足上述激光器关键技术的要求。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括三个串联耦合的法布里-珀罗谐振腔，第一法布里-珀罗谐振腔与第二法布里-珀罗谐振腔之间和第二法布里-珀罗谐振腔与第三法布里-珀罗谐振腔之间，分别通过刻蚀的各自的空气槽相隔开。所述的两个空气槽刻蚀深度超过半导体激光器的有源芯层，第一法布里-珀罗谐振腔和第三法布里-珀罗谐振腔通过电泵浦的方式产生光学增益从而输出激光，同时第二法布里-珀罗谐振腔产生损耗用于优化激光器的单模特性；其中：第一法布里-珀罗谐振腔的一个端面为解离形成的反射面，另一个为通过刻蚀形成垂直侧壁的空气槽；第三法布里-珀罗谐振腔的一个端面为解离形成的反射面，另一个为通过刻蚀形成垂直侧壁的空气槽。