[发明专利]一种具有高单纵模稳定性的半导体激光器

说明书

本发明涉及一种具有高单纵模稳定性的半导体激光器，在传统的FP激光器中引入了一个无源的失谐双光栅区，并且利用法布里珀罗腔的增益介质具有的非线性饱和效应作为非线性增益元件，从而构造出一类新型半导体激光器。其中，FP腔本征的多激射模式通过失谐双光栅区的高Q带通滤波，频谱被纯化，再通过FP激光器有源区非线性增益介质的放大，将频谱略展宽，如此往复，激光器的频谱经过多次滤波后被极大的压窄，最终形成单模激射振荡。

技术领域

本发明属于半导体激光器领域，具体涉及一种具有高单纵模稳定性的半导体激光器。

背景技术

随着英特网的飞速发展，以及大数据的急速推进，作为主要光源器件之一的单纵模半导体激光器在电信通信和数据通信领域中被大量需求。器件的高速调制特性，输出光谱的窄线宽特性以及输出光源的稳定性等都随着用户的更高要求不断的被提升。单纵模半导体激光器通常采用分布反馈机制来实现单模运转，如耦合腔机制，分布反馈激光器(DFB)，和分布布拉格反射镜激光器(DBR)。

通常，耦合腔结构激光器对耦合腔长等参数的控制要求极为严格，涉及有源区刻蚀，其封装或偏置的复杂性等都会导致高成本及低可靠性等问题。就单模DFB激光器的发展而言，自上世纪80年代开始，其经历了不断的改进和衍变，例如折射率耦合均匀光栅(或四分之一相移)IC-DFB激光器，增益或损耗耦合GC(LC)-DFB激光器等。IC-DFB激光器的一个主要的缺点是它对外部反馈光非常敏感，在实际通信系统中必须采用隔离器来保证激光器的稳定工作，这个缺点也使得DFB激光器与其他同基底器件无法实现单片集成，不符合器件的小型化发展趋势。

为了解决上述单模激光器存在的对外界反馈光敏感的问题，一些研究工作致力于研制改进结构，从而实现无光隔离器的发射机单元，以节约成本。这方面的工作主要分为两大类，一类是基于DFB结构的器件，另一类是基于FP结构的器件。基于DFB激光器的器件有：部分反馈波导激光器、具有线状有源区的分布反射镜激光器以及多量子阱横向耦合DFB激光器；基于提高传统FP激光器选模机制的研究包括：离散模式激光器以及具有谐振隧穿结构的单模FP激光器。

日本NEC公司中提出的结构其单模实现原理与IC-DFB相同，但是由于靠近出射端面的光栅部分被移除，结果显示当外部反馈光强度小于-20dB时，具有优于传统的IC-DFB的单模成品率(Y.Huang,et al.,IEEE J.of Selected Topics in Quantum Electronics,5,435-441,1999)。具有线状有源区的分布反射镜激光器，用DBR替代传统IC-DFB中的HR镀膜，有源区采用增益耦合DFB结构，实现单模，研究结果显示当外部反馈光强度低于-12.5dB时，具有较稳定的单模性能(S.H.Lee,et al.,In Lasers and Electro-Optics,CLEO/QELS2009)。但是它的制作工艺相对复杂，形成增益耦合光栅需要刻蚀多量子阱有源区，而高速器件有源区材料一般选用的含铝组分材料，可能会造成器件性能的不稳定。加拿大渥太华大学的光电子技术实验室于2014年首次报道了三阶光栅横向耦合DFB激光器在有外部反馈光下的特性，研究结果表明这种结构能承受的最大光反馈强度约为-11.5dB(R.Maldonado-Basilio,et al.,JW2A.78,CLEO 2014.)。通过在激光器谐振腔中引入折射率的微扰可以极大的影响激光器的激射谱从而实现激光器的单纵模激射，这种激光器被称为离散模式激光器，研究结果显示该结构相对于IC-DFB激光器对外部反馈光的免疫力提高了约5dB(C.Guignard,et al.,663-664,LEOS 2006.)。X.Li等利用在普通FP激光器腔内插入一个可单片集成的谐振隧穿带通滤波器实现了器件的单模工作，边模抑制比(SMSR)约40dB(X.Li,et al.,Appl.Phys.Lett.,107,091108,2015)。此结构基于FP激光器，选模机制也几乎不受端面相位影响，因此单模稳定性本质上由于IC-DFB结构。然而谐振隧穿结构的制作精度要求较高。

发明内容