专利名称：波长可调外腔激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种波长可调外腔激光器，并尤其涉及这样一种激光器， 该激光器的输出光信号的波长可以利用具有光栅作为外腔的反射滤波器来 控制。
背景技术：
随着社会变得越来越信息取向，互连网使用增多，通信量呈几何基数 增长，存在适应这种通信的高容量光通信的需求。从而，光信号的速度已经被提高来增加光通信的容量。但是，速度已经达到10到40Gbps的极限。克服这个极限的一种通常方法是波长分割多 路转换(WDM)的方法，在该方法中，通过一根光线传递多个波长。基于WDM的无源光网络(PON)(以下称为WDM-PON)在中央站 和订购者之间通过分配给每个订购者的波长进4亍通信。由于每个订购者使用他们自身的波长，保密性很好，且高容量通信服务成为可能，并且，不同的传输技术可以应用于每个订购者或每项服务， 例如链接率(link rate)、帧格式等。但是，由于WDM-PON对一根光纤使用多个波长，需要与属于远程节 点(RN)的订购者同样多的光源。对每个波长需要一个光源增加了用户和才喿作者操作WDM-PON的成 本，由此使得WDM-PON并不实用。为了克服这个问题，已经研究可调光源，该可调光源可以选择性地调 整其输出的光的波长。波长可调外腔激光器对于半导体激光二极管而言具有简单的结构，并 且使用外部波长可调布拉格光栅反射滤波器。为了减少光源的成本，通常使用混合集成方法，其中，波长可调布拉 格光栅反射滤波器和半导体激光二极管在波导平台上安装到一起。与主动对准方法相比，混合集成方法带来较低的光偶合效率，这是由于倒装芯片结合设备的对准误差所致，并且需要具有集成点尺寸转换器的 昂贵的激光二极管。发明内容本发明提供了一种波长可调外腔激光器，该激光器具有稳定的光耦合 效率和振荡特性，其中，波长可调波导型布拉格光栅反射滤波器和半导体 激光二极管不通过被动对准方法，而是通过主动对准方法利用单独衬底来 光耦合。根据本发明的一个方面，提供了一种波长可调外腔激光器，该激光器包括半导体激光二极管，该半导体激光二极管输出多波长光信号并且安 装到第一衬底上；以及波长可调反射滤波器，该波长可调反射滤波器安装 到第二衬底上，利用具有预定周期的布拉格光栅的谐振输出多波长光信号 中的单波长光信号，并通过改变布拉格光栅的折射率来调节所输出的单波 长光信号的波长。如上所述，根据本发明，半导体激光二极管和波长在波长可调外腔激 光器中主动对准，由此，提高光偶合效率并活的高的光输出功率。而且，根据本发明，提供了在光耦合过程中的稳定性和再现性，由此 减少制造故障。另外，利用光透镜，半导体激光二极管的点尺寸转换器的远场角的可 允许范围增加，由此降低装置的成本。
图1包括波长可调外腔激光器的俯视图(a)和侧视图(b),在该激光器 中，波导型布拉格光栅反射滤波器和半导体激光二极管安装到单个平台 上；图2包括波导型布拉格光栅反射滤波器结构的透视图(a)和根据温度 的折射率的曲线(b);图3包括根据本发明实施例的波长可调外腔激光器的俯视图(a)和侧视 图(b),其中半导体激光二极管和波长可调布拉格光栅反射滤波器利用耦合 透4竟光耦合；图4包括根据本发明另一实施例的波长可调外腔激光器的俯视图(a)和侧视图(b),其中，半导体激光二极管和波长可调布拉格光栅反射滤波器在没有耦合透镜情况下光耦合；以及图5示出根据本发明一个实施例的波长可调外腔激光器的工作原理。
具体实施方式
根据本发明的一个方面，提供了一种波长可调外腔激光器，该激光器 包括半导体激光二极管，该半导体激光二极管输出多波长光信号并安装 到第一衬底上；以及波长可调反射滤波器，该反射滤波器安装到第二衬底 上，利用具有预定周期的布拉格光栅的谐振输出多波长光信号中的单波长 光信号，并且通过改变布拉格光栅的折射率来调节所输出的单波长光信号 的波长。下面参照附图更全面描述本发明，在附图中示出本发明的示例性实施例。图1包括波长可调外腔激光器的俯视图(a)和侧视图(b),其中，波导型 布拉格光栅反射滤波器和半导体激光二极管安装在波导平台上。半导体激光二极管200的前面201被防反射(AR)涂覆，并且后面 202被高反射(HR)涂覆。当从AR涂覆的前面201发出的光线光耦合到可以调节光的波长的波 长可调布拉格光栅反射滤波器103上时，在半导体激光二极管和其中刻画 光栅的反射滤波器之间形成外腔。谐振的振荡波长由布拉格光栅110的反射带确定。而且，为了精细调节振荡波长，可以加入调节相位的另一个加热器。典型地，在外腔激光器中，半导体激光二极管200被动对准并且利用 倒装芯片方法安装到波导平台100上，在该波导平台100上集成布拉格光 栅反射滤波器103。在这种情况下，光耦合效率由半导体激光二极管200的输出光线的远 场角确定。典型地，利用20度或更小的远场角，可以获得直到40%的光耦合效率。但是，为了 20度或更小的远场角，点尺寸转换器应该集成在半导体 激光二极管的前面上，从而增加了光学器件的价格，由于被动对准方法在对准偏移上仍呈现出很大变动，难于获得稳定的光耦合效率。图2包括波导型布拉格光栅反射滤波器结构的透视图(a)和根椐温度折 射率变化的曲线(b)。波长可调布拉格光栅反射滤波器103在芯部区域100形成具有预定周 期的波导布拉格光栅110，并且通过使薄膜加热器101沉积在外鞘 (overclad)的上部上而利用热-光效应。利用具有周期性变化折射率的紫外线反应芯部材料，光栅可以通过湿 或干蚀刻芯部区域的一部分而形成。在此，布拉格光4册110通过以周期间隔蚀刻波导芯部区域100而形成。薄膜加热器101和102通过沉积金属，如Cr、 Au、 Ni、 Ni-Cr而形成。当电流施加到薄膜加热器101和102上时，温度局部升高，并且折射 率通过热-光效应而增大或减小，由此调节布拉格光栅的反射带。典型地，当温度升高时，金属氧化物材料的折射率增加，而聚合物材 料的折射率减小。图2的曲线(b)示出随着聚合物材料温度变化折射率的变化。对于波长^^.63pm的光信号，聚合物材料的折射率随着温度升高而降低。图3包括根据本发明一个实施例的波长可调外腔激光器的俯视图(a) 和侧视图(b)，其中，半导体激光二极管和波长可调布拉格光栅反射滤波器 利用耦合透镜光耦合。根据本发明的该实施例，波导平台由聚合物材料形成在硅村底上，该 聚合物具有负热-光系数，并且该波导平台包括波长可调布拉格光栅110和 相位控制加热器102。从半导体激光二极管200发出的光信号通过光耦合透镜204与布拉格 光栅反射滤波器103主动对准。半导体激光二极管200安装在衬底205上，并且为了气密密封(207)而 盖密佳'于(cap-sealed)。用于驱动半导体激光二极管200的引线框206和半导体激光二极管 200线结合(wire-bonding)。从半导体激光二极管200发出的光线的轴通过窗口 210和光耦合透镜 204主动对准在波导107的输入面上。光耦合透镜204可以是球面透镜或非球面透镜，并且可以直接附着到 盖密封的窗口 210上。在图3中，半导体激光二极管200平行于光信号的轴400，但是也可 以在30度范围内倾斜。而且，用于监控光输出的mPD (监控PD)安装在半导体激光二极管 200的背面。安装到一起的半导体激光二极管200和mPD 209称作TO头203。 光耦合透镜204可以包含在TO头203内。半导体激光二极管的前面201被防反射(AR)涂覆，残留反射为0.1%或 更小。与前面201相对的后面是高反射(HR)涂覆的，优选的呈现反射30%或 更高。为了有效光耦合前面201和输入面(波导面)107，点尺寸转换器可 以集成在半导体激光二极管中。通常，远场角可以是35度或更小。波导可调布拉格光栅反射滤波器103具有图2的结构(a)。 在波导的芯部区域100中的蚀刻深度小于l(im。 波导的材料的热-光系数的绝对值为1.0 x IO力度或更大。 波导可以是埋沟(buried-channel)、反向i里沟(reversed buried画channel)、 肋、脊等。在根据本发明的波长可调外腔激光器中，电流施加到在布拉格光栅 110的上部的加热器101,以通过局部加热来控制振荡波长，/人而布拉格 光栅110的温度需要被精确控制。为此，^法衬底106和TO头203的下部利用环氧^5更化方法、激光焊 接、钎焊、机械接合等方法附着到热-电冷却器(TEC) 301上。TEC 301的下表面303辐射热。图4包括根据本发明另一实施例的波长可调外腔激光器的俯视图(a)和 侧视图(b),其中，半导体激光二极管和波长可调布拉格光栅反射滤波器在 没有耦合透镜的情况下光耦合。根据本发明的这个实施例，波导平台由聚合物材料形成在硅衬底106 上，该聚合物具有负热-光系数，并且该波导平台包括波长可调布拉格光栅 110和相4立4空制加热器102。从半导体激光二极管200输出的光信号在没有光耦合透镜的情况下主 动与布拉格光栅反射滤波器103对准。由于没有使用耦合透镜，为了获得20%或更高的光耦合效率，可以集 成允许从半导体激光二极管200的前面输出的光线具有20度或更小的远 场角的点尺寸转换器。而且，在前面201和输入表面(波导表面)107之间的空气间隙的尺 寸可以是30nm或更小。半导体激光二极管200的前面201被AR涂覆，优选的，残留反射在 0.1%或更小。而且，与前面201相对的后面纟皮HR涂覆，优选的呈现30%或更高的 反射。半导体激光二极管200安装到衬底500上，并与输入表面(波导表面 107)主动对准。而且mPD 209可以形成在衬底500上、在半导体激光二极管200的背面，以监控光输出。在图4中，半导体激光二极管200平行于光信号的轴400，但也可以在30度内倾斜。波导可调布拉格光栅反射滤波器103具有图2的结构(a)。 在波导的芯部区域100内的蚀刻深度小于l(im。 波导的材料的热-光系数的绝对值为1.0 x l(rV度或更大。 波导可以是i里沟(buried-channel)、反向i里沟(reversed buried-channel)、肋、脊等。在上述结构中，为了布拉格光栅反射滤波器103的稳定性，衬底500 的下部利用环氧硬化方法、激光焊接、钎焊、机械结合等方法安装到热电 冷却器(TEC) 301的冷却表面302上，其中在衬底的下部安装硅衬底 106和TO头203。TEC 301的下表面303辐射热。图5示出根据本发明实施例的波长可调外腔激光器的工作原理。半导体激光二极管通过光耦合透镜与布拉格光栅反射滤波器光耦合(S500)。在半导体激光二极管和布拉格光栅反射滤波器的布拉格光栅之间形成 外腔(S510)。电流施加到在布拉格光栅反射滤波器的上外壳上安装的薄膜加热器 上，以改变布拉格光栅的折射率，由此改变从布拉格光栅反射滤波器输出 的光信号的波长(S520)。本发明还可以实施为在计算机可读记录介质上的计算机可读代码。该 计算机可读记录介质是可以存储数据的任何数据存储装置，该数据此后可 以由计算机系统读取。计算机可读记录介质的示例包括只读存储器 (ROM)、随机访问存储器(RAM)、 CD-ROM、磁带、软盘、光数据存 储装置和载体波(如通过互联网的数据通信)。计算机可读记录介质还可 以分布在网络耦合的计算机系统，使得计算机可读代码以分布方式存储和 执行。虽然已经参照本发明优选实施例具体图示和描述了本发明，但是本领 域技术人员可以理解到在不背离由所附权利要求书及其等价物限定的本发 明的精髓和范围的前提下可以在形式和细节上作出改动。优选实施例仅被 认为是描述，而不用于限制的目的。因此，本发明的范围不由本发明的详 细描述来限定，而仅由所附的权利要求书限定，并且在该范围内的所有修 改应包含在本发明中。如上所述，根据本发明，半导体激光二极管和波导在波长可调外腔激 光器中主动对准，由此增加了光耦合效率并获得高的光输出功率。而且，根据本发明，可以提供光耦合过程的稳定性和再现性，由此减 少制造故障。另外，利用光耦合透镜，可以增加半导体激光二极管的点尺寸转换器 的远场角的允许范围，由此降低器件成本。在波长可调外腔激光器中，半导体激光二极管和波导主动对准，由此 增加光耦合效率并获得高的光输出功率。
权利要求
1.一种波长可调外腔激光器，包括半导体激光二极管，该半导体激光二极管输出多波长光信号并且安装在第一衬底上；以及波长可调反射滤波器，该波长可调反射滤波器安装到第二衬底上，利用在半导体激光二极管和具有预定周期的布拉格光栅之间形成的外腔的谐振，输出所述多波长光信号中的单波长光信号，并且通过改变布拉格光栅的折射率来调节所输出的单波长光信号的波长。
2. 如权利要求1所述的波长可调外腔激光器，其中，所述第一衬底是 III-V族化合物半导体衬底。
3. 如权利要求1所述的波长可调外腔激光器，其中，所述第二衬底由 硅基材料形成，并且所述波长可调反射滤波器由具有负热-光系数的聚合物 材料形成，并具有波导结构。
4. 如权利要求1所述的波长可调外腔激光器，还包括光耦合透镜，来 增加半导体激光二极管和波导之间的光耦合效率。
5. 如权利要求1所述的波长可调外腔激光器，还包括监控单元，该 监控单元监控从半导体激光二极管输出的光输出功率的特性；以及温度控制单元，该温度控制单元用于控制波长可调反射滤波器的温度。
6. 如权利要求3所述的波长可调外腔激光器，其中，所述波导具有埋 沟结构、反向埋沟结构、肋结构和脊结构中的一种。
全文摘要
本发明提供了一种波长可调外腔激光器，包括半导体激光二极管，该半导体激光二极管输出多波长光信号并且安装在第一衬底上；以及波长可调反射滤波器，该波长可调反射滤波器安装到第二衬底上，利用在半导体激光二极管和具有预定周期的布拉格光栅之间形成的外腔的谐振，输出所述多波长光信号中的单波长光信号，并且通过改变布拉格光栅的折射率来调节所输出的单波长光信号的波长。该波长可调布拉格光栅反射滤波器和半导体激光二极管安装到单独的衬底上，并且半导体激光二极管和波导型布拉格光栅反射滤波器的光耦合效率利用主动对准方法而增加，由此增加光输出功率并实现稳定振荡模式。
文档编号G01S3/10GK101405920SQ200780009919
公开日2009年4月8日 申请日期2007年4月20日 优先权日2006年4月20日
发明者朴万镛, 金秉辉 申请人:韩国电子通信研究院