一种半导体激光器和控制方法与流程

本申请涉及光电子技术领域，尤其涉及一种多波长的半导体激光器和控制方法。

背景技术：

光通信是当代通讯的基础。随着宽带需求的不断增加，网络结构越来越复杂。为了降低网络成本与简化结构，在基于波分复用(WDM)系统的接入网以及软件定义网络等多种光纤系统中需要使用大量低成本的波长可连续可调谐激光器。可调谐激光器可以作为特定波长激光器或者后备激光器，是WDM系统的重要组成部分。可以大大降低WDM系统的复杂度和运行成本。目前可调谐激光器的结构主要有以下几种，但都各有优缺点。

基于取样光栅的分布布拉格反射结构的可调谐激光器方案比较成熟，它基于游标卡尺效应，可以提供较大范围的波长调谐，但是它要求有源材料和无源材料集成在同一芯片上，实现较为困难。基于外腔结构的可调谐激光器性能较为理想，但这类激光器是通过外部反馈来实现波长调节的，它包含多个光学部件，制作和封装方式复杂，且波长调节方式也较为复杂。分布反馈半导体激光器阵列成本相对低廉，多个波长不同的固定波长谐振腔相互独立工作，其优点是激光器性能稳定，单模特性较好，避免了复杂的封装和波长调节方式，更容易实现单片集成，但是它需要多模干涉型光耦合器(MMI)或阵列波导光栅(AWG)等实现合波，结构也较为复杂。串联方式的可调谐分布反馈半导体激光器省去了阵列方法所需的合波器件，其尺寸更为紧凑，更易于和其它器件集成。其工作方式一般为在通过电流选择某一分布反馈谐振腔工作，处于工作状态的分布反馈谐振腔需注入阈值以上的电流，其他所有光栅区域需注入透明电流使其光增益等于损耗。串联方式的可调谐分布反馈半导体激光器具有很大的商业化潜力，而且已经被广泛研究，如使用取样光栅降低成本和制作工艺要求，利用Y分支波导使激光器芯片结构更加紧凑，增大单个谐振腔腔长以降低线宽。然而，更大的波长调谐范围通常需要更多的串联的谐振腔，这样可调谐激光器的整体腔长就会变得很长。例如每个谐振腔的激射波长可以以热调谐的方式在3nm的范围内调谐，那么15nm的调谐范围就需要至少5个串联的谐振腔。这样，整个激光器芯片的结构就会呈现出长条状，在解离和封装时极易损坏。同时，每单个谐振腔的缺陷都会对整个串联激光器的质量产生影响。

技术实现要素：

本发明提出一种半导体激光器和控制方法，解决可调谐多波长激光器长度过长、质量不可靠的问题。

本申请实施例提供一种半导体激光器，包括：光栅区域、相移结构；所述光栅区域的数量至少为3个，以串联的方式制作在同一激光器芯片上；每个所述光栅区域内光栅周期不变，不同光栅区域的光栅周期沿激光器芯片呈递增或递减变化；任意两个相邻的所述光栅区域，注入电流，用于产生单模激光发射；相邻的光栅区域间存在相移结构，相移值在0°至360°范围内。

优选地，本申请实施例提供的一种半导体激光器中，还包含温度控制电路、电流调整电路；所述温度控制电路，用于调节所述光栅区域的温度；所述电流调整电路，用于调节所述电流。

优选地，本申请实施例提供的一种半导体激光器中，还包含电隔离区；所述电隔离区的制作方式为，将连接相邻两个所述光栅区域的半导体结构中欧姆接触层刻蚀掉，再覆盖厚度为100～300nm内的绝缘材料SiO2；宽度为5～80μm；或者，连接相邻两个所述光栅区域的半导体结构中欧姆接触层刻蚀掉，再在此区域进行离子注入，之后覆盖厚度为100～300nm内的绝缘材料SiO2，宽度为2～15μm。

优选地，本申请实施例提供的一种半导体激光器中，每一个所述光栅区域为均匀布拉格光栅或者切趾布拉格光栅；所述切趾布拉格光栅为以下至少一种：改变光栅占空比，根据切趾函数，使光栅占空比沿腔长方向变化；改变光栅宽度，根据切趾函数，使光栅宽度沿腔长方向变化；使用平面波导摩尔光栅，即两列具有微小光栅周期差的波导光栅。

优选地，本申请实施例提供的一种半导体激光器中，每一个所述光栅区域为取样布拉格光栅或者等效切趾取样布拉格光栅；所述等效切趾取样布拉格光栅为以下至少一种：改变取样图样的占空比，根据切趾函数，使光栅的取样图样的占空比沿腔长方向变化；改变光栅取样图样的宽度，根据切趾函数，使光栅的取样图样的宽度沿腔长方向变化；基于取样光栅的平面摩尔光栅。

进一步优选地，本申请实施例提供的一种半导体激光器中，所述相移结构用布拉格光栅或取样布拉格光栅实现。

进一步优选地，本申请实施例提供的一种半导体激光器中，所述相移值为π。

进一步优选地，本申请实施例提供的一种半导体激光器中，所述光栅区域数量为3～40个，相邻的两个光栅区域的布拉格波长间隔为0.2～5nm。

在本发明的一个具体实施例中，还包括，所述半导体激光器为硅基、III-V族外延材料混合集成；所述光栅结构制作在硅波导或III-V族外延材料上。

本申请实施例还提供一种半导体激光器控制方法，用于本申请任意一项实施例所述半导体激光器，包括以下步骤：

向任意两个相邻的光栅区域注入高于阈值的工作电流，其余光栅区域的工作电流为透明电流，产生单模激光发射；

及包括以下至少一个步骤：

改变所述两个相邻的光栅区域的温度，对所述单模激光发射进行调谐；

改变所述两个相邻的光栅区域的工作电流，对所述单模激光发射进行调谐。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

利用新型光栅结构，使基于串联方式的可调谐分布反馈半导体激光器的腔长极大缩短，从而得到适合WDM-PON系统应用的低成本可调谐激光器。

在具有相同的串联的分布反馈谐振腔数量m和相同的单个分布反馈谐振腔的腔长的情况下，本发明和传统方法相比，可以使激光器的整体腔长减少当较多的分布反馈谐振腔串联时，激光器的整体腔长将缩短接近50％。

通过缩短激光器整体的腔长，本发明还可以降低激光器的制造成本，提高激光器芯片的成品率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为一种半导体激光器材料结构示意图；

图2为一种半导体激光器光栅周期的分布图；

图3为一种半导体激光器的光栅示意图；

图4为一种半导体激光器的取样布拉格光栅示意图；

图5为利用不同方法实现切趾布拉格光栅的示意图；

图6为制作取样布拉格光栅的示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

传统方式的基于串联方式的可调谐分布反馈半导体激光器是将m个具有不同工作波长的分布反馈谐振腔以串联方式集成在同一集成芯片上，每个分布反馈谐振腔被独立控制，通过电流来选择其中一个分布反馈谐振腔工作。因此激光器的整体腔长较长。本申请的半导体激光器，是阶梯周期相移光栅的短腔可调谐分布反馈半导体激光器，采用了新型的光栅结构，由于每两个相邻的分布反馈谐振腔都会共享一个光栅区域，因此激光器的整体腔长会极大缩短。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为一种半导体激光器材料结构示意图。包含N电极101；102.衬底；103.下分别限制层；104.多量子阱层；105上分别限制层；106.光栅层；107.腐蚀阻止层；108.脊波导；109.缓冲层；110.欧姆接触层；11.P电极。

器件的外延材料描述如下：首先在N型衬底材料上一次外延N型的InP缓冲层(厚度200nm、掺杂浓度约为1.1×10¹⁸cm^-2)、100nm厚非晶掺杂晶格匹配InGaAsP波导层、应变InGaAsP多量子阱层(光荧光波长1.52微米，7个量子阱；阱宽8nm，0.5％压应变；垒宽10nm，晶格匹配材料)、70nm厚的InGaAsP光栅材料层。然后使用普通微电子工艺制作含有等效光栅所需的取样周期分布的掩膜版。接下来通过取样掩膜版和全息干涉曝光的方法制作出光栅结构，然后二次外延100nm厚的P型晶格匹配InGaAsP波导层(掺杂浓度约为1.1×10¹⁷cm^-2，DFB段该层的厚度为100nm)、1.7微米厚的P型InP限制层(掺杂浓度从3.5×10¹⁷cm^-2逐渐变化为1×10¹⁸cm^-2)和100nm厚的P型InGaAsP欧姆接触层(掺杂浓度大于1×10¹⁹cm^-2)。

基于一种半导体激光器，整体结构如图1所示具体地：不同光栅周期的光栅区域以串联的方式制作在同一激光器芯片上，光栅周期沿激光器腔表现为均匀阶梯状呈现递增或递减变化。每个光栅区域内光栅周期不变，任意两个相邻的光栅区域构成了一个分布反馈(DFB)谐振腔。可以选择性的对于两个相邻的光栅区域注入电流，实现某个特定波长的激射。只要选择不同的相邻光栅区域，就可以选择性地得到不同的激射波长，并可以通过调节温度或电流来进一步调谐该谐振腔的工作波长。由于每两个相邻的谐振腔共享一个光栅区域，因此激光器的整体比传统的串联可调谐激光器的腔长大为缩短。

优选地，所述的一种半导体激光器在相邻的光栅区域间存在相移结构，相移大小为0°至360°中的一个值。相移结构可用布拉格光栅实现，同样可以使用取样样布拉格光栅来等效实现，即：使光栅结构的取样图样在相邻的光栅区域之间存在相移，相移大小为0°至360°中的一个值。

进一步优选地，所述相移结构的相移值为π。

进一步优选地，所述半导体激光器中，串联的光栅区域之间采用一个电隔离区来减小相邻光栅区域之间的串扰，从而实现对每个光栅区域的独立控制。电隔离的制作方式包括：将激光器相应区域的欧姆接触层InGaAsP和脊波导层InP通过干法或者湿法方式刻蚀掉，之后覆盖厚度为100nm到300nm范围以内的绝缘材料SiO2，隔离区的宽度在5μm到80μm范围以内；或者将激光器相应区域的欧姆接触层InGaAsP通过干法或者湿法方式刻蚀掉，再在此区域进行离子注入，之后覆盖厚度为100nm到300nm范围以内的绝缘材料SiO2，隔离区的宽度在2μm到15μm范围以内。

图1所示实施例中，激光器采用脊波导结构，包括m段光栅区域，谐振腔的数量为m-1。波导的宽度为2μm，其两侧的沟槽宽度为20μm，深为1.8μm。在制作脊波导的过程中一并制作电隔离槽，即将电隔离槽区域的InGaAsP欧姆接触层和InP脊波导层上面的InGaAs缓冲层一起刻蚀掉，然后再在表面覆盖300nm厚的SiO2绝缘层，再将脊波导上方的SiO2材料刻蚀掉，并制作激光器正面的P型电极。激光器衬底进行减薄，剖光后制作背面的N型电极。

当需要串联可调谐激光器其中一个谐振腔工作时，可将其对应的两个相邻的光栅区域都设置为高于阈值的工作电流，将其余光栅区域的工作电流都设置为透明电流(即工作的谐振腔产生的光可以透过其他光栅区域，但不产生损耗也不被放大)。当所需激射波长超过当前谐振腔的调谐范围，需要使用另一个谐振腔时，只需要改变各光栅区域的加电，将另一个谐振腔对应的两个相邻的光栅区域设置为工作电流，并将剩余光栅区域的电流都设置在透明电流即可。

所述半导体激光器也可以用于波长快速切换。每两个相邻的光栅区域所输出的单模激光发射波长对应一个所需要的信道。当需要改变信道时，通过集成电路改变相应的光栅区域的工作电流，使得改变后的信道对应的两个相邻的光栅区域的工作电流高于阈值，将其余光栅区域的工作电流都设置为透明电流，实现激光的快速切换。

所述的一种半导体激光器中，每个DFB谐振腔的调谐可以采用电流调谐或者温度调谐的方式，调谐的范围等于相邻分布反馈谐振腔间的波长间隔。温度调谐的方式包括：制作过程中在可调谐激光器的底座上有热电制冷器TEC(含有温度敏感材料，一般采用帕尔贴效应，又称热-电效应)，通过TEC控制整个激光器的工作温度，从而可以控制谐振腔的工作波长；或在每个光栅区域对应芯片表面制作热薄膜电阻，通过电阻产生热而改变激光器的激射波长；也可以将TEC和热薄膜电阻结合使用。一般情况下温度每升高1摄氏度，激光器工作波长提高0.1nm，当温度变化40摄氏度时，谐振腔的工作波长将改变4nm。

另外，所述的一种半导体激光器的两端采用抗反射膜，抗反射膜的端面反射率范围在10^-5到10％的范围以内，从而消除端面随机相位对激光器波长和单模特性的影响，增加单模成品率和波长控制能力。所述的阶梯周期相移光栅的短腔可调谐分布反馈半导体激光器是可以直接调制的。器件的两端均镀有抗反射膜，镀膜后的反射率小于1％。

进一步优选地，所述的一种半导体激光器包含m个串联的独立的光栅区域，总的谐振腔数目为m-1个，其中3≤m≤40，相邻的两个光栅区域的布拉格波长间隔在0.8nm到5nm范围以内。

本发明中DFB半导体激光器可应用III-V族化合物半导体材料(如GaAlAs/GaAs，InGaAs/InGaP，GaAsP/InGaP，InGaAsP/InP，InGaAsP/GaAsP，AlGaInAs等)，也可应用于II-VI族化合物半导体材料、IV-VI族化合物半导体材料等各种三元化合物、四元化合物半导体材料。

所述光栅结构也可以用于硅基与III-V族外延材料单片混合集成的半导体可调谐激光器，即将有源材料，如III-V族外延片，与无源材料，如绝缘衬底上的硅(SOI)相结合的激光器芯片。其中芯片键合的方式包括直接键合和介质键合。直接键合是依靠分子间的范德瓦尔斯力实现的，介质键合则需要采用粘合介质，如环氧树脂，苯并环丁烯(BCB),聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。在单片混合集成的半导体可调谐激光器中，光栅结构可以制作在硅波导上，也可以制作III-V族外延材料上。

需要说明的是，所述半导体激光器一般应用于III-V族外延材料上；特殊情况下应用混合集成。混合集成的好处是实现光无源和有源两部分器件的兼容性，提高光子集成芯片的集成度。本实施例应用混合集成的有益效果是解决了可调谐多波长激光器长度过长、质量不可靠的问题。

所述半导体激光器可以用于多种波段，包括1310波段和/或1550波段。光栅周期的值根据所需激射波长设计。

图2为一种半导体激光器光栅周期的分布图。整个光栅周期沿激光器腔表现为均匀阶梯状，每个阶梯为一个光栅区域，呈现递增或递减变化，图2所示的是光栅周期沿激光器腔以均匀阶梯状减小的情况。

图3为一种半导体激光器的光栅示意图。相邻的两个光栅区域构成了一个分布反馈谐振腔，它的激射波长是由相邻的两个光栅区域的布拉格波长决定的。当需要某一个波长时，就点亮相对应的两个相邻的光栅区域。

单个光栅区域内光栅结构，可以采用均匀布拉格光栅。

通过电子束曝光的方式制作均匀布拉格光栅：首先在波导的对应部分涂抹上一层均匀的电子束曝光胶，常见的为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，然后使用电子束曝光技术，使电子束在曝光胶上扫描并通过改变电子束的曝光量，形成所需的布拉格光栅的图案，接着使用有机溶剂将曝光量少的PMMA溶解，然后使用ICP(电感耦合等离子体)干法刻蚀或者基于化学反应的湿法刻蚀对该材料进行刻蚀，从而得到所需要的图案。

为图3所示实施例包含四个光栅区域301～304。每个光栅区域包含均匀布拉格光栅，在相邻的两个光栅区域间插入π相移结构305～307(本申请中所述π相移结构，是指相移结构的相移值为π)，每两个相邻的光栅区域构成一个分布反馈谐振腔，例如前两个光栅区域301，302构成第一个分布反馈谐振腔308。

图4为一种半导体激光器的取样布拉格光栅示意图。进一步优选地，单个光栅区域内光栅结构可以采用取样布拉格光栅。取样光栅是指在所述半导体激光器中，每一个光栅区域采用取样布拉格光栅结构，谐振腔的工作波长在此取样布拉格光栅的等效光栅的作用带宽里，对应的等效光栅的光栅周期由取样周期决定，改变取样周期就可以改变分布反馈谐振腔的激射波长。

图4所示实施例包含三个光栅区域401～403，光栅为取样布拉格光栅；在任意两个相邻的光栅区域之间，包含等效π相移结构404，405。每两个相邻的光栅区域构成一个分布反馈谐振腔，前两个光栅区域401，402构成的分布反馈半导体激光器406。

图5为利用不同方法实现切趾布拉格光栅的示意图。单个光栅区域内光栅结构，可以采用切趾布拉格光栅。切趾布拉格光栅可以很大程度上抑制光栅反射谱中的旁瓣，从而提高所述激光器的单模特性。切趾可以通过改变光栅占空比501，改变光栅宽度502，使用平面波导摩尔光栅503来实现，如图5所示，具体地，

切趾布拉格光栅即光栅强度沿腔长方向变化的布拉格光栅。它可以提供更好的单模稳定性，其实现方式有以下几种：

光栅强度与光栅占空比有关，可以通过改变光栅占空比实现。根据切趾函数，使光栅占空比沿腔长方向变化；

光栅强度与光栅宽度有关，可以通过改变光栅宽度实现，根据切趾函数，使光栅宽度沿腔长方向变化；

使用平面波导摩尔光栅，即两列具有微小光栅周期差的波导光栅，可以得到三角函数的切趾形状。

切趾布拉格光栅通过电子束曝光的方式制作：首先在波导的对应部分涂抹上一层均匀的电子束曝光胶，常见的为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，然后使用电子束曝光技术，使电子束在曝光胶上扫描并通过改变电子束的曝光量，形成所需的布拉格光栅的图案，接着使用有机溶剂将曝光量少的PMMA溶解，然后使用ICP(电感耦合等离子体)干法刻蚀或者基于化学反应的湿法刻蚀对该材料进行刻蚀，从而得到所需要的图案。

图6为制作取样布拉格光栅的示意图。进一步地，也可使用取样布拉格光栅，以改变取样图样占空比的方式等效实现切趾，或者以等效的方式改变光栅宽度和实现平面波导摩尔光栅。另一方面，本专利提出的这种光栅结构也可以利用取样光栅等效实现，其性能和真实结构的光栅相同，但是制造成本大幅降低。其实现方式包括以下几种：

改变取样图样占空比，根据切趾函数，使取样图样的占空比沿腔长方向变化，实现等效切趾。

改变取样图样宽度，根据切趾函数，使取样图样的宽度沿腔长方向变化，实现等效切趾。

以等效方式实现平面波导摩尔光栅，即使用两列具有微小取样周期差的波导光栅，可以得到三角函数的切趾形状。

取样布拉格光栅及等效切趾的取样布拉格光栅的制作：如图6所示，

步骤I、在光刻板(掩膜版)上设计并制作取样图案，然后使用全息曝光技术在光刻胶上形成均匀的光栅图案；

步骤II、使用具有取样图案的光刻板进行普通曝光，把该光刻板的图案复制到晶片光刻胶上，即在光刻胶上形成取样图案，之后再腐蚀晶片在晶片上形成相应的光栅图案。两个步骤的曝光顺序可以根据工艺互换。

需要说明的是，本发明中可以用取样布拉格光栅或者等效切趾取样布拉格光栅来代替均匀布拉格光栅或切趾布拉格光栅。即，使用取样布拉格光栅或者等效切趾取样布拉格光栅是一种特殊的方法，有益效果在于成本降低。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。