专利名称：可磁调谐并可闩锁的宽范围半导体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及可调谐激光器，具体说是涉及可调谐半导体激光器。
许多不同领域都要使用可调谐激光光源，这些领域包括电信、医学、材料检定、光谱学、同位素分离和遥感等。在诸如光学传感器的应用，以及在各种高密度波分复用(DWDM)光通信系统的应用中，对能在较宽波长范围上可调谐与/或可线性调频的激光光源，要求日益增加，而上述各种DWDM光通信系统，由于其巨大的数据传输能力，越来越被重视。这类可调谐激光器，可以按要求给出不同的波长，为从根本上增加多波长光学网络的传输容量而颇有应用潜力，还可以作为若干组固定频率激光器的备份，有改善网络可靠性的潜在能力。
目前有若干种可调谐激光器正在使用。(例如见J.F.Ready，Industrial Applications of Lasers，2ndEd.，Academic Press(1997)；和Tunable Lasers Handbook，F. J.Duarte，ed.，Academic Press(1995))。这些激光器包括染料激光器、半导体激光器、光参量振荡器(OPO)、和自由电子激光器(FEL)。其中的半导体激光器有许多优点。染料激光器和OPO工作时要用泵浦激光器，而FEL则较庞大且十分昂贵。用在光谱的红区和近红外区的III-V族半导体激光器，却没有这些缺点。此外，相对来说，半导体激光器效率高，尺寸小，重量轻，功耗低，并且能以低电压电源驱动。半导体激光器的主要应用包括作为磁光数据存储、激光盘播放器、打印机、和光纤通信等的光源。
商业上用的AlxGa1-xAs和InxGa1-xAsyP1-y半导体激光器，通常用改变温度和工作电流来调谐。但是，这些调谐技术取得的调谐范围相当有限，因而不能充分开发半导体可用的增益带宽。此外，在要获得指定的波长时，跳模现象会带来一些麻烦，因而调谐可能是不连续的。采用外腔激光器(ECL)，在某种半导体介质的一个宽的增益带宽上，已经取得更大的可调谐能力。一个可调谐ECL包括一种光学增益介质(就是在一个或两个端面镀有防反射膜的一种激光半导体二极管)、把增益介质波导的输出耦合到外腔自由空间模的光学结构、一个或多个波长选择滤光器、和用于界定外腔反馈光路的一个或多个反射镜。有各种形成激光光学谐振腔的不同方法可供使用。这些方法包括反射光学部件，诸如棱镜、光栅、和其他二色性滤光器-这些都是窄带反射器，以及反射膜和介质反射镜-这些都可用作宽带反射器。一部ECL的调谐，可以通过改变端面反射器的特征反射波长(由此决定腔内的谐振波长)，或通过改变激光腔本身的长度来实现。为减小跳模现象，端面反射器的波长最好与激光腔的谐振波长成正比地变化。但是，要成正比地变化是颇为困难的任务，一般要用复杂且昂贵的反馈结构。此外，外腔激光器一般比其他半导体激光器有较低的输出功率和有较庞大的体积。近期还对表面发射型激光二极管的开发发生兴趣，在表面发射型激光二极管中，光是从芯片表面，而不是从侧面射出。利用这一特点，能较容易在一块半导体晶片上制作两维阵列，密集地组装成多个装置。在某些表面发射激光二极管中，激光腔是竖直的，即垂直于p-n结平面，而这类装置被称为竖直腔表面发射激光器(VCSEL)。如果VCSEL能在一个宽范围波长上作成可调谐的，那么对它的兴趣就会更有价值。
对这类激光器的调谐，存在各种一般的技术，例如，改变半导体能带，改变激光腔的尺寸，或改变反射器的特性。这些技术包括热调谐、压电调谐、静电调谐、和磁致伸缩调谐。热调谐由于热传导和热平衡需要时间而太慢，还要求不断提供功率以维持所需的温度，并且因为高温可能损坏敏感的装置部件，从而限制了调谐的范围。压电作用，除材料本身的限制而限制其调谐范围之外，还要求持续施加高电压以维持波长的移动。静电调谐广泛用于使用MEMS(微机电机械系统)技术的小型装置(例如见M.Y.Li等，Electron Lett.，Vol.33，No.12，1051(1997)；和M.Y.Li等，Photonics Tech.Lett.，Vol.10，No.1，18(1998))。但是，这种静电调谐因电荷积累或泄漏，很易漂移，也要求持续施加较高电压以维持装置的状态。磁致伸缩调谐要求强磁场以实现可用的应变量，并且一般是不可闩锁的(即在功率加上后，仍必须继续保持)。
因此，需要一些改进的可调谐激光器装置，最好有一种半导体激光器，它能在光腔介质增益带宽比较大的范围上可以调谐，并且是可闩锁的。
本发明给出一种装置，它有一种改进的可调谐激光器结构，这一结构对表面发射激光器特别有用，并且具有可随意闩锁的能力。可闩锁能力和可调谐能力，是通过在一个固定的、可编程的磁铁和磁性材料之间的磁力吸引或排斥而实现的，磁铁和磁性材料附着在激光器结构的反射器上。具体说，本发明的可调谐激光器，如
图1所示，使用的激光器结构包括一个下部反射器(16)、一个激活激光区(12)、和一个上部反射器(14)。上部反射器包括一个不可移动的反射器部分，与激活激光区比邻；以及一个可移动的反射器部分，与不可移动反射器部分隔开一定距离(20)。可移动反射器部分一般用一个微动悬臂结构(18)或类似的装在铰链或枢轴上的结构来支承。一种磁性材料(22)或置于可移动反射器部分的一个表面上，或置于与可移动反射器部分相连的一个表面上。一块可编程磁铁(24)靠近磁性材料放置，该磁铁能使磁性材料产生受控移动。这一移动又使可移动反射器部分产生移动，使可移动反射器部分与不可移动反射器部分之间的间距，能够被调节。调节这个间距(即可移动与不可移动反射器部分之间的空气隙)，便能控制反射的相位，从而控制激光器的输出波长。
本发明用磁力来调节激光激活区的输出，它比通常的调谐方法有若干优点。例如，不像热调谐，因为磁力比较快，可闩锁，且不存在损坏装置部件的潜在危险。也不像压电作用，因为本征材料的限制完全可以不考虑，且磁力产生的移动是可闩锁的。本发明避免了静电调谐中遇到的漂移，而且不必维持恒定的电压。最后，也避免了磁致伸缩调谐中的强磁场和典型的不可闩锁性。
图1按照本发明，画出一种可调谐激光器装置的一个实施例。
图2按照本发明，画出一种可调谐激光器装置的另一个实施例。
图3按照本发明，画出一种可调谐激光器装置的再一个实施例。
图4按照本发明，画出一种可调谐激光器装置的又一个实施例。
图5画出用于本发明的一种可编程磁铁的特性。
图6表示把本发明的可调谐激光器装置用于波分复用光学网络。
要使一个激光器给出最大的连续的调谐范围，其调谐机理是，在机械上改变一个Fabry-Perot(法布里-珀罗)调谐腔的有效长度。(例如参考F.Sugihwo等，“Low threshold continuously tunable verticalcavity surface emitting lasers with 19.1 nm wavelength range”，Applied Physics Letters，Vol.70，No.5,547(1997)，文章披露的内容也在此引用，以供参考)在实用上，这种机械调节的实现，一般是对Fabry-Perot腔的一个或两个反射器，使用并以电的方法移动微动结构，诸如悬臂或带枢轴或带铰链的支承。本发明包含一种新奇的磁力方法，使用诸如微动机械结构，对激光器进行调谐，因此，本发明与静电调谐相比，对漂移不那么敏感，还能够维持一个移动后的状态而无需持续地施加功率，就是说，是可闩锁的。
图1按照本发明，画出一个可调谐激光器装置的例子。装置包括支承含有一个激活激光区12的激光器结构的衬底10，以及上部和下部反射器14、16(上部和下部反射器仅为叙述方便而设，不能理解为本发明仅限于某种特定的几何配置)。上部反射器14的一部分由于附着在一个悬臂结构18上，故是可移动的(可移动反射器部分)，该部分确定了一个可调节的空隙20-它通常是指从上部反射器的其余部分(不可移动的反射器部分)跨过的空隙。磁性材料22作为一层薄膜或厚膜(如果需要，还带隔离层)，是用任何常规技术，淀积或粘合在上部反射器14的可移动部分的任一位置上。磁性材料22的所在位置，以不阻挡光路为宜。一块不动的、可编程的磁铁24紧靠磁性材料22放置，以便提供一个与所加磁场有关的、幅度可变的磁力。为不阻断激活激光区12输出的光路，可以在磁性材料22上、在可编程磁铁24上、与/或在任何支承结构上，开窗或打孔。如果用软磁材料，磁力一般是吸引力，但如果用硬磁材料，例如Nd-Fe-B或Sm-Co，也可能是排斥力。靠近磁铁24放置一个或多个电磁铁(螺线管)26，以提供足够的磁场来改变可编程磁铁24中的剩余磁化。工作时，可编程磁铁24吸引或排斥磁性材料22，其力由可编程磁铁24中的剩余磁化决定，而剩余磁化又由螺线管26所加脉冲磁场来控制。悬臂上的磁性材料22与不动的可编程磁铁24的一个极之间的磁力变化，导致悬臂18弯曲，从而改变空隙20的间距。改变空隙20的间距，进而改变从空气-悬臂界面反射的相位，这一改变又使此结构的Fabry-Perot波长产生变化，导致被选择的激光器输出波长的调谐。按照本发明，也可以让两个反射器一起调谐。此外，也可以把一个反射器的可移动部分上的磁性材料作成可编程的(用额外的螺线管控制)，而这样的一种配置可望改善其闩锁性能。
可以把磁性材料直接放在可移动反射器部分的表面，或放在与可移动反射器部分连接的表面(意思是，磁性材料的移动导致可移动反射器部分的移动)。举例说，像图2所示，例如可以把一层磁性材料箔42粘在或淀积在扩展部分39，以增大可用的粘合面积。这一扩展部分可以与悬臂或类似结构分开，也可以是悬臂或类似结构的一部分。如图1，图2的装置还包括一个支承衬底30、一个具有激活区32的激光器结构、上部和下部反射器34、36(上部反射器34带有可移动部分及不可移动部分，由空隙40分开)、一块不动的可编程磁铁44、和螺线管46。
磁性材料是任一种合适的材料，这种材料视其具体运用，要具有所需的软磁、恒磁、或半硬磁可编程磁铁等特性。例如Fe，Ni，和Co，坡莫合金(80Ni-20Fe)之类的高磁导率材料，或Nd-Fe-B或Sm-Co之类的高矫顽磁力材料。也可以用光学上透明的材料，如某种石榴石晶体。
悬臂用任一种合适的材料制成，这种材料要具有必要的像弹簧那样的性质。悬臂最好用硅做，并制成任何合适的形状，例如横截面是圆形的，方形的，或矩形的。选择悬臂的尺寸和形状，以便得到所需的刚度，因为刚度决定了在一给定磁场强度时的弯曲量。也可以利用其他合适的结构，如铰链或枢轴结构，来实现所需的空气隙的调节。制作这类微动结构，有熟知的光刻技术，它通常包括形成若干以后要腐蚀掉的保护层，留下悬臂或其他单独的结构。(例如见W.L.Fang，J.Micromechanics&Microengineering，Vol.8，No.4，263(1998)；和Tayelati等，Electronics Lett.，Vol.34，No.1，74(1998)。)本发明特别适用于顶部或底部发射的激光器，特别是竖直腔表面发射激光器。激活激光区通常以III-V族半导体化合物为基础，例如Al1-xGaxAs(用于780-880nm激光器)，In1-xGaxAs1-yPy(用于1150-1650nm激光器)，AlxGayIn1-x-yP(用于630-680nm激光器)，和In1-xGaxAs(用于980nm激光器)，当然任何合适的产生激光的材料都可以使用。通常，半导体激光器材料是在一个衬底上，通过精密控制的外延生长技术，生长成薄层，一般约几微米厚，外延生长技术例如有分子束外延或汽相外延。此类生长技术能够以极理想并按指定的成分，淀积出单晶层。
激活区最好包含量子阱。量子阱激光器结构比没有量子阱的装置有较低的阈值电流和较高的输出功率。(例如见J.F.Ready，同前)。业内人士都知道，一个量子阱是夹在有较大能隙值的两层半导体材料中间的一层非常薄的半导体材料。一个例子是夹在两层AlGaAs之间的GaAs。如果该层足够薄，比如20nm或更小，电子的一些量子力学性质就会显现出来，这些性质改变了材料的能级结构。量子阱材料的这些性质因而与相同成分的大块半导体的性质有所不同。具体说，量子阱的这些性质，是由较大能隙的层形成的势阱，对载流子约束的结果。这一约束增加了激光器装置的增益系数和减小了激光器装置的阈值电流。对量子阱装置，可以采用单个量子阱，或多个量子阱，后者由若干层大能隙材料与小能隙材料组成的交替薄层形成。多个量子阱结构有时被称为超晶格。
上部和下部反射器通常用介质的或半导体的分布布拉格反射器(DBR)。也可以用反射膜和介质反射镜。半导体DBR比介质反射镜有若干可取性质，比如在空气隙内对激光波长的变化有较高的灵敏度(5至10倍)，由此能给出较大的调谐范围；由于外延技术的使用，制作过程容易、精确、和可重复；以及可预测的材料与机械特性。(例如见Christenson等，IEEE Photonics Tech.Lett.，Vol.9，725(1997)；和M.C.Larson等，Appl.Phys.Lett.，Vol.68，891(1998)。)特别是，已经有文献报导，使用AlGaAs系列材料，用诸如热氧化等技术，制作出大自由光谱区(FSR)的半导体DBR。(业内人士知道，自由光谱区是一个激光器的两个Fabry-Perot模之间的波长间隔。例如见M.H.MacDougal等，Electron Lett.，Vol.30，1147(1994)。)可编程磁铁材料是任何能提供合适性质的材料。最好是，可编程磁铁包含一种能由脉冲磁场改变其磁性的材料。合适的磁铁的例子包括Fe-Cr-Co、Fe-Al-Ni-Co(Alnico)、Cu-Ni-Fe(Cunife)、Co-Fe-V(Vicalloy)、低矫顽磁力的稀土钴(如Sm-Co)或Nd-Fe-B磁铁、以及钡铁氧体或锶铁氧体磁铁。对可编程磁铁，其矫顽磁力范围通常在500Oe以下，且最好在100Oe以下，便于用螺线管的脉冲磁场使之再磁化，改善可编程的难易程度。矫顽磁力通常在10Oe以上且最好在30Oe以上，以便保持剩余磁化的稳定性，也为了保持其抗杂散磁场引起退磁的稳定性。当磁场撤除后，为了所需的磁化的可闩锁性，可编程磁铁最好有矩形磁化磁滞回线，其矩形比(剩余磁化/饱和磁化)至少为0.85，为0.90更好，最好为0.95。为了改善控制，回线最好至小以Hc的50％歪斜，例如，像美国专利申请序号09/020206(我们的参考号是Espindola 6-148-2-44)和09/097549(我们的参考号是Espindola 10-154-6-76)，在这里引用这两个发明，以供参考。为了做成需要的形状，比如棒状，最好用机械上可延展的并易于成型或加工的磁铁合金，例如Fe-Cr-Co、Co-Fe-V。对稳定的、有较高矫顽磁力(例如Hc＞1000Oe)的永久磁铁，例如Sm-Co或Nd-Fe-B，要用低磁场对其剩余磁化进行编程，看来有很多困难。
本发明的可调谐激光器，可获得的调谐范围是其激光结构的自由光谱范围，亦即由其有效腔长决定。可以按所需的范围对输出波长进行调谐，例如，设计提供的总范围不小于20nm，有不小于40nm的可供选择。但是，较小的范围也是可能的，且在某些情形下是需要的，这将视具体应用而定。
可以通过悬臂或其他结构上磁性材料的安排来获得需要的结果。例如，在图3，磁性材料62是粘在悬臂58的臂上，位于更靠近悬臂的支承部分。对由可编程磁铁64和螺线管66使磁性材料62产生的给定位移，这种布局能使空隙60的间距产生较大的变化。如前面的实施例，图3的装置还包括一个支承衬底50，以及含有激活区52及上部与下部反射器54、56的一种激光结构。
由于悬臂的偏转，可能使上部反射器倾斜而导致损耗，对调谐范围或激光器性能产生不利影响。图4画出一种减小这种倾斜损耗的布局。具体说，用两个独立的可编程磁铁76和77，及分开的两套螺线管78、79，以减小或避免倾斜。不同的磁力，加在悬臂70的扩展部分71的磁性材料74、75上，扩展部分位于上部反射器的可移动部分72上，从而产生一个力矩来改正倾斜。也可以用多于两个的独立可调谐磁铁，以给出更好的倾斜控制。
本发明可以闩锁特定的波长。具体说，对螺线管施加一个脉冲或短时间的激励电流后，可移动磁性材料被闩锁在某个位置(由磁力和悬臂结构的张力之间的平衡决定)，不再需要持续提供电功率。在一个实施例中，这种闩锁是用如前述的、有歪斜的磁滞回线的可编程磁铁获得的。例如，一种Fe-28％Cr-7％Co合金的M-H回线，经形变老化后产生一条70Oe的Hc的矩形M-H回线，大小为直径0.180”及长4”的合金棒被～60Oe弯曲，所产生的一条M-H回线(近似)示于图5。对施加的磁场H1和H2，在磁场撤除后，相应的磁化像被锁住似地保持，因而产生的偏转ε1和ε2也像被锁住似地保持。所以，装置工作时无需持续提供功率。被闩锁的移动，即施加的磁场撤除后产生的移动，至少是施加磁场时产生的移动的85％，不小于90％更好，最好不小于95％。要对装置从这个被闩锁的状态进行调谐，可以改变可编程磁铁中的磁化，使偏转改变并再闩锁。例如，增加施加的磁场，或退磁后再磁化至一个新的磁场强度，便可实现这种改变和再闩锁。用螺线管使可编程磁铁磁化，使用脉冲场(在螺线管中的脉冲电流)可以方便地使装置高速、低功耗地工作。脉冲场所需的持续时间或速度，通常在10-10-6秒范围，最好是10-1-10-4秒。施加的脉冲电流形状可以是正弦形的、矩形的、梯形的、三角形的、或不规则的。螺线管可以是单个螺线管，或包括两个或多个单独控制的部分。
本发明的可调谐并可任意闩锁的激光装置，在多种应用中十分有用，其中包括光通信系统。例如，图6画出一种多波长激光光源，用于WDM光学网络，内中包含本发明的可调谐激光光源。如果在某个个别可调谐激光器的波长范围内，有任一个离散波长激光器(记以“DL”)失效，则每一个可调谐激光器都可以作为一个备份光源，因此改进了网络的可靠性。此外，在网络超载时，可以根据需要，用这些可调谐激光器来提供与当前正在使用的波长不同的波长，因此改善了网络的信息传递能力和硬件的利用率。本发明的可调谐激光器装置，如果需要，还可以用于非闩锁的、连续调谐模式，例如扫描某个激光器的波长范围，以检测指定波长的装置的工作(例如波长信道的分/插模块、滤波器等)，用于这类网络的管理、诊断、和故障排除。要实现这一目的，例如，用一块能连续扫描的软磁铁，取代可编程磁铁。这样一种可变的激光光源，还有广泛的应用，例如，用激光扫描器作增强的光学特征识别、以光纤为基础的图象显示系统、以及激光加工仪器，对表面光学特性，如光反射或吸收特性不同的材料及装置，进行表面加工。
本发明的其他实施例，业内熟练人士参阅本发明在此披露的说明和实现办法，是容易明白的。
权利要求
1.一种包含可调谐激光器的装置，该可调谐激光器包括一种激光器结构，包括一个下部反射器、一个激活激光区、和包含界定一段可调节空隙的可移动反射器部分的一个上部反射器；一种磁性材料，位于从可移动反射器部分的表面选出的一个表面上，和一个与可移动反射器部分相连的表面；及一块可编程磁铁，它能使磁性材料产生受控的移动，磁性材料的移动又带动可移动反射器部分的移动，于是可移动反射器部分与不可移动反射器部分之间的间距能够被调节。
2.按照权利要求1的装置，其中的上部反射器还包括一个不可移动的反射器部分，它紧邻激活激光区，位于可调节空隙与可移动反射器部分相对的位置。
3.按照权利要求2的装置，其中调节可移动反射器部分与不可移动反射器部分之间的可调节空隙，控制激光器结构的输出波长。
4.按照权利要求1的装置，其中的激光器结构包括一种表面发射激光器。
5.按照权利要求4的装置，其中的激光器结构包括一种竖直腔表面发射激光器。
6.按照权利要求1的装置，其中的激活激光区包括一种III-V族化合物半导体。
7.按照权利要求6的装置，其中的激活激光区是从Al1-xGaxAs、In1-xGaxAs1-yPy、AlxGayIn1-x-yP、和In1-xGaxAs中选出的。
8.按照权利要求1的装置，还包括至少一个螺线管，能用之对可编程磁铁施加一个磁场。
9.按照权利要求1的装置，其中的可编程磁铁能够闩锁可移动反射器部分的移动。
10.按照权利要求9的装置，其中被闩锁的移动至少为施加磁场时产生的移动的85％。
11.按照权利要求3的装置，其中的激光器结构的输出波长能够在至少20nm的范围内调谐。
12.按照权利要求11的装置，其中的激光器结构的输出波长能够在至少40nm的范围内调谐。
13.按照权利要求1的装置，其中的上部反射器和下部反射器包括一些选自分布布拉格反射器、介质反射镜、和反射膜等反射结构。
14.按照权利要求1的装置，其中的激活激光区包括至少一个量子阱层。
15.按照权利要求1的装置，其中的磁性材料至少包括Fe、Ni、Co、坡莫合金、Nd-Fe-B、和Sm-Co中的一种。
16.按照权利要求1的装置，其中至少一块可编程磁铁有矩形的磁化磁滞回线，其矩形比至少为0.85。
17.按照权利要求16的装置，其中的可编程磁铁至少包括选自Fe-Cr-Co、Fe-Al-Ni-Co、Cu-Ni-Fe、Co-Fe-V、稀土钴、Nd-Fe-B、钡铁氧体、和锶铁氧体中的一种合金。
18.按照权利要求1的装置，其中的磁性材料选自软的、硬的、或可编程的磁性材料。
19.按照权利要求1的装置，其中支承可移动反射器部分的结构，是从一个悬臂结构、一个铰链结构、和一个枢轴结构中选出来的。
20.按照权利要求1的装置，还包括第二磁性材料，位于一个表面上，该表面选自可移动反射器部分的一个表面和一个与可移动反射器相接触的表面，和第二可编程磁铁，它能使第二磁性材料产生受控的移动。
21.按照权利要求1的装置，其中的磁性材料直接放在可移动反射器部分的上面。
22.按照权利要求1的装置，其中的磁性材料直接放在与可移动反射器部分相装配的扩展部分的上面。
23.按照权利要求1的装置，其中的装置是一个探测器装置。
24.按照权利要求1的装置，其中的装置是一个波分复用系统。
全文摘要
本发明给出一种使用改进了的可调谐激光器结构的装置,该结构对各种表面发射激光器是很有用的,且能有需要的可闩锁性质。本发明的可调谐激光器包括一种激光器结构,它有一个下部反射器、一个激活激光区、和一个上部反射器。上部反射器包括一个不可移动反射器部分,紧靠激活激光区;和一个可移动反射器部分,与不可移动反射器部分隔开一段距离。一块磁性材料或者位于可移动反射器部分的一个表面上,或者位于与可移动反射器部分连接的一个表面上。
文档编号H04J14/02GK1264941SQ0010224
公开日2000年8月30日 申请日期2000年2月18日 优先权日1999年2月22日
发明者森霍·金, 哈里士·马沃瑞 申请人:朗迅科技公司