一种控制脊条宽度来改善DFB半导体激光器性能的装置和方法

一种控制脊条宽度来改善dfb半导体激光器性能的装置和方法
技术领域
1.本发明涉及光电子技术领域，涉及一种控制脊条宽度来改善dfb半导体激光器性能的方法和装置。


背景技术：

2.对于均匀光栅dfb半导体激光器来说，要使激光器工作在稳定的单模工作状态，可以在均匀光栅中引入一个真实相移。由于光栅周期一般是亚微米量级，因此要制作真实相移光栅，通常需要用到高精度的电子束刻写设备，因而真实相移dfb半导体激光器通常比较昂贵。
3.另一种方法是在均匀光栅dfb半导体激光器的两端分别镀上高反射膜和增透膜，利用随机的端面相位使激光器获得单模工作状态。但这种方法获得激光器的单模成品率大约在60％左右，较低的成品率使得这种方法不适用于制作下一代波分复用系统的多波长激光器阵列等场合。
4.另一方面，itu-t标准要求用于波分复用系统的光波长只能有很小的波动范围，这就使得波分复用系统所用光源波长要么波动很小始终能满足itu-t标准要求，要么能迅速通过调节满足itu-t标准要求。


技术实现要素：

5.针对背景技术中提到的问题，本发明的目的是提供一种分布反馈式半导体激光器装置，以解决背景技术中提到的问题。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.一种两端都镀有增透模的均匀光栅半导体激光器装置，从上往下看半导体激光器的脊条被设计成连续的轴对称图形，所述轴对称图形由沿长边方向依次相连的第一个狭长矩形、第二个狭长矩形和第三个狭长矩形组成，所述第一个狭长矩形宽度和第三个狭长矩形宽度相同，所述第一个狭长矩形宽度、第三个狭长矩形宽度和第二个狭长矩形宽度不同。
8.更进一步的，所述激光器的第一个狭长矩形脊条长度和第三个狭长矩形脊条长度相同。
9.更进一步的，所述激光器的第一个狭长矩形脊条长度、第三个狭长矩形脊条长度和第二个狭长矩形脊条长度相同。
10.更进一步的，从上往下看所述半导体激光器的脊条被设计成连续的轴对称图形，所述轴对称图形由宽度不同的两个狭长矩形沿长度方向相连组成。
11.更进一步的，镀增透膜一端所述狭长矩形脊条长度为镀高反射膜一端狭长矩形脊条长度的2倍。
12.更进一步的，由上述中任意一项所述的半导体激光器装置构成。
13.本发明还提出了一种光子集成发射芯片模块的制备方法，由单片集成的激光监测
器阵列、分布反馈式半导体激光器阵列、调制器阵列、功率均衡器阵列和复用器，通过选择区外延生长或对接生长技术，依次生长集成到同一外延晶片上构成。
14.综上所述，本发明主要具有以下有益效果：
15.首先，本发明不需要昂贵的电子束曝光技术，就可以在用常规方法制造的均匀光栅半导体半导体激光器中引入分布相移，从而使激光器处于稳定的单模激射状态。利用本发明所提出的激光器结构，可使激光器注入电流在一定范围内变化时激射波长变化很小，不需要额外调节手段就能始终满足itu-t要求。
附图说明
16.图1普通均匀光栅半导体激光器结构示意图；
17.图2是从上往下看的一种本发明所述半导体激光器脊条形状结构示意图；
18.图3是从上往下看的一种改进的本发明所述半导体激光器脊条形状结构示意图；
19.图4是一种多波长光子集成发射芯片功能结构示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
21.参考图1至图4，本发明激光器的制作工艺与常规的光通信领域所用的均匀光栅半导体激光器完全相同，通常由in、ga、as、p或al等
ⅲ‑ⅴ
族半导体材料制成，激光器电极覆盖住脊条上方，激光器长宽都在数百微米量级，脊条宽度在数微米量级；随着脊条的加宽沿激射腔激光器的有效折射率会随之增长，脊条的宽度越大激光器的有效折射率越大。
22.本发明激光器与普通均匀光栅半导体激光器不同之处在于：普通均匀光栅半导体激光器有着均匀狭长的方柱形脊条，从上往下看脊条的宽度保持不变；而本发明激光器脊条从上往下看是连续的轴对称图形，如图2和3所示。
23.本发明公开的一种利用控制脊条宽度来改善均匀光栅半导体激光器激射特性的装置，从上往下看所述半导体激光器的脊条被设计成连续的轴对称图形，所述轴对称图形由沿长边方向依次相连的第一个狭长矩形、第二个狭长矩形和第三个狭长矩形组成，所述第一个狭长矩形宽度和第三个狭长矩形宽度相同，所述第一个狭长矩形、第三个狭长矩形宽度和第二个狭长矩形宽度不同；本发明只用均匀光栅半导体激光器相同工艺的常规制作方法，就能在激光器通电工作时在均匀光栅中引入分布相移而使激光器单模激射；当所述第一个狭长矩形脊条、第三个狭长矩形脊条宽度大于第二个狭长矩形脊条宽度时，激光器注入电流在一定范围内变化时激射波长变化很小；当所述第一个狭长矩形脊条、第三个狭长矩形脊条宽度小于第二个狭长矩形脊条宽度时，调节注入电流可在更大范围内连续精细调控激射波长。一种改进装置是均匀光栅半导体激光器两端分别镀以高反射膜和增透膜，从上往下看所述半导体激光器脊条被设计成连续的轴对称图形，所述轴对称图形由宽度不同的两个狭长矩形沿长边方向相连组成，这样的脊条结构能使激光器通电工作时在均匀光栅中引入分布相移而单模激射；当镀高反射膜一端的狭长矩形脊条宽度大于增透膜一端的
狭长矩形脊条宽度时，激光器注入电流在一定范围内变化时激射波长变化很小；当镀高反射膜一端的狭长矩形脊条的宽度度小于增透膜一端的狭长矩形脊条的宽度时，调节注入电流也可在更大范围内连续精细调控激射波长。
24.实施例1
25.参考图2中的(a)，本发明所述半导体激光器脊条形状结构示意图，激光器两端镀有增透膜，从上往下看激光器脊条由依次相连的第一个狭长矩形、第二个狭长矩形和第三个狭长矩形沿长边方向相连组成的轴对称图形，第一个狭长矩形脊条和第三个狭长矩形脊条宽度相同，第二个狭长矩形脊条宽度小于第一个狭长矩形脊条宽度和第三个狭长矩形脊条宽度；激光器两端面都镀有增透膜，从上往下看激光器脊条由依次相连且长度相同的第一个狭长矩形、第二个狭长矩形和第三个狭长矩形组成的轴对称图形，第一个狭长矩形脊条宽度和第三个狭长矩形脊条宽度相同，第一个狭长矩形脊条宽度、第三个狭长矩形脊条宽度大于第二个狭长矩形脊条宽度。
26.实施例2
27.参考图2中的(b)，本发明所述半导体激光器脊条形状结构示意图，激光器两端镀有增透膜，从上往下看所述激光器的第一部分脊条和第三部分脊条宽度相同，第二部分脊条宽度大于第一部分脊条和第三部分脊条宽度，与实施例1不同之处在于：第一个狭长矩形脊条宽度、第三个狭长矩形脊条宽度小于第二个狭长矩形脊条宽度。
28.实施例3
29.参考图3中的(a)，改进的本发明所述半导体激光器脊条形状结构示意图，所述激光器的两端面分别镀有高反射膜和增透膜，从上往下看镀高反射膜一端脊条宽度小于镀增透膜一端脊条宽度，激光器两端面分别镀有高反射膜和增透膜，从上往下看激光器脊条由依次相连的宽度不同的两个狭长矩形沿长边方向相连组成的轴对称图形，镀高反射膜一端狭长矩形脊条长度为镀增透膜一端狭长矩形脊条长度的一半，镀高反射膜一端狭长矩形脊条宽度小于镀增透膜一端狭长矩形脊条宽度。
30.实施例4
31.参考图3中的(b)，改进的本发明所述半导体激光器脊条形状结构示意图，所述激光器的两端面分别镀有高反射膜和增透膜，从上往下看镀高反射膜一端脊条宽度大于镀增透膜一端脊条宽度，与实施例3不同之处在于：镀高反射膜一端狭长矩形脊条宽度大于镀增透膜一端狭长矩形脊条宽度。
32.实施例5
33.参考图4，一种多波长光子集成发射芯片，它由后向激光功率监测器阵列、本发明激光器阵列、功率均衡器阵列、调制器阵列和合波器，通过外延生长或对接生长技术集成到同一芯片上制成。
34.1、本发明激光器在均匀光栅中引入分布相移原理
35.为简便起见，这里以如2所示脊条为例来加以说明。沿激射腔整个激光器被分成包括第一部分、第二部分和第三部分的共三段，第一部分激光器脊条宽度和第三部分激光器脊条宽度相同，第一部分激光器脊条宽度、第三部分激光器脊条宽度和第二部分激光器脊条宽度不同。显然第一部分激光器有效折射率、第三部分激光器有效折射率相同，但和第二部分激光器有效折射率不同，这就在激光器均匀光栅中引入了分布相移。
36.如果用n
eff1
来表示第一部分激光器有效折射率和第三部分激光器有效折射率，n
eff2
表示第二部分激光器有效折射率，l表示第一部分激光器、第二部分激光器和第三部分激光器长度，λ表示均匀光栅周期，那么在激光器均匀光栅中引入的分布相移大小为
[0037][0038]
2、本发明激光器激射性能特点
[0039]
如图2(a)所示，当第一部分激光器脊条宽度、第三部分激光器脊条宽度大于第二部分激光器脊条宽度时，n
eff1
＞n
eff2
，而且这种情况下在激光器中注入工作电流增大时，电流热效应会使得激光器的有效折射率增大，导致激射波长和禁带向长波长方向移动；与此同时在第一部分激光器、第三部分激光器中注入电流密度增大比在第二部分激光器中注入电流密度增大得要大，电流热效应会造成n
eff1
增大比n
eff2
增大得多，因此引入的分布相移会增大，这就导致激射波长在禁带范围内向短波长方向移动。当分布相移变化导致激射波长在禁带范围内变动时，电流热效应的这两种作用效果相互对冲，使得激光器激射波长变动减小。
[0040]
如图2中(b)所示，当第一部分激光器脊条宽度、第三部分激光器脊条宽度小于第二部分激光器脊条宽度时，n
eff1
＜n
eff2
，而且这种情况下在激光器中注入工作电流增大时，电流热效应会使得激光器的有效折射率增大，导致激射波长和禁带向长波长方向移动；与此同时在第一部分激光器、第三部分激光器中注入电流密度增大比在第二部分激光器中注入电流密度增大得要小，电流热效应会造成n
eff1
增大比n
eff2
增大得少；因此引入的分布相移会变小，这就导致激射波长在禁带范围内向长波长方向移动。当分布相移变化导致激射波长在禁带范围内变动时，电流热效应的这两种作用效果相互增强，使得激光器激射波长变动增大。
[0041]
如图3所示当激光器两端分别镀高反射膜和增透膜时，高反射膜的反馈作用相当于一个镜面，除了带来随机的端面相位外，还使得引入相同的分布相移时需要的激光器长度只有图3中的一半，引入分布相移的大小仍然可以用式(1)表示。图3(a)激光器中注入工作电流增大时，电流热效应会使得激光器的有效折射率增大，导致激射波长和禁带向长波长方向移动；与此同时在第一部分激光器、第三部分激光器中注入电流密度增大比在第二部分激光器中注入电流密度增大得要大，电流热效应会造成n
eff1
增大比n
eff2
增大得多；因此引入的分布相移变大，变大的分布相移和随机端面相位的共同作用效果，会导致激射波长在禁带范围内向短波长方向移动。当分布相移变化和随机端面相位的共同作用效果导致激射波长在禁带范围内变动时，电流热效应的这两种作用效果相互对冲，使得激光器激射波长变动减小。
[0042]
类似地，图3中的(b)中激光器中注入工作电流增大时，电流热效应会使得激光器的有效折射率增大，导致激射波长和禁带向长波长方向移动；与此同时在第一部分激光器、第三部分激光器中注入电流密度增大比在第二部分激光器中注入电流密度增大得要小，电流热效应会造成n
eff1
增大比n
eff2
增大得少；因此引入的分布相移变小，变小的分布相移和随机端面相位的共同作用效果,会导致激射波长在禁带范围内向长波长方向移动。当分布相移变化和随机端面相位的共同作用效果导致激射波长在禁带范围内变动时，电流热效应的这两种作用效果相互增强，使得激光器激射波长变动增大。
[0043]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。