CN105322437A - 分布反馈半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布反馈半导体激光器，上述激光器为多层复合结构，其中，多层复合结构依次由N型电极、衬底、下包层、下分别限制层、应变多量子阱有源层、上分别限制层、缓冲层、光栅层、上包层、P型电极组成，激光器相对设置的两个端面分别镀有高反膜层和减反膜层，光栅层的光栅布拉格波长与有源区增益峰波长失谐并相对蓝移。可以有效地减小激光器输出光信号在XG-PON或10G-EPON光纤接入网络中传输时由器件寄生啁啾引起的色散功率代价。

Description

分布反馈半导体激光器

技术领域

本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种分布反馈半导体激光器。

背景技术

目前，在各种宽带接入技术中，无源光网络(PON)接入技术拥有容量大、传输距离长、成本较低、全业务支持等优势。相关技术中已经标准化的无源光网络主要包括：异步转移模式无源光网络(APON)、以太网无源光网络(EPON)、千兆无源光网络(GPON)、10G-EPON和XG-PON。10G-EPON和XG-PON是在EPON和GPON之后系统带宽升级到10Gb/s的光接入网技术。在已经制定的10GPON标准中(XG-PON和10GEPON)，从中心局端到用户端的下行链路的光源波长设置在1574-1580nm之间。调制速率为10Gb/s的L波段直接调制半导体激光器作为下行链路的光源器件存在以下缺陷：用于信号传输的标准单模光纤在1574-1580nm的波长范围内较1550nm处具有更大的色散效应。当光源具有一定的频谱线宽时，不同波长的光在光纤中的传播速度差别更大，从而导致更为严重的脉冲波形展宽，进而产生更大的码间串扰，由此极大地限制了信号的传输距离。

目前，国际上普遍采用的是电吸收调制激光器(EML)作为上述系统的光源器件，该器件具有低啁啾特性，从而能够在PON系统要求的20Km传输距离内满足性能要求。然而，该器件采用的是外调制结构，需要将半导体激光器与电吸收调制器(EAM)进行单片集成。由于实现集成的工艺复杂，因而EML器件的可靠性和成品率在国际上也一直是个难题。另一种抑制啁啾的现有技术是在分布反馈激光器后连接窄带滤波器，即啁啾管理激光器(CML)；其利用窄带滤波器的边沿滤波效应使得分布反馈激光器输出的“1”信号通过，而“0”信号被极大的滤除，从而增加了信号消光比，由此，减小了色散对传输性能的影响。但是，该技术需要分别对分立的激光器和滤波器进行温度控制，组件本身结构以及外围控制电路均比较复杂。并且，滤波器的带宽通常都要求极窄，这又大大增加了激光器输出波长与滤波器通带的对准难度。

发明内容

本发明提供了一种分布反馈半导体激光器，以至少解决相关技术中针对L波段具有低线宽展宽因子的分布反馈半导体激光器，其在直接调制时具有较低的寄生频率啁啾。因而，其在XG-PON或10G-EPON网络中传输时可有效的减小由寄生啁啾引起的色散功率代价的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种分布反馈半导体激光器。

根据本发明实施例的分布反馈半导体激光器包括：激光器为多层复合结构，其中，多层复合结构依次由N型电极、衬底、下包层、下分别限制层、应变多量子阱有源层、上分别限制层、缓冲层、光栅层、上包层以及P型电极组成，激光器相对设置的两个端面分别镀有高反膜层和减反膜层，光栅层的光栅布拉格波长与有源区增益峰波长失谐并相对蓝移。

优选地，光栅布拉格波长与有源区增益峰波长失谐并相对蓝移包括：光栅布拉格波长为L波段内的1577±3nm；应变多量子阱有源层所采用的材料为铝镓铟砷，应变多量子阱有源层增益峰值处波长为1600±5nm。

优选地，对应变多量子阱有源层中的量子阱施加1.2％至1.5％压应变并且对应变多量子阱有源层中的有源区势垒施加0.1％至0.3％的张应变。

优选地，衬底、下包层、缓冲层以及上包层所采用的材料均为磷化铟。

优选地，下分别限制层和上分别限制层所采用的材料为铝镓铟砷。

优选地，光栅层所采用的材料为铟镓砷磷。

优选地，N型电极所采用的材料为钛、铂、金合金，P型电极所采用的材料为金、锗、镍合金。

优选地，在相对设置的两个端面中的第一端面镀有功率反射率为90％的高反膜层以及相对设置的两个端面中的第二端面镀有功率反射率为10％的减反膜层。

优选地，上述激光器应用于XG-PON或者10G-EPON网络中心局端。

通过本发明实施例，采用激光器为多层复合结构，其中，多层复合结构依次由N型电极、衬底、下包层、下分别限制层、应变多量子阱有源层、上分别限制层、缓冲层、光栅层、上包层、P型电极组成，激光器相对设置的两个端面分别镀有高反膜层和减反膜层，光栅层的光栅布拉格波长与有源区增益峰波长失谐并相对蓝移，解决了相关技术中针对L波段具有低线宽展宽因子的分布反馈半导体激光器，其在直接调制时具有较低的寄生频率啁啾。因而，其在XG-PON或10G-EPON网络中传输时可有效的减小由寄生啁啾引起的色散功率代价的问题，进而可以有效地减小激光器输出光信号在XG-PON或10G-EPON光纤接入网络中传输时由器件寄生啁啾引起的色散功率代价。

附图说明

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

图1是根据本发明优选实施例的半导体激光器的结构示意图；

图2是根据本发明优选实施例的激光器有源层的归一化增益以及线宽展宽因子与波长关系的示意图；

图3是根据本发明优选实施例的激光器有源层量子阱压应变量对增益带宽影响的示意图；

图4是根据本发明优选实施例的激光器前向输出端面的“功率-电流”曲线的示意图；

图5是根据本发明优选实施例的激光器前向输出端面的输出光功率谱的示意图；

图6根据本发明优选实施例的激光器前向输出端面的小信号调制的幅度响应曲线的示意图；

图7是根据本发明优选实施例的采用和未采用减小线宽展宽因子技术的激光器啁啾特性比较的示意图；

图8是根据本发明优选实施例的对采用和未采用激光器的前向输出信号在20Km光纤传输后的传输误码率与接收机接收功率关系的示意图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，在本发明优选实施例的半导体激光器中，可以将相对设置的两个端面的第一端面定义为背向端面，第二端面定义为前向输出端面。

图1是根据本发明实施例的基于带通滤波结构的单纵模半导体激光器的结构示意图。如图1所示，其横向结构(x-y截面)为脊波导结构，由自下而上依次排列的N型电极1、衬底2、下包层3、下分别限制层4、应变多量子阱有源层5、上分别限制层6、缓冲层7、光栅层8、上包层9、P型电极10组成，其中，激光器相对设置的两个端面分别镀有高反膜层和减反膜层，光栅层的光栅布拉格波长与有源区增益峰波长失谐并相对蓝移。

高速直接调制半导体激光器作为光源是光纤通信系统中的关键器件，它在光纤通信系统以及高速信息传输系统中都有极其重要的应用。分布反馈式半导体激光器具有结构紧凑、功耗低、成本低以及可直接调制等优点。然而，目前XG-PON和10GEPON网络中L波段的光源主要采用的是基于外部调制结构的电吸收调制激光器。阻碍直接调制分布反馈半导体激光器应用的主要问题是其直接调制带来的寄生频率啁啾(也即寄生波长啁啾)在光纤中传输时会带来较大的色散功率代价。采用如图1所示的激光器，利用激光器有源区增益峰值的短波长一侧具有较小的线宽展宽因子的特点，使得由光栅确定的工作波长与有源区增益峰波长失谐并相对蓝移，由此解决了相关技术中针对L波段具有低线宽展宽因子的分布反馈半导体激光器，其在直接调制时具有较低的寄生频率啁啾。因而，其在XG-PON或10G-EPON网络中传输时可有效的减小由寄生啁啾引起的色散功率代价的问题，从而在工作波长处激光器具有较小的线宽展宽因子，达到降低器件工作时的寄生啁啾、减小其在光纤中传输时带来的色散功率代价。

在优选实施过程中，上述激光器可以应用于XG-PON或者10G-EPON网络中心局端。

优选地，光栅布拉格波长与有源区增益峰波长失谐并相对蓝移需要同时满足以下两个条件：

条件一：光栅布拉格波长为L波段内的1577±3nm；

条件二：应变多量子阱有源层所采用的材料为铝镓铟砷，应变多量子阱有源层增益峰值处波长为1600±5nm。

优选地，对应变多量子阱有源层中的量子阱施加1.2％至1.5％压应变并且对应变多量子阱有源层中的有源区势垒施加0.1％至0.3％的张应变。

在优选实施过程中，衬底2、下包层3、缓冲层7以及上包层9所采用的材料均为磷化铟(InP)。

在优选实施过程中，下分别限制层4和上分别限制层6采用的材料为铝镓铟砷(AlGaInAs)。

在优选实施过程中，应变多量子阱有源层5采用的材料为铝镓铟砷(AlGaInAs)。

在优选实施过程中，光栅层8所采用的材料为铟镓砷磷(InGaAsP)。

在优选实施过程中，N型电极1所采用的材料为钛、铂、金合金。

在优选实施过程中，P型电极10所采用的材料为金、锗、镍合金。

优选地，上述激光器的纵向腔长为250μm，在相对设置的两个端面中的第一端面镀有功率反射率为90％的高反膜层以及相对设置的两个端面中的第二端面镀有功率反射率为10％的减反膜层。

对于应变多量子阱的有源区，导带中的波函数和E-k色散关系是由求解单一薛定谔方程获得解析结果，而价带的波函数和E-k色散关系可以通过解耦合薛定谔方程得到数值解。然后通过数值积分计算得到光学材料中TE和TM模式的增益。对于已经施加压应变的量子阱，TE模式的增益远大于TM模式的增益，因此，下文所提及的材料增益均指TE模式增益。材料折射率的变化方程可以通过Kramers-Kronig变换得到。最后，材料的线宽增强因子可以通过计算载流子的变化引起的材料折射率变化与增益变化的比值最终获得。

图2是根据本发明优选实施例的激光器有源层的归一化增益以及线宽展宽因子与波长关系的示意图。如图2所示，通过计算得到的有源区增益的峰值波长为1600nm，而工作波长为1577nm，即工作波长与增益峰值波长向短波长一侧存在23nm的失谐量。另一方面，可以看到线宽展宽因子沿增益峰值的短波长方向逐渐减小，因而，该23nm的失谐量可以使得工作波长处的线宽展宽因子(绝对值大小)比增益峰值波长处的线宽展宽因子减小约一倍。

图3是根据本发明优选实施例的激光器有源层量子阱压应变量对增益带宽影响的示意图。如图3所示，对量子阱分别施加1％的压应变和1.5％的压应变时，归一化增益与波长相对于增益峰值波长偏移的关系图。增益谱3dB带宽的定义为增益值下降到增益峰值一半时波长所对应的范围。图3中指示的是压应变为1％时的3dB带宽。压应变为1.5％时的3dB带宽可由类似方法获得。由图3可知，增加量子阱区的压应变有助于提高增益的3dB带宽，从而使得工作波长向增益峰值的左侧也即短波长方向偏移时仍可获得足够大的增益值，也即在工作波长1577nm处，其虽然与增益峰值有23nm的失谐，仍可具有较高的增益。

图4是根据本发明优选实施例的激光器前向输出端面的“功率-电流”曲线的示意图。如图4所示，激光器的阈值电流、斜效率分别为8mA、5.3mW/mA。图5是根据本发明优选实施例的激光器前向输出端面的输出光功率谱的示意图。如图5所示，激光器的“边模抑制比”约为55dB。“边摸抑制比”可以定义为输出光功率谱中输出光功率最大的模式的功率分贝(dB)值与输出光功率第二大的模式的功率分贝(dB)值的差，为表征激光器单模特性的性能指标。阈值电流通常定义为：使得激光器达到激射条件，开始产生输出功率时的电流输入值；斜效率通常是在给定工作电流的前提下计算，其定义为：在给定工作电流处，“功率—电流”曲线的斜率即输出功率变化小量除以输入电流变化小量。工作电流通常取在阈值电流加20mA处。通过上述图4和图5可以表明，本发明实施例所提供的激光器的芯片性能属于正常范围，因而，采用工作波长与增益峰值波长的失谐设计并未造成激光器芯片性能的较大恶化。

小信号近似常常被用来分析半导体激光器的响应特性，例如：激光器的小信号调制特性。在动态状态下，载流子浓度和光子密度均可以表示为一个稳态值和一个随时间变化的量之和。在假设变化量相对于稳态值较小的情况下，从半导体激光器的单模速率方程出发，采用小信号分析和速率方程的微分分析法能够计算出DFB激光器对调制电流响应的频率范围。本发明实施例主要关心的半导体激光器的调制带宽可通过小信号响应获得，通常定义为调制响应下降到低频值或直流值的3dB时的频率。图6根据本发明优选实施例的激光器前向输出端面的小信号调制的幅度响应曲线的示意图。如图6所示，是在偏置电流约为1.6倍阈值电流的情况下，激光器前向输出端面的小信号调制的幅度响应曲线。激光器的小信号调制带宽约为15GHz。因而，可以满足速率为10Gb/s的无源光网络对器件调制速率的要求。

图7是根据本发明优选实施例的采用和未采用减小线宽展宽因子技术的激光器啁啾特性比较的示意图。如图7所示，实线表示采用本发明实施例所提供的技术方案，虚线表示未采用本发明实施例所提供的技术方案。在零时刻，工作电流由“0”比特对应的电流跳至“1”比特对应的电流。在电流发生“0”到“1”的跳变后，激光器的波长向短波长方向发生偏移，该偏移称为波长啁啾，并且可以观察到采用了本发明实施例所提供的减小线宽展宽因子技术的激光器的波长啁啾明显减小。

图8是根据本发明优选实施例的对采用和未采用激光器的前向输出信号在20Km光纤传输后的传输误码率与接收机接收功率关系的示意图。如图8所示，其中还画出了背靠背的传输情况作为比较。通常从光源产生的光信号脉冲由于光纤的色散影响会产生脉冲的展宽，该展宽会引起相邻码元的码间串扰，同时各个码元的信号由于向两侧泄露也会引起码元内信号幅度的降低，从而导致接收端信号信噪比的降低，其将最终导致误码率增加。因此，输入信号的功率必将有所提高以维持系统要求的误码率。该功率提高量被定义为色散功率代价，单位通常用dB表示。由此，从图8可知，如果以1E-5的误码率为标准，未采用本发明实施例所提供的激光器的色散功率代价约为2dB，而采用本发明实施例所提供的激光器的色散功率代价降低至约1dB。

从以上的描述中，可以看出，上述实施例实现了如下技术效果(需要说明的是这些效果是某些优选实施例可以达到的效果)：采用本发明实施例所提供的技术方案，提供了一种低线宽展宽因子的L波段分布反馈半导体激光器，其横向结构即x-y截面所示的结构为脊波导，自下而上由依次排列的N型电极、衬底、下包层、下分别限制层、应变多量子阱有源层、上分别限制层、缓冲层、光栅层、上包层、P型电极组成。光栅层中光栅的Bragg波长与有源区增益峰波长失谐并相对蓝移。由此可以实现在工作波长1577nm处具有较低的线宽展宽因子，从而可以有效地减小激光器输出光信号在XG-PON或10G-EPON光纤接入网络中传输时由器件寄生啁啾引起的色散功率代价。

与现有技术相比，本发明实施例所提供的激光器具有以下优势：

(1)其制作工艺步骤与已成熟的普通脊波导条形分布反馈半导体激光器的制作工艺步骤一致，制作成本低；

(2)其结构紧凑，与EML相比，无需单片集成电吸收调制区；与CML相比，无需外接滤波器，以及外围温度控制电路；

(3)可进行直接调制；

(4)在工作波长处，增益材料具有较小的线宽展宽因子，从而大大减小了半导体激光器在被直接调制时产生的寄生啁啾。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种分布反馈半导体激光器，其特征在于，包括：所述激光器为多层复合结构，其中，所述多层复合结构依次由N型电极、衬底、下包层、下分别限制层、应变多量子阱有源层、上分别限制层、缓冲层、光栅层、上包层以及P型电极组成，所述激光器相对设置的两个端面分别镀有高反膜层和减反膜层，所述光栅层的光栅布拉格波长与有源区增益峰波长失谐并相对蓝移。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述光栅布拉格波长与所述有源区增益峰波长失谐并相对蓝移包括：

所述光栅布拉格波长为L波段内的1577±3nm；

所述应变多量子阱有源层所采用的材料为铝镓铟砷，所述应变多量子阱有源层增益峰值处波长为1600±5nm。

3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，对所述应变多量子阱有源层中的量子阱施加1.2％至1.5％压应变并且对所述应变多量子阱有源层中的有源区势垒施加0.1％至0.3％的张应变。

4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述衬底、所述下包层、所述缓冲层以及所述上包层所采用的材料均为磷化铟。

5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述下分别限制层和所述上分别限制层所采用的材料为铝镓铟砷。

6.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述光栅层所采用的材料为铟镓砷磷。

7.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述N型电极所采用的材料为钛、铂、金合金，所述P型电极所采用的材料为金、锗、镍合金。

8.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，在所述相对设置的两个端面中的第一端面镀有功率反射率为90％的高反膜层以及所述相对设置的两个端面中的第二端面镀有功率反射率为10％的减反膜层。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的激光器，其特征在于，所述激光器应用于XG-PON或者10G-EPON网络中心局端。