CN103490277A

CN103490277A - 一种可调谐半导体环形激光器

Info

Publication number: CN103490277A
Application number: CN201310435936.2A
Authority: CN
Inventors: 王卓然; 袁国慧; 何涛; 王维
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-09-23
Filing date: 2013-09-23
Publication date: 2014-01-01

Abstract

本发明的一种可调谐半导体环形激光器，包含跑道形波导和输出波导，跑道形波导中有一段有源波导，其余为无源波导，输出波导与无源波导耦合，用作信号输出。其中跑道形波导由两段环形波导区和两段直波导区交替耦合连接组成，直波导区之一为有源波导，另一直波导区和两段环形波导区为无源波导。该激光器通过在半导体环形激光器中减小有源波导部分，在合理利用半导体环形激光器的双稳态特性的基础上，改变半导体环形激光器的部分结构，采用在跑道形波导的部分区域设置有源波导，在保持原有特点不变的情况下，减小了工艺难度，降低了成本，可以作为新一代密集波分复用系统以及全光网络中光子交换的关键光电子器件。

Description

一种可调谐半导体环形激光器

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种可用于全光逻辑、全光存储于全光信号处理以及光互连、光网络的单片的可调谐半导体环形激光器。

背景技术

现代社会对超高容量信息存储，超快速率信息处理的需求越来越高，包括信号的产生、检测、调制、开关、滤波和复用等功能的全光子系统的微型化与集成化的激光器成为必然趋势。基于F-P腔半导体激光器已在现有技术中应用，用以达到高速度、高密度、低功耗、低成本等要求。在同一衬底上集成不同功能的通用性微型光子器件是一种简单灵活的单片集成全光互联网络的实现方式。双稳态特性是半导体环形激光器固有特性，当电流低于激光器的阈值电流时，顺时针和逆时针方向的会同时输出微弱的光，当电流超过阈值电流并逐渐增加时，顺时针和逆时针的激光会交替出现，即所谓的双稳态。

现在通用的环形激光器的工艺过程是在衬底层上生长有源层，再接着生长波导层，然后是包层和电极，因而有源层遍及整个谐振腔区域，有源层的增长使得阈值电流增加，工艺过程比较复杂，成本增加。

与F-P腔半导体激光器不同，半导体环形激光器利用闭合波导回路作为光学谐振腔，并利用与其相邻的波导将激光耦合输出。一方面，它在形成激射时不需要解理面或光栅提供光反馈。另一方面，由于在波导环形回路中存在两束传播方向相反的光，所以其本身就具有理想的双稳态输出特性。因此它成为实现全光逻辑与全光存储单片集成的最具潜力的器件。随着研究的不断深入，其应用范围已从早期的集成光源和激光陀螺扩展到光随机存储器、全光逻辑、光开关和波长转换器等方面，并在光互连、光网络和光存储等领域产生了重要的影响。但是，现有的半导体环形激光器仍受工艺难度以及成本等方面的限制。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的半导体环形激光器工艺难度大且成本高的不足，提出了一种可调谐半导体环形激光器。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种可调谐半导体环形激光器，其特征在于，包含跑道形波导和输出波导，跑道形波导中有一段有源波导，其余为无源波导，输出波导与无源波导耦合，用作信号输出。

进一步的，所述跑道形波导由两段环形波导区和两段直波导区交替耦合连接组成，直波导区之一为有源波导，另一直波导区和两段环形波导区为无源波导。

进一步的，输出波导为一段直波导，所述输出波导与跑道形波导的直波导区的无源波导平行并耦合。或者，输出波导包含两段直波导，两段波导分别在环形波导区与跑道形波导耦合。或者，输出波导包含两段直波导，两段波导分别在环形波导区和直波导区的无源波导侧与跑道形波导耦合。

进一步的，跑道形波导的两段直波导区均为有源波导。

进一步的，所述有源波导包含控制电极，用于调谐。

本发明的有益效果：本发明的可调谐半导体环形激光器通过在半导体环形激光器中减小有源波导部分，在合理利用半导体环形激光器的双稳态特性的基础上，改变半导体环形激光器的部分结构，采用在跑道形波导的部分区域设置有源波导，在保持原有特点不变的情况下，减小了工艺难度，降低了成本，可以作为新一代密集波分复用系统以及全光网络中光子交换的关键光电子器件。

附图说明

图1为本发明实施例1的可调谐半导体环形激光器的结构示意图；

图2是本发明有源波导的结构示意图；

图3为本发明实施例2的可调谐半导体环形激光器的结构示意图；

图4为本发明实施例3的可调谐半导体环形激光器的结构示意图；

图5为本发明实施例4的可调谐半导体环形激光器的结构示意图。

附图标记说明：跑道形波导1，有源波导2，上包层21，波导层22，有源层23，衬底层24，波导耦合区3，输出波导4。

具体实施方式

为进一步说明本发明的具体技术内容，下面结合附图和实施例对本发明详细说明如下。

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例的一种可调谐半导体环形激光器，包含环形的跑道形波导1和输出波导4。其中，跑道形波导中有一段有源波导2，其余为无源波导，输出波导与无源波导耦合，用作信号输出。具体的，跑道形波导1由两段环形波导区和两段直波导区交替耦合连接组成，直波导区之一为有源波导，另一直波导区和两段环形波导区为无源波导。输出波导4为一段直波导，所述输出波导4与跑道形波导1的直波导区的无源波导平行并耦合，图1示出了输出波导4与跑道形波导1耦合的耦合区3，具体通过常用的耦合器耦合，用于输出信号。

图2所示为有源波导2的结构示意图，由外而内依次为层叠的上包层21、波导层22、有源层23和衬底层24。其中，上包层21镀有金属电极（可调电极），通过调节金属电极的电流信号可以实现激光器的调谐输出。

为了使本发明的原理更加清楚明白，本发明进一步提供一下三种具体实时例：

实施例2：

如图3所示，本实施例的一种可调谐半导体环形激光器，包含环形的跑道形波导1和输出波导4。其中，跑道形波导中有一段有源波导2，其余为无源波导，输出波导与无源波导耦合，用作信号输出。具体的，跑道形波导1由两段环形波导区和两段直波导区交替耦合连接组成，直波导区之一为有源波导，另一直波导区和两段环形波导区为无源波导。输出波导4为两段直波导，两段波导分别在环形波导区与跑道形波导耦合。其中有源波导的结构与实施例1中有源波导结构相同，结构示意图如图2所示。另外，图3示出了输出波导4与跑道形波导1耦合的耦合区3，具体通过常用的波导耦合方式输出光信号。

实施例3：

如图4所示，本实施例的可调谐半导体环形激光器与实施例1相比，不同点在于，本实施例的输出波导4包含两段直波导，两段波导分别在环形波导区和直波导区的无源波导侧与跑道形波导耦合。耦合区域为耦合区3，耦合方式采用波导耦合。

实施例4：

如图5所示，本实施例的可调谐半导体环形激光器与实施例3相比，不同点在于，跑道形波导的两段直波导区均为有源波导。所示有源波导与其他实施例中的有源波导结构相同，其结构如图2所示。需要另行说明的是，本实施例中的采用多段有源波导的结构的方案同时也可以与其他实施例结合形成更多的优选实施例，这些组合的优选实施例均属于本发明的保护范围。

以下以实施例1为例简述本发明的可调谐半导体环形激光器的形成过程，首先在跑道形波导的一段直波导区生长成有源波导，有源波导可通过电极注入电流而正常工作；跑道形波导除有源波导之外的部分都生长为无源波导。在另一边的直波导区处生长一个平行无源直波导，作为输出波导，用于将腔内光耦合输出。

上述各具体方案中，半导体环形激光器具有部分有源谐振腔，利用低噪声电源驱动，除有源波导区外，其余的部分不生长电极，不进行供电。由于其余部分的长度和折射率都不会变化，通过改变有源区的控制电极注入不同的电流可以实现在一个很宽的范围内的连续调谐。工作过程为，半导体环形激光器的有源波导区利用低噪声电源驱动，当电流超过阈值电流时有源区便会产生激光输出，通过环形器（跑道形波导）的选模之后，满足环形腔的谐振条件的激光便会通过输出波导耦合输出，其余的微弱激光在激光器的模式竞争下便被抑制。由于有源波导区的有效光程的改变量相对于整个谐振腔来说是有限的，所以输出激光在一定的范围内可以产生连续调谐。通过调节波导有源区注入电流的大小，可以在半导体环形激光器的双稳态区内激发出宽调谐范围的激光，并且由于双稳态区域内的激光的出射方向随电流而变化，因此在一定的调谐范围内出射激光可以实现顺时针和逆时针交替输出。

本发明的可调谐半导体环形激光器通过减少有源层的长度，即在环形激光器的跑道形波导的直波导区部分生长有源区，而在其余的区域生长无源波导，不仅减少了加工难度，降低了成本，而且在降低阈值电流的基础上还能实现半导体环形激光器的双稳态，单纵模输出等特性。此外，通过调节有源区波导的注入电流，环形激光器可以实现更多的波长输出。

为便于理解本发明的原理，在此对半导体环形激光器的原理做进一步分析：半导体激光器调谐的物理机理是通过直接或间接改变激光器谐振腔的长度，使谐振腔中谐振模式位置产生微小移动，并通过频率选择元件，选择出频率移动的波长。半导体有源区能在较宽的波长范围内产生光增益，这为波长调谐提供了必要条件。

半导体激光器的谐振条件为

n₁(C-L）+n₂L=mλ

式中：λ为可以输出的谐振波长，m为阶数，n₁为无源波导区域的折射率，n₂为有源波导区域的有效折射率，C为谐振腔的周长，L是有源区的长度。器件完成后，谐振腔的周长C和有源区的长度L都是定值，因而通过改变注入电流或者改变温度的方式改变有效折射率，从而实现调谐才是真正可行的方案。通过减少有源层的长度，即在环形激光器的直波导部分生长有源区，而在其余的区域生长无源波导，不仅减少了加工难度，降低了成本，而且在降低阈值电流的基础上还能实现半导体环形激光器的双稳态，单纵模输出等特性。此外，通过调节有源区波导的注入电流，环形激光器可以实现更多的波长输出。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，本领域的技术人员将会理解，在本发明所揭露的技术范围内，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此本发明不应由上述事例来限定，而应以权利要求书的保护范围来限定。

Claims

1.一种可调谐半导体环形激光器，其特征在于，包含跑道形波导和输出波导，跑道形波导中有一段有源波导，其余为无源波导，输出波导与无源波导耦合，用作信号输出。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述跑道形波导由两段环形波导区和两段直波导区交替耦合连接组成，直波导区之一为有源波导，另一直波导区和两段环形波导区为无源波导。

3.根据权利要求1或2所述的激光器，其特征在于，输出波导为一段直波导，所述输出波导与跑道形波导的直波导区的无源波导平行并耦合。

4.根据权利要求1或2所述的激光器，其特征在于，输出波导包含两段直波导，两段波导分别在环形波导区与跑道形波导耦合。

5.根据权利要求1或2所述的激光器，其特征在于，输出波导包含两段直波导，两段波导分别在环形波导区和直波导区的无源波导侧与跑道形波导耦合。

6.根据权利要求4所述的激光器，其特征在于，跑道形波导的两段直波导区均为有源波导。

7.根据权利要求1-6之任一权利要求所述的激光器，其特征在于，所述有源波导包含控制电极，用于调谐。