專利名稱：利用全內反射多邊形諧振腔選模的半導體激光器的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體激光器，尤其是涉及一種利用全內反射多邊形諧振腔選模的半導體激光器。
背景技術：
可調諧半導體激光器具有結構緊湊、集成度高、壽命長以及易于大量生產等優點， 在干涉測量學和光通信等領域應用價值非常大。其中，無跳模可調諧的激光器光源對于干涉測量學尤其重要，測量中光源模式的跳躍，將會對被探測量的測量精度產生較大的影響， 比如測量距離時，激光器光源跳模會降低測量的空間分辨率。對于無跳模調諧而言，當激射波長受某一波長選擇因素影響而被調諧時，必須同步調整主諧振腔的光程長度來實現無跳模調諧。比如對于基于分布式布拉格反射(DBR)的無跳模激光器而言，當DBR區域的反射譜發生變化時，就必須同步改變注入電流來實現主諧振腔光程的相應改變。目前所提出的無跳模可調諧激光器一般都是從分布反饋(DFB)或者分布式布拉格反射(DBR)激光器的基礎上發展而來，如圖1所示就是一種基于DBR激光器的無跳模可調諧激光器，該結構實現了 4. 6nm的無跳模調諧，被報道在“A tunable inter-digital electrode (TIE) DBR laser for single-current continuous tuning，，，IEEE Photon. Technol. Lett.，Vol. 7 (11)，ppl246_1248，1995。這種無跳模調諧的半導體激光器由DBR區域、相位匹配區和有源增益區組成，DBR區域上的電極使用交錯的指型電極，其中一部分與相位區電極相連，這樣通過調節該電極上的注入電流，便同步改變了 DBR區域的反射譜和主諧振腔的諧振波長，從而實現了無跳模調諧。當然這些以DFB或者DBR激光器為基礎的無跳模激光器，由于需要制作光柵，工藝相當復雜，成本也很高；而且一些設計還是多電極協調進行調諧，也導致激光器的控制比較復雜。另外，光通信中，為了降低成本，可以進行數字式調諧的半導體激光器也十分重要，此類激光器既可以用來做備份光源又可以用來增加DWDM系統配置的靈活性以及健壯性，意義重大。

發明內容
針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種利用全內反射多邊形諧振腔選模的半導體激光器。本發明采用的技術方案是技術方案1 本發明包括多邊形諧振腔、有源FP諧振腔和耦合器；多邊形諧振腔的所有頂點處均為深刻蝕全內反射面，耦合器的第一端口及第二端口串接在多邊形諧振腔靠近有源FP 諧振腔的一條邊中，耦合器的第三端口和第四端口串接在有源FP諧振腔中，沿有源FP諧振腔方向，多邊形諧振腔中對稱設有波長調諧區，多邊形諧振腔設置在有源FP諧振腔的一側。
所述有源FP諧振腔中遠離耦合器的部分設有有源增益區；多邊形諧振腔中選取遠離耦合器的部分對稱設置第一波長調諧區，第一波長調諧區的長度占多邊形諧振腔周長的比例與有源增益區長度占有源FP諧振腔總長度的比例相等；或者多邊形諧振腔中選取遠離耦合器的部分對稱設置第二波長調諧區，第二波長調諧區的長度占多邊形諧振腔周長的比例為30% 70%;耦合器、有源FP諧振腔中靠近耦合器的部分和多邊形諧振腔靠近耦合器的部分一起作為第三波長調諧區。所述的多邊形諧振腔與有源FP諧振腔長度差為2% 25%。技術方案2:本發明包括兩個多邊形諧振腔、有源FP諧振腔和兩個耦合器；兩個多邊形諧振腔結構相同，多邊形諧振腔的所有頂點處均為深刻蝕全內反射面；第一耦合器的第一端口及第二端口串接在第一多邊形諧振腔靠近有源FP諧振腔的一條邊中，第一耦合器的第三端口和第四端口串接在有源FP諧振腔中；第二耦合器的第一端口及第二端口串接在第二多邊形諧振腔靠近有源FP諧振腔的一條邊中，第二耦合器的第三端口和第四端口串接在有源FP諧振腔中；沿有源FP諧振腔方向，第一多邊形諧振腔中遠離第一耦合器對稱設有第五波長調諧區，同樣第二多邊形諧振腔中也遠離第二耦合器對稱設有第六波長調諧區；第一多邊形諧振腔與第二多邊形諧振腔分別設置在有源FP諧振腔的兩側。所述的第一多邊形諧振腔與第二多邊形諧振腔的周長相差為10% 40%。本發明與背景技術相比，具有的有益效果是本發明無需制作光柵，結構簡單，由多邊形諧振腔、有源FP諧振腔和耦合器組成， 使得制作工藝相對簡單，降低了制作成本；調諧時由于利用了諧振腔之間的游標效應，增大了激光器的調諧范圍；從調諧控制機制上來講，本發明提出的激光器只需要單電極調諧，波長控制上也相對容易很多。這種利用全內反射多邊形諧振腔選模的設計可以用來實現無跳模式調諧或者數字式調諧的半導體激光器。


圖1是背景技術中基于分布式布拉格反射(DBR)激光器的無跳模可調諧激光器的結構示意圖。圖2是本發明第1個實施例的結構示意圖。圖3是第1個實施例中從耦合器第三端口到第四端口，三角形諧振腔的等效透過率tU)圖。圖4是第1個實施例中三角形諧振腔不同損耗情況下的增益閾值差與耦合器直通耦合系數之間的關系圖。圖5是第1個實施例中各個模式激射的增益閾值的示意圖。圖6是本發明第2個實施例的結構示意圖。圖7是本發明第3個實施例的結構示意圖。圖8是本發明第4個實施例的結構示意圖。圖9是第4個實施例中兩個不同腔長的三角形諧振腔的等效透過率示意圖。圖10是第4個實施例中兩個不同腔長的三角形諧振腔的等效透過率乘積的示意圖。
圖中1、三角形諧振腔，2、有源FP諧振腔，3、耦合器4、矩形諧振腔，5、第一耦合器，5’、第二耦合器，6、第一三角形諧振腔，6’、第二三角形諧振腔，11、三角形諧振腔的底邊，12、第一波長調諧區，12’、第二波長調諧區，21、有源增益區31、耦合器的第一端口，32、 耦合器的第二端口，33、耦合器的第三端口，34、耦合器的第四端口，41、第四波長調諧區， 51、第一耦合器的第一端口，52第一耦合器的第二端口，53、第一耦合器的第三端口，54、第一耦合器的第四端口，51’、第二耦合器的第一端口，52’第二耦合器的第二端口，53’、第二耦合器的第三端口，54’、第二耦合器的第四端口，61、第一三角形諧振腔的底邊，61’第二三角形諧振腔的底邊，62、第五波長調諧區，62’、第六波長調諧區。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。圖2是本發明利用全內反射多邊形諧振腔選模的半導體激光器的第1個實施例。 本發明包括三角形諧振腔1、有源FP諧振腔2和耦合器3 ；三角形諧振腔1的三個頂點均為深刻蝕全內反射面，耦合器3的第一端口 31及第二端口 32串接在三角形諧振腔1的底邊 11中，耦合器3的第三端口 33和第四端口 34串接在有源FP諧振腔2中，三角形諧振腔1 設置在有源FP諧振腔2的一側，三角形諧振腔1的兩腰中均對稱設有波長調諧區。所述多邊形諧振腔在本實施例中選用三角形諧振腔1，制作時三角形諧振腔的每個邊都和有源FP諧振腔2 —樣采用淺刻蝕工藝。所述有源FP諧振腔2中遠離耦合器3的部分設有有源增益區21，三角形諧振腔 1的兩腰中選取遠離底邊11的部分對稱設置第一波長調諧區12，第一波長調諧區12的長度占三角形諧振腔1周長的比例與有源增益區21長度占有源FP諧振腔2總長度的比例相等；耦合器3、有源FP諧振腔2中靠近耦合器3的部分、三角形諧振腔1的兩腰中靠近底邊的部分以及三角形諧振腔1的底邊11 一起作為第三波長調諧區。所述三角形諧振腔1與有源FP諧振腔2之間通過耦合器3相互耦合，產生模式選擇，實現激光器單模工作，實際上三角形諧振腔1在這里就是充當一個濾波器，對有源FP諧振腔2中振蕩的縱模進行選擇過濾，得到設計所需要的縱模。設從耦合器3第三端口 33到第四端口 34，三角形諧振腔的等效透過率為t(X)，
η _ (Γ12 _ η'2\ Λ ^nLtr I λt(A) = C~{C ~L Ia^i1^(1)
I-CAq3 tr其中C和C'分別為耦合器3的直通耦合系數和交叉耦合系數，Ltr為三角形諧振腔1的長度，幅度J = λ/ Ο^Τ Ο，Y tr為三角形諧振腔1損耗的DB數，折射率近似都取為n， 等效透過率的譜圖見附圖3，從圖中可以看出三角形諧振腔1有明顯的濾波效果，而且三角形諧振腔1的損耗越小，三角形諧振腔1的選模效果就越好。另外，對于耦合器，選擇C和C'的相位差為180度的整數倍時，即耦合器滿足半波耦合器條件時，激光器會得到一個較好的特性。三角形諧振腔1的諧振條件為nnLn+n12L12 = Iii1 λ (2)其中L11和L12分別為第一波長調諧區12的長度和第三波長調諧區在三角形諧振腔1中的長度，ηη和Ii12為相應區域的折射率。
(2)式中波長λ對折射率η12求導數，可以得到三角形諧振腔1諧振波長隨折射率η12變化而變化的調諧速率為
dAAZz10//-,χ-—= ‘2(3)有源FP諧振腔2的諧振條件為2 (n21L21+n22L22) = m2 λ (4)其中L21和L22分別為有源增益區21的長度和第三波長調諧區在有源FP諧振腔2 中的長度，n21和Ii22為相應區域的折射率。(4)式中波長λ對折射率r^求導數，可以得到有源FP諧振腔2諧振波長隨折射率1 變化而變化的調諧速率為-—=22(5)為了實現無跳模的波長調諧，此處應該保證三角形諧振腔1諧振波長的調諧速率與主諧振腔即有源FP諧振腔2諧振波長的調諧速率相等，即滿足下式-TjT-T = -Tf-T(6)這樣在進行調諧的過程中才能保證激光器的激射縱模不會發生模式跳變，而實現無跳模調諧。在本發明中，只需要將第一調諧區12的長度占三角形諧振腔1周長的比例與有源增益區21占有源FP諧振腔2總長的比例相等，這樣就可以盡最大程度的滿足6式，實現最大程度的無跳模調諧。而且調諧的時候，只需要控制第三調諧區的注入電流，就可以非常便捷的實現單電極的無跳模調諧。三角形諧振腔1與有源FP諧振腔2的長度差為2% 25%，這樣的長度關系可以使激光器在一定自由光譜范圍內獲得比較高的增益閾值差，從而得到更大的邊模抑制比。 增益閾值差就是基模與相鄰縱模激射閾值的差值。取三角形諧振腔1腔長為350um，有源 FP諧振腔2腔長為400um，計算得到的增益閾值差隨直通耦合系數的變化的曲線見圖4，由圖4可見三角形諧振腔1的損耗越小，閾值增益值就越大，對邊模抑制比的提高就越有利， 而且合適的直通耦合系數對增益閾值差影響也非常大。三角形諧振腔1腔長為350um，有源FP諧振腔2腔長為400um，耦合器3直通耦合系數取0. 7，損耗為0時，計算出各個縱模的閾值如圖5所示。由圖5可見本發明中激光器的起振閾值大約為16DB/cm，這樣激光器激射的閾值電流也會相對較小，無論從能耗上講還是從熱效應上來講，激光器的性能都會更好。圖6是本發明利用全內反射多邊形諧振腔選模的半導體激光器的第2個實施例。 本發明與第1個實施例的差別在于本發明中多邊形諧振腔選用的是矩形諧振腔4，有源FP 諧振腔2中遠離耦合器3的部分設有有源增益區21，沿有源FP諧振腔2方向，矩形諧振腔 4中選取遠離耦合器的部分對稱設置第四波長調諧區41，第四波長調諧區41的長度占矩形諧振腔4周長的比例與有源增益區21長度占有源FP諧振腔2總長度的比例相等；耦合器 3、有源FP諧振腔2中靠近耦合器3的部分、矩形諧振腔4中靠近耦合器的部分一起作為第三波長調諧區。需要強調的是多邊形諧振腔，不僅可以使用三角形諧振腔和矩形諧振腔，也可以使用其他的多邊形諧振腔，比如五邊形諧振腔、六邊形諧振腔，甚至有更多邊的諧振腔。當然，多邊形諧振腔邊數越多，所需要的全內反射面也就越多，帶來的損耗也相對較多，這樣就會制約激光器的性能，一般多邊形諧振腔選取3到10以內即可。圖7是本發明利用全內反射多邊形諧振腔選模的半導體激光器的第3個實施例。 本發明包括三角形諧振腔1、有源FP諧振腔2和耦合器3 ；三角形諧振腔1的三個頂點均為深刻蝕全內反射面，耦合器3的第一端口 31及第二端口 32串接在三角形諧振腔1的底邊11中，耦合器3的第三端口 33和第四端口 34串接在有源FP諧振腔2中，三角形諧振腔 1設置在有源FP諧振腔2的一側，三角形諧振腔1的兩腰中選取遠離底邊的部分對稱設置第二波長調諧區12’，第二波長調諧區12’的長度占三角形諧振腔1周長的比例為20% 40 %，所述有源FP諧振腔2中遠離耦合器3的部分設有有源增益區21。三角形諧振腔的每個邊都和有源FP諧振腔2 —樣采用淺刻蝕工藝。與第1個實施例相比，本實施例中三角形諧振腔1兩腰中遠離底邊11對稱設置的調諧電極長度不一樣，此處通過把第二波長調諧區12’的長度設置為三角形諧振腔1周長的30% 70%，可以充分利用到三角形諧振腔1與有源FP諧振腔2之間的游標效應，通過改變第二調諧區12’的注入電流來略微改變三角形諧振腔1的諧振頻率譜，就可以使三角形諧振腔1與有源FP諧振腔2的諧振頻率譜發生略微的偏移，從而使三角形諧振腔1的諧振頻率譜和有源FP諧振腔2諧振頻率譜的相鄰縱模式對齊，這樣新對齊的模式就會激射， 從而形成跳模，也就是產生了波長調諧，如果一直增大或者減小第二波長調諧區12’的注入電流，本發明就可以實現連續的數字式波長調諧。同樣，本實施例中，三角形諧振腔也可以采用其它類型的多邊形諧振腔來代替，比如矩形諧振腔、五邊形諧振腔、六邊形諧振腔，甚至有更多邊的諧振腔。當然，多邊形諧振腔邊數越多，所需要的全內反射面也就越多，帶來的損耗也相對較多，這樣就會制約激光器的性能，一般多邊形諧振腔選取3到10以內即可。圖8是本發明利用全內反射多邊形諧振腔選模的半導體激光器的第4個實施例。 本發明包括兩個三角形諧振腔6，6’、有源FP諧振腔2和兩個耦合器5，5’ ；兩個三角形諧振腔6，6’結構相同，它們的三個頂點均為深刻蝕全內反射面；第一耦合器5的第一端口 51 及第二端口 52串接在第一三角形諧振腔6的底邊61中，第一耦合器5的第三端口 53和第四端口 M串接在有源FP諧振腔2中；第二耦合器5’的第一端口 51’及第二端口 52’串接在第二三角形諧振腔6’的底邊61，中，第二耦合器5’的第三端口 53’和第四端口 54’串接在有源FP諧振腔2中；第一三角形諧振腔6的兩腰中遠離耦合器對稱設有第五波長調諧區62，同樣第二三角形諧振腔6’的兩腰中也遠離耦合器對稱設有第六波長調諧區62’ ；第一三角形諧振腔6與第二三角形諧振腔6’分別設置在有源FP諧振腔2的兩側。兩個三角形諧振腔6，6’的每個邊都和FP諧振腔一樣采用淺刻蝕工藝。第1個實施例中得到的三角形諧振腔的等效透射率 (λ)在此處依然適用，取第一三角形諧振腔6和第二三角形諧振腔6’的腔長相差為10% -40%，這樣第一三角形諧振腔6和第二三角形諧振腔6’的等效透射率 (λ)譜圖會有略微偏移，第一三角形諧振腔6 和第二三角形諧振腔6’ 一起互相作用，它們的等效透射率 (λ)譜圖相乘，極大的增大了濾波效果的自由光譜范圍，對于提高激光器的邊模抑制比以及調諧范圍都有積極效果。另外通過調節第一三角形諧振腔6中的第五波長調諧區62或者第二三角形諧振腔6’中的第六波長調諧區62’的注入電流，就可以使兩個三角形諧振腔6、6’的等效透過率譜發生變化，對準下一個相鄰的縱模，這樣利用第一三角形諧振腔6和第二三角形諧振腔6’間的游標效應，便可以實現大范圍的波長調諧。比如選取第一三角形諧振腔6的腔長為350um、第二三角形諧振腔6’的腔長為 465um，兩個諧振腔的等效折射率都近似取3. 256，這樣算的第一三角形諧振腔6和第二三角形諧振腔6’的等效透射譜圖見圖9，它們等效透射譜圖的乘積見圖10。從圖9可以看出第一三角形諧振腔6和第二三角形諧振腔6’的等效透射譜略微有一點點偏移，相乘后從圖 10可以看出自由光譜范圍提高了很多，而且透過率的峰值也變的更加尖銳，對于提高激光器的邊模抑制比和波長調諧范圍非常有意義。調諧時，只需調節第一三角形諧振腔6中第五波長調諧區62電極的注入電流，相應圖9中第一三角形諧振腔4的等效透射率譜圖會發生偏移，這樣圖10的透過率的峰值也會相應發生變化，如此便實現了波長調諧。在有源FP諧振腔2上耦合更多的三角形諧振腔，理論上可以獲取更寬的自由光譜范圍和更尖銳的透過率峰值。同樣，本實施例列中，三角形諧振腔也可以采用其它類型的多邊形諧振腔來代替， 比如矩形諧振腔、五邊形諧振腔、六邊形諧振腔，甚至有更多邊的諧振腔。當然，多邊形諧振腔邊數越多，所需要的全內反射面也就越多，帶來的損耗也相對較多，這樣就會制約激光器的性能，一般多邊形諧振腔選取3到10以內即可。另外，為了實現高質量的全內反射，必須制作深刻蝕槽，利用深刻蝕槽的側壁即深刻蝕面來實現全內反射。全內反射對入射角的要求為^=arcsin(^)(7)
nwg其中θ in為光波的入射角，為光疏介質的折射率，nwg為光密介質的折射率。比如波導折射率取3. 256，深刻蝕槽中填充物為空氣，折射率取1，則計算可得最小的入射角為17.9°，這樣選取大于17.9°的入射角即可。在制作深刻蝕面的時候，為了精確定位深刻蝕面的位置，可以采用多層掩膜的工藝來制作。
權利要求
1.一種利用全內反射多邊形諧振腔選模的半導體激光器，其特征在于包括多邊形諧振腔、有源FP諧振腔( 和耦合器(3)；多邊形諧振腔的所有頂點處均為深刻蝕全內反射面，耦合器C3)的第一端口(31)及第二端口(3 串接在多邊形諧振腔靠近有源FP諧振腔 ⑵的一條邊中，耦合器⑶的第三端口(33)和第四端口(34)串接在有源FP諧振腔⑵ 中，沿有源FP諧振腔( 方向，多邊形諧振腔中對稱設有波長調諧區，多邊形諧振腔設置在有源FP諧振腔⑵的一側。
2.根據權利要求1所述的一種利用全內反射多邊形諧振腔選模的半導體激光器，其特征在于所述有源FP諧振腔( 中遠離耦合器C3)的部分設有有源增益區；多邊形諧振腔中選取遠離耦合器(3)的部分對稱設置第一波長調諧區，第一波長調諧區的長度占多邊形諧振腔周長的比例與有源增益區長度占有源FP諧振腔( 總長度的比例相等； 或者多邊形諧振腔中選取遠離耦合器(3)的部分對稱設置第二波長調諧區，第二波長調諧區的長度占多邊形諧振腔周長的比例為309Γ70%;耦合器(3)、有源FP諧振腔(2)中靠近耦合器(3)的部分和多邊形諧振腔靠近耦合器的部分一起作為第三波長調諧區。
3.根據權利要求1所述的一種利用全內反射多邊形諧振腔選模的半導體激光器，其特征在于所述的多邊形諧振腔與有源FP諧振腔( 長度差為m 25%。
4.一種利用全內反射多邊形諧振腔選模的半導體激光器，其特征在于包括兩個多邊形諧振腔、有源FP諧振腔( 和兩個耦合器(5、5’ )；兩個多邊形諧振腔結構相同，多邊形諧振腔的所有頂點處均為深刻蝕全內反射面；第一耦合器( 的第一端口(51)及第二端口 (52)串接在第一多邊形諧振腔靠近有源FP諧振腔O)的一條邊中，第一耦合器(5)的第三端口(53)和第四端口(54)串接在有源FP諧振腔⑵中；第二耦合器(5，)的第一端口 (51’ )及第二端口(52’ )串接在第二多邊形諧振腔靠近有源FP諧振腔O)的一條邊中， 第二耦合器(5，)的第三端口(53，)和第四端口(54，)串接在有源FP諧振腔⑵中；沿有源FP諧振腔( 方向，第一多邊形諧振腔中遠離第一耦合器( 對稱設有第五波長調諧區，同樣第二多邊形諧振腔中也遠離第二耦合器(5’)對稱設有第六波長調諧區；第一多邊形諧振腔與第二多邊形諧振腔分別設置在有源FP諧振腔O)的兩側。
5.根據權利要求4所述一種利用全內反射多邊形諧振腔選模的半導體激光器，其特征在于所述的第一多邊形諧振腔與第二多邊形諧振腔的周長相差為109Γ40%。
全文摘要
本發明公開了一種利用全內反射多邊形諧振腔選模的半導體激光器。包括多邊形諧振腔、有源FP諧振腔和耦合器；所述多邊形諧振腔與FP諧振腔之間通過耦合器相互耦合。多邊形諧振腔通過全內反射的原理實現光波在多邊形諧振腔頂點處的轉向，從而得到諧振回路，多邊形諧振腔的每個邊都和FP諧振腔一樣采用淺刻蝕工藝，減小了損耗；多邊形諧振腔充當濾波器的功能，與FP諧振腔相互耦合進行選模，實現激光器的單模工作。本發明無需制作光柵，結構簡單，這種利用全內反射多邊形諧振腔選模的設計可以用來實現無跳模式調諧或者數字式調諧的半導體激光器。
文檔編號H01S5/12GK102545043SQ20121000290
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者何建軍, 武林, 王磊, 郭山溧 申請人:浙江大學