具有独立调制光栅区段以减少啁啾的双区段半导体激光器的制作方法

本发明关于半导体激光器，尤其是一种具有独立调制光栅区段以减少啁啾(chirp)的双区段半导体激光器。

背景技术：

光发射机中使用半导体激光器用于在各种应用中在光纤上发射数据。举个例子，在有线电视(cabletv；catv)应用中，光发射机利用密集波分复用(densewavelengthdivisionmultiplexing；dwdm)用于发射视频和宽带信号至消费者。电缆数据业务接口规范(dataovercableserviceinterfacespecification；docsis)标准规定高带宽数据至现有有线电视系统的传输，以在现有的有线电视设施上提供互联网接入。最新的docsis3.1标准允许更高的射频频率(例如，1.2ghz及以上)，这增加了带宽。

当调制光发射机中的半导体激光器时，较高的射频频率可能出现问题和调制。一个问题是由半导体激光器的输出中的啁啾引起的，啁啾是频率随时间变化而变化。尤其地，特别是针对较长传输距离上的较高射频频率，啁啾可能导致调制光信号的信号劣化。为了满足最新的docsis3.1规范的要求，光发射机中使用的半导体激光器应该能够支持具有较小啁啾(例如，小于60mhz/ma)的较高射频频率(例如，1.2ghz及以上)。

通过使用具有外部光栅作为出口反射器的外部腔室激光器，可降低啁啾；然而，外部腔室激光器存在光耦合和封装的问题。外部调制器也可用于降低啁啾，但是不能提供足够的电力供有线电视应用的光发射机使用。

技术实现要素：

附图说明

通过阅读以下具体实施方式以及结合图式，将更好地理解这些和其它特征和优点，其中：

图1a为符合本申请实施例的具有独立调制光栅区段的双区段半导体激光器的侧面示意图图。

图1b为图1a所示的双区段半导体激光器的俯视图。

图2为符合本揭露实施例的包括双区段半导体激光器的光发射机的示意图。

图3为符合本揭露实施例的包括具有双区段半导体激光器的光发射机的有线电视系统的示意图。

具体实施方式

符合本揭露实施例的双区段半导体激光器包括增益区段和独立调制光栅区段以减少啁啾。独立调制光栅区段包括用于反射光线的衍射光栅(diffractiongrating)，以及连同增益区段形成激光腔，针对衍射光栅所反射的波长或波长范围激射。半导体激光器的增益区段包括增益电极，利用至少一调制射频信号用于驱动增益区段，以及光栅区段包括光栅电极，利用独立于增益区段的调制的直流偏置电流用于驱动光栅区段。因此，利用调制射频信号直接地调制半导体激光器，此调制不会明显地影响衍射光栅的折射率，从而减少啁啾。

举个例子，双区段半导体激光器可用于有线电视前端的光发射机中，其中视频和宽带信号被集中到光纤上用于传输到有线网络。依照电缆数据业务接口规范(docsis)标准3.1，有线电视前端提供高带宽数据至现有的有线网络。尤其地，有线电视前端使用正交幅度调制(quadratureamplitudemodulation；qam)以调制具有高达1.2ghz及以上射频频率的宽带数据的射频信号。

符合本揭露实施例的双区段半导体激光器由正交幅度调制所调制的射频信号直接调制，以及允许充分减少啁啾以支持docsis3.1下启用的较高的射频频率(例如，1.2ghz及以上)。至少一个实施例中，双区段半导体激光器允许啁啾被减少2/3。举个例子，与用于正交幅度调制应用的传统分布式反馈(dfb)激光器相比，双区段半导体激光器的实施例可将低于60兆赫兹/毫安(mhz/ma)的啁啾减少至20mhz/ma。根据特定的应用、射频频率和传输距离，也可能实现其他水平的啁啾。

本文使用的“独立调制光栅区段”指未被射频信号调制的半导体激光器的一个区段。本文使用的“信道波长”指与光信道相关的波长，以及包括中央波长周围的特定波长带。一个例子中，信道波长由国际电信联盟(itu)标准比如国际电信联盟电信标准分局(itu-t)密集波分复用(densewavelengthdivisionmultiplexing；dwdm)网格(grid)定义。本文所使用的术语“耦合”指任何连接、耦合、链接等，以及“光耦合”指耦合使得来自一个元件的光线被传递至另一元件。这种“耦合”装置并非必须直接地与另一个连接，以及可借由操纵或修改这些信号的中间部件或装置被分离。

请参考图1a和1b，更加详细地描述符合本揭露实施例的双区段半导体激光器100。双区段半导体激光器100通常包括激光腔(lasercavity)110，由无衍射光栅的增益区段120和具有衍射光栅131的独立调制光栅区段130形成。增益区段120和光栅区段130被集成至相同的半导体芯片或结构111内。半导体结构111包括多个半导体层112、114，用于形成或定义半导体层112、114之间接面处的至少一个有源区(activeregion)116。有源区116延伸穿透激光腔110且位于增益区段120和光栅区段130两者中。

光栅区段130中的衍射光栅131反射增益区段120中产生的一个波长或者波长范围的光线，使得双区段半导体激光器100激射或者发射所反射波长的激光101。这个代表性实施例的半导体激光器100不可调，以及用于发射固定波长或波长范围的激光101。本文描述的实施例中，衍射光栅131可被配置为使得双区段半导体激光器100激射或者发射固定信道波长λc比如从1530至1570纳米的c波段的信道波长的激光101。举个例子，衍射光栅131中可使用不同的光栅结构，以提供不同的信道波长。双区段半导体激光器100也可被配置为产生大于15毫瓦(mw)的光输出功率。

所示的实施例中，激光腔110包括后反射器121以及衍射光栅131用作出口反射器(exitreflector)。后反射器121可充分反射(例如，至少80％的反射)以导致激射，以及例如包括高反射(highlyreflective；hr)涂层或薄膜反射器，位于增益区段120相邻的半导体结构111的后面上。一个实施例中，后反射器121具有大约80-90％的反射率，以允许一部分光线穿透激光器100的背面用于通过监视光电二极管(图未示)而感测。与光栅区段130相邻的半导体结构111的前面包括抗反射(anti-reflective；ar)涂层118(例如，少于1％的反射)。其他实施例中，增益区段120和光栅区段130被交换，以及衍射光栅131可用作后反射器。

增益电极122位于增益区段120上且电耦合增益区段120中的有源区116，利用射频信号比如来自有线电视前端的调制射频信号用于驱动增益区段。除了射频信号以外，还可以利用直流偏置电流驱动增益区段120。光栅电极132位于独立调制光栅区段130上且电耦合光栅区段130中的有源区116，以利用直流偏置电流驱动光栅区段130。增益电极122和光栅电极132被彼此分离且隔离，用于分别独立地施加驱动电流至增益区段120和光栅区段130。换言之，由于施加至增益区段120的驱动电流对光栅区段130影响极小，所以增益区段120和光栅区段130电性独立，反之亦然。

至少一个底部电极129位于半导体结构111的相对侧面上。电极122、132、129使用导电金属比如金形成为金属垫或者触点。电线124、134分别被引线键合至增益电极122和光栅电极132，以提供驱动电流用于各个射频信号和直流偏置电流。一或多条电线也可被引线键合至底部电极129。虽然所示实施例表示了电极122、132、129的特定大小和形状，但是电极122、132、129可具有其他的大小、形状和配置。

通过增益电极122利用射频信号驱动增益区段120直接地调制了增益区段120，使得增益区段120产生调制激光以响应射频信号。通过使用分离的增益电极122和光栅电极132以及未利用射频信号驱动光栅区段130，利用射频信号直接地调制双区段半导体激光器100，此调制未影响衍射光栅131的折射率，从而减少啁啾。光栅区段130通过光栅电极132利用直流偏置电流被偏置，以避免或减少光栅区段130中光线的吸收，使得光栅区段充分透明以允许衍射光栅131反射。光栅区段130利用0-10毫安(ma)范围的直流偏置电流被偏置。增益区段120产生的调制激光在后反射器121和衍射光栅131之间被反射，直到出现激射以及从半导体激光器100发射调制激光101为止。

半导体激光器100包括一或多个n型半导体层112和一或多个p型半导体层114。有源区116通常形成在n型半导体层112和p型半导体层114的接面处，以及包括n型半导体层112和p型半导体层114之间形成pin结的本征层。举个例子，半导体结构111可形成一个量子井激光器或者多个量子井激光器。半导体层112、114可包括半导体激光二极管中使用的任意的半导体材料，包括但不限于磷化铟(indiumphosphide；inp)、砷化镓(galliumarsenide；gaas)和铝。

可使用已知的半导体制造技术形成半导体激光器100。半导体层112、114被沉积，以及在光栅区段130中有源区116相邻的一或多个半导体层112、114中形成衍射光栅131。然后，导电金属分别被沉积在增益区段120和光栅区段130上，以形成增益电极122和光栅电极132。导电金属还可被沉积在外部半导体层112的底部上，以形成底部电极129。然后，电线124、134分别被引线键合至电极122、132。

根据一种代表性的方法，半导体层112、114外延生长，以及使用形成分散式布拉格反射镜(distributedbraggreflector；dbr)中使用的已知技术比如蚀刻或光刻术，在光栅区段130中有源区116相邻的外延生长层中形成衍射光栅131。根据这种方法，无需衍射光栅131上的任何进一步的外延再生长，可制造双区段半导体激光器100。举个例子，因为外延再生长是比较难的过程，与利用外延再生长制造传统的分散式布拉格反射镜激光器相比，这种制造双区段半导体激光器100的技术具有优势。

图2表示符合本揭露实施例的包括双区段半导体激光器200的光发射机202的一个实施例。如上所述，双区段半导体激光器200包括独立调制的光栅区段以减少啁啾。举个例子，有线电视应用中使用光发射机202用于直接调制固定信道波长的正交幅度调制传输，以下更加详细地加以描述。本文描述的光发射机200和双区段半导体激光器100、200也可用于其他应用中。

光发射机202包括用于接收调制射频信号的激光器调制输入242、用于接收用于增益区段的直流偏置电流的激光器直流偏置输入244，以及用于接收用于光栅区段的直流偏置电流的光栅直流偏置输入245。双区段半导体激光器200的光栅区段电连接光栅直流偏置输入245，但是未电连接激光器调制输入242。双区段半导体激光器200的增益区段电连接激光器调制输入242和激光器直流偏置输入244。光发射机202进一步包括激光器光输出246，用于提供例如固定信道波长的调制光信号。

这个实施例的光发射机202还包括与半导体激光器200热耦合的温度控制系统250和与半导体激光器200的背侧光耦合的监视光电二极管254。温度控制系统250提供波长控制，以及包括用于冷却激光器200的热电冷却器(thermoelectriccooler；tec)和用于监视光发射机202内的温度的热敏电阻。温度控制系统250还包括用于加热激光器200的加热器(例如，电阻加热器)。温度控制系统250电连接一或多个温度控制输入和输出251、252。监视光电二极管254用于监视激光器200的光输出，以及电连接监视器光电二极管输出255。

举个例子，光发射机202可被封装在蝶型封装中。蝶型封装包括外壳，外壳包围双区段半导体激光器200、温度控制系统250和监视器光电二极管252。蝶型封装进一步包括提供电输入和输出242、244、251、252、255的引脚以及提供光输出246的光纤或波导。

图3表示符合本揭露实施例的有线电视系统304的一个实施例，其中使用具有双区段半导体激光器300的光发射机302。有线电视系统304包括有线电视前端360，有线电视前端360接收、处理且组合将在有线网络370上载送至用户驻地(customerpremises)380的广播、窄播(narrowcast)和其他信号。有线网络370包括一或多种光纤电缆372和同轴电缆分配网络374的组合，也被称为光纤同轴电缆混合网(hybridfiber/coax；hfc)。一或多个光纤节点376提供光纤电缆372和同轴电缆分配网络374之间的光电接口。用户驻地380包括与用户驻地设备384(例如，路由器)连接的电缆调制解调器382。

有线电视前端360包括电缆调制解调器终端系统(cablemodemterminationsystem；cmts)362，使得能够实现从用户驻地380的电缆调制解调器382至广域网301比如互联网的连接。有线电视前端360还包括与电缆调制解调器终端系统362电连接和与光纤电缆372光耦合的多个光发射机302和多个光接收机366。有线电视前端360至少符合包括任何修订或其后续版本的docsis3.1标准。

有线电视前端360中的每一个光发射机302包括如上所述的具有独立调制光栅区段的双区段半导体激光器300。光发射机302接收来自电缆调制解调器终端系统362的调制射频信号，以及在光纤电缆372上发射对应的调制光信号。当有线电视前端360符合至少docsis3.1标准时，调制射频信号利用正交幅度调制(qam)被调制，以及具有1.2ghz或更高的射频频率。每一个光发射机302发射例如从1530至1570纳米的c波段内各个信道波长的对应调制光信号。通过使用上述具有调制独立光栅区段的双区段半导体激光器300，调制光信号的啁啾被减少至20mhz/ma，以允许发射符合docsis3.1的1.2ghz或更高的射频频率的调制光信号。其他实施例中，啁啾可被减少到其他低于60mhz/ma的水平，包括但不限于30mhz/ma。

因此，符合本文揭露的实施例的具有调制独立光栅区段的双区段半导体激光器允许光发射机满足docsis3.1的高频率需求，未使用外部调制器或者外部腔室激光器。

符合一个实施例的一种半导体激光器装置包括由多个半导体层形成的激光腔，多个半导体层定义延伸穿透激光腔的至少一个有源区。激光腔包括不具有衍射光栅的增益区段和具有衍射光栅的光栅区段。增益电极位于增益区段中半导体层的外部上且电耦合增益区段中的有源区，用于利用直流偏置和调制射频信号驱动增益区段以调制增益区段。光栅电极位于光栅区段中的半导体层的外部上且电耦合光栅区段中的有源区，用于独立于增益区段的调制利用直流偏置驱动光栅区段。

符合另一实施例的一种光发射机包括用于接收调制射频信号的激光器调制输入、用于接收直流偏置电流的至少一个激光器直流偏置输入、用于提供调制光信号的激光器光输出，以及电连接激光器调制输入、激光器直流偏置输入和激光器光输出的双区段半导体激光器装置。半导体激光器装置包括多个半导体层形成的激光腔，半导体层定义延伸穿透激光腔的至少一个有源区。激光腔包括不具有衍射光栅的增益区段和具有衍射光栅的光栅区段，以及依照固定信道波长激射。增益电极位于增益区段中半导体层的外部上。增益电极电耦合激光器直流偏置和激光器调制输入至增益区段中的有源区，用于利用直流偏置电流和调制射频信号驱动增益区段以调制增益区段。光栅电极位于光栅区段中的半导体层的外部上。光栅电极电耦合激光器直流偏置输入至光栅区段中的有源区，用于独立于增益区段的调制利用直流偏置电流驱动光栅区段。

提供符合另一实施例的一种减少啁啾的调制光信号的产生方法。这种方法包括：提供半导体激光器，半导体激光器包括多个半导体层形成的激光腔，多个半导体层定义延伸穿透激光腔的至少一个有源区，激光腔包括不具有衍射光栅的增益区段和具有衍射光栅的光栅区段；利用直流偏置电流驱动光栅区段；以及利用直流偏置电流和调制射频信号驱动增益区段，以调制增益区段而未调制光栅区段，以产生固定信道波长的调制光信号。

虽然本文已经描述了本发明的原理，本领域的普通技术人员应该理解此说明仅为示例说明以及并非限制本发明的范围。除了本文所示及描述的代表性实施例外，在本发明的范围内可预想到其它的实施例。本领域的普通技术人员其中之一的修改或替代被视为在本发明的范围内，本发明的范围不受以下权利要求书的限制。