一种可调谐半导体激光器

本发明属于半导体激光器领域，更具体地，涉及一种可调谐半导体激光器。

背景技术：

1、随着互联网技术的蓬勃发展，我国光通信产业呈现出高速增长态势，不断增加的网络容量对接入网、城域网和广域网的传输带宽和灵活性都提出了更高的要求。为了应对流量的爆炸式增长，以密集波分复用(dwdm)技术为代表的光通信技术成为了科学界和工业界研究的热点。在dwdm系统中，通过采用信号复用的方式可以将不同载波波长的光信号复用到一根光纤中进行传输，可以有效的增加通信系统的传输容量。可调谐激光器在dwdm系统中起到了重要作用，一个可调谐半导体激光器能够代替多个固定波长的激光器，可以极大地降低备用光源和库存管理的成本。

2、最早的电注入可调谐半导体激光器是上个世纪70年代提出的分布式布拉格反射器(dbr)激光器，普通的三段式dbr激光器由有源区、相位区和光栅区组成，每个区的上面都有电极可实现独立操控。有源区实现光输出并进行功率控制，光栅区利用电光效应改变材料折射率从而改变光栅的布拉格波长实现激射波长的粗调，相位区调节谐振相位实现细调。但是通过注入电流只能使折射率改变1-2％，对应大概10nm的波长调节范围，因此普通dbr激光器的调谐范围一般只有十几纳米，不足以覆盖c波段。为了增大波长调谐的范围，美国加州大学-圣塔芭芭拉分校的l.a.coldren教授提出了取样光栅分布式布拉格反射(sg-dbr)可调谐半导体激光器，四段式sg-dbr半导体激光器由前取样光栅区、后取样光栅区、有源区和相位区四个部分组成，其中前后节取样光栅都具有梳状反射谱，通过合理设计取样光栅的参数可以使前后节取样光栅的反射谱的反射峰的间隔不同。激光器总反射谱是两个梳状反射谱相乘的形式，其中对齐的反射峰具有最大的反射率；主反射峰相邻的两个反射峰因为错开了一点，反射率乘积小，所以反射较小；而其他地方的反射峰为完全错开，乘积很小，所以反射很低。利用游标效应极大的提高了激光器的波长调谐范围。

3、由于取样光栅的反射谱包络为sinc型函数，越远离布拉格波长时峰值反射率越小，这导致sg-dbr半导体激光器的阈值电流和输出光功率会随着输出波长的改变而变化；反射谱边缘的波长反射率低，阈值增益大，受模式竞争的影响无法激射，因而限制了激光器的波长可调谐范围。为了解决取样光栅反射谱均匀性较差的问题，多种不同的改进的dbr类调谐激光器相继被提出和证明。1996年日本的ntt公司提出了基于超结构光栅(ssg)的四段式ssg-dbr半导体激光器，与sg-dbr激光器的主要区别在于前、后光栅区中的每个取样周期是啁啾光栅，不包含空白的均匀波导区，能够产生具有平坦峰值反射率的梳状反射谱；改进后的ssg光栅将啁啾光栅等效为均匀分布但数值不同的相移，经过数值算法优化也能实现平坦峰值反射率的反射谱。但是ssg-dbr激光器工艺实现比较复杂，啁啾光栅的制作和相移位置和大小的控制都十分困难，且在调控中存在模式缺失现象。2004，英国的bookham公司在ofc会议上提出了数字超模激光器(ds-dbr)，将传统sg-dbr激光器的前反射镜用多段独立调控的短光栅段代替，在不注入电流的情况下是一段宽的平坦反射谱，需要输出某个波长的光就给特定的光栅段注入电流，以实现波长选择。该方法输出功率较低，且电极较低不利于高速波长切换。

4、同时，本发明发现，上述dbr类可调谐半导体激光器的前、后光栅区分布在有源区的两侧，输出必须经过其中一个光栅区，因为电流注入引起得自由载流子吸收，会引起额外的损耗，所以在波长调谐的过程中不同波长的光输出光功率会有较大的波动，不利于实际应用。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种可调谐半导体激光器，旨在解决现有的dbr类可调谐半导体激光器在调谐时各个波长信道输出光功率波动较大的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种可调谐半导体激光器，包括：

3、增益区；增益区包括从下至上依次设置的n型衬底、下包层、有源层、上包层、欧姆接触层以及电极，用于光场约束并提供光增益；

4、设置于增益区右侧的功率分支区；功率分支区包括从下至上依次设置的n型衬底、下包层、波导层、上包层和欧姆接触层，用于将增益区输出的光等功率分为两路；

5、分别设置于功率分支区的两个输出光路的第一弯曲波导和第二弯曲波导；第一弯曲波导和第二弯曲波导均包括从下至上依次设置的n型衬底、下包层、波导层、上包层和欧姆接触层；

6、设置于第一弯曲波导右侧的前光栅区；前光栅区包括从下至上依次设置的n型衬底、下包层、波导层、上包层、欧姆接触层和电极，且其波导层中制作有光栅；

7、以及设置于第二弯曲波导右侧的后光栅区；后光栅区包括从下至上依次设置的n型衬底、下包层、波导层、上包层、欧姆接触层和电极，且其波导层中制作有光栅；前光栅区和后光栅区用于产生不同的反射谱。

8、进一步地，前光栅区和后光栅区中波导层上制作的光栅均为数字级联布拉格光栅；两个数字级联布拉格光栅的中心光栅周期相同，而取样周期长度不同。

9、进一步地，有源层与波导层的接触面在水平方向上有一倾斜角度。

10、进一步地，倾斜角度为15°。

11、进一步地，本发明提供的可调谐半导体激光器，还包括：设置在第一弯曲波导与前光栅区之间，和/或，第二弯曲波导与后光栅区之间的独立相位区；

12、独立相位区包括从下至上依次设置的n型衬底、下包层、波导层、上包层、欧姆接触层和电极，用于将前光栅区和后光栅区的反射谱相位差调节为0。

13、进一步地，本发明提供的可调谐半导体激光器，还包括：设置于功率分支区和增益区之间的公共相位区；

14、公共相位区包括从下至上依次设置的n型衬底、下包层、波导层、上包层、欧姆接触层和电极，用于精细调节输出波长。

15、进一步地，前光栅区和后光栅区的外端面上镀有增透膜；该增透膜用于减小前光栅区和后光栅区外端面引入的波长不可控的反射。

16、进一步地，功率分支区为1×2多模干涉耦合器。

17、进一步地，有源层为半导体材料、量子阱、量子线、量子点或量子级联结构。

18、进一步地，波导层为多量子阱材料或体材料。

19、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

20、(1)本发明提供的可调谐半导体激光器，将两个光栅区以并联的形式设计在有源区的同一端，最终激光直接从有源区的端面输出，避免了光栅区自由载流子吸收的影响，能够有效减小在波长调谐的过程中不同波长的光输出功率的波动，因此，可以在更宽的调谐范围内获得更大的输出功率。

21、(2)本发明提供的可调谐半导体激光器，将两个光栅区以并联的形式设计在有源区的同一端，还有利于减小器件的尺寸，有利于激光器小型化。

22、(3)本发明提供的可调谐半导体激光器，在其优选方案中，前光栅区和后光栅区中制作的光栅为数字级联光栅，其反射谱的峰值均匀性很好，相比于取样布拉格光栅反射谱3db带宽内信道数目增加了几倍，均匀性得到了很大的提升，同时调谐范围也能够做到很宽；同时，由于本发明将两个光栅区以并联的形式设计在有源区的同一端，总反射谱是两个反射谱相加的形式，可以更好地保留两个反射谱所有反射峰的特征，在保证调谐范围的同时提高反射谱的峰值均匀性和单纵模输出特性。

23、(4)本发明提供的可调谐半导体激光器，在其优选方案中，前光栅区和后光栅区中制作的光栅为数字级联光栅，由于数字级联布拉格光栅中没有空白光栅，在相同的长度下具有更高的反射率，减小谐振腔内光损耗，能够进一步提高输出功率。

24、总体而言，本发明提供的可调谐半导体激光器，通过将两个光栅区以并联的形式设计在有源区的同一端，可以改善现有技术中激光器在调谐时各个波长信道输出光功率波动较大的问题；在此基础上，进一步在前后两个光栅区中制作数字级联布拉格光栅，可以实现在较宽的调谐范围内单纵模特性好，具有较高边模抑制比和较大的输出功率。