激光器、光发射机、光纤通信系统及激光器制作方法与流程

1.本发明涉及网络通信光电子器件领域，特别涉及激光器、光发射机、光纤通信系统及激光器制作方法。


背景技术：

2.随着互联网业务的迅猛发展，大带宽、高速率和远距离传输的光器件必不可少，激光器是通信网络光器件中的核心器件。其中分布式反馈激光器(distributed feedback laser，简称dfb)作为一种直接调制激光器，由于其低成本、小尺寸、高速率以及高线性度，被广泛应用于中短距离(10km以下)传输，而由于dfb本身的啁啾，制约了其应用于10km以上光纤传输链路中。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种激光器、光发射机、光纤通信系统及激光器制作方法，能够降低啁啾。
4.根据本发明的第一方面实施例，提供一种激光器，包括：
5.分布式反馈激光器主体区域，用于发射光，所述分布式反馈激光器主体区域包括有源层；以及
6.滤波器区域，包括光子晶体平板层，所述光子晶体平板层与所述有源层为同质结构且材料相同，所述光子晶体平板层上设有光子晶体波导和光子晶体微腔；其中，
7.所述光子晶体波导与所述有源层的光输出端连接，使光沿所述光子晶体波导输出；
8.所述光子晶体微腔用于耦合预定波长的光。
9.上述的激光器至少具有以下有益效果：此激光器集成了分布式反馈激光器和滤波器，具体分为分布式反馈激光器主体区域和滤波器区域，其中滤波器区域采用光子晶体，光子晶体平板层上设置光子晶体波导和光子晶体微腔；激光器工作时，在分布式反馈激光器主体区域输入ac信号，使得有源层的光输出端输出波长为λ1和λ0的光，分别对应高电平信号和低电平信号输出的光，其中波长为λ0的光耦合进光子晶体微腔，光子晶体微腔相当于一谐振腔，波长为λ1的光则以很低的损耗沿光子晶体波导传输，最终使分布式反馈激光器主体区域输出的光经过滤波器区域得到一个高消光比和低啁啾的激光信号，有利于远距离传输；此外，分布式反馈激光器主体区域的有源层和滤波器区域的光子晶体平板层为同质结构且材料相同，因此便于集成，在制作工艺上无需异质生长，制作工艺简单。
10.根据本发明第一方面实施例所述的激光器，所述光子晶体平板层上还设有非波导区，所述非波导区上设有多行呈直线分布的空气孔，所述光子晶体波导呈直线型且不设置所述空气孔。
11.根据本发明第一方面实施例所述的激光器，所述光子晶体微腔呈多边形或圆形并且不设置所述空气孔。
12.根据本发明第一方面实施例所述的激光器，所述光子晶体平板层的晶格常数为0.72微米，所述空气孔的半径为晶格常数的0.47倍。
13.根据本发明第一方面实施例所述的激光器，所述有源层的光输出端设有出光波导，所述出光波导连接所述光子晶体波导。
14.根据本发明第一方面实施例所述的激光器，所述出光波导与所述光子晶体波导连接的一端为第一端，另一端为第二端，所述出光波导的宽度尺寸从所述第二端向所述第一端逐渐减小。
15.根据本发明第一方面实施例所述的激光器，所述激光器还包括自下而上设置的衬底和刻蚀停止层，所述有源层和所述光子晶体平板层设置在所述刻蚀停止层上方，所述分布式反馈激光器主体区域还包括设置在所述有源层上方的光栅层和覆盖层，其中所述光栅层在所述有源层和所述覆盖层之间。
16.根据本发明第一方面实施例所述的激光器，所述衬底和所述覆盖层的材料为inp，所述有源区和所述光子晶体平板层的材料为ingaasp或ingaalas。
17.根据本发明的第二方面实施例，提供一种光发射机，包括上述的激光器。
18.根据本发明的第三方面实施例，提供一种光纤通信系统，包括上述的光发射机。
19.根据本发明的第四方面实施例，提供一种激光器制作方法，包括：
20.设置衬底，在所述衬底上生长刻蚀停止层、有源层、光栅层和覆盖层形成一体结构，将所述一体结构分为相邻的分布式反馈激光器主体区域和滤波器区域；
21.刻蚀所述滤波器区域的覆盖层和光栅层，露出所述有源层；
22.在露出的所述有源层上进行刻蚀形成光子晶体波导和光子晶体微腔，其中，所述光子晶体波导与所述有源层的光输出端连接，所述光子晶体微腔用于耦合预定波长的光；
23.在所述分布式反馈激光器主体区域进行分布式反馈激光器制作工艺。
24.上述的激光器制作方法至少具有以下有益效果：此激光器集成了分布式反馈激光器和滤波器，具体分为分布式反馈激光器主体区域和滤波器区域，在制作过程中，滤波器区域为直接在有源层上进行刻蚀形成，如此，无需晶体异质生长，简化制作工艺，便于分布式反馈激光器和滤波器的集成；滤波器区域形成有光子晶体波导和光子晶体微腔，激光器工作时，在分布式反馈激光器主体区域输入ac信号，使得有源层的光输出端输出波长为λ1和λ0的光，分别对应高电平信号和低电平信号输出的光，其中波长为λ0的光耦合进光子晶体微腔，光子晶体微腔相当于一谐振腔，波长为λ1的光则以很低的损耗沿光子晶体波导传输，最终使分布式反馈激光器主体区域输出的光经过滤波器区域得到一个高消光比和低啁啾的激光信号，有利于远距离传输。
25.根据本发明第四方面实施例所述的激光器制作方法，在露出的所述有源层上进行刻蚀形成光子晶体波导和光子晶体微腔包括：在所述有源层上刻蚀多行呈直线分布的空气孔，所述光子晶体波导呈直线型，所述有源层上在所述光子晶体波导的位置不刻蚀所述空气孔形成线缺陷；所述光子晶体微腔呈多边形或圆形，所述有源层上在所述光子晶体微腔的位置不刻蚀所述空气孔。
附图说明
26.下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
27.图1是本发明实施例激光器的正视图；
28.图2是本发明实施例俯视图；
29.图3是本发明实施例光子晶体波导中模场分布截面图；
30.图4是本发明实施例激光器的输出谱；
31.图5是本发明实施例激光器实现低啁啾和高消光比输出的原理示意图；
32.附图标记：分布式反馈激光器主体区域100、有源层110、光栅层120、覆盖层130、出光波导140、滤波器区域200、光子晶体平板层210、光子晶体波导211、光子晶体微腔212、空气孔213、非波导区214、衬底300、刻蚀停止层400。
具体实施方式
33.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
36.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
37.参照图1和图2，本发明实施例提供一种激光器，包括左侧的分布式反馈激光器主体区域100和右侧的滤波器区域200，其中分布式反馈激光器主体区域100用于发射光，分布式反馈激光器主体区域100包括有源层110；滤波器区域200包括光子晶体平板层210，光子晶体平板层210与有源层110为同质结构且材料相同，光子晶体平板层210上设有光子晶体波导211和光子晶体微腔212；其中，光子晶体波导211与有源层110的光输出端连接，使光沿光子晶体波导211输出；光子晶体微腔212用于耦合预定波长的光。
38.本实施例的激光器集成了分布式反馈激光器和滤波器，具体分为分布式反馈激光器主体区域100和滤波器区域200，其中，在分布式反馈激光器主体区域100输入电信号，在其光输出端输出电信号对应波长的光，然后经过滤波器区域200滤波和输出，滤波器区域200采用光子晶体，光子晶体平板层210上设置光子晶体波导211和光子晶体微腔212，光子晶体微腔212相当于一谐振腔，可耦合预定波长的光，将其过滤至少一部分。
39.其中，分布式反馈激光器主体区域100的有源层110和滤波器区域200的光子晶体平板层210为同质结构且材料相同，因此便于集成，在制作工艺上无需异质生长，制作工艺简单，所述同质结构指的是有源层110和光子晶体平板层210在纵向方向上的晶体结构相同。
40.在一些实施例中，激光器还包括自下而上设置的衬底300和刻蚀停止层400，分布式反馈激光器主体区域100和滤波器区域200基于同一个衬底300和刻蚀停止层400，有源层110和光子晶体平板层210设置在刻蚀停止层400上方，分布式反馈激光器主体区域100还包括设置在有源层110上方的光栅层120和覆盖层130，其中光栅层120在有源层110和覆盖层130之间，分布式反馈激光器主体区域100上设有电极，用于施加电信号。
41.具体地，在其中一些实施例中，衬底300和覆盖层130的材料为inp(磷化铟)，有源区和光子晶体平板层210的材料为ingaasp(铟镓砷磷)或ingaalas(铟镓铝砷)。
42.在一些实施例中，光子晶体平板层210上还设有非波导区214，非波导区214上设有多行呈直线分布的空气孔213，空气孔213为柱状，贯穿光子晶体平板层210，底部延伸至刻蚀停止层400，光子晶体波导211呈直线型，光子晶体平板层210上光子晶体波导211的位置不设置空气孔213形成线缺陷，即移除光子晶体平板层210上的一行空气孔213形成光子晶体波导211，可以使光以很低的损耗沿光子晶体波导211传输，实现近乎无损传输。
43.在一些实施例中，光子晶体微腔212具体为h2型微腔，呈多边形或圆形，光子晶体平板层210上光子晶体微腔212的位置不设置空气孔213，即移除光子晶体平板层210上的多行空气孔213形成光子晶体微腔212，通过设置空气孔213和光子晶体平板层210的晶体结构的结构参数，可以获得一个高q(品质因数)值的谐振腔，使从分布式反馈激光器主体区域100输出的光中预定波长的光耦合进光子晶体微腔212，进而最终从滤波器区域200输出一个高er(消光比)和低啁啾的信号。
44.具体地，在其中一些实施例中，光子晶体平板层210的晶格常数为a＝0.72um，空气孔213的半径为r＝0.47a，即晶格常数的0.47倍。
45.可以理解的是，作为替代方案，光子晶体微腔212可以不采用h2型，可以采用其他的结构类型，并设置相应的结构参数，只要能够获得一个高q值的谐振腔，将预定波长的光耦合进光子晶体微腔212即可。
46.在一些实施例中，有源层110的光输出端设有出光波导140，通过出光波导140连接光子晶体波导211，将分布式反馈激光器主体区域100输出的光导引至光子晶体波导211。
47.具体地，在其中一些实施例中，出光波导140与光子晶体波导211连接的一端为第一端，另一端为第二端，出光波导140的宽度尺寸从第二端向第一端逐渐减小，对光起到汇聚作用。
48.本实施例的激光器的工作过程为：
49.激光器采用nrz信号调制，工作时，在分布式反馈激光器主体区域100输入ac信号，包括高电平信号和低电平信号，使得有源层110的光输出端输出波长为λ1和λ0的光，波长λ1和λ0的光分别对应高电平信号和低电平信号输出的光，其中低电平信号对应的波长为λ0的光(即上述预定波长的光)为需要过滤掉或降低强度的；从有源层110的光输出端输出的光经过出光波导140进入滤波器区域200，其中波长为λ0的光耦合进光子晶体微腔212，波长为λ1的光则以很低的损耗继续沿光子晶体波导211传输，最终使分布式反馈激光器主体区域100输出的光经过滤波器区域200得到一个高消光比和低啁啾的激光信号，有利于远距离传输。
50.可以理解的是，激光器不一定采用nrz信号调制，当采用其他信号调制时，分布式反馈激光器主体区域100输入其他电信号，有源层110的光输出端输出不同波长的光，经过
出光波导140进入滤波器区域200，其中波长与λ0相同或相近的光仍然耦合进光子晶体微腔212，其他波长的光则沿光子晶体波导211传输。
51.参照图3，最终输出得到一个汇聚的激光束。
52.参照图4，为对光的透射率的输出图谱，波长为λ0的光对应图中曲线波谷或其附近的位置，由于波长为λ0的光耦合进光子晶体微腔212中，因此波长为λ0的光的透射率较低。
53.参照图5，左侧的曲线对应为从分布式反馈激光器主体区域100输出的光，未经过滤波器区域200，右侧的曲线对应为经过滤波器区域200滤波后输出的光，经过滤波器区域200滤波后，其中，波长为λ1的光的强度不变，近乎无损传输，波长为λ0的光由于耦合进光子晶体微腔212，其强度降低，消光比(er)为波长λ1的光与波长λ0的光的光功率比值，因此经过滤波器区域200滤波输出后，消光比产生变化，即形成
△
er(滤波前后消光比差值)，具体为提高了消光比；此外，从图中可知，滤波前，波长为λ1的光与波长为λ0的光的相位相差较大，因此啁啾较大，滤波后，波长为λ1的光与波长为λ0的光的相位相差变小，从而降低了啁啾。
54.本发明实施例还提供一种激光器制作方法，包括以下步骤：
55.s100、设置衬底300，在衬底300上生长(指晶体生长)刻蚀停止层400、有源层110、光栅层120和覆盖层130形成一体结构(即刻蚀停止层400、有源层110、光栅层120和覆盖层130依次生长形成一体，非分别成型制作后机械连接)，将所述一体结构分为相邻的分布式反馈激光器主体区域100和滤波器区域200，具体地，左侧为分布式反馈激光器主体区域100，右侧为滤波器区域200，其中，衬底300和覆盖层130的材料为inp，有源区的材料为ingaasp或ingaalas；
56.s200、刻蚀滤波器区域200的覆盖层130和光栅层120，露出有源层110；
57.s300、在露出的有源层110(即滤波器区域200的有源层110)上进行刻蚀形成光子晶体波导211和光子晶体微腔212(刻蚀后即形成上述的光子晶体平板层210，刻蚀不会改变材料晶体结构和材料构成，因此有源层110和光子晶体平板层210为同质结构且材料相同)，其中，光子晶体波导211与有源层110的光输出端连接，光子晶体微腔212用于耦合预定波长的光；
58.s400、在分布式反馈激光器主体区域100进行分布式反馈激光器制作工艺。可以理解的是，所述分布式反馈激光器制作工艺为本领域技术人员的公知常识，在此不再赘述。
59.本实施例的激光器制作方法，集成了分布式反馈激光器和滤波器，在制作过程中，分布式反馈激光器主体区域100和滤波器区域200均基于inp衬底300，滤波器区域200为直接在有源层110上进行刻蚀形成，如此，无需晶体异质生长，简化制作工艺，便于分布式反馈激光器和滤波器的集成，从分布式反馈激光器主体区域100输出的光经过滤波器区域200得到一个高消光比和低啁啾的激光信号，有利于远距离传输。
60.在一些实施例中，步骤s300具体包括以下步骤：在有源层110上刻蚀多行呈直线分布的空气孔213，光子晶体波导211呈直线型，有源层110上在光子晶体波导211的位置不刻蚀空气孔213形成线缺陷；光子晶体微腔212呈多边形或圆形，有源层110上在光子晶体微腔212的位置不刻蚀空气孔213。刻蚀后即形成上述激光器的光子晶体平板层210。
61.可以理解的是，在制作工艺上，有源层110和光子晶体平板层210为同一结构层；在功能上，有源层110为分布式反馈激光器主体区域100的一部分，光子晶体平板层210为滤波器区域200的一部分。
62.本发明实施例还提供一种光发射机，包括上述的激光器。可以理解的是，光发射机还包括驱动电路和温度控制电路等，驱动电路产生电信号输入激光器。
63.本发明实施例还提供一种光纤通信系统，包括上述的光发射机。可以理解的是，光纤通信系统还包括光接收机和光纤链路等。
64.上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。