[发明专利]基于放大反馈实现直调带宽扩展的单片集成激光器芯片

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子领域，特别是涉及一种基于放大反馈实现直调带宽扩展的单片集成激光器芯片。

背景技术

在现行光通信系统中，大容量的数据使用光来传输，而信号的存储和处理依然是电媒质，将高速电信号通过高速调制器或光源加载到光波上的过程即为调制，一般使用强度调制。两种主要的调制方法为直接调制和外调制，前者通过改变激光器注入电流的大小来调制光强，后者使用外部的光调制器来调制半导体激光器所发出的连续光。外调制发射器是目前中长距离密集波分(Dense wavelength division multiplexing，DWDM)系统的主要方案，其中铌酸锂调制器因其插入损耗小、啁啾特性可调等优点，在高速远距离传输中广泛使用，但其体积大、电压高、且不利于集成；电吸收调制器(Electro-Absorption Modulator，EML)调制速率高、体积小、利于集成，但其存在一定的啁啾，且消光比与插入损耗、速率之间互相妥协，所以其适用于中等距离的高速传输(例如城域网应用)。

直接调制激光器因为直接改变有源区的注入电流，同时会引起等效折射率的变化，并且由于光子-电子谐振的存在，其高频及啁啾性能都不太理想，只适用于低速、短距离的传输。但直调激光器具有制作成本低，功耗低等优势，所以成为短距离传输的首选。作为一种重要的直接调制激光器，高速直调DFB激光器是短途光纤通讯的高端光源，在相控阵雷达、短途高速保密通讯、计算机光信息传输等领域具有潜在应用。

然而对于一个商用的脊形波导1.5-μm量子阱DFB激光器，其小信号调制带宽不容易超过20GHz。要想提高激光器的调制带宽，一般采用优化量子阱材料或缩短腔长的方法，然而这些方法都很难突破这个带宽极限。因此，在直接调制激光器光源领域，存在一种非常有潜力的方案，那就是提出一种基于光反馈的直调带宽扩展方案，利用单片集成的反馈腔产生的光-光共振作用对DFB激光器在高频处的电-光响应增益进行“补偿”，实现DFB激光器直调响应带宽的扩展。如IEEE Photonics Technique Letters24(5)：362-364创新性地提出DFB激光器和无源相区的单片集成结构，通过调节相区电流，可以实现直调带宽的扩展。然而这种结构的反馈区仅含有一个相位调节区，没有额外的反馈强度调节区，其使得反馈强度的调节范围非常有限。这将大大的限制激光器的实际使用，毕竟一个合适的反馈强度直接决定了器件是否能实现带宽扩展。同时对于这种结构，如果需要找到某个特定的光-光响应振荡峰(带宽扩展峰)时，我们需要精确地选择激光器芯片腔长，这将加大工作量和成本。而且实际中我们也大量测试过DFB激光器区加无源相区结构的芯片，结果是很难发现直调带宽扩展的现象。因此我们提出一种DFB激光器区、无源反馈区、和有源放大反馈区的单片集成结构，通过在无源相区的后端加入一段有源反馈区，以达到大范围调节反馈强度的目的。我们提出的结构对反馈强度有很大的调节范围，因此对器件的光-光响应峰有很大的调节范围。这样一方面能很容易找到带宽扩展时的偏置电流范围，一方面还能增大对激光器腔长误差的容忍度，实现在很大的腔长范围都能实现带宽扩展。实际测试结果验证了我们的理论。

发明内容

本发明的目的是，提供一种可实现直调带宽扩展的单片集成激光器芯片，通过利用单片集成的反馈腔产生的光-光共振作用对DFB激光器在高频处的电-光响应增益进行“补偿”，实现DFB激光器直调响应带宽的扩展。本发明公开的集成器件结构可以突破普通激光器芯片的直调带宽限制，用一种巧妙、有效且成本低的方法实现激光器直调带宽的扩展。

本发明公开了一种基于放大反馈实现直调带宽扩展的单片集成激光器芯片，包括：

一下限制层；

一有源层，其制作在下限制层上；

一上限制层，其制作在有源层上；

一波导层，为条状，其纵向制作在上限制层上面的中间；

一P⁺电极层，其是用隔离沟将其分为三段，其制作在波导层上；

一N⁺电极层，其制作在下限制层的背面；

其中分为三段的P⁺电极层分别对应为DFB激光器区、无源相位调节区和有源放大反馈区，该DFB激光器区对应的上限制层部分制作有分布反馈Bragg光栅层；

该无源相位调节区对应的有源层与DFB激光器区和有源放大反馈区对应的有源层的增益峰存在90nm蓝移。