阅读说明：本技术 一种集成环形谐振器的边发射半导体激光器 (Edge-emitting semiconductor laser integrated with ring resonator ) 是由 韩宇 向欣 李鸿建 陈云飞 张翼菲 陈志标 于 2020-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及激光器技术领域,提供了一种集成环形谐振器的边发射半导体激光器,包括输入端口、将信号引至所述输入端口的波导以及用于旁瓣过滤的环形谐振腔,所述环形谐振腔有四个端口,其中两个端口与所述波导重合,且所述环形谐振腔的另外两个端口至少一个设有可将光源垂直输出的反射组件。本发明的一种集成环形谐振器的边发射半导体激光器,通过集成环形谐振器来实现旁波的过滤、以及导出光到其它位置,使得激光器的谱线更少干扰,减少激光器模式跳跃的可能性,从而提高激光器的信号输出以及边模抑制比等器件性能,然后通过制作在芯片上的反射组件,将部分光导出到垂直面,从而实现单个芯片同时有传统出光面和垂直出光位置。(The invention relates to the technical field of lasers, and provides an edge-emitting semiconductor laser integrated with a ring resonator, which comprises an input port, a waveguide for guiding signals to the input port, and a ring resonant cavity for side lobe filtration, wherein the ring resonant cavity is provided with four ports, two ports are overlapped with the waveguide, and at least one of the other two ports of the ring resonant cavity is provided with a reflecting component capable of vertically outputting a light source. According to the edge-emitting semiconductor laser of the integrated ring resonator, the filtering of side waves and the light emission to other positions are realized through the integrated ring resonator, so that the spectral line of the laser is less interfered, the possibility of mode hopping of the laser is reduced, the performances of devices such as signal output, edge mode suppression ratio and the like of the laser are improved, and then part of light is led out to a vertical plane through the reflection assembly manufactured on the chip, so that a single chip has a traditional light emitting surface and a vertical light emitting position at the same time.)

一种集成环形谐振器的边发射半导体激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体为一种集成环形谐振器的边发射半导体激光器。

背景技术

半导体激光器芯片是光通讯系统中的核心器件，随着通信容量要求的提高，半导体激光器芯片得到迅速发展。单个半导体激光器的带宽速率有限，目前主流为单个10G至25GHz带宽。当半导体激光器的带宽往上增加，设计、工艺和测试的难度越来越大。

首先，半导体激光器由于其材料增益特性，通常在工作频率之外还存在很多边模；而且边模随着温度的变化，可能产生激发，从而出现跳模等情况，严重影响激光器工作时的性能；从而严重限制或者降低在较大工作温度范围下的商温或者工温激光器芯片的工作范围或者性能。目前的激光器都没有额外进行边模的有效抑制。

其次，现有通信类的半导体激光器主流为边发射激光器（Edge-Emitting Laser，EEL）。在通信领域应用，有少量垂直腔面发射激光器的市场，但是由于其输出功率偏低，一般限于短距和低速的应用中。垂直腔激光器在生产和测试中有个显著优势，可以进行整个晶圆的测试；即在后工艺（打磨/解条/镀膜）之前即可以进行测试。相比之下，边发射激光器必须通过繁琐的后工艺步骤以及巴条测试，非常占用工时；而且巴条必须经过繁琐的挑选/上料/测试/下料等工作，不仅费时费力，而且不可避免有一定的良率损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成环形谐振器的边发射半导体激光器，通过集成环形谐振器来实现旁波的过滤、以及导出光到其它位置，使得激光器的谱线更少干扰，减少激光器模式跳跃的可能性，从而提高激光器的信号输出以及边模抑制比等器件性能，然后通过制作在芯片上的反射组件，将部分光导出到垂直面，从而实现单个芯片同时有传统出光面和垂直出光位置。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种集成环形谐振器的边发射半导体激光器，包括输入端口、将信号引至所述输入端口的波导以及用于旁瓣过滤的环形谐振腔，所述环形谐振腔有四个端口，其中两个端口与所述波导重合，且所述环形谐振腔的另外两个端口至少一个设有可将光源垂直输出的反射组件。

进一步，所述环形谐振腔的半径R与其谐振阶别m之间的关系为：，其中

为其波导有效折射率，

为工作波长，通过对半径R和谐振阶别m的大小调整，以实现与激光器工作波长对应的谱线。

进一步，所述环形谐振腔还级联有多个另外的环形谐振腔。

进一步，所述环形谐振腔采用无源波导或有源波导。

进一步，所述反射组件垂直输出的汇聚光为监控端口。

进一步，所述反射组件包括可对应晶圆的表面晶向的斜面反射镜，所述斜面反射镜设于所述环形谐振腔远离激光器的出口处。

进一步，所述斜面反射镜的反射面为沿立方晶体结构的晶面进行切割和刻蚀得到的平滑的平面；或者所述斜面反射镜的反射面为曲面。

进一步，于所述平面上镀膜。

进一步，所述反射组件有两个，且两个所述反射组件以所述环形谐振腔的直径为对称轴对称设置。

进一步，所述立方晶体结构为带隙的InP和GaAs系列以及其复合物，例如AlGaAs、InGaAsP和AlGaInAs。

进一步，所述反射组件为纵向设置或横向设置，或者横向和纵向同时设置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种集成环形谐振器的边发射半导体激光器，通过集成环形谐振器来实现旁波的过滤、以及导出光到其它位置，使得激光器的谱线更少干扰，减少激光器模式跳跃的可能性，从而提高激光器的信号输出以及边模抑制比等器件性能，然后通过制作在芯片上的反射组件，将部分光导出到垂直面，从而实现单个芯片同时有传统出光面和垂直出光位置。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种集成环形谐振器的边发射半导体激光器的有源波导的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种集成环形谐振器的边发射半导体激光器的无源波导的示意图；

附图标记中：1-激光器；2-环形谐振腔；3-反射组件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供一种集成环形谐振器的边发射半导体激光器，包括输入端口、将信号引至所述输入端口的波导以及用于旁瓣过滤的环形谐振腔2，所述环形谐振腔2有四个端口，其中两个端口与所述波导重合，且所述环形谐振腔2的另外两个端口至少一个设有可将光源垂直输出的反射组件3。在本实施例中，通过在边发射半导体激光器1集成环形谐振腔2来进行旁瓣过滤，以及通过其四个端口导出光到其它位置，使得激光器1的谱线更少干扰，减少激光器1模式跳跃的可能性，从而提高激光器1的信号输出以及边模抑制比等器件性能，然后再通过反射组件3将部分光导出到垂直面，从而实现单个芯片同时有传统出光面和垂直出光位置，而具有垂直腔面发射激光器的性能后，在完全不影响传统方案激光器1芯片性能的前提下，实现了可按整片晶圆测试，从而极大简化测试步骤并减低测试时间和成本，使得本激光器1不仅可以作为传统的单片集成半导体激光器1芯片使用，即边发射激光器，同时还可以作为面发射激光器使用，进行垂直封装，解决了现有的边发射激光器，均采用传统的解条镀膜后测试的方式，必须在整块晶圆完成后，再进行巴条分解和巴条镀膜后，方可进行测试，而如果单片多通道的芯片良率较低，则此方式既费晶圆生产前工艺工序时间、又费后工艺处理时间、更加浪费测试时间，并且测试只能依次将解条后的单个巴条或者甚至解个后的单个芯片放进测试机台，取料和下料极其耽误时间，从而增加大规模生产的成本，而且可能损伤部分器件的众多缺陷，而整块晶圆测试可以节省成本（封装成本和测试时间）一半以上，并且提升产品良率。优选的，芯片大小在几百到几千微米，优选为250微米。各路激光器1的输出信号通过波导连接，引至输入端口，环形谐振腔2有四个端口，其中两个端口与激光器1波导重合，另外两个端口则可以输出额外的光线。输出光功率的比值（与激光器1波导内的功率比值）可以通过调整环形振荡器与激光器1的距离实现。在环形谐振腔2的远离激光器1的出口（可以平行，也可以通过曲线波导改变方向）对应制作反射组件3；从而实现边发射的半导体激光器1的光源垂直输出。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1和图2，所述环形谐振腔2的半径R与其谐振阶别m之间的关系为：，其中为其波导有效折射率，为工作波长，通过对半径R和谐振阶别m的大小调整，以实现与激光器1工作波长对应的谱线。在本实施例中，由该R和m的关系，可以根据实际的情况来对二者的大小来进行调整，如此可以保持器件的工作频率不变，而是谐振阶别相应调整，提供了设计的自由度。根据环形谐振腔2的工作原理和耦合模方程，设置合理的半径使之工作的高阶m阶谱线可对应激光器1工作波长的中心频率，从而实现激光器1的旁瓣过滤，使得激光器1的谱线更少干扰。器件尺寸上，环形谐振腔2可大可小，再加上对应谐振级别的自由度，可以方便实现与激光器1工作波长对应的谱线，制作工艺上，环形谐振腔2可以使用标准的平面波导工艺，没有复杂的要求，对波导侧面的垂直度也没有严苛要求，从性能上，因为环形谐振腔2器件尺寸可以做得很小，从而实现更窄的信道，更多通道数的波分复用器。很容易找到芯片的空余空间来布局，而且也可以再级联相同或者不同半径的更多环形谐振腔2，以实现更多的频谱形状控制。同一个基片上可以生产更多的单品，制作过程的不均匀性而影响器件性能的情况会比更大尺寸的其它波分复用更小。更容易实现高分辨率性能，温控装置更简单。而当入射光包含多个波长（例如白光）时，只有谐振波长才能完全通过环形谐振器。可以使用以下公式定量描述光学环形谐振器的品质因子（Quality Factor，或者说Q-Factor）：

，其中F为环形谐振器的精度，FSR是自由频谱范围（Free Spectrum Range，FSR），FWHM为半高全宽谱宽。品质因数对于确定任何给定环形谐振器的谐振条件的频谱范围很有用。品质因数也可用于量化谐振器中的损耗量，因为低Q值通常是由于损耗大而引起的。对于所需指定的工作波长，可以选择特定的谐振级别m来实现。同时品质因子可根据其自由频谱范围和半高全宽谱宽来确定。可以选择半高全宽谱宽足够大于激光器1本身的谱线宽度，同时小于两边边模间的距离。合适的环形谐振腔2包络可以滤除或限制旁瓣，减少激光器1模式跳跃的可能性，从而提高激光器1的信号输出以及边模抑制比等器件性能。如果指定的工作波长固定，则谐振级别m通常可能变化，图2所示，可以将激光器1电极和环形谐振器使用不同的两个电源输入，则环形谐振器的有效折射率

可以通过注入的载流子浓度来调节，从而实现在谐振级别不变的情况下，固定对应激光器1的工作波长。谐振级别m直接与器件所需要的自由频谱范围（Free Spectrum Range，FSR）相对应。在所需波长范围内，谐振的m级与m+l级衍射不能重叠。与指定工作波长相差为FSR的波长，当其工作在相邻谐振级别（即m+l）时，汇聚点刚好与工作端口重合，由公式

可得到自由光谱范围(FSR)为：，工作在高阶m，其FSR比较小，通过有效折射率调节配合，更方便地对准激光器1的工作波长。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1和图2，所述反射组件3有两个，且两个所述反射组件3以所述环形谐振腔2的直径为对称轴对称设置。在常规环形谐振腔2设计中，远离激光器1的两个端口中，虽然有工作波长的光，但是因为没有波导接收，导致这些光通过散射和传播而损耗掉。因此在本实施例中，通过合理设计，在相应位置加上反射镜，从而达到在不影响原有边发射器件的前提下，得到额外的激光输出，可以做原边发射激光器的额外监测工作端口、可以当垂直测试的检测端口、也可以做垂直发射激光器使用。考虑到激光器1模式和传播方向与前后端面镀膜相关，比如将高反和高透的前后端口镀膜互换，则激光器1的输出端口也前后互换。而环形谐振腔2由于其本身的对称结构，不需要做任何改变，模式可以自动兼容顺时针和逆时针的谐振。因此当激光器1由于镀膜选择而调整改变输出端口时，环形谐振腔2随之对应，可以将光从对应的另外一个口输出。因此，本设计的反射面位置也做成对称设计，以兼容垂直出光也可随之适应，选择相应端口。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1和图2，所述环形谐振腔2采用无源波导或有源波导。在本实施例中，同时提供两个方案，其一方案的环形谐振腔2可以采用无源状态，既可以使用无源波导（工艺需要有有源无源再生长的过程），也可以使用不注入电流的激光器1有源材料（会额外引入些损耗），但是此种配置的器件带宽不受影响，对于高速器件，优选使用方案一，如图1。而针对方案一的额外损耗，可以通过方案二，即图2，环形谐振腔2使用激光器1相同的材料，同时连接其电极接入电流，从而使得环形谐振腔2的波导有增益放大功能，使得垂直输出有更高的功率。

作为本发明实施例的优化方案，所述反射组件3垂直输出的汇聚光为监控端口。在本实施例中，器件可作为传统边发射激光器进行封装和使用，但是由于额外的垂直方向的出光端口，可以提供额外的功率监控端口，更好地实时监测激光器芯片的工作情况和变化。在传统方案，如果要实现这一点，只能够通过背光监测实现；需要额外空间、耦合对准要求高、封装复杂和高成本。而本设计的额外垂直出光设计则提供更高的自由度、监测更加方便简单、成本更为低廉。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1和图2，所述反射组件3包括可对应晶圆的表面晶向的斜面反射镜，所述斜面反射镜设于所述环形谐振腔2远离激光器的出口处。所述斜面反射镜的反射面为沿立方晶体结构的晶面进行切割和刻蚀得到的平滑的平面；或者所述斜面反射镜的反射面为弧面；或者所述斜面反射镜的反射面为其他曲线面。于所述平面上镀膜。在本实施例中，反射镜可以同时有纵向和横向的结构，分别与不同方向的晶面对齐，方便工艺制作，且提供选择自由度。而且因为环形谐振腔2后的波导连接可以使用曲线，原则上也可以制作对应任意晶面方向的斜坡反射镜，可根据具体晶圆的类型和表面晶向而确定。纵横双向结构既可以同时使用，也可以视情况只制作或者只选择一个。双向长条斜面反射镜，长度尽可能长，保证制作容忍度，从而通过移动垂直面上方的接收（可以通过棱镜进行更好聚焦）光波导或者光纤，将此汇聚光收集使用。在传统输入输出端口之外，在不影响原结构的边发射（Edge Emitting Laser，EEL）功能前提下，利用芯片的空余空间，增添可以接收相同频率光的位置，在这些区域制作平滑晶体面作为反射镜，从而将合波激光同时发射到与芯片垂直的方向，实现垂直面出光激光器（Surface Emitting Laser，SEL），并且允许整块晶圆层级的快速测试。优选的，所述立方晶体结构为带隙的InP和GaAs系列以及其复合物，例如AlGaAs、InGaAsP和AlGaInAs。这些材料都是晶体结构，沿着晶面进行切割和腐蚀（比如湿法腐蚀），通常可以得到非常平滑的平面，从而可以作为反射面使用。在芯片上的镀膜（金属薄膜），可以提高镜面的反射率。晶体学中通常由密勒指数来定义晶面和晶向。对于立方晶体，相邻两个晶面，标记其密勒指数为[h1k1l1]和[h2k2l2]，则该两晶面之间的角度由以下公式确定：

可得角度均接近于45度，例如硅晶体的晶面比InP等III-V族材料的更完美，对于四元混合物InGaAsP，其晶面约为52°左右，因此可以直接利用作为本垂直出光设计的反射面。其中环形谐振器的输出端口的斜面反射面为纵向或横向安置，或者两者皆有，例如图1和图2所示，的反射组件3的位置，相对于环形谐振腔2的位置来说，可以是设置成横向的，也可以是设置成纵向的，而实际上，也可以不是这两种布设形式，制作为任意方向的反射面也是可行的，只要能够将光源垂直输出。垂直反射面可以是平面或曲面，其中曲面具体可以是弧面，而且反射组件在数量上也可以同时设置多个，不再受到任何的限制。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。