具体实施方式

现在将参照附图来描述本发明的示例实施方式的各个方面。应当理解，附图是这样的示例实施方式的图解表示和示意表示，并且不限制本发明，也未必按比例绘制。

本申请与2018年8月28日公布的美国专利第10,063,032号相关，并且该美国专利通过引用并入本文。

本文描述的实施方式通过在DFB激光器中包括具有弱光反馈的无源区，利用失谐加载效应来改善DFB激光器的性能。将首先在分布式布拉格反射器(DBR)激光器的上下文中描述失谐加载效应，随后讨论失谐加载效应对DFB激光器的适用性。

图1示出了根据本文描述的至少一个实施方式布置的相对于激光器的DBR区的DBR反射分布104的激光器的有源区的示例调制光谱102。如图所示，调制光谱102的主激射模106对准至DBR反射分布104的峰的长波长边缘108。因此，有源区的激射发生在DBR阻带的长波长边缘的频率(或波长)处。

当激光器被调制时(例如，通过有源区的调制)，随着调制从0位的偏置变为1位的偏置，激射频率由于频率啁啾而向较短波长变化，并且随着调制从1位的偏置变为0位的偏置，激射频率向较长波长变化。在图1中，主激射模106针对1位和0位中的每一个的频率/波长由分别标以1或0的相应竖直虚线来表示。

随着主激射模106上下移动反射分布104的长波长边缘，由调制引起的频率啁啾导致反射的变化。特别地，当调制从0位的偏置变为1位的偏置时，主激射模106的波长向较短波长偏移，导致反射增加，并因此导致较低的腔损耗。当调制从1位的偏置变为0位的偏置时，主激射模106的波长向较长波长偏移，导致反射减少，并因此导致较高的腔损耗。在图1中，激光器的DBR区域的在对应于1位和0位中的每一个的波长处的反射率由分别标有1或0的相应水平虚线来表示。

更详细地，激光器的有源区的快速电流调制引起激光器中的载流子密度变化。这由于材料的所谓的阿尔法(alpha)参数，不仅引起光增益波动，还引起折射率波动(indexfluctuation)。这些增益波动和折射率波动又分别引起激光器光的强度波动和频率波动。通过啁啾因子来描述与激光器的强度调制相比的频率调制的相对量，啁啾因子也称为结构的阿尔法参数或线宽增强因子。当激光器失谐使得激射模106位于反射分布104的峰的长波长边缘时，折射率调制引起腔损耗的调制，腔损耗的调制降低或增加了激光器的有效(净增益)调制。因此，激光器啁啾被转换成差分增益的有效增强，并且因此提高了激光器的速度。失谐加载效应包括当激射模106对准至DBR反射分布104的峰的长波长边缘时在调制下发生的效应，所述效应可以包括差分增益的有效增强、提高的速度和增加的带宽中的一种或更多种。

失谐加载效应不限于DBR激光器。实际上，根据至少一些实施方式，可以在其中激射模对准至半导体激光器的一部分的反射分布的峰的长波长边缘的半导体激光器中实现失谐加载效应。

本文描述的实施方式还可以利用光子-光子谐振(PPR)效应来改善性能。当DML诸如DFB激光器或DBR激光器被调制时，调制边带加宽了DML在主激射模周围的光谱。如果激光腔的边模存在于调制光谱内，则这种边带可以耦合到边模中并被谐振放大。在图2中描绘了这种情况。这种效应被称为PPR效应，并且可以增强在对应于主模与边模之间的频率差的频率附近的调制响应。激射模与PPR模之间的频率间隔可以被称为PPR频率。本文所述的实施方式可以具有在诸如大约30GHz的从25GHz到100GHz的范围内、或者在从50GHz到100GHz的范围内的PPR频率，或其他合适的PPR频率。例如，对于冷却应用(cooled application)，PPR频率可以在从50GHz到100GHz的范围内。作为另一个示例，对于50千兆波特的未冷却应用，激光器的带宽可以是大约35GHz，并且PPR频率可以是大约30GHz。

本文描述的实施方式包括具有带弱光反馈的无源区的DFB激光器，该DFB激光器被配置成利用失谐加载效应。具有无源区的DFB激光器是已知的，但是这种已知的DFB激光器不能利用失谐加载效应。

图9示出了具有无源区902和DFB区904的现有技术DFB激光器900。DFB激光器900可以称作无源反馈激光器(PFL)900。DFB区904包括蚀刻到多量子阱(MQW)增益层908中的DFB光栅906。在无源区902的后端面上形成例如具有95％的反射率的高反射(HR)镜910。在DFB区904的前端面上形成抗反射(AR)涂层912。由HR镜910和DFB光栅906的位于DFB区904后部的一部分在无源区902中形成标准具914。DFB光栅906具有大约500cm^-1的强卡帕(kappa)。除非使用强卡帕，否则从HR镜910的强反射降低了边模抑制比(SMSR)。具有HR镜910和具有强卡帕的DFB光栅906的PFL 900的配置激发外腔模，该外腔模可以谐振地放大DFB模的调制边带(例如，PPR效应)，导致在1310nm处的37GHz调制BW。PFL 900中的速度提高主要是由于PPR效应，并且载流子-光子谐振频率(F_r)相对低，例如12GHz。即使当HR镜910产生强反馈时，DFB光栅906的强卡帕也使DFB模稳定。DFB光栅906被直接蚀刻到MQW层908中，这可能降低增益特性和可靠性。MQW层908可以包括InGaAsP；由于Al氧化，因此InGaAlAs不能用于MQW层908中。

图9还示出标准具914的反射分布916。由于HR镜910，反射分布916基本上是平的。特别地，标准具914作为全通滤波器或Gires-Tournois(GT)干涉仪工作，其通常根据波长来修改色散，但通常不根据波长来修改反射。由于由HR镜910引起的反射分布的平坦性，存在不充分的用于提供显著失谐加载效应的激射模可以对准至的滤波器边缘，从而基本上消除PFL 900中的失谐加载效应。

PFL 900中的DFB光栅906的强卡帕还减小或消除PFL 900中的失谐加载效应。特别地，强卡帕减少了反射光对有源区904的阈值增益的影响。

图3示出了根据本文描述的至少一个实施方式布置的被配置成利用失谐加载效应的示例DFB激光器300。如图所示，DFB激光器300包括无源区302和DFB区304(也称为有源区)。无源区302耦接至DFB区304的前部303。无源区302可以具有从100微米到250微米的范围内的长度，诸如120微米。DFB区304可以具有从50微米到200微米的范围内的长度，诸如100微米。

DFB区304可以包括DFB光栅306，该DFB光栅306形成在MQW增益层308或者其他合适的增益层中、在所述层上或在所述层的上方。DFB光栅306可以包括其间具有相移的第一光栅部分和第二光栅部分。DFB光栅306可以具有从1.0到1.8的范围内的卡帕x长度，例如κL，或者其他合适的κL。

HR镜310形成在DFB区304的后部或背部305处，例如，形成在后端面上。HR镜310可以耦接至DFB区304的后部305。HR镜310可以具有30％或大于30％、50％或大于50％、70％或大于70％、或者甚至90％或大于90％的反射率。在其他实施方式中，具有相似反射率(例如，30％或大于30％、50％或大于50％、70％或大于70％、或者甚至90％或大于90％的反射率)的DBR镜可以代替HR镜310，并且可以被称为HR DBR镜。本文所用的术语“HR镜”包括HR涂层/镜以及HR DBR镜。

低反射(LR)镜312形成在无源区302的前部307处，例如，形成在前端面上。LR镜312可以耦接至无源区302的前部307。LR镜312可以具有15％或小于15％、10％或小于10％、或甚至5％或小于5％，诸如4％或3％的反射率。在一些实施方式中，LR镜312具有从0.5％到15％的范围内或者从3％到8％的范围内的反射率。在DFB区304的前部处的DFB光栅306的一部分与LR镜312之间形成标准具314。DFB激光器300形成了由DFB激光器本身例如DFB区304和标准具314构成的复杂腔设计。标准具314被配置成在DFB区304被调制时动态地修改由于频率啁啾引起的腔损耗。DFB激光器300可以被称为DFB+R(例如，DFB加(弱)反射)激光器300。

DFB+R激光器300还可以包括分别电耦接至DFB区304和无源区302的调制触点309和偏置触点311。可以通过调制触点309将调制信号313提供给DFB区304以调制DFB区304。可以通过偏置触点311将偏置信号315提供给无源区302。对DFB区304的调制可以调制DFB+R激光器300的腔损耗，并且可以增大DFB+R激光器300的F_r。

图4示出了根据本文所描述的至少一个实施方式布置的与图9的PFL激光器900和图3的DFB+R激光器300相关联的各种反射分布400。当从DFB区304朝向DFB+R激光器300的输出看时，反射分布300包括：图9的PFL 900的标准具914的反射分布916(下文中的PFL反射分布916)、DFB光栅306的反射分布402(下文中的DFB反射分布402)、以及组合的DFB光栅306和LR镜312的反射分布404(反射率为3％)(下文中的组合的DFB+R反射分布404)。如图4中的DFB+R反射分布404所示，由DFB光栅306和LR镜312形成的标准具314产生强纹波，并因此产生强失谐加载效应。相比之下，因为具有HR镜910的标准具914充当GT干涉仪，所以在波导损耗小的PFL反射分布916中，纹波消失。因此，在PFL激光器900中仅存在色散效应，并且当HR涂层910被施加至与DFB区904相对的无源区902的端面时，在虚部中的失谐加载效应消失。

图5示出了根据本文所描述的至少一个实施方式布置的另一示例DFB+R激光器的各种反射分布502、504、506。DFB+R激光器可以与图3的DFB+R激光器300相同或相似，其中，图5的DFB+R激光器的LR镜具有4％的反射率。

反射分布502是DFB+R激光器的DFB光栅的反射分布(下文中称为DFB反射分布502)。反射分布504是当从DFB区朝向DFB+R激光器的输出看时，组合的DFB光栅和LR镜(具有4％的反射率)在低偏置下的反射分布(下文中为组合的低偏置DFB+R反射分布504)。反射分布506是当从DFB区朝向DFB+R激光器的输出看时，组合的DFB光栅和LR镜(具有4％的反射率)在高偏置下的反射分布(在下文中为组合的高偏置DFB+R反射分布506)。当偏置由于DFB+R激光器的增益压缩而增大时，存在从组合的低偏置DFB+R反射分布504到组合的高偏置DFB+R反射分布504的偏移。由于无源区的指数不动态地变化，所以该偏移小于在调制下发生的频率啁啾。

如图5所示，组合的DFB+R反射分布504、506中的每个都具有周期性反射峰(或纹波)和谷，并且DFB区的主激射模508对准至周期性峰之一的长波长边缘。主激射模508对准至的峰的边缘可以相对陡峭。例如，在主激射模508处，峰的边缘可具有至少0.002GHz^-1的斜率，例如大约0.006GHz^-1的斜率。在一些实施方式中，斜率可以在从0.002GHz^-1到0.009GHz^-1的范围内。当从与1位对应的强度到与0位对应的强度对DFB+R激光器进行强度调制时，频率啁啾使主激射模508偏移至较短的波长，例如，偏移至啁啾激射模510。频率啁啾使DFB+R激光器的标准具的反射率增加，因此动态地减少腔的损耗。这是差分增益的有效增加，并且因此，根据失谐加载效应提高了激光器的速度。因此，在一些实施方式中，如本文所描述的对DFB+R激光器的DFB区的调制对DFB+R激光器的腔损耗进行调制，并提高DFB+R激光器的固有速度。

图5还示出了在主激射模508的长波长侧的组合的低偏置DFB+R反射分布504和高偏置DFB+R反射分布506中的每一个的PPR模。PPR频率可以在从50GHz到100GHz的范围内。因此，与图9的使用PPR效应而不使用失谐加载效应的PFL 900不同，图5示出了针对本文描述的DFB+R激光器的实施方式，失谐加载效应与PPR效应可以共存。

图5还示出了如本文所述的DFB+R激光器在25C处的3dB BW和F_r，其中，LR镜具有5％的反射率，DFB区具有80微米的长度，并且无源区具有120微米的长度。如图所示，DFB+R激光器具有大约40GHz的F_r和大约55GHz的3dB BW。

图6示出了根据本文所述的至少一个实施方式布置的DFB+R激光器的各种光谱602和S21响应604。光谱602包括DFB区的调制光谱606，该DFB区例如可以在DFB+R激光器中实现，但没有例如来自DFB+R激光器的标准具的反馈。光谱602还包括DFB+R激光器的调制光谱608(例如，与调制光谱606相关联但是具有来自标准具的反馈的相同DFB区)。无反馈的DFB区的调制光谱606具有主激射模610和PPR模612。对于5％的LR镜的反射率，SMSR可以大于40dB。

S21响应604包括常规DFB激光器(例如，没有标准具反馈)的S21响应614和DFB+R激光器的各种S21响应616，其中在无源区中给予在DFB+R激光器中传播的光的相移为约180度，导致激射模对准至标准具纹波之一的短波长侧并且导致性能降低。S21响应还包括各种S21响应618，其中在无源区中给予在DFB+R激光器中传播的光的相移被调谐至约20度，导致激射模对准至标准具纹波之一的长波长侧并提高了速度，例如F_r更快。如S21响应604所示，将主激射模对准至标准具纹波之一的短波长侧相对于常规DFB激光器降低了性能(F_r较慢)，而将主激射模对准至标准具纹波之一的长波长侧则相对于常规DFB激光器提高了性能(F_r较快)。

图7示出了根据本文描述的至少一个实施方式布置的被配置成利用失谐加载效应的另一示例DFB+R激光器700。如图所示，DFB+R激光器700包括无源区702和DFB区704(也称为有源区)。无源区702耦接至DFB区704的前部703。无源区702可以具有从100微米到250微米的范围内的长度，诸如120微米。DFB区704可以具有从50微米到200微米的范围内的长度，诸如100微米。

DFB区704可以包括DFB光栅706，该DFB光栅706形成在MQW增益层708或其他合适的增益层中、所述层上或所述层上方。DFB光栅706可以包括其间具有相移的第一光栅部分和第二光栅部分。DFB光栅706可以具有从0.5到2.0的范围内的κL或其他合适的值。

HR镜710形成在DFB区704的后部或背部705处，例如，形成在后端面上。HR镜710可以耦接至DFB区704的后部705。HR镜710可以具有30％或大于30％、50％或大于50％、70％或大于70％、或者甚至90％或大于90％的反射率。在其他实施方式中，具有相似反射率(例如，30％或大于30％、50％或大于50％、70％或大于70％、或者甚至90％或大于90％的反射率)的DBR镜可以代替HR镜710，并且可以被称为HR DBR镜。

低反射(LR)镜712形成在无源区702的前部707处，例如，在DFB+R激光器700的前端面或输出端面附近的无源区702中。LR镜712可以耦接至无源区702的前部707。LR镜712可以具有15％或小于15％、10％或小于10％、或甚至5％或小于5％，诸如4％或3％的反射率。在一些实施方式中，LR镜712具有从0.5％到15％的范围内或者从3％到8％的范围内的反射率。在图7的示例中，LR镜712包括在无源区702中形成的LR DBR。LR镜712的LR DBR的长度可以相对较短，例如20微米或小于20微米。LR镜712的LR DBR的卡帕可以为50cm^-1或大于50cm^-1。AR涂层716可以形成在DFB+R激光器700的输出端面上。

类似于图3的示例，在DFB光栅706的在DFB区704的前部处的部分与LR镜712之间形成标准具718。DFB+R激光器700形成了由DFB激光器本身例如DFB区704和标准具714构成的复杂腔设计。标准具714被配置成在DFB区704被调制时动态地修改由于频率啁啾引起的腔损耗。因此，图7的DFB+R激光器700可以利用失谐加载效应来改善性能。

DFB+R激光器700还可以包括分别电耦接至DFB区704和无源区702的调制触点713和偏置触点715。可以通过调制触点713将调制信号717提供给DFB区704以调制DFB区704。可以通过偏置触点715将偏置信号719提供给无源区702。对DFB区704的调制可以调制DFB+R激光器700的腔损耗，并且可以增大DFB+R激光器700的F_r。

图7还示出DFB+R激光器700的调制光谱720和各种S21响应722。如调制光谱720所示，DFB+R激光器700抑制宽带DBR镜(约10纳米宽度)之外的模。

S21响应722包括在LR镜712的LR DBR的不同卡帕下DFB+R激光器700的各种S21响应。如图所示，S21响应722的峰通常变得更显著，并且随着卡帕越高而偏移至更高的频率。

图8示出了根据本文描述的至少一个实施方式布置的被配置成利用失谐加载效应的另一示例DFB+R激光器800。DFB+R激光器包括调制光栅y-分支(MGY)激光器配置，例如，通过包括S弯曲和多模干涉(MMI)耦合器的无源区耦接至DFB激光器的两个调制光栅分支(图8中的MG DBR左和MG DBR右)。

MG DBR左分支和MG DBR右分支每个都可以包括对应的DBR光栅，DBR光栅每个都可以位于距DFB激光器的不同距离处，以在各种频率处激发多个PPR来扩展响应。

MMI耦合器可以包括1×2、1×3、或更一般地1×n(其中n是整数)的MMI耦合器。

DFB激光器的激射模可以对准至MG DBR左分支和MG DBR右分支的反射分布的长波长边缘，以利用失谐加载效应。

附记：本申请还可以以通过以下技术方案来实现：

1.一种分布式反馈加反射激光器，包括：

分布式反馈区，其被配置成在激射模下操作；

高反射镜，其被耦接至所述分布式反馈区的后部；

无源区，其被耦接至所述分布式反馈区的前部；以及

低反射镜，其形成在所述无源区的前部；

其中，所述无源区、所述分布式反馈区的在所述分布式反馈区的前部处的部分以及所述低反射镜形成具有反射分布的标准具，所述反射分布具有周期性峰和谷，并且其中，所述分布式反馈区的所述激射模对准至所述标准具的所述反射分布的所述周期性峰之一的长波长边缘。

2.根据技术方案1所述的分布式反馈加反射激光器，其中，所述低反射镜具有15％或小于15％的反射率。

3.根据技术方案1所述的分布式反馈加反射激光器，其中，所述低反射镜具有10％或小于10％的反射率。

4.根据技术方案1所述的分布式反馈加反射激光器，其中，所述无源区被配置成向在所述分布式反馈加反射激光器中传播的光给予约20度的相移。

5.根据技术方案1所述的分布式反馈加反射激光器，其中，所述高反射镜具有30％或大于30％的反射率。

6.根据技术方案1所述的分布式反馈加反射激光器，还包括调制触点，所述调制触点耦接至所述分布式反馈区并且被配置成向所述分布式反馈区提供调制信号以调制所述分布式反馈区，其中，对所述分布式反馈区的调制对所述分布式反馈加反射激光器的腔损耗进行调制并且增大所述分布式反馈加反射激光器的载流子-光子谐振频率F_r。

7.根据技术方案1所述的分布式反馈加反射激光器，其中，所述无源区的长度在从100微米至250微米的范围内。

8.根据技术方案1所述的分布式反馈加反射激光器，其中，所述高反射镜包括高反射分布式布拉格反射器镜。

9.根据技术方案1所述的分布式反馈加反射激光器，还包括至少25千兆赫的光子-光子谐振频率。

10.一种分布式反馈加反射激光器，包括：

有源区，其包括分布式反馈光栅并且被配置成在激射模下操作；

无源区，其与所述有源区端对端耦接；

低反射镜，其形成在所述无源区上或所述无源区中；以及

标准具，其包括所述分布式反馈光栅的一部分、所述无源区以及所述低反射镜，

其中，所述有源区的所述激射模对准至所述标准具的反射峰的长波长边缘。

11.根据技术方案10所述的分布式反馈加反射激光器，其中，所述标准具的所述反射峰的所述长波长边缘在所述激射模下具有大于0.002GHz^-1的斜率。

12.根据技术方案10所述的分布式反馈加反射激光器，其中，所述低反射镜包括形成在所述分布式反馈加反射激光器的输出端面上的低反射涂层。

13.根据技术方案10所述的分布式反馈加反射激光器，其中，所述低反射镜包括形成在所述无源区中的低反射分布式布拉格反射器，所述分布式反馈加反射激光器还包括形成在所述无源区的输出端面上的抗反射涂层。

14.根据技术方案13所述的分布式反馈加反射激光器，其中，所述低反射分布式布拉格反射器的长度为20微米或小于20微米。

15.根据技术方案13所述的分布式反馈加反射激光器，其中，所述低反射分布式布拉格反射器的卡帕至少为50cm^-1。

16.根据技术方案10所述的分布式反馈加反射激光器，其中，所述低反射镜具有5％或小于5％的反射率。

17.根据技术方案10所述的分布式反馈加反射激光器，还包括形成在所述分布式反馈区的后部的高反射镜，其中，所述高反射镜具有30％或大于30％的反射率。

18.根据技术方案17所述的分布式反馈加反射激光器，其中，所述高反射镜包括高反射分布式布拉格反射器镜。

19.根据技术方案10所述的分布式反馈加反射激光器，还包括调制触点，所述调制触点耦接至所述有源区并且被配置成向所述有源区提供调制信号以调制所述有源区，其中，对所述有源区的调制对所述分布式反馈加反射激光器的腔损耗进行调制，并且增大所述分布式反馈加反射激光器的载流子-光子谐振频率F_r。

20.根据技术方案10所述的分布式反馈加反射激光器，还包括与所述有源区的所述激射模间隔至少25千兆赫的频率间隔的光子-光子谐振频率。