一种级联多波长集成半导体激光器及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种级联多波长集成半导体激光器及其应用，属于半导体激光器领域。本发明专利技术通过沿光场传播方向级联多个波长激光器的方式形成多波长单片集成，从而在同一光路完成多波长激光器的信号输出与合波。级联多波长集成半导体激光器中任意两个单纵模激光器之间可以设置有吸收区，各单纵模激光器的增益区也可以不同。这样极大的简化了光学子组件或光模块内光路控制方式，省去了其它现有方案所需的合波器、滤波片等光路控制组件，降低了实现成本，简化了封装工艺。简化了封装工艺。简化了封装工艺。

【技术实现步骤摘要】
一种级联多波长集成半导体激光器及其应用


[0001]本专利技术涉及半导体激光器领域，具体涉及一种级联多波长集成半导体激光器及其应用。

技术介绍

[0002]随着云计算云存储、超高清视频等新兴应用需求的激增，光通信系统逐步向支持更大传输容量、更高传输速率的技术方向演进，此需求对芯片集成设计、器件及模块封装的高度集成化、小型化、低功耗等性能提出了更高的要求。不同的应用系统对光源的速率、波长等性能要求不同。例如，现有兆以太无源光网络10G EPON局端OLT包含两个发射芯片，分别为10G 1577nm和1.25G 1490nm半导体激光器，以在速率升级的同时兼容低速率EPON。同样，现有千兆无源光网络GPON向10千兆无源光网络10G PON升级时，混合无源光网络Combo
‑
PON作为一种优势明显的解决方案，将GPON和10G PON组合，也将两个技术的不同波长芯片集成在同一光模块中，即10G 1577nm和2.5G 1490nm半导体激光器，实现升级前和升级后技术并存，两个光信号相对独立的传输。再例如，包含在线光纤检测的光模块通常也有集成两个光源信号的需求。用于光纤故障排查和维护的光时域反射OTDR检测通常会向光纤发送某个波长的脉冲光源，通过测量其返回信号来获取衰减的信息，从而间接地测量光缆损耗与故障位置。为了实现在传输正常信号的同时进行在线监测，避免检测过程中断正常通讯，通常需要将某个波长的脉冲光源和不同波长的信号光源集成到一个光模块中，两个波长上的信号同时工作，互不干扰。
[0003]目前较多采用的集成多个下行发射芯片的组合方式有几种，较常用方案是先分别封装各自的镭射二极体模组TO
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CAN再进行后续封装。如图1所示，以需要集成两个发射信号波长为例，先独立封装激射波长为λ1的LD
1 TO
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CAN 101和激射波长为λ2的LD
2 TO
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CAN 102，再利用空间光路的控制元件组合103将两路波长合并，通过耦合透镜104耦合至输出光纤105。目前这种单波长芯片各自独立封装入TO，再通过滤波片、耦合透镜等实现合波的方式存在损耗大、体积大、封装过程复杂等缺点。
[0004]对于发射端的多波长集成，还存在其它几种合波的方式，例如Box封装方案，如图2所示，具有不同波长的激光器芯片LD各自独立贴片于过渡热沉之上，形成阵列排列201，之后分别通过各自的准直透镜202将输出光准直，各通道再通过基于空间光学的合波器203例如Z
‑
Block合波，经隔离器204、光路调节块205、耦合透镜206将光汇聚耦合至光纤207。这种方案存在体积大、结构复杂、成本高，封装过程需要多次进行有源对光准直及耦合，封装工艺复杂难度高等缺陷。
[0005]如图3所示，另有一类基于激光器集成阵列芯片与平面波导合波器（如阵列波导光栅AWG或多模干涉器MMI）集成的方式，这种方式将图2中201，202和203的功能在一颗芯片上完成，但是此方案存在芯片制作难度大，需要有源无源集成工艺，芯片良率低、合波器损耗较大等问题是主要缺陷。

技术实现思路

[0006]本专利技术通过沿光场传播方向（纵向）级联多个波长激光器的方式形成多波长单片集成，从而在同一光路完成多波长激光器的信号输出与合波。应用涉及需要多个波长集成的领域，包括但不局限于混合无源光网络系统，光时域反射OTDR在线检测、数据通信波分复用系统、5G无线前传、激光雷达Lidar等。
[0007]本专利技术提供了一种级联多波长集成半导体激光器，级联多波长集成半导体激光器包括至少两段串联的发光波长不同的单纵模激光器，至少两段单纵模激光器的发光波长从出光端面沿半导体激光器呈递增变化；每段单纵模激光器包括用于实现单纵模输出的光栅，每段单纵模激光器的发光波长在其它段单纵模激光器的光栅的布拉格阻带之外。
[0008]优选地，光栅在有源区之下或有源区之上。
[0009]优选地，任意两个单纵模激光器之间设置有吸收区，吸收区中的光栅结构与相邻两侧的单纵模激光器中较短发光波长侧的单纵模激光器中的光栅结构相同，吸收区施加反偏电压或不施加电压。
[0010]优选地，同一种材料的增益范围可覆盖各段单纵模激光器的工作波长时，各段单纵模激光器增益区采用同一种材料，并采用相同的结构；否则，各段单纵模激光器增益区采用不同的材料和/或结构。
[0011]优选地，各段单纵模激光器包括独立的P电极，各段单纵模激光器的N电极独立或者共用。
[0012]优选地，各段吸收区包括独立的P电极，其N电极与相邻两侧的单纵模激光器中较短发光波长侧的单纵模激光器共用。
[0013]优选地，所有吸收区和单纵模激光器共用N电极。
[0014]优选地，出光端面镀增透膜；靠近最长发光波长的端面镀高反膜或增透膜，或者保持解理状态。
[0015]本专利技术还提供了一种基于前述级联多波长集成半导体激光器的10G PON OLT，级联多波长集成半导体激光器包括两段串联的发光波长不同的单纵模激光器，两段单纵模激光器的发光波长的范围分别为1480
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1500nm和1575
‑
1580nm。
[0016]优选地，级联多波长集成半导体激光器封装在一个TO
‑
CAN中。
[0017]本专利技术还提供了一种基于前述级联多波长集成半导体激光器的OTDR检测光模块，级联多波长集成半导体激光器包括两段串联的发光波长不同的的调制信号发生激光器与重复脉冲探测信号发生激光器。
[0018]本专利技术还提供了一种大容量数据通信光模块，其包括前述的级联多波长集成半导体激光器。
[0019]本专利技术的有益效果在于，纵向级联集成方式使得各个工作波长可以在满足各自性能要求的情况下独立工作；极大的简化了光学子组件或光模块内光路控制方式，省去了其它现有方案所需的合波器、滤波片等光路控制组件，降低了实现成本，简化了封装工艺。
附图说明
[0020]图1为发射端分立TO
‑
CAN的合波方式；图２为发射端Box封装合波方式；
图３为激光器集成阵列芯片与平面波导合波器的集成合波方式；图４（a）
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图４（c）为本专利技术提出的沿光场传播方向依次级联多段单纵模激光器；图５（a）和图5（b）为实施例1中的双波长直接调制激光器发射芯片的截面图；图６为实施例1中的双波长直接调制激光器发射芯片各区域的增益/吸收谱图；图7为实施例2中的级联多段单纵模激光器的结构示意图及各区域的增益/吸收谱图；图8为实施例3的结构示意图。
[0021]其中：101、LD
1 TO
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CAN；102、LD
2 TO
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CAN；103、空间光路的控制元件组合；104、耦合透镜；105、耦合至输出光纤；201、阵列排列；202、准直透镜；203、合波器；204、隔离器；205、光路调节块；206、耦合透本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种级联多波长集成半导体激光器，其特征在于，所述级联多波长集成半导体激光器包括至少两段串联的发光波长不同的单纵模激光器，至少两段单纵模激光器的发光波长从出光端面沿所述半导体激光器呈递增变化；每段单纵模激光器包括用于实现单纵模输出的光栅，每段单纵模激光器的发光波长在其它段单纵模激光器的光栅的布拉格阻带之外。2.根据权利要求1所述的级联多波长集成半导体激光器，其特征在于，所述光栅在有源区之下或有源区之上。3.根据权利要求1所述的级联多波长集成半导体激光器，其特征在于，任意两个单纵模激光器之间设置有吸收区，所述吸收区中的光栅结构与相邻两侧的单纵模激光器中较短发光波长侧的单纵模激光器中的光栅结构相同，所述吸收区施加反偏电压或不施加电压。4.根据权利要求1
‑
3任一所述的级联多波长集成半导体激光器，其特征在于，同一种材料的增益范围可覆盖各段单纵模激光器的工作波长时，各段单纵模激光器增益区采用所述同一种材料，并采用相同的结构；否则，各段单纵模激光器增益区采用不同的材料和/或结构。5.根据权利要求1
‑
3任一所述的级联多波长集成半导体激光器，其特征在于，各段单纵模激光器包括独立的P电极，各段单纵模激光器的N电极独立或者共用。6.根据权利要求3所述的级联多波长集成半导体激光器，其特征在于，各段吸收区包括独立的P电极，其N电极与相邻两侧的...

【专利技术属性】
技术研发人员：奚燕萍，李文，陈洋俊，
申请(专利权)人：日照市艾锐光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：