包括由应变的集合体材料制成的布拉格段的带分布式布拉格光栅的可调谐激光器

摘要

本发明的领域涉及具有分布式布拉格光栅(DBR)的可调谐激光器设备。根据本发明的设备包括布拉格无源段，该布拉格无源段包括其光学折射率变化由注入电流控制的材料，布拉格段的所述材料是应变的集合体材料，应用于该集合体材料的应变至少为0.1％。

说明书

技术领域

本发明的领域涉及具有分布式布拉格(Bragg)光栅的可调谐激光器。这些激光器大量地用在基于波长复用(也称为WDM(波分复用))的光学通信网络中。当然，本发明的主题可以扩展到具有通过注入电流可调谐波长的布拉格段的任何半导体光学设备。

背景技术

具有分布式布拉格光栅的可调谐激光器也称为DBR(分布式布拉格反射器)激光器。如图1所示，DBR激光器1是一体地集成由不同电流分别控制的三个段的元件，这三个段即有源段2和两个无源段，这两个无源段是相位段3和布拉格段4。借助于电极21、31和41向各个段提供电流。

讨论激光器1的前表面5和后表面6。后表面6的反射率非常低，处于0.01％的量级，而前表面5的反射率约等于3％。因此，在前表面5和布拉格段4的等效镜之间产生了法布里-珀罗腔。

有源段2是放大介质，其经由电流I_有源为腔提供增益，并且允许FP模式的梳齿(comb)的发射，所述模式的分布由法布里-珀罗腔的光学特征施加。在图2中示出了该模式的梳齿。

布拉格段4主要由在工作波长处无吸收的材料组成，并且包括布拉格光栅42，即有效折射率的周期性变化。该结构表现为中心波长为λ_Bragg的反射滤波器，该波长λ_Bragg由以下传统等式给出：

λ_Bragg＝2n_effΛ，

其中n_eff是波导的有效折射率，并且Λ是布拉格光栅的周期。

图2示出了该布拉格滤波器的反射系数R_Bragg随波长的变化。当注入电流I_Bragg时，载流子密度增加，从而减小有效折射率并且因此减小波长λ_Bragg。这样，改变了反射系数R_Bragg的变化曲线。

可调谐性基于如图2所示的这种原理。激光发射以在布拉格滤波器上具有最高的反射率的FP模式来进行。在图2中以粗体示出了滤波器选择的这种模式。当通过注入电流到布拉格段而调谐布拉格滤波器时，继而接连发射多个FP模式，通过模式跳跃获得可调谐性。当电流注入到相位段中时，有效折射率以与布拉格段的有效折射率相同的方式减小，从而FP模式的梳齿向较短波长方向移动，并且因此允许对发射波长的精细调谐。因此，有可能获得由λ_Bragg的可调谐性覆盖的所有波长。这称为准连续调谐。

通过这些装置，DBR可调谐激光器的发射波长有可能在16纳米的Δλ_Bragg范围中变化。

总而言之，一种由布拉格段施加的模式8在腔的前表面和后表面之间振荡，该模式由图1中的半圆形箭头表示，并且该辐射的一部分经由前表面5发生激光发射7。

然而，对于多个应用，尤其在光学通信领域中，获得的可调谐性范围是不够的。例如，在光学通信中，需要约35纳米的可调谐性以覆盖整个C波段(1528nm-1562nm)或整个L波段(1570nm-1605nm)。当前，为了获得该大范围的可调谐性，必须使用多个复杂光栅之间的交互，所述复杂光栅诸如采样光栅或其周期进行周期性改变的光栅，或者必须使用一连串具有偏移周期的布拉格光栅，或者必须例如使用耦合器来增加若干DBR激光器的可调谐范围。

发明内容

本发明的目的在于：使用通过电流注入的载流子变化，充分增大DBR的布拉格段或任何其他段的可调谐性范围。值得注意的是，这使得简化最终元件的设计成为可能。因此，以下情况是可能的：

以单个元件覆盖C波段或L波段；

仅使用两个DBR激光器而不是三个；

在采样光栅等等的特征以及构造方面获得较大的公差(tolerance)；以及

减少布拉格段中所需的电流。因此获得了几纳秒量级的超高速可调谐性。

本发明的核心是利用应变的集合体材料制造布拉格段。将说明，主要通过作用于波长可调谐性范围Δλ_Bragg来修改的多个效应之一，该效应称为能带填充。

更精确地，本发明的主题是具有分布式布拉格光栅的可调谐半导体设备，包括布拉格无源段，该布拉格无源段包括其光学折射率变化由注入电流控制的材料，其中布拉格段的所述材料是由相同材料的多个层组成的应变的集合体材料，每层具有栅格参数并且集合体材料的应变等于各层之间的栅格参数的相对变化。

优选地，应用于集合体材料的应变至少为0.1％；该材料包括一连串层，其中一些层有应变而其他层无应变。

优选地，以压缩或拉伸方式施加所述应变。

优选地，所述材料是四价材料(quaternary material)，所述四价材料是铟镓砷磷，对应于最大光致发光的波长的值为1.45微米，所述材料被命名为Q 1.45。

优选地，该设备应用于DBR型可调谐激光器。

附图说明

在通过阅读下面作为非限制性示例给出的说明以及附图时，将更清楚地理解本发明，并且其他优势也将变得明显，附图中：

图1示出了具有分布式布拉格光栅的可调谐激光器的总体视图；

图2示出了借助于可调谐布拉格光栅的可调谐性原理；

图3示出了材料的吸收率随能量的变化；

图4示出了无应变的集合体材料(bulk material)的能带图；

图5示出了有应变的集合体材料的能带图；

图6示出了在延展情况下集合体材料的能带图；

图7示出了在压力或拉力下，折射率变化与栅格匹配材料的波长的关系。

具体实施方式

DBR的可调谐性由以下等式给出：

$>{\mathrm{\Delta \lambda }}_{\mathrm{Bragg}}=2.{\Gamma }_Q\frac{{\mathrm{dn}}_Q}{\mathrm{dN}}\mathrm{\Delta N},\Lambda ,$>

其中Γ_Q是载流子所在的波导材料中的光学模式的约束(confinement)，ΔN是与电流注入相关联的载流子密度的变化，并且dn_Q/dN是材料折射率对载流子密度的变差。

本发明的目的是通过增大材料折射率对载流子密度的变差dn_Q/dN来拓宽Δλ_Bragg。然而，为了将最大约束因子Γ_Q维持在约70％，必须采用厚的集合体材料或可能插有几个薄层的集合体材料。量子阱结构使因子Γ_Q恶化得太厉害从而不能使用。折射率变差dn_Q/dN是三种主要效应的总和，这三种主要效应是：

等离子效应；

能带隙重正化(bandgap renormalization)，也称为能带隙收缩；

能带填充。

前两个效应不依赖于材料的可修改参数。因此，本发明的目的是增大能带填充效应。

仅当能级(level)E_V被占用并且能级E_C是空闲时，才可能发生涉及从具有能量E_V的价带到具有能量E_C的导带的电子迁移的光子吸收。该吸收可以进行如下建模：

$>\alpha \left(E\right)=\frac{C_{\mathrm{hh}}}{E}\sqrt{E-E_g}[f_v\left(E_{\mathrm{vh}}\right)-f_c\left(e_{\mathrm{ch}}\right)]+\frac{C_{\mathrm{lh}}}{E}\sqrt{E-E_g}[f_v\left(E_{\mathrm{vl}}\right)-f_v\left(E_{\mathrm{cl}}\right)],$>

其中C_hh和C_lh是分别来自于携带轻空穴和重空穴的能带的跃迁的吸收系数。它们是材料的特性。

E_vh和E_ch对应于来自于重空穴的能带的跃迁能量，而E_vl和E_cl对应于来自于轻空穴的能带的跃迁能量。f_V(E)和f_C(E)分别是价带或导带的能级E被电子占用的概率。

当电流注入时，能带被载流子填满。在能量稍微高于带隙能量E_g处，项f_V(E)-f_C(E)成为零或负值。在这些能量处获得的结果是吸收率减小以及甚至有可能增益减小。在图3中示出了该效应，其中描绘了在有载流子注入以及没有载流子注入的情况下吸收率与能量的关系。

现在，通过下面的关系式，能量E₀处的材料折射率的变化与该材料在整个能量谱上的吸收率的变化紧密相关：

其中，P表示柯西(Cauchy)积分的主值部分并且E₀表示工作能量。因此，获得了在E_g附近光学折射率的显著减小。例如，对于工作波长为1.55微米的DBR激光器，能量E₀等于0.8eV。

为了增大能带填充效应，因此必须在靠近带隙的能量处加强(accentuate)这种吸收率的减小。为此，使用应变的材料。图4、图5和图6示出了集合体直接带隙(direct-gap)半导体的能量与平行于增长方向的k//方向以及垂直于增长方向的k⊥方向的动量的关系示图。

在这些图中，导带表示为BC，重空穴带和轻空穴带分别表示为HH和LH，并且分裂带表示为S-off。

图4对应于栅格匹配的材料。该材料是各向同性的，带在k//和k⊥方向上的能带是相同的。轻空穴带LH和重空穴带HH具有相同的能级，它们都衰退了(degenerate)。注入的载流子因此分布在两个能带中。

为了增大吸收率的变化，特别是能带填充的变化，根据本发明的设备的原理在于提升轻空穴带和重空穴带之间的衰退。因此，载流子仅分布在一个能带中，这允许更强的吸收率减小。此外，提升衰退将涉及减小重空穴的有效质量或减小轻空穴的有效质量，通过这种减小将使所讨论的HH带或LH带变得较窄，因此促进载流子填充到高能量。

为了获得该应变，有可能对布拉格段的材料施加双轴应变。

在压缩应变的情况中，重空穴带HH的能量变得较高，如图5所示，注入的载流子优选地分布在HH带中。此外，重空穴的有效质量变得较低，其对应于k//方向上较窄的能带HH，如图5所示。该效应导致对重空穴带的更快的填充，进一步增大了能带填充效应。在这些结构在压力下时，因此获得了涉及重空穴的吸收率的大变化，即对应于由TE光模式表示的横向电极化。在传统的DBR激光器中，增益段发射的光以TE模式有效极化。相反，对于以TM表示的横向磁模极化的光，能带填充效应很小。

在拉伸应变的情况中，轻空穴带LH的能量变得较高，如图6所示。注入的载流子分布在LH带中。在该情况中，因此获得的是针对TM极化的高的能带填充效应和在TE极化上的低的能带填充效应。为在DBR中使用，因此，这类材料需要适合于发射TM模的有源结构。

图7给出了折射率变化Δn与波长λ关系的仿真结果，所述变化仅归因于能带填充效应并且针对载流子密度2×10¹⁸cm^-3而获得。实曲线对应于无应变的集合体材料。虚线曲线对应于具有压缩应变+1％的应变的集合体材料：在1.55微米的工作波长处，在折射率变化方面获得了25％的改进，这意味着增加了25％的可调谐性。对于具有拉伸应变-0.7％的材料，对应于点线曲线，假设操作在TM模式，则在折射率变化方面获得了45％的增加。存在用于制造应变的布拉格段的各种类型的材料。例如，可能使用MQW(多量子阱)结构。然而，不可能制造具有与集合体材料一样高的约束级Γ_Q的MQW结构，因为载流子不存储在势垒(barrier)中，因此其不参与可调谐性。通常，阱中Γ_Q的最大值是约35％，相对地，在集合体材料中Γ_Q的最大值是70％。因而，优选地使用集合体材料来制造根据本发明的布拉格段，从而获得高约束级。

应变的集合体材料的制造是标准技术。其包括沉积具有不同栅格参数的材料层，例如通过外延(epitaxial)工艺实现。因此根据各种层之间的栅格参数是增加还是减小来以压缩或拉伸的方式产生了双轴应变。根据使用的材料以及其厚度，存在最大应变阈值，在该阈值之上，可能出现机械松弛以及断层机制。为了克服这些限制，可能插入相反应变的薄层，例如在压缩的材料中插入拉伸的层，从而补偿该机械效应。优选地，应用于集合体材料的应变可以到达百分之几十。