可調諧布拉格光柵及使用該光柵的可調諧激光二極管的制作方法
【專利摘要】一種可調諧布拉格光柵及使用該光柵的可調諧激光二極管。本發明公開了一種空間調制的波導布拉格光柵反射鏡，其被多個指狀物懸置于襯底上方，從波導中線橫向延伸。指狀物的位置與布拉格光柵的振幅或相位的調制峰和調制谷的位置相協調，以當通過加熱來調諧布拉格光柵的時候，避免干擾布拉格光柵。當布拉格光柵受熱的時候，由于因從光柵穿過支撐性指狀物的熱流產生的準周期的溫度變化，穿過指狀物的熱流會產生沿著布拉格光柵光軸的準周期的折射率變化。由于支撐性指狀物的位置與調制峰和調制谷的位置相協調，所以沿著布拉格光柵維持了光學相位相干性，使得基本上保持了布拉格光柵的光譜譜線形態或濾波性質。
【專利說明】可調諧布拉格光柵及使用該光柵的可調諧激光二極管
【技術領域】
[0001]本發明涉及光波導和激光器，并且特別是涉及用于在激光器中調諧光波導光柵的結構和方法。
【背景技術】
[0002]激光二極管包括在一對反射鏡之間的p-n結，所述反射鏡用于當向所述p-n結施加前向電流時，對在p-n結處所產生并放大的光產生光反饋。為了提供波長可調諧性，所述反射鏡是波長可選擇的，并且至少一個所述反射鏡的反射波長被調諧。
[0003]在波導激光二極管中，波導光柵常常用作波長可選擇的反射鏡。在波導光柵中，產生所述波導的有效折射率的周期性微擾，以在與所述周期性折射率微擾的空間頻率相對應的波長處有選擇地反射光線。可通過加熱對波導光柵進行調諧，或對于在P-n結處形成的波導光柵，通過向所述P-n結提供直流電流來調諧波導光柵，這會通過載流子注入改變所述波導光柵的總體折射率。
[0004]電流可調諧的p-n結波導光柵具有缺陷。向波導光柵提供直流電流可以誘發光損耗，這會負面地影響所述激光器的激光產生效率，并加寬所述激光器的發射光譜線寬。熱調諧的光柵通常是沒有這些缺陷的。但是，熱調諧需要向所述波導光柵施加相當大量的熱，以改變所述波導光柵的溫度，這也會影響發射激光的P-n結的溫度。這是因為波導光柵通常與發射激光的P-n結集成制造在一起，這要求散熱必須非常好，以防止在正常運行期間激光二極管過熱。舉例來說，在Ishii等人在《IEEE量子電子學選題雜志》1995年第I卷第2期(IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.1, N0.2(1995)),第401-407頁發表的、題目為“在熱調諧超結構光柵(SSB) DBR激光器中的波長調諧下的窄譜線寬，，("Narrow spectral linewidth under wavelength tuning in thermally tunablesuper-structure grating(SSB)DBR lasers")的論文中，公開了一種超結構光柵分布式布拉格反射器激光器，其可通過熱調諧SSG反射器而被熱調諧40nm以上。在Ishii的裝置中，在反射鏡的單位長度上獲得完全可調諧能力的最大熱調諧功率耗散是每I微米長度
1.3mff,從而，對于分別為400微米和600微米長度的前反射鏡部分和后反射鏡部分，對應于1300mff的高得離譜的總功率耗散。調諧Ι/e時間常數大約是1.6毫秒，這是相對慢的。
[0005]在現有技術中，已經嘗試通過從具有發射激光的p-n結的普通襯底熱解耦波導光柵來更有效地利用熱調諧。舉例來說，在Cunningham等人的美國專利7，848，599中，公開了一種熱可調諧波導，其垂直地位于襯底上方，以增加在波導和環境之間的熱阻。在美國專利7，778, 295中,Matsui等人公開了一種分布式布拉格反射器(DBR)激光器,其中激光器的DBR部分懸置于襯底上方，以增加在DBR部分和襯底之間的熱阻。
[0006]有害地，懸置于襯底上方的波導沒有附加的結構支撐件，易于發生機械故障。Cunningham裝置中使用了多條腿，以沿著波導長度支撐所懸置的波導，但是這些會導致過度復雜的波導結構和/或會干涉波導的光學功能。
【發明內容】
[0007]因此，本發明的目的是提供一種可調諧波導光柵，其能夠被快速地和有效地調諧，基本上不會降低光譜性能，并同時為波導提供適當的結構支撐。
[0008]根據本發明，一種波導布拉格光柵被多個指狀物懸置于襯底上方，所述指狀物從波導中線橫向延伸，形成了簡單的和可容易制造的結構。布拉格光柵可以是取樣光柵的形式，其由多個被沒有光柵的空白區分離的周期地分隔開的均勻光柵突發脈沖組成，并且，由高空間頻率的光柵周期和低空間頻率的突發脈沖周期表征。更一般地說，布拉格光柵可包括沿著波導中線或光軸對光柵強度或光柵相位所進行的緩慢空間調制，形成調制峰和調制谷。所述調制峰和調制谷可具有正方形，例如在取樣光柵中的正方形，或者具有不同的平穩的波狀形狀。
[0009]根據本發明，指狀物的位置與調制峰和調制谷的位置相協調，以避免在對光柵進行熱調諧時干擾布拉格光柵。當布拉格光柵受熱的時候，由于從光柵穿過支撐性指狀物的熱流產生的準周期溫度變化，穿過指狀物的熱流會產生沿著布拉格光柵光軸的準周期的折射率變化。由于支撐性指狀物的位置與所述光柵的調制峰和調制谷的位置相協調，所以在光柵調制峰之間維持了光學相位相干性，使得布拉格光柵不被加熱干擾。因此，對布拉格光柵進行平穩的和連續的調諧是基本上可能的，而不會干擾反射譜帶形態。
[0010]根據本發明，提供一種可調諧布拉格光柵，其包括:
[0011]第一襯底部分；
[0012]間隔開的第一支承桿件和第二支承桿件，其從所述第一襯底部分向上延伸；
[0013]第一波導，其用于對在其內的光進行導向，其中，第一波導具有光軸，并被在第一襯底部分上方的第一和第二支承桿件支撐，使得在第一襯底部分和第一波導之間存在第一間隙，
[0014]其中，第一波導的有效折射率沿著光軸被空間調制，形成光柵，所述光柵用于反射被第一波導所導向的光的光頻分量，以在其中向后傳播，其中，有效折射率的空間調制的相位或振幅的至少一個沿著光軸變化，形成調制峰和調制谷，其中，所述峰以第一空間頻率沿著光軸被間隔開；以及
[0015]第一電阻加熱器，其被設置在第一波導上，用于加熱第一波導，所述第一波導用于調諧被反射的光頻分量的光頻；
[0016]其中，第一波導具有第一開口陣列和第二開口陣列，這些開口延伸穿過第一波導并進入第一間隙，第一開口陣列和第二開口陣列沿著第一波導的光軸布置在光軸的各自相對的第一側和第二側上，第一開口陣列和第二開口陣列分別限定第一熱傳導指狀物陣列和第二熱傳導指狀物陣列，這些熱傳導指狀物分別在光軸和第一和第二支承桿件之間延伸，
[0017]其中，熱傳導指狀物的沿著光軸的位置與調制峰和調制谷的沿著光軸的位置相協調，
[0018]由此，當第一電阻加熱器對第一波導施加熱的時候，空間折射率變化空間地與所述調制峰和調制谷相協調，所述空間折射率的變化是由因穿過熱傳導指狀物流向第一和第二支承桿件的熱流而產生的沿著光軸的空間溫度變化引起的。
[0019]在一個實施例中，沿著光軸的熱傳導指狀物的第二空間頻率是第一空間頻率的整數倍。[0020]根據本發明的另一方面，進一步提供了一種可調諧激光二極管，包括:
[0021]如上所述的可調諧布拉格光柵，
[0022]襯底，其包括第一襯底部分；
[0023]分隔層，其被襯底支撐，所述分隔層包括第一支承桿件和第二支承桿件；
[0024]有源波導，其用于放大光，其與可調諧布拉格光柵光耦合，并且，被設置成與分隔層機械接觸、熱接觸和電接觸；以及
[0025]電極，其被設置在有源波導上，用于向有源波導提供電流。
[0026]優選地，有源波導和第一波導包括單個單片制造的淺脊波導，其導致特別簡單和高效的結構。來自于襯底背部的體微加工技術可用于使第一間隙完全地延伸穿過第一襯底部分。
[0027]根據本發明的另一個方面，進一步提供了一種用于調諧具有有源波導的激光二極管的方法，所述方法包括:
[0028](a)提供可調諧布拉格光柵，其具有襯底、從襯底向上延伸的間隔開的第一支承桿件和第二支承桿件，與有源波導光耦合的第一波導，其中，第一波導具有光軸，并被在襯底上方的第一和第二支承桿件支撐，在襯底和第一波導之間形成間隙，其中，第一波導的有效折射率沿著光軸被空間調制，形成光柵，所述光柵用于反射被第一波導所引導的光的光頻分量，以在第一波導中向后傳播，其中，有效折射率的空間調制的相位或振幅中的至少一個沿著光軸變化，形成調制峰和調制谷，其中，所述調制峰以第一空間頻率沿著光軸被間隔開；
[0029](b)提供第一開口陣列和第二開口陣列，這些開口延伸穿過第一波導并進入間隙，第一開口陣列和第二開口陣列的所述開口位于光軸的各自相對的第一側和第二側上，第一開口陣列和第二開口陣列分別限定第一熱傳導指狀物陣列和第二熱傳導指狀物陣列，這些熱傳導指狀物分別從光軸朝向第一和第二支承桿件延伸；
[0030]其中，步驟(b)包括設置開口，使得熱傳導指狀物的沿著光軸的位置與調制峰和調制谷的沿著光軸的位置相協調；以及
[0031](C)加熱第一波導，其用于調諧光頻分量的光頻，從而調諧激光二極管。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]在此結合附圖，對示例性實施例進行說明，其中:
[0033]圖1A示出了包括本發明的可調諧布拉格光柵的本發明的取樣光柵分布式布拉格反射器(SG-DBR)激光器的俯視圖；
[0034]圖1B示出了圖1A的DBR的放大的視圖，其與所述布拉格光柵的相應有效折射率圖疊置，圖1B顯示了對所述光柵的突發脈沖(burst)調制；
[0035]圖1C示出了本發明的布拉格光柵的一個變體的平面視圖，所述光柵具有連續變化的調制深度，其與相應的折射率圖疊置；
[0036]圖2A、2B、2C示出了分別沿圖1A的線A_A、B_B和C-C剖視的橫斷面圖；
[0037]圖3A和3B分別示出了圖1A的SG-DBR激光器的一個實施例的平面視圖和側橫截面圖，其包括光放大器部分；
[0038]圖4示出了一種具有均勻加熱的頂部加熱器的可調諧布拉格光柵的一個實施例的三維視圖，顯示了所述布拉格光柵的表面的擬合溫度分布；
[0039]圖5A和5B分別示出了沿著圖4的線A-A和B-B剖視的圖4的可調諧布拉格光柵的溫度分布的橫截面圖；
[0040]圖6示出了圖4的可調諧布拉格光柵的波導溫度的縱向分布；
[0041]圖7示出了在向圖4的布拉格光柵施加熱脈沖的情況下，布拉格光柵的溫度變化隨時間變化的擬合示意圖；
[0042]圖8示出了一種可調諧布拉格光柵的一個實施例的三維視圖，所述可調諧布拉格光柵具有多個電連接的和受共同驅動的單獨的加熱器；
[0043]圖9A不出了一種包括圖8的可調諧布拉格光柵的SG-DBR激光器；
[0044]圖9B示出了圖8的可調諧布拉格光柵的電阻加熱器的連接關系的俯視示意圖；
[0045]圖1OA示出了圖1A的SG-DBR激光器的橫截面圖；
[0046]圖1OB示出了圖1OA的放大的橫截面圖；以及
[0047]圖1lA和圖1lB分別示出了一種SG-DBR激光器的側視圖和仰視圖，其中，通過使用體微加工技術(bulk micromachining)而將所述可調諧布拉格光柵懸置于襯底上方。
【具體實施方式】
[0048]在結合各種實施例和實例描述本教導的時候，本教導并非旨在受到這樣的實施例的限制。反之，本領域的技術人員將會理解:本教導包括各種替代選擇、改進和等同物。
[0049]參考圖1A和圖2A至2C，本發明的一種SG-DBR激光器120包括:前可調諧布拉格光柵(DBR) 100和后可調諧布拉格光柵100、增益部分126、以及可選擇的相位部分160。在所示的實施例中，所述布拉格光柵100、增益部分126、以及相位部分160都是脊形波導結構的一部分，所述脊形波導結構具有共同的頂脊部115，其用于為光模108進行導向。
[0050]所述布拉格光柵100包括第一襯底部分102、從第一襯底部分102向上延伸的、間隔開的第一支承桿件104及第二支承桿件104、第一脊形波導106、以及第一電阻加熱器117。第一脊形波導106被在第一襯底部分102上方的所述第一及第二支承桿件104支撐，在第一襯底部分102和第一脊形波導106之間形成第一間隙105。第一脊形波導106包括由以下層組成的疊層:由所述第一及第二支承桿件104支撐的底包層110、位于底包層110上的芯層112、以及位于芯層112上的頂包層114。所述頂包層114在頂部具有所述脊部115，用于沿著脊部115導向光模108。
[0051]芯層112的折射率比頂包層114和底包層110的折射率高，用于將被脊部115導向的光108限定為基本上朝向芯層112。第一脊形波導106的有效折射率被空間調制，形成光柵，所述光柵用于反射被第一脊形波導106所導向的光模108的光頻分量109,以使其傳播回該脊型波導。例如，芯層112的折射率可被空間調制，或者，脊部115可被橫向起皺折，以產生有效折射率的空間調制。有效折射率的空間調制的相位或振幅中的至少一個沿著光軸變化，形成調制峰116-1和調制谷116-2。舉例來說，光柵周期可為大約0.24微米，取樣光柵的突發脈沖(burst)長度(調制峰116-1)可為3微米，突發脈沖周期或在相鄰的調制峰116-1之間的距離可為50微米。舉例來說，每個DBR部分100可以有7至11個調制峰116-1。第一電阻加熱器117位于絕緣介電層上，該絕緣介電層未示出，所述絕緣介電層被沉積在頂包層114上。[0052]第一脊形波導106分別具有第一開口陣列118A及第二開口陣列118B，二者分別延伸穿過第一脊形波導106并進入第一間隙105。如圖1A所示，這些開口 118A和118B分別位于脊部115的兩個相對的側上，分別限定第一熱傳導指狀物119A及第二熱傳導指狀物陣列119B，這些指狀物分別從脊部115朝向所述第一支承桿件104及第二支承桿件104延伸。優選地，第一開口陣列118A的首尾開口 118C比該陣列中的剩余開口 118A更長。類似地，第二開口陣列118B的首尾開口 118D比該陣列中的剩余開口 118B優選地更長。更長的開口 118C和118D會有利于在由第一電阻加熱器117加熱DBR部分100時，產生更均勻的溫度分布。對首尾開口 118C和118D的長度和寬度可進行調節，以改進溫度均勻性。
[0053]現在參考圖1B和圖1C，第一脊形波導106可被突發脈沖調制(圖1B)、或者被平穩調制(圖1C)、或者被以更復雜的方式調制。調制可包括振幅調制、或相位調制、或振幅和相位調制。所述調制可為周期的或準周期的。在圖1B中，所述調制峰116-1包括取樣布拉格光柵的多個突發脈沖，突發脈沖(burst) 116-1之間的所述調制谷116-2中基本上沒有調制。在圖1C中，調制是更平穩的，使得所述調制谷116-2具有一些折射率調制。所述調制峰116-1沿著第一脊形波導106的光軸107以第一空間頻率被間隔開。如圖1B和圖1C中用虛線150所示，所述熱傳導指狀物119A的沿著光軸107的位置與所述調制峰116-1和調制谷116-2的沿著光軸107的位置相協調。因此，當第一電阻加熱器117對第一脊形波導106施加熱的時候，空間折射率變化是空間地與所述調制峰116-1和調制谷116-2相協調的，其中，上述空間折射率變化是由沿著光軸107的空間溫度變化引起的，而該溫度變化是由穿過所述熱傳導指狀物119A和119B流向所述第一支承桿件104及第二支承桿件104的熱流產生。為了清楚起見，所述指狀物119B在圖1B和圖1C中被省去，雖然所述指狀物119B也是與所述調制峰116-1和調制谷116-2相協調的。
[0054]在優選的實施例中，所述熱傳導指狀物119A和119B的沿著脊部115的第二空間頻率f2是第一空間頻率f!的整數倍。例如，在圖1B中，f2=2f\ ;在圖1C中，頻率和f2是相等的。
[0055]回到圖1A和2C進行參考，增益部分126包括:襯底122，其優選地是具有第一襯底部分102的共用襯底；分隔層124，其被襯底122支撐；有源波導126，其用于放大所述光模108 ;以及第一電極137，其用于為有源波導126提供電流。如同通過比較圖2A、2B、2C可最好地示出，分隔層124包括可調諧DBR部分的所述第一及第二支承桿件104，或布拉格光柵100。所述有源波導126被光耦合到所述可調諧DBR部分100，并且所述有源波導126被設置成與分隔層124機械接觸、熱接觸且電接觸。有源波導層126包括由以下層組成的疊層:第一導電型層130,其被分隔層124支撐,并且與底包層110—體地形成；結合層132,其被第一導電型層130支撐，并且與芯層112 —體地形成；以及第二導電型層134，其被結合層132支撐，并且與頂包層一體地形成。脊部115延伸穿過第一脊形波導106和有源波導126，用于在第一脊形波導106和有源波導126之間提供光耦合。在一個實施例中，所述第一導電型層130和第二導電型層134分別包括η摻雜和ρ摻雜的InP層，結合層132包括InGaAsP量子阱，并且分隔層124包括InGaAs層。
[0056]仍然參考圖1Α，相位部分160是DBR部分100的一個變體，相位部分160不進行折射率的空間調制。相位部分160包括第二襯底部分142、從第二襯底部分142向上延伸的第三支承桿件144及第四支承桿件144、第二脊形波導146 ;其中，所述第二脊形波導146用于為光模108進行導向，第二脊形波導146被在第二襯底部分142上方的所述第三及第四支承桿件144支撐，在第二襯底部分142和第二脊形波導146之間形成第二間隙145。第二脊形波導146包括與第一脊形波導106相同的疊層，其區別在于:第二脊形波導146的有效折射率沒有被空間調制。第二電阻加熱器157位于頂包層114上，用于提供對第二脊形波導146的加熱，使得對在第二脊形波導146中傳播的光模108的光學相位進行調諧。
[0057]在操作中，在增益部分126中產生的被波導的光模108沿著脊部115傳播。被導向的光模108的光頻分量109被反射，以沿著脊部115傳播回增益部分126，從而為激光器120提供光反饋。被反射的光頻分量109具有與第一脊形波導106的有效折射率調制的空間頻率相對應的波長。第一電阻加熱器117為第一脊形波導106提供加熱，用于對被反射的光頻分量109的光頻進行調諧。當第一電阻加熱器117對第一脊形波導106施加熱的時候，空間折射率變化是空間地與所述調制峰116-1相協調的，其中所述空間折射率變化是由沿著脊部115的空間溫度變化引起的，而空間溫度變化是由穿過所述熱傳導指狀物119A和119B流向所述第一及第二支承桿件104的熱流產生。因此，如果超出被反射的頻譜的中心頻率簡單地調諧，通過第一電阻加熱器117所進行的加熱基本上不會干擾或改變被反射的頻譜。當在光頻或波長中調諧所述激光器120時，這允許減少了帶寬變化。
[0058]所述第一間隙105和第二間隙145可被諸如充滿氙、氬或氮的化學惰性氣體充滿。此外，所述第一間隙105和第二間隙145可形成單個間隙，雖然后者結構在可調諧DBR部分100和相位部分160之間將分別具有稍微增加的熱串擾；這就是為什么兩個分離的間隙105和間隙145是優選的。間隙105可由橫向選擇性底切蝕刻犧牲分隔層124來形成。間隙145可通過穿過所述開口 118A、118B、118C、118D對分隔層進行選擇性蝕刻來形成。這些蝕刻技術通常被稱為“微加工技術”(micromachining),這是來自微機電系統(micro-electro-mechanical systems, MEMS)制造的術語。
[0059]所述第一脊形波導106和第二脊形波導146分別與有源波導126優選地形成單個單片淺脊波導結構，其具有有源部分126、可調諧布拉格光柵或DBR部分100、以及相位部分160。開口 118A-118D和間隙105特別容易在淺脊波導中形成，確保總體制造的便利。不過，可以理解所述脊形波導僅僅是本發明的波導的示例性實施例。為本【技術領域】人員所知的其他波導類型，也能用于可調諧布拉格光柵100，增益部分126和/或相位部分16。與脊形波導106相似，其它波導類型必須被所述支承桿件104懸置于襯底102上方，并且布拉格光柵100的有效折射率的空間調制的振幅或相位中的至少一個必須具有多個調制峰116-1和調制谷116-2。所述熱傳導指狀物119A和119B的沿著光軸107的位置需要與所述調制峰116-1和調制谷116-2的沿著光軸107的位置相協調，以減少被反射的光頻分量109的譜帶形態變化。
[0060]現在轉到圖3A和圖3B，并且進一步參考圖1A與圖2A至2C，圖1A的SG-DBR激光器120的一個實施例320包括兩個可調諧DBR部分100、相位部分160、增益部分126、以及放大器部分300，所述各部分在懸置于可調諧DBR部分100和相位部分160的共用襯底122上方的共同的淺脊波導306內形成。提供了用于吸收在圖3A的波導306左手邊的激光的背面吸收器部分301，以阻止從淺脊波導306的左面310反射來的光與被左側可調諧布拉格光柵100選擇地反射的光發生干涉。公共底板電極302被電連接到襯底122的背側。增益部分126被第一電極137供電,并且，第二電極337為放大器部分300供電、或者為放大器部分300提供電流。為了不隱藏下面的結構，所述第一電極137和第二電極337以及所述加熱器117和157在圖3A中被省去。放大器部分300的功能是放大在增益部分126中產生的光108，以當激光器320的發射波長被所述同步調諧的布拉格光柵100調諧時，提供恒定的輸出動率。輸出功率可由集成光電探測器314測量。
[0061]在優選的實施例中，所述可調諧布拉格光柵100的所述電阻加熱器117是應用于脊形波導106的脊部115的均勻薄膜電阻加熱器，其中，電流沿著加熱器117的長度在兩個接觸墊117A之間傳輸。電介質鈍化層被設置于薄膜加熱器117和下面的脊形波導106之間。參考圖4、圖5A、圖5B，并且進一步參考圖1A、圖2A至2C、圖3A、圖3B，對可調諧布拉格光柵100的一個實施例400執行了數字擬合，其具有沿著脊部115布置的均勻加熱器117(在圖4中未示出)。對開口 118A至118D的位置、長度、和寬度進行選擇，以產生沿著脊部115的基本上均勻的溫度分布。所述開口 118A至118D的位置、長度、和寬度限定了所述熱傳導指狀物119A和119B的長度和寬度。如圖4所示，開口 118A和118B限定了在所述開口118A和118B之間的臺面部分410，所述臺面部分410限制了在脊形波導106的光模108與由開口 118A和118B導致的折射率不連續性之間的光學相互作用。包括端部臺面部分411的臺面部分410的長度和寬度對所得溫度分布有影響。在圖4、圖5A和圖5B的擬合中，脊部115是2微米高、2微米寬。臺面寬度(分別在第一開口陣列118A和第二開口陣列118B之間的距離)是20微米，臺面部分410、411的厚度是2微米，間隙105 (在圖2A和2B中的間隙105的垂直尺寸)的高度是2微米。臺面部分410的總體長度是400微米。材料是InP0當25mW的均勻熱流密度被施加到臺面部分410的時候，形成溫度分布。在圖5A中，示出了在所述熱傳導指狀物119A和119B之間的臺面部分410的擬合的溫度分布。在圖5B中，溫度分布是沿著所述熱傳導指狀物119A和119B的。
[0062]轉到圖6，并且進一步參考圖1A、圖4、圖5A、圖5B，示出了所述波導部分410、411的溫度的縱向分布600。溫度大約從303° K變化到334° K。可以從圖6看出:沿著臺面部分410、411的溫度以大約3° K的峰到峰振幅進行振蕩，在602處示出了溫度分布的波峰。通過對端部開口 118C和118D和端部臺面部分411的幾何形狀進行優化，使峰值溫度基本上均勻，使得通過穿過端部臺面部分411熱傳導到分隔層124和襯底122的熱平衡了沿著端部臺面部分411所產生的熱能。由于所述熱傳導指狀物119A和119B的沿著脊部115的位置與所述調制峰116-1的沿著脊部115的位置相協調，溫度振蕩波峰602也是與所述調制峰116-1的位置(圖4、5A、5B未示出)相協調，從而維持了在所述調制峰116-1之間光信號108的光學相位相干性。當維持了相位相干性并且所述溫度振蕩波峰602基本上均勻的時候，布拉格光柵100的光譜濾波器性能非常類似于具有理想的均勻溫度分布的光譜濾波器的性能。可以理解，當溫度從大約從襯底102的端部處的溫度變化到在所述第一指狀物119A和119B處的峰值溫度的時候，因為溫度分布高度不均勻，端部臺面部分411可以僅包括光柵。
[0063]現在參考圖7，基于準瞬時地施加25mW的加熱器功率的擬合的溫度上升的時間追蹤700顯示了 27.5° K的溫度增加在小于100微秒即可完成。冷卻時間也在100微秒以下，其要比在Ishii等人在《IEEE量子電子學選題雜志》1995年第I卷第2期(IEEE Journalof Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.1, N0.2 (1995)),第 401-407 頁的、題目為“在熱調諧超結構光柵(SSB) DBR激光器中的波長調諧下的窄譜線寬”("Nairowspectral linewidth under wavelength tuning in thermally tunable super-structureSrating(SSB)DBR lasers")的上述論文中所報告的調諧時間快16倍以上。產生27.5° K的溫度增加僅僅需要25mW的加熱器功率，這對應于將上述反射分量109的波長調諧大約
2.7nm。在取樣光柵DBR或者調制光柵DBR的典型的波峰間隔所需要的 > ?5nm的完整可調諧能力，僅僅需要50mW的加熱器功率，其大約要比被Ishii所報告的加熱器功率降低至十分之一。這示出了可調諧布拉格光柵100的能力，使得快速地和有效地調諧SG-DBR激光器120的波長。
[0064]參考圖8，并且進一步參考圖1A，圖8的可調諧布拉格光柵800是圖1A的可調諧布拉格光柵100的一個變體。在圖8的可調諧布拉格光柵800中，第一電阻加熱器117包括多個電連接的單獨的薄膜加熱器817，其位于所述熱傳導指狀物119A和119B的頂部上。另外的加熱元件817A位于臺面部分410的所述端部臺面部分411上，進一步改進溫度分布的均勻性。轉到圖9A，圖9A的SG-DBR激光器820是圖3A的所述SG-DBR激光器320的一個變體。在圖9的SG-DBR激光器920中，圖1A、圖2A、圖2B的所述可調諧布拉格光柵100被替換成圖8的可調諧布拉格光柵800。現在參考圖9B，具有電阻r的單獨的薄膜加熱器817，連接在四個并聯的加熱器817的四個串聯組中，導致了在V-和V+電極之間的總電阻為R=4r/4=r。可比較的縱向加熱器,例如相同厚度的氮化鉭(TaN)薄膜,會具有高許多倍的電阻。所述單獨的加熱器817的此種連接可更好地匹配驅動電子設備的阻抗(未示出)。當然，為了將總電阻R調整至符合驅動電子設備要求，可能有其他連接方式。為了提供適當的加熱，所述單獨的薄膜加熱器117必須位于至少一些熱傳導指狀物119A和119B的頂部。通過將加熱元件117僅僅放置在熱傳導指狀物119A和119B上和在臺面部分410的所述端部臺面部分411上，即可實現沿著臺面部分410的縱向峰到峰的溫度變化的大幅度降低。
[0065]轉到圖10A，并且進一步參考圖1A和圖2A至圖2C，分隔層124可包括犧牲InGaAs層。1-2微米厚的犧牲InGaAs層124提供了有源波導126到襯底122的良好電接觸。有害地，這樣厚的犧牲InGaAs層124可能難以生長，并且后續的為制造所述支承桿件104而進行的微加工也難以進行，并且這樣厚的犧牲InGaAs層124的熱阻抗對有源部分的性能具有有害作用。減少犧牲InGaAs層124的厚度將導致所述支承桿件104的高度降低，導致橫跨間隙105進行熱傳導，這種熱傳導是對熱調諧效率有害的。為了克服此折衷方案帶來的損害，可以將分隔層124以包括幾個不同的層的疊層形式來制造。參考圖10B，分隔層124自下至上依次地包括:20nm厚的InGaAsP底部蝕刻停止層1002 (其具有1.2 μ m的帶隙波長)、200nm厚的InP底部第二級犧牲層1004、200nm厚的第一級InGaAs犧牲層1006、2000nm厚的InP頂部第二級犧牲層1008、以及20nm厚的InGaAsP頂部蝕刻停止層1010。InP比InGaAs更容易生長到較大的厚度。因此，可增加多層堆疊的分隔層124的厚度，所述InP犧牲層1004和1008中的至少一個的厚度要大于InGaAs犧牲層1006的厚度，可減少InGaAs材料或者InGaAsP材料的總厚度。然后可以通過兩個蝕刻步驟對圖1OB的分隔層124進行蝕刻或微加工，其中，用于InGaAs層1006的蝕刻步驟完成橫向底切，并且，用于InP層1004和1008的蝕刻步驟完成垂直蝕刻，以實現較厚的間隙105。
[0066]現在參考圖1IA和圖1IB，并且進一步參考圖3A和圖3B，圖1IA和圖1IB的SG-DBR激光器1120是圖3的所述SG-DBR激光器320的一個實施例。在圖1lA和IlB的SG-DBR激光器1120中，所述可調諧布拉格光柵部分100和相位部分160的所述第一間隙105和第二間隙145分別完全地延伸穿過襯底122。這可以通過使用來自于微機電系統(MEMS)技術的體微加工技術，通過蝕刻穿過襯底122的底部來實現。
[0067]可以理解:如上所述本發明不局限于特別類型的波導結構和/或特別的材料系統。一般來說，通過以下的三個步驟A、B、和C，根據本發明，可以調諧具有用于產生激光的有源波導(例如圖1A的有源波導126)的任何激光二極管。
[0068]步驟A包括提供諸如可調諧DBR100的可調諧布拉格光柵，其具有第一襯底部分102、從第一襯底部分102向上延伸的間隔開的所述第一支承桿件104及第二支承桿件104、以及諸如被光耦合到有源波導126的脊形波導106的第一波導。第一波導106被在第一襯底部分102上方的所述支承桿件104支撐,在第一襯底部分102和第一波導106之間形成間隙105。第一波導的有效折射率沿著光軸107被空間調制，形成光柵，所述光柵用于反射被脊形波導106所導向的光模108的光頻分量109，使其傳播回脊型波導。有效折射率的空間調制的相位或振幅中的至少一個沿著光軸變化，形成沿著光軸107以第一空間頻率4間隔開的調制峰116-1和調制谷116-2 (在圖1B和IC中最好地示出)。
[0069]步驟B包括:提供延伸穿過第一波導106及延伸進入間隙105的第一開口陣列118A至第二開口陣列118D，使開口 118A至118D分別位于在如圖示的光軸107的相對的第一側及第二側。開口(118A，118C)和(118B，118D)分別限定了從光軸107朝向所述支承桿件104延伸的第一熱傳導指狀物119A及第二熱傳導指狀物陣列119B。步驟B包括設置開口 118A至118D，使得所述熱傳導指狀物119A和119B的沿著光軸107的位置與所述調制峰116-1的沿著光軸107的位置相協調。步驟B也可包括:設置首尾開口或端部開口 118C和118D，以實現沿著含有光柵的第一波導106的長度的基本上均勻的縱向溫度分布。
[0070]步驟C包括加熱用于調諧光頻分量的光頻的第一波導106，從而調諧激光二極管。由于所述熱傳導指狀物119A和119B的位置與所述調制峰116-1的位置相協調，所以維持了在所述調制峰116-1之間的光模108的光學相位相干性，使得在調諧過程中，不干擾或至少較少地干擾被可調諧布拉格光柵100反射的光109的光譜譜帶形態。
[0071]在一個實施例中，步驟B包括設置開口 118A至118D，使得沿著光軸107以第二空間頻率設置相應的第一熱傳導指狀物119A及第二熱傳導指狀物陣列119B，其中，第二空間頻率是第一空間頻率的整數倍。
[0072]為了說明和描述的目的而提供了本發明的一個或多個實施例的上述說明。本發明的上述說明并非旨在將本發明窮舉或將本發明限制于其所公開的精確形式。根據上述教導，許多修改和變化是可能的。本發明的上述說明的意圖是:本發明的保護范圍不受此詳細說明限制，而是受所附加的權利要求書限制。
【權利要求】
1.一種可調諧布拉格光柵，包括: 第一襯底部分； 間隔開的第一支承桿件和第二支承桿件，所述第一支承桿件和第二支承桿件從所述第一襯底部分向上延伸； 第一波導，其用于對在其內的光進行導向，其中，所述第一波導具有光軸，并被在所述第一襯底部分上方的所述第一支承桿件和第二支承桿件支撐，使得在所述第一襯底部分和所述第一波導之間存在第一間隙， 其中，所述第一波導的有效折射率沿著所述光軸被空間調制，形成光柵，所述光柵用于反射被所述第一波導導向的光的光頻分量，使得傳播回所述第一波導，其中，所述有效折射率的所述空間調制的相位或振幅中的至少一個沿著光軸變化，形成調制峰和調制谷，其中，所述調制峰沿著所述光軸以第一空間頻率間隔開；以及 第一電阻加熱器，其位于所述第一波導上，用于對所述第一波導進行加熱，以調諧被反射的所述光頻分量的光頻； 其中，所述第一波導具有第一開口陣列和第二開口陣列，這些開口延伸穿過所述第一波導并進入第一間隙，所述第一開口陣列和第二開口陣列沿著所述第一波導的光軸布置在所述光軸的各自相對的第一側和第二側上，所述第一開口陣列和第二開口陣列分別限定第一熱傳導指狀物陣列和第二熱傳導指狀物陣列，這些熱傳導指狀物分別在所述光軸和所述第一和第二支承桿件之間延伸， 其中，所述熱傳導指狀物的沿著所述光軸的位置與所述調制峰和所述調制谷的沿著所述光軸的位置相協調， 由此，當所述第一電阻加熱器對所述第一波導施加熱的時候，空間折射率變化與所述調制峰和所述調制谷空間地相協調，其中所述空間折射率變化是由沿著所述光軸的空間溫度變化引起的，所述空間溫度變化是`由穿過所述熱傳導指狀物流向所述第一和第二支承桿件的熱流產生。
2.如權利要求1所述的可調諧布拉格光柵，其中，所述第一熱傳導指狀物陣列和第二熱傳導指狀物陣列沿著所述光軸以第二空間頻率設置，其中，所述第二空間頻率是所述第一空間頻率的整數倍。
3.如權利要求1所述的可調諧布拉格光柵，其中，所述調制峰包括取樣布拉格光柵的多個突發脈沖。
4.如權利要求1所述的可調諧布拉格光柵，其中，所述第一開口陣列和第二開口陣列中的每一個都具有沿著所述光軸的長度，其中，所述第一開口陣列和第二開口陣列的每一個的首尾開口的長度都大于所述第一開口陣列和第二開口陣列的任何其他開口的長度。
5.如權利要求1所述的可調諧布拉格光柵，其中，所述第一間隙完全地延伸穿過所述第一襯底部分。
6.如權利要求1所述的可調諧布拉格光柵，其中，所述第一波導包括脊形波導，所述脊形波導包括由以下層組成的疊層: 第一底包層，其被所述第一和第二支承桿件支撐； 第一芯層，其位于所述第一底包層上；以及 第一頂包層，其位于所述第一芯層上，所述第一頂包層在其頂部具有與所述光軸平行的脊部，用于沿著所述脊部對光進行導向； 其中，所述第一芯層的折射率高于所述第一頂包層和所述第一底包層的折射率，用于將被所述脊部導向的光限定為基本上朝向所述第一芯層； 其中，所述第一電阻加熱器位于所述第一頂包層上； 其中，所述第一開口陣列和第二開口陣列的所述開口沿著所述脊部布置在所述脊部的各自相對的第一側和第二側上。
7.如權利要求6所述的可調諧布拉格光柵，其中，所述第一電阻加熱器包括連續的薄膜加熱器，其位于所述脊部的頂部，其中，對所述開口的位置、長度和寬度進行選擇，以產生沿著一部分所述脊部的、包括調制峰和調制谷的基本上均勻的溫度分布。
8.如權利要求6所述的可調諧布拉格光柵，其中，所述第一電阻加熱器包括多個電連接的單獨的薄膜加熱器，其位于所述第一熱傳導指狀物陣列和第二熱傳導指狀物陣列中的至少一些熱傳導指狀物的頂部。
9.一種可調諧激光二極管，其包括: 如權利要求1所述的可調諧布拉格光柵； 襯底，其包括第一襯底部分； 分隔層，其被所述襯底支撐，所述分隔層包括第一支承桿件和第二支承桿件； 有源波導，其用于放大光，其與所述可調諧布拉格光柵光耦合，并且，被設置成與所述分隔層機械接觸、熱接觸且電接觸地放置；以及 電極，其位于所述有源波導`上，用于向所述有源波導提供電流。
10.如權利要求9所述的可調諧激光二極管，其中，所述分隔層包括由以下層組成的疊層: 第一蝕刻停止層； 犧牲疊層，其包括位于所述第一蝕刻停止層上的第一犧牲層、第二犧牲層和第三犧牲層；以及 第二蝕刻停止層，其位于所述犧牲疊層上； 其中，所述第一間隙被設置在所述第一蝕刻停止層和第二蝕刻停止層之間。
11.如權利要求10所述的可調諧激光二極管，其中，所述第一犧牲層和第三犧牲層包括InP，所述第二犧牲層包括InGaAs。
12.如權利要求11所述的可調諧激光二極管，其中，所述第一犧牲層和第三犧牲層中的至少一個的厚度大于所述第二犧牲層的厚度。
13.如權利要求9所述的可調諧激光二極管， 其中，所述第一波導包括脊形波導，所述脊形波導包括由以下層組成的疊層: 第一底包層，其被所述第一支承桿件和第二支承桿件支撐； 第一芯層，其位于所述第一底包層上；以及 第一頂包層，其位于所述第一芯層上，所述第一頂包層在其頂部具有與光軸平行的脊部，用于沿著所述脊部對光進行導向； 其中，所述第一芯層的折射率高于所述第一頂部和第一底包層的折射率，用于將被所述脊部導向的光限定為基本上朝向所述第一芯層； 其中，所述第一電阻加熱器位于所述第一頂包層上，其中，所述第一開口陣列和第二開口陣列的開口沿著所述脊部布置在所述脊部的各自相對的第一側和第二側上；以及 其中，所述有源波導包括由以下層組成的疊層: 第一導電型層，其被所述分隔層支撐，所述第一導電型層包括所述第一底包層； 結合層，其被所述第一導電型層支撐，所述結層包括所述第一芯層；以及第二導電型層，其被所述結合層支撐，所述第二導電型層包括所述第一頂包層，其中，所述脊部穿過第一脊形波導和所述有源波導，用于在所述第一脊形波導和所述有源波導之間提供光耦合， 其中，所述電極位于所述第二導電型層的頂部，用于為所述有源波導提供電流。
14.如權利要求13所述的可調諧激光二極管，還包括可調諧相位部分，所述可調諧相位部分包括: 第二襯底部分； 間隔開的第三支承桿件和第四支承桿件，所述第三支承桿件和第四支承桿件從所述第二襯底部分向上延伸； 第二脊形波導，其用于對光進行導向，被在所述第二襯底部分上方的所述第三支承桿件和第四支承桿件支撐，使得在所述第二襯底部分和所述第二脊形波導之間存在第二間隙，所述第二脊形波導包括由以下層組成的疊層: 第二底包層，其被所述第三支承桿件和第四支承桿件支撐； 第二芯層，其位于所述第二底包層上；以及 第二頂包層，其位于所述第二芯層上，其中，所述脊部穿過所述第二脊形波導和所述有源波導，用于在所述第二脊形波導和所述有源波導之間提供光耦合；以及 其中，所述第二芯層的折射率高于所述第二頂包層和所述第二底包層的折射率，用于將被所述脊部導向的光限定為基本上朝向所述第二芯層；以及 第二電阻加熱器，其位于所述第二頂包層上，用于對所述第二脊形波導提供加熱，以對在所述第二脊形波導中傳播的光的光學相位進行調諧； 其中，所述第二脊形波導具有第三開口陣列和第四開口陣列，其延伸穿過所述第二脊形波導并進入所述第二間隙，所述第三開口陣列和第四開口陣列的所述開口沿著所述脊部布置在各自相對的第一側和第二側上，所述第三開口陣列和第四開口陣列分別限定所述第三熱傳導指狀物陣列和第四熱傳導指狀物陣列，分別從所述脊部向所述第三支承桿件和第四支承桿件延伸； 其中，所述可調諧激光二極管的所述襯底包括所述第二襯底部分； 其中，所述可調諧激光二極管的所述分隔層包括所述第三支承桿件和第四支承桿件； 其中，所述可調諧激光二極管的所述第一導電型層包括所述第二底包層； 其中，所述可調諧激光二極管的結層包括所述第二芯層；以及 其中，所述可調諧激光二極管的所述第二導電型層包括所述第二頂包層。
15.如權利要求14所述的可調諧激光二極管，其中，所述第一脊形波導和所述第二脊形波導和所述有源波導包括單個單片的波導結構。
16.如權利要求15所述的可調諧激光二極管，其中，所述第一間隙和所述第二間隙分別完全地延伸穿過所述第一襯底部分和第二襯底部分。
17.一種體微加工技術的用途，用于制造如權利要求16所述的可調諧激光二極管的所述第一間隙和所述第二間隙。
18.—種體微加工技術的用途，用于制造如權利要求5所述的可調諧布拉格光柵的第一間隙。
19.一種微加工技術的用途，用于制造如權利要求1所述的可調諧布拉格光柵的所述第一間隙。
20.一種用于調諧具有有源波導的激光二極管的方法，所述方法包括: (a)提供可調諧布拉格光柵，其具有襯底，從所述襯底向上延伸的間隔開的第一支承桿件和第二支承桿件，與所述有源波導光耦合的第一波導，其中，所述第一波導具有光軸，并被在所述襯底上方的所述第一支承桿件和第二支承桿件支撐，在所述襯底和所述第一波導之間形成間隙，其中，所述第一波導的有效折射率沿著所述光軸被空間調制，形成光柵，所述光柵用于反射被所述第一波導導向的光的光頻分量，使其傳播回所述第一波導，其中，所述有效折射率的所述空間調制的相位或振幅中的至少一個沿著所述光軸變化，形成調制峰和調制谷，其中，所述調制峰沿著所述光軸以第一空間頻率間隔開； (b)提供第一開口陣列和第二開口陣列，其延伸穿過所述第一波導并進入所述間隙，所述第一開口陣列和第二開口陣列的這些開口位于所述光軸的各自相對的第一側和第二側上，所述第一開口陣列和第二開口陣列的這些開口分別限定第一熱傳導指狀物陣列和第二熱傳導指狀物陣列，這些熱傳導指狀物分別從所述光軸朝向所述第一支承桿件和第二支承桿件延伸； 其中，步驟(b)包括對所述開口進行放置，使得所述熱傳導指狀物的沿著所述光軸的位置與所述調制峰和所述調制谷的沿著所述光軸的位置相協調；以及 (C)加熱 所述第一波導，用于調諧所述光頻分量的光頻，從而調諧所述激光二極管。
21.如權利要求20所述的方法，其中，步驟(b)包括設置所述開口，使得所述第一熱傳導指狀物陣列和第二熱傳導指狀物陣列沿著所述光軸以第二空間頻率設置，其中，所述第二空間頻率是所述第一空間頻率的整數倍。
【文檔編號】H01S5/125GK103532009SQ201310268947
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年6月28日 優先權日:2012年7月5日
【發明者】邁克爾·C·拉爾森 申請人:Jds尤尼弗思公司