激光放大器，包含该激光放大器的光学系 统和构造该激光放大器的方法 发明技术领域：
本发明涉及包括光纤在内的光学系统领域，特别是涉及到该光学系统中的光放大器领域以及制作该激光放大器的方法。
相关技术描述：
半导体激光放大器(SCLA)是未来光学系统中的关键元件。一个重要的原因是它们能够在光学范围内放大信号，而不必将信号转换到电学范围。这使得比特率和编码格式具有很大的灵活性。另一个原因是它们的物理尺寸很小，适于集成(例如，在光交换阵列中可以用作选通交换元件)。简单的SCLA由镀有增透膜的半导体激光器组成。
然而，在这些器件中存在着一个问题，即必须要克服SCLA的偏振敏感性。在普通单模光纤的输出中，由于温度地变化和机构的偏差，其偏振状态SOP是随机变化的，尽管激光光源具有阱限定的SOP。SCLA的最简单形式不具有与偏振无关的放大特性。这意味着如果需要恒定的信号幅度，它将与普通光纤不相容。这是主要缺点。
然而，还有一些与偏振无关激光放大器的设计。一种设计只是使激光放大器的波导区更加平行。这使得光线的TE-模和TM-模更加接近。该方法的一个问题是必须在传统的激光器制造中使用更窄的线宽和更厚的层厚，这将显著地降低激光放大器门交换阵列的输出。该型激光放大器的另一个问题是当输入强信号时其放大作用会饱和，由此在这些条件下将不再线性地工作。
偏振无关激光放大器的另一种制作方法(该方法与标准激光器的制作更加兼容)利用了两种应变量子阱类型的结构，一种是压应变，一种是张应变。当阱层的组分使其晶格常数与放大器衬底的晶格常数不匹配时，就会产生应变。压应变量子阱对TE-增益有贡献，而张应变量子阱主要对TM-增益有贡献(然而，对TE-增益也有少量贡献)。与前面的方法相比较，该方法的另一个优点是分立SCLA中的偏振相关性可以经过设计用来补偿晶片其余部分的偏振相关损耗(例如，在无源内联波导中或者在波导交叠处或Y-型接头处)。
然而，该方法还有一个问题，即，获得的小的波长工作区域。这是由于不同类型的应变量子阱具有不同的波长相关性，这就限制了放大器在小波长区域的效率，因此具有这种放大器的系统受限于很少的激光光源种类。
具有应变层的放大器的这些限制所带来的另一个问题是，如果信号具有不同的波长，则很难以相同的增益获得放大信号。
因此，在激光放大器领域存在着一种需求，即在大的波长范围内具有与偏振无关的性能，同时在使用强信号时不会发生饱和现象。
在D Teng等人的文章“非均匀阱宽对压应变多量子阱激光器的影响”(“Effects of nonuniform well width on compressively strainedmutiple quantum well lasers”)，Appl.Phys.Lett.，Vol 60(1992)，p2729-2731)中描述了一种量子阱激光器，该激光器具有压应变量子阱，其阱宽是变化的。在该文中，所针对的是激光光源，而不是激光放大器，作者指出变化压应变量子阱的阱宽可以得到更宽的波长范围。
在US-A-5363392中描述了一种半导体激光器件，该器件具有由压应变势垒层间隔开的张应变量子阱。势垒以及势阱的宽度或材料组分是可变的。该文件所针对的是激光光源中所遇到的问题，其目的是获得可以在高温下以低阈值电流良好地工作的器件。该文件并没有描述与光信号放大有关的问题或这类问题的解决方法。
上述的文件均没有涉及到在大的波长范围内具有与偏振无关的性能的激光放大器。
发明概述：
本发明的目的是获得一种制造能在大的波长范围内实现与偏振无关的光信号放大的量子阱型激光放大器的方法。
通过在激光放大器中的半导体衬底上交替地生长势阱层和势垒层以形成有源区的方法，可以实现该目的。势阱层包括具有张应变的第一类型，同时包括或不包括具有压应变的第二类型。在这些势阱中，一种类型的势阱层中至少有一层具有与同型的其它势阱层不同的阱宽和/或不同的材料组分。
本发明的另一个目的是获得在大的波长范围内具有与偏振无关的光信号放大特性的量子阱型激光放大器。
利用具有包含由势垒间隔开的量子阱的有源区的激光放大器可以实现该目的，势阱包括具有张应变的第一类型的阱，同时包括或不包括具有压应变的第二类型阱。在这些势阱中，一种类型的势阱中至少有一具有与同型的其它势阱不同的阱宽和/或不同的材料组分。
本发明的另一个目的是获得至少包含一个在大的波长范围内具有与偏振无关的光信号放大特性的量子阱型激光放大器的光学系统。
利用具有激光放大器的光学系统可以实现该目的，该激光放大器具有包含由势垒间隔开的量子阱的有源区，势阱包括具有张应变的第一类型阱，同时包括或不包括具有压应变的第二类型阱。在激光放大器的这些势阱中，一种类型的势阱中至少有一个具有与同型的其它势阱不同的阱宽和/或不同的材料组分。
根据本发明，可以获得在需要恒定信号幅度时与普通光纤兼容的激光放大器。
根据本发明，还可以获得在所期望的波长范围内的任何信号的TE-模和TM-模基本上具有相同增益的激光放大器和光学系统。
根据本发明，可以获得在大波长范围内具有与偏振无关的放大特性的激光放大器，该放大器优于现有技术制作的量子阱激光放大器。
在说明书中，使用了术语“层乘积”(layer product)。它在这里被定义为激光放大器有源区中的层宽乘以该层的应变，其中应变以百分比表示。这里张应变定义为具有正号，压应变定义为具有负号。
附图简述：
图1是展示了本发明光学系统的一些部件的简略视图，
图2a是现有技术激光放大器简略透视图，
图2b是图2a中的激光放大器的圆圈部分的端视图，展示了有源区和包围它的各层，
图2c是简略地展示了图2b的圆圈部分内的有源区结构的放大视图，
图2d展示了图2c所示的各层的部分能带图，
图3展示了根据本发明优选实施方案的激光放大器能带图，
图4展示了在根据本发明优选实施方案的激光放大器中增益与光子能量的关系曲线，
图5展示了在根据现有技术的激光放大器中增益与光子能量的关系曲线，
图6展示了在具有不同阱宽的张应变量子阱中增益与光子能量的关系曲线，和
图7展示了在具有不同阱宽和材料组分的压应变量子阱中增益与光子能量的关系曲线。
实施方案详述：
下面将参照后面的附图描述本发明的实施方案。
在图1中，展示了本发明光学系统的一些部件的简略视图。光学系统包括激光光源1，长光纤2，半导体激光放大器(SCLA)3和另一根光纤4，该光纤可以与另一个SCLA即另一种类型的放大器、中继器、接收器等(未示出)相连接。应当理解的是系统的各个部分，如在图中所对置的，相互之间是紧密相连的，以便于在光纤和放大器内部传播尽可能多的光线。激光源1发射出具有特定波长和精确定义的偏振态(SOP)的信号。当信号通过长光纤2时，温度的变化和结构的偏差对偏振产生影响，因此在面对SCLA3的长光纤2的端部偏振态将随机地变化。然后，当信号的波长位于范围很宽的波长区域内时，本发明的放大器3对输入信号进行与偏振无关的放大，并向光纤4输出放大后的信号。
图2a-2d用于展示SCLA的量子阱结构。在图2a中，展示了一种众知的SCLA3。在图2b中，展示了SCLA的部分端视图，该部分在图2a中由圆圈圈了起来。该视图展示了生长在衬底6上并由阻挡层8、9包围的有源区5。在有源区5的顶部安置了一个接触层11。有源区5还可以在量子阱区和衬底之间以及量子阱区和接触层11之间具有盖层或其它类型的限制层。在该图中，生长方向用z表示。还展示了为使放大器工作而提供给接触层的注入电流。
在图2c中，展示了图2b中由圆圈圈起来的有源区5的放大视图。有源区的各层是由相互间隔开的势阱层30和势垒层32沿生长方向z堆积而成的。这种众知的有源区5中的势阱层30可以是具有张应变的第一类型和/或具有压应变的第二类型，第一类型的所有势阱层均具有相同的阱宽，即10nm，第二类型的所有层也具有相同的阱宽，该阱宽可以不同于第一类型势阱层的阱宽。除了面对衬底的最内层和面对接触层11的最外层之外，所有的势垒层32均具有相同的阱宽，即10nm。
图2d展示了与图2c中的各层相对应的导带带边的能带图，其中量子阱和势垒沿生长方向z堆积。图中略去了价带。如下所述，放大效应主要发生在由量子阱30的导带边和价带边之间的禁带宽度决定的波长区域，但是该区域同样受到量子阱30的阱宽和材料组分的影响。
在图3中，展示了本发明优选实施方案的能带图。图2a和图2b中的结构同样可以应用到该结构当中。本发明的激光放大器利用InGaAsP材料结构制作的。然而，利用其它材料结构也是可能的。
参照展示了导带的图3的上半部分来解释本发明优选实施方案的结构。该结构在均由InP构成的衬底6和接触层11之间具有一个有源区。由In1-xGaxAsyPl-y材料系制作的有源区包括第二类型的压应变量子阱13和第一类型的张应变量子阱14、15、16。共有三个第二类型的势阱13，其阱宽均为7nm，材料组分参数为x＝0.13，y＝0.72。两个第一类型的势阱14的阱宽为20nm，材料组分参数为x＝0.55，y＝0.1，两个第一类型的势阱15的阱宽为15nm，材料组分参数为x＝0.55，y＝0.1，两个第一类型的势阱16的阱宽为10nm，材料组分参数为x＝0.55，y＝0.1。势阱由阱宽为15nm、材料组分参数为x＝0.12和y＝0.25的势垒12隔离开。两个具有相同材料组分参数的附加宽势垒层10分别位于势阱和衬底6之间以及势阱和接触层11之间，它们使得有源区的总宽度接近0.3μm。
根据本发明的方法，有源区按照以下方式制作。首先，在衬底6上生长宽势垒层10。在宽势垒层10顶部，交替地生长量子阱13、14、15、16和势垒12。势垒12的宽度均为15nm。势阱层以下述的方式和次序沿着生长方向z生长：阱宽为7nm的第二类型势阱13，阱宽为10nm的第一类型势阱16，阱宽为20nm的第一类型势阱14，阱宽为7nm的第二类型势阱13，阱宽为15nm的第一类型势阱15，阱宽为15nm的第一类型势阱15，阱宽为7nm的第二类型势阱13，阱宽为20nm的第一类型势阱14，阱宽为10nm的第一类型势阱16。在最后一个第一类型势阱16的顶部生长第二宽势垒10，最后在第二宽势垒10的上面制作接触层。
图3的下半部分展示了有源层价带的能级结构。对于每个势阱，存在两个不同的能级，一个是轻空穴能级，由虚线表示，一个是重空穴能级，由实线表示。这些不同的能级是由于应变产生的，这对于本领域的技术人员是众所周知的。
图4展示了对于具有图3结构的激光放大器的TE-模和TM-模的增益对光子能量的依从关系。TM-模用虚线表示，TE-模用实线表示。增益用cm-1表示，与波长成反比的光子能量的单位是eV。作为对比，图5展示了利用现有技术制作的、具有四个阱宽为7nm、材料组分参数为x＝0.13、y＝0.72的第二类型势阱和五个阱宽为20nm、材料组分参数为x＝0.55、y＝1第一类型势阱的激光放大器在相同光子能量区域(对应于所期望的波长区域)的增益。在图中，还用虚线展示了TM-模增益，用实线展示了TE-模增益。
如图4和5所示，本发明的激光放大器在所期望的波长范围内具有比现有技术制作的激光放大器更加均匀的放大特性。在波长区域内，本发明的放大器对TE-模和TM-模的放大增益基本上是相同的。
这可以通过下面的公式表达：
max[(gTE-gTM)/(gTE+gTM)](1)
对于现有技术的激光放大器，根据上式得到的最大值为0.11，而对于本发明的激光放大器为0.044，这是一个大于100％的显著的改进。
在上面所示的本发明实施方案中，有源区包括由势垒间隔开的第一类型和第二类型势阱。在激光放大器的另一个实施方案中，有源区只包含由势垒层间隔开的具有小应变(千分之几)的第一类型势阱。此外，在本发明的优选实施方案中，只有第一类型势阱的阱宽是可以变化的。结合着阱宽的变化以及材料组分的变化，其势阱的材料组分也可以变化，压应变势阱还可以具有可变化的阱宽和/或材料组分。最后，有源区结构可以具有更多个或更少个势阱，包括各种数目的第一类型势阱和第二类型势阱。
为了进一步说明如何在本发明的激光放大器中实现阱宽和材料组分的变化，参照图6和图7。图6和图7是展示了通过材料组分和势阱宽度的选择而获得的增益贡献的曲线。
图6展示了三种材料参数均为x＝0.55、y＝1，而阱宽分别为20nm、15nm、10nm的第一类型量子阱对放大TE-模和TM-模所作的贡献17、18和19。对TE-模的贡献用虚线表示，对TM-模的贡献用实线表示。如图所示，第一类型势阱主要对TM-增益有贡献，但是对TE-增益也有一定的贡献。如曲线所示，不同的阱宽产生对应于不同波长的增益峰，较大阱宽主要是对较低光子能级有贡献，较小阱宽对较高光子能级有贡献。材料组分(未示出)的变化也会改变增益峰。微量地加大x参数(例如从0.55改变到0.56)同时微量地减小y参数(例如从1改变到0.98)将对较高光子能级产生增益贡献，微量地减小x参数(例如从0.55改变到0.54)同时保持y参数等于1(不能大于1)将对较低光子能级产生贡献。
图7展示了第二类型势阱的增益贡献。这里展示了阱宽为7nm，材料参数为x＝0.13、y＝0.72的势阱20的贡献，阱宽为7nm，材料参数为x＝0.15、y＝0.70的势阱21的贡献，以及阱宽为6nm，材料参数为x＝0.15、y＝0.70的势阱22的贡献。如图所示，这些势阱对TM-模的贡献基本上是可忽略的。不同的阱宽在不同的波长处产生增益峰，较大阱宽产生的增益峰所对应的光子能级要低于小阱宽的。加大x参数和减小y参数使增益峰向高光子能级移动。
如图6和7所示，增加势阱的宽度使增益峰向低光子能级移动，反之亦然。可以以同样的方式改变材料组分。
为了在所需的波长区域实现与偏振无关的放大，可以首先选择一种众知的、例如在预期波长区域的中部具有较好的放大特性的激光放大器结构，然后利用上述的方法改变量子阱的阱宽和/或材料组分，以便获得所期望的波长区域。
然而，对于这种有源区还存在着一些限制。本发明有源区中的势阱数目受到下列限制。
层乘积(layer product)的绝对值，定义为层的宽度乘以该层的应变，小于20nm percent(百分比)，这里宽度用纳米(nm)表示，应变用百分比(percent)表示。除此之外，还必须满足下列要求。任意连续的层的层乘积之和的绝对值小于20nm percent。这里，张应变定义为正号，压应变为负号，然而也可以选择相反的符号。这意味着对于n个连续的层，任意层乘积之和t1s1、t1s1+t2s2、…、t1s1+t2s2+…+tnsn的绝对值均不会大于20nm percent。在上式中，tn表示层的宽度，sn表示该层的应变。
对于本发明优选实施方案的结构，层乘积如下。
第二类型势阱13的应变大约为-1.59％，第一类型势阱14、15、16的应变大约为0.45％，势垒层10、12没有应变。
每个第二类型势阱13的层乘积为7*(-1.59)＝-11.3nm percent，第一类型势阱14、15、16的层乘积分别为20*0.45＝9nm percent、15*0.45＝6.75nm percent、10*0.45＝4.5nm percent。势垒的层乘积均为零，因为它们无应变。可以看出，所有的层乘积均满足上述要求。
通过对有源区中任何连续层的组合的层乘积求和可以看出，该和的绝对值总是小于20nm percent。