基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)的分布耦合系數(shù)dfb激光器及其陣列的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及含有相移的分布反饋(DFB)激光器及其陣列的制備方法，涉及光通信、光子集成、光電傳感及其他光電信息領(lǐng)域的應(yīng)用器件。
【背景技術(shù)】
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[0002]DFB半導體激光器是指分布式反饋激光器，內(nèi)置布拉格光柵反饋的激光器。由于DFB激光器內(nèi)部光柵的很好的濾波特性，能夠篩選出各種不同波長。近年來光通信的信息容量呈現(xiàn)爆炸式的增長，而承載這個龐大網(wǎng)絡(luò)通訊的是光纖和各種光通訊器件組成的光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目前，光網(wǎng)絡(luò)主要有各種分立的光子器件組成。它們由獨立的結(jié)構(gòu)，獨立的封裝等制作方法實現(xiàn)。但隨著光信息容量的進一步增加，目前的分立光器件的組成形式將帶來很多問題。比如系統(tǒng)非常復(fù)雜龐大，能耗大量增加，管理成本也迅速增加。這些問題導致現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方法將很難進一步維持下去。為了解決這些問題，光子集成技術(shù)被普遍認為是該問題的主要解決方法而受到廣泛的關(guān)注和研宄。光子集成回路和目前的電子集成回路是等價的。它將很多個功能的光子器件集成在同一個半導體襯底上，以實現(xiàn)一個特定的功能。比如美國英飛朗公司(Infinera Corp.)將10個光探測器、多波長DFB半導體激光器、電吸收調(diào)制器、放大器以及一個陣列波導光柵(AWG)集成在一個InP襯底上實現(xiàn)10 X 1Gb/s的波分復(fù)用(WDM)發(fā)射芯片[I]。在很多光子集成芯片中都需要多波長激光器光源。因此集成多波長DFB半導體激光器陣列是其中非常關(guān)鍵的元件[2]。但是，它的低成本制造目前還比較困難。對于單個DFB半導體激光器陣列的制造主要有兩方面的關(guān)鍵問題。其一，DFB激光器陣列中每個激光器波長的準確以及單獨的控制，這需要每個激光器光柵周期的準確控制。其二，一個多波長陣列的成品率是每個激光器成品率的激光器個數(shù)的指數(shù)倍，所以如果整個陣列芯片有比較好的成品率，每個激光器需要很高的成品率。對于上面的兩個問題，目前主要的解決方法有，利用電子束曝光技術(shù)精確控制每一個激光器的光柵周期，同時在光柵中間位置插入π相移。同時，激光器兩端鍍增透膜或者制作傾斜的諧振腔波導，避免因端面反射和端面隨機相位的影響[3]。這樣每個激光器的激射波長完全處于Bragg光柵光譜的禁帶中心。避免了端面的隨機相位對波長的影響，而且在理論上有100%的單模特性成品率。
[0003]因此，高功率、單縱模、窄線寬的分布反饋式(DFB)半導體激光器作為現(xiàn)代光纖通信技術(shù)的核心光源。π相移激光器在腔的中心位置引入了 λ/4相移，但是λ/4相移結(jié)構(gòu)使激光器的光場分布在腔的中心位置不連續(xù)，并在中心位置出現(xiàn)尖峰，中心部位光場的高度集中導致此處的載流子大量消耗，從而出現(xiàn)空間燒孔效應(yīng)?？臻g燒孔效應(yīng)改變了諧振腔內(nèi)光反饋的強度和相位，引起增益譜的起伏波動，會導致對邊摸抑制作用的減弱，光功率曲線呈現(xiàn)非線性，不能保證單縱模工作，線寬難以做的更窄。為了解決在λ/4相移激光器中燒孔效應(yīng)的問題，研宄人員提出了各種特殊結(jié)構(gòu)，如多相移結(jié)構(gòu)MPS，多電極結(jié)構(gòu)MEL以及兩者的混合。近期，Kotaki提出了分布式耦合系數(shù)的DFB激光器[3]，通過改變光柵皺褶沿激光腔的高度分布來實現(xiàn)光柵耦合系數(shù)的分布。雖然理論和實驗都驗證該方法具有明顯效果，但是由于該過程是通過電子束曝光來實現(xiàn)，具有接縫誤差并且十分耗時和昂貴，同時需要精細地控制刻蝕深度，制作難度很大并其大規(guī)模應(yīng)用受到很大限制。文獻[4]和專利“基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)制備半導體激光器的方法及裝置”(CN200610038728.9，PCT/CN2007/000601)在該問題的解決上走出了關(guān)鍵的一步。文中提出，利用一個光纖布拉格光柵的設(shè)計技術(shù)一一重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)來設(shè)計DFB半導體激光器。重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)最早被應(yīng)用于光纖光柵的設(shè)計，可追溯到2002年馮佳、陳向飛等人在中國發(fā)明專利“用于補償色散和偏振模色散的具有新取樣結(jié)構(gòu)的布拉格光柵”(CN0213383.8，授權(quán)公告號:CN1201513)中提出的通過引入取樣布拉格光柵的取樣周期啁啾CSP來獲得所需要的等效光柵周期啁啾CGP的方法。提出等效啁啾最早的文獻可參考Xiangfei Chenet.al, “Analytical express1n of sampled Bragg gratings with chirp in thesampling per1d and its applicat1n in dispers1n management design in a WDMsystem” (帶有取樣周期啁啾的取樣布拉格光柵的分析表達式和它在波分復(fù)用系統(tǒng)色散管理中的應(yīng)用)，IEEE Photonics Technology Letters, 12，pp.1013-1015，2000。該技術(shù)最大的優(yōu)點是，種子光柵的周期和折射率調(diào)制不變，改變的僅僅是取樣結(jié)構(gòu)。通過改變?nèi)咏Y(jié)構(gòu)，任意大小的相移啁啾，能夠等效地引入到周期結(jié)構(gòu)對應(yīng)的子光柵(某一個信道)中，得到我們所需要的任意目標反射譜。由于取樣周期一般幾個微米，所以該方法利用亞微米精度實現(xiàn)了納米精讀的制造。更重要的是，該技術(shù)可以與當前的電子集成(IC)印刷技術(shù)相兼容。
[0004]文獻[5]給出了基于該技術(shù)的λ/4等效相移DFB半導體激光器的實驗驗證。由于這種技術(shù)設(shè)計的激光器改變的僅僅是取樣結(jié)構(gòu)，所以利用全息曝光技術(shù)和振幅掩膜版就能實現(xiàn)低成本的規(guī)?；a(chǎn)。李靜思，賈凌慧，陳向飛在中國發(fā)明專利“單片集成半導體激光器陣列的制造方法及裝置”(申請?zhí)?200810156592.0)中指出了依據(jù)該技術(shù)可以在同一個晶片上，通過改變?nèi)又芷诙淖儾煌す馄鞯募ど洳ㄩL，這個低成本單片集成高性能DFB半導體激光器陣列的制造帶來了新的曙光。
[0005]與此同時，文獻[6、7、8]和陳向飛，段玉喆，李栩輝等的中國發(fā)明專利“變占空比的取樣光纖光柵及其切趾方法”(申請?zhí)?02117328.1)和施躍春、陳向飛、李思敏等的中國發(fā)明專利“基于重構(gòu)-等效啁啾和等效切趾技術(shù)的平面波導布拉格光柵及其激光器”(申請?zhí)?200910264486)中研宄了光纖光柵和平面波導布拉格光柵的等效切趾技術(shù)，文獻[6、7、8]中的結(jié)果表明，如果改變?nèi)硬祭窆鈻诺恼伎毡?，切趾會等效地引入取樣光柵的子光柵中，而無需改變實際種子光柵的折射率調(diào)制強度和光柵周期。
[0006]本發(fā)明提出一種基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)的等效分布式耦合系數(shù)的取樣光柵及其DFB半導體激光器，等效分布式耦合系數(shù)取樣光柵是基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)的取樣結(jié)構(gòu)、通過等效啁啾技術(shù)引入等效相移，并在等效相移區(qū)的左右兩側(cè)進行取樣光柵取樣占空比的分布式設(shè)計，從而達到等效分布式耦合系數(shù)的作用，實現(xiàn)利用改變光柵皺褶高度的分布式耦合系數(shù)光柵的等效功能，可以用來制作單縱模的DFB半導體激光器和多波長DFB半導體激光器陣列。相比于改變光柵褶皺高度實現(xiàn)的分布式耦合系數(shù)，這種基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)的等效分布式耦合系數(shù)的光柵及其DFB激光器的制造方法更簡單、成本低、設(shè)計靈活。
[0007]引用文獻:
[0008][I] David F.Welch, et al, Large-scale InP photonic integratedcircuits !Enabling efficient scaling of optical transport networks (大規(guī)模銦磷基光子集成回路:光傳輸網(wǎng)的有效解決方案)，IEEE Journal of selected topics inquantum electronics, 2007, 13(1):22-31.
[0009][2]陳向飛，劉文，安俊明，劉宇，徐坤，王欣，劉建國，紀越峰，祝寧華，“多波長激光發(fā)射光子集成技術(shù)”科學通報，2011，56 (25):2119-2126.
[0010][3] Y.Kotaki, M.Matsuda, T.Fujii, and H.1shikawa1MQff-DFB lasers withnon-uniform depth λ/4shifted gratings, in Proc.0C0C/IC0C 91,137-140 (1991).
[0011][4]YitangDai and XiangfeiChen, DFB semiconductor lasers based onreconstruct1n equivalent chirp technology (基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)的 DFB 半導體激光器)，Optics Express, 2007，15 (5): 2348-2353.
[0012][5] YitangDai, XiangfeiChen, LiXia, YejinZhang, and ShizhongXie, SampledBragg grating with desired response in one channel by use of reconstruct1nalgorithm and equivalent chirp (利用重構(gòu)-等效啁啾實現(xiàn)在取樣布拉格光柵的單一信道內(nèi)的任意反射響應(yīng))，Optics Letters, 2004，29 (12) 1333-1335.
[0013][6]Xuhuili, XiangfeiChen, YuzheYin, ShizhongXie， A novel apodizat1ntechnique of variable duty cycle for sampled grating(一種通過改變?nèi)庸鈻诺恼伎毡鹊男路f切祉