基于重構(gòu)-等效啁啾的半邊切趾取樣光柵及dfb激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及光子集成，光通信以及其他很多光電信息處理。 尤其涉及一種基于重構(gòu)-等效啁嗽技術(shù)的半邊切趾取樣光柵及及DFB激光器。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，人們的生活水平日益提高，人們之間的交流也變得越來(lái) 越多，越來(lái)越廣泛，很多比賽直播都開(kāi)始采用高清技術(shù)，實(shí)時(shí)3D通信也已經(jīng)被很多大企業(yè) 提上了研發(fā)安排。大數(shù)據(jù)時(shí)代的來(lái)臨對(duì)光子集成技術(shù)提出了迫切的需求，為了順應(yīng)時(shí)代發(fā) 展，一個(gè)全新的光網(wǎng)絡(luò)時(shí)代正在開(kāi)啟。美國(guó)的硅谷實(shí)驗(yàn)室中，英飛朗（Infinera)公司已經(jīng) 用磷化銦等材料支撐了大量復(fù)雜的光電集成器件，光通信的成本也因此變得更低，容量卻 變得更大。對(duì)于光通信中的有源器件，分布反饋式（DFB)半導(dǎo)體激光器因?yàn)榱己玫膯文Ｌ?性一直在光通信網(wǎng)絡(luò)和光子集成芯片中受到青睞。早期的DFB激光器由于采用均勻的光柵 折射率調(diào)制，會(huì)在布拉格波長(zhǎng)兩側(cè)均勻的分布兩個(gè)模式。為了消除這種雙模式簡(jiǎn)并，提出 了在DFB光柵層引入PI相移的方案，這種方案雖然很好的消除了激光器的雙模式簡(jiǎn)并，使 DFB激光器在光纖通信中得到了最廣泛的應(yīng)用，但是卻加大了激光器制造的工藝難度，需要 達(dá)到納米精度的控制。所以，一般PI相移的DFB激光器都是通過(guò)電子束刻蝕（EBL)來(lái)完成 的，但是電子束曝光技術(shù)（EBL)制造耗時(shí)長(zhǎng)，成本高等特征限制了 DFB半導(dǎo)體激光器的進(jìn)一 步發(fā)展。
[0003] 文南犬（Yitang Dai and Xiangfei Chen, DFB semiconductor lasers based on reconstruction equivalent chirp technology(基于重構(gòu)-等效啁嗽技術(shù)的 DFB 半導(dǎo) 體激光器），Optics Express，2007,15 (5) :2348-2353)和專利"基于重構(gòu)-等效啁嗽技 術(shù)制備半導(dǎo)體激光器的方法及裝置"（CN200610038728. 9,國(guó)際PCT專利，【申請(qǐng)?zhí)枴縋CT/ CN2007/000601)提出了一種設(shè)計(jì)DFB半導(dǎo)體激光器的新的技術(shù)，通過(guò)重構(gòu)-等效啁嗽 技術(shù)，將DFB半導(dǎo)體激光器的制造工藝從納米精度提高到微米精度，避免了使用電子束 曝光技術(shù)，只需要全息干涉和近場(chǎng)光刻就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于DFB半導(dǎo)體激光器的大批量制 造。重構(gòu)-等效啁嗽技術(shù)的首次提出主要是被應(yīng)用于光纖光柵的設(shè)計(jì)中，可追溯到2002 年馮佳、陳向飛等人的專利"用于補(bǔ)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"（CN02103383.8,授權(quán)公告號(hào)：CN1201513)中提出的為實(shí)現(xiàn)所需要的等效光柵的周期 啁嗽，在取樣布拉格光柵的取樣周期中引入取樣周期啁嗽。更重要的是，該技術(shù)使用的工 藝與當(dāng)前的電子集成印刷技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)非常完美的兼容。通過(guò)全息干涉，雙光束干涉或 者納米壓印制作均勻的種子光柵，再在此基礎(chǔ)上，利用重構(gòu)-等效啁嗽技術(shù)設(shè)計(jì)的取樣 光刻版進(jìn)行光刻取樣，從而可以實(shí)現(xiàn)低成本的規(guī)模化生產(chǎn)。文獻(xiàn)（Jingsi Li，HuanWang， Xiangfei Chen? Zuowei Yin?Yuechun Shi，Yangqing Lu，Yitang Dai and Hongliang Zhu， Experimental demonstration of distributed feedback semiconductor lasers based on reconstruction equivalent chirp technology (基于重構(gòu)-等效啁嗽技術(shù)的 DFB 半導(dǎo) 體激光器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）Optics Express，2009, 17 (7) : 5240-5245)是該技術(shù)制作的等效PI 相移DFB半導(dǎo)體激光器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
[0004] 李靜思、賈凌慧和陳向飛等人在中國(guó)發(fā)明專利"單片集成半導(dǎo)體激光器陣列的制 造方法及裝置"（【申請(qǐng)?zhí)枴?00810156592. 0)中指出，依據(jù)重構(gòu)-等效啁嗽技術(shù)只需要改變 取樣周期就可以在同一塊晶片上實(shí)現(xiàn)制作不同激光器的激射波長(zhǎng)的目的，這一特點(diǎn)對(duì)于低 成本單片集成高性能DFB半導(dǎo)體激光器陣列的制備具有極其深遠(yuǎn)的意義。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)在栗浦功率不變的情況下，盡可能獲得比較高的有效輸出光功率，提 高電注入效率，降低功耗，提出了很多具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的DFB激光器，常見(jiàn)的DFB半導(dǎo)體激 光器中引入不對(duì)稱結(jié)構(gòu)如：非對(duì)稱相移和非對(duì)稱耦合系數(shù)等（參見(jiàn)文獻(xiàn)（S. Jong-In，K. Komori, S. Arai, I. Arima, Y. Suematsu, and R. Somchai,''Lasing characteristics of I. 5 μπι GaInAsP-InP SCH-BIG-DR lasers, "(I. 5 微米 GaInAsP-InP SCH-BIG-DR 激光器 的特性）IEEE J. Quantum Electron. ,27(6),1736-1745, (1991))以及文獻(xiàn)〇\11]8&11^，5· Akiba, and K.Utaka, "Asymmetric λ/4-shifted InGaAsP/InP DFB lasers,"(非對(duì)稱 λ/4 相移 InGaAsP/InP DFB 激光器）IEEE J. Quantum Electron.，23 (6)，815-821，（1987))，申 請(qǐng)的專利有：（I)專利"基于重構(gòu)-等效啁嗽技術(shù)的非對(duì)稱相移布拉格光柵及其激光器"（申 請(qǐng)?zhí)枺?01310484338. 4)中提出了相移位于腔長(zhǎng)的60 %~80 %區(qū)域；（2) PI相移左右兩段 的光柵耦合系數(shù)不等，通過(guò)改變光柵結(jié)構(gòu)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)，專利"基于重構(gòu)-等效啁嗽和等 效半邊切趾的DFB半導(dǎo)體激光器及制備方法"（【申請(qǐng)?zhí)枴?01410214717. 6)提出通過(guò)改變半 邊取樣光柵的占空比實(shí)現(xiàn)出光功率提高。
[0006] 盡管通過(guò)改變?nèi)庸鈻沤Y(jié)構(gòu)的占空比可以等效實(shí)現(xiàn)對(duì)于光柵結(jié)構(gòu)的切趾效應(yīng)，但 是當(dāng)占空比很低的時(shí)候，光柵線寬會(huì)由微米精度降低到納米精度，增加了工藝制造的難度， 這樣利用重構(gòu)-等效啁嗽技術(shù)將無(wú)法制作得到需要的切趾效應(yīng)。
[0007] 此外，為了實(shí)現(xiàn)單個(gè)激光器在兩個(gè)端面輸出光功率不同，提出了在DFB半導(dǎo)體激 光器的兩端分別鍍HR(高反射）/AR(抗反射）膜的結(jié)構(gòu)，但是由于HR(高反射）膜會(huì)引入 隨機(jī)相位，破壞激光器的單模特性，所以需要提出新的結(jié)構(gòu)來(lái)解決這一問(wèn)題。
[0008] 為了解決上述困難，本發(fā)明提出了通過(guò)改變光柵的齒深來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于光柵的切趾。 通過(guò)制造金屬鎳為掩膜的取樣光柵，之后再進(jìn)行多次光刻和干法刻蝕工藝的重復(fù)，最后多 進(jìn)行一次干法刻蝕，再去掉金屬鎳掩膜，從而實(shí)現(xiàn)光柵結(jié)構(gòu)中切趾段的光柵齒深的逐漸變 化，該制作方案是"重構(gòu)-等效啁嗽"技術(shù)的另外一大優(yōu)勢(shì)。專利"兩次及多次曝光采樣布 拉格光柵及制作方法"（【申請(qǐng)?zhí)枴?00810234184. 2)提出了兩次及多次曝光采樣布拉格光柵 的制作方法。通過(guò)改變光柵的有效齒深，實(shí)現(xiàn)對(duì)于光柵結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱切趾，從而改變等效相 兩側(cè)的光柵反射率，提高激光器的單邊出光功率。本發(fā)明提出的基于重構(gòu)-等效啁嗽技術(shù) 的半邊切趾取樣光柵及其DFB半導(dǎo)體激光器，即基于重構(gòu)-等效啁嗽的等效相移位于半導(dǎo) 體激光器腔長(zhǎng)的中心+/-5%的區(qū)域內(nèi)，對(duì)等效相移區(qū)左側(cè)，出光端方向進(jìn)行切趾，切趾是通 過(guò)先在襯底上制作金屬鎳為掩膜的取樣光柵結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過(guò)光刻和干法刻蝕工藝的多次重復(fù) 進(jìn)行，最后多進(jìn)行一次干法刻蝕，再去掉金屬鎳掩膜，制造出光柵齒深逐漸變化的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 的，非切趾段的光柵齒深選用最大齒深。單邊切趾對(duì)于提高DFB半導(dǎo)體激光器的一端出光 功率具有非常重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是，實(shí)現(xiàn)單個(gè)半導(dǎo)體激光器在兩個(gè)端面輸出光功率不同，提高激光 器在相同注入電流下的一端出光功率，而提出的一種基于重構(gòu)-等效啁嗽技術(shù)的半邊切趾 取樣光柵及其DFB半導(dǎo)體激光器的制備方法，從而實(shí)現(xiàn)在注入電流不變的情況下，提高DFB 半導(dǎo)體激光器的一端出光功率。
[0010] 本發(fā)明提出的制備方法主要是通過(guò)下面的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：基于重構(gòu)-等效啁 嗽技術(shù)的半邊切趾取樣光柵及其半導(dǎo)體激光器的制備方法，半導(dǎo)體激光器中的取樣結(jié)構(gòu)是 基于重構(gòu)-等效啁嗽技術(shù)的取樣布拉格光柵；取樣光柵中的相移是通過(guò)重構(gòu)-等效啁嗽技 術(shù)引入的等效相移，等效相移的位置位于激光器腔長(zhǎng)的中心區(qū)域的+/-5%之間。根據(jù)重 構(gòu)-等效啁嗽技術(shù)，可以知道，相移被移入了除了 〇級(jí)之外的所有影子光柵之中，其中，第m 級(jí)影子光柵對(duì)應(yīng)的光柵周期滿足公式：
[0012] 上式中，P對(duì)應(yīng)的是取樣光柵的周期，Λ。是指種子光柵的周期；
[0013] 與此同時(shí)，可以求出第m級(jí)