基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)的備份型半導(dǎo)體激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及光纖通訊和光子集成，提出了備份型半導(dǎo)體激 光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作方法，可在不增加制造成本的基礎(chǔ)上提高單模成品率。
【背景技術(shù)】
[0002] 光通信在近幾十年發(fā)展迅速，也逐漸成為了最主流的信息傳輸方式，其主要原因 有=個(gè)：一、光具有極大的帶寬，一般有幾百個(gè)T化遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)電磁波信號(hào)，因此可W同時(shí) 傳輸大量的信息；二、光可W很容易被傳導(dǎo)，用來傳導(dǎo)光信號(hào)的光纖成本損耗都很低，同時(shí) 抗干擾能力強(qiáng)；=、光的產(chǎn)生和探測(cè)得到了極大的發(fā)展，都可W在基于半導(dǎo)體的材料中實(shí) 現(xiàn)，并且較容易制造[1]。而在光源部分，半導(dǎo)體激光器有著體積小、能耗低、可靠性高并且 可高速調(diào)制等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為了光通信系統(tǒng)中的核屯、器件。半導(dǎo)體激光器有很多種類，可 W按波長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)分類。如630~680皿的InGaAlP激光器，通訊波段1310皿和1550皿的 InGaAsP激光器，遠(yuǎn)紅外的InGaAs/AlAs訊的量子級(jí)聯(lián)激光器。根據(jù)有源區(qū)結(jié)構(gòu)可W分為量 子阱激光器，量子線激光器和量子點(diǎn)激光器，其中通信用的激光器主要為量子阱激光器。對(duì) 于半導(dǎo)體激光器的諧振腔結(jié)構(gòu)和功能，有法布里-泊羅（F-巧激光器，分布反饋式值FB)激 光器，分布布拉格反射式值BR)激光器，垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL)等巧]。
[0003] 由于良好的單模特性和優(yōu)異的波長(zhǎng)控制特性，DFB激光器成為了通訊上主流的激 光器，其主要結(jié)構(gòu)為在有源區(qū)附近增加一段光柵結(jié)構(gòu)形成折射率禪合或者增益禪合，從而 實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇。其中折射率禪合是指光柵結(jié)構(gòu)刻制在有源區(qū)旁，對(duì)激射后產(chǎn)生的光進(jìn)行波 長(zhǎng)選擇性的反饋；而增益禪合是指將光柵結(jié)構(gòu)刻制在有源區(qū)，造成有源區(qū)的增益周期性變 化，進(jìn)而形成增益禪合。對(duì)于增益禪合的均勻光柵DFB激光器結(jié)構(gòu)，在光柵的布拉格波長(zhǎng) 處，它的諧振腔損耗最小，也就意味著一個(gè)對(duì)應(yīng)的激射模式，然而增益禪合的DFB激光器制 造工藝復(fù)雜，制造陳本高且成品率低，同時(shí)，由于其原理是通過引入損耗的方法來引起增益 變化，所W增益禪合激光器的闊值也相對(duì)較高。因此，增益禪合的DFB激光器并沒有在實(shí)際 的光通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。而對(duì)于均勻光柵的折射率禪合的DFB激光器結(jié)構(gòu)，理論上存在 兩個(gè)波長(zhǎng)距離很近的簡(jiǎn)并激射模，單模成品率很低從而在實(shí)際應(yīng)用中色散過于嚴(yán)重而不合 適遠(yuǎn)距離傳輸。但采用端面鍛膜和加入相移的方法能大幅度地提高單模成品率。其中加入 相移的方法可W在光光柵的反射譜中屯、產(chǎn)生一個(gè)缺陷，從而保證該激射的光被嚴(yán)格限制在 運(yùn)個(gè)波長(zhǎng)位置，可W很好的保證單模的特性，也在產(chǎn)業(yè)上得到了很廣泛的應(yīng)用。然而，在光 柵中間引入相移的方法也有不足，一方面，由于光柵的周期在250皿左右，相移的引入的尺 寸一般在125nm，因此需要十分高精度的加工手段，一般是電子束曝光，該方法的加工成本 高，而且效率低；另一方面，由于激光器兩端都要進(jìn)行低反鍛膜（反射會(huì)影響其單模性質(zhì)和 波長(zhǎng)準(zhǔn)確性），從而導(dǎo)致只有一個(gè)端面的光可W得到利用而另一端面的光會(huì)被浪費(fèi)，其能量 利用率下降。
[0004] 采用端面鍛膜的方法（一端高反，另一端低反）也可W很有效地提高單模成品率， 其光柵即為均勻光柵，可W使用全息曝光的方法制造，其工藝流程有著速度快，均勻性好等 優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，端面鍛膜的方法可W將一端的光發(fā)射回來而全部從另一端出射，成倍地增大了 能量的利用率。然而端面鍛膜的方法也有一個(gè)問題，就是對(duì)高反端面光柵相位的高敏感性 巧]。端面的光柵相位是光柵的起點(diǎn)位置在一個(gè)光柵周期中所在的位置，其中一整個(gè)光柵周 期被認(rèn)為是2 31的相位。當(dāng)高反端面的光柵相位為31附近時(shí)，該激光器可W獲得良好的單 模特性，而當(dāng)該光柵相位為O或者2 31附近時(shí)，該激光器的單模特性很差。
[0005] 陳向飛等人在2006年提出的重構(gòu)-等效調(diào)嗽技術(shù)[4]，能夠通過常規(guī)全息曝光和 微米級(jí)光刻等簡(jiǎn)單的技術(shù)，在激光器中實(shí)現(xiàn)等效相移從而產(chǎn)生單模的激光激射。同時(shí)，對(duì)于 重構(gòu)-等效調(diào)嗽技術(shù)，其原理是在取樣光柵的± 1級(jí)次的子光柵中等效實(shí)現(xiàn)相移或者其他 光柵的響應(yīng)譜形狀，同時(shí)，對(duì)于取樣光柵的±1級(jí)次的子光柵，其等效的端面相位是由取樣 光柵的端面相位和種子光柵的端面相位共同決定的。
[000引參考文獻(xiàn)：
[0007] [1]D.J.Klotzkin,Introductiontosemiconductorlasersforoptical communications:Anappliedapproach(光通信用半導(dǎo)體激光器概述：一個(gè)應(yīng)用的方 法），Sprin邑er, 2014
[0008] [2]周亞亭，新型分布反饋式半導(dǎo)體激光器及其陣列研究，博±論文，2012
[0009] [3]L.A.Coldren,Diodelasersandphotonicintegratedcircuits2"'^ edition(激光器二極管和集成光路），Wiley, 2012
[0010] [4]陳向飛，"基于重構(gòu)-等效調(diào)嗽技術(shù)制備半導(dǎo)體激光器的方法及裝置"，中國發(fā) 明專利申請(qǐng)：CN200610038728. 9,國際PCT專利，申請(qǐng)?zhí)朠CT/CN2007/000601.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的在于，提出了用于基于重構(gòu)-等效調(diào)嗽技術(shù)的備份型半導(dǎo)體激光器 及制作方法，該結(jié)構(gòu)通過備份技術(shù)可W有效地提高高反-低反鍛膜激光器的單模成品率， 同時(shí)不增加工藝成本。該方法的原理是利用重構(gòu)-等效調(diào)嗽技術(shù)中取樣的端面相位對(duì)激光 器激射時(shí)的等效端面相位的調(diào)控來提高激光器激射的單模成品率。
[0012] 本發(fā)明的技術(shù)方案：基于重構(gòu)-等效調(diào)嗽技術(shù)的備份型半導(dǎo)體激光器及制作方 法，其特征是該備份型激光器中包含了兩個(gè)并列的半導(dǎo)體DFB激光器，呈并列分布且距離 較短，為15微米至50微米；其中每個(gè)DFB激光器都是基于重構(gòu)-等效調(diào)嗽技術(shù)，即光柵采 用的是取樣布拉格光柵結(jié)構(gòu)，對(duì)取樣布拉格光柵結(jié)構(gòu)加入等效相移；并且激光器所使用的 激射信道是由該取樣光柵的+1級(jí)子光柵或-1級(jí)子光柵提供，通過改變?cè)撊庸鈻诺娜?周期可W改變+1級(jí)和-1級(jí)子光柵的位置從而改變激射波長(zhǎng)。該等效相移的大小為n/2至 3 31 /2,該相移的位置為在激光器腔內(nèi)中屯、區(qū)域，具體位置為激光器腔內(nèi)中屯、偏左20 %腔長(zhǎng) 至中屯、偏右20 %腔長(zhǎng)處。
[0013] 該激光器中的兩個(gè)激光器結(jié)構(gòu)的取樣光柵擁有不同的初始相位，運(yùn)兩個(gè)光柵的初 始相位存在一個(gè)固定的差值，從n/2至3 31/2,尤其是取31 ;該取樣光柵的制作方法分為兩 步：第一步為全息曝光的方法制作均勻光柵，第二步為使用設(shè)計(jì)好的掩膜版通過普通的光 刻來制作取樣光柵的形狀，因此只需通過改變?nèi)友谀ぐ娴慕Y(jié)構(gòu)就可W實(shí)現(xiàn)此不同相位的 取樣光柵。
[0014] 在該備份型激光器的兩個(gè)并列的激光器的光柵中，通過重構(gòu)-等效調(diào)嗽的方法加 入一個(gè)等效相移，該等效相移的大小為n/2至3 31 /2,該相移的位置為在激光器腔內(nèi)中屯、 區(qū)域，具體位置為激光器腔內(nèi)中屯、偏左20%腔長(zhǎng)至中屯、偏右20%腔長(zhǎng)處。
[0015] 在該激光器中取樣結(jié)構(gòu)中引入等效切趾結(jié)構(gòu)，通過沿激光器腔長(zhǎng)方向改變?nèi)诱?空比實(shí)現(xiàn)切趾，具體為W激光器的高反端為起點(diǎn)向低反端面逐步降低或增加光柵的取樣占 空比，占空比從0. 5線性變化到0. 2或0. 8,從而增加激光器的單模成品率。
[0016] 所述的基于重構(gòu)-等效調(diào)嗽技術(shù)的備份型半導(dǎo)體激光器的制造方法，其特征是將 激光器頂部的電極安排為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即為W此二激光器的交界線為鏡面對(duì)稱，該方法可W 在不改變電極大小的情況下，盡量增大表面的利用率，從而降低封裝難度。
[0017] 基于重構(gòu)-等效調(diào)嗽技術(shù)的備份型半導(dǎo)體激光器多波長(zhǎng)陣列的制造方法，多波長(zhǎng) 的實(shí)現(xiàn)是通過改變光柵的取樣周期，對(duì)于4波長(zhǎng)陣列或8波長(zhǎng)陣列，可W使備份型激光器結(jié) 構(gòu)，從而在提高單模成品率的同時(shí)，增加激光器陣列的成品率。
[0018] 備份型半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)為兩個(gè)并排緊靠的基于等效調(diào)嗽技術(shù)的分布反饋半導(dǎo) 體激光器，其中每個(gè)激光器的端面鍛膜都為一邊高反一邊低反，并且兩個(gè)激光器中的取樣 光柵的取樣相位相差一個(gè)固定值，例如n;此兩并排激光器的距離為15微米至50微米之 間取值，其電極的制作為對(duì)稱型，在實(shí)際使用中僅選取其中某一個(gè)激光器作為工作激光器， 運(yùn)樣并列的激光器并不會(huì)增加制造的成本。對(duì)于其中的某一個(gè)激光器，其折射率調(diào)制為
[0019]
[0020] 其中An。是指光柵強(qiáng)度的折射率變化，Z表示沿光柵長(zhǎng)度方向的位置，d)為光柵 的初始相位，C.C.表示復(fù)共輛，S(Z)為周期性矩形取樣函數(shù)，可W傅里葉展開為
[0021]
[0022] 其中P為取樣函數(shù)的取樣周期，W為取樣光柵的初始取樣相位，F(xiàn)m為傅里葉展開 的系數(shù)，可W表示為
m為奇數(shù)
[0023] (3) m為偶數(shù)
[0024] 當(dāng)m為奇數(shù)時(shí)，即對(duì)于奇數(shù)級(jí)子光柵來說，其相對(duì)光柵強(qiáng)度（相對(duì)于均勻的種子光 柵）可W表示為IFmI= 1/31 |m|，在重構(gòu)等效調(diào)嗽技術(shù)中，我們?nèi)　?級(jí)子光柵來提供我們 的工作信道，也就意味著其光柵強(qiáng)度為均勻光柵的1/n。于是，對(duì)于該光柵，種子光柵的初 始相位為4，取樣光柵的初始相位為W，其折射率調(diào)制可W展開為
[00巧] 么n(z)=么巧打.玄抑每.exp/ (爭(zhēng)+導(dǎo)).Z-i(歡+:夢(mèng)。C,巧)
[002引從而對(duì)于± 1級(jí)子光柵，W+1級(jí)為例，其等效子光柵的折射率調(diào)制為
[0027]An1(Z)二這泣任?巧.:6邱口TTZG+發(fā)-i(典+海)' +狂試
[002引其等效的光柵周期為Ai=l/G+ ￡)，其等效的初始相位即為（W+d))。因此，在 無法掌控種子光柵的初始相位的前提下，我們可W通過不同的取樣光柵初始相位來對(duì)等效 初始相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而保證激光器的單模激射。
[0029] 另外，對(duì)于所設(shè)及的并列半導(dǎo)體激光器，其相隔距離很近，僅有15微米至50微米， 對(duì)于同一個(gè)解理面，其種子光柵相位雖然是完全隨機(jī)，但是相差很小，即具有近乎相同的 4。同時(shí)，如附圖1所示，對(duì)于一個(gè)高反-低反鍛膜的激光器，其高反端的初始相位對(duì)激光 器的單模特性的影響具有周期性和分段性，也就是說，對(duì)于在n附近一段區(qū)域內(nèi)的相位， 該激光器的兩個(gè)模式的闊值增益相差很大，因此具有很好的單模特性；而在遠(yuǎn)離n的相位 區(qū)域（0附近或2JT附近時(shí)），該激光器的兩個(gè)模式的闊值增益差很小，導(dǎo)致激光器的單模 特性很差巧]。因此，將并列的兩個(gè)