CN100583579C - 单片集成半导体激光器阵列的制造方法及装置 - Google Patents
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Abstract
单片集成半导体激光器阵列的制造方法，在激光器阵列中的每个激光器DFB光栅结构采用取样布拉格光栅结构，阵列中每个DFB半导体激光器波导里的光栅是取样布拉格光栅，取样布拉格光栅含有对应普通布拉格光栅的等效光栅；DFB半导体激光器的激射波长在此取样布拉格光栅的等效光栅作用带宽里，由取样布拉格光栅的取样结构的取样周期决定，改变取样周期就可改变激射波长。使用刻有各种取样图案的掩模板，增大或减小采样周期，使DFB激光器激射波长靠近或远离中心波长，实现不同的波长激射，实现多通道的多波长激光器阵列；本发明在亚微米级精度上实现各种复杂的等效相移，即对应的等效光栅具有λ/4相移，λ/8相移及CPM结构。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域，与分布反馈半导体激光器阵列有关，涉及复杂分布反馈半导体激光器的设计与制作，更具体而言，是基于重构—等效啁啾技术制备分布反馈(DFB)半导体激光器阵列的方法及装置。
背景技术
随着信息光电技术在通信、探测等领域的应用越来越广泛，相关行业对单片集成器件的要求也越来越高，这是未来信息技术的制高点之一。使用单片集成模块可提供容量大、体积小、成本低的通信核心设备，如被认为是最有前途的新兴光网络公司—美国Infinera公司，已经能够提供10×10Gb/s的单片集成光发射模块和接收模块商用产品，并且40×40Gb/s的芯片也实验成功。此外，著名的Intel公司也在大力研究光电混合集成的芯片，为未来计算机内部采用低成本、万亿比特(TB)量级的光学“数据通路”做准备，并促使高性能计算应用迎来新时代。要提供万亿比特的数据链路集成芯片，单片集成的多波长模块是必须的。单片集成模块上的调制器、探测器响应方式均为宽带响应，实际制造不涉及波长概念，制造相对容易。因此单片集成多波长激光器阵列是实现高性能单片集成模块的最大难点之一。多波长分布反馈(DFB)激光器阵列是单片集成光纤传输模块的核心。同时在通信的许多领域都需要线宽窄、啁啾低、单模特性良好的DFB半导体激光器。单片集成多波长激光器阵列要绝对保证每个激光器均为单模工作，这就需要每个激光器具有复杂结构。因此，尽管单片集成多波长DFB激光器阵列非常重要，但其技术实现难度使其商品化非常困难。
制作低成本DFB激光器的有效手段是使用全息曝光技术形成DFB布拉格(Bragg)光栅结构，但传统的全息曝光技术几乎很难在很小的芯片区域(数百微米×数百微米)提供商用水平的多波长机制(如4至40波长)。此外，研制单片集成芯片的一个重要目的是降低高速、大容量光纤传输网络核心设备的成本，因此成品率也是其商业化可行性的重要参考因素之一。基于传统全息曝光技术制成的折射率耦合DFB激光器的Bragg光栅是相对简单的均匀结构，因此，理论上全息曝光制成的激光器是双模工作。但在实际应用中因为激光器两侧端面反射相位不同，可以实现单模激射。但由于反射相位具有随机性，其单模成品率不高；且高速调制时，其边模抑制比(SMSR)小于20dB，不能满足高速光通信的需要。此外，传统全息曝光技术制成的单个DFB激光器成品率从原理上来讲不会很高，一般为50％左右[1]。要实现单片集成的多波长激光器阵列，成品率很难达到商用水平，如以单个成品率为70％计算，4个波长单片集成DFB激光器阵列的成品率是0.74＝24％，8个波长单片集成DFB激光器阵列的成品率是0.78＝5.8％，16个单片集成DFB激光器阵列的成品率只有0.716＝0.33％。采用传统全息曝光技术实现密集波分复用(DWDM)单片集成芯片同时满足稳定单模工作的几率会随着波长数的增加急剧下降，因此，实现商用DWDM单片集成激光器芯片很难。目前载入文献的制作单片集成多波长激光器阵列的有效手段不多，例如使激光器波导弯曲形变、同时使用正负胶等，但技术都难以在工业上得到真正应用。其中最有效、灵活的技术是电子束曝光(electron beam lithography，EBL)，电子束曝光系统是一种利用电子束在工件面上扫描直接产生图形的装置。电子束曝光技术具有可直接刻画精细图案的优点，且高能电子束的波长短(小于1纳米)，可避免绕射效应，是实验室制作微小纳米电子/光子元件的最佳选择。电子束曝光在科研上用来制作复杂的微结构非常成功，可以用来研制非常复杂的高性能、高成品率DFB激光器，包括DWDM系统用激光器芯片，但其设备一次性投资昂贵，运行成本高，并且当芯片结构多样化、细微结构差别较大、结构变化密度高时，需精细刻写，导致所需要的运行时间成倍增加，使制作结构复杂的DWDM激光器芯片的成本较高，难以适应未来低成本、高性能芯片开发、生产的需要。因此如何在芯片的很小面积上(一般小于数毫米×数毫米)实现高质量、多波长、结构复杂的DWDM激光器阵列是研制此类芯片的重点和难点。
采用平面工艺研制的集成电路开创了集成电路工业化批量生产的道路。集成电路平面工艺由外延生长、氧化、光刻、掺杂(扩散和离子注入)、金属化等一系列工序构成，其中光刻技术是大批量生产集成电路的关键环节。DFB激光器的生产也采用平面工艺，其中全息曝光技术类似光刻技术，采用全息曝光技术研制DFB结构是低成本、大批量生产的关键。因此，找到一种技术，既具有全息曝光技术的低成本、大批量和实用化的优点，又具有电子束曝光技术灵活、结构复杂的优点，是实现低成本、高性能DWDM激光器芯片的关键。
2004年，一种新的DFB光栅技术，即重构一等效啁啾(Reconstruction-equivalent-chirp)技术(REC技术)[2，3]诞生。重构—等效啁啾技术是在研究光纤Bragg光栅新型结构的过程中被提出的，其特点是：利用普通的制作平台(微米量级的控制精度)等效实现光纤中非常复杂、往往需要纳米量级的制作精度才能得到的DFB结构。对于给定的滤波特性，常规设计方法给出的DFB光栅周期发生变化，其工艺精度通常要求在纳米量级；而重构—等效啁啾技术方法给出的DFB光栅周期是均匀的，需要的滤波特性则是由对光栅整体的周期性调制(通常称之为取样或采样)决定。在光纤光栅上，典型的调制周期是DFB光栅周期的上千倍，因此，利用重构—等效啁啾技术，可以在普通工艺平台上实现很多原本只有使用极为精密设备才能实现的高性能光纤光栅器件，其中最典型的是光码分多址(OCDMA)编解码片，打破了由日本OKI公司/日本国家通信研究所/大阪大学保持的最高OCDMA编解码片数世界记录[4，5，6]。重构—等效啁啾技术也已经用于若干特殊DFB激光器的研制，特别是当应用在半导体激光器上[7，8]，具有很重要的产业意义。这是因为重构—等效啁啾技术在平面复杂光栅的研制上，能够像电子束曝光工艺技术一样制作复杂的等效光栅结构，同时基本保留传统全息曝光工艺技术的优点。
重构一等效啁啾技术最早可追溯到2002年冯佳、陈向飞等人在中国发明专利“用于补偿色散和偏振模弥散的具有新取样结构的布拉格光栅”(CN02103383.8，授权公告号：CN1201513)中提出了通过引入取样布拉格光栅的取样周期啁啾(CSP)来获得所需要的等效的光栅周期啁啾(CGP)的方法。提出等效啁啾最早的文献可参考Xiangfei Chen et.al，“Analytical expression of sampled Bragg gratings with chirp in thesampling period and its application in dispersion management design in a WDM system”(带有取样周期啁啾的取样布拉格光栅的分析表达式和它在波分复用系统色散管理的应用)，IEEE Photonics Technology Letters，12，PP.1013-1015，2000。这种等效啁啾技术的特点是采用业微米精度就可制作具有所需要的等效啁啾的布拉格光栅。这种特殊布拉格光栅是取样布拉格光栅。取样布拉格光栅有多个反射峰，每个反射峰代表一个影子光栅(ghost grating)，对应一个傅立叶系数。离中心布拉格波长最近的分别在中心波长的左边(较短的波长)和右边(较长的波长)的两个反射峰分别代表傅立叶系数+1或-1的影子光栅，其作用与普通布拉格光栅(非取样布拉格光栅)相同。因此用复杂取样周期的分布形成复杂的+1或-1级的影子光栅，可以代替普通布拉格光栅，称为等效光栅。等效光栅可以同所需要的普通布拉格光栅具有相同性能，在普通布拉格光栅的作用波段上等效光栅可以完全代替普通布拉格光栅。等效光栅的复杂特性可以通过改变取样光栅的取样周期分布获得，取样周期一般要远远大于光栅周期，因此可以极大的简化特殊布拉格光栅(等效光栅)的制作程序。此方法具有很大的成本优势和技术特色，并可以设计具有不同光学响应的等效光栅，而无需更换模板。同时，这项技术在易于实现的亚微米级精度上可以实现各种复杂的等效光栅啁啾，而这种等效光栅啁啾与真实的具有亚纳米精度实现的复杂光栅啁啾所起的作用一样。啁啾光栅是指光栅常数(折射率调制的周期)不均匀的光栅。
等效啁啾技术完全保证一阶等效啁啾、二阶等效光栅啁啾、高阶等效光栅啁啾等可以相互独立得到。戴一堂、陈向飞等人在中国发明专利“DS-OCDMA系统编码解码所用的采样光纤光栅及其制作方法”(CN200410009546.X)和文献Yitang Dai，Xiangfei Chen et.al，“Equivalent phase shift in a fiber Bragg grating achieved bychanging the sampling period”(采用改变光纤布拉格光栅中布拉格取样周期得到等效相移)，IEEE Photon.Tech.Lett.，vol.16，pp.2284-2286，2004中提出了等效相移概念。更进一步，戴一堂、陈向飞等人在中国发明专利“一种基于光纤光栅的多信道滤波器制作方法”(CN200410083938.0，)中提出一种设计和制作具有任意物理可实现滤波特性的等效光栅的方法和技术。这种技术是一种结合重构技术和等效啁啾技术的新技术，我们称之为重构—等效啁啾技术，简称REC技术，可参考文献：Yitang Dai，Xiangfei Chen et.al，“Sampled Bragg grating with desired response in one channel by useofa reconstruction algorithm and equivalent chirp”(采用重构和等效啁啾方法、可以在一个信道内得到预定响应的取样布拉格光栅)，Opt.Lett.，vol.29，1333-1335，2004。使用REC技术，可以在物理可实现范围内，使用亚微米精度的普通实验平台上设计和制作出各种所需要的复杂特性等效光栅。在等效光栅的作用带宽里，等效光栅可以完全代替普通布拉格光栅，它们具有相同的光学响应；或者说，复杂光学响应的普通布拉格光栅可以被相应的等效光栅所代替，它们的光学响应相同。用来代替DFB半导体激光器中的普通布拉格光栅的等效光栅可以使用等效啁啾和等效相移技术设计和制作。更为复杂的等效光栅可以用重构—等效啁啾技术设计和制作。需要说明的是，等效啁啾和等效相移技术是重构—等效啁啾技术的特例。
实现高质量多波长DFB激光器阵列的关键问题有二个：(1)在较小芯片区域的多波长产生机制；(2)高成品率的单个稳定单模DFB激光器。利用重构—等效啁啾技术可以很好的解决这两个问题，即：可以使用重构—等效啁啾技术控制激光波长，同时利用复杂的等效光栅结构实现很高成品率的稳定单模激光输出。
在传统的DFB激光器中，采用的主要是λ/4相移结构。λ/4相移DFB半导体激光器可以用来做直接调制激光器。直接调制DFB半导体激光器的最大优点是在高速调制(2.5Gbit/s～10Gbit/s)的情况下仍能保持动态单模，非常适合高速短距离(如局域网)的光纤通信系统。目前商业应用的直接调制DFB半导体激光器能够达到阈值电流5mA左右，在2.5Gbit/s调制速率下能传输上百公里。
λ/4相移结构也存在一些问题。因为，即使内置相移能确保激光器在阈值电流附近工作在单一模式下，随注入电流升高，激光器的边模抑制比下降，而出现纵模空间烧孔效应，致使激光器出现多纵模现象而无法正常工作。事实上，激光器的激射特性极易受空间烧孔的影响，在高耦合系数的λ/4相移DFB激光器中，光子在相移区域周围积累，腔内光场的非均匀性导致纵模空间烧孔效应的出现。因此，必须提出一些优化结构来确保DFB激光器工作在单纵模方式下，例如，复耦合结构，吸收耦合结构，增益耦合结构。此外，也可引入多相移结构、啁啾结构或者同时引入多相移、啁啾的光栅结构，使激光器既具有良好的单模特性，同时也具有良好的稳定性，从而大大提高高性能DFB激光器的性能和成品率。
λ/8相移DFB半导体激光器是在λ/4半导体激光器基础之上衍生出来的一种新型DFB相移激光器。其特点在于λ/8相移激光器所具有的镜面损耗负反馈作用(negativeFEML)能够使其性能更好，抗外界干扰能力更强，单模特性更稳定，较之于λ/4半导体激光器更加适用于长距离(如城域网)光纤系统信息传输[9]。
CPM结构是通过用多个等效相移代替单个相移的结构。在保持总相移大小恒定的情况下，把一个孤立相移分散到若干连续区间，以改善半导体激光器中的纵向光场分布，使得普通单相移激光器光场中心尖锐的能量峰被削弱，形成平缓的光场分布，以克服烧孔效应，同时，CPM结构的DFB激光器能够减少线宽，在各个方面提高半导体激光器性能。
参考文献：
[1].罗毅，王健，蔡鹏飞，孙长征，“光纤通信用半导体激光器”，中兴通讯技术2002年04期；
[2].戴一堂，陈向飞，夏历，姜典杰，谢世钟，“一种实现具有任意目标响应的光纤光栅”，中国发明专利CN200410007530.5；
[3].Yitang Dai，Xiangfei Chen，Li Xia，Yejin Zhang，and Shizhong Xie，Sampled Bragg gratingwith desired response in one channel by use of a reconstruction algorithm and equivalent chirp(采用重构和等效啁啾方法、可以在一个信道内得到预定响应的取样布拉格光栅)，Optics Letters，2004，29(12)：1333-1335；
[4].Yitang Dai，Xiangfei Chen，Yu Yao，Jie Sun，and Shizhong Xie，511-Chip，500Gchip/sOCDMA En/Decoders Based on Equivalent Phase-Shift Method(基于等效相移技术的511码片，码片速率500G OCDMA编解码器)，OFC2006，paper OFF2.
[5].Yitang Dai，Xiangfei Chen，Jie Sun，Yu Yao，and Shizhong Xie，High-performance，high-chip-count OCDMA en/decoders based on reconstruction equivalent-chirp technique(基于重构—等效啁啾技术的高性能，高码片数OCDMA编解码器)，Optics Letters，2006，31(11)：1618-1620.
[6].Dai Yitang，Chen Xiangfei et.al，“Phase-Error-Free，1023-Chip OCDMA En/De-CodersBased on Reconstruction-Equivalent-Chirp Technology and Error-Correction Method”(基于重构—等效啁啾技术和错误纠正方法的无相位错误1023码片OCDMA编解码器)，OFC2007，JWA28.
[7].陈向飞，“基于重构—等效啁啾技术备半导体激光器的方法及装置”，中国发明专利申请：CN200610038728.9，国际PCT专利，申请号PCT/CN 2007/000601.
[8].DaiYitang，ChenxiangFei，“DFB Semiconductor LasersBased onReconstruction-Equivalent-Chirp Technology”(基于重构—等效啁啾技术的DFB半导体激光器)，Optics Express，15，2348(2007).
[9].Yidong Huang et.al，“Isolator-free 2.5-Gb/s 80-km transmission by directly modulated λ/8phase-shiftedDFB-LDs undernegativefeedback effect ofmirrorloss”(具有镜面损耗负反馈作用的直调λ/8相移DFB二级发光管进行无隔离器2.5-Gb每秒，80公里的传输)，IEEE Photonics TechnologyLetters，vol.13，245-247(2001).
发明内容
本发明的目的在于使普通全息曝光与普通微米半导体制造工艺相结合，提出基于重构—等效啁啾技术(REC技术)的单片集成的高性能复杂结构的DFB半导体激光器阵列，制作出低成本多波长DFB激光芯片。本发明的目的还在于提出基于重构—等效啁啾技术的单片集成多波长DFB激光器的工艺，即全息曝光和掩模技术相结合的制作技术。
本发明的技术方案是：单片集成半导体激光器阵列的制造方法，基于重构—等效啁啾技术的DFB激光器波长与采样结构的采样周期直接相关，改变采样周期就可改变激射波长。即在激光器阵列中的每个激光器DFB光栅结构采用取样布拉格光栅结构，即阵列中每个DFB半导体激光器波导里的光栅是取样布拉格光栅，取样布拉格光栅含有对应普通布拉格光栅的等效光栅；DFB半导体激光器的激射波长在此取样布拉格光栅的等效光栅作用带宽里，由采样结构的采样周期决定，改变采样周期就可改变激射波长。使用刻有各种取样图案的掩模板，增大或减小采样周期，可以使DFB激光器激射波长靠近或远离中心波长，就可实现不同的波长激射，实现多通道的多波长激光器阵列。激光器阵列中的每个DFB激光器内等效光栅由重构—等效啁啾技术设计和制作，等效光栅里的啁啾和相移分别由等效啁啾和等效相移方法来设计和制作，即等效光栅内含有一个或多个等效相移或等效啁啾。因此，使用刻有各种采样结构图案的掩模板(IC微米工艺制造)，就可实现不同的波长激射。增大或减小采样周期，可以使DFB激光器激射波长靠近或远离中心波长。例如，采样周期从6.5微米逐渐变到13.7微米，就可实现40通道，0.8纳米间隔，32纳米的改变范围的多波长激光器阵列。基于重构—等效啁啾技术制作取样布拉格光栅结构半导体激光器，即，所制作的半导体激光器的波导里的光栅是取样布拉格光栅。取样布拉格光栅含有对应于普通布拉格光栅的等效光栅，半导体激光器的激射波长在此取样布拉格光栅的等效光栅的作用带宽里，等效光栅由重构—等效啁啾技术来设计和制作。取样布拉格光栅的取样周期一般小于20微米，大于1微米，具有多个影子光栅，影子光栅之间的波长间隔反比于取样周期和半导体激光器波导的有效折射率。含等效光栅的取样布拉格光栅通过取样掩模板光刻和全息干涉曝光的方法制作而成，取样掩模板光刻用来在等效光栅中产生等效啁啾和等效相移，而全息干涉曝光用来制造基本布拉格光栅结构，形成基本光学反馈机制。
激光器阵列中每个激光器中的取样布拉格光栅结构以下述方法制备：先制备含有等效光栅所需要的取样周期分布的掩模光刻版板，掩模光刻版板的取样周期通常为1至20微米，不同掩模板的取样周期由制备激光器的激射波长来决定，每个取样的周期的占空比(即：有光栅部分占整个采样周期的长度比例)通常为0.4至0.6，由具体制作工艺决定；通过取样掩模板光刻和全息干涉曝光制作出取样布拉格光栅结构。
阵列上的DFB半导体激光器的激射波长不同，激光器的激射波长由等效光栅的中心布拉格波长决定，即，由取样光栅的取样周期决定。改变取样结构的取样周期，掩模板上刻有的取样图案也相应改变，各个激光器的不同取样图案依次排列在掩模板上，这样在阵列上形成了依次排列的不同激射波长的激光器，组成多信道阵列，可以发出多波长的激光。信道个数由激光器个数决定，信道间隔由不同激射频率的相邻间隔宽度决定，一般为10G～400G范围，即激射波长间隔一般在10-1nm～10nm范围。
激光器阵列的激光器中的等效光栅内至少具有一个等效相移或具有等效啁啾，阵列中的不同激光器的等效光栅的等效相移或等效啁啾不同。有λ/4相移DFB激光器，λ/8相移激光器和CPM结构DFB半导体激光器。
本发明中基于重构-等效啁啾技术的λ/4相移具体的结构是：在取样布拉格光栅中某一位置(通常为中部)的取样周期发生突变，而其余取样周期保持不变，致使取样布拉格光栅的某些反射峰达到与普通相移光栅相似的效果。这种与布拉格光栅相移相对应的特性被称为等效相移。更广泛的，如果取样布拉格光栅多个位置的取样周期发生突变，那么该取样布拉格光栅的某些反射峰就会产生与多相移普通光栅相似的等效相移。在取样光栅中心的±15％区域内，有一个取样周期发生突然变化，变化后的周期是原周期的1.4到1.6倍或0.4到0.6倍，而其它的取样周期保持恒定；特别是如果取样布拉格光栅中心的一个取样周期改变为其原长的1.5倍或0.5倍，而其它的取样周期保持不变，就可以使取样光栅的奇数级反射峰发生等效λ/4相移(参见DianieJiang，Xiangfei Chen et.al，“A novel distributed feedback fiber laser based on equivalentphase shift(一种基于等效相移的新型分布反馈光纤激光器)”，IEEE Photon.Tech.Lett，16，2598(2004)；以及陈向飞等“分布反馈式光波导激光器”，CN200410042789.3)。
本发明中基于重构—等效啁啾技术的λ/8相移的具体结构与λ/4相移结构类似，通过改变取样周期而在取样区间的中心位置引入λ/8等效相移。在取样光栅中心的±15％区域内，有一个取样周期是发生突然变化的，其取样周期是原周期的1.2到1.3倍或0.2到0.3倍，而其他的取样周期保持恒定；如取样布拉格光栅中心的一个取样周期改变为其原长度的1.25倍或0.25倍，而其它的取样周期保持不变，这样就形成了等效λ/8相移。(参见Yidong Huang et.al，“Low-Chirp and External Optical FeedbackResistant Characteristics in λ/8Phase-Shifted Distributed-Feedback Laser Diodes UnderDirect Modulation”(直调λ/8相移分布反馈激光二极管的低啁啾和外部光反馈阻挡性质)，IEEE Journal of Quantum Eletronics，Vol.38，No.11，1479-1484，Nov.2002)
本发明中基于重构—等效啁啾技术的CPM结构的具体结构是：在整个采样区间，取中部一定数量的采样周期(例如总采样数的1/3至1/2)，增大其采样周期，即扩大该区域内各取样的周期，在该区域的总体取样个数保持不变的情况下，使总体长度比相同取样个数的原取样区域增加0.5(或0.25)个周期(即长度比原始状态增加0.5(λ/4)或者0.25(λ/8)个采样周期长度)，把原本在中心处的λ/4相移(或λ/8相移)平均分配到该区域内的各个取样周期里。用相同方法改变区域内采样周期，使总体长度增加1.5、2.5等半整数倍周期，即引入多相移CPM结构，而该区域以外的具他采样周期保持不变。同时，CPM结构也可通过缩短整体长度的方式实现。通过这种方法把一个原本在中心处的孤立相移分散到该区域的各个取样周期里，以此改变半导体激光器中的纵向光场分布，使得光场中心尖锐的能量峰被削弱，形成平缓的光场分布，克服了烧孔效应。若总体长度比原始状态增加半整数倍采样周期长度(例如1.5，2.5个周期等)，即引入多相移CPM结构，可以使光场分布纵向呈现波浪起伏，进一步抑制烧孔相应。半导体DFB激光器阵列中多波长激光器的性能还同材料有关，本发明一般应用于III-V族化合物半导体材料，如GaAlAs/GaAs，InGaAs/InGaP，GaAsP/InGaP，InGaAsP/InP，InGaAsP/GaAsP等)。同时也可应用于II-VI族化合物半导体材料、IV-VI族化合物半导体材料等各种三元化合物、四元化合物半导体材料。此外，本发明也应用于掺铝半导体材料(例如AlGaInAs)，用于制造无制冷、温度特性良好的半导体激光器阵列。
为了减小端面反射率对自脉动特性的影响以及提高DFB半导体激光器阵列的输出功率，可在各激光器输出端面镀上增透膜(AR)，镀膜后的端面反射率小于10％；另一端可镀高反膜(HR)，镀膜后端面反射率大于80％。
本发明在晶片上刻写激光器光栅形成阵列的具体方法是：首先在光刻版上设计并制作基于重构—等效啁啾技术的取样图案，即光刻版上每个光栅取样图案是根据重构—等效啁啾技术设计并制作，具有等效λ/4相移，λ/8相移，CPM结构或者更为复杂等效相移和等效啁啾结构。这样具有基于重构—等效啁啾技术的取样图案的光刻板称为REC光刻版，其示意图如图1所示。在晶片上刻光栅的方法是常规刻写取样光栅的方法，如图2所示，分两步：第一步，使用全息曝光技术在光刻胶上形成均匀光栅图案；第二步通过带有等效光栅对应的取样图案的REC光刻版(光掩膜)进行普通曝光，把REC模板的图案复制到晶片的光刻胶上；在光刻胶上形成取样图案，再腐蚀晶片在晶片上形成相应的DFB光栅图案。两步的曝光顺序可根据工艺互换。这里的REC光刻板的遮光图案是基于REC技术的取样图案。
本发明的有益效果是：将重构—等效啁啾技术，即REC技术，应用到DFB半导体激光器阵列中，阵列中每个激光器可以采用同种类型的结构，如λ/4相移、λ/8相移及CPM结构，或者多种结构相结合，以提高器件性能，达到不同的技术要求。REC技术既具有电子束曝光技术的灵活性，也具有全息曝光技术的低成本的优点，将大大降低激光器阵列的制作难度和生产成本，从而可以大规模支撑高性能单片集成光电芯片的发展，能够使国内的通信激光器芯片技术迈上一个台阶，为国内DFB激光器芯片制造带来新的格局。
附图说明
图1带有各种基于重构—等效啁啾技术(REC技术)的取样图案光刻板示意图
图2基于重构—等效啁啾技术(REC技术)的取样光栅刻写方法示意图
图3为本发明4波长单片集成DFB激光器阵列示意图
101.金属n电极；102.InP缓存层(衬底)；103.下波导层；104.多量子阱有源层MQWs；105.光栅层；106.上波导层；107.上包层(保护层)；108.脊波导；109.欧姆接触层；110.金属p电极；111.绝缘层；
图4为λ/4等效相移取样光栅示意图(图4a取样变化，扫描电子显微镜照片图4b)。
具体实施方式
分布反馈半导体激光器的结构是，在n型衬底材料上由外延n型InP缓冲层、非掺杂晶格匹配的InGaAsP波导层、应变InGaAsP多量子阱、InGaAsP光栅材料层、InGaAsP波导层、InP限制层和InGaAs欧姆接触层顺次构成；InGaAsP光栅材料层的光栅是取样布拉格光栅，即为用作激光激射的等效光栅；激光激射的等效光栅的表面采用200-400nm厚的SiO2绝缘层。
取样布拉格光栅具有多个影子光栅，影子光栅之间的波长间隔反比于取样周期和半导体激光器波导的有效折射率。下面描述工作波长在1550nm范围，信道宽度50GHz的4波长单片集成DFB激光器阵列(见图3)。
掩模板制作：使用普通微电子工艺制作含有等效光栅所需要的取样布拉格光栅的取样周期分布的掩模板，掩模板的上4个激光器的取样周期不同，由信道宽度50GHz，激射波长间隔0.4nm决定，每个取样的周期的占空比为0.5。在掩模板上各激光器中心的取样周期根据具体结构设计将发生变化以产生等效相移，如λ/4相移在取样光栅中心处变化0.5周期(见图4中a图)，其他取样周期不变。
器件的外延材料主要通过MOVPE技术制作，描述如下：首先在n型衬底材料上一次外延n型InP缓冲层(厚度200nm、掺杂浓度约1.1×1018cm-2)、100nm厚非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层(下波导层)、应变InGaAsP多量子阱(光荧光波长1.52微米，7个量子阱：阱宽8nm，0.5％压应变，垒宽10nm，晶格匹配材料)和100nm厚的p型晶格匹配InGaAsP(掺杂浓度约1.1×1017cm-2)上波导层。接下来通过所设计结构制作出的取样掩模板和全息干涉曝光的方法在上波导层形成所需的4个激光器的光栅结构。取样光栅制作好后，再通过二次外延生长p-InP和p型InGaAs(100nm厚，掺杂浓度大于1×1019cm-2)，刻蚀形成脊形波导和接触层，脊波导长度为400微米，脊宽3微米，脊侧沟宽20微米，深1.5微米。再通过等离子加强化学汽相沉积法(PECVD)将脊形周围填充SiO2或有机物BCB形成绝缘层。最后镀上Ti-Au金属P电极。
器件两端面可分别镀上增透膜(AR)和高反膜(HR)。激光器的阈值电流典型值为10mA左右，边模抑制比达到40dB以上。
Claims (7)
1、单片集成半导体激光器阵列的制造方法，其特征是在激光器阵列中的每个激光器DFB光栅结构采用取样布拉格光栅结构，阵列中每个DFB半导体激光器波导里的光栅是取样布拉格光栅，取样布拉格光栅含有对应普通布拉格光栅的等效光栅；DFB半导体激光器的激射波长在此取样布拉格光栅的等效光栅作用带宽里，由取样布拉格光栅的取样结构的取样周期决定，改变取样周期就可改变激射波长；使用刻有各种取样图案的掩模板，增大或减小采样周期，使DFB激光器激射波长靠近或远离中心波长，实现不同的波长激射，实现多通道的多波长激光器阵列；
激光器阵列中的每个DFB激光器内等效光栅由重构-等效啁啾技术设计和制作，等效光栅里的啁啾和相移分别由等效啁啾和等效相移方法来设计和制作，即等效光栅内含有一个或多个等效相移或等效啁啾；取样布拉格光栅的取样周期小于20微米，大于1微米，含等效光栅的取样布拉格光栅通过取样掩模板光刻和全息干涉曝光的方法制作而成，取样掩模板光刻用来在等效光栅中产生等效啁啾和等效相移，而全息干涉曝光用来制造基本布拉格光栅结构，形成基本光学反馈机制；
所述激光器阵列中每个激光器中的取样布拉格光栅结构以下述方法制备：先制备含有等效光栅所需要的取样周期分布的掩模光刻版板，掩模光刻版板的取样周期通常为1至20微米，不同掩模板的取样周期由制备的激光器的激射波长来决定，每个取样的周期的占空比，即有光栅部分占整个采样周期的长度比例为0.4至0.6，由具体制作工艺中的刻蚀误差决定；通过取样掩模板光刻和全息干涉曝光的方法制作出取样布拉格光栅结构；
阵列上的DFB半导体激光器的激射波长不同，激光器的激射波长由等效光栅的中心布拉格波长决定，即由取样布拉格光栅的取样周期决定；改变取样布拉格光栅取样结构的取样周期，掩模板上刻有的取样图案也相应改变，各个激光器取样布拉格光栅的不同取样图案依次排列在掩模板上，这样在阵列上形成了依次排列的不同激射波长的激光器，组成多信道阵列，发出多波长的激光，多信道个数由激光器个数决定，信道间隔由不同激射频率的相邻间隔宽度决定，一般为10G～400G范围，即激射波长间隔一般在10-1nm～10nm范围；
DFB光栅图案分两个步骤：第一步，使用全息曝光技术在光刻胶上形成均匀光栅图案；第二步通过带有等效光栅对应的取样图案的REC光刻版进行普通曝光，把REC模板的图案复制到晶片的光刻胶上；或互换上述两个步骤，在光刻胶上形成取样图案后，再腐蚀晶片在晶片上形成相应的DFB光栅图案。
2、根据权利要求1所述的单片集成半导体激光器阵列的制造方法，其特征是所述激光器阵列中每个激光器中的取样布拉格光栅结构以下述方法制备：先制备含有等效光栅所需要的取样周期分布的掩模光刻版板，掩模光刻版板的取样周期为1至20微米，不同掩模板的取样周期由制备的激光器的激射波长来决定，每个取样的周期的占空比通常为0.4至0.6；通过取样掩模板光刻和全息干涉曝光的方法制作出取样布拉格光栅结构。
3、单片集成半导体激光器阵列，分布反馈半导体激光器的结构是，在n型衬底材料上由外延n型InP缓冲层、非掺杂晶格匹配的InGaAsP波导层、应变InGaAsP多量子阱、InGaAsP光栅材料层、InGaAsP波导层、InP限制层和InGaAs欧姆接触层顺次构成；InGaAsP光栅材料层的光栅是取样布拉格光栅，即为用作激光激射的等效光栅构成激光器阵列；激光激射的等效光栅的表面采用200-400nm厚的SiO2绝缘层；其特征在于激光器阵列中的每个激光器DFB光栅结构采用取样布拉格光栅结构，即阵列中每个DFB半导体激光器的光栅是取样布拉格光栅，取样布拉格光栅含有对应普通布拉格光栅的等效光栅；DFB半导体激光器的激射波长在此取样布拉格光栅的等效光栅作用带宽里，由采样结构的采样周期决定，改变采样周期就可改变激射波长；使用刻有各种取样图案的掩模板，增大或减小采样周期，使DFB激光器激射波长靠近或远离中心波长，就可实现不同的波长激射，实现多通道的多波长激光器阵列。
4、根据权利要求3所述的单片集成半导体激光器阵列，其特征是λ/4相移激光器结构是：在取样布拉格光栅中心的±15％区域内，有一个取样周期发生突然变化，变化后的周期是原周期的1.4到1.6倍或0.4到0.6倍，而其它的取样周期保持恒定；或取样布拉格光栅中心的一个取样周期改变为其原长的1.5倍或0.5倍，而其它的取样周期保持不变，使取样光栅的奇数级反射峰发生等效λ/4相移。
5、根据权利要求3所述的单片集成半导体激光器阵列，其特征是λ/8相移激光器结构是：在取样布拉格光栅中心的±15％区域的位置内，有一个取样周期是发生突然变化的，其取样周期是原周期的1.2到1.3倍或0.2到0.3倍，而其他的取样周期保持恒定；如取样布拉格光栅中心的一个取样周期改变为其原长度的1.25倍或0.25倍，而其它的取样周期保持不变，这样就形成了等效λ/8相移。
6、根据权利要求3所述的单片集成半导体激光器阵列，其特征是CPM结构激光器的具体结构是：在整个取样光栅采样区间，取取样光栅中部总采样数的1/3至1/2的采样周期，增大其采样周期，即扩大该区域内各取样的周期，在该区域的总体取样个数保持不变的情况下，使总体长度比相同取样个数的原取样区域增加0.5或0.25个周期，即长度比原始状态增加0.5或者0.25个采样周期长度，把原本在中心处的λ/4相移或λ/8相移平均分配到该区域内的各个取样周期里，用相同方法改变区域内采样周期，使总体长度增加1.5、2.5等半整数倍周期，即引入多相移CPM结构，而该区域以外的其他采样周期保持不变。
7、根据权利要求3所述的单片集成半导体激光器阵列，其特征是CPM结构激光器的具体结构是：CPM结构也可通过缩短整体长度的方式实现；通过这种方法把一个原本在中心处的孤立相移分散到该区域的各个取样周期里，以此改变半导体激光器中的纵向光场分布，使得光场中心尖锐的能量峰被削弱，形成平缓的光场分布，克服了烧孔效应。若总体长度比原始状态增加半整数倍采样周期长度，即引入多相移CPM结构，使光场分布纵向呈现波浪起伏，进一步抑制烧孔相应。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |