CN101750671B - 基于重构-等效啁啾和等效切趾的平面波导布拉格光栅及其激光器 - Google Patents

Abstract

基于重构-等效啁啾和等效切趾的平面波导布拉格光栅及其激光器，光栅为取样结构，光栅的真实相移或真实啁啾由重构-等效啁啾技术制作，同时在取样结构中引入等效切趾，通过沿腔长方向改变取样占空比γ实现切趾。本发明以光纤光栅设计中的等效切趾技术，结合重构-等效啁啾技术，来设计平面波导布拉格光栅器件和高性能的DFB半导体激光器。本发明在种子光栅的周期与折射率调制保持恒定的基础上，利用渐变占空比的采样结构将切趾有效地引入到平面波导布拉格光栅中，就能够消除平面波导布拉格光栅透射谱的旁瓣，使其时延谱平滑，从而设计出高性能的平面波导布拉格光栅器件。

Description

基于重构-等效啁啾和等效切趾的平面波导布拉格光栅及其激光器

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及光纤通讯，光子集成，光电传感以及其他光电信息处理，提出了一种切趾平面波导布拉格光栅和分布反馈(DFB)半导体激光器的设计制造方案，为一种基于重构-等效啁啾和等效切趾的平面波导布拉格光栅及其激光器。

背景技术

作为信息传送的基础，光纤通信系统正在向高速化和网络化方向发展。经历前几年的爆炸性扩张以后，Internet已步入一个稳定发展期。互联网的速率与容量保持稳步增长，并且逐渐融合传统的电话网和有线电视网而成为一个统一的信息网络。能担当得起信息网络物理基础重任的，只有光纤通信系统[1]。近年来出现的光子集成技术，顺应了时代的发展，正开启着一个全新的光网络时代。光子集成技术则被认为是光纤通信最前沿、最有前途的领域。在美国硅谷实验室中，英飞朗(Infinera)公司已经用磷化铟等材料制成大量复杂的光电集成器件，使得光通信成本更低容量更高。在当前几个重要的光集成技术中，平面光波导技术在市场上已有成熟的产品。其中，平面波导布拉格光栅是平面光集成中不可缺少的一个器件，因它可以实现多波长信号的复用/解复用，光分插复用和光滤波器等一系列功能而受到重视。目前的平面波导布拉格光栅制作工艺主要有相位掩膜法电子束或者激光直写法等，这几种方法对设备的精度要求很高，成品率低且费时费力。尤其是如果要求切趾、啁啾等结构，不同工作波长的平面波导布拉格光栅需要不同的相位掩膜版或复杂的仪器调整。这些因素限制了平面波导布拉格光栅的大规模应用，尤其是平面集成多波长布拉格光栅滤波器。因此低成本高性能平面波导布拉格光栅是其设计生产的一个重点发展方向之一。

与此同时，对于有源光通信器件，无论是在光通信网络还是在光子集成芯片中，DFB半导体激光器因其良好的单模特性而受青睐。DFB半导体激光器是平面波导布拉格光栅的一个具体应用，两者有着类似的光栅结构。早期的DFB半导体激光器是折射率被周期性地均匀调制。这种激光器在以布拉格波长对称的两侧，存在两个谐振腔损耗相同并且最低的模式，称之为两种模式简并。但如果在光栅的中心引入一个四分之一波长(λ/4)相移区，就可以消除双模简并。这种方法的最大优点在于其模式阈值增益差大，可以实现真正的动态单模工作，这是实现激光器单模工作的有效方法，在光通信系统中应用广泛。当然，λ/4相移的DFB半导体激光器本身也存在着一些缺陷。例如，在注入电流较大时，单模特性会因烧孔效应而被破坏，因而要使其保持单模特性，工作电流必须被限制在阈值附近。此外，如果激光器端面的增透膜有损坏，单模特性也会受到影响。λ/4相移的DFB半导体激光器制造工艺也十分复杂，需要纳米精度的控制。这些因素综合起来，不仅导致现有市场上的激光器成本过高，还使其工作可靠性和稳定性受到了影响。为了得到单模特性更好的DFB激光器，研发人员提出了各种特殊结构，如啁啾结构，周期调制结构CPM，多相移结构MPS，λ/8相移结构等。虽然这些结构都有效地改善了激光器的性能，但是由于光栅结构更复杂，使得它们的制造成本更高，例如使用电子束曝光技术(E-Beam lithography)，高昂的制造成本限制了这些激光器的大规模应用。文献[2]和专利“基于重构-等效啁啾技术制备半导体激光器的方法及装置”(CN200610038728.9，国际PCT专利，申请号PCT/CN2007/000601)在该问题的解决上走出了关键的一步。文中提出，利用一种光纤布拉格光栅的设计技术——重构-等效啁啾技术来设计DFB半导体激光器。重构-等效啁啾技术最早被应用于光纤光栅的设计，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色散的具有新取样结构的布拉格光栅”(CN02103383.8，授权公告号：CN1201513)中提出的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 ofsampled Bragg gratings with chirp in the sampling period and its application in dispersionmanagement 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。该技术的最大的优点是，种子光栅的周期和折射率调制不变，改变的仅仅是取样结构。通过改变取样结构，任意大小的相移，啁啾能够等效地引入到周期结构对应的子光栅，即某一个信道中，得到我们所需要的任意目标反射谱[5、6]。由于取样周期一般几个微米，所以该方法利用亚微米精度实现了纳米精度的制造。更重要的是，该技术可以与当前的电子集成IC印刷技术相兼容。

由于光纤布拉格光栅与平面波导布拉格有相同的原理与结构，重构-等效啁啾技术同样可以使用在设计平面波导布拉格光栅器件中，通过取样结构实现特殊的滤波特性。文献[3]给出了基于该技术的λ/4等效相移DFB半导体激光器的实验验证。由于这种技术设计的激光器改变的仅仅是取样结构，所以利用全息曝光技术和振幅掩膜版能实现低成本的规模化生产。李静思，贾凌慧，陈向飞在中国发明专利“单片集成半导体激光器阵列的制造方法及装置”(申请号：200810156592.0)中指出了该技术可以在同一个晶片上通过改变取样周期而改变不同激光器的激射波长，所以给低成本单片集成高性能DFB半导体激光器阵列的制造带来了新的曙光。因此该技术也可以利用标准的全息曝光法方便地实现同一平面波导上不同工作波长的平面波导布拉格光栅的集成。这也给低成本大规模批量生产带来了新的希望。与此同时，文献[4]和陈向飞，殷玉喆，李栩辉等的中国发明专利“变占空比的取样光纤光栅及其切趾方法”(申请号：02117328.1)中研究了光纤光栅的等效切趾技术。根据论文[4]中的研究表明，如果沿光栅改变取样的占空比，切趾会被等效地引入到取样光栅的子光栅中，而实际种子光栅的折射率调制和光栅周期并没有改变。

文献引用

[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》1009-6868(2002)04-18-06

[2]Yitang Dai and Xiangfei Chen，DFB semiconductor lasers based onreconstruction-equivalent-chirp technology(基于重构-等效啁啾技术的DFB半导体激光器)，Optics Express，2007，15(5)：2348-2353

[3]Jingsi Li，Huan Wang，Xiangfei Chen，Zuowei Yin，Yuechun Shi，Yanqing Lu，Yitang Daiand Hongliang Zhu，Experimental demonstration of distributed feedback semiconductor lasersbased on reconstruction-equivalent-chirp technology.(基于重构-等效啁啾技术的DFB半导体激光器的实验验证)Optics Express，2009，17(7)：5240-5245

[4]Xuhui Li，Xiangfei Chen，Yuzhe Yin，Shizhong Xie，A novel apodization technique ofvariable duty cycle for sampled grating(一种通过改变占空比的新颖切趾技术)Opticscommunications，2003，225：301-305

[5]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”，发明专利(申请号：CN200410007530.5)

[6]Yitang Dai，Xiangfei Chen，Li Xia，Yejin Zhang，and Shizhong Xie，Sampled Bragggrating with desired response in one channel by use of reconstruction algorithm andequivalent chirp，Optics Letters，2004，29(12)：1333-1335

[7]G.Morthier，K.David，P.vankwikelberge，and R.Baets，A new DFB-laser diode withreduced spatial hole burning，IEEE photonics technology letters，1990，2(6)：388-390

[8]Geert Morthier and Roel Baets，Design of index-coupled DFB lasers with reducedlongitudinal spatial hole burning，Journal of lightwave technology，1991，9(10)：1305-1313

发明内容

本发明要解决的问题是：针对现有对平面波导布拉格光栅的研究应用趋势，及现有平面波导布拉格光栅制造上存在的问题，提供一种新的平面波导布拉格光栅和分布反馈(DFB)半导体激光器的设计制造方案。

本发明的技术方案为：基于重构-等效啁啾和等效切趾的平面波导布拉格光栅，光栅为取样结构，光栅的真实相移或真实啁啾由重构-等效啁啾技术制作，同时在取样结构中引入等效切趾，通过沿激光器腔长方向改变取样占空比γ实现切趾，取样布拉格光栅的取样周期小于20微米，大于1微米。

所述光栅引入等效切趾时，包括以下方式：

A.取样结构的取样形式为方波形，取样结构中±1级子光栅的折射率调制和占空比的关系为：

${\mathrm{\Δn}}_{\±1}={\mathrm{\Δn}}_s\×\frac{\sin \left(\mathrm{\π\γ}\right)}{\mathrm{\π}}---\left(1\right)$

其中，Δn_s是种子光栅的折射率调制强度Δn_±1是±1级子光栅的折射率调制强度，γ是取样占空比，所以如果改变取样占空比，±1级子光栅的折射率调制强度也随之改变，切趾方式包括传统的切趾方式和反向的切趾方式，传统的切趾方式指的是，切趾函数中间最大为1，两端渐变小；反向切趾方式指的是，切趾函数中间为最小，两端渐变大，最大值为1，以下没有提到反向切趾的均为传统的切趾方式，

对于传统的切趾方式，取样占空比的变化有以下两种方式：

1)当取样占空比γ在0.5～1范围内，取样占空比γ沿腔上呈中间小，两边渐大，最小值为0.5，最大值为1，使±1级子光栅的折射率调制实现中间强，两边渐弱，引入传统的等效切趾；

2)当取样占空比γ在0～0.5范围内，取样占空比γ沿腔上呈中间大，两边渐小，最大值为0.5，最小值为0，使±1级子光栅的折射率调制实现中间强，两边渐弱，引入传统的等效切趾；

对于反向的切趾方式，取样占空比的变化有以下两种方式：

1)当取样占空比γ在0.5～1范围内，取样占空比γ沿腔上呈中间大，两边渐小，最大值为1，最小值为0.5，使±1级子光栅的折射率调制实现中间弱，两边渐强，引入等效反向切趾；

2)当取样占空比γ在0～0.5范围内，取样占空比γ沿腔上呈中间小，两边渐大，最小值为0，最大值为0.5，使±1级子光栅的折射率调制实现中间弱，两边渐强，引入等效反向切趾；

B.通过傅立叶级数展开得到±1级系数都是一个周期内占空图案的函数，基于此，任何特殊的占空比的形式都可以用来实现等效切趾，根据傅立叶变换，第m级的傅立叶系数为：

$F_m=\frac{1}{P}{\∫}_0^{P}S\left(x\right)\·\exp \left(\frac{-\mathrm{im\πx}}{P/2}\right)\mathrm{dx}---\left(5\right)$

其中P为取样周期，S(x)是一个取样周期内的归一化取样函数，m是傅立叶级次，若m等于±1，则±1级子光栅的折射率调制强度是：

Δn_±1＝Δn_s×|F_±1|                (6)

利用不同占空图案的组合来实现优化设计取样结构，使得在由掩膜板制作光栅时，掩膜版线宽得到一个合理的可实现的范围。

更广泛的说，任意的±1级的折射率调制强度沿腔变化都可以实现。这里用在DFB半导体激光器上主要讨论两种方式，即传统的切趾方式和反向的切趾方式，激光器中一般取样布拉格光栅的取样周期小于20微米，大于1微米。

上述基于重构-等效啁啾和等效切趾的平面波导布拉格光栅得到的DFB半导体激光器，取样光栅的取样占空比γ在0～0.5或0.5～1范围内变化，所述切趾包括±1级信道切趾与0级信道切趾，取样结构中0级子光栅的折射率调制和占空比具有线性关系：

Δn₀＝Δn_s×γ            (2)

若引入±1级信道切趾则可以同时实现0级信道切趾，设±1级的切趾函数是f(x)，此时取样占空比γ的变化方式是：

$\mathrm{\γ}=\frac{\arcsin \left(f\left(x\right)\right)}{\mathrm{\π}}---\left(3\right)$

这样，0级子光栅等效折射率调制为 ${\mathrm{\Δn}}_0={\mathrm{\Δn}}_s\×\frac{\arcsin \left(f\left(x\right)\right)}{\mathrm{\π}},$ 这即是给0级带来的附加切趾，根据式(3)通过沿激光器腔长方向改变取样占空比γ实现切趾；

若引入0级信道切趾，由于0级等效折射率调制和占空比呈线性关系，所以可以设取样占空比沿腔变化是γ＝f(x)/2，其中f(x)是切趾函数，则±1级的切趾为

$\mathrm{\Δ}{n}_{\±1}={\mathrm{\Δn}}_s\×\frac{\sin (\mathrm{\πf}\left(x\right)/2)}{\mathrm{\π}}---\left(4\right)$

得到±1级的切趾函数，再根据式γ＝f(x)/2，沿激光器腔长方向改变取样占空比γ，实现等效的切趾。

进一步的，上述DFB半导体激光器包括以下几种：

激光器为等效λ/4相移结构，并具有等效切趾，在光栅+1级或-1级信道实现等效λ/4相移，若只在±1级子光栅切趾，在相同的信道内引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式包括高斯切趾，blackman切趾，帽形函数切趾，即针对该信道，按海明切趾函数或其他切趾函数和公式(1)、(3)，沿激光器腔长方向改变取样占空比γ，取样占空比以0～0.5或0.5～1两种方式变化；若同时在±1级和0级子光栅切趾，按引入±1级信道切趾或引入0级信道切趾实现等效切趾，取样占空比γ沿腔变化只能在0～0.5范围内，呈中间大，两边渐小，最大值为0.5，最小值为0，使±1级子光栅的折射率调制实现中间强，两边渐弱。

激光器为等效λ/8相移结构，并具有等效切趾，在取样光栅+1级或-1级信道实现等效λ/8相移，若只在±1级子光栅切趾，在相同的信道内引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式包括高斯切趾，blackman切趾，帽形函数切趾，即针对该信道，按海明切趾函数或其他切趾函数和公式(1)、(3)，沿激光器腔长方向改变取样占空比γ，取样占空比以0～0.5或0.5～1两种方式变化；若同时在±1级和0级子光栅切趾，按引入±1级信道切趾或引入0级信道切趾实现等效切趾，取样占空比γ沿腔上变化范围只能为0～0.5，呈中间大，两边渐小，最大值为0.5，最小值为0，使±1级子光栅的折射率调制实现中间强，两边渐弱。

激光器为等效周期调制CPM结构，并具有等效切趾，在取样光栅+1级或-1级信道实现等效周期调制CPM：该结构将激光器分成3段，等效CPM结构位于DFB半导体激光器的中间区域，中间区域的取样周期与两端的周期不一致，这样与均匀取样结构的周期构成0.5个取样周期或者是0.5个取样周期奇数倍的相对移动，所述均匀取样结构的周期等于该CPM结构激光器的两端光栅取样周期；若只在±1级子光栅切趾，在相同的信道内引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式包括高斯切趾，blackman切趾，帽形函数切趾，即针对该信道，按海明切趾函数或其他切趾函数和公式(1)、(3)，沿激光器腔长方向改变取样占空比γ，取样占空比以0～0.5或0.5～1两种方式变化；若同时在±1级和0级子光栅切趾，按引入±1级信道切趾或引入0级信道切趾实现等效切趾，取样占空比γ沿腔上变化范围在0～0.5，呈中间大，两边渐小，最大值为0.5，最小值为0，使±1级子光栅的折射率调制实现中间强，两边渐弱。

激光器具有等效多相移结构和等效切趾，在取样光栅+1级或-1级信道实现等效多相移，若只在±1级子光栅切趾，在相同的信道内引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式包括高斯切趾，blackman切趾，帽形函数切趾，即针对该信道，按海明切趾函数或其他切趾函数和公式(1)、(3)，沿激光器腔长方向改变取样占空比γ，取样占空比以0～0.5或0.5～1两种方式变化；若同时在±1级和0级子光栅切趾，按引入±1级信道切趾或引入0级信道切趾实现切趾，取样占空比γ沿腔上变化范围0～0.5，呈中间大，两边渐小，最大值为0.5，最小值为0，使±1级子光栅的折射率调制实现中间强，两边渐弱。

基于重构-等效啁啾和等效切趾的平面波导布拉格光栅得到的反向切趾DFB半导体激光器，取样光栅的取样占空比γ在0～0.5或0.5～1范围内变化，在±1级信道引入等效反向切趾，使±1级子光栅中间的等效折射率调制低，两端的折射率调制高，设±1级的反向切趾函数是f(x)，此时取样占空比γ的变化方式是：

$\mathrm{\γ}=\frac{\arcsin \left(f\left(x\right)\right)}{\mathrm{\π}}---\left(3\right)$

这是一个双值函数，函数值在(0，0.5)和(0.5，1)，分别对应反向切趾取样占空比变化的两种方式，通过沿激光器腔长方向改变取样占空比γ实现切趾。

进一步的，激光器具有等效λ/4相移和等效反向切趾，在取样光栅+1级或-1级信道实现等效λ/4相移，在相同的信道内引入等效反向线性切趾或者其他的反向切趾方式，结合公式(1)、(3)，沿激光器腔长方向改变取样占空比γ，占空比变化方式包括反向切趾取样占空比变化的两种方式。

上面所述的激光器一次性集成在同一晶片上，构成DFB半导体激光器单片集成阵列。

本发明中引入不同的等效切趾函数时，各种切趾实现消除旁瓣的效果有一些不一样，但是原理都是一样的。

由于重构-等效啁啾技术和等效切趾技术都是基于取样结构，所以两者能很好地兼容。在本发明中，本发明第一次将等效切趾技术和重构-等效啁啾技术相结合来设计平面波导布拉格光栅和DFB半导体激光器。对于平面波导布拉格光栅，切趾能有效地改善布拉格光栅的滤波特性(抑制旁瓣，平滑时延曲线)；而对于DFB半导体激光器切趾能消除原本因旁瓣引起的边摸，进而改进DFB半导体激光器的单模特性。通过重构-等效啁啾技术与等效切趾技术的结合，该切趾结构能容易地实现。此外根据文献[7、8]，如果DFB半导体激光器的的折射率调制呈现反向切趾的形式，即折射率调制中间小向两端逐渐增加，则会减弱烧孔效应，改善激光器的性能。而这种特殊形式的切趾如果采用常规的工艺很难实现，但是本发明将等效切趾技术和重构-等效啁啾技术相结合则可以方便地实现。另一方面，对于基于重构-等效啁啾技术DFB半导体激光器，由于是一种取样的技术，根据傅立叶变换，取样结构可以看成不同周期的子光栅的叠加。不同周期的子光栅对应了不同的信道，我们在设计时常常使用的是+1级或-1信道(中心布拉格波长左右对称的两个反射峰)，而不希望在0级信道发生激射。前面所述的DFB半导体激光器，在相同的信道内引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，这里相同的信道指相同的傅立叶级数所对应的反射峰。一般情况下，将+1级或-1级信道设计在半导体材料的增益区，而使0级远离增益区。但是在实际情况中，如果增益区发生漂移，如受到温度等因素的影响，或者±1级信道和0级信道间隔太小，便会使+1级或-1级和0级信道同处在增益区。此时，可能在+1级或-1级和0级信道内同时发生激射，严重影响了激光器的单模特性。在本发明中，我们利用等效切趾的方法，使0级在增益区内也能够得到有效的抑制，这使得基于重构-等效啁啾技术设计的激光器性能进一步提高。因此在未来大容量的光通讯系统中，尤其是初见端倪的大规模光子集成芯片中，本发明有助于提供低成本高成品率超稳定的单个DFB半导体激光器、单片集成DFB半导体激光器阵列光源，以及单个高性能平面波导布拉格光栅器件及多个集成，为光子集成和光通讯等领域的进一步发展，提供技术上的支持。

本发明提出了一种切趾平面波导布拉格光栅和分布反馈DFB半导体激光器的设计制造方案。该方案以光纤光栅设计中的等效切趾技术，结合重构-等效啁啾技术，来设计平面波导布拉格光栅器件和高性能DFB半导体激光器。本发明的特点是：在种子光栅的周期与折射率调制保持恒定的基础上，利用渐变占空比的采样结构将切趾有效地引入到平面波导布拉格光栅中，消除平面波导布拉格光栅透射谱的旁瓣，使其时延谱平滑，从而设计出高性能的平面波导布拉格光栅器件。本发明技术如应用于DFB半导体激光器的设计中，则可以大幅度增加激光器主模与边模的阈值增益差，从而有效地改善激光器的单模特性。此外，利用等效切趾技术在取样光栅0级信道内引入切趾，则能够有效地抑制0级通道可能的激射模式，从而进一步增加基于重构-等效啁啾技术的激光器激射模式的稳定性。与此同时，如果DFB半导体激光器的光栅引入反向等效切趾，即折射率调制中间小，两端逐渐增大，则会减小烧孔效应，激光器性能也会进一步改善。由于种子光栅的周期和折射率调制是恒定的，这种重构-等效啁啾结构能够使用成本低廉的全息曝光技术和光掩膜版来实现。因此利用本发明的设计方法可以实现低成本高性能的DFB激光器和高性能的平面波导布拉格光栅器件的批量生产。

附图说明

图1为本发明±1级子光栅的折射率和取样占空比的关系示意图。

图2为本发明取样占空比在0～0.5范围内时，改变取样占空比的两种方式示意图。

图3为切趾和非切趾DFB光栅的透射谱图。

图4为±1级切趾和非切趾DFB半导体激光器归一化阈值增益图。

图5为0级子光栅切趾与非切趾DFB光栅的透射谱图。

图6为0级子光栅切趾和非切制DFB半导体激光器归一化阈值增益图。

图7为本发明等效反向切趾示意图。

图8为一个周期内某种取样图案。

图9为本发明取样光栅制作示意图。

图10为镀膜的相位掩模版制作平面波导布拉格光栅示意图。

具体实施方式

本发明的目的在于，把重构-等效啁啾技术和等效切趾技术相结合，为平面波导布拉格光栅和DFB半导体激光器的设计制造，提出一种新的切趾结构和工艺。

本发明的具体实施方式：

1、基于重构-等效啁啾技术和等效切趾技术的平面波导布拉格光栅器件

重构-等效啁啾技术是改变光栅的取样周期实现等效的相移和等效的啁啾，等效相移是取样周期的突变，等效啁啾是取样周期的连续变化，该技术已经成功地应用与设计具有任意目标反射谱的光纤布拉格光栅，其原理可以参看文献[6]和专利[5]。等效切趾技术是变化取样占空比，由于两者都具有取样结构，所以能够很好的兼容。

如果取样的形式是如图2所示的方波形，根据理论计算，取样结构中±1级子光栅的折射率调制和占空比的关系为

$\mathrm{\Δ}{n}_{\±1}={\mathrm{\Δn}}_s\×\frac{\sin \left(\mathrm{\π\γ}\right)}{\mathrm{\π}}---\left(1\right)$

其中，Δn_s是种子光栅的折射率调制强度Δn_±1是±1级的折射率调制强度，γ是取样占空比。图1给出了取样占空比γ和±1级的折射率调制的关系曲线。该曲线说明了两点：其一，±1级的折射率调制与占空比呈一种特定的非线性关系，占空比为0和1的时候折射率调制最小，为0.5的时候则最大，其强度是种子光栅折射率调制的1/3；其二，曲线关于占空比0.5对称。所以根据公式(1)只要沿激光器腔长方向改变占空比，就可以将切趾等效地引入到±1级子光栅中，不同的占空比变化可以实现不同的切趾。由于图1是一条对称的曲线，分别利用曲线对称点的左侧和右侧的单调性，可以形成两种改变占空比的方式，如图2：

1)第一种方式：当取样占空比γ在0.5～1范围内，取样占空比γ沿腔上呈中间小，两边渐大，最小值为0.5，最大值为1，使±1级子光栅的折射率调制实现中间强，两边渐弱，引入传统的等效切趾；

2)第二种方式：当取样占空比γ在0～0.5范围内，取样占空比γ沿腔上呈中间大，两边渐小，最大值为0.5，最小值为0，使±1级子光栅的折射率调制实现中间强，两边渐弱，引入传统的等效切趾；

但是考虑到利用图2中的第二种方式，在腔两边有光栅区幅宽逐渐变小，因在实际制作振幅掩模版时线度的精度有限，所以如果只考虑实现的是±1级子光栅的等效切趾，则可以优先考虑第一种改变占空比的方式。

2、切趾DFB半导体激光器的性能原理及等效实现

DFB半导体激光器和平面波导布拉格光栅有相同的波导布拉格光栅结构，因此在性质上有很多联系。平面波导布拉格光栅的光谱性质可以反映DFB半导体激光器性质。利用重构-等效啁啾技术和等效切趾技术的相结合实现低成本高性能的切趾DFB半导体激光器，等效切趾发生在±1级信道和0级信道。该DFB半导体激光器能够有效地抑制0级和±1级信道潜在边模模式，增加激光器单模的稳定性。激光器的光栅结构是取样结构，光栅的真实相移或真实啁啾由重构-等效啁啾技术制作，即相移或啁啾由等效相移或等效啁啾来实现，同时在取样结构中引入等效切趾，沿腔长方向改变取样占空比。取样布拉格光栅的取样周期一般小于20微米，大于1微米。

在图3中，在λ/4相移DFB激光器结构中波导光栅被切趾以后，透射谱很光滑，几乎没有旁瓣。而没有切趾DFB半导体激光器的光栅，最有可能激射的主模位置(阈值最低点)，这个模式称为隙模(gap mode)，发生在反射谱禁带内的透射峰处。同时在主模两侧的旁瓣处有隙带，也可能产生激射，称之为边模。但是切趾后的波导光栅，由于透射谱很光滑，没有旁瓣，边模对应的激射位置两边禁带深度减少，因此发生激射的可能性大幅降低。图4给出了相应的阈值增益图，从图中很明显地可以看出，与没有切趾的DFB半导体激光器相比，主模与边模的阈值增益差大幅增加，增加量为2.9。以上分析说明采用切趾结构极大地提高了激光器的单模稳定性。

如果将重构-等效啁啾技术和等效切趾技术相结合，则既能在DFB半导体激光器的子光栅中实现等效的相移，等效的啁啾同时能够实现等效的切趾。例如，λ/4相移的DFB激光器则在激光器的某一位置(通常是中间)移动半个取样周期，就能够在子光栅中(通常±1级子光栅)等效的实现λ/4相移。如果同时沿腔改变占空比，则在该激光器上引入了等效切趾。因为两者都基于取样结构，所以只需要振幅掩膜版就能改变光栅取样的图案。该激光器的制作工艺与当前DFB半导体激光器的工艺兼容。掩膜版的实现方式和平面波导布拉格滤波器的实现方法一样有两种实现方法，如图2。3、0级信道切趾与±1级信道切趾的关系及实现方法

一般情况下，我们往往利用取样光栅的±1级子光栅实现所需要的光谱特性。正如背景技术中所言，在有些情况下，基于重构-等效啁啾技术的DFB激光器的0级子光栅如果处在增益区也会形成两个潜在的激射，影响了激光器的单模特性。根据理论计算，取样结构中的0级折射率调制和占空比具有线性关系

Δn₀＝Δn_s×γ              (2)

由于公式(1)和(2)都是占空比的函数，如果对±1级进行切趾，会对0级通道产生一个附加的影响。当占空比在0～0.5范围内，公式(1)和(2)具有相同的单调性，所以通过对±1级的切趾可以同时实现0级的切趾。如果±1级实现的切趾函数是f(x)，根据公式(1)，占空比的变化方式是

$\mathrm{\γ}=\frac{\arcsin \left(f\left(x\right)\right)}{\mathrm{\π}}---\left(3\right)$

这样，0级子光栅等效折射率调制为 $\mathrm{\Δ}{n}_0={\mathrm{\Δn}}_s\×\frac{\arcsin \left(f\left(x\right)\right)}{\mathrm{\π}},$ 这即是给0级带来的附加切趾。根据式(3)通过沿激光器腔长方向改变取样占空比γ实现等效切趾。

如果在0级子光栅中引入切趾，同样会给±1级带来一个附加的切趾，如果0级切趾函数是γ＝f(x)/2(f(x)是某一切趾函数)，则±1级的切趾为

${\mathrm{\Δn}}_{\±1}={\mathrm{\Δn}}_s\×\frac{\sin (\mathrm{\πf}\left(x\right)/2)}{\mathrm{\π}}---\left(4\right)$

为了0级和±1级同时具有切趾，占空比的变化只能限制在0～0.5的范围内，因此在这种情况下，常采用图2中第二种改变占空比的方式。

图5给出了在0级用海明切趾后的光栅透射谱图。从图6可以看出0级两个关于布拉格波长对称的潜在模式的归一化阈值净增益，切趾与非切趾相比增加了2.6。两个潜在的激射模被有效的抑制住了。

4、反向切趾DFB半导体激光器的等效实现

利用重构-等效啁啾技术和等效切趾技术的相结合实现反向切趾DFB半导体激光器，等效反向切趾发生在±1级信道。该DFB半导体激光器能够抑制烧孔效应，增加激光器单模的稳定性。激光器的光栅结构是取样结构，光栅的真实相移或真实啁啾由重构-等效啁啾技术制作，即相移或啁啾由等效相移或等效啁啾来实现；同时在取样结构中引入等效反向切趾(光栅中间的等效折射率调制低，两端的折射率调制高)，即根据公式(1)、(3)和所设计的反向切趾函数(函数值中间小，两边渐增)，沿腔长方向改变取样占空比。取样布拉格光栅的取样周期一般小于20微米，大于1微米。

根据公式(1)，如果取样占空比改变在0～0.5范围内，则占空比中间小，两边渐大，如果取样占空比改变0.5～1范围内，则占空比变化中间大，两边渐小，使子光栅(通常是±1级)的折射率调制实现中间弱，两边渐强，则反向切趾就能等效的引入。图7给出了一个线性变化的反向切趾方式。实现的方式也有两种：

1)第一种方式：当取样占空比γ在0.5～1范围内，取样占空比γ沿腔上呈中间大，两边渐小，最大值为1，最小值为0.5，使±1级子光栅的折射率调制实现中间弱，两边渐强，引入等效反向切趾；

2)第二种方式：当取样占空比γ在0～0.5范围内，取样占空比γ沿腔上呈中间小，两边渐大，最小值为0，最大值为0.5，使±1级子光栅的折射率调制实现中间弱，两边渐强，引入等效反向切趾。

5、其他可能的改变占空比的方式

图2和图7所示的改变占空比方式来实现等效切趾是一种比较特殊的也是比较常用的方式。更广泛的说，通过傅立叶级数展开得到±1级系数都是一个周期内占空图案的函数。基于此，任何特殊的占空比的形式都可以用来实现等效的切趾，根据傅立叶变换，第m级的傅立叶系数为：

$F_m=\frac{1}{P}{\∫}_0^{P}S\left(x\right)\·\exp \left(\frac{-\mathrm{im\πx}}{P/2}\right)\mathrm{dx}---\left(5\right)$

其中P为取样周期，S(x)是一个取样周期内的归一化取样函数，m是傅立叶级次，若等于±1，则±1级子光栅的折射率调制强度是：

Δn_±1＝Δn_s×|F_±1|             (6)

利用不同占空图案的组合来实现优化设计取样结构，使得在由掩膜板制作光栅时，掩膜版线宽得到一个合理的可实现的范围。

图8给出一种具体的取样结构，根据计算可以知道，±1级的有效折射率调制为

${\mathrm{\Δn}}_{\±1}={\mathrm{\Δn}}_s\×\frac{\sqrt{2-2\cos (2\mathrm{\π}(\mathrm{\Δx}-\mathrm{\Δy})/P)}}{2\×\mathrm{\π}}---\left(7\right)$

下面说明本发明光栅及激光器的具体实施方法：

1、本发明中，平面波导布拉格光栅器件和DFB半导体激光器制造技术的关键，在于取样光栅结构的制作，具体的方法是：

(1)首先在光刻版(光掩膜)上，设计并制作基于重构-等效啁啾技术和等效切趾相结合的取样图案，即在该取样结构具有λ/4或λ/8等等效相移结构同时，取样占空比沿腔长方向改变。这里值得注意的是，在这里有金属膜的地方对应有光栅区，没有金属膜的地方对应没有光栅区。

(2)在晶片上刻光栅的方法，实施的步骤共分两步：第一步，使用全息曝光技术在光刻胶上形成均匀光栅图案；第二步用(1)中所得到的光刻版进行普通曝光，把光刻板上的图案复制到晶片上的光刻胶上，在光刻胶上形成取样图案，再用腐蚀晶片的方法，在晶片上形成相应的取样光栅图案。两步的曝光顺序可根据工艺互换。图9是基于重构-等效啁啾技术和等效切趾技术相结合的取样光栅刻写方法示意图

(3)对于制作平面波导布拉格光栅也可以先在相位掩模版上镀上取样结构，然后利用已经镀膜的相位掩模版对掺锗的二氧化硅材料以及一些其他制作平面波导布拉格光栅的光敏材料进行一次性曝光。曝光时掩膜版应靠近光敏材料。退火后即可获得我们所需要的取样光栅结构。但是需要注意的是，这里掩模版上镀的金属膜与上述(2)中掩模版的取样金属膜条纹呈互补关系。即镀膜的地方没有光栅，没有镀膜的地方有光栅。图10给出了制作示意图。

2、基于重构-等效啁啾技术和等效切趾技术的平面波导布拉格光栅器件

基于重构-等效啁啾和等效切趾的滤波器的实现材料比较多，一般制作平面波导布拉格光栅的材料都可以实现该结构的滤波器，如硅基二氧化硅、聚合物、SOI脊形波导，以及一些III-V族化合物半导体材料等。此滤波器的关键在于制作取样光栅图案，制作方法在具体实施方法1中已给出。

下面就以SOI脊形波导制作布拉格光栅滤波器为例来加以说明，除开刻蚀取样光栅结构，其他工艺与文献“高阶布拉格光栅在SOI脊形波导上的光刻制作”冉启江等，《半导体光电》，2009，6(30)3：391-384)类似：

(1)制作两块光刻掩模版。一块用于SOI芯片上制刻脊形波导，这块掩膜版与常规制作的SOI脊形波导掩膜版没有区别。第二块掩膜版上带有基于等效切趾和重构-等效啁啾技术的取样结构，如等效啁啾、等效相移等等。

(2)清洗SOI芯片并涂上一层光刻胶，使用光刻机在第一块掩膜版下对SOI芯片进行曝光，显影定影后用等离子去胶30s。在180℃恒温箱中对SOI芯片进行大概30分钟时间固胶。再进行ICP刻蚀。刻蚀深度由刻蚀时间决定。用等离子去胶机在150W的能量下去胶3分钟，去除刻蚀后的残胶完成脊形波导的制作。

(3)再次对片子进行清洗后通过图9所示的两次曝光法将第二块掩膜版上的取样光栅图案转移到光刻胶上。显影定影之后，经过去胶、固胶、ICP刻蚀、去除残胶等步骤，完成取样布拉格光栅的光刻。最后可以用PECVD在器件表面沉积1μm厚的SiO₂。为了消除端面反射可对器件两端抛光。

3、基于重构-等效啁啾技术和等效切趾技术的分布反馈DFB半导体激光器

分布反馈DFB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。

这里DFB半导体激光器包括以下几种：

1)、利用重构-等效啁啾技术和等效切趾技术的相结合实现低成本高性能的传统切趾DFB半导体激光器，等效切趾发生在±1级信道和0级信道。该DFB半导体激光器能够有效地抑制0级和±1级信道潜在边模模式，增加激光器单模的稳定性。

在切趾DFB半导体激光器上进一步可得到以下设计的DFB激光器：

激光器为等效λ/4相移结构，在取样光栅中间发生1/2个取样周期的相对移动，并具有等效切趾，在光栅+1级或-1级信道实现等效λ/4相移，若只在±1级子光栅切趾，在相同的信道内引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式包括高斯切趾，blackman切趾，帽形函数切趾等等，即针对该信道，按海明切趾函数或其他切趾函数和公式(1)、(3)，沿激光器腔长方向改变取样占空比γ，改变占空比的方式按前面所述传统切趾的两种实现方式。若需要同时在±1级和0级子光栅实现切趾，按引入±1级信道切趾或引入0级信道切趾，取样占空比γ沿腔变化只能在0～0.5范围内，呈中间大，两边渐小，最大值为0.5，最小值为0，使±1级子光栅的折射率调制实现中间强，两边渐弱。

激光器为等效λ/8相移结构，在取样光栅中间发生1/4个取样周期的相对移动，并具有等效切趾，在取样光栅+1级或-1级信道实现等效λ/8相移，若只在±1级子光栅切趾，在相同的信道内引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式包括高斯切趾，blackman切趾，帽形函数切趾等等，即针对该信道，按海明切趾函数或其他切趾函数和公式(1)、(3)，沿激光器腔长方向改变取样占空比γ，改变占空比的方式按前面所述传统切趾的两种实现方式；若同时在±1级和0级子光栅实现切趾，按引入±1级信道切趾或引入0级信道切趾实现切趾，取样占空比γ沿腔变化范围只能为0～0.5，呈中间大，两边渐小，最大值为0.5，最小值为0，使±1级子光栅的折射率调制实现中间强，两边渐弱。

激光器为等效周期调制CPM结构，并具有等效切趾，在取样光栅+1级或-1级信道实现等效周期调制CPM：该结构一般将激光器分成3段，等效CPM结构位于DFB半导体激光器的中间区域，中间区域的长度常常是激光器总长度的1/3或者1/2(也可以其他的比例)，中间区域的取样周期与两端的周期不一致，这样与均匀取样结构的周期，也就是取样周期等于该CPM结构激光器的两端光栅取样周期相比，构成0.5个取样周期或者是0.5个取样周期奇数倍的相对移动；若只在±1级子光栅切趾，在相同的信道内引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式包括高斯切趾，blackman切趾，帽形函数切趾等等，即针对该信道，按海明切趾函数或其他切趾函数和公式(1)、(3)，沿激光器腔长方向改变取样占空比γ，改变占空比的方式按前面所述传统切趾方式的两种实现方式；若同时在±1级和0级子光栅切趾，按引入±1级信道切趾或引入0级信道切趾实现切趾，取样占空比γ沿腔上变化范围在0～0.5，呈中间大，两边渐小，最大值为0.5，最小值为0，使±1级子光栅的折射率调制实现中间强，两边渐弱。

激光器具有等效多相移结构和等效切趾，在取样光栅+1级或-1级信道实现等效多相移，如果是2相移，则在取样光栅的1/3和2/3处取样发生5/18个取样周期的相对移动；类似地，如果是3相移，则在取样光栅的1/4、2/4、3/4处发生1/3个取样周期的相对移动；若只在±1级子光栅切趾，在相同的信道内引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式包括高斯切趾，blackman切趾，帽形函数切趾等等，即针对该信道，按海明切趾函数或其他切趾函数和公式(1)、(3)，沿激光器腔长方向改变取样占空比γ，改变占空比的方式按前面所述传统切趾的两种实现方式；若同时在±1级和0级子光栅切趾，按引入±1级信道切趾或引入0级信道切趾实现切趾，取样占空比γ沿腔上变化范围0～0.5，呈中间大，两边渐小，最大值为0.5，最小值为0，使±1级子光栅的折射率调制实现中间强，两边渐弱。

2)、利用重构-等效啁啾技术和等效切趾技术的相结合实现反向切趾DFB半导体激光器，等效反向切趾发生在±1级信道。该DFB半导体激光器能够抑制烧孔效应，增加激光器单模的稳定性。

进一步的，上述反向切趾DFB半导体激光器，激光器具有等效λ/4相移和等效反向切趾，在取样光栅中间发生1/2个取样周期的相对移动，取样光栅+1级或-1级信道实现等效λ/4相移，在相同的信道内引入等效反向线性切趾或者其他的反向切趾方式，沿激光器腔长方向改变取样占空比γ，占空比变化方式按前文所述反向切趾的两种实现方式。

3)、上面所述的激光器一次性集成在同一晶片上，构成DFB半导体激光器单片集成阵列。

下面描述工作波长在1550nm范围，重构-等效啁啾等效切趾DFB半导体激光器的制作。

掩膜板制作：使用普通微电子工艺制作含有等效子光栅所需要的变占空比取样图案的掩模板，取样占空比轨迹的变化由所需要的切趾函数结合公式(1)和(2)确定。如图4可知，改变占空比的方法有两种，需要实现0级切趾可采用第二种方式。

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厚的非掺杂晶格匹配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。接下来通过所设计的取样变占空比掩模板和全息干涉曝光的方法在上波导层形成所需激光器的光栅结构。取样光栅制作好后，再通过二次外延生长p-InP和p型InGaAs(100nm，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 (9)

1.基于重构-等效啁啾和等效切趾的平面波导布拉格光栅，其特征是光栅为取样结构，光栅的真实相移或真实啁啾由重构-等效啁啾技术制作，同时在取样结构中引入等效切趾，通过沿激光器腔长方向改变取样占空比γ实现切趾，所述取样占空比渐变；引入等效切趾时，包括以下方式：

A.取样结构的取样形式为方波形，取样结构中±1级子光栅的折射率调制和占空比的关系为：

$\mathrm{\Δ}{n}_{\±1}=\mathrm{\Δ}{n}_s\×\frac{\sin \left(\mathrm{\π\γ}\right)}{\mathrm{\π}}---\left(1\right)$

其中，Δn_s是种子光栅的折射率调制强度，Δn_±1是±1级子光栅的折射率调制强度，γ是取样占空比，所以如果改变取样占空比，±1级子光栅的折射率调制强度也随之改变，切趾方式包括传统的切趾方式和反向的切趾方式，传统的切趾方式指的是，切趾函数中间最大为1，两端渐变小；反向切趾方式指的是，切趾函数中间为最小，两端渐变大，最大值为1，以下没有提到反向切趾的均为传统的切趾方式，

对于传统的切趾方式，取样占空比的变化有以下两种方式：

1)当取样占空比γ在0.5～1范围内，取样占空比γ沿腔上呈中间小，两边渐大，最小值为0.5，最大值为1，使±1级子光栅的折射率调制实现中间强，两边渐弱，引入传统的等效切趾；

2)当取样占空比γ在0～0.5范围内，取样占空比γ沿腔上呈中间大，两边渐小，最大值为0.5，最小值为0，使±1级子光栅的折射率调制实现中间强，两边渐弱，引入传统的等效切趾；

对于反向的切趾方式，取样占空比的变化有以下两种方式：

1)当取样占空比γ在0.5～1范围内，取样占空比γ沿腔上呈中间大，两边渐小，最大值为1，最小值为0.5，使±1级子光栅的折射率调制实现中间弱，两边渐强，引入等效反向切趾；

2)当取样占空比γ在0～0.5范围内，取样占空比γ沿腔上呈中间小，两边渐大，最小值为0，最大值为0.5，使±1级子光栅的折射率调制实现中间弱，两边渐强，引入等效反向切趾；

B.通过傅立叶级数展开得到±1级系数都是一个周期内占空图案的函数，根据傅立叶变换，第m级的傅立叶系数为：

$F_m=\frac{1}{P}{\∫}_0^{P}S\left(x\right)\·\exp \left(\frac{-\mathrm{im\πx}}{P/2}\right)\mathrm{dx}---\left(5\right)$

其中P为取样周期，S(x)是一个取样周期内的归一化取样函数，m是傅立叶级次，若m等于±1，则±1级子光栅的折射率调制强度是：

Δn_±1＝Δn_s×|F_±1|    (6)

利用不同占空图案的组合来实现优化设计取样结构，使得在由掩膜板制作光栅时，掩膜版线宽得到一个合理的可实现的范围。

2.由权利要求1所述基于重构-等效啁啾和等效切趾的平面波导布拉格光栅得到的DFB半导体激光器，其特征是取样光栅的取样占空比γ在0～0.5或0.5～1范围内变化，所述切趾包括±1级信道切趾与0级信道切趾，取样结构中0级子光栅的折射率调制和占空比具有线性关系：

Δn₀＝Δn_s×γ    (2)

若引入±1级信道切趾则可以同时实现0级信道切趾，设±1级的切趾函数是f(x)，此时取样占空比γ的变化方式是：

$\mathrm{\γ}=\frac{\arcsin \left(f\left(x\right)\right)}{\mathrm{\π}}---\left(3\right)$

这样，0级子光栅等效折射率调制为 $\mathrm{\Δ}{n}_0=\mathrm{\Δ}{n}_s\×\frac{\arcsin \left(f\left(x\right)\right)}{\mathrm{\π}},$ 这即是给0级带来的附加切趾，根据式(3)通过沿激光器腔长方向改变取样占空比γ实现切趾；

若引入0级信道切趾，由于0级等效折射率调制和占空比呈线性关系，所以可以设取样占空比沿腔变化是γ＝f(x)/2，其中f(x)是切趾函数，则±1级的切趾为

$\mathrm{\Δ}{n}_{\±1}=\mathrm{\Δ}{n}_s\×\frac{\sin (\mathrm{\πf}\left(x\right)/2)}{\mathrm{\π}}---\left(4\right)$

得到±1级的切趾函数，再根据式γ＝f(x)/2，沿激光器腔长方向改变取样占空比γ，实现等效的切趾。

3.根据权利要求2所述的DFB半导体激光器，其特征是激光器为等效λ/4相移结构，并具有等效切趾，在光栅+1级或-1级信道实现等效λ/4相移，若只在±1级子光栅切趾，在相同的信道内引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式为高斯切趾，blackman切趾，帽形函数切趾，即针对该信道，按海明切趾函数或所述其他切趾函数和公式(1)、(3)，沿激光器腔长方向改变取样占空比γ，取样占空比以0～0.5或0.5～1两种方式变化；若同时在±1级和0级子光栅切趾，按引入±1级信道切趾或引入0级信道切趾实现等效切趾，取样占空比γ沿腔变化只能在0～0.5范围内，呈中间大，两边渐小，最大值为0.5，最小值为0，使±1级子光栅的折射率调制实现中间强，两边渐弱。

4.根据权利要求2所述的DFB半导体激光器，其特征是激光器为等效λ/8相移结构，并具有等效切趾，在取样光栅+1级或-1级信道实现等效λ/8相移，若只在±1级子光栅切趾，在相同的信道内引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式为高斯切趾，blackman切趾，帽形函数切趾，即针对该信道，按海明切趾函数或所述其他切趾函数和公式(1)、(3)，沿激光器腔长方向改变取样占空比γ，取样占空比以0～0.5或0.5～1两种方式变化；若同时在±1级和0级子光栅切趾，按引入±1级信道切趾或引入0级信道切趾实现等效切趾，取样占空比γ沿腔上变化范围只能为0～0.5，呈中间大，两边渐小，最大值为0.5，最小值为0，使±1级子光栅的折射率调制实现中间强，两边渐弱。

5.根据权利要求2所述的DFB半导体激光器，其特征是激光器为等效周期调制CPM结构，并具有等效切趾，在取样光栅+1级或-1级信道实现等效周期调制CPM：该结构将激光器分成3段，等效CPM结构位于DFB半导体激光器的中间区域，中间区域的取样周期与两端的周期不一致，这样与均匀取样结构的周期构成0.5个取样周期或者是0.5个取样周期奇数倍的相对移动，所述均匀取样结构的周期等于该CPM结构激光器的两端光栅取样周期；若只在±1级子光栅切趾，在相同的信道内引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式为高斯切趾，blackman切趾，帽形函数切趾，即针对该信道，按海明切趾函数或所述其他切趾函数和公式(1)、(3)，沿激光器腔长方向改变取样占空比γ，取样占空比以0～0.5或0.5～1两种方式变化；若同时在±1级和0级子光栅切趾，按引入±1级信道切趾或引入0级信道切趾实现等效切趾，取样占空比γ沿腔上变化范围在0～0.5，呈中间大，两边渐小，最大值为0.5，最小值为0，使±1级子光栅的折射率调制实现中间强，两边渐弱。

6.根据权利要求2所述的DFB半导体激光器，其特征是激光器具有等效多相移结构和等效切趾，在取样光栅+1级或-1级信道实现等效多相移，若只在±1级子光栅切趾，在相同的信道内引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式为高斯切趾，blackman切趾，帽形函数切趾，即针对该信道，按海明切趾函数或所述其他切趾函数和公式(1)、(3)，沿激光器腔长方向改变取样占空比γ，取样占空比以0～0.5或0.5～1两种方式变化；若同时在±1级和0级子光栅切趾，按引入±1级信道切趾或引入0级信道切趾实现切趾，取样占空比γ沿腔上变化范围0～0.5，呈中间大，两边渐小，最大值为0.5，最小值为0，使±1级子光栅的折射率调制实现中间强，两边渐弱。

7.由权利要求1所述基于重构-等效啁啾和等效切趾的平面波导布拉格光栅得到的反向切趾DFB半导体激光器，其特征是取样光栅的取样占空比γ在0～0.5或0.5～1范围内变化，在±1级信道引入等效反向切趾，使±1级子光栅中间的等效折射率调制低，两端的折射率调制高，设±1级的反向切趾函数是f(x)，此时取样占空比γ的变化方式是：

$\mathrm{\γ}=\frac{\arcsin \left(f\left(x\right)\right)}{\mathrm{\π}}---\left(3\right)$

这是一个双值函数，函数值在(0，0.5)和(0.5，1)，分别对应反向切趾取样占空比变化的两种方式，通过沿激光器腔长方向改变取样占空比γ实现切趾。

8.根据权利要求7所述的反向切趾DFB半导体激光器，其特征是激光器具有等效λ/4相移和等效反向切趾，在取样光栅+1级或-1级信道实现等效λ/4相移，在相同的信道内引入等效反向线性切趾，结合公式(1)、(3)，沿激光器腔长方向改变取样占空比γ，占空比变化方式包括反向切趾取样占空比变化的两种方式。

9.由权利要求2-8所述的激光器构成的激光器单片机阵列，其特征是将所述激光器一次性集成在同一晶片上，构成DFB半导体激光器单片集成阵列。

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