CN101924326B - 基于特殊等效相移的dfb半导体激光器 - Google Patents

Abstract

基于特殊等效相移的DFB半导体激光器，DFB半导体激光器结构由长度相同、取样周期相同的左右两段取样布拉格光栅组成，取样周期从1微米到数十微米量级，但是左右两段取样布拉格光栅的占空比不同，前一部分的占空比为γ，后一部分的占空比则为(1-γ)，γ值的大小在0.3到0.5之间；0级子光栅中折射率调制是一个常数项。在结构中，有个等效λ/4波长相移被引入到除0级外所有影子光栅中；在种子光栅周期保持不变的情况下，只要改变取样周期的大小，就能在其±1级影子光栅中获得不同的激射波长。能较大幅度地提高DFB半导体激光器0级激射所需的阈值电流，从而抑制0级信道可能的激射模式，增加激光器主模与0级间的阈值增益差。

Description

基于特殊等效相移的DFB半导体激光器

一、技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及光纤通信，光子集成，光电传感以及其他光电信息处理。是一种基于特殊等效相移技术的分布反馈式(DFB)半导体激光器抑制0级激射的方法及装置。

二、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了大量复杂的光电集成器件，使得光通信成本更低容量更高。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，分布反馈式(DFB)半导体激光器因其良好的单模特性而受到青睐。早期的DFB半导体激光器，其折射率是被周期性地均匀调制的。这种激光器在布拉格波长两侧，对称地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。此外，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-Beamlithography)，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 applicationin 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中的应用)，IEEE PhotonicsTechnology 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(某一个信道)中，得到我们所需要的任意目标反射谱[3、4]。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。文献[5]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就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，指出了依据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，这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。在利用重构-等效啁啾技术设计制造DFB半导体激光器时，通常是利用取样光栅技术来设计制作的。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(与零级信道布拉格中心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。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。这样做的原因是为了使所需要的+1级或-1级信道发生激射，而使不需要的0级信道不发生激射。但由于在占空比为γ的取样光栅中，+1级或-1级信道中的折射率调制强度是0级信道的而且增益区以外的地方不是没有增益，而是增益小一点而已。与此同时，各种偶然因素都可能使得0级信道的增益有所增大。这些原因使得在实际制作取样光栅DFB半导体激光器时，0级信道可能先于所需要的+1级或-1级信道发生激射，或者是同时发生激射，这就破坏了激光器的单模特性，因而降低了获得的DFB半导体激光器的成品率。在本发明中，我们提出了一种特殊的等效相移，在DFB半导体激光器所需要的+1级或-1级信道中，利用这种特殊的等效相移方法引入λ/4相移。这种等效λ/4相移能使得0级信道与所需要的+1级或-1级信道，即使在的增益相同的情况下，也能够得到相当大的抑制。结合将+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，这就能使得基于重构-等效啁啾技术设计的激光器的单模特性，得到进一步的提高。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，我们相信，本发明有助于提供低成本高成品率高稳定的单个DFB半导体激光器、单片集成DFB半导体激光器阵列光源，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。

本专利的主要思想是：在具有取样结构的DFB半导体激光器中，利用特殊的等效相移方法，在它的取样布拉格光栅中引入等效λ/4相移，从而抑制这种激光器在不需要的0级信道发生激射，使其只在所需要的+1级或-1级信道发生激射，这样的做法就提高了激光器的单模特性。

现有技术文献如下：

[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]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)

[4]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

[5]Jingsi Li，Huan Wang，Xiangfei Chen，Zuowei Yin，Yuechun Shi，Yanqing Lu，YitangDai and Hongliang Zhu，Experimental demonstration of distributed feedbacksemiconductor lasers based 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

[6]Tatsuya Kimura and Akira Sugimura，“Coupled phase-shift distributed-feedbacksemiconductor lasers for narrow linewidth operation”，IEEE Journal of QuantumElectronics，1989，25(4)：678-683

三、发明内容

本发明的目的在于，为提高DFB激光器的单模特性，提出了一种特殊的等效λ/4相移结构，即基于特殊等效相移技术的分布反馈式(DFB)半导体激光器抑制0级激射的方法及装置，为DFB半导体激光器的设计制造，提出一种新的结构和工艺。

本发明的技术方案：基于特殊等效相移技术的分布反馈式(DFB)半导体激光器抑制0级激射的方法及装置

1、普通的等效λ/4相移和特殊的等效λ/4相移

图1(1)为普通的等效λ/4相移取样模板的示意图。从数学上来看，一个取样布拉格光栅的折射率调制可以表示为

$\mathrm{\Δn}=\frac{1}{2}\mathrm{\Δ}{n}_{s}S\left(x\right)\exp \left(j\frac{2\mathrm{\πx}}{{\mathrm{\Λ}}_0}\right)+c.c---\left(1\right)$

在这里，Δn_s和Λ₀分别是种子光栅的折射率调制强度和光栅周期。图1(1)中取样函数S(x)可用下式表示

$S\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}{S}_L\left(x\right)& x<x_0\\ S_R\left(x\right)& x\&GreaterEqual;x_0\end{array}\right.---\left(2\right)$

根据傅里叶分析，有

$S_L\left(x\right)=\underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{1}{P}\exp \left(j\frac{2\mathrm{\&pi;mx}}{P}\right){\&Integral;}_{-a}^0\exp (-j\frac{2\mathrm{\&pi;mx}}{P})\mathrm{dx}=\underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{1}{\mathrm{m\&pi;}}\frac{\mathrm{\&pi;ma}}{P}\exp (j\frac{2\mathrm{\&pi;mx}}{P}+j\frac{\mathrm{\&pi;ma}}{P})---\left(3\right)$

$S_R\left(x\right)=\underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{1}{P}\exp \left(j\frac{2\mathrm{\&pi;mx}}{P}\right){\&Integral;}_{\frac{3P}{2}-a}^{\frac{3P}{2}}\exp (-j\frac{2\mathrm{\&pi;mx}}{P})\mathrm{dx}=\underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{1}{\mathrm{m\&pi;}}\sin \frac{\mathrm{\&pi;ma}}{P}\exp \left[j(\frac{2\mathrm{\&pi;mx}}{P}+\frac{\mathrm{\&pi;ma}}{P}-\mathrm{\&pi;m})\right]---\left(4\right)$

在本发明中，P是取样周期。图1(1)中取样光栅的第m级傅里叶系数可表示为

$F_m=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;m}}\mathrm{\&Delta;}{n}_s\sin \frac{\mathrm{\&pi;ma}}{P}\exp \left(j\frac{\mathrm{\&pi;ma}}{P}\right)---\left(5\right)$

把式(3)到(5)代入式(2)，可得

$\mathrm{\&Delta;n}=\left\{\begin{array}{cc}\underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}{F}_m\exp [j(\frac{2\mathrm{\&pi;x}}{{\mathrm{\&Lambda;}}_0}+\frac{2\mathrm{\&pi;mx}}{P})+c.c& x<x_0\\ \underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}{F}_m\exp [j(\frac{2\mathrm{\&pi;x}}{{\mathrm{\&Lambda;}}_0}+\frac{2\mathrm{\&pi;mx}}{P}-\mathrm{\&pi;m})+c.c& x\&GreaterEqual;x_0\end{array}\right.---\left(6\right)$

从式(6)可知，一个取样光栅可以看成是许多影子光栅(一个影子光栅对应一个信道)的叠加。当有半个取样周期被插入到沿取样光栅的任意位置时，就会在其+1或-1级信道中引入一个等效λ/4相移。第m级影子光栅的周期可以表示为

${\mathrm{\&Lambda;}}_m=\frac{{\mathrm{\&Lambda;}}_{0}P}{m{\mathrm{\&Lambda;}}_0+P}---\left(7\right)$

因此在第m级影子光栅中，布拉格波长可表示为

${\mathrm{\&lambda;}}_m=2n_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\&Lambda;}}_m=\frac{2n_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\&Lambda;}}_{0}P}{m{\mathrm{\&Lambda;}}_0+P}---\left(8\right)$

需要指出的是，在图1(1)中，无论是取样函数的左边部分还是右边部分，0级傅里叶级数展开项均为常数故式(6)中0级傅里叶级数展开项也均为

基于特殊等效相移的DFB半导体激光器，其特殊等效相移结构，可由图1(2)示意地表示：所述的DFB半导体激光器结构由长度相同、取样周期相同的两段取样布拉格光栅组成，取样周期P从1微米到数十微米量级，但是左右两段取样布拉格光栅的占空比不同，前一部分的占空比为γ，后一部分的占空比则为(1-γ)，也即两部分的占空比之和是1；同时占空比为γ的那段取样光栅，有无光栅结构的间隔顺序与占空比为(1-γ)的那段取样光栅中正好相反。γ值的大小在0.3到0.5之间；两段取样光栅结构中间之间的间距为0。

图1(2)是本发明采用的等效λ/4相移的取样模板示意图。在这个特殊结构中，取样函数可以表示为

$S^{\&prime;}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}{S}_L\left(x\right)& x<x_0\\ {S^{\&prime;}}_R\left(x\right)& x\&GreaterEqual;x_0\end{array}\right.---\left(9\right)$

与普通的等效λ/4相移结构相比，关键的不同在它右边部分的取样函数，可表示为

${S^{\&prime;}}_R\left(x\right)=\underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{1}{P}\exp \left(j\frac{2\mathrm{\&pi;mx}}{P}\right){\&Integral;}_0^{P-a}\exp (-j\frac{2\mathrm{\&pi;mx}}{P})\mathrm{dx}=\underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{1}{\mathrm{m\&pi;}}\sin \frac{\mathrm{\&pi;m}(p-a)}{P}\exp \left[j(\frac{2\mathrm{\&pi;mx}}{P}+\frac{\mathrm{\&pi;ma}}{P}+\mathrm{\&pi;})\right]---\left(10\right)$

把公式(3)、(5)和(10)代入(9)，可得

$\mathrm{\&Delta;n}=\left\{\begin{array}{cc}\underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}{F}_m\exp [j(\frac{2\mathrm{\&pi;x}}{{\mathrm{\&Lambda;}}_0}+\frac{2\mathrm{\&pi;mx}}{P})+c.c& x<x_0\\ \underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}{F}_m\exp [j(\frac{2\mathrm{\&pi;x}}{{\mathrm{\&Lambda;}}_0}+\frac{2\mathrm{\&pi;mx}}{P}+\mathrm{\&pi;})+c.c& x\&GreaterEqual;x_0\end{array}\right.---\left(11\right)$

图1(1)与图1(2)相比，它们的取样函数右边部分是不同的。在图1(2)中，取样函数的右边部分0级傅里叶级数展开项变为常数项

对应地在式(11)中右边部分折射率调制的0级傅里叶级数展开项也改变为

从式(11)可知，在这个新型结构中，有一个等效λ/4波长相移被引入到除0级外所有影子光栅(信道)中。此外，公式(7)和(8)同样适用于这个新型结构的所有影子光栅(信道)。因而在种子光栅周期保持不变的情况下，只要改变取样周期的大小，就能在其±1级影子光栅(信道)中获得不同的激射波长。在这里，取样布拉格光栅的折射率调制表示为Δn，Δn_s和Λ₀分别是种子光栅的折射率调制强度和光栅周期，F_m是取样光栅的第m级傅里叶系数，P是取样周期，c.c表示复共轭。

需要指出的是，如果占空比等于0.5，本发明所提出的特殊等效λ/4波长相移结构，与普通的等效λ/4波长相移结构，是一致的。

2、特殊的任意大小等效相移

基于特殊的任意等效相移的DFB半导体激光器，其特殊等效相移结构，可由图1(3)示意表示。其结构特点描述如下：所述的DFB半导体激光器结构由长度相同、取样周期相同的两段取样布拉格光栅组成，取样周期P从1微米到数十微米量级，但是两段取样布拉格光栅的占空比不同，前一部分的占空比为γ，后一部分的占空比则为(1-γ)，也即两部分的占空比之和是1，同时占空比为γ的那段取样光栅，有无光栅结构的间隔顺序与占空比为(1-γ)的那段取样光栅中正好相反；γ值的大小在0.3到0.5之间；在这两段占空比分别为γ和(1-γ)的取样光栅结构中间存在一段相连接的部分L，也即所述的DFB半导体激光器结构的中间位置，存在有光栅或无光栅部分长度为L的相移区，在其±1级影子光栅(信道)中，等效相移由π-2π(L/P)的大小来决定。

把图1(2)右边部分平移L长度距离，就可得到如图1(3)所示的相位模板。为了求出在影子光栅(信道)中获得的等效相移大小，我们仍然用式(3)、(9)和(10)来表示取样函数，只不过，图1(3)右边部分取样函数变为：

${S^{\&prime;}}_R\left(x\right)=\underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{1}{P}\exp \left(j\frac{2\mathrm{\&pi;mx}}{P}\right){\&Integral;}_L^{L+P-a}\exp (-j\frac{2\mathrm{\&pi;mx}}{P})\mathrm{dx}=\underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{1}{\mathrm{m\&pi;}}\sin \frac{\mathrm{\&pi;m}(p-a)}{P}\exp [j\frac{2\mathrm{\&pi;mx}}{P}+j\frac{\mathrm{\&pi;ma}}{P}+j(\mathrm{\&pi;}-\frac{2\mathrm{\&pi;mL}}{P})]---\left(12\right)$

把公式(3)、(5)和(12)代入(9)，可得

$\mathrm{\&Delta;n}=\left\{\begin{array}{cc}\underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}{F}_m\exp [j(\frac{2\mathrm{\&pi;x}}{{\mathrm{\&Lambda;}}_0}+\frac{2\mathrm{\&pi;mx}}{P})+c.c& x<x_0\\ \underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}{F}_m\exp [j(\frac{2\mathrm{\&pi;x}}{{\mathrm{\&Lambda;}}_0}+\frac{2\mathrm{\&pi;mx}}{P}+\mathrm{\&pi;}-\frac{2\mathrm{\&pi;mL}}{P})+c.c& x\&GreaterEqual;x_0\end{array}\right.---\left(13\right)$

在图1(2)与图1(3)中，它们的取样函数左边部分和右边部分0级傅里叶级数展开项都是相同的，对应地在左边部分和右边部分折射率调制的0级傅里叶级数展开项也是相同的。也就是说，在它们的0级信道中，折射率调制是常数项。

通过改变这种特殊等效相移结构中间平移的距离L，就可以在这种取样函数除0级外的所有影子光栅(信道)中，获得不同大小的等效相移。在除0级外的第m级信道中，引入的等效相移大小是

$\mathrm{\&Delta;\&Phi;}=\mathrm{\&pi;}-\frac{2\mathrm{\&pi;mL}}{P}---\left(14\right)$

根据公式(14)，如果把图1(2)右边部分向右平移P/8长度距离，则在其1级信道内获得3λ/16(3π/4)的等效相移；如把图1(2)右边部分向左平移P/8(可理解为向右平移-P/8)长度距离，则在其1级信道内获得5λ/16(-3π/4)等效相移。也就是说，通常情况下，移动相同距离时，在各级信道中引入的等效相移是不同的。在+m和-m级信道内，用弧度(在-π～π范围内)表示的相移，其绝对值相同，但正负号相反。要在某级信道中引入一定大小的等效相移，需要事先根据公式(14)进行计算。

3、特殊等效λ/4波长相移DFB半导体激光器的对零级信道的抑制作用

重构-等效啁啾技术是通过改变光栅的取样周期，来实现等效相移和等效啁啾(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)的，该技术已经成功地应用于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[4]和专利[3]。

如果取样的形式是周期性的方波，根据上面理论计算的结果，也就是公式(5)和(11)可知，无论是普通的还是本发明提出的等效λ/4波长相移DFB激光器，取样结构中±1级子光栅的折射率调制和占空比的关系为

$\mathrm{\&Delta;n}=\mathrm{\&Delta;}{n}_s\&times;\frac{\sin \left(\mathrm{\&pi;\&gamma;}\right)}{\mathrm{\&pi;}}---\left(13\right)$

其中γ是占空比，Δn_s是种子光栅的折射率调制强度Δn是在±1级信道中折射率的调制强度。图2给出了占空比γ和±1级信道中折射率调制的关系曲线。该曲线说明了三点：其一，±1级信道中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强度的

其二，曲线关于占空比0.5对称。所以根据公式(1)不管取样占空比是γ还是(1-γ)，这两种情况下，在±1级子光栅中，折射率调制强度是相同的；其三，对于本发明所提出的特殊等效λ/4相移结构，其第一部分的占空比用γ表示，则第二部分的占空比为(1-γ)，在其±1级子光栅中，折射率调制强度同样可用公式(13)来表示。为了方便起见，在下面的说明中，我们用γ来表示本发明所提出的新型取样结构的占空比。

我们重视重构-等效啁啾技术，用取样布拉格光栅制造DFB半导体激光器最重要的原因之一，就是可以通过改变取样周期的大小而不改变种子光栅的周期，在其±1级信道中获得我们所需要的激射波长。由于种子光栅的周期是纳米量级的，而取样周期通常是微米量级的。如果通过改变种子光栅的周期结合实际λ/4相移的方法，来生产不同激射波长的DFB半导体激光器，要应用高精度的电子束曝光等技术，加工费时而效率低下，因而成本高昂，不适合大规模生产。如果是通过改变取样周期结合等效λ/4相移的方法，来获取不同激射波长的DFB半导体激光器，加工精度可大大降低，且可采取照相印刷技术，来实现大规模低成本的生产。

在制作高性能的DFB半导体激光器时，必须使激光器工作在单模状态，也就是说必须使激光器具有高的单模特性。因此，我们实际上在制作取样布拉格光栅DFB半导体激光器时，通常是把不需要的0级信道中心波长，设置在半导体的增益区以外，而把我们所需要的-1级(或+1级)信道的中心波长，设置在增益区的中心位置。但由于在占空比为γ的取样光栅中，+1级或-1级信道中的折射率调制强度是0级信道的

而且增益区以外的地方不是没有增益，而是增益小一点而已。与此同时，各种偶然因素都可能使得0级信道的增益有所增大。这些原因使得在实际制作取样光栅DFB半导体激光器时，0级信道与所需要的+1级或-1级信道同时发生激射，这就破坏了激光器的单模特性，因而降低了获得的DFB半导体激光器的成品率。单个DFB半导体激光器的成品率高低，在制作多波长激光器陈列时，显得尤其重要。这是因为，如果单个DFB半导体激光器的成品率是0.9，由n个DFB半导体激光器组成的多波长激光器阵列，其成品率则是0.9的n次方。假如是10波长的激光器阵列，其成品率就降低到了0.35以下。

通常的等效λ/4相移半导体激光器，为了在其所需要的+1级或-1级信道获得较低的阈值电流，一般其占空比取0.5。但是如果占空比小于0.5的话，我们发现其单模特性会有所提高，特别是如果采用本发明的特殊等效λ/4相移的话，其单模特性会有进一步的提高。图3就是假定取样布拉格光栅的0级与-1级(也可以是+1级，这里取-1级仅仅是为了说明方便)同时落在增益区的中心，也就是它们的增益相同时，用相同材料制成、具有普通和特殊等效λ/4相移的两种DFB半导体激光器，其阈值性能和单模特性情况。

需要注意的是：在本发明中，对于特殊的等效λ/4相移结构，其占空比一边是γ另一边就是(1-γ)，在本发明中，为了说明方便就称其占空比是γ。也就是说对于特殊的等效λ/4相移结构，本发明所称的占空比是γ或是(1-γ)，实质上是一样的。

从图3(1)可以看出，当两种激光器中取样光栅占空比相同时，它们在-1级信道中的标准化阈值增益是相同的。当占空比是0.5时，它们在0级信道中的标准化阈值增益也相同。当占空比偏离0.5的数值变大时，它们在-1级信道中的标准化阈值增益相同；在0级信道中的标准化阈值增益都有所变化，但对于特殊的等效λ/4相移结构，在0级信道中的标准化阈值增益增大很快，而对于普通的等效λ/4相移结构，在0级信道中的标准化阈值增益随占空比增大而减小。在等效λ/4相移DFB激光器中，我们想要的是在-1级信道发生激射，而使不需要的0级信道不发生激射。由图3(2)可以看出，本发明提出的特殊等效λ/4相移结构，与普通的等效λ/4相移结构相比，在占空比偏离0.5时其标准化阈值增益差(即0级与-1级信道中的标准化阈值增益之差)更大，因而能更好地保持单模激射，也就是说其单模稳定性更好。而且，从图3(1)可以看出，当占空比偏离0.5不太大时(如占空比从0.35到0.65之间)，两种等效λ/4相移结构在-1级信道中的标准化阈值增益变化并不太大，也即它们的阈值性能降低不多。根据文献[6]可知，当主模与主边模间的标准化阈值增益差大于0.3时，激光器就能保持单模工作。从图3(2)很容易发现，对于特殊的等效λ/4相移DFB半导体激光器，在通常情况下占空比不大于0.4(或说不小于0.6)时，其标准化阈值增益差就大于了0.3。

实际在使用本发明的过程中，仍是将-1级信道设计在半导体材料的增益区，从而使0级远离增益区。这样做以后，即使某种偶然因素使得0级信道的增益有所增大，标准化阈值增益差仍然大得足够保证激光器单模工作，因此制成的DFB半导体激光器的成品率很高，因而也能高成品率地生产多波长的DFB半导体激光器阵列。

四、附图说明

图1中(1)普通的等效λ/4相移图、(2)特殊的等效λ/4相移、(3)特殊的任意大小等效相移。

图2、±1级子光栅的折射率和取样占空比的关系。

图3普通和特殊等效λ/4相移DFB半导体激光器占空比与0级和-1级信道图、(1)标准化阈值益、(2)标准化阈值益差的关系曲线。

图4、取样光栅制作示意图

五、具体实施方法：

1、本发明中，特殊等效相移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，设计并制作特殊等效λ/4相移取样图案。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4是特殊等效λ/4相移的取样光栅刻写方法示意图

2、基于特殊等效相移DFB半导体激光器

分布反馈式(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。

下面描述工作波长在1550nm范围，特殊等效λ/4相移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所需要的占空比(例如取0.4)取样图案的掩模板。

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^-3)上波导层。接下来通过所设计的取样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，脊波导长度一般为数百微米量级，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10-20mA左右，所需要的+1(或-1)级信道与要抑制的0级信道间边模抑制比达到70dB以上。

利用本发明的基于特殊等效相移DFB半导体激光器，可以制备DFB半导体激光器单片集成阵列，单元激光器是本权发明任何所述的特殊等效相移半导体激光器。

Claims (5)

1.基于特殊等效相移的DFB半导体激光器，其特征是所述的DFB半导体激光器结构由长度相同、取样周期相同的两段取样布拉格光栅组成，取样周期从1微米到数十微米量级，但是左右两段取样布拉格光栅的占空比不同，左段取样布拉格光栅的占空比为γ，右段取样布拉格光栅的占空比则为1-γ，也即两部分的占空比之和是1；同时占空比为γ的那段取样光栅，有无光栅结构的间隔顺序与占空比为1-γ的那段取样光栅中正好相反，γ值的大小在0.3到0.5之间；两段取样光栅结构的间距为0；

取样光栅采用特殊等效λ/4相移的取样函数表示为

与普通的等效λ/4相移结构相比，右段取样布拉格光栅的取样函数，表示为

式（10）和（11）中，取样布拉格光栅中的折射率调制强度用Δn表示，Λ₀是种子光栅的光栅周期，F_m为取样光栅的第m级傅里叶系数,P是取样周期,c.c为复共轭，x表示沿激光器谐振腔的位置坐标，x₀表示相移所在位置坐标；其中0级子光栅中折射率调制是一个常数项；从式(11)可知，在所述取样布拉格光栅结构中，有一个等效λ/4波长相移被引入到除0级外所有影子光栅中；在种子光栅周期保持不变的情况下，只要改变取样周期的大小，就能在其±1级影子光栅中获得不同的激射波长。

2.基于任意大小特殊等效相移的DFB半导体激光器，其特征是所述的DFB半导体激光器结构由长度相同、取样周期相同的两段取样布拉格光栅加长度为L的相移区组成，取样周期从1微米到数十微米量级，但是左右两段取样布拉格光栅的占空比分别为γ和1-γ，如左段取样布拉格光栅的占空比为γ，则右段取样布拉格光栅的占空比则为1-γ，也即两部分的占空比之和是1；同时占空比为γ的那段取样光栅，有无光栅结构的间隔顺序与占空比为1-γ的那段取样光栅中正好相反，γ值的大小在0.3到0.5之间；在左右两段取样布拉格光栅结构中间存在一段相连接的部分，即存在长度为L的相移区，±1级影子光栅的等效相移由 的大小来决定；在任意大小特殊等效相移的DFB半导体激光器中，取样布拉格光栅结构是由特殊的等效λ/4相移结构中右段部分向右平移了L长度距离得到的；

取样光栅采用任意大小特殊等效相移的取样函数表示为 

为了求出在影子光栅中获得的等效相移的大小，右段部分取样函数变为：

式（13）中，取样光栅中的折射率调制强度用Δn表示，Λ₀是种子光栅的光栅周期，F_m为取样光栅的第m级傅里叶系数,P是取样周期,c.c为复共轭，x表示沿激光器谐振腔的位置坐标，x₀表示相移所在位置坐标；其中0级子光栅中折射率调制是一个常数项；改变这种特殊等效相移结构中间相移区的长度L，就可以在这种取样光栅除0级外的所有影子光栅中，获得不同大小的等效相移；除0级外的第m级信道中，引入的等效相移大小是

3.根据权利要求2所述的DFB半导体激光器，其特征是取样结构根据公式（13）和半导体材料的性质来选取合适的取样占空比，在保证激射单模特性的同时，也使得DFB半导体激光器有较低的域值电流；取样结构中±1级子光栅的折射率调制和占空比的关系为

其中γ是占空比，Δn_s是种子光栅的折射率调制强度，Δn_±1是在±1级信道中折射率的调制强度。

4.根据权利要求1至3之一所述的DFB半导体激光器，其特征是把所需要的-1级或+1级光栅或信道设置在半导体材料的增益区内，0级信道设置在增益区以外，以抑制0级信道发生激射，在所需要的-1级或+1级信道内实现单模激射。

5.DFB半导体激光器单片集成阵列，其特征是单元激光器是权利要求1至4之一所述的DFB半导体激光器。 

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