CN102074892B - 可调谐半导体激光器的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调谐半导体激光器的制作方法，该方法包括步骤：S1.构造只含相位调制、没有幅度调制、且具有目标反射光谱的相位光栅Δn_S(z)，作为种子光栅；S2.根据等效啁啾法，构造光栅Δn(z)，使得Δn(z)的-1级子光栅对应于步骤S1所得到的相位光栅Δn_S(z)；S3.以步骤S2得到的光栅Δn(z)作为反射光栅制作激光器。依照本发明的方法制作的激光器制作成本低，制备时间短，且生产效率以及制作的激光器性能均很高。

Description

可调谐半导体激光器的制作方法

技术领域

本发明涉及可调谐是半导体激光器技术领域，尤其涉及一种基于等效啁啾技术的可调谐半导体激光器的制作方法。

背景技术

可调谐激光器是光通信网络与系统的关键器件。可调谐激光器可以用来组成可调谐发射模块，减少固定激光器的个数，作为主激光器的备份，提高网络的灵活性，提高网络的保护和恢复能力，降低网络成本。可调谐激光器在多波长光标记、光突发交换网络和光网络业务疏导等方面也有很好的应用。此外，使用可调谐激光器可以降低光纤通信系统的网络成本，提高网络传输质量。可调谐激光器在传感测量方面有广泛的市场前景，适用于大气监测、外插传感、光谱测量等领域，可以提高光电检测系统的工作性能和测量精度，提高系统的反应速度和灵敏度，降低系统的成本。

目前，有许多结构不同、工作机理各异的可调谐激光器。其中，布拉格反射镜型的可调谐半导体激光器具有连续调谐范围大、调节速度非常快、采用先有生产工艺等优点，是目前商用化最好的一个品种。除已开发的多电极和梳状电极布拉格反射镜可调谐半导体激光器之外，又开发了几种基于布拉格反射镜结构的宽带可调谐激光器(40信道，50GHz间隔)，主要有基于超结构衍射光栅结构的可调谐半导体激光器(SSG-DBR)、基于取样光栅结构的可调谐半导体激光器(SG-DBR)、基于取样光栅耦合器反射器的可调谐半导体激光器(GCSR)等。他们的连续调谐范围都大于40nm，最大可达100nm。其中，SG-DBR和SSG-DBR很容易与调制器集成，而采用不等间隔啁啾光栅的超结构光栅(SSG-DBR)内腔多电极结构的可调谐半导体激光器，结构简单，可实现100nm以上宽波长调谐。用于100个信道的SG-DBR基宽可调谐激光器已成熟，能发出比市场上出售的激光器更高的功率，并且能发送100个信道中的任意一路。可见，基于布拉格光栅的可调谐半导体激光器是实用性很强，市场前景很好的一种可调谐激光器。

基于布拉格光栅的可调谐半导体激光器的结构一般可以如图1所示，由前反射光栅、增益区、相位区、以及后反射光栅四部分组成。激光器的增益区用来为激光提供增益介质和能量，前、后反射光栅为激光提供反馈，相位区用来调节光程，使激光器满足相位阈值条件。

所设计的反射光栅的反射谱如图2和图3所示，需要具有梳状结构，且前后反射光栅反射谱的反射峰的间距有微小的差别，平移其中一个光栅的反射谱使得它的任意一个反射峰与另一个光栅的任意反射峰重合时，这个光栅的其余反射峰都无法与另一个光栅的反射峰重合。这种结构造成了所谓的游标卡尺效应。

基于布拉格光栅的可调谐半导体激光器实现可调谐的原理是向前后反射光栅区注入电流，使得光栅区内载流子浓度改变；载流子浓度的改变进一步引起光栅区折射率变化，导致反射光栅的反射谱漂移。用电流控制前后反射光栅的反射谱移动，使前后反射光栅有一个反射峰重合。此时，在激光器增益区的增益谱线范围内，重合的反射峰对应的波长在腔内往返一周损耗最小。而其他波长的光由于反射光栅反射谱的游标卡尺效应反射较弱，所以大部分能量都透射出腔外，导致腔内损耗非常大。这样，由于损耗较小，重合的反射峰处的波长可以产生激光，而其他波长处无法产生激光。通过电流调节反射谱的示意如图4(a)-4(b)所示，图4(a)是两个反射光栅都不通电流的情况，这是只有中间1550nm的反射峰对准，其他都错开，所以激射的激光波长为1550nm；图4(b)表示向前反射光栅注入电流1mA而后反射光栅不注入电流时，前反射光栅反射谱移动(实线)，这时对准的反射峰是在1557附近，所以这个波长的光激射产生激光。

基于布拉格光栅的可调谐半导体激光器的关键是设计和制作反射光栅。因为光栅的设计直接决定了激光器的调谐范围、边模抑制比、以及波长变化时的功率抖动等参数。而且，制作光栅的工艺决定了整个激光器的制作成本和成品率。

基于布拉格光栅的可调谐半导体激光器对反射光栅的要求是梳状反射谱的峰值尽可能相等，以保证调节光栅区电流引起反射谱移动时输出光波的功率保持一定而不会发生很大的变化；而且反射峰以外的部分反射率要尽可能低，以使输出激光有较高边模抑制比。这是对所有反射光栅的要求，也是S2中要设计的相位光栅要达到的目的。

数字级联光栅(DCG，Digital Concatenated Grating)是一种可以满足上述要求的光栅设计方法。DCG由M(M为所要设计的梳状反射谱的反射峰的数目)个取样光栅构成，如图5(a)所示，这些子光栅的反射谱在频谱上相距较远且满足叠印效应，可以线性叠加成一个顶部包络平坦的光谱，如图5(b)所示。在空间上，如图6所示，DCG由M段取样周期、占空比都相同的取样光栅级联起来，在DCG中没有啁啾也没有折射率调制为0的区域，相邻两个子光栅交界处的相位是0。

所设计的光栅参数满足下面的式子：

${\mathrm{\Λ}}_{\left(i\right)}=\frac{{\mathrm{\λ}}_c}{{2n}_{\mathrm{eff}}}+\left[\frac{H}{Z_0}{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_c}{{2n}_{\mathrm{eff}}}\right)}^2\right]---\left(1\right)$

其中：

$H=m\×(i-\frac{M+1}{2}),i=\mathrm{1,2},......,M---\left(2\right)$

其中，M是构成DCG的子光栅数目，n_eff是光栅有效折射率，λ_c是激光器的中心频率，例如1550nm，m是大于M-1小于M+1的整数。只要根据公式(1)和公式(2)设计子光栅，在把他们在空间上叠加起来就可以得到需要的梳状的反射谱。

此外还有相位光栅(PG，Phase Grating)也可以设计出满足要求的光栅反射镜。PG是通过将2N+1个调制周期不同正弦子光栅叠加来实现的，这2N+1个子光栅分别对应于构成的相位光栅的2N+1个梳状反射峰。通过调节这2N+1个子光栅之间的相位来使最终形成的光栅具有需要的反射谱。

设相位光栅的反射光谱可以由下式表示：

$R\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{k=-N}{\overset{k=N}{\mathrm{\Σ}}}\{1+\cos (\frac{2\mathrm{\πz}}{{\mathrm{\Λ}}_k}+{\mathrm{\φ}}_k)\}---\left(3\right)$

其中Λ_k是子光栅的调制周期，φ_k是子光栅的相对相位。

由于反射峰需要等间隔的分布，所以各子光栅的调制周期需要满足：

$\frac{1}{{\mathrm{\Λ}}_{k+1}}-\frac{1}{{\mathrm{\Λ}}_k}=F_{k+1}-F_k=\mathrm{\ΔF}=\mathrm{Const}---\left(4\right)$

假设各子光栅的相位是反对称的，也即φ_k＝-φ_-k，则公式(3)变为：

$R\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{2N+1}{2}+\cos \left(2\mathrm{\π}{F}_{0}z\right)\×E\left(z\right)$

$E\left(z\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\cos (2\mathrm{\π\ΔFz}\left(k\right)+{\mathrm{\φ}}_k)---\left(5\right)$

反射率函数R(ω)的形状特征由各个子光栅的相位φ_k决定。采用退火算法或者单纯形法优化参数φ_k，然后就可以得到满足要求的反射谱，进而设计出反射光谱。

上述各种光栅设计方法都涉及对光栅复杂的相位调制，也就是说制备的光栅的调制周期是非均匀的，因此必须使用电子束光刻的工艺来制作光栅。必须使用电子束光刻工艺使得以上设计的光栅制备成本非常高，而且制备时间很长，生产效率较低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是：如何降低激光器的制作成本，缩短制备时间，并提高生产效率。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种可调谐半导体激光器的制作方法，该方法包括步骤：

S1.构造只含相位调制、没有幅度调制、且具有目标反射光谱的相位光栅Δn_S(z)，作为种子光栅；

S2.根据等效啁啾法，构造光栅Δn(z)，使得Δn(z)的-1级子光栅对应于步骤S1所得到的相位光栅Δn_S(z)；

S3.以步骤S2得到的光栅Δn(z)作为反射光栅制作激光器。

其中，步骤S1中，所述种子光栅有2N+1个反射峰，每个反射峰反射率相等，相邻反射峰之间频谱间隔相等，构造所述相位光栅的方法为：

设所述相位光栅为：

其中，Λ_s为该相位光栅的调制周期，c.c为复数共轭，

是以P₀为周期的相位调制函数，且其傅里叶变换为：

$P_0=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\Δ\λ}},$

λ是激光器中心波长，Δλ是反射光谱的反射峰间距，n_eff是光栅有效折射率；

以下面的数学优化过程表达所述相位光栅的构造方法：

求实数α_n、β_n，n＝1，2，...，2N+1，使得参数取得最大值，且

同时取得最小值；

采用退火算法或者单纯形法完成上述优化过程，得到具有所述目标反射光谱的相位光栅。

其中，所述光栅Δn(z)的折射率调制函数为：

$\mathrm{\Δn}\left(z\right)=s\left(z\right)\exp [j\left(\frac{2\mathrm{\πz}}{\mathrm{\Λ}}\right)+c.c]$

其中，

s₀(z)是以P为周期、占空比为0.5的方波，P是s(z)的周期，

其中Λ由公式

确定。

(三)有益效果

本发明的方法用等效啁啾法设计光栅，从而制作可调谐半导体激光器的制作，克服了光栅调制周期变化的缺点，折射率调制周期保持均匀。所设计的光栅在制备过程中不需要用到昂贵且费时的电子束光刻工艺，而只需使用简单便宜且可以大量生产的双光束干涉法。

附图说明

图1为基于布拉格光栅的可调谐半导体激光器的结构示意图；

图2为基于布拉格光栅的可调谐半导体激光器的前反射光栅的反射光谱；

图3为基于布拉格光栅的可调谐半导体激光器的后反射光栅的反射光谱；

图4(a)为前、后反射光栅都不注入电流时光栅反射光谱的示意图；

图4(b)为向前反射光栅注入1mA电流，后反射光栅不注入电流时光栅反射光谱示意图；

图5(a)为数字级联光栅反射光谱示意图；

图5(b)为数字级联光栅子光栅频谱叠加后的示意图；

图6(a)为数字级联光栅子光栅空间示意图；

图6(b)为数字级联光栅子光栅空间叠加后的示意图；

图7为依照本发明一种实施方式的可调谐半导体激光器的制作方法流程图；

图8为实施例中相位光栅的相位调制函数示意图；

图9为实施例中的前、后反射光栅反射率示意图；

图10为实施例中不同波长激光的边模抑制比示意图；

图11为实施例中制作的激光器不同波长激光的PI曲线。

具体实施方式

本发明提出的可调谐半导体激光器的制作方法，结合附图和实施例说明如下。

如图7所示，依照本发明一种实施方式的，包括步骤：

S1.以一个只含相位调制、没有幅度调制、且具有目标反射光谱的相位光栅Δn_S(z)，作为种子光栅。该种子光栅有2N+1个反射峰，每个反射峰反射率相等，相邻反射峰之间频谱间隔相等，为Δλ。

构造该相位光栅的方法为：

设相位光栅为：

其中，Λ_s为该相位光栅的调制周期，c.c为复数共轭，为该相位光栅的调制周期，

是以P₀为周期的相位调制函数，且

设

的傅里叶变换为：

$P_0=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\Δ\λ}},$

λ是激光器中心波长，Δλ是反射光谱的反射峰间距，n_eff是光栅有效折射率；

则种子光栅的设计可以用下面的数学优化过程表达：

求实数α_n，β_n，n＝1，2，...，2N+1，

使得参数

取得最大值，其中n＝1，2，...，2N+1，

且

同时取得最小值；

求解上面的优化问题优选地使用退火算法，以得到具有所述目标反射光谱的相位光栅。

S2.通过等效啁啾法构造光栅Δn(z)，使得Δn(z)的-1级子光栅对应于步骤S1设计的相位光栅Δn_S(z)。得到满足等效啁啾光栅的折射率调制函数为：

$\mathrm{\Δn}\left(z\right)=s\left(z\right)\exp [j\left(\frac{2\mathrm{\πz}}{\mathrm{\Λ}}\right)+c.c]---\left(7\right)$

其中，

s₀(z)是以P为周期、占空比为0.5的方波，

为s(z)的周期。

下面证明上述光栅的-1级子光栅就是步骤S1所得到的相位光栅。

对s₀(z)作傅里叶展开为：

$s_0\left(z\right)=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{2}{F}_m\exp \left(j\frac{2\mathrm{\πz}}{{\mathrm{\Λ}}_m}\right)+c.c$

其中，F_m为m级傅里叶展开系数，则s(z)的傅里叶展开为：

所以整个光栅的折射率调制函数可以写成：

其中，Λ是整个光栅的周期，Λ_m是对整个光栅做傅里叶变换后得到的参量：

${\mathrm{\Λ}}_m=\frac{\mathrm{\ΛP}}{\mathrm{m\Λ}+P}\≈\mathrm{\Λ}-m\frac{{\mathrm{\Λ}}^2}{P}$

选择合适的参数P和Λ，使得：

并且使P足够小，使得

大于激光器的波长可调谐范围，使得的傅里叶展开中的0级和-2级子光栅的反射光谱不会和-1级子光栅的反射光谱重合，则所设计的光栅的-1级子光栅就是步骤S1所得到的相位光栅。

S3.以步骤S2得到的光栅Δn(z)作为反射光栅，制作可调谐半导体激光器。

实施例

本实施例以制作调谐范围从1532.93nm到1567.14nm的可调谐半导体激光器为例，进一步说明本发明的方法。

整个可调谐半导体激光器的结构如图1所示，激光器的设计参数如下表1所示：

表1激光器设计参数

S1.构造相位光栅。

所要构造的前反射光栅的频谱范围从1510nm到1590nm，反射峰间隔Δλ＝7.0nm，有五个反射率相同的反射峰。得到相位光栅的相位函数如图8所设：

后反射光栅反射谱的频谱范围和前反射光栅一样，反射峰间隔Δλ＝8.6nm，用同样的方法可以得到后反射光栅的相位调制函数。

S2.等效啁啾法构造光栅反射镜。

按照表1的参数和公式(7)计算等效啁啾光栅的折射率调制函数。按上述方法制作的光栅反射镜的反射率如图9所示。

S3.以步骤S2制作的光栅反射镜为反射光栅制作目标可调谐半导体激光器。

上面的步骤设计的半导体可调谐激光器的性能仿真：

调节前反射镜，使激光器分别在5个不同的波长激射，产生激光的边模抑制比如图10所示，不同激射波长的PI(注入电流I和功率的P)曲线如图11所示。

由图10和图11说明用本发明的方法设计的可调谐激光器具有高的边模抑制比(＞47dB)，调谐过程中只有小的功率波动(＜0.08dB)和较大的调谐范围(＞32nm)。说明本发明的激光器有很高的性能。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (3)

1.一种可调谐半导体激光器的制作方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S1.构造只含相位调制、没有幅度调制、且具有目标反射光谱的相位光栅Δn_S(z)，作为种子光栅；

S2.根据等效啁啾法，构造光栅Δn(z)，使得Δn(z)的-1级子光栅对应于步骤S1所得到的相位光栅Δn_S(z)；

S3.以步骤S2得到的光栅Δn(z)作为反射光栅制作激光器。

2.如权利要求1所述的可调谐半导体激光器的制作方法，其特征在于，步骤S1中，所述种子光栅有2N+1个反射峰，每个反射峰反射率相等，相邻反射峰之间频谱间隔相等，构造所述相位光栅的方法为：

设所述相位光栅为：

其中，Λ_s为该相位光栅的调制周期，c.c为复数共轭， 

是以P₀为周期的相位调制函数，且其傅里叶变换为：

λ是激光器中心波长，Δλ是反射光谱的反射峰间距，n_eff是光栅有效折射率；

以下面的数学优化过程表达所述相位光栅的构造方法：

求实数α_n、β_n，n＝1，2，...，2N+1，使得 

取得最大值，且 

同时取得最小值；

采用退火算法或者单纯形法完成上述优化过程，得到具有所述目 标反射光谱的相位光栅。

3.如权利要求2所述的可调谐半导体激光器的制作方法，其特征在于，所述光栅Δn(z)的折射率调制函数为：

其中， 

s₀(z)是以P为周期、占空比为0.5的方波，P是s(z)的周期，Λ是整个光栅的周期， 

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