CN103033862A - 一种用于制备dfb激光器相移光栅的反射镜装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于制备DFB激光器相移光栅的反射镜装置及其制备方法，该反射镜装置中反射镜的反射膜表面具有增透膜，该增透膜由多个相间的条形结构构成，每个条形结构的宽度与相邻条形结构的间距之间的比例满足1:5～5:1。本发明通过设置有增透膜，进而可以采用全息曝光方法，通过在反射镜上部分区域引入λ/2光程差改变干涉条纹的明暗线，进而获得相移光栅。本发明既解决了DFB激光器光谱双模问题，又解决了采用E-beam制作相移光栅成本高，速度慢的问题。

Description

一种用于制备DFB激光器相移光栅的反射镜装置及其制备方法

技术领域

本发明属于光电子技术领域。具体涉及一种用于制备DFB激光器相移光栅的反射镜装置及其制备方法，利用全息曝光方法，制作DFB激光器的光栅结构。

背景技术

DFB激光器（分布式反馈激光器）由于其稳定的动态单纵模和波长温度特性好等优点，被大量应用于光纤通信系统。影响DFB激光器成品率的最大因素是光谱的双模问题。光栅作为DFB激光器的选模机构，其类型及质量好坏直接影响成品率。光栅制作一般分为两种：全息曝光法和E-beam曝光法。光栅类型分为两种：均匀光栅和相移光栅。由于相移光栅的结构中引入了λ/4相移，能够很好解决DFB激光器光谱中的双模问题，可以大大提高DFB激光器芯片的成品率，被广泛应用于高端DFB激光器制作工艺中。传统工艺中，全息曝光法只能制作均匀光栅，但制作成本低，制作速度快，一般用于中低端DFB激光器芯片的制作。E-beam曝光是通过电脑控制，可以刻写任何类型的光栅，但是刻写速度慢，设备成本高，通常用来制作高端DFB激光器芯片。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明所要解决的技术问题为提供一种用于制备DFB激光器相移光栅的反射镜装置及其制备方法，既解决了DFB激光器光谱双模问题，又解决了采用E-beam制作相移光栅成本高，速度慢的问题。

本发明提出一种用于制备DFB激光器相移光栅的反射镜装置，包括反射镜，该反射镜的反射膜表面具有增透膜，所述的增透膜由多个相间的条形结构构成。

每个条形结构的宽度L₁与相邻条形结构的间距L₂之间的比例满足1:5～5:1。

每个条形结构的宽度L₁与相邻条形结构的间距L₂之间的比例满足1:1。

所述的增透膜的周期为DFB激光器的腔长，该增透膜的周期为条形结构的宽度L₁与相邻条形结构的间距L₂之和。

所述的增透膜的厚度为d与增透膜的折射率为n之间的关系满足其中λs为全息曝光的紫外激光波长，θ为入射角。

所述的增透膜的厚度为100~200nm，增透膜的折射率为1.4~1.5。

本发明提出一种用于制备DFB激光器相移光栅的反射镜装置的制备方法，包括以下几个步骤：

步骤一：在基板上镀一层反射膜；

步骤二：将反射膜的表面涂敷光刻胶，进行曝光前烘烤；

步骤三：在涂有光刻胶的反射膜上进行光刻曝光，光刻曝光板的形状为条纹相间的透光部分和遮光部分，将透光部分的光刻胶完全曝光；

步骤四：将曝光后反射镜放入显影液中显影，显影完成后烘烤；

步骤五：在已烘烤后的光刻胶上蒸镀增透膜；

步骤六：蒸镀完成后去除光刻胶，完成反射镜装置的制备。

步骤一中所述的反射膜采用TiO₂和SiO₂的四层膜系（基片/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/空气），每层膜的光学厚度为75~100nm；步骤二中所述的光刻胶厚度为1～1.5μm，光刻胶为正性光刻胶。

步骤三中所述的透光部分和遮光部分的条形宽度比例满足1:5~5:1；所述的步骤四中的显影液为正性光刻胶显影液。

所述的增透膜的厚度为d与增透膜的折射率为n之间的关系满足

其中λs为全息曝光的紫外激光波长，θ为入射角。

本发明具有的优点在于：

本发明提出一种采用全息曝光方法制备DFB激光器相移光栅的反射镜装置，通过在反射镜上部分区域蒸镀一层增透膜，引入λ/2光程差改变干涉条纹的明暗线，获得相移光栅。本发明既解决了DFB激光器光谱双模问题，又解决了采用E-beam制作相移光栅成本高，速度慢的问题。

通过本发明的反射镜装置可以采用全息曝光的方法制作相移光栅。这样，既具有全息曝光方法的低成本、高产出的优点，又具有相移光栅单模成品率高的特点，适合DFB激光器的批量生产。

附图说明

图1表示本发明中用于制备DFB激光器相移光栅的装置结构示意图；

图2表示本发明中用于制备DFB激光器相移光栅的反射镜装置的俯视图；

图3表示本发明中用于制备DFB激光器相移光栅的反射镜装置的侧视图；

图4表示入射激光经反射镜不同位置反射后的示意图；

图5为计算光程差的示意图；

图6表示均匀光栅经过掩埋后的示意图；

图7表示由本发明的反射镜装置制作的相移光栅经过掩埋后的示意图；

图8表示光刻版的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

全息曝光方法制作光栅原理如图1所示，为全息曝光干涉原理图，其中反射镜装置1采用单纯的反射镜，一般为300nm～400nm的紫外光反射镜，反射镜装置1与水平面的夹角为θ，入射的平行光线垂直于水平面。外延片2为DFB激光器外延片，与反射镜垂直。有两种平行光线分别为照射到反射镜的平行光线3和直接照射到DFB激光器外延片2的平行光线4，反射镜的出射光线为出射光线5。M、N两点是紫外激光在反射镜的入射点，P、Q两点为相邻的两条干涉明条纹或者干涉暗条纹。L点为由P点向入射光引垂线的垂足，R、S分别为由N、Q点向反射光MP引垂线的垂足。

P点干涉点的光程差ΔP为ΔP=PM+LM=PM×(1+cos2θ)=PM×2cos²θ；

Q点干涉点的光程差ΔQ为ΔQ=QN×2cos²θ；

其中，PM为P点和Q点之间的距离，LM为L点和M点之间的距离，QN为Q点和N电之间的距离。

P、Q两点距离为光栅节距为Λ；

$\mathrm{\ΔP}-\mathrm{\ΔQ}=2{\cos }^2\mathrm{\θ}*(\mathrm{PM}-\mathrm{QN})$

$=2{\cos }^2\mathrm{\θ}*(\mathrm{MR}+\mathrm{PS})$

$={2\cos }^2\mathrm{\θ}*(\mathrm{\Λ}*\cos \mathrm{\θ}+\mathrm{\Λ}*\sin \mathrm{\θ}*\mathrm{tg\θ})$

$=2{\cos }^2\mathrm{\θ}*\mathrm{\Δ}*(\cos \mathrm{\θ}+\frac{{\sin }^2\mathrm{\θ}}{\cos \mathrm{\θ}})=2{\cos }^2\mathrm{\θ}*\frac{\mathrm{\Λ}}{\cos \mathrm{\θ}}$

$=2\mathrm{\Λ}\cos \mathrm{\θ}$

根据干涉理论，相邻两条明条纹或者暗条纹的光程差的差值为波长的整数倍。即：2Λcosθ=mλs  其中m为整数，λs为紫外激光波长，λ表示波长，s表示激光源。对于DFB激光器，一般采用一级光栅，m＝1，即光栅节距、角度与紫外激光波长的关系为：

2Λcosθ=λs。

本发明采用全息曝光方法，通过在反射镜6上部分区域蒸镀一层增透膜8，增透膜8的折射率为n，厚度为d，对于一固定的入射角度θ，设计合理的折射率n和厚度d值，使干涉点的光程差Δ增加λ/2，从而改变干涉条纹的明暗线条，从而获得相移光栅。

反射镜6的正面结构如图2所示，其中白色条形区域为反射镜高反区域，即发射膜7（即反射膜），黑色条形区域为在反射镜发射膜7上再蒸镀的一层增透膜8，该增透膜8的折射率为n，厚度为d。如图3所示，该增透膜8由若干个相间的平行条形结构构成，每个条形结构的宽度L₁与相邻条形结构的间距L₂之间的比例满足1:5～5:1。增透膜8的宽度优选为DFB激光器腔长L的一半，即L/2，该增透膜8的周期（即条形结构的宽度L₁与相邻条形结构的间距L₂之和）为激光器腔长L。

反射镜的侧面结构如图3所示，其中反射镜6的正面有反射膜7，反射膜8的上方有周期性的相间条形结构的增透膜8，每个条形结构的凸起的宽度优选为L/2，占空比为1:1。

对于同一干涉点，有无增透膜，其光程差的变化计算如图4所示，入射光9为入射到增透膜8上的光，出射光10为经过增透膜8和反射镜6的出射光。入射光11是直接入射到反射镜6的光，反射光12是经过反射镜6的反射光。

有无增透膜，两者的光程差的变化为：

其详细计算过程如下：

如图5所示，Δ=BC+n×(CF+DF)-(AE+DE)。

其中入射角为θ，折射角为θ₁，增透膜8厚度为d，折射率为n。C点为入射光9与增透膜8上表面的交点，D为出射光10与增透膜8上表面的交点。F点为入射光9经增透膜8发生折射后的光线与增透膜8下表面的交点。为了计算方便，假设没有增透膜8时入射光AE，A为入射光与增透膜8上表面的交点，E为入射光与增透膜8下表面的交点；反射光为ED，D为反射光与增透膜8上表面的交点。由A点向入射光9引垂线，垂足为B，BC表示B、C两点间的距离，AC表示A、C两点间的距离，AD表示A、D两点间的距离，CD表示C、D两点间的距离，DF表示D、F两点间的距离，CF表示C、F两点间的距离，DF表示D、F两点间的距离，AE表示A、E两点间的距离，DE表示D、E两点间的距离，Δ表示经过增透膜光线（BC+CF+FD）和不经过增透膜的光线（AE+ED）的光程差。

sinθ=n×sinθ1

BC=AC×sinθ=(AD-CD)×sinθ=2d(tgθ-tgθ1)×sinθ

CF=DF=d/cosθ1

AE＝DE＝d/cosθ

$\mathrm{\Δ}=2d(\mathrm{tg\θ}-\mathrm{tg\θ}1)*\sin \mathrm{\θ}+2\mathrm{nd}/\cos \mathrm{\θ}1-2d/\cos \mathrm{\θ}$

$=2d*(\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}-\cos \mathrm{\θ})$

对于一个固定角度θ，设计合理的n、d，使得Δ=λs/2，则干涉点的明暗条纹发生变化，即可以得到相移光栅。

即： $\mathrm{\λs}=4d*(\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}-\cos \mathrm{\θ})$

现有技术中采用无增透膜的反射镜装置1直接进行全息曝光，制备的DFB激光器的均匀光栅结构如图6所示，其中N-InP（N型磷化铟）衬底13的表面上顺次有InGaAsP（铟镓砷磷）有源层14、光栅层15（黑色区域为凸起）、16为盖层以及欧姆接触层17，为均匀光栅，不存在相移区。而采用本发明的增透膜8的反射镜装置制备的进行全息曝光后，制备的DFB激光器的光栅结构如图7所示，中间区域具有相移区，如图7中所示，光栅层中间空白处为相移区20。

本发明提出的DFB激光器相移光栅的反射镜装置的制备方法包括以下几个步骤：

步骤一：在基板（石英玻璃）上镀一层反射膜7。在波长范围300～400nm内，反射膜7的反射率大于90%。该反射膜7可以采用TiO₂和SiO₂的四层膜系（基片/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/空气）,其中每层膜的光学厚度为75~100nm。

步骤二：将反射膜7的表面涂敷光刻胶，厚度一般为1～1.5μm，烘烤1～3分钟。所述的光刻胶可以选用正性光刻胶EPG512。该厚度比后期需蒸镀的增透膜的厚度（0.1μm～0.2μm）大很多。

步骤三：在涂有光刻胶的反射膜7上进行光刻曝光，光刻版如图8所示，具有条纹相间的透光部分18和遮光部分19，透光部分18和遮光部分19的条形宽度比为1:5~5:1,优选为1:1，条形周期为L(DFB激光器芯片腔长为L)。曝光时间为20秒～50秒，优选为30秒，将透光部分18的光刻胶完全曝光。透光部分18与遮光部分19的宽度比为1:5～5:1，优选为1:1，且透光部分18的宽度与遮光部分19的宽度之和为条纹周期，该条纹周期为DFB激光器的腔长。

步骤四：将曝光后反射镜放入显影液中显影，显影液可以选择RZX-3038。形成与图8所示的相同的对称条纹形状。然后进行高温烘烤1～3分钟。

步骤五：将高温烘烤后的具有间隔条纹形状凸出的光刻胶的反射镜进行蒸镀增透膜8，该增透膜8有部分直接覆盖在光刻胶上面，有部分直接覆盖在反射膜7上。对应增透膜8的厚度小于等于光刻胶的厚度，一般增透膜8的厚度优选为0.1μm～0.2μm，增透膜8的厚度、折射率、入射角度、入射紫外激光波长λs的关系满足：

采用SiO₂材料，厚度100~200nm，折射率1.4~1.5。

步骤六：蒸镀完后，将反射镜6放入丙酮中加热处理，去除光刻胶，光刻胶上面的增透膜8随之去掉，剩下直接覆盖在反射膜区域上的增透膜8。完成增透膜的制作。

将制作完成的反射镜放入图1所示标号1位置，具有如图2所示相见的水平条纹7和8形状。然后将DFB激光器外延片放入图1所示标号2的位置。入射角度为θ，入射激光波长为λs。然后进行全息曝光技术，腐蚀制作相移光栅。然后经过掩埋生产，形成如图7所示的盖层16，欧姆接触层17，形成相移光栅结构。

通过该反射镜装置制作的相移光栅DFB激光器可以保证很高的单纵模特性，而且制作成本低，速度快。适合大批量生产。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种用于制备DFB激光器相移光栅的反射镜装置，其特征在于，包括反射镜，该反射镜的反射膜表面具有增透膜，所述的增透膜由多个相间的条形结构构成。

2.根据权利要求1所述的用于制备DFB激光器相移光栅的反射镜装置，其特征在于，每个条形结构的宽度L₁与相邻条形结构的间距L₂之间的比例满足1:5～5:1。

3.根据权利要求2所述的用于制备DFB激光器相移光栅的反射镜装置，其特征在于，每个条形结构的宽度L₁与相邻条形结构的间距L₂之间的比例满足1:1。

4.根据权利要求2所述的用于制备DFB激光器相移光栅的反射镜装置，其特征在于，所述的增透膜的周期为DFB激光器的腔长，该增透膜的周期为条形结构的宽度L₁与相邻条形结构的间距L₂之和。

5.根据权利要求2所述的用于制备DFB激光器相移光栅的反射镜装置，其特征在于，所述的增透膜的厚度为d与增透膜的折射率为n之间的关系满足其中λs为全息曝光的紫外激光波长，θ为入射角。

6.根据权利要求4所述的用于制备DFB激光器相移光栅的反射镜装置，其特征在于，所述的增透膜的厚度为100~200nm，增透膜的折射率为1.4~1.5。

7.一种用于制备DFB激光器相移光栅的反射镜装置的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：在基板上镀一层反射膜；

步骤二：将反射膜的表面涂敷光刻胶，进行曝光前烘烤；

步骤三：在涂有光刻胶的反射膜上进行光刻曝光，光刻曝光板的形状为条纹相间的透光部分和遮光部分，将透光部分的光刻胶完全曝光；

步骤四：将曝光后反射镜放入显影液中显影，显影完成后烘烤；

步骤五：在已烘烤后的光刻胶上蒸镀增透膜；

步骤六：蒸镀完成后去除光刻胶，完成反射镜装置的制备。

8.根据权利要求7所述的用于制备DFB激光器相移光栅的反射镜装置的制备方法，其特征在于，步骤一中所述的反射膜采用TiO₂和SiO₂的四层膜系，每层膜的厚度为75~100nm；步骤二中所述的光刻胶厚度为1～1.5μm，光刻胶为正性光刻胶。

9.根据权利要求7所述的用于制备DFB激光器相移光栅的反射镜装置的制备方法，其特征在于，步骤三中所述的透光部分和遮光部分的条形宽度比例满足1:5~5:1；所述的步骤四中的显影液为正性光刻胶显影液。

10.根据权利要求7所述的用于制备DFB激光器相移光栅的反射镜装置的制备方法，其特征在于，所述的增透膜的厚度为d与增透膜的折射率为n之间的关系满足

其中λs为全息曝光的紫外激光波长，θ为入射角。

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