CN103545710A - 多周期调制结构分布反馈半导体激光器及方法 - Google Patents
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Abstract
多周期调制（MCPM）分布反馈（DFB）半导体激光器，其特征是采用多段周期调制布拉格光栅结构，即在均匀光栅的不同位置处插入多段周期调制光栅多段周期调制光栅的周期大于均匀光栅的周期；多段是二段以上；在均匀光栅的不同位置处插入的多段周期调制光栅的周期是相同的，但是长度可以相同或不同。该发明利用多段周期调制结构，使得沿着腔长分布的载流子密度和场强分布更加均匀，助于抑制空间烧孔效应（SHB），而是激光器保持稳定的单模特性。基于REC技术的多周期调制结构的DFB半导体激光器，采用采样布拉格光栅对于普通布拉格光栅的等效光栅来实现多周期调制结构，降低了工艺的复杂程度，也提高了成品率。
Description
一、技术领域
本发明属于光电子技术领域，涉及光电子集成，光电传感以及其他光电信息处理领域。是一种基于特殊光栅结构的分布反馈（DFB）半导体激光器抑制空间烧孔效应从而制备大功率单模激光器的方法和器件。
二、技术背景
在现代光通信系统中，对于器件的集成度要求越来越高，使得光电子集成芯片成为了发展的趋势。由于单模特性好、体积小、便于阵列集成等优势，分布反馈（DFB）半导体激光器成为最重要的有源光通信器件之一。[1]目前最常见的DFB半导体激光器是λ/4相移激光器。这种激光器是在均匀光栅中心引入一个π相移区，消除左右两边均匀光栅的双模简并，从而实现单模激射。虽然这种激光器拥有模式阈值增益大的优势，但是由于相移区的场强大，载流子密度不均，会因为空间烧孔（SHB）效应而使得单模特性遭到破坏。文献[2-5]提出了一些DFB半导体激光器抑制SHB效应的方法，比如：相位调制DFB半导体激光器，多相移DFB半导体激光器，周期调制DFB半导体激光器，无相移增透膜DFB半导体激光器等等。本发明是利用多段周期调制光栅来使得场强沿着激光器腔体的分布更加平缓，载流子密度分布更加均匀，从而更好的抑制SHB效应，所加的调制电流可以远高于阈值，使得激光器再更高的电流下才饱和，便于制备大功率单模半导体激光器。由于多周期调制光栅的周期调制区域和非周期调制区域的光栅周期都是纳米量级的，而且差别只有10纳米左右，这对加工精度提出了很高的要求，加工成本也不低。文献[6]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）提出了利用重构-等效啁啾（REC）技术实现复杂结构的DFB半导体激光器。使用该技术，可以用一步全息曝光和一步普通微米量级的接触式曝光来代替纳米量级的电子束曝光，从而大大降低了生产成本。因此，作者还提出基于重构-等效啁啾（REC）技术来实现多周期调制DFB半导体激光器。我们在设计时，使+1级信道（0级布拉格中心波长左边的反射峰）处于增益区，0级信道远离增益区，致使+1级信道发生激射，而0级信道不激射。而且此方法的精度放宽到微米量级，便于进一步减小误差，阵列波长做的更加准确，单模效应更好。在未来高速大容量的光通讯系统中，尤其是光电子集成芯片中，我们相信，本发明有助于提供成本低、单模特性稳定、高成品率、高速调制的DFB半导体激光器阵列。
现有技术文献参见如下：
[1]Duan P,Chen L,Zhang S,et al.All-optical2R regeneration based on self-inducedpolarization rotation in single semiconductor opticalamplifier.(Chinese Sci Bull,2009)54:3704—3708.
[2]M.OKAI,N.CHINONE,Corrugation-pitch-modulated phased-shifted DFBlaser(Photonics Technology Letters,1989)VOL.1,NO.8
[3]HARUHISA SODA,YUJI KOTAKI,HISAO SUDO,HIROSHI ISHIKAWA,SIGEYUKI YAMAKOSHI.Stability in single longitudinal mode operation inGaInAsP/InP phase-adjusted DFB lasers(Journal of Quantum Electronics,1987)VOL.QE-23,NO.6.
[4]T.MAKINO.Analysis of the spontaneous emission rate of multiple-phase-shiftdistributed feedback semiconductor lasers(Electronics Letters,1990)Vol.26No.10
[5]G.Morthier,P.Vankwikelberge,K.David,and R.Baets.Improved Performanceof AR-Coated DFB Lasers by the Introduction of Gain Coupling(IEEEPhotonicsTechnology Letters,1990)VOL.2,No.3
[6]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
[7]Y.Dai and J.Yao,Numerical study of a DFB semiconductor laser and laser arraywith chirped structure based on the equivalent chirp technology(IEEE J.Quantum.Electron,2008)vol.44,no.10,pp.938-945
[8]Shi Yuechun,Tuxinghua,Li Simin,Zhou Yating,Numerical study of three phasephase shifts and dual corrugation pitch modulated(CPM)DFB semiconductor lasersbased on reconstruction equivalent chirp technology(Chinese Science Bulletin2010)Vol.55,No.35.
[9]Kimura T,Sugimura A.“Coupled phase-shift distributed-feedback semiconductorlasers for Narrow linewidth operation”(IEEE J QuantumElectron1989)25:678—683
三、发明内容
本发明目的是，为提高单个DFB半导体激光器的单模特性和激射功率，提出了多周期调制结构（MCPM），而且为降低加工成本提出基于重构-等效啁啾（REC）技术的多周期调制结构（REC-MCPM），为DFB半导体激光器的设计和制造，提供了一种新的结构和工艺方法。也是提出基于重构-等效啁啾技术的多周期调制（REC-MCPM）分布反馈（DFB）半导体激光器抑制空间烧孔（SHB）的方法和装置。
本发明的技术方案是：多周期调制（MCPM）分布反馈（DFB）半导体激光器和方法，
多周期调制结构分布反馈半导体激光器的方法，采用多段周期调制布拉格光栅结构，即在均匀光栅的不同位置处插入多段周期调制光栅（多段周期调制光栅的周期大于均匀光栅的周期）。多段指两段以上。
在均匀光栅的不同位置处插入的多段周期调制光栅的周期是相同的，但是长度可以相同，也可以不同。
插入的周期调制光栅的周期为
其中Λ0为均匀光栅的周期，Λs为周期调制光栅周期，D为一段周期调制光栅长度，
为周期调制光栅等效的相移。每一段周期调制光栅对应一个等效相移。
DFB半导体激光器采用采样布拉格光栅结构，取样布拉格光栅含有对应普通布拉格光栅的等效光栅的等效光栅，分布反馈半导体激光器的激射波长在此采样布拉格光栅的等效光栅的作用带宽内，等效光栅由重构-等效啁啾技术来设计和制作，来在取样布拉格光栅上实现多周期调制结构。
把所需要的-1级或者+1级光栅或者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外，从而实现所需要的-1级或者+1级信道的单模激射。
在均匀采样光栅的不同位置处插入的多段周期调制采样光栅的周期是相同的，但是长度可以相同，也可以不同。
所述的多段周期调制采样光栅的周期大于均匀采样布拉格光栅周期的采样周期调制光栅的周期为
其中P0为均匀采样布拉格光栅的周期，Ps为周期调制光栅周期，D为一段周期调制光栅长度，Ψ为周期调制光栅等效的相移。
本发明的有益效果是：提高了DFB半导体激光器的单模特性和激射功率，为降低加工成本提出基于重构-等效啁啾（REC）技术的多周期调制结构（REC-MCPM）分布反馈（DFB）半导体激光器抑制空间烧孔（SHB）的方法和装置。
四、附图说明
图1：三相移光栅示意图；
图2：周期调制光栅示意图；
图3：多周期调制光栅示意图；
图4：CPM和MCPM DFB半导体激光器透射谱示意图；
图5：REC-MCPM光栅示意图；
图6：MCPM和REC-MCPM DFB半导体激光器透射谱示意图；
图7：D1:D2:D3=1:1:1,3:2:3,2:1:2,5:2:5,3:1:3时,REC-MCPM DFB半导体激光器的场强分布示意图；
图8：D1:D2:D3=1:1:1,3:2:3,2:1:2,5:2:5,3:1:3时,REC-MCPM DFB半导体激光器的激射光谱示意图；
图9：不同注入电流下REC-MCPM DFB半导体激光器的场强分布示意图；
图10：REC-CPM,REC-3PS和REC-MCPM DFB半导体激光器的场强分布示意图；
图11：REC-CPM,REC-3PS和REC-MCPM DFB半导体激光器的激射谱示意图；
图12：REC-CPM,REC-3PS和REC-MCPM DFB半导体激光器的PI曲线示意图；
图13：REC-CPM,REC-3PS和REC-MCPM DFB半导体激光器的FI曲线示意图；
图14：REC-MCPM的PI曲线实验测试结果；
图15：注入脉冲电流从30mA到80mA下，REC-л相移DFB半导体激光器的激射光谱；
图16：注入脉冲电流从30mA到80mA下，REC-MCPM DFB半导体激光器的激射光谱；
图17：注入脉冲电流从90mA到150mA下，REC-MCPM DFB半导体激光器的激射光谱；
图18：注入脉冲电流300mA下，REC-MCPM DFB半导体激光器的激射光谱。
五、具体实施方式
下面通过实施例来进一步阐明本发明方法及应用，而不是用这些实施例来限制本发明。
1、三相移（3PS）DFB半导体激光器，周期调制（CPM）DFB半导体激光器和多周期调制（MCPM）DFB半导体激光器；3PSDFB激光器的光栅（如图1）是在均匀光栅的1/4、1/2和3/4的位置处各插入2/3π等效相移,CPM DFB半导体激光器的光栅（如图2）是在均匀光栅中部插入一段周期略大于原周期的均匀光栅。以上两种激光器相比于λ/4相移激光器，其场强分布的均匀性有了明显改善，在一定程度上抑制了SHB效应。而本发明（MCPM DFB半导体激光器）的光栅（如图3）是在均匀光栅的总长度的1/4、1/2和3/4的位置处分别引入一段周期略大于原周期的周期调制光栅，使得场强分布和载流子密度沿着激光器腔体分布更加均匀，进一步抑制了SHB效应，有助于进一步提高激光器的单模特性。
周期大于均匀光栅的周期调制光栅的周期为
其中Λ0为均匀光栅的周期，Λs为周期调制光栅周期，D为周期调制光栅长度，
为周期调制光栅等效的相移。
在这里的仿真，激光器的腔长为400微米，有效折射率为3.2524，占空比为0.5，均匀光栅周期为202.0nm，周期调制光栅周期为202.1nm。CPM DFB激光器的周期调制区域长度为200微米，MCPM DFB激光器的三段周期调制区域的总长为200微米（三个D的长度）。如图4所示，为CPM光栅和MCPM光栅的透射谱比较。从图中可以看出，CPM光栅透射谱的凸起在左边，左右不对称；MCPM光栅透射谱的凸起在右边，左右也不对称。这两种光栅透射谱的不对称对于SHB效应都有一定的抑制作用，而MCPM光栅的透射谱比CPM光栅的不对称性更强，能进一步抑制SHB效应。2、多周期调制（MCPM）DFB半导体激光器和基于重构-等效啁啾技术的多周期调制（REC-MCPM）DFB半导体激光器
用重构-等效啁啾（REC）技术来制作DFB半导体激光器的光栅，是将精度控制要求严格的MCPM光栅用等效的方法实现在取样光栅上。取样光栅的线宽是微米量级的，相比于原来一百多纳米线宽的实际光栅，提高了一个数量级，可以用普通的接触式曝光实现，而且便于批量生产。如图5为MCPM-REC光栅的示意图，3个周期调制（CPM）区域和周围均匀光栅区域由采样区分。周期调制区域的采样周期，大于非周期调制的采样周期。
由文献[6]可知，基于REC技术的DFB半导体激光器的折射率调制可由以下公式表示：
这里，m是傅里叶级数，Fm是m级傅里叶系数。j是虚数。Λm是m级傅里叶光栅周期。
Λm可表示为：
周期大于均匀采样光栅周期的采样周期调制光栅的周期为
其中P0为均匀光栅的周期，Ps为周期调制光栅周期，D为周期调制光栅长度，Ψ为周期调制光栅等效的相移。
我们用的是+1级或者-1级采样结构，即m=±1。我们将光栅的±1级激射谱置于所需波段，而起零级激射谱置于外延片的增益区之外，就是的REC激光器的±1级激射谱等效实现原光栅的零级激射谱。
在这里的仿真，我们采用+1级采样光栅为例，将多段周期调制区域的总长度设为200微米，各段周期调制区域的长度分别为D1，D2和D3，所用到的参数如表1所示。图6为MCPM光栅和MCPM-REC光栅的透射谱比较。在这里REC-MCPM DFB激光器和MCPM DFB激光器的透射谱类似，凸起均在透射谱右边。因此，REC-MCPM可以达到MCPM的效果。改变D1，D2和D3的长度，激光器的场强分布和激射光谱会有变化。在这里，我们设置D1=D3≠D2,D=D1+D2+D3=200μm。如图7和8，为D1:D2:D3=1:1:1,3:2:3,2:1:2,5:2:5,3:1:3时候，REC-MCPM DFB半导体激光器的场强分布和激射光谱。如图所示，D1:D2:D3=2:1:2时，激光器的场强分布相对较均匀，激射谱的边模抑制比（SMSR）也比较高。因此，在接下来的，我们采用的REC-MCPM DFB半导体激光器为D1:D2:D3=2:1:2的采样结构激光器。如图9，为不同注入电流条件下，光场强度沿着激光器腔长的分布图,注入电流改变光场强分布的特征保持不变，说明在较高的电流下，该结构的激光器依然能够保持均匀的场强分布，SHB效应不会明显。
3、基于REC技术的三相移（REC-3PS）DFB半导体激光器，周期调制（REC-CPM）DFB半导体激光器和多周期调制（REC-MCPM）DFB半导体激光器
我们以REC-3PS DFB半导体激光器和REC-CPM DFB半导体激光器作为仿真对比来进行REC-MCPM激光器的仿真。如图10为这三种激光器的场强分布，可以看到REC-MCPM DFB半导体激光器具有更均匀的场强分布。如图11为这三种激光器的激射谱，可以看出REC-MCPM DFB激光器和REC-CPM的SMSR类似，略高于REC-3PS的SMSR。如图12为这三种激光器的PI曲线，在20mA到30mA之间，这三种激光器的PI曲线都呈线性。
从参考文献[8,9]可知场强分布的平坦值为：
P(z)是腔体位置z处的归一化场强分布，L是腔体总长度。
是整个腔体的平均归一化场强分布。
如图13为不同的注入电流下激光器的平坦值曲线，平坦值越小，激光器的场强分布月均匀。从图上看出，随着注入电流的增大，激光器的平坦值减小。REC-CPM DFB半导体激光器和REC-3PS DFB半导体激光器的平坦值在0.053和0.027左右，而REC-MCPM DFB半导体激光器的平坦值仅为0.013左右。REC-MCPMDFB半导体激光器具有更加均匀的场强分布，可以进一步抑制SHB效应。
本实施例的半导体激光器的外延片是在N型InP基衬底上进行MOCVD生长InGaAsP/InP的外延片。有源层有InGaAsP的多量子阱结构（MQW）构成。光栅层位于有源层上方，激光器的前后两端都镀的是增透膜（AR-AR coating）。（具体的工艺流程在CN200610038728.9，国际PCT专利，申请号PCT、CN2007、000601，里有详细的描述，这里就赘述了）激光器的腔长为400微米，周期调制区域的总长度为200微米，D1=D3=80微米，D2=40微米。Ps=4.68μm，P0=4.7354μm。实验所测得的PI曲线如图14所示，激光器的阈值大约为12.5mA，当注入电流达到210mA时，激光器达到饱和。
作为对比，我们选取了一个腔长同为400微米的REC-л相移DFB半导体激光器进行测试分析。将此激光器的注入脉冲电流从30mA加到80mA，如图15-16所示。当电流不太大时，该激光器保持了很好的单模特性，SMSR均超过40dB。但是到70mA时，激光器的边模开始凸显，SMSR下降到32.22dB。到80mA时，出现双模，单模特性被完全破坏。而REC-MCPM激光器依然保持很好地单模特性，SMSR依然有44.63dB。可见，多周期调制结构对SHB效应有很好地抑制作用。虽然在实际运用中，电流不一定会加很大，但为了进一步考察多周期调制结构对于抑制SHB效应的作用效果，我们将注入脉冲电流逐步加到150mA（见图17），从图上看，REC-MCPMDFB半导体激光器依然保持单模特性。再将电流加到300mA，虽然激光器已经饱和，但是依然保持单模，可见该结构的DFB半导体激光器对于抑制SHB效应，有很好的作用效果。该结构有助实现通讯系统中的大功率单模DFB半导体激光器。
表1
| 腔长(L) | 400μm |
| 多段周期调制区域总长(D) | 200μm |
| 有效折射率(neff) | 3.2425 |
| 种子光栅周期(Λ) | 211.1nm |
| 非周期调制区域采样光栅周期(Po) | 4.68μm |
| 周期调制区域采样光栅周期(Ps) | 4.74μm |
| 采样占空比(γ) | 0.5 |
| 折射率调制强度(κ) | 75/cm |
| 线宽因子(βc) | 1.5 |
| 透明载流子浓度(Nt) | 1.2e18cm-3 |
| 限制因子(Г) | 0.3 |
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (6)
1.多周期调制（MCPM）分布反馈（DFB）半导体激光器，其特征是采用多段周期调制布拉格光栅结构，即在均匀光栅的不同位置处插入多段周期调制光栅多段周期调制光栅的周期大于均匀光栅的周期；多段是二段以上；
插入的周期调制光栅的周期为
其中Λ0为均匀光栅的周期，Λs为周期调制光栅周期，D为一段周期调制光栅长度，
为该周期调制光栅等效的相移。
2.根据权利要求1所述的多周期调制（MCPM）分布反馈（DFB）半导体激光器，其特征是在均匀光栅的不同位置处插入的多段周期调制光栅的周期是相同的，但是长度相同或不同。
3.基于重构-等效啁啾（REC）技术的多周期调制（MCPM）分布反馈（DFB）半导体激光器采用采样布拉格光栅结构。采样布拉格光栅含有对应普通布拉格光栅的等效光栅，分布反馈半导体激光器的激射波长在此采样布拉格光栅的等效光栅的作用带宽内，等效光栅由重构-等效啁啾技术来设计和制作，来在取样布拉格光栅上实现多周期调制结构；所需要的-1级或者+1级光栅或者信道设置在DFB半导体激光器的半导体材料的增益区内，0级信道设置在增益区外，从而实现所需要的-1级或者+1级信道的单模激射；
其特征是所述的多段周期调制采样光栅的周期大于均匀采样布拉格光栅周期的采样周期调制光栅的周期为
其中P0为均匀采样布拉格光栅的周期，Ps为周期调制光栅周期，D为一段周
期调制光栅长度，Ψ为周期调制光栅等效的相移。
4.根据权利要求3所述的基于REC技术的多周期调制（REC-MCPM）分布反馈（DFB）半导体激光器，其特征是在均匀采样光栅的不同位置处插入的多段周期调制采样光栅的周期是相同的，但是长度可以相同，也可以不同。
5.根据权利要求1－2之一所述的多周期调制（MCPM）分布反馈（DFB）半导体激光器，其特征是由所述MCPM DFB半导体激光器的单片集成阵列。
6.根据权利要求3－4之一所述的多周期调制（MCPM）分布反馈（DFB）半导体激光器，其特征是由所述REC-MCPM DFB半导体激光器的单片集成阵列。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105024279A (zh) * | 2015-06-16 | 2015-11-04 | 南京大学 | 一种阶梯相位布拉格光栅及其分布反馈半导体激光器的制备方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101034788A (zh) * | 2006-03-09 | 2007-09-12 | 南京大学 | 基于重构－等效啁啾技术制备半导体激光器的方法及装置 |
-
2013
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Patent Citations (1)
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| CN101034788A (zh) * | 2006-03-09 | 2007-09-12 | 南京大学 | 基于重构－等效啁啾技术制备半导体激光器的方法及装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN105024279A (zh) * | 2015-06-16 | 2015-11-04 | 南京大学 | 一种阶梯相位布拉格光栅及其分布反馈半导体激光器的制备方法 |
| CN105024279B (zh) * | 2015-06-16 | 2017-12-19 | 南京大学 | 一种阶梯相位布拉格光栅及其分布反馈半导体激光器的制备方法 |
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