CN103762497A - 基于重构-等效啁啾和等效半边切趾的dfb半导体激光器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于重构-等效啁啾（REC）和等效半边切趾的分布反馈式（DFB）半导体激光器的制备方法，所述激光器的光栅结构是基于重构-等效啁啾技术的取样布拉格光栅；光栅中的相移是通过等效啁啾技术设计引入的，称为等效相移，等效相移区的位置在取样光栅中心的+/-20%的区域范围内；有一个等效相移被引入到除0级外所有影子光栅中，切趾是通过沿激光器腔长方向逐渐改变取样光栅的取样结构即占空比的大小来等效地实现的，并且只在等效相移区的一侧取样光栅中引入等效切趾即所述的等效半边切趾。

Description

基于重构-等效啁啾和等效半边切趾的DFB半导体激光器及制备方法

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及光纤通信，光子集成芯片，光电传感以及其他光电信息处理，基于重构-等效啁啾和等效半边切趾的DFB半导体激光器及制备方法提出一种等效半边切趾的取样布拉格光栅的设计和制作的新思路，是一种基于重构-等效啁啾和等效半边切趾的取样布拉格光栅及其在DFB半导体激光器和光子集成芯片中的应用。

背景技术

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。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-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[1]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 thesampling period and its application indispersion 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[2、3]。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[4]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。

与此同时，文献[5、6]和陈向飞，段玉喆，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）和施跃春、陈向飞、李思敏等的发明专利“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”（申请号：200910264486）中研究了光纤光栅和平面波导布拉格光栅的等效切趾技术，文献[5、6]中的结果表明，如果改变取样布拉格光栅的占空比，切趾会等效地引入取样光栅的子光栅中，而无需改变实际种子光栅的折射率调制强度和光栅周期。

无论是分布反馈式半导体激光器还是光纤光栅激光器，我们都希望在泵浦功率相同的情况下，尽可能获得较高的有效输出功率，提高对泵浦功率的利用率，节约能源。通常可以将不对称结构引入到λ/4相移激光器中使从激光器一端面输出的激光功率增大。常用的不对称结构有：1）λ/4相移的位置偏离DFB半导体激光器中心，2）λ/4相移左右两段的耦合系数不相等，3）两端面的反射率大小不对称。而耦合系数取决于波导参数，很难分离控制。另外，如果激光器是分离器件，可以通过在激光器其中一端面镀上高反膜，另一端面上镀增透膜的方式来分配激光器两个端面的输出激光功率，但高反膜会带来随机相位的影响，随机相位对激光器产生的负面影响是无法控制的，目前尚未解决随机相位的负面作用。而且对于光子集成芯片(PIC)来说，各种器件如监测器、激光器、调制器、复用器等通过选择区域外延生长技术或对接生长技术集成在一起的，无法通过镀膜的方法来改变DFB半导体激光器两端面的输出功率之比。

所以迫切需要新的方法来改变激光器的两端面输出激光功率之比，增大其中一端面的输出功率。本发明所述的基于重构-等效啁啾（REC）和等效半边切趾的分布反馈式（DFB）半导体激光器的制备方法，就能在既不改变λ/4相移左右两段的耦合系数又不镀高反射膜的情况下实现增大激光器端面输出功率的目的，本发明只需调整相移区右侧取样光栅的切趾程度，就能改变激光器两端面的输出激光功率之比，增大其中一端面的有效输出激光功率。

[1]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。

[2]陈向飞，“基于重构-等效啁啾技术制备半导体激光器的方法及装置”，中国发明申请：CN200610038728.9，国际PCT专利，申请号PCT/CN2007/000601.

[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”，中国发明专利,申请号：CN200410007530.5。

[4]YitangDai,XiangfeiChen,LiXia,YejinZhang,and Shi zhongXieSampledBragggrating with desired response in one channel by use of reconstruction algorithmand equivalent chirp(利用重构技术与等效啁啾实现在取样布拉格光栅的单一信道内的任意反射响应)，Optics Letters，2004,29(12)1333-1335。

[5]JingsiLi,HuanWang,XiangfeiChen,ZuoweiYin,YuechunShi,YangqingLu,Yitang Dai 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]周亚亭，陈向飞，一种非对称取样光栅半导体激光器装置及其制作方法，中国发明专利，申请号：201210047346.8。

[7]XuhuiLi,XiangfeiChen,YuzheYin,ShizhongXie,A novel apodizationtechnique of variable duty cycle for sampled grating(一种通过改变取样光栅的占空比的新颖切趾技术)Optics communications,2003,225:301-305。

[8]Yuechun Shi,Simin Li,Jingsi Li,LinghuiJia,Shengchun Liu,XiangfeiChen，An apodized DFB semiconductor laser realized by varying duty cycle ofsampling Bragg grating and Reconstruction-equivalent-chirp technology.OpticsCommunications,2010,283(9)：1840-1844.

[9]G.Morthier,K.David,P.vankwikelberge,andR.Baets,A newDFB-laserdiodewithreduced spatial hole burning,IEEE photonics technologyletters,1990,2(6):388-390。

[10]Geert Morthier and RoelBaets,Design of index-coupled DFB lasers withreduced longitudinal spatial hole burning,Journal of light wavetechnology,1991,9(10):1305-1313．

[11]周亚亭 施跃春 李思敏 贾凌慧 刘盛春 陈向飞，基于特殊等效相移的DFB半导体激光器:中国发明专利，申请号：201010280999.1。

[12]Yating Z.,Yuechun S.,Simin L.,et.al.Asymmetrical Samplingstructureto improvethe single-longitudinal-mode propertybasedonreconstruction-equivalent-chirp technology[J].Optics Letters,2010,35(18):3123-3125.

[13]Yating Z.,Yuechun S.,Xiangfei C.,et.al.Numerical Study of anAsymmetric Equivalentλ/4 Phase Shift Semiconductor Laser for Use in LaserArrays[J].IEEE Journal of QuantumElectronics,2011,47(5):534-540.

[14]刘建国,郭锦锦,黄宁博,et.al.基于非对称相移光栅的窄线宽DFB半导体激光器，中国发明专利，申请号：201310019361.6。

[15]刘泓波,赵玲娟,潘教青,et.al.取样光栅分布布拉格反射半导体激光器的制作方法，中国发明专利，申请号：200810116039.4。

发明内容

本发明的目的是，为了解决在单个半导体激光器和光子集成芯片中实现从激光器两个端面输出不同激光功率的技术问题，而提出一种基于重构-等效啁啾（REC）和等效半边切趾的DFB半导体激光器及制备方法，实现在半导激光器的一个端面输出较强功率的激光。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：基于重构-等效啁啾（REC）和等效半边切趾的DFB半导体激光器的制备方法，该激光器的光栅结构是基于重构-等效啁啾技术的取样布拉格光栅；光栅中的相移是通过等效啁啾技术设计引入的，称为等效相移，等效相移区的位置在取样布拉格光栅中心的+/-20%的区域范围内。有一个等效相移被引入到除0级外所有子光栅中，在第m级子光栅的光栅周期可以表示为:

${\mathrm{\Λ}}_m=\frac{{\mathrm{\Λ}}_{0}P}{m{\mathrm{\Λ}}_0+P}---\left(1\right)$

其中，P是取样光栅的取样周期，Λ₀是种子光栅的光栅周期；第m级影子光栅的布拉格波长可表示为：

${\mathrm{\λ}}_m=2n_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\Λ}}_m=\frac{2n_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\Λ}}_{0}P}{m{\mathrm{\Λ}}_0+P}---\left(2\right)$

其中，n_eff是材料的有效折射率；切趾是通过沿激光器腔长方向逐渐改变取样光栅的取样结构即占空比的大小来等效地实现的，并且只在等效相移区的一侧取样光栅中引入等效切趾即所述的等效半边切趾。

进一步，如果取样结构的取样形式是周期性的方波，在取样光栅的第±1级子光栅中，折射率调制强度和取样占空比的关系为：

$\mathrm{\Δ}{n}_{\±1}=\mathrm{\Δ}{n}_s\×\frac{\sin \left(\mathrm{\π\γ}\right)}{\mathrm{\π}}---\left(3\right)$

取样占空比取0.5时，第±1级子光栅中折射率调制强度最大，对第±1级子光栅布拉格波长的反馈作用最强；占空比偏离0.5越多，第±1级子光栅中折射率调制强度越小，则对第±1级子光栅布拉格波长的反馈作用越弱。

进一步，等效相移区将DFB半导体激光器有源区上方的取样光栅分成两段：等效相移区左侧取样光栅的取样占空比在[0.4,0.6]内取某一恒定值；右侧沿激光器腔长方向逐渐改变取样光栅的取样结构即占空比的大小，而且占空比可以在0到0.5之间或则在0.5到1.0之间逐渐变化；占空比取恒定值的左侧取样光栅的等效折射率调制强度大于占空比在一定范围内逐渐变化的右侧取样光栅的等效折射率调制强度的平均值。

进一步，占空比恒定的左侧取样光栅的反射率大于占空比变化的右侧取样光栅的反射率，左侧的取样光栅段视为高反射率的全反镜，右侧的取样光栅段可视为低反射率的输出镜。

进一步，所述的取样布拉格光栅是在种子光栅的周期、折射率调制恒定，取样周期相同的条件下制作的取样布拉格光栅；种子光栅通过全息干涉曝光法、双光束干涉法、电子束或纳米压印法制作。

所述的基于重构-等效啁啾（REC）和等效半边切趾的DFB半导体激光器，该激光器的光栅结构是基于重构-等效啁啾技术的取样布拉格光栅；光栅中的相移是通过等效啁啾技术设计引入的，称为等效相移，等效相移区的位置在取样光栅中心的+/-20%的区域范围内；有一个等效相移被引入到除0级外所有影子光栅中，在第m级影子光栅的光栅周期可以表示为:

${\mathrm{\Λ}}_m=\frac{{\mathrm{\Λ}}_{0}P}{m{\mathrm{\Λ}}_0+P}---\left(1\right)$

其中，P是取样光栅的取样周期，Λ₀是种子光栅的光栅周期；第m级影子光栅的布拉格波长可表示为：

${\mathrm{\λ}}_m=2n_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\Λ}}_m=\frac{2n_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\Λ}}_{0}P}{m{\mathrm{\Λ}}_0+P}---\left(2\right)$

其中，n_eff是材料的有效折射率；切趾是通过沿激光器腔长方向逐渐改变取样光栅的取样结构即占空比的大小来等效地实现的，并且只在等效相移区的一侧取样光栅中引入等效切趾即所述的等效半边切趾；等效相移区将DFB激光器有源层上方的取样光栅分成两段：等效相移区左侧的取样占空比恒定不变；右侧沿激光器腔长方向逐渐改变取样占空比的大小。

进一步的，重构-等效啁啾技术选用取样光栅的第±1级子光栅之一作为激射信道。为了保证只有目标信道波长被激射而零级信道不被激射，在选择制作激光器的半导体材料时把半导体材料的增益区中心设置在所选择的激射信道布拉格波长处而远离零级信道布拉格波长。

进一步的，占空比取恒定值的左侧取样光栅的等效折射率调制强度大于占空比在一定范围内逐渐变化的右侧取样光栅的等效折射率调制强度的平均值。

进一步的，占空比恒定的左侧取样光栅的反射率大于占空比变化的右侧取样光栅的反射率，左侧的取样光栅段可视为高反射率的全反镜，右侧的取样光栅段可视为低反射率的输出镜，从反射率较低的一端获得较大的有效输出光功率。

进一步的，只需要改变取样周期P的大小，就能改变影子光栅的布拉格波长进而改变激光器的激射波长，实现任意波段激光器的制作，所以基于重构-等效啁啾（REC）和等效半边切趾的分布反馈式（DFB）半导体激光器的制备方法可以用于DFB半导体激光器阵列的制备。

进一步，如果取样结构是周期性的方波，在一个取样光栅中，除0级以外的任意一级子光栅中，第±1级子光栅中的折射率调制强度最大，所以在重构-等效啁啾技术中通常选用第±1级子光栅之一作为激射信道。在取样光栅的第±1级子光栅中，折射率调制强度和取样占空比的关系为：

$\mathrm{\Δ}{n}_{\±1}=\mathrm{\Δ}{n}_s\×\frac{\sin \left(\mathrm{\π\γ}\right)}{\mathrm{\π}}---\left(3\right)$

Δn_±1是取样光栅第±1级子光栅中折射率调制强度，Δn_s是种子光栅的折射率调制强度，γ是取样占空比。占空比取0.5时，第±1级子光栅中折射率调制强度最大，对第±1级子光栅布拉格波长的反馈作用最强。占空比偏离0.5越多，第±1级子光栅中折射率调制强度越小，则对第±1级子光栅布拉格波长的反馈作用越弱。所以改变取样占空比，第±1级子光栅中折射率调制强度随之改变。

等效相移区左侧的取样占空比在[0.4,0.6]内取某一恒定值；右侧取样占空比可以在0到0.5之间或则在0.5到1.0之间逐渐变化。占空比取恒定值的左侧取样光栅的等效折射率调制强度大于占空比在一定范围内逐渐变化的右侧取样光栅的等效折射率调制强度的平均值，所以占空比恒定的左侧取样光栅的反射率大于占空比变化的右侧取样光栅的反射率，左侧的取样光栅段可视为高反射率的全反镜，右侧的取样光栅段可视为低反射率的输出镜，从反射率较低的一端获得较大的有效输出光功率。

本发明的有益效果是：将低制造成本的重构-等效啁啾（REC）和等效半边切趾技术在取样布拉格光栅这个共同的技术平台上有效合理地结合起来，提出基于重构-等效啁啾和等效半边切趾的分布反馈（DFB）式半导体激光器的制备方法，本发明所述方法制备的激光器的优点有：（1）通常采用在DFB半导体激光器的一个端面上镀高反射膜（HR），另一端面镀增透膜（AR）的方法来增大端面的输出激光功率，但是高反膜必将产生随机相位，随机相位对DFB半导体激光器产生的负面影响是无法避开的，本发明所述的基于重构-等效啁啾和等效半边切趾的DFB半导体激光器在不镀高反膜的条件下就能增大其中一端面的有效输出激光功率。（2）对于集成监测器阵列、激光器阵列、调制器阵列、功率均衡器阵列和复用器等的光子集成芯片来说，是通过选择区域外延生长技术或对接生长技术制作而成的，无法通过镀高反膜的方式来增大激光器的有效输出光功率，而本发明所述的基于重构-等效啁啾和等效半边切趾的DFB半导体激光器的制备方法就可以用在这种高度集成的光子集成芯片中来提高有效的输出激光功率。（3）本发明所述的基于重构-等效啁啾和等效半边切趾的DFB半导体激光器，能够在泵浦功率相同的情况下，输出更多的有效激光功率，提高泵浦功率的利用率，提高激光器的工作性能，节约能源。本发明所述的取样光栅DFB半导体激光器在两端面不镀膜的情况下，通过使取样布拉格光栅的等效相移区右侧的取样占空比逐渐变化，来实现激光器两个端面输出功率大小不等的激光，并通过调节右侧占空比的变化程度，来改变激光器左右端面输出激光功率的比例，增大其中一端面的有效输出激光功率。

附图说明

图1、取样光栅的第±1级子光栅的折射率调制强度和取样占空比关系的示意图。

图2、基于重构-等效啁啾技术的特殊等效相移的取样掩模版示意图。

图2-1占空比恒定的取样掩模版;图2-2等效半边切趾的取样掩模版；图2-3等效半边切趾的取样掩模版。

图3、本发明所述的基于重构-等效啁啾和等效半边切趾技术的取样光栅的第-1级子光栅的透射谱和不切趾的取样光栅的第-1级子光栅的透射谱。

图4、基于重构-等效啁啾和等效半边切趾技术的取样光栅的制作示意图。其中图4-1种子光栅的制作示意图，图4-2本发明所述的取样光栅的制作示意图。

具体实施方式

本发明希望达到的目的是，把重构-等效啁啾技术（REC）和等效半边切趾技术在取样光栅这个共同的技术平台上有效合理地结合起来，设计、制作出可以增大DFB半导体激光器端面有效输出光功率的平面取样布拉格光栅，提出制造DFB半导体激光器的新思路、新工艺。

1、基于重构-等效啁啾和等效半边切趾增加激光器端面有效输出光功率的原理和方法

在本发明所述的基于重构-等效啁啾和等效半边切趾的DFB半导体激光器及制备方法中，激光器的光栅结构是基于重构-等效啁啾技术的取样布拉格光栅，光栅中的相移是通过等效啁啾技术设计引入的，称为等效相移，等效相移区的位置在取样光栅中心的+/-20%的区域范围内，等效相移区将DFB激光器有源层上方的取样光栅分成左右两段：等效相移区左侧的取样占空比在[0.4,0.6]内取某一恒定值不变；右侧沿激光器腔长方向逐渐改变取样光栅的取样结构即占空比的大小，而且占空比可以在0到0.5之间或则在0.5到1.0之间逐渐变化。

由公式（3）和图1可知，在种子光栅的折射率调制强度确定的情况下，取样占空比为0.5时，取样光栅的第±1级子光栅中折射率调制强度最大；当取样占空比不等于0.5时，取样占空比偏离0.5越多，取样光栅的第±1级子光栅中折射率调制强度越小。相应地，对第±1级子光栅布拉格波长激光的反馈作用，在取样占空比等于0.5时最大；取样占空比偏离0.5越多则越小。本发明所述的基于重构-等效啁啾和等效半边切趾的DFB半导体激光器中，左右两侧取样光栅对它们第±1级子光栅布拉格波长激光的反馈作用不同。左侧取样光栅的第±1级子光栅中折射率调制强度大于右侧取样光栅的第±1级子光栅中折射率调制强度的平均值。

本发明所述的基于重构-等效啁啾和等效半边切趾的DFB半导体激光器，等效相移左侧光栅的折射率调制强度较大，对取样光栅的第±1级子光栅布拉格波长激光的反馈作用大，右侧光栅的平均折射率调制强度较小，对第±1级子光栅布拉格波长激光的反馈作用较小。在等效相移区附近建立的激光振荡，可以认为，在向左和向右传输的光场被左右两段取样光栅段束缚在光栅内等效相移的附近，并在形成的有效谐振腔内振荡。相移左侧的取样光栅段视为高反射率的全反射镜，相移右侧的光栅段视为低反射率的输出镜，则能从右侧获得更大功率的激光输出。改变等效相移右侧光栅的等效切趾程度，可以改变激光器两端面输出激光功率占总功率的比例，增大右端面的有效输出激光功率。

在实际工艺中，用基于重构-等效啁啾和等效半边切趾的DFB半导体激光器的制备方法时，为了获得激光器的最佳性能，等效相移左侧的取样占空比常选用0.5，右侧取样光栅的等效切趾程度根据激光器的具体参数，如腔长、种子光栅的折射率调制强度、取样光栅的取样周期、激光器两端面输出激光功率之比等来确定。

本发明制作的半导体激光器的激射波长由公式（2）决定，所以在种子光栅周期不变的情况下，只要改变取样周期P的大小，就能改变激光器的激射波长，所以可以将本发明所述的方法用于制备多波长半导体激光器阵列。

2、基于重构-等效啁啾和等效半边切趾的DFB半导体激光器的制备

基于重构-等效啁啾和等效半边切趾的DFB半导体激光器的制作过程可以参考专利文献[15]刘泓波,赵玲娟,潘教青等.取样光栅分布布拉格反射半导体激光器的制作方法，中国发明专利，申请号：200810116039.4的制作步骤和示意图1-6.

(1)本发明所述取样光栅的制作，具体方法：

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）基于重构-等效啁啾和等效半边切趾的DFB半导体激光器的制备

基于重构-等效啁啾和等效半边切趾的DFB半导体激光器的结构：n电极、n型InP衬底材料、外延n型InP缓冲层、非掺杂晶格匹配InGaAsP下限制层、应变InGaAsP多量子阱有源层、非掺杂晶格匹配InGaAsP上限制层、基于REC技术的等效半边切趾取样光栅、二次外延生长的p型InP层和p型InGaAs的欧姆接触层和p电极。

下面描述工作波长在1550nm范围，基于重构-等效啁啾和等效半边切趾的等效特殊λ/4相移DFB半导体激光器的制备。

掩膜板制作：使用普通微电子工艺制作含有等效半边切趾-等效λ/4相移所需的取样周期分布的掩模板。

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。

利用本发明所述的基于重构-等效啁啾和等效半边切趾的DFB半导体激光器的制备方法，可以用于单片集成DFB半导体激光器阵列的制备。单片集成半导体激光器阵列的工艺技术问题在中国发明专利“单片集成半导体激光器阵列的制造方法及装置”（CN200810156592.0）中已经得到解决。此外本发明除了可以用于DFB半导体激光器的制备还可以用于DFB光纤激光器的制备。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于重构-等效啁啾（REC）和等效半边切趾的分布反馈式（DFB）半导体激光器的制备方法，其特征是所述激光器的光栅结构是基于重构-等效啁啾技术的取样布拉格光栅；光栅中的相移是通过等效啁啾技术设计引入的，称为等效相移，等效相移区的位置在取样光栅中心的+/-20%的区域范围内；有一个等效相移被引入到除0级外所有影子光栅中，在第m级影子光栅的光栅周期表示为:

${\mathrm{\Λ}}_m=\frac{{\mathrm{\Λ}}_{0}P}{m{\mathrm{\Λ}}_0+P}---\left(1\right)$

其中，P是取样光栅的取样周期，Λ₀是种子光栅的光栅周期；第m级影子光栅的布拉格波长可表示为：

${\mathrm{\λ}}_m=2n_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\Λ}}_m=\frac{2n_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\Λ}}_{0}P}{m{\mathrm{\Λ}}_0+P}---\left(2\right)$

其中，n_eff是材料的有效折射率；切趾是通过沿激光器腔长方向逐渐改变取样光栅的取样结构即占空比的大小来等效地实现的，并且只在等效相移区的一侧取样光栅中引入等效切趾即所述的等效半边切趾。

2.根据权利要求1所述的基于重构-等效啁啾（REC）和等效半边切趾的分布反馈式（DFB）半导体激光器的制备方法，其特征在于如果取样结构是周期性的方波，在第±1级取样子光栅中，折射率调制强度和取样占空比的关系为：

$\mathrm{\Δ}{n}_{\±1}=\mathrm{\Δ}{n}_s\×\frac{\sin \left(\mathrm{\π\γ}\right)}{\mathrm{\π}}---\left(3\right)$

Δn_±1是取样光栅第±1级子光栅中折射率调制强度，Δn_s是种子光栅的折射率调制强度，γ是取样占空比；取样占空比取0.5时，第±1级子光栅中折射率调制强度最大，对第±1级子光栅布拉格波长的反馈作用最强；选用取样光栅的第±1级子光栅之一作为激射信道；占空比偏离0.5越多，第±1级子光栅中折射率调制强度越小，则对第±1级子光栅布拉格波长的反馈作用越弱。

3.根据权利要求1-2之一所述的基于重构-等效啁啾（REC）和等效半边切趾的分布反馈式（DFB）半导体激光器的制备方法，其特征在于等效相移区将DFB半导体激光器有源层上方的取样光栅分成两段：等效相移区左侧取样光栅的取样占空比在[0.4,0.6]内取某一恒定值不变；右侧沿激光器腔长方向逐渐改变取样光栅的取样结构即占空比的大小，而且占空比可以在0到0.5之间或则在0.5到1.0之间逐渐变化；占空比取恒定值的左侧取样光栅的等效折射率调制强度大于占空比在一定范围内逐渐变化的右侧取样光栅的等效折射率调制强度的平均值。

4.根据权利要求3所述的基于重构-等效啁啾（REC）和等效半边切趾的分布反馈式（DFB）半导体激光器的制备方法，其特征在于占空比恒定的左侧取样光栅的反射率大于占空比变化的右侧取样光栅的反射率，左侧的取样光栅段可视为高反射率的全反镜，右侧的取样光栅段能视为低反射率的输出镜。

5.根据权利要求1-4之一所述的基于重构-等效啁啾（REC）和等效半边切趾的分布反馈式（DFB）半导体激光器的制备方法，其特征在于所述的取样布拉格光栅是在种子光栅的周期、折射率调制恒定，取样周期相同的条件下，制作的取样布拉格光栅；种子光栅可以通过全息干涉曝光法、双光束干涉法、电子束或纳米压印法制作。

6.根据权利要求1-5之一所述的基于重构-等效啁啾（REC）和等效半边切趾的分布反馈式（DFB）半导体激光器，其特征是此激光器的光栅结构是基于重构-等效啁啾技术的取样布拉格光栅，光栅中的相移采用等效啁啾技术设计引入的，称为等效相移，等效相移区的位置在取样光栅中心的+/-20%的区域范围内；有一个等效相移被引入到除0级外所有影子光栅中，在第m级影子光栅的光栅周期表示为:

${\mathrm{\Λ}}_m=\frac{{\mathrm{\Λ}}_{0}P}{m{\mathrm{\Λ}}_0+P}---\left(1\right)$

其中，P是取样光栅的取样周期，Λ₀是种子光栅的光栅周期；第m级影子光栅的布拉格波长可表示为：

${\mathrm{\λ}}_m=2n_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\Λ}}_m=\frac{2n_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\Λ}}_{0}P}{m{\mathrm{\Λ}}_0+P}---\left(2\right)$

其中，n_eff是材料的有效折射率；切趾是通过沿激光器腔长方向逐渐改变取样光栅的取样结构即占空比的大小来等效地实现的，并且只在等效相移区的一侧取样光栅中引入等效切趾即所述的等效半边切趾。

7.根据权利要求6所述的基于重构-等效啁啾（REC）和等效半边切趾的分布反馈式（DFB）半导体激光器，其特征在于选用取样光栅的第±1级子光栅之一作为激射信道。

8.根据权利要求6所述的基于重构-等效啁啾（REC）和等效半边切趾的分布反馈式（DFB）半导体激光器，其特征在于在选择制作激光器的半导体材料时把半导体材料的增益区中心设置在所选择的激射信道布拉格波长处而远离零级信道布拉格波长。

9.根据权利要求6所述的基于重构-等效啁啾（REC）和等效半边切趾的分布反馈式（DFB）半导体激光器，其特征在于占空比取恒定值的左侧取样光栅的等效折射率调制强度大于占空比在一定范围内逐渐变化的右侧取样光栅的等效折射率调制强度的平均值。

10.根据权利要求6所述的基于重构-等效啁啾（REC）和等效半边切趾的分布反馈式（DFB）半导体激光器，其特征在于当取样占空比恒定的左侧光栅的反射率大于占空比变化的右侧光栅的反射率，左侧的取样光栅段能视为高反射率的全反镜，右侧的取样光栅段能视为低反射率的输出镜，从反射率较低的一端获得较大的有效输出光功率。

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