CN103762500B - 基于重构‑等效啁啾的非对称等效切趾取样光栅及激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于重构‑等效啁啾技术的非对称等效切趾取样光栅及其DFB半导体激光器，激光器腔内的光栅是基于重构‑等效啁啾技术的取样光栅，该取样光栅结构中含有对应普通布拉格光栅的等效光栅，等效光栅中的相移由等效啁啾技术设计引入的，并在等效相移区左右两侧引入不同切趾程度的等效切趾段光栅；腔内取样光栅的切趾结构使折射率调制强度呈中间小，向两端逐渐增大的趋势，有效减弱空间烧孔效应，提高激光器在高功率工作时的单纵模稳定性；等效相移左右两侧的切趾程度不对称使光栅强度不对称，对光的反馈作用不相等，既能增加激光器在高功率工作时的频率稳定性，又能在激射功率一定的情况下增大端面有效输出激光功率。

Description

基于重构-等效啁啾的非对称等效切趾取样光栅及激光器

技术领域

本发明涉及光电子器件以及光子集成芯片领域，特别涉及一种基于重构-等效啁啾技术的非对称等效切趾取样布拉格光栅及其DFB半导体激光器。

背景技术

高功率、单纵模、窄线宽的分布反馈式（DFB）半导体激光器是现代光纤通信技术的核心光源。为了提高DFB半导体激光器的单纵模成品率，在激光器腔的中心位置引入λ/4相移，但是是λ/4相移结构使激光器的光场分布在腔的中心位置不连续，并在中心位置出现尖峰，中心部位光场的高度集中导致此处的载流子大量消耗，从而出现空间烧孔效应。空间烧孔效应改变了谐振腔内光反馈的强度和相位，引起增益谱的起伏波动，会导致对边摸抑制作用的减弱，光功率曲线呈现非线性，不能保证单纵模工作，线宽难以做得更窄。

为此，人们提出在腔中通过光栅周期调制来引入多相移或则在腔中心位置引入一段周期与两侧不同的光栅，即节距调制（Corrugation Pitch Modulated）DFB等方法来改善由于λ/4相移引入带来的空间烧空效应，如IEEE Journal of Quantum Electronics27(6):1767-1772提出的节距调制CPM-DFB,通过在激光器腔中心引入一段周期不同于两侧的光栅，实现了抑制空间烧空效应、高功率下稳定单模工作的目的。多相移和变节距方法的改进原理都是通过相移的调整（相移的位置或集散）使光场沿腔分布更加均匀，减小空间烧孔效应。还有一种基于幅度调制耦合（Amplitude modulated coupling）的相移DFB激光器，如ELECTRONICS LETTERS16^th July1992Vol.28No.15,通过制作不同形状的光栅来实现耦合系数和幅度增益的调制，达到抑制空间烧孔效应的目的。

另一方面，无论是DFB半导体激光器还是DFB光纤光栅激光器，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光功率，提高对泵浦功率的利用率，节约能源。为了增大激光器端面输出的激光功率，通常将不对称结构引入到λ/4相移激光器中。常见的不对称结构有：1）λ/4相移的位置偏离DFB激光器中心，如IEEE Journal of QuantumElectronics23(6):815-821,非对称λ/4相移InGaAsP/InP分布反馈式激光器，提出将λ/4相移偏离中心位置±10%，实现增大激光器端面有效输出光功率的目的；2）λ/4相移左右两段的耦合系数不相等，3）两出光端面的反射率大小不对称，通常采用在激光器其中一端面镀上高反膜（HR），另一端面上镀增透膜（AR）的方式来实现端面反射率的不对称，达到改变DFB半导体激光器两端面的输出功率之比的目的。

虽然这些结构都有效地改善了激光器的性能，但是由于光栅结构相当复杂，实际制作其起来比较困难且制作工艺复杂、效率较低，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[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 of sampled Bragg gratingswith chirp in the sampling period and its application in dispersionmanagement 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 Photonics Technology 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。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[6、7、11]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、李思敏等的中国发明专利“基于重构-等效啁啾和等效切趾技术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[6、7、11]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。

不难看出，以往的研究抑制空间烧孔效应和增大端面有效输出光功率是分别实现的，能抑制空间烧孔效应的特殊光栅结构往往不能增大端面有效输出光功率；能增大端面有效输出光功率的光栅结构又不能抑制空间烧孔效应甚至加剧空间烧孔效应，所以迫切需要一种既能抑制空间烧空效应又能增大端面有效输出光功率的新型光栅结构。

本发明提出一种基于重构-等效啁啾技术的非对称等效切趾取样光栅及其DFB半导体激光器，非对称等效切趾取样光栅是基于重构-等效啁啾技术的取样结构、通过等效啁啾技术设计引入等效相移，并在等效相移区左右两侧引入非对称-中间等效切趾，文献[11]研究表明中间等效切趾能够使光场分布更加均匀，达到抑制空间烧孔效应的目的。而切趾程度的非对称性能够增大端面有效输出光功率，所以非对称等效切趾取样光栅能用于制备单纵模、高端面输出激光的DFB半导体激光器。相比于光栅调制的方法，这种基于重构-等效啁啾技术的非对称等效切趾取样光栅及其DFB激光器的制作方法更简单、成本低、设计灵活。

文献引用：

[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,et.al.“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 ShizhongXieSampledBragg grating with desired response in one channel by use ofreconstruction algorithm and 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 DaiandHongliangZhu,Experimentaldemonstrationofdistributed 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]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。

[7]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.

[8]Dorothea W.Wiesmann,Christian David,Roland Germann,D.Erni,andGian-Luca Bona,"Apodizedsurface-corrugated gratings with varying duty cycle,"IEEE Photon.Tech.Lett.,12,639-641(2000).

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

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

[11]Yuechun Shi,Simin Li,RenjiaGuo,et.al.A novel concavely apodizedDFB semiconductor laser using common holographic exposure.Optics Express,Vol.21,Issue13,pp.16022-16028(2013).

[12]施跃春，陈向飞，李思敏，et.al.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，中国发明专利，申请号：200910264486.9。

[13]张灿，梁松，朱洪亮，et.al.抑制空间烧空效应的分布反馈激光器的制作方法，中国发明专利，申请号：201110356474.6。

[14]王恒，王宝君，朱洪亮.用于半导体器件中的取样光栅的制作方法，中国发明专利，申请号：2008101164793.4。

[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

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于重构-等效啁啾技术的非对称等效切趾取样光栅及其分布反馈式（DFB）半导体激光器，以解决在分布反馈式（DFB）半导体激光器中同时实现抑制空间烧孔效应和增大端面有效输出激光功率这一问题，从而实现在激射功率一定时增大激光器端面有效输出激光功率、抑制空间烧孔效应增加激光器在高功率工作时的单纵稳定性和压窄激光线宽的效果。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种基于重构-等效啁啾的非对称等效切趾取样光栅，该取样光栅为基于重构-等效啁啾（REC）技术设计的取样布拉格光栅结构，所述取样布拉格光栅结构中含有对应普通布拉格光栅的等效光栅，所述等效光栅中的相移通过等效相移设计引入，等效相移区的位置在取样布拉格光栅结构的中心位置，所述等效相移区两侧取样光栅中引入等效切趾长度相等、等效切趾因子大小不相等即切趾程度不同的等效切趾段光栅，即对整个取样结构进行非对称等效切趾。

切趾是通过在某段取样光栅中沿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，即等效切趾（Equivalent Apodization,EA），将占空比在一定数值范围内逐渐变化的那段取样光栅称为等效切趾段光栅，所以取样占空比恒定不变的那段取样光栅即为不切趾段光栅；等效切趾段光栅的长度称为等效切趾长度（the Length ofEquivalent Apodization，L_EA）；

不切趾段光栅的占空比通常选用最佳取样占空比（0.5），则等效切趾段光栅中占空比变化的起始值或终点值是0.5，并将等效切趾段光栅中占空比变化量的绝对值与最佳取样占空比(0.5)的比值定义为等效切趾因子(the Factor of Equivalent Apodization，F_EA)，并且0<F_EA<1；

同时，等效相移区的位置在取样布拉格光栅结构中心位置的+/-5%的区域范围内。

更进一步的，该取样光栅中不切趾段光栅的占空比选用最佳取样占空比0.5，设左侧等效切趾段光栅的等效切趾因子为F_EA1，右侧等效切趾段光栅的等效切趾因子为F_EA2，非对称等效切趾就是占空比变化量在等效相移区左右两侧的等效切趾段光栅中不相等；等效切趾段光栅中的占空比变化有以下两种方式：

（1）等效切趾段光栅的占空比在(0,0.5]内变化，即a,b∈(0,0.5]，左侧等效切趾段光栅占空比由0.5逐渐减小到a，右侧等效切趾段光栅占空比由b逐渐增大到0.5，如果a>b，则F_EA1<F_EA2；如果a<b，则F_EA1>F_EA2；

（2）等效切趾段光栅的占空比在[0.5,1）内变化，即a,b∈[0.5,1)，左侧等效切趾段光栅占空比由0.5逐渐增大到a,右侧等效切趾段光栅占空比由b逐渐减小到0.5，如果a<b，则F_EA1<F_EA2；如果a>b，则F_EA1>F_EA2。

更进一步的，取样布拉格光栅结构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。

本发明还提供了一种基于重构-等效啁啾的非对称等效切趾取样光栅制备的分布反馈式（DFB）半导体激光器，激光器腔内的光栅为基于重构-等效啁啾技术设计的取样布拉格光栅结构，所述取样布拉格光栅结构中含有对应普通布拉格光栅的等效光栅，所述等效光栅中的相移通过等效相移设计引入，等效相移区的位置在取样布拉格光栅结构的中心位置的+/-5%的区域范围内，所述等效相移区两侧取样光栅中引入等效切趾长度相等、等效切趾因子大小不相等的等效切趾段光栅。

激光器腔内等效切趾因子小的那侧取样光栅的等效折射率调制强度较大，该侧取样光栅的耦合系数较大，对第±1级子光栅布拉格波长的反馈作用较强；等效切趾因子大的那侧取样光栅的等效折射率调制强度较小，该侧取样光栅的耦合系数较大，对第±1级子光栅布拉格波长的反馈作用较弱。激光器腔内的非对称等效切趾取样结构使折射率调制强度呈中间小，向两侧逐渐增大的形式，能够有效地减弱空间烧孔效应，提高激光器在高功率工作时的单模稳定性。

激光器的激射波长由取样布拉格光栅的取样周期决定，改变取样周期就可以改变激射波长；所以使用刻有各种取样图案的REC取样光刻版，增大或减小取样周期，可以使激光器激射波长靠近或远离中心波长，实现不同波长的激射，制备非对称等效切趾取样光栅DFB半导体激光器构成的单片集成激光器阵列。

更进一步的，选用取样光栅的第±1级子光栅之一作为激射信道。

更进一步的，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。

更进一步的，设左侧等效切趾段光栅的等效切趾因子为F_EA1，右侧等效切趾段光栅的等效切趾因子为F_EA2，在激光器激射功率一定时，当F_EA1<F_EA2时，等效相移区左侧的取样光栅对光的反馈作用大于右侧，激光器从等效相移区右侧端面获得有效输出激光功率；当F_EA1>F_EA2时，则从等效相移区左侧端面获得有效输出激光功率。

更进一步的，在激射功率一定时，该激光器通过优化等效切趾长度L_EA占整个激光器腔长L的比例以及左右两侧等效切趾段光栅的等效切趾因子F_EA之差，提高等效切趾因子较大的一侧端面的有效输出激光功率；其中取样光栅的等效切趾长度L_EA占整个激光器腔长L的比例值控制在[1/4，3/8]范围内，等效切趾因子小的那侧等效切趾段光栅的F_EA在[0.3,0.6]范围内取值，等效切趾因子大的那侧等效切趾段光栅的F_EA在[0.5,1)范围内取值。

更进一步的，该激光器的输入端面和输出端面均镀抗反射膜，镀有抗反射膜的端面的反射率范围在10^-5到10%之间。

有益效果：本发明将低制造成本的重构-等效啁啾技术（REC技术）和传统的等效切趾技术在取样布拉格光栅结构这个共同的技术平台上有效合理地结合起来，提出一种非对称等效切趾取样布拉格光栅结构及其激光器，优点在于：所述激光器腔内取样光栅结构的折射率调制强度呈中间小，向两侧逐渐增大的形式，能够减弱空间烧孔效应，提高激光器在高功率工作时的单模稳定性，同时左右两侧等效切趾段光栅的等效切趾因子不相等即等效切趾程度不同，使相移区左右两侧取样光栅的等效折射率调制强度不相等，即左右两侧取样光栅的耦合系数不相等，在不镀膜时对取样光栅第±1级子光栅的反馈作用不同，在激射功率一定时能在等效切趾因子较大的一侧端面获得更大的有效输出激光功率；

这种既能抑制空间烧孔效应提高激光器高功率工作时的单模稳定性，又能在激射功率一定条件下增大激光器端面的有效输出激光功率的非对称取样结构，如果采用常规的工艺是很难实现的，本发明将重构-等效啁啾技术和等效切趾技术合理有效地结合在一起很容易实现了，提出一种更简单、成本更低、设计更灵活的制备高单模特性、高有效输出激光功率的分布反馈式半导体激光器的方法。

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等效切趾段光栅中取样占空比逐渐变化方式的示意图。

图2-1.占空比在(0,0.5]内变化的示意图；图2-2.占空比在[0.5,1)内变化的示意图；

图3本发明所述的基于重构-等效啁啾技术的非对称等效切趾取样光栅的REC取样光刻版图。

图3-1.占空比在(0,0.5]内变化的REC取样光刻版图；图3-2.占空比在[0.5,1)内变化的REC取样光刻版图。

图4不切趾和各种非对称等效切趾取样光栅的第±1级子光栅的透射谱和时延谱。

图4-1.无源光栅的透射谱；图4-2.无源光栅的时延谱。

图5非对称等效切趾取样光栅制作过程的示意图。

图5-1.种子光栅制作示意图；图5-2.非对称等效切趾取样光栅制作示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一、基于重构-等效啁啾技术的非对称等效切趾原理和方法

本发明提供的一种基于重构-等效啁啾技术的非对称等效切趾取样光栅，该取样光栅的非对称等效切趾结构是基于重构-等效啁啾（REC）技术设计的取样布拉格光栅结构；该取样布拉格光栅结构中含有对应普通布拉格光栅的等效光栅；等效光栅中的相移是通过等效啁啾技术的特例即等效相移设计引入的，等效相移区的位置在取样布拉格光栅结构的中心位置，且在中心位置附近+/-5%的区域范围内。

本发明所述的切趾是通过在某段取样光栅中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，即等效切趾，并将取样占空比在一定数值范围内逐渐变化的那段取样布拉格光栅称为等效切趾段光栅，将取样占空比恒定不变的那段取样布拉格光栅称为不切趾段光栅；等效切趾段光栅的长度称为等效切趾长度。

本发明优选不切趾段光栅的占空比选用最佳取样占空比（0.5），则等效切趾段光栅中占空比变化的起始值或终点值是0.5，即等效切趾段光栅中占空比可以在0到0.5之间或则在0.5到1.0之间逐渐变化，如图2所示；将等效切趾段光栅中占空比变化量的绝对值与最佳取样占空比(0.5)的比值定义为等效切趾因子F_EA，并且0<F_EA<1。

在上述等效相移区左右两侧引入等效切趾长度相等、等效切趾因子大小不相等即切趾程度不同的等效切趾段光栅，即对整个取样光栅结构进行非对称等效切趾；切趾是在等效切趾段光栅中逐渐改变取样光栅的取样结构即占空比的大小来实现的，所以所述的非对称等效切趾就是占空比变化量在等效相移区左右两侧的等效切趾段光栅中不相等。

设左侧等效切趾段光栅的等效切趾因子为F_EA1，右侧等效切趾段光栅的等效切趾因子为F_EA2，则等效切趾段光栅中的占空比变化的情况有两种：

1）等效切趾段光栅的占空比在(0,0.5]内变化，左侧占空比由0.5逐渐减小到a,右侧占空比由b逐渐增大到0.5，如果a>b，则F_EA1<F_EA2；如果a<b,则F_EA1>F_EA2；

2）等效切趾段光栅的占空比在[0.5,1）内变化，左侧占空比由0.5逐渐增大到a,右侧占空比由b逐渐减小到0.5，如果a<b，则F_EA1<F_EA2；如果a>b,则F_EA1>F_EA2。

如图1所示，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越多即等效切趾因子越大，取样光栅的第±1级子光栅中折射率调制强度越小；因此等效切趾因子小的那侧取样光栅的等效折射率调制强度较大，反射率较大；等效切趾因子大的那侧取样光栅的等效折射率调制强度较小，反射率较小。

本发明的基于重构-等效啁啾的非对称等效切趾取样光栅是在种子光栅的周期、折射率调制强度恒定，取样周期相同的条件下制备的：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。

本发明提供的具有上述特征的基于重构-等效啁啾技术的非对称等效切趾取样光栅制备的DFB半导体激光器，激光器腔内的光栅是基于重构-等效啁啾（REC）技术的取样布拉格光栅结构，该取样布拉格光栅结构中含有对应普通布拉格光栅的等效光栅，等效光栅中的相移是通过等效啁啾技术设计、引入、制作的，等效相移区在取样结构中的中心位置；并在上述等效相移区左右两侧引入等效切趾长度相等、等效切趾因子大小不相等即切趾程度不同的等效切趾段光栅，即对整个取样光栅结构进行非对称等效切趾。

基于重构-等效啁啾技术的非对称等效切趾取样光栅制备的DFB半导体激光器选用取样光栅的第±1级子光栅之一作为激射信道；同时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；激光器腔内等效切趾因子小的那侧取样光栅的等效折射率调制强度较大，等效切趾因子大的那侧取样光栅的等效折射率调制强度较小；激光器腔内等效切趾因子小的那侧取样光栅的耦合系数较大，对第±1级子光栅布拉格波长的反馈作用较强；等效切趾因子大的那侧取样光栅的耦合系数较小，对第±1级子光栅布拉格波长的反馈作用较弱。

基于重构-等效啁啾技术的非对称等效切趾取样光栅制备的分布反馈式激光器在相移附近建立起非常强的激光振荡强度，向两边传输的光场被左右两个取样光栅段束缚在光栅内的等效相移区附近，并在形成的有效谐振腔内振荡；在激射功率一定时，当F_EA1<F_EA2时，左侧的取样光栅对光的反馈作用大于右侧，从右侧端面获得更大的有效输出激光功率；当F_EA1>F_EA2时，则从等效相移左侧端面获得更大的有效输出激光功率。

本发明可以通过优化等效切趾长度L_EA占整个激光器腔长L的比例和左右两侧的等效切趾段光栅的F_EA之差，在激射功率一定时提高等效切趾因子较大的一侧端面的有效输出激光功率；本发明优选将L_EA/L的值控制在[1/4，3/8]范围内，将等效切趾因子小的F_EA在[0.3,0.6]范围内取值，将等效切趾因子大的F_EA在[0.5,1)范围内取值。

如图3所示，其中左侧等效切趾段光栅的等效切趾长度为L_EA1，右侧等效切趾段光栅的等效切趾长度为L_EA2本发明提供的基于重构-等效啁啾技术的非对称等效切趾取样光栅制备的分布反馈式激光器，激光器腔内的非对称等效切趾取样结构使折射率调制强度呈中间小，向两侧逐渐增大的形式，能够有效地减弱空间烧孔效应，提高激光器在高功率工作时的单模稳定性，并且在上述激光器的两个端面（输入端面和输出端面）都镀抗反射膜，镀有抗反射膜的端面的反射率范围在10^-5到10%之间。

最后，基于重构-等效啁啾技术的非对称等效切趾取样光栅制备的分布反馈式激光器的激射波长由取样布拉格光栅的取样周期决定，改变取样周期就可以改变激射波长，从而实现任意波长激光器的制作；所以使用刻有各种取样图案的REC取样光刻版，增大或减小取样周期，可以使激光器激射波长靠近或远离中心波长，实现不同波长的激射，制备非对称等效切趾取样光栅DFB半导体激光器构成的单片集成激光器阵列。

二、基于重构-等效啁啾技术的非对称等效切趾取样光栅制备的DFB半导体激光器制备方法

1、基于重构-等效啁啾技术的非对称等效切趾取样光栅的制作

可以参考专利文献[14]王恒，王宝君，朱洪亮.用于半导体器件中的取样光栅的制作方法，中国发明专利，申请号：2008101164793.4。具体方法：

1）首先在光刻版(光掩膜)上，如图3所示，设计并制作基于重构-等效啁啾技术的非对称等效切趾的取样图案，即制作REC取样光刻版。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，REC取样光刻版上的取样周期由激光器的激射波长决定，通常为1至10微米。

2）在晶片上刻光栅的方法如图5所示，实施的步骤共分两步：①使用全息曝光技术在光刻胶上形成均匀光栅图案即种子光栅图案（图5-1）；②对有与所述非对称等效切趾取样光栅对应的取样图案的REC取样光刻版进行普通曝光，把REC取样光刻版上的非对称等效切趾取样图案复制到晶片的光刻胶上（图5-2）；通过刻蚀，在晶片上形成相应的非对称等效切趾取样光栅图案。

2、基于重构-等效啁啾技术的非对称等效切趾取样光栅DFB半导体激光器的制备

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。

一种非对称等效切趾取样光栅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，一种基于重构-等效啁啾技术的非对称等效切趾取样光栅DFB半导体激光器的制备。

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-等效啁啾技术的非对称等效切趾取样光栅及其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)

1.一种基于重构-等效啁啾的非对称等效切趾取样光栅，其特征在于：该取样光栅为基于重构-等效啁啾技术设计的取样布拉格光栅结构，所述取样布拉格光栅结构中含有对应普通布拉格光栅的等效光栅，所述等效光栅中的相移通过等效相移设计引入，等效相移区的位置在取样布拉格光栅结构的中心位置，所述等效相移区两侧取样光栅中引入等效切趾长度相等、等效切趾因子大小不相等的等效切趾段光栅。

2.根据权利要求1所述的一种基于重构-等效啁啾的非对称等效切趾取样光栅，其特征在于：所述等效相移区的位置在取样布拉格光栅结构中心位置的+/-5％的区域范围内。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于重构-等效啁啾的非对称等效切趾取样光栅，其特征在于：该取样光栅中不切趾段光栅的占空比为0.5，设左侧等效切趾段光栅的等效切趾因子为F_EA1，右侧等效切趾段光栅的等效切趾因子为F_EA2，等效切趾段光栅中的占空比变化有以下两种方式：

(1)等效切趾段光栅的占空比在(0,0.5]内变化，即a,b∈(0,0.5]，左侧等效切趾段光栅占空比由0.5逐渐减小到a，右侧等效切趾段光栅占空比由b逐渐增大到0.5，如果a>b，则F_EA1<F_EA2；如果a<b，则F_EA1>F_EA2；

(2)等效切趾段光栅的占空比在[0.5,1﹚内变化，即a,b∈[0.5,1)，左侧等效切趾段光栅占空比由0.5逐渐增大到a,右侧等效切趾段光栅占空比由b逐渐减小到0.5，如果a<b，则F_EA1<F_EA2；如果a>b，则F_EA1>F_EA2。

4.根据权利要求3所述的一种基于重构-等效啁啾的非对称等效切趾取样光栅，其特征在于：所述的取样布拉格光栅结构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。

5.根据权利要求1所述的基于重构-等效啁啾的非对称等效切趾取样光栅制备的分布反馈式半导体激光器，其特征在于：激光器腔内的光栅为基于重构-等效啁啾技术设计的取样布拉格光栅结构，所述取样布拉格光栅结构中含有对应普通布拉格光栅的等效光栅，所述等效光栅中的相移通过等效相移设计引入，等效相移区的位置在取样布拉格光栅结构的中心位置的+/-5％的区域范围内，所述等效相移区两侧取样光栅中引入等效切趾长度相等、等效切趾因子大小不相等的等效切趾段光栅。

6.根据权利要求5所述的基于重构-等效啁啾的非对称等效切趾取样光栅制备的分布反馈式半导体激光器，其特征在于：将取样光栅的第±1级子光栅之一作为激射信道。

7.根据权利要求6所述的基于重构-等效啁啾的非对称等效切趾取样光栅制备的分布反馈式半导体激光器，其特征在于：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激射信道布拉格波长处而远离零级信道布拉格波长。

8.根据权利要求5所述的基于重构-等效啁啾的非对称等效切趾取样光栅制备的分布反馈式半导体激光器，其特征在于：设左侧等效切趾段光栅的等效切趾因子为F_EA1，右侧等效切趾段光栅的等效切趾因子为F_EA2，在激光器激射功率一定时，当F_EA1<F_EA2时，等效相移区左侧的取样光栅对光的反馈作用大于右侧，激光器从等效相移区右侧端面获得有效输出激光功率；当F_EA1>F_EA2时，则从等效相移区左侧端面获得有效输出激光功率。

9.根据权利要求5所述的基于重构-等效啁啾的非对称等效切趾取样光栅制备的分布反馈式半导体激光器，其特征在于：在激射功率一定时，该激光器通过优化等效切趾长度L_EA占整个激光器腔长L的比例以及左右两侧等效切趾段光栅的等效切趾因子F_EA之差，提高等效切趾因子较大的一侧端面的有效输出激光功率；其中取样光栅的等效切趾长度L_EA占整个激光器腔长L的比例值控制在[1/4，3/8]范围内，等效切趾因子小的那侧等效切趾段光栅的F_EA在[0.3,0.6]范围内取值，等效切趾因子大的那侧等效切趾段光栅的F_EA在[0.5,1)范围内取值。

10.根据权利要求5所述的基于重构-等效啁啾的非对称等效切趾取样光栅制备的分布反馈式半导体激光器，其特征在于：该激光器的输入端面和输出端面均镀抗反射膜，镀有抗反射膜的端面的反射率范围在10^-5到10％之间。