CN103972790A - 基于重构-等效啁啾的非对称相移和等效切趾取样光栅及其dfb激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于重构-等效啁啾的非对称相移和等效切趾的取样光栅及其DFB激光器，所述等效切趾取样光栅是基于重构-等效啁啾技术设计的取样布拉格光栅结构，该光栅结构中含有对应普通布拉格光栅的等效光栅，重构-等效切趾取样光栅中的非对称相移是等效相移区的位置偏离腔长度中心，偏向激光输出端，且在光栅腔长度的50％～80％位置区域范围内，并在等效相移区左右两侧引入切趾长度和切趾程度相同的等效切趾。相移的偏移有效增大输出端的光功率，腔内取样光栅的切趾结构使折射率调制强度在相移区附近小，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。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域，涉及含有相移的分布反馈(DFB)激光器，涉及光通信、光子集成、光电传感及其他光电信息领域的应用器件。
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。
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 expressionof sampled Bragg gratings with chirp in thesampling period and its applicationin dispersion 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。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。
针对传统λ/4相移偏离中心后工艺复杂难以实现，以及相移偏离后造成单模成品率大大降低这一问题，分析原因在于烧孔效应导致激光器在高电流、大功率输出输出时，边模抑制比降低。本发明提出基于重构-等效啁啾的非对称相移和等效切趾的取样光栅及其DFB激光器，即将基于重构等效啁啾技术的等效相移区偏离腔长中心，偏向激光输出端，以增大输出光功率，提高斜效率，同时在等效相移区左右两侧引入切趾长度和切趾程度相同的等效切趾，抑制空间烧孔效应。提出制备高功率、高单模成品率的DFB半导体激光器的新工艺。
参考文献：
[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 ShizhongXie,SampledBragggrating 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 HongliangZhu,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。
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[11]Yuechun Shi,Simin Li,RenjiaGuo,et.al.A novel concavely apodized DFBsemiconductor laser using common holographic exposure.Optics Express,Vol.21,Issue13,pp.16022-16028(2013).
[12]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。
[13]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
本发明要解决的问题是：针对传统相移偏离中心工艺复杂难实现，以及相移偏离后烧孔效应加剧，造成单模成品率大大降低这一问题。本发明提出基于重构-等效啁啾的非对称相移(Asymmetric Phase Shift(APS))和等效切趾(Equivalent Apodization(EA))的取样光栅及其DFB激光器，即将基于重构等效啁啾技术的等效相移区偏离腔长度中心，偏向激光输出端，以增大输出光功率，提高斜效率，同时在等效相移区左右两侧引入切趾长度和切趾程度相同的等效切趾，抑制空间烧孔效应。即提出一种制备高功率、高单模成品率DFB激光器的新工艺。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于重构-等效啁啾的非对称相移和等效切趾取样光栅，所述等效切趾取样光栅基于重构-等效啁啾技术设计的取样布拉格光栅结构，该光栅结构中含有对应普通布拉格光栅的等效光栅，重构-等效切趾光栅中的非对称相移通过等效相移(等效啁啾的特例)设计引入的，等效相移区的位置偏离腔长度中心，偏向激光输出端，且在光栅腔长度的50％～80％位置区域范围内，并在等效相移区左右两侧引入切趾长度和切趾程度相同的等效切趾。
所述光栅是基于重构-等效啁啾技术设计的取样布拉格光栅，其中的相移通过等效相移实现，非对称相移通过将等效相移区偏离腔长度中心，偏向激光输出端来实现，等效相移区左侧的光栅长度(L1)与总的光栅长度(L)之比(L1:L)在(0.5,0.8]范围内；L2<L1；
在等效相移区左右两侧引入切趾长度和切趾程度相同的等效切趾，等效切趾通过沿切趾段光栅改变取样占空比实现，不切趾段光栅的取样占空比通常选用最佳取样占空比0.5，等效相移区的左侧切趾段光栅的占空比由0.5逐渐减小并趋于0.0或逐渐增大并趋于1.0，等效相移区右侧切趾段光栅与左侧对称，等效切趾光栅的长度(LEA)满足：0<LEA≤L2；
进一步的，所述非对称相移和等效切趾取样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。
本发明还提供了一种基于重构-等效啁啾的非对称相移和等效切趾取样光栅制备的分布反馈式激光器，激光器腔内置取样光栅是基于重构-等效啁啾技术设计的含有对应普通布拉格光栅的等效光栅，该光栅的相移是通过等效相移设计引入的，等效相移区偏离激光腔长中心，偏向激光输出端，在激光腔长的50％～80％区域范围内，并在相移区左右两侧引入切趾长度和切趾程度相同的对称等效切趾。
进一步的，激光腔内的等效相移区偏离腔长中心，偏向激光输出端，相移区左侧的激光腔长(L1)和总的激光腔长(L)之比(L1:L)在(0.5,0.8]范围内。该比值不同，输出端光功率不同，具体比例根据实际需要的输出光功率而定；
更进一步的，等效切趾是通过沿切趾段光栅逐渐改变取样占空比的大小来实现的，不切趾段光栅的取样占空比通常选用最佳取样占空比0.5，等效相移左侧切趾段光栅的占空比由0.5逐渐减小并趋于0.0或逐渐增大并趋于1.0，相移区右侧切趾段光栅与左侧对称，切趾段光栅的长度(LEA)满足：0<LEA≤L2；
更进一步的，选用取样光栅的±1级子光栅之一作为激光器的激射信道，为了保证只有目标信道波长被激射而零级信道不被激射，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，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小于1％。在镀抗反射膜(AR)的情况下就能增大输出端激光功率。
有益效果：本发明将基于低制造成本的重构-等效啁啾技术(REC技术)的非对称相移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，提出一种非对称相移和等效切趾取样布拉格光栅结构及其DFB激光器，优点在于：所述激光器腔内取样光栅结构的等效相移区偏离中心，偏向激光输出端，增大输出激光功率；在等效相移区左右引入等效切趾使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；在镀抗反射膜(AR)情况下，就能获得高功率、高单模特性的输出激光；
这种既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,又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本发明所述的基于重构-等效啁啾的非对称相移和等效切趾取样光栅的取样光刻版。
图2-1.切趾段光栅的取样占空比在(0,0.5]内变化的取样光刻版；图2-2.切趾段光栅的取样占空比在[0.5,1.0)内变化的取样光刻版；箭头Pout表示激光输出端。
图3对称相移DFB激光器和非对称相移DFB激光器的标准化场强分布图。
图4非对称DFB相移激光器和非对称相移加等效切趾DFB激光器标准化场强分布图。
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.非对称相移和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。
基于重构-等效啁啾的非对称相移和等效切趾取样光栅制备DFB半导体激光器的制备方法；参照图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的变化可以是正弦曲线。激光器腔内的取样光栅是基于重构-等效啁啾技术设计的含有对应普通布拉格光栅的等效光栅，该光栅的相移是通过等效相移设计引入的，等效相移区偏离激光腔长中心，偏向激光输出端，在激光腔长的50％～80％区域范围内，并在相移区左右两侧引入切趾长度和切趾程度相同的对称等效切趾，等效切趾通过沿该段取样光栅逐渐改变取样占空比来实现。
基于重构-等效啁啾的非对称相移和等效切趾取样光栅制备DFB半导体激光器的制备方法
1、基于重构-等效啁啾的非对称相移和等效切趾取样光栅的制作；
可以参考专利文献[12]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2所示，设计并制作基于重构-等效啁啾技术的非对称相移和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对有与所述非对称相移和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相移和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相移和等效切趾取样光栅图案。
2、基于重构-等效啁啾的非对称相移和等效切趾取样光栅DFB半导体激光器的制备；
可以参考专利文献[13]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.
一种非对称相移和等效切趾取样光栅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-等效啁啾的非对称相移和等效切趾取样光栅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 (9)
1.基于重构-等效啁啾的非对称相移和等效切趾取样光栅，其特征在于所述等效切趾取样光栅是基于重构-等效啁啾技术设计的取样布拉格光栅结构，该光栅结构中含有对应普通布拉格光栅的等效光栅，重构-等效切趾取样光栅中的非对称相移是等效相移区的位置偏离腔长度中心，偏向激光输出端，且在光栅腔长度的50％～80％位置区域范围内，并在等效相移区左右两侧引入切趾长度和切趾程度相同的等效切趾。
2.根据权利要求1所述的基于重构-等效啁啾的非对称相移和等效切趾取样光栅，其特征在于所述光栅是基于重构-等效啁啾技术设计的取样布拉格光栅，其中的相移通过等效相移实现，非对称相移通过将等效相移区偏离中心，偏向激光输出端，等效相移区左侧的光栅长度(L1)与总的光栅长度(L)之比(L1:L)在(0.5,0.8]范围内。
3.根据权利要求1～2之一所述的基于重构-等效啁啾的非对称相移和等效切趾取样光栅，其特征在于在等效相移区左右两侧引入切趾长度和切趾程度相同的等效切趾，等效切趾通过沿切趾段光栅改变取样占空比实现，不切趾段光栅的取样占空比通常选用最佳取样占空比0.5，等效相移区左侧切趾段光栅的占空比由0.5逐渐减小并趋于0.0或逐渐增大并趋于1.0，等效相移区右侧切趾段光栅与左侧对称，等效切趾光栅的长度(LEA)满足：0<LEA≤L2。
4.根据权利要求1～3之一所述的基于重构-等效啁啾的非对称相移和等效切趾取样光栅，其特征在于：所述的非对称相移和等效切趾取样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；种子光栅可以通过全息干涉曝光法、电子束或纳米压印法制作。
5.根据权利1所述的基于重构-等效啁啾的非对称相移和等效切趾取样光栅制备的DFB激光器，其特征在于：激光器腔内的取样光栅是基于重构-等效啁啾技术设计的含有对应普通布拉格光栅的等效光栅，该光栅的相移是通过等效相移设计引入的，等效相移区偏离激光腔长中心，偏向激光输出端，在激光腔长的50％～80％区域范围内，并在相移区左右两侧引入切趾长度和切趾程度相同的对称等效切趾，等效切趾通过沿该段取样光栅逐渐改变取样占空比来实现。
6.根据权利5所述的基于重构-等效啁啾的非对称相移和等效切趾取样光栅制备的DFB激光器，其特征在于：激光腔内的等效相移区偏离腔长度中心，偏向激光输出端，等效相移区左侧的激光腔长(L1)和总的激光腔长(L)之比(L1:L)在(0.5,0.8]范围内。该比值不同，输出端光功率不同，具体比例根据实际需要的输出光功率而定。
7.根据权利要求5所述的基于重构-等效啁啾的非对称相移和等效切趾取样光栅制备的DFB激光器，其特征在于：等效切趾是通过沿切趾段光栅逐渐改变取样占空比的大小来实现的，不切趾段光栅的取样占空比通常选用最佳取样占空比0.5，等效相移左侧切趾段光栅的占空比由0.5逐渐减小并趋于0.0或逐渐增大并趋于1.0，相移区右侧切趾段光栅与左侧对称，切趾段光栅的长度(LEA)满足：0<LEA≤L2。
8.根据权利5之一所述的基于重构-等效啁啾的非对称相移和等效切趾取样光栅制备的DFB激光器，其特征在于:选用取样光栅的±1级子光栅之一作为激光器的激射信道，为了保证只有目标信道波长被激射而零级信道不被激射，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4～7之一所述的基于重构-等效啁啾的非对称相移和等效切趾取样光栅制备的DFB激光器，其特征在于:在激光器两端都镀上抗反射膜，抗反膜的反射率小于1％。
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