CN105281200A - 基于rec技术的集成高速数字调制wdm-pon光模块 - Google Patents

Abstract

本发明是基于REC技术的集成高速数字调制WDM-PON光模块。发明采用REC技术实现多波长激光器阵列，并通过改进端面设计，引入抗反射结构，提高阵列的波长间隔精度。使用单片集成技术将电吸收调制器(Electro？Absorption？Modulator,EAM)或马赫-曾德干涉调制器(Mach-Zehnder？Interferometer,MZI)与多波长阵列集成在同一芯片中，实现高速数字信号调制和长程传输。通过混合集成合波器的方法实现多波长信号在同一单模光纤上的合波输出。

Description

基于REC技术的集成高速数字调制WDM-PON光模块

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及光通信、光网络等方面。与分布反馈半导体激光器、光子集成器件、波分复用器件有关，涉及复杂分布反馈器件的设计与制作，新型光子集成器件的制作，应用于光纤骨干网络扩容、大容量光纤传输和各类WDM-PON系统中，是一种新型的光通信器件。

背景技术

波分复用(WavelengthDivisionMultiplexing,WDM)技术是下一代光纤通信网中的一个关键技术，可以极大提高现有光纤通信网络的数据容量。在WDM通信系统中，能够高速调制的多波长激光光源是核心器件之一。多波长激光光源虽然可以通过将不同波长的分立激光器组合在一起获得，但如此组合的器件往往体积大，功耗高。随着下一代光纤通信系统对器件尺寸和功耗的要求不断提升，传统分立器件已难以满足系统要求。单片集成光子器件在减小体积和功耗方面有很大的优势，被认为是未来光电子器件的重要发展趋势，是未来信息技术的制高点之一，受到广泛的重视。目前，国外已有集成的WDM光子器件向市场提供。如著名的光子集成器件制造商，美国的Infinare公司，已能够提供10X10Gb/s的单片集成光接收和发射模块的商用产品，日本三菱公司也有集成的4X25Gb/s多波长高速光子集成芯片产品。要为下一代光通信网络的万亿比特的数据链路提供光子芯片，满足WDM应用要求的高速多波长集成光子芯片是不可或缺的。

用不同波长的π相移DFB激光器制作的多波长激光器阵列对于实现这样的单片集成器件十分重要：相比于F-P腔激光器或均匀光栅DFB激光器，π相移DFB激光器具有线宽窄、单模成品率高、动态单模特性好的优势，广泛应用于高速调制的光纤通信系统中。但要将普通的π相移DFB激光器单片集成制作成满足WDM通信系统需求的激光器阵列却十分困难:首先，由于不同波长对应着不同的光栅周期，常规多波长DFB激光器阵列的光栅结构不可能通过整体全息光刻的方式制作，而需要通过电子束光刻(ElectronBeamLithography，EBL)这种高精度加工方式逐个制作光栅，耗时很长，成本较高；此外更重要的是，普通的π相移DFB激光器阵列的输出波长间隔的准确性很难满足ITU-T密集波分复用要求。这主要是因为相邻通道的光栅尺寸差异很小，如在1550nm波段，满足ITU-T标准的100GHz通道间隔π相移DFB激光器阵列，相邻激光器的相移结构尺寸差异仅为0.13nm，是原子尺寸的量级。普通π相移多波长DFB激光器阵列要使波长间隔准确，就需要在光栅中精细的做出这个尺寸差异，但这在现有技术的条件下极难实现。研究表明，使用EBL制作的DFB激光器，波长的典型偏差是～3nm(MarcoZanola,MichaelJohnStrain,GuidoGiuliani,andMarcSorel,"Post-GrowthFabricationofMultipleWavelengthDFBLaserArraysWithPreciseWavelengthSpacing,"IEEEPhotonicsTechnologyLetters,vol.24,pp.1063-1065,2012.)，制作100GHz间隔(在1550nm波段对应0.8nm波长间隔)的多波长阵列的成品率低，成本高。

在2004年，一种新型的DFB光栅结构，即重构-等效啁啾(Reconstruction-EquivalentChirp，REC)光栅技术的提出(D.Jiang,X.Chen,Y.Dai,H.Liu,andS.Xie,"ANovelDistributedFeedbackFiberLaserBasedonEquivalentPhaseShift,"IEEEPhotonicsTechnologyLetters,vol.16,pp.2598-2600,2004.)，为高性能多波长激光器阵列的制作提供了一种有效的手段。REC技术由南京大学陈向飞教授发明，已获得美国专利授权：US7873089B2，该技术通过周期较大的采样光栅调整均匀光栅的滤波特性，通过在采样光栅中改变周期、引入相移，可以等效的实现π相移DFB光栅结构的选频效果，并调整激射光波长。使用REC技术的DFB激光器阵列中的所有激光器可以采用相同的亚微米均匀光栅，通过设计不同周期的采样光栅来实现激射波长的改变，而采样光栅的尺寸通常在数微米，完全可以通过常规的光刻工艺一次制作完成，耗时较少，成本很低，有利于低成本大规模的制造。此外，理论研究证明，使用REC技术的阵列波长间隔误差比电子束曝光技术制作的阵列波长误差低2个量级(YuechunShi,SiminLi,LianyanLi,RenjiaGuo,TingtingZhang,RuiLiu,etal.,"StudyoftheMultiwavelengthDFBSemiconductorLaserArrayBasedontheReconstruction-Equivalent-ChirpTechnique,"JournalofLightwaveTechnology,vol.31,pp.3243-3250,2013.)，可以实现高精度的多波长激光器阵列制造，克服了之前的阵列制造技术中几乎不可能解决的问题。实验研究表明，使用REC技术的π相移DFB激光器单模成品率接近100％，波长间隔典型误差已能达到在±0.2nm范围内(Y.Shi,S.Li,X.Chen,L.Li,J.Li,T.Zhang,etal.,"Highchannelcountandhighprecisionchannelspacingmulti-wavelengthlaserarrayforfuturePICs,"SciRep,vol.4,p.7377,2014.)。但ITU-T最新关于DWDM-PON的标准对波长间隔误差的要求是±20GHz(T-REC-G.989.2-201311-PMDDraftv1,pp28-29,2013.)，在1550nm波段，约为±0.16nm，因此需要进一步提高REC多波长激光器阵列波长精度。

除了多波长之外，高速的数字信号调制也是WDM光器件需要具备的。信号的调制可以通过直接将信号加载到激光器的驱动电流上实现，也可以通过额外的调制原件，将信号加载到连续工作的激光输出上。前者被称作直接调制，后者被称作外调制。直接调制不需要额外的元件，有利于降低成本和体积。但由于调制会引起激光器的频率啁啾，高速的直调需要特殊的材料和光栅结构的设计制作，在国内现有工艺条件下短时间内难以实现。外调制系统中激光器是静态工作，输出功率、波长比动态下更加稳定，外调制器工作时不会影响激光器的状态，可以达到比直调更高的调制频率，在长距离传输系统中也更具有优势。采用单片集成的外调制元件，器件的尺寸不会增加太多，比直调激光器具有更好的调制性能，是实现高速数字调制WDM-PON器件的一种可行的设计。

在InP基半导体激光器中，可以用于单片集成的外调制器主要有电吸收调制器(ElectroAbsorptionModulator,EAM)和马赫-曾德干涉器(Mach-ZehnderInterferometer,MZI)。EAM调制器通过外电压偏置改变材料的吸收率形成调制光信号，最早在1973年由F.K.Reinhart提出(F.K.Reinhart,"ElectroabsorptioninAlyGa1-yAs[SingleBond]AlxGa1-xAsdoubleheterostructures,"AppliedPhysicsLetters,vol.22,p.372,1973.)，在研究中已实现了1550nm波段10Gb/s传输80km和40Gb/s传输2km的调制信号传输(W.Kobayashi,M.Arai,T.Yamanaka,N.Fujiwara,T.Fujisawa,T.Tadokoro,etal.,"DesignandFabricationof10-/40-Gb/s,UncooledElectroabsorptionModulatorIntegratedDFBLaserWithButt-JointStructure,"JournalofLightwaveTechnology,vol.28,pp.164-171,2010.)。文献报道的集成EAM的制作主要是用Butt-Joint方法，通过光刻和刻蚀将特定区域的量子阱结构去除，并重新对接生长能带特性满足EAM调制要求的新结构，来实现激光器与EAM的单片集成。另外，EAM的制造方法还可以使用QWI技术，通过后处理调整特定区域量子阱的能带，使其满足EAM的需要。

MZI调制器最早由V.Ramaswamy,M.D.Divino,和R.D.Standley在钛扩散铌酸锂波导上实现(V.Ramaswamy,M.D.Divino,andR.D.Standley,"BalancedbridgemodulatorswitchusingTi-diffusedLiNbO3stripwaveguides,"AppliedPhysicsLetters,vol.32,p.644,1978.)，之后受到广泛研究。相比于EAM，MZI调制器可以达到更高的调制速率和更远的传输距离，但MZI调制器结构要比EAM更加复杂，尺寸也更大。目前，在对MZI调制器的研究中，已实现1550nm波段10GHz传输220km(NobuhiroKikuchi,KenTsuzuki,MitsuteruIshikawa,TakakoYasui,YasuoShibata,andHiroshiYasaka,"InPMach-ZehnderModulatorsforAdvancedModulationFormats,"p.IMA4,2008.)，以及调制速率高达80GHz直接引用，100GHz直接引用，128GHz直接引用的器件。集成MZI调制器主要需要通过有源无源集成技术，将无源波导结构的调制器与有源的激光器单片集成。具体可以使用的方法是Butt-Joint，QWI以及位移量子阱结构等，将需要制作调制器的部分由吸收较强的量子阱结构转变为吸收较弱的波导结构。

由Si/SiO₂/InP制作的无源合波器在目前是相对成熟的技术，已有商用产品。其中AWG器件的耦合效率不会随端口数增加而降低，对于通道数很多的密集波分复用光电器件是十分理想的合波元件。AWG器件对输入波长的准确性要求高，正好与REC技术能准确控制多波长激光器阵列波长的优势呼应，能够充分发挥REC技术的优势；对于端口数较少(<8)的器件，则可以使用相对简单的PLC器件进行合波，降低成本。由于目前在MLA与无源合波器件单片集成的工艺上还存在困难，加工成本也很高，因此使用混合集成的方法将硅基AWG器件与InP基的激光器阵列结合，有利于降低技术难度，提高器件成品率。

针对目前光纤通信网络发展的趋势和需求，本专利利用自主的REC技术制作的多波长DFB激光器阵列，与单片集成调制器阵列结合，实现了WDM-PON所需的高速数字调制的多波长光信号产生，并通过混合集成无源合波元件的方式实现多波长信号在一根单模光纤中的输出，提出了一种基于REC技术多波长半导体激光器阵列和集成电吸收调制器/马赫-曾德调制器的高速数字调制WDM-PON模块。

发明内容

本发明的目的是基于REC多波长激光器阵列实现高速数字调制WDM-PON模块。由于以目前国内InP基DFB激光器的制造技术，以及REC光栅目前能达到的光栅耦合强度，直接在REC激光器上实现25GHz以上的数字直调是比较困难的。但通过集成的外调制器，由于调制不依赖激光器本身的性能，避免了直调激光器中存在的频率啁啾，可以达到较高的调制速率，并可以实现长距离高速调制信号传输。同时，本发明提出使用无源合波器件与有源激光器阵列进行混合集成，实现多波长的合波输出，克服目前在单片集成器件制作上的工艺困难，能发挥REC技术制作的阵列在波长控制精度上的优势。此外，本发明提出了利用设计倾斜端面、吸收损耗段和平板波导散射段三种方式减小REC激光器端面反射，进一步提高阵列激光器波长间隔精度。

本发明的技术方案是：使用REC技术解决WDM所需要的高精度多波长激光器阵列芯片，并通过单片集成EAM或MZI调制器实现高速数字信号调制，最后通过混合集成的无源合波器件实现多波长信号在一根单模光纤中输出，结构如图1所示。REC技术通过改变微米量级的采样光栅周期，并在采样中引入同样是微米量级的相移结构，可以方便的实现多波长的π相移DFB激光器阵列。相移的采样光栅结构如图2所示。由于影响波长和相移的结构尺寸都是微米量级的，多波长阵列的波长间隔可以达到很高的精度，比电子束光刻制作的阵列器件高出两个量级。制作REC复合光栅首先采用全息光刻的方法，形成基本的光学反馈(0级)，反馈中心一般安排在距设计需要的工作波段中心40nm～80nm的位置上，位于材料增益带宽之外。之后通过叠加大周期的采样光栅，使均匀全息光栅的Bragg反射峰左右两侧因采样而产生±1级反射峰。由于0级在材料增益带宽之外，因此不会激射；而±1级中，有一个被设计在材料增益带宽之内，这个在增益带宽之内的反射峰将导致激光振荡产生。在这个复合光栅结构中，0级反馈只受全息光栅周期和结构的影响，是不变的。但±1级反馈将受到采样周期的调制：采样周期越小，±1级越远离0级反馈峰，采样周期越大则越靠近。同时，采样结构中的相移、切趾、啁啾等各种结构设计效果，都将会在±1级反馈峰中得到体现，因此激光器的输出波长可以由采样波长来控制。由于采样周期一般在1～20μm之间，可以通过平面印刷式的光刻来制作，因此通过预先制作的安排了不同采样周期的光刻模板，就可以将对应不同波长的采样光栅结构一次性制作在圆晶表面，快速的制作多波长DFB光栅结构。同时，也可以在采样光栅中引入复杂的结构优化器件性能，如在采样光栅中心制作π相移结构，结构的尺寸是采样周期的一半，在0.5～10μm之间，同样可以通过普通的光刻技术制作。采样π相移将在±1级中产生一个共振透射峰，与真实相移在Bragg反射峰中产生共振透射峰的效果一样，可以等效的实现π相移DFB光栅结构。而比起尺寸只有100nm～150nm的真实相移，采样相移的尺寸比真实相移尺寸大一个量级以上。由于平面光刻使用的光刻板一般也是通过电子束光刻制作，因此在电子束光刻精度一样的情况下，采样结构能达到的波长精度就会比真实相移结构高出近两个量级。

激光器Bar条从圆晶片上裂解下来时不能很准确的控制断裂的位置。由于这个断裂位置的随机性，使得从端面反射回激光器的光具有一个随机的相移，而这个随机的相位将会影响激光器内部振荡光的实际相移，引起波长的偏差。为了减小这个随机相位的影响，通常会采用两端增透镀膜的方法减小反射光强度。但高透过率的镀膜对工艺要求很高，特别是激光器芯片端面宽度只有～0.1mm，材料本身脆弱易碎，对镀膜夹具、装夹工艺和检验都有很高要求。而且对于覆盖了较大波长范围的多波长激光器阵列，需要镀宽带增透膜，更增加了镀膜的难度和成本，且国内一般的镀膜加工难以实现透过率很高(99.9％以上)的增透膜。为了减小反射引起的波长偏差，进一步提高阵列波长间隔精度，本发明使用物理结构减小反射光对激光器振荡光的影响。可以采用的方法有如下：

(1)采用倾斜端面的设计：倾斜端面使反射光与入射光在空间上发生分离，由于反射光模式与腔模不匹配，减小了端面反射引起的随机相位对激射波长的影响。由于InP基半导体激光器通常要遵循晶体的晶向进行解理，因此设计上并不是直接设计一个斜面，而是将激光器脊条波导设计成沿特定圆弧弯曲的弯曲波导，这样在裂片时仍然可以沿InP圆晶片的晶向裂片，同时起到使端面倾斜的效果，结构如图3所示。

(2)采用留下一小段吸收损耗段的方式：结构如图4所示，吸收损耗段是一段不加电的激光器结构，由于在没有外电子注入的情况下，量子阱结构存在共振吸收，因此对对应波长的光有吸收损耗。在出射端安排了一段吸收损耗段后，反射光将由于吸收而被减小。但这种结构减小了出射功率，同时对反射光减小程度有限。

(3)采用一段平板波导结构：结构如图5所示，激光从脊条中出射后进入一段外延结构相同，但没有脊波导结构的区域，出射光在该段将会以较大的角度发散。一般出射激光是高斯模，发散光经端面反射后，能回到原端口的光强占出射光强的比例是:

(沿x轴的光强为一维的高斯分布函数)，(1)

其中w是腔模半宽，h是无波导段的宽度，θ是发散角的一半，R是端面反射率。反射光能回到原激光器中的强度被大幅衰减，例如取腔模宽度为2.4μm，无波导段长度50μm，材料有效折算率为3.2，根据公式(1)，结合高斯光发射角与半宽的关系，估算得到的反射回原端口的光强被衰减到原来的～5％*R(R是镀膜后的端面反射率)，而增加h的长度到100μm，更可将反射光衰减到原光强的～2％*R，表明该结构能在增透镀膜的基础上，将反射光强进一步减小1～2个数量级，大大减小在现有工艺条件下反射光的随机相位对波长精度的影响。

我们已通过实验证明，采用了上述抗反射结构设计后，可以进一步提高波长间隔的精度。实验对采用抗反射波导结构的6个阵列总计95个激光器的激光波长进行测试，并对数据进行统计，得到了波长间隔在±0.2nm之间的比例是100％，间隔在±0.1nm之间的能达到81.1％的领先结果。

光信号的调制采用单片集成外调制器的方法。采用的调制器有EAM和MZI调制器两种。EAM是一段特殊设计的异质结或量子阱半导体结构，其能带的光致发光谱(PhotonLuminescence,PL)中心波长一般比激光器激射波长短50nm左右，即其能带间隙比激光器的跃迁能隙略宽。利用Burgiel发现的p-n结中的电致二向色性(直接引用)，EAM的能隙可以通过外电场偏置进行调节。当EAM的能隙宽度远大于激射光子的能量时，EAM部分对于激光是透明的；当调节外偏压使能隙宽度接近激射光子的能量时，由于共振吸收的原因EAM对光的吸收迅速增加，大幅减小通过其中的激光光强。将需要传输的电信号以电压偏置的方式加载到EAM上，就可以对通过其中的连续激光形成强度调制，将电信号加载到光上。集成EAM器件的制作可以通过Butt-Joint方法，将激光器基片上需要制作EAM器件的部分刻蚀，去掉原来的量子阱结构，之后在重新生长满足能隙要求的异质结或量子阱结构，如图6所示。此外，还可以利用量子阱混杂(Quantum-WellIntermixing,QWI)技术制作EAM。QWI技术是一种在完成外延层生长加工之后的工艺处理技术。原理是在外延层生长完毕后，通过特有的工艺方法在晶片的空间上精确地有选择性地调控材料的光学性质，实现不同功能的光子器件集成在一个芯片上，从而，可以大大提高光子集成芯片的功能，降低成本。图7给出了QWI原理的示意图。由图可见，未经QWI工艺处理的量子阱与势垒的界面非常清晰陡峭，但是在QWI过程中，位于势垒中的Al原子和量子阱中的Ga原子相互扩散，使得量子阱由原来的方形变为非方形的势阱。伴随着势阱形状的变化，与组成量子阱结构的材料组分以及与量子阱尺寸密切相关的电子与空穴的本征能级也发生了变化，其综合结果是材料的吸收峰向短波长方向移动(吸收峰蓝移)。蓝移的大小取决于量子阱与势垒间材料组分相互扩散的程度。通过适当的工艺控制，可以使蓝移大小满足EAM器件需要，完成激光器和EAM器件单片集成所需要的圆晶片。完成Butt-Joint或QWI处理的圆晶片可以整体进行加工，通过套刻的方法一次性完成激光器和EAM所需要的脊波导结构的制作，其他如掩埋、开窗、镀电极等工艺也可以整体完成，实现EAM器件与REC多波长激光器阵列的单片集成。

本发明使用的马赫-曾德调制器的方法是：通过马赫-曾德干涉的方法实现信号调制，在MZI调制器中，光信号通过一个3dB分束器进入集成马赫-曾德干涉器的两臂，再由一个3dB合波器合波输出。在集成马赫-曾德干涉器的等臂长波导段上有电极，当其中一臂上的电极加上电压偏置，将改变材料的折射率，使两臂产生光程差。两臂间的光程差导致合波时两路光的相位不一致，引起合波光强的变化。集成的MZI调制器的制作首先要利用有源无源集成技术，在同一片圆晶上制作有不同能带特性的有源区域和无源区域。可以采用的方法有前述的Butt-Joint方法、QWI技术等。使用Butt-Joint制作时，首先通过光刻掩模的方法保护有源区原有的量子阱，将要制作无源波导部分的量子阱结构刻蚀去除，然后重新对接生长无源波导结构。使用QWI技术则需要通过控制工艺参数在需要制作无源波导的区域产生100nm以上的PL谱蓝移，以减小吸收损耗。完成Butt-Joint或QWI处理的圆晶片在进行光刻刻蚀，使用RIE或ICP刻蚀制作M-Z干涉器结构，并通过套刻完成电极制作等后续工艺。

附图说明

图1：基于REC技术的高速数字调制集成WDM-PON光模块示意图；

图2：实现多波长激光器阵列的π相移采样光栅结构图(图中为并列的4个采样光栅)；

图3：倾斜端面抗反射结构图；

图4：吸收损耗式抗反射结构图；

图5：无波导光发散式抗反射结构图；

图6：Butt-Joint流程示意图；

图7：QWI原理图；

图8：使用Butt-Joint方法制作多波长DFB激光器和EAM或MZI调制器单片集成工艺流程图；

图9：使用QWI方法制作多波长DFB激光器和EAM或MZI调制器单片集成工艺流程图。

具体实施方式

分布反馈半导体激光器的结构是，在n型掺杂的InP衬底上通过外延生长的方法制作n型InP缓冲层、非掺杂晶格匹配的InGaAsP波导下限制层、应变InGaAsP多量子阱层、InGaAsP波导上限制层、InP刻蚀阻止层、InGaAsP光栅层、InP光栅掩埋层、InGaAsP脊波导刻蚀阻止层、InP脊波导层和InGaAs欧姆接触层顺次构成。InGaAsP光栅层材料中制作REC光栅作为激射波长的REC等效光栅。外延片表面生长200～400nm厚的SiO₂作为绝缘层。

采样布拉格光栅具有多个影子光栅，影子光栅之间的波长反比于取样周期和半导体激光器波导的有效折射率。下面描述工作波长在1550nm范围，信道宽度100GHz的4波长π相移DFB激光器阵列。

掩模版制作：使用普通的微电子工艺制作含有等效光栅所需要的取样Bragg光栅的采样周期分布掩模板，掩模版上的4个激光器取样周期不同，由信道宽度100GHz，激射波长间隔约为0.8nm，取样占空比为0.5。在掩模版中各激光器中心的取样周期根据设计安排等效相移，如π相移在取样光栅中心变化1/2个周期，如图2所示，其他取样不变。

在制作激光器波导时制作抗反射波导结构，具体为：一种倾斜端面结构，采用的方法是将靠近端面的脊波导制作成圆弧形弯曲，圆弧起点切向与脊波导平行，对应的圆心角为端面需要倾斜的角度。这样器件沿晶向裂片后，后端面相对于波导中光传播的方向就会产生一个大小等于圆弧圆心角的倾斜角，如图3所示；第二种是在激光器出光端采用吸收损耗波导段，即是一段没有电极的脊条波导，如图4所示。该波导段没有电流注入，该段没有粒子数反转，由于量子阱的共振吸收左右，将对其中传播的光产生吸收损耗，端面反射光会因为此段的吸收损耗而减小，从而减小了端面随机相位对激射波长的影响；第三种是平板波导发射段，如图5所示，在脊波导出光端安排一段外延结构相同，但没有脊形结构的区域。出射光在该段将会以较大的角度发散，因此返回波导的光强将大幅减小。

器件外延材料主要是通过MOCVD技术制作，外延生长过程如下：首先在n型衬底材料上一次外延n型InP缓冲层(厚200～500nm，掺杂浓度约1.1X10¹⁸cm^-2)、100nm后非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层(下波导层)、应变InGaAsP量子阱层(PL谱中心波长～1.52μm，8量子阱：阱宽5nm，垒宽10nm，根据PL设计要求安排应变)和50nm厚的p型晶格匹配InGaAsP上波导层、15nm后InP腐蚀阻止层和50nm厚InGaAsP光栅层(PL谱中心波长～1.3μm)。此步外延生长一次性长完上述所有各层材料，称为一次外延，结构如图8、图9中第1步所示。

如采用Butt-Joint方法制作EAM器件或MZI干涉器时，需要在完成一次外延后，通过先光刻掩模保护有源区，在通过RIE或ICP刻蚀的方法将未加保护的部分刻蚀掉，直到去除量子阱结构，然后再外延生长所需要的EAM材料或无源波导材料。EAM需要生长的材料是PL谱在～1.49μm左右的量子阱结构和InGaAsP上波导层，无源波导需要生长200～300nm厚的PL中心波长在1.27μm左右的InGaAsP材料，之后在生长一层PL中心在1.15μm左右的InGaAsP上限制层，称为二次外延生长，如图8中第2步所示，完成后就可以进一步制作单片集成了调制器和激光器阵列的器件。

在二次外延的圆晶片上，通过全息干涉的方法制作周期约为256nm的全息光栅，之后再通过普通光刻叠加采样光栅，形成多波长DFB激光器所需要的光栅结构，如图8中第3步所示。取样光栅制作完成后，在进行三次外延生长：生长约100nm的p-InP光栅掩埋层，约15nm的InGaAsP刻蚀阻止层，然后再生长1.6～1.8μm厚的p-InP脊条层和InGaAs欧姆接触层(重掺杂，掺杂浓度大于1X10¹⁹cm^-2)，如图8第4步所示。之后进行后续工艺处理：通过光刻、刻蚀形成脊条波导结构，其中激光器脊条长400μm，宽～2μm，脊条侧沟宽～20μm，深1.6～1.8μm。EAM器件长度100～150μm，其他尺寸与激光器脊条相同，完成后续工艺的器件示意图如图8第5步所示。MZI干涉器也采用相同宽度和深度的脊波导结构，但尺寸要更大，大约长5～6mm，宽0.5mm左右，完成制作后集成器件与EAM集成器件类似，只是调制器是MZI。MZI干涉器需要如此大的尺寸主要是为了优化电极的布局以使高频电信号可以加载在器件上，并减少电串扰。

如使用QWI方法制作EAM或MZI干涉器，制作步骤将会与上述过程不同。其中的量子阱刻蚀和对接生长的步骤就不需要了，完成一次外延生长后(图9第1步)，就进行光栅的制作，完成后器件结构如图9第2步所示。之后按前述中三次外延的参数进行外延生长，如图9第3步所示。完成外延片的生长后，通过光刻的方法区分有源激光器区域和EAM/无源波导区域。在EAM/无源波导区域，首先在表面溅射一层150nm厚的金属铜，再通过溅射的方法生长一层200nm后的SiO₂，而激光器部分则用PECVD生长的SiNx或SiO₂保护起来。完成后将基片进行快速退火处理，温度一般在600℃～700℃，时间在数十秒(具体参数将需要预先通过实验片确定)。之后去除表面的SiO₂、SiNx和辅助金属，形成如图9第4步所示结构。按前述Butt-Joint方式中描述的后续工艺过程进行处理，完成集成EAM调制器或MZI调制器(图9第5步)的制作。

完成制作的器件通过空间光耦合的方法与无源合波器件混合集成。可以使用非球面镜阵列或接近耦合的方法，一边监测各通道在合波器出光口的功率，一边微调多波长集成芯片与无源合波器的相对位置，直到让各通道出光功率达到大小一致，并使光功率尽量大。之后用紫外光固化胶等模块封装常用的胶接材料将合波器固定，并将从合波器出光端口出射的光用非球透镜耦合进单模光纤，实现多波长在一根单模光纤中的合波输出。

Claims (6)

1.一种实现WDM-PON模块中的多波长激光产生的方法，利用等效-重构啁啾技术制作该高速数字调制WDM-PON芯片中的多波长激光器阵列部分，其特征在于，使用采样布拉格光栅作为分布反馈光栅，阵列中π-相移分布反馈激光器的激射波长通过采样周期的变化来进行控制；通过在不同区域设计不同的采样周期，实现集成器件中阵列激光器的多波长输出；π-相移结构安排在采样光栅中，以形成等效的相移。

2.一种改善REC技术制作的多波长阵列激光器波长间隔精度的方法，其特征在于，在基本的端面发射REC光栅DFB激光器脊波导结构两端，采用抗反射的波导结构设计，以在端面增透镀膜的基础上进一步减小反射光的强度；采用的抗反射波导结构是如下三种结构中的任意一种或两种：(1)倾斜端面结构；(2)光吸收波导结构；(3)平板波导发散结构。

3.一种产生多波长高速数字调制光信号的方法，其特征是，激光器阵列使用由权利要求1和权利要求2所述的方法制作，并单片集成电吸收调制器阵列；其中多波长激光器阵列工作在直流状态，产生的连续激光进入与激光器单片集成的电吸收调制器，由电吸收调制器将连续光调制成数字光信号。

4.一种产生多波长高速数字调制光信号的方法，其特征是，激光器阵列使用由权利要求1和权利要求2所述的方法制作，并单片马赫-曾德调制器阵列；其中多波长激光器阵列工作在直流状态，产生的连续激光进入与激光器单片集成的马赫-曾德干涉调制器；由马赫-曾德调制器将连续光调制成数字光信号。

5.一种高速数字调制WDM-PON模块，其特征在于，用权利要求1～权利要求4所述的方法制作的，通道数不大于8的单片集成数字调制器REC激光器阵列，与基于硅/石英/磷化铟基材料的平面光波导分路器混合集成在一个模块中，实现不同波长的数字光信号在一根单模光纤中输出。

6.一种高速数字调制WDM-PON模块，其特征在于，用权利要求1～权利要求4所述的方法制作的，通道数大于8的单片集成数字调制器REC激光器阵列，与基于硅/石英/磷化铟基材料的阵列波导光栅合波器混合集成在一个模块中，实现不同波长的数字光信号在一根单模光纤中输出。