CN105356295A - 基于重构-等效啁啾和纳米压印制备dfb激光器及阵列的方法 - Google Patents

Abstract

基于重构-等效啁啾和纳米压印技术制备的DFB激光器制备方法，DFB激光器腔的起选模作用的光栅为啁啾光栅结构，DFB激光器腔内起选模作用的光栅是基于重构-等效啁啾和纳米压印技术设计、并制备的取样布拉格光栅；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,该等效光栅中含有对应传统相移的等效相移，等效相移区的位置在取样布拉格光栅中心的+/-15％的区域范围内，制备取样布拉格光栅的基本光栅是通过纳米压印技术制备的；基本布拉格光栅是由纳米压印技术制备的均匀光栅，然后用基于重构-等效啁啾技术设计的取样版进行采样制备目标等效相移的光栅即啁啾光栅。

Description

基于重构-等效啁啾和纳米压印制备DFB激光器及阵列的方法

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及光纤通讯、光子集成以及其他光电信息处理。尤其涉及一种基于重构-等效啁啾和纳米压印技术制备DFB半导体激光器。

背景技术

DFB半导体激光器是指分布式反馈激光器，内置布拉格光栅反馈的激光器。由于DFB激光器内部光栅的很好的滤波特性，能够筛选出各种不同波长。近年来光通信的信息容量呈现爆炸式的增长，而承载这个庞大网络通讯的是光纤和各种光通讯器件组成的光纤网络系统。目前，光网络主要有各种分立的光子器件组成。它们由独立的结构，独立的封装等制作方法实现。但随着光信息容量的进一步增加，目前的分立光器件的组成形式将带来很多问题。比如系统非常复杂庞大，能耗大量增加，管理成本也迅速增加。这些问题导致现有的网络实现方法将很难进一步维持下去。为了解决这些问题，光子集成技术被普遍认为是该问题的主要解决方法而受到广泛的关注和研究。光子集成回路和目前的电子集成回路是等价的。它将很多个功能的光子器件集成在同一个半导体衬底上，以实现一个特定的功能。比如美国英飞朗公司(InfineraCorp.)将10个光探测器、多波长DFB半导体激光器、电吸收调制器、放大器以及一个阵列波导光栅(AWG)集成在一个InP衬底上实现10×10Gb/s的波分复用(WDM)发射芯片[1]。在很多光子集成芯片中都需要多波长激光器光源。因此集成多波长DFB半导体激光器阵列是其中非常关键的元件[2]。但是，它的低成本制造目前还比较困难。对于单个DFB半导体激光器阵列的制造主要有两方面的关键问题。其一，DFB激光器阵列中每个激光器波长的准确以及单独的控制，这需要每个激光器光栅周期的准确控制。其二，一个多波长阵列的成品率是每个激光器成品率的激光器个数的指数倍，所以如果整个阵列芯片有比较好的成品率，每个激光器需要很高的成品率。对于上面的两个问题，目前主要的解决方法有，利用电子束曝光技术精确控制每一个激光器的光栅周期，同时在光栅中间位置插入π相移。同时，激光器两端镀增透膜或者制作倾斜的谐振腔波导，避免因端面反射和端面随机相位的影响[3]。这样每个激光器的激射波长完全处于Bragg光栅光谱的禁带中心。避免了端面的随机相位对波长的影响，而且在理论上有100％的单模特性成品率。

文献[4]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，利用一个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”(CN0213383.8，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XiangfeiChenet.al,“AnalyticalexpressionofsampledBragggratingswithchirpinthesamplingperiodanditsapplicationindispersionmanagementdesigninaWDMsystem”(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)，IEEEPhotonicsTechnologyLetters,12,pp.1013-1015,2000。该技术最大的优点是，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读的制造。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[5]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：CN200810156592.0)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，这个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。

文献[6-10]都是基于重构-等效啁啾技术制备的DFB激光器，其本步骤是用全息制备均匀基本光栅，然后用基于重构-等效啁啾技术设计的取样版进行采样，制得含有等效相移的光栅结构，由于采样的原因，较弱了光栅对光的有效反馈，为了满足KL的值，设计中必须增大激光器强长。而长腔的调制特性很差。要完善这个缺点，有效方法是增加光栅的刻蚀深度，可基于全息制备均匀光栅的刻蚀深度存在瓶颈。

纳米压印最早由StephenChou教授在1995年提出，它是一种不同于传统光刻技术的全新图形转移技术。它不再使用光线或者辐射使光刻胶感光成形，而是直接各种衬底上利用物理学的机理产生纳米尺寸图形。它采用机械模具微复型原理来代替包含光学、化学及光化学反应机理的传统复杂光学光刻，避免了对特殊曝光束源、高精度聚集系统、极短波长透镜系统以及抗蚀剂分辨率受光半波长效应的限制和要求，具有高分辨低成本、高生产率的优点。

文献引用：

[1]DavidF.Welch,etal,Large-scaleInPphotonicintegratedcircuits:Enablingefficientscalingofopticaltransportnetworks(大规模铟磷基光子集成回路：光传输网的有效解决方案)，IEEEJournalofselectedtopicsinquantumelectronics,2007,13(1)：22-31.

[2]陈向飞，刘文，安俊明，刘宇，徐坤，王欣，刘建国，纪越峰，祝宁华，“多波长激光发射光子集成技术”科学通报，2011，56(25)：2119-2126.

[3]Y.Kotaki,M.Matsuda,T.Fujii,andH.Ishikawa,MQW-DFBlaserswithnon-uniformdepthλ/4shiftedgratings,inProc.OCOC/ICOC91,137-140(1991).

[4]YitangDaiandXiangfeiChen,DFBsemiconductorlasersbasedonreconstructionequivalentchirptechnology(基于重构-等效啁啾技术的DFB半导体激光器),OpticsExpress,2007,15(5):2348-2353.

[5]YitangDai,XiangfeiChen,LiXia,YejinZhang,andShizhongXie,SampledBragggratingwithdesiredresponseinonechannelbyuseofreconstructionalgorithmandequivalentchirp(利用重构-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),OpticsLetters,2004,29(12)1333-1335.

[6]Y.Shietal.,“Experimentaldemonstrationofeight-wavelengthdistributedfeedbacksemiconductorlaserarrayusingequivalentphaseshift,”Opt.Lett.,vol.37,no.16,pp.3315–3317,Aug.2012.

[7]Y.Shietal.,“StudyofthemultiwavelengthDFBsemiconductorlaserarraybasedonthereconstruction-equivalent-chirptechnique,”J.LightwaveTechnol.vol.31,no.20,pp.3243–3250,Sep.2013.

[8]Y.Shietal.,“16-WavelengthDFBLaserArrayWithHighChannel-SpacingUniformityBasedonEquivalentPhase-ShiftTechnique,”IEEEPhotonicsJ.,vol.6,no.6,p.1502711,Dec.2014.

[9]Y.Shietal.,“Highchannelcountandhighprecisionchannelspacingmulti-wavelengthlaserarrayforfuturePICs,”Sci.Rep-UK,vol.4,no.7377,pp.1-6,Dec.2014.

[10]Y.Zhangetal.,“StudyonDFBsemiconductorlaserarrayintegratedwithgratingreflectorbasedonreconstruction-equivalent-chirptechnique,”Opt.Exp.,vol.23,no.3,pp.2889–2894,Jan.2015.

发明内容

为了弥补现有制备工艺过程的不足，本发明的目的是，使纳米压印技术和普通亚微米半导体工艺相结合,提出一种制备高性能DFB激光器的新工艺。增加制备取样光栅所需的基本光栅的刻蚀深度。成功满足重构-等效啁啾技术对深刻蚀光栅的需求。优化基于重构-等效啁啾技术设计制备DFB激光器的工艺，提高基于重构-等效啁啾技术制备的DFB半导体激光器的性能。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：基于重构-等效啁啾和纳米压印技术制备的DFB激光器，DFB激光器腔的起选模作用的光栅为啁啾光栅结构，设光栅反射波长：

λ＝2nΛ(z)

其中n为有效折射率，Λ(z)为啁啾光栅的周期,是性啁啾或是非线性啁啾；Λ(z)的啁啾大小决定了啁啾光栅的反射带宽B，表示为：

B＝|2nΛ(z_end)-2nΛ(z₀)|

其中|·|表示绝对值，z_end表示啁啾光栅的末端位置，z₀表示啁啾光栅的起始位置；DFB激光器腔内起选模作用的光栅是基于重构-等效啁啾和纳米压印技术设计、并制备的取样布拉格光栅；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,该等效光栅中含有对应传统相移的等效相移,等效相移区的位置在取样布拉格光栅中心的+/-15％的区域范围内，制备取样光栅的基本光栅是通过纳米压印技术制备的。

多波长激光器的自由光谱范围：

$FSR=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2n\mathrm{\Δ}d}$

其中λ为光栅的中心波长，n为有效折射率，Δd为两个光栅在纵向上的间隔。FSR即为多波长激光器的波长间隔，因此Δd决定了多波长的间隔大小。啁啾结构的分布反馈(DFB)半导体激光器的激射波长数目N可估算为：

N≈B/FSR

制备方式是：基本光栅是由纳米压印技术制备的均匀光栅，然后用基于重构-等效啁啾技术设计的取样版进行采样制备目标等效相移的光栅即啁啾光栅；

DFB激光器腔内光栅是由重构-等效啁啾方法设计、引入等效相移，如λ/4相移、λ/8相移等各种数值的等效相移结构。

通过取样周期的选取，将+1或-1级子光栅的布拉格波长置于DFB激光器腔内增益中心作为激射波长，而0级子光栅布拉格波长远离增益区；不同的取样周期对应不同的激射波长。

进一步的，将重构-等效啁啾和纳米压印技术有效结合起来制备DFB激光器，等效光栅结构由重构-等效啁啾技术设计，由纳米压印技术制备。具体制备方式是：基本光栅是由纳米压印技术制备的均匀光栅，然后用基于重构-等效啁啾技术设计的取样版进行采样制备目标等效光栅；DFB激光器腔内光栅是由重构-等效啁啾技术设计、引入等效相移，如λ/4相移、λ/8相移等各种数值的等效相移结构。

制备取样结构光栅的基本光栅是基于纳米压印技术设计、制备的均匀光栅。

DFB激光器腔内置等效光栅是基于重构-等效啁啾和纳米压印技术制备的，光栅层材料根据需要选择，光栅层高度在40～200nm范围内。

基于重构-等效啁啾和纳米压印技术制备DFB激光器阵列，其特征在于阵列中每个激光器都具有上述特征；在同一外延片上，种子光栅各参数具有相同的条件，每个激光器通过渐变取样周期实现不同波长在对应的子光栅(+1或-1级)中的激射，将具有不同取样周期的分布耦合取样图案顺次排在同一取样掩模版上，实现单片集成分布耦合系数DFB激光器阵列。

有益效果：本发明将重构-等效啁啾技术和纳米压印技术有效地结合在一起，重构-等效啁啾技术的优点是在微米量级设计，并制备具有等效相移的取样光栅，但需要深刻蚀的基本光栅，纳米压印技术可以制备40-200nm的深刻蚀光栅，很好地满足了重构-等效啁啾技术对深刻蚀基本光栅的需求，成功解决基于重构-等效啁啾技术制备高性能DFB半导体激光器的一个技术难题。

附图说明

图1(1)-图1(7)是本发明中基于重构-等效啁啾技术和纳米压印技术制作等效相移光栅的示意图。

具体实施方式

本发明外延材料和其他工艺过程一样：

步骤一：在衬底3上一次生长缓冲层、下波导层、多量子阱、上波导层，得到半导体波导结构的一次外延片。本例采用的波导材料为InGaAsP/InP，波导材料还可以根据需要设计为Ⅲ-Ⅴ族元素、Ⅳ-Ⅴ族元素结构的半导体化合物材料。

步骤二：在一次外延片结构的上波导层上通过甩胶机旋涂一层纳米压印胶2，压印胶的厚度根据光栅刻蚀深度需要而确定，而后由甩胶机的转速以及时间控制。

步骤三：纳米压印模板1上的均匀光栅图案转移到纳米压印胶上，在纳米压印胶上形成均匀图案，如图1(1)压印和1(2)分离所示。

步骤四：在已形成均匀图案的纳米压印胶上旋涂普通光刻胶，再利用基于重构-等效啁啾技术设计的取样光刻版进行曝光，然后显影，在光刻胶上形成取样图案，如图1(3)旋涂普通光刻胶和1(4)曝光然后显影所示.

步骤五：利用ICP在O₂的条件下清洗掉经取样曝光、显影后暴露出来的纳米压印胶条，如图1(5)O₂清洗所示；然后用丙酮清洗光刻胶，在上波导层上形成具有等效相移的取样图案，如图1(6)丙酮清洗所示。

步骤六：利用ICP刻蚀，在含F条件下进行刻蚀，如果有压印胶残留，用丙酮清洗，如图1(7)ICP刻蚀所示。

而后进行二次外延，脊条的制作，电极的制作等工艺，和普通DFB半导体激光器无异。

Claims (9)

1.基于重构-等效啁啾和纳米压印技术制备的DFB激光器，其特征是DFB激光器腔的起选模作用的光栅为啁啾光栅结构，设光栅反射波长：

λ＝2nΛ(z)

其中n为有效折射率，Λ(z)为啁啾光栅的周期,是线性啁啾或非线性啁啾；Λ(z)的啁啾大小决定了啁啾光栅的反射带宽B，表示为：

B＝|2nΛ(z_end)-2nΛ(z₀)|

其中|·|表示绝对值，z_end表示啁啾光栅的末端位置，z₀表示啁啾光栅的起始位置；DFB激光器腔内起选模作用的光栅是基于重构-等效啁啾和纳米压印技术设计、并制备的取样布拉格光栅；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,该等效光栅中含有对应传统相移的等效相移，等效相移区的位置在取样布拉格光栅中心的+/-15％的区域范围内，制备取样布拉格光栅的基本光栅是通过纳米压印技术制备的。

2.根据权利要求1所述的DFB激光器制备方法，其特征是：基本布拉格光栅是由纳米压印技术制备的均匀光栅，然后用基于重构-等效啁啾技术设计的取样版进行采样制备目标等效相移的光栅即啁啾光栅。

3.根据权利要求2所述的DFB激光器制备方法，其特征是：通过取样周期的选取，将+1或-1级子光栅的布拉格波长置于DFB激光器腔内增益中心作为激射波长，而0级子光栅布拉格波长远离增益区；不同的取样周期对应不同的激射波长。

4.根据权利要求2所述的DFB激光器制备方法，其特征是：基本布拉格光栅是由纳米压印技术制备的均匀光栅，然后用基于重构-等效啁啾技术设计的取样版进行采样制备目标等效光栅；DFB激光器腔内光栅是由重构-等效啁啾技术设计、引入等效相移，如λ/4相移、λ/8相移等各种数值的等效相移结构。

5.根据权利要求4所述的DFB激光器制备方法，其特征是：将重构-等效啁啾和纳米压印技术有效结合起来制备DFB激光器，等效光栅结构由重构-等效啁啾技术设计，由纳米压印技术制备。

6.根据权利要求5所述的DFB激光器制备方法，其特征是：DFB激光器腔内置等效光栅是基于重构-等效啁啾和纳米压印技术制备的，光栅层材料根据需要选择，光栅层高度在40～200nm范围内。

7.根据权利要求5所述的DFB激光器制备方法，其特征是：激光器外延材料包括InGaAsP/InP、InAlGaAs/InP、AlGaAs/GaAs、InGaAs/InGaP、GaAsP/InGaP等Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物材料和Ⅳ-Ⅵ族半导体化合物材料。

8.根据权利要求5所述的DFB激光器制备方法，其特征是：多波长激光器的自由光谱范围：

$FSR=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2n\mathrm{\Δ}d}$

其中λ为光栅的中心波长，n为有效折射率，Δd为两个光栅在纵向上的间隔。FSR即为多波长激光器的波长间隔，因此Δd决定了多波长的间隔大小。啁啾结构的分布反馈(DFB)半导体激光器的激射波长数目N可估算为：

N≈B/FSR。

9.根据权利要求2-8之一所述的制备DFB激光器阵列的方法，其特征是：所述DFB激光器阵列中每个激光器都具有基本布拉格光栅是由纳米压印技术制备的均匀光栅，然后用基于重构-等效啁啾技术设计的取样版进行采样制备目标等效相移的光栅即啁啾光栅；在同一外延片上，种子光栅各参数具有相同的条件，每个激光器通过渐变取样周期实现不同波长在对应的子光栅的+1或-1级中的激射，将具有不同取样周期的分布耦合取样图案顺次排在同一取样掩模版上，实现单片集成分布耦合系数DFB激光器阵列。