CN106941241B - 一种基于ebl的激光器加工方法及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光器技术领域，提供了一种基于EBL的激光器加工方法及其应用方法。所述加工方法包括：确定均匀光栅激光器的光栅区结构所对应的第一反射峰的相关参数；获取激光器允许制作的光栅区结构的相关参数区间；根据允许制作的光栅区结构的相关参数区间，求解得到均匀光栅所能取得的最大耦合系数，以及对应制作的光栅区结构的相关参数值；根据第一反射峰的相关参数和最大耦合系数，计算得到取样光栅的最小光栅区长度；将取样光栅的最小光栅区长度和光栅区结构的相关参数值作为激光器光栅区制作的输入参数。本发明利用含最小光栅区长度的取样光栅替代已有的均匀光栅结构，能够减少光刻的总量，改善加工工艺的复杂度，提高激光芯片的生产效率。

Description

一种基于EBL的激光器加工方法及其应用方法

【技术领域】

本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种基于EBL的激光器加工方法及其应用方法。

【背景技术】

半导体激光器是光纤通信系统中的重要光源。它体积小，效率高，十分适合光纤通信系统中使用。目前随着光纤通信系统大规模使用相干技术，对光源线宽提出了越来越高的要求。在普通强度调制光通信系统中，光源线宽一般为MHz量级即可满足通信系统要求。而在相干通信系统中，目前主流的100G相干通信系统要求光源线宽小于300KHz，未来调制格式更加复杂的光通信系统更是将线宽要求提高到了数十KHz。因此，窄线宽光通信光源在未来的通信系统中具有举足轻重的作用。

在DBR激光器中，激光器线宽很大程度上受其布拉格反射光栅的影响，在文献“Ananalysis of the linewidth and spectral behavior of DBR lasers”(作者是ERWINPATZAK,PETER MEISSNER,AND D.YEVICK，源自1985年9月的IEEE文章)中，详细描述了DBR激光器中线宽与布拉格反射光栅光栅耦合系数及光栅长度，总反射率等的关系。从中可以看出要得到一个极窄线宽的DBR激光器需要在满足一定光栅反射率的情况下，尽可能降低光栅耦合系数，增加光栅的总长度。在这种情况下，我们可以使用全息曝光技术很容易的制作具有很长长度的光栅，而后制作出相同的窄线宽DBR激光器。类似的，上述针对于DBR激光器的研究，同样适用于DFB激光器。

但是随着通信系统对封装成本，封装体积的要求越来越高，芯片集成化是未来光芯片发展的必然方向。在目前广泛使用的波分复用光通信系统中，每一个光纤中通常都含有数个乃至数十个不同的光信号波长。因此将多个波长激光器集成在同一芯片上的阵列激光器无疑具备十分重要的作用。

但是如果要在同一芯片上制作不同波长的阵列激光器，通常需要使用到不同周期的光栅，传统的全息曝光法对同一晶圆上多周期的光栅制作无能为力。目前主流的制作方式是使用电子束光刻，也被称为电子束曝光(Electron Beam Lithography，简写为：EBL)系统，电子束光刻以聚焦电子束为曝光手段，通过磁场电场控制，使得电子束能够被聚焦到纳米级的光斑上，通过控制程序使用逐点扫描的方式对晶圆进行曝光。在这种方式下，电子束光刻加工成本，设备成本都异常昂贵同时加工机时也非常长，不太适合批量生产。

因此设法降低电子束加工的成本就成为了推动多波长DBR激光器的关键技术。同上述文献，我们知道在一定光栅反射率情况下，光栅长度与耦合系数成反比，而降低光栅长度增加耦合系数可以极大的提高激光器的线宽特性。但是这带来了一个更加严重的问题，光栅长度的增加无疑会增加电子束曝光的时间，使得多波长窄线宽DBR激光器阵列的加工成本更加昂贵。

鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

【发明内容】

本发明实施例要解决的技术问题是解决目前采用EBL制作的窄线宽激光器及其阵列激光器加工耗时长，成本昂贵的技术问题。

本发明实施例进一步要解决的技术问题是提供一种基于EBL加工完成的多波长窄线宽阵列激光器的制造方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明实施例第一方面，提供了一种基于EBL的激光器的加工方法，包括：

确定均匀光栅激光器的光栅区结构所对应的第一反射峰的相关参数；

获取所述激光器允许制作的光栅区结构的相关参数区间；

根据所述允许制作的光栅区结构的相关参数区间，求解得到均匀光栅所能取得的最大耦合系数，以及对应制作的光栅区结构的相关参数值；

根据所述第一反射峰的相关参数和最大耦合系数，计算得到取样光栅的最小光栅区长度；

将所述取样光栅的最小光栅区长度和所述对应制作的光栅区结构的相关参数值作为激光器光栅区制作的输入参数。

可选的，所述方法还包括：根据所述允许制作的光栅区结构的相关参数区间，求解得到取样光栅的取样长度Ls的设定值，使得取样光栅梳状反射谱的0级反射峰与1级反射峰的间隔大于有源区增益峰所覆盖长度的一半。

可选的，第一反射峰的相关参数包括第一反射率、第一反射峰波长、第一反射峰线宽中的一项或者多项，则所述根据所述第一反射峰的相关参数和最大耦合系数，计算得到取样光栅的最小光栅区长度，具体为：

满足采用取样光栅的最小光栅区长度调整后的耦合系数，取样光栅所能产生的第二反射率与所述第一反射率相差值小于5％；和/或，

满足取样光栅的最小光栅区长度所对应的光栅周期和均匀光栅的光栅周期相同；和/或，

满足采用最小光栅区长度制作的取样光栅，其光栅区结构所能产生的第二反射峰线宽和所述第一反射峰线宽相差小于5％；

在满足上述一个或者多个条件下，计算得到取样光栅的最小光栅区长度。

可选的，所述允许制作的光栅区结构的相关参数区间包括光栅区结构的总长度区间、光栅区结构的高度区间、光栅形状因子类型、光栅区结构中的光栅层的折射率区间和光栅覆盖层的折射率区间中的一项或者多项，其中，耦合系数调整因子包括：光栅层折射率、光栅区结构的高度、光栅覆盖层折射率、光栅因子中的一项或者多项，则所述根据所述允许制作的光栅区结构的相关参数区间，求解得到均匀光栅所能取得的最大耦合系数，以及对应制作的光栅区结构的相关参数值，具体包括：

其中，增大光栅层折射率和/或减小光栅覆盖层折射率，则增大耦合系数；

其中，增大光栅层与光场中心间距d，则减小耦合系数；

其中，光栅因子和耦合系数成正比；

其中，增大光栅区结构光栅层高度，则增大耦合系数；

根据上述各耦合系数调整因子对耦合系数的调整关系，在相应允许制作的光栅区结构的相关参数区间范围内，计算出最大耦合系数。

可选的，所述将所述取样光栅的最小光栅区长度和所述对应制作的光栅区结构的相关参数值作为激光器光栅区制作的输入参数，具体包括：

根据计算出最大耦合系数所设定的耦合系数调整因子和计算得到取样光栅的最小光栅区长度，作为所述激光器生产过程中，对应光栅区结构的加工参数。

可选的，在所述光栅为三层结构时，取样光栅的0级反射峰的耦合系数为K₀＝K*δ，其中δ＝Lg/Ls，为光栅区长度Lg和取样长度Ls的比值结果， 是已有均匀光栅的耦合系数，式中的：

其中，N_core为光栅层折射率、a为已有均匀光栅厚度、G为光栅形状因子、λ为光栅工作波长、n_g为有效折射率、N_clad为覆盖层折射率、d为光场中心间距；

根据激光器允许制作的光栅区结构的相关参数区间，求解得到第一反射峰的最大耦合系数K_max；

根据所述均匀光栅的第一反射峰的相关参数，求解得到满足所述第一反射峰的相关参数的最小光栅区长度Lg_min。

可选的，在所述第一反射峰的相关参数具体为第一反射率时，所述根据所述均匀光栅的第一反射峰的相关参数，求解得到满足所述第一反射峰的相关参数的最小光栅区长度Lg_min，具体为：

所述0级反射峰的耦合系数与0级反射峰的反射率对应关系为R(0)＝tanh²(|K₀|*number*L_s)，其中，R(0)为0级反射峰的反射率，number为取样长度数；

计算在R(0)满足不小于第一反射率情况下，所能取得的取样光栅的最小光栅区长度Lg_min。

本发明实施例第二方面，提供了一种基于EBL的激光器的加工方法，所述方法包括：

根据所要生产的激光器中对光栅反射峰值的参数设定、光栅区总长度L和光栅的允许最大腐蚀深度2a_max，确定取样光栅组成的光栅区结构实现时，取样光栅的最小光栅区长度Lg_min和取样长度Ls；

根据所述最大腐蚀深度2a_max、取样光栅的最小光栅区长度Lg_min和取样长度Ls制作所述激光器的光栅区结构。

可选的，所述取样长度Ls具体根据公式Δλ＝λ²/2n_gLs求解得到，使得取样光栅梳状反射谱的0级反射峰与1级反射峰的间隔Δλ大于有源区增益峰所覆盖长度的一半，其中，n_g为取样光栅的有效折射率、λ为均匀光栅中反射峰的波长。

本发明实施例第三方面，提供了一种基于EBL的激光器阵列的加工方法，激光器阵列由一个或者多个激光器组合而成，所述方法包括：

确定采用均匀光栅制作激光器阵列中各激光器的光栅区结构所获得的第一组反射峰的相关参数；

获取所述激光器阵列允许制作的各激光器的光栅区结构的相关参数；

根据所述允许制作的各激光器的光栅区结构的相关参数，求解得到对应各激光器的均匀光栅所能取得的最大耦合系数；

根据所述第一反射峰的相关参数和最大耦合系数，计算得到对应各激光器的最小光栅区长度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明实施例在研究了现有的耦合系数调整因子与耦合系数之间的关联关系后，进一步确认了对应所述耦合系数调整因子的调整可以通过制造过程中调整光栅区结构的相关参数实现，从而能够基于允许制作的光栅区结构的相关参数区间，设计出取样光栅的最小光栅区长度。利用所述含最小光栅区长度的取样光栅替代已有的均匀光栅结构，能够有效的减少光刻的总量，从而提高单位激光器芯片中EBL系统的执行时间，不仅改善了加工工艺的复杂度，也提高了激光芯片的生产效率。

【附图说明】

图1是本发明实施例提供的一种基于EBL的激光器加工方法流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种取样光栅结构的光栅梳状反射谱示意图；

图3是本发明实施例提供的一种DBR激光器的取样光栅结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种取样光栅梳状反射谱中相邻能级反射峰间隔与取样长度关系示意图；

图5是本发明实施例提供的一种三层结构的均匀光栅的剖面示意图；

图6是本发明实施例提供的一种三层结构的取样光栅的剖面示意图；

图7是本发明实施例提供的一种基于EBL的激光器加工方法流程示意图；

图8是本发明实施例提供的一种取样光栅替代方案和原均匀光栅方案的工作波长示意图；

图9是本发明实施例提供的一种基于EBL的激光器加工方法流程示意图；

图10是本发明实施例提供的一种基于EBL的激光器加工方法流程示意图；

图11是本发明实施例提供的一种基于EBL的激光器加工方法流程示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

现有技术中如果要在同一芯片上制作不同波长的阵列激光器，通常需要使用到不同周期的光栅，目前主流的制作方式是使用电子束光刻，也被称为电子束曝光EBL系统，电子束光刻以聚焦电子束为曝光手段，通过磁场电场控制，使得电子束能够被聚焦到纳米级的光斑上，通过控制程序使用逐点扫描的方式对晶圆进行曝光。

现有技术中包含不同波长的阵列激光器的制作，除了采用所述EBL系统完成外，对于不同波长的生成通常是利用对应不同波长需求设定光栅周期，并利用均匀光栅的结构达到阵列激光器中指定波长的反射。由于EBL系统是一种逐条光栅曝光完成光刻工艺，因此，均匀光栅的光栅周期数量会直接影响生产加工效率和生产加工成本。

基于上述技术问题，本发明在进一步研究了通过调整取样光栅的耦合因子基础上，能够利用取样光栅结构替代所述均匀光栅，并能够取得与均匀光栅结构相近似的激光参数效果，从而能够直接为一种基于均匀光栅结构生产的激光器，提供一种可发射出近似参数的激光，并且是采用取样光栅结构实现的激光器。其直接带来的效果，就是减少了光栅周期、提高了用EBL系统完成一激光器或者激光器阵列的效率、节约了生产成本。其中，又以阵列激光器所带来的改进效果最为明显。为了达到上述相近似的激光参数，必然会带来对应结构的改变，接下来将通过各实施例来阐述具体的实现方式。

实施例1:

本发明实施例1提供了一种基于EBL的激光器的加工方法，所述加工方法可以适用于单激光器，也可以适用于激光器阵列(所述单激光器和阵列激光器，后续统称为激光器)。本实施例主要针对如何就已经存在一款激光器或者阵列激光器，就其采用的均匀光栅结构，提出一种取样光栅结构的替代方案。通过调整耦合系数，使得基于取样光栅结构制作而成的激光器，能够取得与已有均匀光栅结构制作激光器产品等同的激光性能参数，其中，两种实现方式的性能偏差能够达到工业级的参数浮动范围要求。如图1所述，本发明实施例所提出的加工方法包括以下执行步骤：

在步骤201中，确定均匀光栅激光器的光栅区结构所对应的第一反射峰的相关参数。

所述均匀光栅制作的激光器，在本发明实施例中认为是已经被设计出来、工业生产或者投入市场使用的激光器，在本发明各实施例中也被称为已有的均匀光栅激光器。

其中，所述第一反射峰的相关参数包括第一反射率、第一反射峰波长、第一反射峰线宽中的一项或者多项。上述各项参数的确定，通常与激光器所应用的技术场合而定。所述第一反射率，主要用于标定反射从有源区射出的增益信号的能力强弱，其中，经光栅区结构反射后的增益信号最终从激光器射出，所述第一反射率和有源区的增益信号强度是决定激光性能参数中激光强度的主要因素；第一反射峰波长和增益信号的波长，以及第一反射峰线宽与增益信号的线宽两两相互作用，确定了可以被反射出去的增益信号，决定了激光性能参数的激光波长和激光线宽。

在步骤202中，获取所述激光器允许制作的光栅区结构的相关参数区间。

其中，所述允许制作的光栅区结构的相关参数区间包括光栅区结构的总长度区间、光栅区结构的高度区间、光栅形状因子类型、光栅区结构中的光栅层的折射率区间和光栅覆盖层的折射率区间中的一项或者多项。

本发明实施例主要运用的是光栅区结构与耦合系数调整因子之间的对应关系，通过在允许制作的光栅区结构的相关参数区间范围内，调整与所述耦合系数调整因子对应的光栅区结构所对应的相关参数，从而得到均匀光栅结构的最大耦合系数。其中，耦合系数调整因子包括：光栅层折射率、光栅区结构的高度(芯层厚度)、光栅覆盖层折射率、光栅因子中的一项或者多项。所述允许制作的光栅区结构的相关参数区间是指在制作取样光栅激光器替代已有均匀光栅激光器时，各光栅区结构的相关参数允许调整的范围，通常是根据已有的均匀光栅激光器的相关参数和客观的产品需求决定。优选的是尽可能的减少已有均匀光栅激光器中相关结构参数的改变，从而能够有效的利用现有的已有均匀光栅激光器的加工生产线。

所述激光器允许制作的光栅区结构的相关参数区间，可以根据制作人员的设计需求做出调整，也可以根据激光器芯片的采购商要求做出调整；通常所述允许制作的光栅区结构的相关参数区间可以是借鉴该已有的均匀光栅激光器的光栅区结构计算得到。

所述光栅区结构的总长度，通常是和激光器的大小有关，而作为一种替换已有均匀激光器的制作方法，默认的情况下设置为与已有的均匀光栅制作激光器的光栅区结构的总长度相同。另一方面，所述光栅区结构的总长度与所述取样光栅梳状反射谱的线宽相关，为了达到本发明实施例所制作的取样光栅激光器的输出激光参数和已有的均匀光栅激光器的输出激光参数相近似，所述光栅区结构的总长度优选的设置成与已有的均匀光栅激光器的光栅区结构的总长度相同。其中，均匀光栅激光器的光栅区结构的总长度与所述取样光栅梳状反射谱的线宽的对应关系如下公式所示：

其中，λ为反射峰的峰值波长，n_g为光栅区结构的有效折射率，L为光栅区结构长度(可参考图3所示结构对应参数的标注，本发明附图中仅给出了DBR激光器示意图，但是，本发明实施例所提出的方法同样适用于DFB激光器)，K为光栅区结构的耦合系数；其中，λ＝2Λn_g，Λ为光栅周期。

所述光栅区结构的高度(芯层厚度)，对于不同的激光器结构，所述光栅区结构的高度有不同的设计需求，通常其厚度会对垂直供电的寄生电容产生一定的影响，因此，为了制作方式上的简便，即减少结构上的调整带来的关联电器参数的变动影响到最终生产出的取样光栅激光器与已有的均匀光栅激光器的输出激光参数有较大的出入，优选的，采用与已有的均匀光栅激光器的光栅区结构的高度相同。

所述光栅形状因子G对应不同的光栅形状有相应的参数取值，其中，光栅形状包括梯形、矩形和波形，若光栅形状为矩形则所述光栅形状因子G的取值为如果是波形则所述光栅形状因子G的取值为1。光栅形状因子G对耦合系数的对应关系可参考本发明实施例2中提供的一种三层结构的光栅的耦合系数计算公式(3)。

所述光栅区结构中的光栅层的折射率N_core和光栅覆盖层的折射率N_clad。在本发明实施例中还提供了光栅覆盖层包括上下两层，则所述光栅覆盖层的折射率N_clad相应的表现为上光栅覆盖层的折射率为N_clad1、下光栅覆盖层的折射率为N_clad2，其与耦合系数的对应关系，可参本发明实施例2中提供的一种三层结构的光栅的耦合系数计算公式(3)。

在步骤203中，根据所述允许制作的光栅区结构的相关参数区间，求解得到均匀光栅所能取得的最大耦合系数，以及对应制作的光栅区结构的相关参数值。

根据各耦合系数调整因子对耦合系数的调整关系，在相应允许制作的光栅区结构的相关参数区间范围内，计算出最大耦合系数。其中，各耦合系数因子改变对耦合系数造成的影响对应关系如下：

1)增大光栅层折射率和/或减小光栅覆盖层折射率，则增大耦合系数；

2)增大光栅层与光场中心间距d，则减小耦合系数；

3)光栅因子和耦合系数成正比；

4)增大光栅区结构光栅层高度，则增大耦合系数。

在步骤204中，根据所述第一反射峰的相关参数和最大耦合系数，计算得到取样光栅的最小光栅区长度。

将所述最大耦合系数和第一反射峰的相关参数代入等式，求解得到的光栅区长度即为取样光栅的最小光栅区长度。其中，所述等式会因不同的光栅区结构存在不同的对应关系，例如本发明对应与三层光栅区结构提供了例如实施例2中公式(3)的等式。

在步骤205中，将所述取样光栅的最小光栅区长度和所述对应制作的光栅区结构的相关参数值作为激光器光栅区制作的输入参数。

将步骤204中计算得到对应取样光栅一个周期内的最小光栅区长度和步骤203中得到的对应制作的光栅区结构的相关参数值，作为激光器光栅区制作的输入参数。

本发明实施例在研究了现有的耦合系数调整因子与耦合系数之间的关联关系后，进一步确认了对应所述耦合系数调整因子的调整可以通过制造过程中调整光栅区结构的相关参数实现，从而能够基于允许制作的光栅区结构的相关参数区间，设计出取样光栅的最小光栅区长度。利用所述含最小光栅区长度的取样光栅替代已有的均匀光栅结构，能够有效的减少光刻的总量，从而提高单位激光器芯片中EBL系统的执行时间，不仅改善了加工工艺的复杂度，也提高了激光芯片的生产效率。

结合本发明实施例，若要生产出输出激光参数相同的两激光器，对于不改变有源区结构的前提下，除了要满足均匀光栅结构对应的所述第一反射峰的相关参数的约束外，还要考虑由于利用取样光栅结构替代已有的均匀光栅结构，两者的光栅反射谱之间存在差异。均匀光栅反射谱中仅包含第一反射峰，而取样光栅梳状反射谱中包含多级反射峰(例如：0级反射峰、-1级反射峰、+1级反射峰等等)，具体的一完整的取样光栅结构的取样光栅梳状反射谱示意图可参考图2所示，因此，为了克服所述光栅反射谱之间存在差异可能带来的输出激光由已有均匀光栅结构所能产生的单频段激光变成取样光栅结构可能产生的多频段激光，所述方法还包括：

根据所述允许制作的光栅区结构的相关参数区间，求解得到取样光栅的取样长度Ls的设定值，使得取样光栅梳状反射谱的0级反射峰与1级反射峰的间隔Δλ大于有源区增益峰所覆盖长度的一半。所述间隔Δλ＝λ²/2n_gLs(2)，参考图3所示的取样光栅区结构示意图，其中，λ＝2Λn_g、Λ为光栅周期、λ为取样光栅梳状反射谱的0级反射峰的波长，n_g为光栅区结构的有效折射率，Ls为取样长度。所述取样长度Ls与取样光栅梳状反射谱中相邻能级的间隔距离Δλ的变化关系如图4所示。

在本实施例的步骤204中提供了一种求解取样光栅的最小光栅区长度的计算方法，即将所述最大耦合系数和第一反射峰的相关参数代入等式，求解得到的光栅区长度即为取样光栅的最小光栅区长度。然而，在实际操作中除了可以参考所述第一反射峰的相关参数和最大耦合系数外，还要参照本发明实施例所提出的取样光栅结构替代已有均匀光栅结构时，还要受到以下约束条件中的一条或者多条限制，具体包括：

第一条：满足采用取样光栅最小光栅区长度调整后的耦合系数，取样光栅所能产生的第二反射率与所述第一反射率相差值小于5％；

第二条：满足取样光栅的最小光栅区长度所对应的光栅周期和均匀光栅的光栅周期相同；所述条件的设置最为方便，只要设置取样光栅结构的光栅周期和已有的均匀光栅结构的光栅周期相同便能满足。所述光栅周期和光栅区结构的长度共同影响着取样光栅梳状反射谱的线宽，其对应影响关系可参考公式(1)。

第三条：满足采用最小光栅区长度制作的取样光栅，其光栅区结构所能产生的第二反射峰线宽和所述第一反射峰线宽相差小于5％；

在满足上述一个或者多个条件下，计算得到对应取样光栅一个周期内的最小光栅区长度相比较本实施例仅通过最大耦合系数和第一反射峰的相关参数计算得到取样光栅的最小光栅区长度范围更大，操作起来更加灵活。在本发明实施例中，具体是利用取样光栅梳状反射谱的0级反射峰作为与增益信号耦合的对象时，所述第二反射峰即为所述0级反射峰。

实施例2:

本发明实施例基于实施例1基础上，并结合具体的三层结构的取样光栅替代已有的三层结构的均匀光栅为例，展开阐述如何获得所述取样光栅的最小光栅区长度。在本实施例中，由取样光栅结构形成的取样光栅梳状反射谱的0级反射峰的耦合系数为K₀＝K*δ(3)，如图3所示，其中δ＝Lg/Ls，Lg为光栅区长度和取样长度Ls的比值结果，是已有均匀光栅的耦合系数，式中的：

如图5和图6所示，N_core为光栅层折射率、a为已有均匀光栅厚度、G为光栅形状因子、λ为光栅工作波长、n_g为有效折射率(即整个三层结构的光栅对外的折射率表现)、N_clad为覆盖层折射率(包括上光栅覆盖层的折射率为N_clad1、下光栅覆盖层的折射率为N_clad2)、d为光场中心间距。

根据激光器允许制作的光栅区结构的相关参数区间，求解得到第一反射峰的最大耦合系数K_max。

在本实施例中，允许制作的光栅区结构的相关参数区间包括：光栅区结构的总长度L、光栅区结构的高度(a为已有均匀光栅厚度，d为光场中心间距)、光栅形状因子G、光栅区结构中的光栅层的折射率N_core和光栅覆盖层的折射率N_clad1和N_clad2。

根据所述均匀光栅的第一反射峰的相关参数，求解得到满足所述第一反射峰的相关参数的最小光栅区长度Lg_min。

在取样光栅中，取样光栅0级峰的反射峰线宽满足以下公式：

其中K₀为0级反射峰的光栅等效耦合系数，Ls*number即为光栅区结构总长度L。

在本发明实施例中，在所述第一反射峰的相关参数具体以第一反射率为例时，所述根据所述均匀光栅的第一反射峰的相关参数，求解得到满足所述第一反射峰的相关参数的最小光栅区长度Lg_min，具体为：

所述0级反射峰的耦合系数与0级反射峰的反射率对应关系为：

R(0)＝tanh²(|K₀|*number*L_s) (7)

其中，R(0)为0级反射峰的反射率，number为取样长度数；number是L/Ls后取整，以保证均匀光栅与取样光栅长度L近似相同，并满足前述两个5％的条件，一般情况下取整就可以满足前述两个5％的要求。

计算在R(0)满足不小于第一反射率情况下，所能取得的取样光栅的最小光栅区长度Lg_min。再以上述三层结构的光栅为例，其中，假设取样光栅区结构的总长度和均匀光栅区总长度相同，如图7所示，该计算过程具体可以通过以下步骤来完成：

在步骤301中，确定已有均匀光栅结构激光器的反射率参数值R，将R代入公式(7)作为其中R(0)的取值，变换所述公式(7)得到满足所述计算条件时K₀的取值。此时，计算条件是满足R(0)的取值和R相同。

在步骤302中，确定允许制作的光栅区结构的相关参数区间，得到对应公式(4)的均匀光栅的耦合系数的最大值K_max；

具体的，根据光栅区结构的相关参数与耦合系数调整的对应关系：增大光栅层折射率和/或减小光栅覆盖层折射率，则增大耦合系数；增大光栅层与光场中心间距d，则减小耦合系数；光栅因子和耦合系数成正比；增大光栅区结构光栅层高度，则增大耦合系数。在本实例中在各光栅区结构的相关参数的范围内取所述光栅层折射率的最大值N_core_max、取光栅覆盖层最小值N_clad1_min和N_clad2_min的折射率、取光栅层与光场中心间距的最小值d_min、取光栅因子的最大值G_max中的一项或者多项，得到均匀光栅的耦合系数的最大值K_max。其中，各光栅区结构的相关参数中可以调整的参数个数依据具体生产情况而定，例如：因为成本问题或者研究经费问题，没有找到合适的用于改变所述光栅层折射率的材料；还可能因为现有产品线无法制作其他光栅因子的取样光栅结构，从而无法改变所述光栅因子等等。

在步骤303中，将得到的均匀光栅的耦合系数的最大值K_max代入公式(3)，并将在步骤301中通过公式(7)求解得到的K₀代入公式(3)，求解得到δ的最小值δ_min。

在步骤304中，根据公式(2)，在满足取样光栅梳状反射谱的0级反射峰与1级反射峰的间隔Δλ大于1/2个增益信号的反射峰线宽条件下，计算得到Ls最大值Ls_max。可参考如图4所示的取样长度Ls与取样光栅梳状反射谱中相邻能级的间隔距离Δλ的变化关系示意图。

在步骤305中，将所述Ls的最大值Ls_max和δ的最小值δ_min，代入公式δ＝Lg/Ls得到Lg的最小值Lg_min。

本实施例通过三层光栅区结构和其对应的公式阐述了如何在满足取样光栅梳状反射谱的0级反射峰与1级反射峰的间隔Δλ大于有源区增益峰所覆盖长度的一半条件下，能够制造足以替代已有均匀光栅结构的取样光栅结构的激光器，并且，分析出该取样光栅结构的最小光栅区长度Lg_min。由于采用该取样光栅的最小光栅区长度Lg_min以及相应选取的光栅区结构的相关参数制造取样光栅结构时，能够制造已有均匀光栅结构激光器的反射率参数值R，从而能够在尽可能少的缩减EBL系统工作的前提下，减少了制造成本、缩短了制造周期。另外两个第一反射峰的相关参数，如：第一反射峰线宽由光栅区结构的总长度所确定(参考公式1)，第一反射峰波长由光栅周期和有效折射率确定(参考公式2)，因此，基于本实施例公开的方案基础上，本领域技术人员能够根据对应公式(1)和公式(2)，以及已有均匀光栅结构激光器合理的推导出满足所述第一反射峰线宽和第一反射峰波长的光栅区结构的对应参数。本发明实施例给予了一种采用本实施例所述方法制造得到的取样光栅激光器与已有均匀光栅激光器的工作波长范围及相位特性对比图，如图8所示。

实施例3:

上述实施例1和实施例2主要是针对已有均匀光栅结构激光器，如何设计一种取样光栅结构激光器替代已有均匀光栅结构激光器，不仅能够保证取样光栅结构激光器与已有均匀光栅结构激光器在激光器参数上相差范围在工业要求范围内，而且能够基于计算出的取样光栅的最小光栅区长度，有效的减少EBL系统加工时的成本和加工效率问题。本发明实施例则从另一个角度出发，即根据要生产的激光器相关参数，设计出低生产成本、高效生产效率的取样光栅结构的激光器。本发明实施例中提供了一种基于EBL的激光器的加工方法，如图9所示，所述方法包括以下执行步骤：

在步骤401中，根据所要生产的激光器中对光栅反射峰值的参数设定、光栅区总长度L和光栅的允许最大腐蚀深度2a_max，确定取样光栅组成的光栅区结构实现时，取样光栅的最小光栅区长度Lg_min和取样长度Ls；

其中，最大腐蚀深度对应者实施例2中的均匀光栅厚度a，表现为图5或者图6中为2a。

在工业实现过程中，在得到所述生产的激光器中对光栅反射峰值的参数设定后，通常会寻找一款或者多款与所述光栅反射峰值的参数设定最相近的已有的激光器，以便能够在此基础上进行细微调整得到所需的激光器。除非不存在所述已有的激光器，才需要重新设计光栅区结构的各项参数。因此，本实施例假设光栅区结构的其他参数已经选定，优选的是按照均匀光栅激光器来设定，从而根据所述步骤401和402完成方案上的改进。

在步骤402中，根据所述最大腐蚀深度2a_max、取样光栅的最小光栅区长度Lg_min和取样长度Ls制作所述激光器的光栅区结构。

相比较上述实施例1和实施例2，本发明实施例的不同之处还在于本发明实施例所采取的获取最大耦合系数的方式是通过调整光栅区腐蚀深度的方式，来取得相对于腐蚀深度调整所能获取的最大耦合系数，其他的光栅区结构参数可以沿用历史上所制作的激光器的相关参数，减少了设计过程中的复杂度。

结合本发明实施例，为了实现高质量的单波特性，在采用取样光栅结构后，所述取样长度Ls具体根据公式Δλ＝λ²/2n_gLs求解得到，使得取样光栅梳状反射谱中的0级反射峰与1级反射峰的间隔Δλ大于有源区增益峰所覆盖长度的一半，其中，n_g为取样光栅的有效折射率、λ为均匀光栅中反射峰的波长。

对应与实施例2，在本实施例中也通过具体实现步骤，结合上述对于取样长度Ls的限定，并以三层光栅区结构及其相关公式为案例，阐述如何完成取样光栅的最小光栅区长度Lg_min的获得。如图10所示，具体步骤如下：

在步骤501中，确定光栅反射峰值的参数设定中的反射率参数值R，将R代入公式(7)作为其中R(0)的取值，变换所述公式(7)得到满足所述计算条件时K₀的取值。此时，计算条件是满足R(0)的取值和R相同。

在步骤502中，确定光栅的允许最大腐蚀深度2a_max，得到对应公式(4)的均匀光栅的耦合系数的最大值K_max；

其中，公式(4)中其他参数值可以沿用历史上生产、加工的激光器相关参数，由于，在实际生产中对于不同波长段需求的激光器来说，通常是由增益信号中心波长和0级反射峰中心波长决定的，而其中0级反射峰中心波长根据公式λ＝2Λn_g可以确认与光栅周期Λ和光栅区结构的有效折射率n_g相关，因此，对于光栅反射峰值的参数设定中的反射峰波长可以通过公式λ＝2Λn_g确定。

具体的，根据光栅区结构的相关参数与耦合系数的对应关系：

在步骤503中，将得到的均匀光栅的耦合系数的最大值K_max代入公式(3)，并将在步骤301中通过公式(7)求解得到的K₀代入公式(3)，求解得到δ的最小值δ_min。

在步骤504中，根据公式(2)，在满足取样光栅梳状反射谱的0级反射峰与1级反射峰的间隔Δλ大于1/2个增益信号的反射峰线宽条件下，计算得到Ls最大值Ls_max。

在步骤505中，将所述Ls的最大值Ls_max和δ的最小值δ_min，代入公式δ＝Lg/Ls得到Lg的最小值Lg_min。

本实施例通过三层光栅区结构和其对应的公式阐述了如何在满足取样光栅梳状反射谱的0级反射峰与1级反射峰的间隔Δλ大于有源区增益峰所覆盖长度的一半条件下，能够制造足光栅反射峰值的参数设定的取样光栅结构的激光器，并且，分析出该取样光栅结构的最小光栅区长度Lg_min。由于采用该取样光栅的最小光栅区长度Lg_min以及相应选取的光栅区结构的相关参数制造取样光栅结构时，能够制造已有均匀光栅结构激光器的反射率参数值R，从而能够在尽可能少的缩减EBL系统工作的前提下，减少了制造成本、缩短了制造周期。

实施例4:

在提供了实施例1-2所述基于EBL的激光器的加工方法后，本发明实施例还提供了一种基于EBL的激光器阵列的加工方法，其中，激光器阵列由一个或者多个激光器组合而成，如图11所示，所述方法具体包括以下执行步骤：

在步骤601中，确定采用均匀光栅制作激光器阵列中各激光器的光栅区结构所获得的第一组反射峰的相关参数。

在步骤602中，获取所述激光器阵列允许制作的各激光器的光栅区结构的相关参数。

在步骤603中，根据所述允许制作的各激光器的光栅区结构的相关参数，求解得到对应各激光器的均匀光栅所能取得的最大耦合系数。

在步骤604中，根据所述第一反射峰的相关参数和最大耦合系数，计算得到对应各激光器的取样光栅的最小光栅区长度。

其中,组成所述激光器阵列的各激光器中相应取样光栅结构的参数设定，以及取样光栅的最小光栅区长度的计算可以参考实施例1-3所述方法，在此不一一赘述。本发明实施例所述方法不仅可以适用于如实施例1所述的用于制造替代已有均匀光栅激光器阵列，而且可以适用于如实施例3所述的用于制造新的取样光栅激光器阵列的场景。

本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于EBL的激光器的加工方法，其特征在于，包括：

确定均匀光栅激光器的光栅区结构所对应的第一反射峰的相关参数；

获取所述激光器允许制作的光栅区结构的相关参数区间；

根据所述允许制作的光栅区结构的相关参数区间，求解得到均匀光栅所能取得的最大耦合系数，以及对应制作的光栅区结构的相关参数值；

根据所述第一反射峰的相关参数和最大耦合系数，计算得到取样光栅的最小光栅区长度；

将所述取样光栅的最小光栅区长度和所述对应制作的光栅区结构的相关参数值作为激光器光栅区制作的输入参数；

第一反射峰的相关参数包括第一反射率、第一反射峰波长、第一反射峰线宽中的一项或者多项，则所述根据所述第一反射峰的相关参数和最大耦合系数，计算得到取样光栅的最小光栅区长度，具体为：

满足采用取样光栅的最小光栅区长度调整后的耦合系数，取样光栅所能产生的第二反射率与所述第一反射率相差值小于5％；和/或，

满足取样光栅的最小光栅区长度所对应的光栅周期和均匀光栅的光栅周期相同；和/或，

满足采用最小光栅区长度制作的取样光栅，其光栅区结构所能产生的第二反射峰线宽和所述第一反射峰线宽相差小于5％；

在满足上述一个或者多个条件下，计算得到取样光栅的最小光栅区长度；

所述允许制作的光栅区结构的相关参数区间包括光栅区结构的总长度区间、光栅区结构的高度区间、光栅形状因子类型、光栅区结构中的光栅层的折射率区间和光栅覆盖层的折射率区间中的一项或者多项，其中，耦合系数调整因子包括：光栅层折射率、光栅层与光场中心间距d、光栅区结构的高度、光栅覆盖层折射率、光栅因子中的一项或者多项，则所述根据所述允许制作的光栅区结构的相关参数区间，求解得到均匀光栅所能取得的最大耦合系数，以及对应制作的光栅区结构的相关参数值，具体包括：

其中，增大光栅层折射率和/或减小光栅覆盖层折射率，则增大耦合系数；

其中，增大光栅层与光场中心间距d，则减小耦合系数；

其中，光栅因子和耦合系数成正比；

其中，增大光栅区结构光栅层高度，则增大耦合系数

根据上述各耦合系数调整因子对耦合系数的调整关系，在相应允许制作的光栅区结构的相关参数区间范围内，计算出最大耦合系数。

2.根据权利要求1所述的激光器的加工方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述允许制作的光栅区结构的相关参数区间，求解得到取样光栅的取样长度Ls的设定值，使得取样光栅梳状反射谱的0级反射峰与1级反射峰的间隔大于有源区增益峰所覆盖长度的一半。

3.根据权利要求1所述的激光器的加工方法，其特征在于，所述将所述取样光栅的最小光栅区长度和所述对应制作的光栅区结构的相关参数值作为激光器光栅区制作的输入参数，具体包括：

根据计算出最大耦合系数所设定的耦合系数调整因子和计算得到取样光栅的最小光栅区长度，作为所述激光器的加工方法中，对应光栅区结构的加工参数。

4.根据权利要求1、2或3任一所述的激光器的加工方法，其特征在于，在所述光栅区结构为三层结构时，0级反射峰的耦合系数为K₀＝K*δ，其中δ＝Lg/Ls，Lg为光栅区长度和取样长度Ls的比值结果，是已有均匀光栅的耦合系数，式中的：

其中，N_core为光栅层折射率、a为已有均匀光栅厚度、G为光栅形状因子、λ为光栅工作波长、n_g为有效折射率、N_clad为覆盖层折射率、d为光场中心间距；

根据激光器允许制作的光栅区结构的相关参数区间，求解得到第一反射峰的最大耦合系数K_max；

根据所述均匀光栅的第一反射峰的相关参数，求解得到满足所述第一反射峰的相关参数的最小光栅区长度Lg_min。

5.根据权利要求4所述的激光器的加工方法，其特征在于，在所述第一反射峰的相关参数具体为第一反射率时，所述根据所述均匀光栅的第一反射峰的相关参数，求解得到满足所述第一反射峰的相关参数的最小光栅区长度Lg_min，具体为：

所述0级反射峰的耦合系数与0级反射峰的反射率对应关系为R(0)＝tanh²(|K₀|*number*L_s)，其中，R(0)为0级反射峰的反射率，number为取样长度数；

计算在R(0)满足不小于第一反射率情况下，所能取得的取样光栅的最小光栅区长度Lg_min。