CN117498148A - 一种基于光栅结构相移的方法及dfb激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了本发明公开了一种基于光栅结构相移的方法及DFB激光器，涉及光电子技术领域，其技术方案要点是一种基于光栅结构相移的方法，沿基于光栅结构相移的DFB激光器的导波方向设置相移段波导和原段波导，且相移段波导的宽度和原段波导的宽度具有宽度差；从而能够通过改变相移段波导的波导宽度，来改变相移段波导的模式折射率neff，当由相移段波导宽度改变导致的模式折射率的变化量Δneff累积到特定值时，等效于在DFB激光器中引入λ/4相移，进而使激光器输出稳定的单纵模激光；从而在提高了DFB激光器的单模成品率的同时，不需要使用昂贵的电子束曝光设备来实现λ/4相移，降低了单模激光器芯片的制备成本。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，更具体地说，它涉及一种基于光栅结构相移的方法及DFB激光器。
背景技术
在长距离光纤通信和许多其他应用中，精确地获得单模激光输出至关重要。分布反馈（DFB）激光器采用分布于激光器腔室内的布拉格光栅作为谐振腔，利用布拉格光栅的周期性和对波长的选择性来实现这一目的。传统的全息曝光方式制备的布拉格光栅为均匀光栅，以其作为谐振腔的DFB激光器中会存在两个主模竞争的问题，极大的降低其单模成品率。
为解决上述问题，需要在均匀光栅中加入λ/4相移（包括λ/4阶跃相移光栅以及与之等效的CPM光栅、啁啾光栅等）。其中，λ/4相移在光栅中对应的长度（或等效长度）根据以下公式计算：
；
其中λ为光波在真空中的波长，neff为光栅的模式折射率，Λ为光栅的周期长度。
在现有技术中，含有λ/4相移的光栅需要用电子束曝光设备进行制备。由于电子束曝光设备昂贵、曝光效率低，因此带有λ/4相移的DFB激光器成本通常较高。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于光栅结构相移的方法及DFB激光器，旨在解决上述技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于光栅结构相移的DFB激光器，所述基于光栅结构相移的DFB激光器的前腔面和后腔面分别镀有介质薄膜，位于前腔面的所述介质薄膜为AR增透膜；所述基于光栅结构相移的DFB激光器沿导波方向设有相移段波导和原段波导，所述相移段波导的宽度与原段波导的宽度具有宽度差；所述相移段波导的中心位置与后腔面的距离为0.3L—0.62L，其中L为基于光栅结构相移的DFB激光器的腔长。
作为本发明进一步的方案：所述相移段波导的宽度大于原段波导的宽度。
作为本发明进一步的方案：所述相移段波导的宽度小于原段波导的宽度。
作为本发明进一步的方案：所述相移段波导两端与不同原段波导的连接位置均突变或均渐变设置；两个连接位置对称设置在相移段波导两端。
作为本发明进一步的方案：所述相移段波导两端与不同原段波导的连接位置渐变设置，且每个连接位置的一端分别由相移段波导的端部渐变至原段波导的端部。
作为本发明进一步的方案：所述相移段波导两端与不同原段波导的连接位置渐变设置，且每个连接位置的一端分别由相移段波导的中心位置渐变至原段波导的端部。
作为本发明进一步的方案：位于后腔面的所述介质薄膜为AR增透膜；所述相移段波导的中心位置与后腔面的距离为0.618L。
作为本发明进一步的方案：位于后腔面的所述介质薄膜为HR高反膜；所述相移段波导的中心位置与后腔面的距离为L。
本发明还提供了一种基于光栅结构相移的方法，应用于基于光栅结构相移的DFB激光器；所述基于光栅结构相移的方法包括以下步骤：
建立坐标系，沿基于光栅结构相移的DFB激光器的波导方向设为x轴；
按照相移段波导的宽度与原段波导的宽度差确定相移段波导的宽度后，将相移段波导的宽度d的位置坐标函数d（x）设为函数neff（x），其中neff为相移段波导的模式折射率；
联立以下公式来确定相移段波导长度L2；
式1；
式2；
其中neff1（x）为x位置处相移段波导的宽度变化前的模式折射率，neff2（x）为x位置处相移段波导的宽度改变后的模式折射率，Δneff（x）为模式折射率的变化量；Λ为光栅的周期长度；
在基于光栅结构相移的DFB激光器的前腔面和后腔面分别镀有介质薄膜，其中位于前腔面的所述介质薄膜为AR增透膜；将相移段波导的中心位置移动至与后腔面的距离为0.3L—0.62L，其中L为基于光栅结构相移的DFB激光器的腔长。
作为本发明进一步的方案：当相移段波导的宽度均匀一致时，根据以下公式计算相移段波导长度L2：
。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
本发明将DFB激光器波导中部分区域设置为相移段波导，然后将相移段波导的宽度设置与其他区域的原段波导宽度不一致，可以比原段波导宽度宽或窄，也可以是均匀的或非均匀的；从而能够通过改变相移段波导的波导宽度，来改变相移段波导的模式折射率neff，当由相移段波导宽度改变导致的模式折射率的变化量Δneff累积到特定值时，等效于在DFB激光器中引入λ/4相移，进而使激光器输出稳定的单纵模激光。与传统均匀光栅DFB相比，本发明提高了DFB激光器的单模成品率。同时，本发明不需要使用昂贵的电子束曝光设备来实现λ/4相移，降低了单模激光器芯片的制备成本。解决了现有技术中，带有λ/4相移的DFB激光器成本通常较高的问题。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为实施例一中相移段波导与原段波导宽度对比的示意图；
图2为实施例二中相移段波导与原段波导宽度对比的示意图；
图3为实施例三中相移段波导与原段波导宽度对比的示意图；
图4为实施例四中相移段波导与原段波导宽度对比的示意图；
图5为实施例五中相移段波导与原段波导宽度对比的示意图；
图6为实施例六中相移段波导与原段波导宽度对比的示意图；
图7为相移段波导的中心位置在实施例一第一种情况的位置示意图；
图8为相移段波导的中心位置在实施例一第二种情况的位置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参照图1至图8对本发明中相移段波导的宽度选择的不同做进一步说明。
实施例一：
如图1所示，在本实施例中，相移段波导的宽度大于原段波导的宽度，且相移段波导两端与不同原段波导的连接位置均突变设置。
如图7所示，在本实施例的第一种情况中，所述基于光栅结构相移的DFB激光器的前腔面镀有AR增透膜，后腔面镀有HR高反膜。
针对前腔面和后腔面镀膜的特点，对相移段波导的中心位置进行优化，具体的，所述相移段波导的中心位置与后腔面的距离为L，L为基于光栅结构相移的DFB激光器的腔长。
本情况可以提高基于光栅结构相移的DFB激光器的成品率。
如图8所示，在本实施例的第二种情况中，所述基于光栅结构相移的DFB激光器的前腔面和后腔面分别镀有AR增透膜。
针对前腔面和后腔面镀膜的特点，对相移段波导的中心位置进行优化，具体的，所述相移段波导的中心位置与后腔面的距离为0.618L，L为基于光栅结构相移的DFB激光器的腔长。
本情况可以提高基于光栅结构相移的DFB激光器的前腔面输出功率。将相移段波导的中心位置不是放在整个波导的中心，而是靠近主要光输出端的前腔面位置，相移段波导的中心位置越靠近前腔面其光输出的前后比越大，在不要求很大的前后比的情况下一般把相移段波导的中心位置为距离前腔面更近的黄金分割点位置，即为距离后腔面大约0.618L处。
实施例二：
如图2所示，在本实施例中，相移段波导的宽度小于原段波导的宽度，且相移段波导两端与不同原段波导的连接位置均突变设置。
实施例三：
如图3所示，在本实施例中，所述相移段波导的宽度大于原段波导的宽度，所述相移段波导两端与不同原段波导的连接位置均渐变设置，两个连接位置对称设置在相移段波导两端。
具体的，每个连接位置的一端分别由相移段波导的中心位置渐变至原段波导的端部。
实施例四：
如图4所示，在本实施例中，所述相移段波导的宽度大于原段波导的宽度，所述相移段波导两端与不同原段波导的连接位置均渐变设置，两个连接位置对称设置在相移段波导两端。
具体的，每个连接位置的一端分别由相移段波导的端部渐变至原段波导的端部。
实施例五：
如图5所示，在本实施例中，所述相移段波导的宽度小于原段波导的宽度，所述相移段波导两端与不同原段波导的连接位置均渐变设置，两个连接位置对称设置在相移段波导两端。
具体的，每个连接位置的一端分别由相移段波导的中心位置渐变至原段波导的端部。
实施例六：
如图6所示，在本实施例中，所述相移段波导的宽度小于原段波导的宽度，所述相移段波导两端与不同原段波导的连接位置均渐变设置，两个连接位置对称设置在相移段波导两端。
具体的，每个连接位置的一端分别由相移段波导的端部渐变至原段波导的端部。
实施例三至实施例六介绍的相移段波导两端与不同原段波导的连接位置均渐变设置，相比于连接位置突变设置来说，连接位置渐变设置能够有效降低相移段波导宽度的变化带来的损耗；还能够降低对接界面反射引起的相位扰动。
本发明中的DFB激光器的制备流程与行业均匀光栅DFB激光器的通用流程完全一致，其外延生长在磷化铟或砷化镓衬底上进行，生长由铟、镓、砷、磷、铝等元素组成的功能层并在生长过程中制备均匀光栅。完成外延生长后需进行芯片流片工艺，并解理成长宽均在百微米量级的激光芯片，使其能够在电注入条件下稳定发射激光。与常规DFB激光器不同之处在于，常规DFB激光器的波导（包括RWG激光器的脊波导和BH激光器的波导）均为整体宽度一致的狭长矩形条，而本发明中的DFB激光器波导中部分区域设置为相移段波导，然后将相移段波导的宽度设置与其他区域的原段波导宽度不一致，可以比原段波导宽度宽或窄，也可以是均匀的或非均匀的。其目的在于通过改变相移段波导的波导宽度，来改变相移段波导的模式折射率neff，当由相移段波导宽度改变导致的模式折射率的变化量Δneff累积到特定值时，等效于在DFB激光器中引入λ/4相移，进而使激光器输出稳定的单纵模激光。与传统均匀光栅DFB相比，本发明提高了DFB激光器的单模成品率。同时，本发明不需要使用昂贵的电子束曝光设备来实现λ/4相移，降低了单模激光器芯片的制备成本。
实施例七：
本实施例提供一种基于光栅结构相移的方法，应用于基于光栅结构相移的DFB激光器；所述基于光栅结构相移的方法包括以下步骤：
建立坐标系，沿基于光栅结构相移的DFB激光器的波导方向设为x轴；
按照相移段波导的宽度与原段波导的宽度差确定相移段波导的宽度后，将相移段波导的宽度d的位置坐标函数d（x）设为函数neff（x），其中neff为相移段波导的模式折射率；
联立以下公式来确定相移段波导长度L2；
式1；
式2；
其中neff1（x）为x位置处相移段波导的宽度变化前的模式折射率，neff2（x）为x位置处相移段波导的宽度改变后的模式折射率，Δneff（x）为模式折射率的变化量；Λ为光栅的周期长度；
当所述基于光栅结构相移的DFB激光器的前腔面镀有AR增透膜，后腔面镀有HR高反膜时，将相移段波导的中心位置移动至与后腔面的距离为/>L，L为基于光栅结构相移的DFB激光器的腔长；
当基于光栅结构相移的DFB激光器的前腔面和后腔面分别镀有AR增透膜时，将相移段波导的中心位置移动至与后腔面的距离为0.618LL为基于光栅结构相移的DFB激光器的腔长。
作为优选的，当相移段波导的宽度均匀一致时，即连接位置突变设置时，根据以下公式计算相移段波导长度L2：
。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于光栅结构相移的方法，其特征在于，所述基于光栅结构相移的方法包括以下步骤：
沿基于光栅结构相移的DFB激光器的导波方向设置相移段波导和原段波导，且相移段波导的宽度和原段波导的宽度具有宽度差；
建立坐标系，沿基于光栅结构相移的DFB激光器的波导方向设为x轴；
将相移段波导的宽度d的位置坐标函数d（x）设为函数neff（x），其中neff为相移段波导的模式折射率；
联立以下公式来确定相移段波导长度L2；
式1；
式2；
其中neff1（x）为x位置处相移段波导的宽度变化前的模式折射率，neff2（x）为x位置处相移段波导的宽度改变后的模式折射率，Δneff（x）为模式折射率的变化量；Λ为光栅的周期长度；
将相移段波导的中心位置移动至与基于光栅结构相移的DFB激光器后腔面的距离为0.3L—0.62L，其中L为基于光栅结构相移的DFB激光器的腔长。
2.根据权利要求1所述的一种基于光栅结构相移的方法，其特征在于，当相移段波导的宽度均匀一致时，根据以下公式计算相移段波导长度L2：
。
3.一种采用权利要求1或2所述的基于光栅结构相移的方法制备得到的基于光栅结构相移的DFB激光器，其特征在于，所述基于光栅结构相移的DFB激光器沿导波方向设有相移段波导和原段波导，所述相移段波导的宽度与原段波导的宽度具有宽度差；所述相移段波导的中心位置与后腔面的距离为0.3L—0.62L，其中L为基于光栅结构相移的DFB激光器的腔长。
4.根据权利要求3所述的一种基于光栅结构相移的DFB激光器，其特征在于，所述相移段波导的宽度大于原段波导的宽度；所述相移段波导两端与不同原段波导的连接位置均突变或均渐变设置；两个连接位置对称设置在相移段波导两端。
5.根据权利要求3所述的一种基于光栅结构相移的DFB激光器，其特征在于，所述相移段波导的宽度小于原段波导的宽度，所述相移段波导两端与不同原段波导的连接位置均突变或均渐变设置；两个连接位置对称设置在相移段波导两端。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于光栅结构相移的DFB激光器，其特征在于，所述相移段波导两端与不同原段波导的连接位置渐变设置，且每个连接位置的一端分别由相移段波导的端部渐变至原段波导的端部。
7.根据权利要求4或5所述的一种基于光栅结构相移的DFB激光器，其特征在于，所述相移段波导两端与不同原段波导的连接位置渐变设置，且每个连接位置的一端分别由相移段波导的中心位置渐变至原段波导的端部。
8.根据权利要求4所述的一种基于光栅结构相移的DFB激光器，其特征在于，所述相移段波导两端与不同原段波导的连接位置突变设置；所述基于光栅结构相移的DFB激光器的前腔面和后腔面分别镀有介质薄膜，位于前腔面的所述介质薄膜为AR增透膜。
9.根据权利要求8所述的一种基于光栅结构相移的DFB激光器，其特征在于，位于后腔面的所述介质薄膜为AR增透膜；所述相移段波导的中心位置与后腔面的距离为0.618L。
根据权利要求8所述的一种基于光栅结构相移的DFB激光器，其特征在于，位于后腔面的所述介质薄膜为HR高反膜；所述相移段波导的中心位置与后腔面的距离为L。
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