基于叠印啁啾结构的DFB半导体激光器及激光器阵列

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及光电子集成、波分多路复用、光电传感以及 其他光电通信处理领域，具体涉及一种基于特殊光栅结构制作多波长分布反馈（DFB） 半导体激光器的方法及装置。

背景技术

在现代光通信系统中，随着容量的急速扩充，对于器件的集成度要求越来越高，使 得光电子集成芯片成为了发展的趋势。由于体积小、便于阵列集成等优势，分布反馈 （DFB）半导体激光器成为最重要的有源光通信器件之一[1]。现有的文献中报道的分布 反馈（DFB）半导体激光器主要是单波长或者双波长的[2-5]，多波长的单个DFB半导体 激光器几乎没有被提出过。目前主要实现DFB半导体激光器多波长激射的方法是阵列集 成[6-7]，即多个DFB半导体激光器进行单片的阵列集成。这种方式实现的多波长激射 需要多个电源对不同的单个激光器进行供电，需要较复杂的外部电源电路，能耗较大。 而本发明提出的基于叠印啁啾结构的DFB半导体激光器可以使用单个激光器实现多波长 激射，只用一个电源就可以实现传统多个电源控制的半导体激光器阵列所实现的多波长 激射，简化了整个系统，降低了系统能耗，更易于系统的集成化趋势的发展。由于啁啾、 叠印啁啾光栅的不同位置处的尺寸是亚纳米量级的，对于加工精度要求很高，传统方法 只能用复杂、成本高和耗时的电子束曝光来加工。文献[8]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）提出了利用重构-等效啁啾（REC）技术实现复杂结构的DFB半导 体激光器。使用该技术，可以用一步全息曝光和一步普通亚微米量级的接触式曝光来代 替亚纳米量级的电子束曝光，从而大大缩减了生产时间，大幅减低了生产成本。

现有技术文献参见如下：

[1]Duan P,Chen L,Zhang S,et al.All-optical2R regeneration based on self-induced  polarization rotation in single semiconductor optical amplifier.(Chinese Sci Bull,2009)54: 3704—3708.

[2]S.Akiba,M.Usami,and K.Utaka,“1.5-μmλ/4-shifted InGaAsP/InP DFB lasers,”J. Lightwave Technol.,vol.5,no.11,pp.1564–1573,Nov.1987.

[3]M.Okai,T.Tsuchiya,K.Uomi,N.Chinone,and T.Harada,“Corrugation-pitch modulated  MQW-DFB lasers with narrow spectral linewidth,”IEEE J.Quantum Electron.,vol.27,no.6, pp.1767–1772,Jun.1991.

[4]C.-F.Lin,M.-J.Chen,and B.-L.Lee,“Wide-range tunable dualwavelength semiconductor  laser using asymmetric dual quantum wells,”IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.10,no.9,pp. 1208–1210,Sep.1998.

[5]Simin Li,Ruoming Li,lianyan Li,Rui Liu,Liang Gao and Xiangfei Chen,“Dual  Wavelength Semiconductor Laser Based on Reconstruction-Equivalent-Chirp Technique”, IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.25,no.3,pp.299–302,Feb.2013.

[6]T.-P.Lee,C.E.Zah,R.Bhat,W.C.Young,B.Pathak,F.Favire,P.S.D.Lin,N.C. Andreadakis,C.Caneau,A.W.Rahjel,M.Koza,J.K.Gamelin,L.Curtis,D.D.Mahoney, and A.Lepore,“Multiwavelength DFB laser array transmitters for ONTC reconfigurable  optical network testbed,”J.Lightw.Technol.,vol.14,no.6,pp.967–976,Jun.1996.

[7]S.-W.Ryu,S.-B.Kim,J.-S.Sim,and J.Kim,“Monolithic integration of a  mulitiwavelength laser array associated with asymmetric sampled grating lasers,”IEEE J.Sel. Topics Quantum Electron.,vol.8,no.6,pp.1358–1365,Nov./Dec.2002.

[8]Y.Dai and X.Chen,“DFB semiconductor lasers based on reconstruction-equivalent-chirp  technology,”Opt.Exp.,vol.15,no.5,pp.2348–2353,Mar.2007.

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于叠印啁啾结构的 DFB半导体激光器，以实现制造多波长激射的DFB半导体激光器，简化了整个系统，降 低了系统能耗，更易于系统的集成化趋势的发展；而且提出基于重构-等效啁啾（REC） 技术的叠印啁啾结构，大大缩减了生产时间，大幅减低了生产成本。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种基于叠印啁啾结构的DFB半导体激光器，该激光器腔内的光栅采用叠印啁啾光 栅结构，由两个完全相同纳米精度的啁啾光栅在激光器腔内纵向排列组成；所述两个啁 啾光栅级联或者重叠写入。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,可以是线性啁啾的，也可以是非线性 啁啾的。Λ(z)的啁啾大小决定了啁啾光栅的反射带宽B，可表示为：

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， 多波长激光器的自由光谱范围：

$\mathrm{FSR}=\frac{{\lambda }^2}{2\mathrm{n\Delta d}}$

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。该叠印啁啾结构的 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

更进一步的，当所述两个啁啾光栅重叠写入时，对重叠部分折射率调制有两种处理 方式：

（1）将属于任一啁啾光栅调制部分的区域，均设置为调制部分，将同时不属于两 个啁啾光栅调制部分的区域设置为非调制部分；

（2）将两个啁啾光栅公共调制部分的区域设置为非调制部分，将属于任一啁啾光 栅调制部分但不属于公共调制部分的区域，设置为调制部分。

更进一步的，所述两个啁啾光栅为线性啁啾光栅或非线性啁啾光栅。

更进一步的，所述叠印啁啾光栅结构由电子束曝光实现。

本发明还提供一种基于重构-等效啁啾技术的叠印啁啾结构DFB半导体激光器， 该激光器腔内的光栅采用采样布拉格光栅结构，所述采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；该激光器的激射波长在采样布拉格光栅的等效光栅的作用带 宽内；所述等效光栅由重构-等效啁啾技术来设计和制作，在采样布拉格光栅上实现等 效啁啾光栅结构；该激光器腔内的光栅由两个所述采样布拉格光栅纵向级联或者重叠写 入形成叠印啁啾结构，所述两个采样布拉格光栅为两个完全相同亚微米精度的采样啁啾 光栅。

根据傅里叶定律，采样布拉格光栅的折射率调制为：

$\mathrm{\Delta n}\left(z\right)=\underset{m}{\Sigma }\frac{1}{2}{F}_m\exp [-\mathrm{jm\phi }\left(z\right)+j\frac{2\mathrm{\pi z}}{{\Lambda }_{m.}}]+c.c$

F_m是m阶傅里叶系数，φ(z)是采样布拉格光栅实现的啁啾结构。则m阶信道（即 m阶光栅）的等效光栅周期Λm可表示为：

${\Lambda }_m=\frac{\mathrm{\Lambda P}}{\mathrm{m\Lambda }+P}$

其中P为采样布拉格光栅的采样周期，Λ为全息曝光种子光栅的周期。以±1阶信道 为例，则±1阶信道的等效光栅周期为：

${\Lambda }_{\pm 1}=\frac{\mathrm{\Lambda P}}{\pm \Lambda +P}$

因此，在均匀种子光栅的基础上，采样周期的啁啾将会引起m阶信道的等效光栅周 期的啁啾。光栅周期通常处于两百多纳米，而采样周期通常位于几微米量级，因此采用 REC技术实现等效啁啾结构对精度的要求比传统的方法放宽了至少一个数量级以上。

以±1阶信道为例，其反射谱带宽为：

$B=\left|2n(\frac{{\mathrm{\Lambda P}}_{\mathrm{end}}}{\pm \Lambda +P_{\mathrm{end}}}-\frac{{\mathrm{\Lambda P}}_0}{\pm \Lambda +P_0})\right|$

其中，P_end和P₀分别为末端和起始的采样周期，则多波长激光器的自由光谱范围：

$\mathrm{FSR}=\frac{{\lambda }^2}{2\mathrm{n\Delta d}}$

其中λ＝2nΛ_±1为±1阶信道的中心波长，n为有效折射率，Δd为两个采样布拉格光 栅光在纵向上的间隔。因此Δd决定了多波长的间隔大小。该基于REC技术的叠印啁啾 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

更进一步的，该激光器将所需要的-1级或+1级信道设置在激光器半导体材料的增 益区内，0级信道设置在增益区外。

更进一步的，两个采样啁啾光栅为线性啁啾光栅或非线性啁啾光栅；当所述两个采 样啁啾光栅重叠写入时，对重叠部分折射率调制有两种处理方式：

（1）将属于任一采样啁啾光栅调制部分的区域，均设置为调制部分，将同时不属 于两个采样啁啾光栅调制部分的区域设置为非调制部分；

（2）将两个采样啁啾光栅公共调制部分的区域设置为非调制部分，将属于任一采 样啁啾光栅调制部分但不属于公共调制部分的区域，设置为调制部分。

更进一步的，所述采样布拉格光栅结构的光刻采用一步全息曝光实现均匀种子光 栅，然后采用一步传统亚微米精度的接触式曝光实现叠印啁啾采样布拉格光栅结构。

本发明还提供如上所述基于叠印啁啾结构的DFB半导体激光器组成的激光器阵列， 由所述基于叠印啁啾结构的DFB半导体激光器单片集成而成。

本发明还提供如上所述基于重构-等效啁啾技术的叠印啁啾结构DFB半导体激光器 组成的激光器阵列，由所述基于重构-等效啁啾技术的叠印啁啾结构DFB半导体激光器 单片集成而成。

有益效果：（1）本发明提出的基于叠印啁啾结构的DFB半导体激光器可以使用单个 激光器实现多波长激射，只用一个电源就可以实现传统多个电源控制的半导体激光器阵 列所实现的多波长激射，简化了整个系统，降低了系统能耗，更易于系统的集成化趋势 的发展。（2）本发明利用重构-等效啁啾（REC）技术实现复杂结构的DFB半导体激光器。 用一步全息曝光和一步普通亚微米量级的接触式曝光来代替亚纳米量级的电子束曝光， 从而大大缩减了生产时间，大幅减低了生产成本。（3）本发明提出的基于重构-等效啁 啾（REC）技术的叠印啁啾DFB半导体激光器，使+1级或者-1级信道处于增益区，0级 信道远离增益区，致使+1级或者-1级信道发生激射，而0级信道不激射。而且此方法 的精度放宽到亚微米量级，便于进一步减小误差，激射波长做的更加准确，系统稳定性 提高。在未来高速大容量的光通讯系统中，尤其是DWDM系统和光电子集成芯片中，本 发明有助于提供成本低、能耗低、稳定性强、高成品率的DFB半导体多波长单个激光器 和多波长激光器阵列。

附图说明

图1为无交叠的叠印啁啾光栅示意图。

图2为重叠写入叠印啁啾光栅示意图。

图3为基于REC技术的无重叠的叠印啁啾光栅示意图（Δd>=L）。

图4为基于REC技术的重叠写入叠印啁啾光栅示意图（Δd<L）。

图5为满足采样光刻版线宽1微米精度的基于REC技术的重叠写入叠印啁啾光栅 示意图。

图6为不考虑与考虑光刻版1微米线宽的叠印啁啾半导体激光器激射谱对比示意 图。

图7为基于REC技术的叠印啁啾半导体激光器仿真示意图。

图8为基于REC技术的叠印啁啾半导体激光器的实验光谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

1、叠印啁啾结构的分布反馈（DFB）半导体激光器

叠印啁啾结构的分布反馈（DFB）半导体激光器激光器的光栅（如图1，2）是采用 叠印啁啾光栅结构，将两个完全相同纳米精度的啁啾光栅在激光器腔内纵向排列。两个 啁啾光栅可以有重叠部分，也可无重叠部分。如图1，两个啁啾光栅无重叠部分，两个 啁啾光栅的长度为L，两个啁啾光栅的距离为Δd，这种情况下Δd>=L。如图2，两个啁啾 光栅有重叠部分，Δd<L，关于重叠部分有两种处理方法：（1）属于两个啁啾光栅任一的 折射率调制部分的区域，都设置为调制部分，同时不属于两个啁啾光栅调制部分的区域 设置为非调制部分；（2）属于两个啁啾光栅任一的折射率调制部分但不属于公共调制部 分的区域，设置为调制部分，两个啁啾光栅公共调制部分的区域，设置为非调制部分。 另外啁啾光栅可以是线性啁啾光栅，也可以是非线性啁啾光栅。叠印啁啾光栅结构由电 子束曝光实现。

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,可以是线性啁啾的，也可以是非线性 啁啾的。Λ(z)的啁啾大小决定了啁啾光栅的反射带宽B，可表示为：

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， 多波长激光器的自由光谱范围：

$\mathrm{FSR}=\frac{{\lambda }^2}{2\mathrm{n\Delta d}}$

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。该叠印啁啾结构的 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

2、基于REC技术的叠印啁啾结构的分布反馈（DFB）半导体激光器

基于REC技术的叠印啁啾结构的分布反馈（DFB）半导体激光器采用采样布拉格光 栅结构。采样布拉格光栅含有对应普通布拉格光栅的等效光栅，分布反馈半导体激光器 的激射波长在此采样布拉格光栅的等效光栅的作用带宽内，等效光栅由重构-等效啁啾 技术来设计和制作，在采样布拉格光栅上实现等效啁啾光栅结构，两个此种采样布拉格 光栅纵向排列形成叠印啁啾结构，把所需要的-1级或者+1级光栅或者信道设置在半导 体材料的增益区内，0级信道设置在增益区外，从而实现所需要的-1级或者+1级信道的 激射。

该激光器的采样布拉格光栅由两个完全相同的采样啁啾光栅纵向级联（无重叠）或 者重叠写入（有重叠）组成。两个采样啁啾光栅可以有重叠部分，也可无重叠部分（如 图3和4）。采样啁啾光栅可以是线性采样啁啾光栅，也可以是非线性采样啁啾光栅。该 方法制作的DFB半导体激光器的光栅的光刻由一步全息曝光实现均匀种子光栅和一步传 统亚微米精度的接触式曝光实现叠印啁啾采样布拉格光栅结构。

根据傅里叶定律，采样布拉格光栅的折射率调制为：

$\mathrm{\Delta n}\left(z\right)=\underset{m}{\Sigma }\frac{1}{2}{F}_m\exp [-\mathrm{jm\phi }\left(z\right)+j\frac{2\mathrm{\pi z}}{{\Lambda }_{m.}}]+c.c$

F_m是m阶傅里叶系数，φ(z)是采样布拉格光栅实现的啁啾结构。则m阶信道（即 m阶光栅）的等效光栅周期Λm可表示为：

${\Lambda }_m=\frac{\mathrm{\Lambda P}}{\mathrm{m\Lambda }+P}$

其中P为采样布拉格光栅的采样周期，Λ为全息曝光种子光栅的周期。以±1阶信道 为例，则±1阶信道的等效光栅周期为：

${\Lambda }_{\pm 1}=\frac{\mathrm{\Lambda P}}{\pm \Lambda +P}$

因此，在均匀种子光栅的基础上，采样周期的啁啾将会引起m阶信道的等效光栅周 期的啁啾。光栅周期通常处于两百多纳米，而采样周期通常位于几微米量级，因此采用 REC技术实现等效啁啾结构对精度的要求比传统的方法放宽了至少一个数量级以上。

以±1阶信道为例，其反射谱带宽为：

$B=\left|2n(\frac{{\mathrm{\Lambda P}}_{\mathrm{end}}}{\pm \Lambda +P_{\mathrm{end}}}-\frac{{\mathrm{\Lambda P}}_0}{\pm \Lambda +P_0})\right|$

其中，P_end和P₀分别为末端和起始的采样周期，则多波长激光器的自由光谱范围：

$\mathrm{FSR}=\frac{{\lambda }^2}{2\mathrm{n\Delta d}}$

其中λ＝2nΛ_±1为±1阶信道的中心波长，n为有效折射率，Δd为两个采样布拉格光 栅光在纵向上的间隔。因此Δd决定了多波长的间隔大小。该基于REC技术的叠印啁啾 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

3、基于REC技术的叠印啁啾结构的分布反馈（DFB）半导体激光器仿真分析

用重构-等效啁啾（REC）技术来制作DFB半导体激光器的光栅，是将精度控制要求 严格的叠印啁啾光栅用等效的方法实现在采样光栅上。我们用+1级或者-1级采样结构， 即m＝±1。我们将光栅的±1级激射谱置于所需波段，而起零级激射谱置于外延片的增 益区之外，就是的REC激光器的±1级激射谱等效实现原光栅的零级激射谱。采样光栅的 线宽是微米量级的，相比于原来一百多纳米线宽的实际光栅，提高了一个数量级，可以 用普通的接触式曝光实现，而且便于批量生产。如图3和4为基于REC技术的叠印啁啾结 构DFB半导体激光器光栅示意图。如图3，两个REC啁啾光栅无重叠部分，两个啁啾光栅 的长度为L，两个啁啾光栅的距离为Δd，这种情况下Δd>=L。如图4，两个REC啁啾光栅有 重叠部分，Δd<L。关于重叠部分折射率调制有两种处理方法：（1）属于两个REC啁啾光 栅任一的调制部分的区域，都设置为调制部分，同时不属于两个REC啁啾光栅调制部分 的区域设置为非调制部分；（2）属于两个REC啁啾光栅任一的调制部分但不属于公共调 制部分的区域，设置为调制部分，两个REC啁啾光栅公共调制部分的区域，设置为非调 制部分。

在这里的仿真，我们采用+1级采样光栅为例，将REC叠印啁啾光栅的总长度设为1600 微米，所用到的参数如表1所示。这里的采样周期P₀为4.26微米，啁啾系数C为3e-4，Δd 为620微米。

在单个REC啁啾光栅的位置z处的采样周期为:

P(z)＝P₀+Cz

我们所用到的REC光栅都是由光刻版制作的，我们目前用的光刻版必须满足最小线宽 1微米的加工条件。因此，如图5，我们将采样结构的线宽不足1微米的区域（如l1和l2） 拉至1微米以满足加工条件。

如图6（a）为未考虑1微米加工条件的REC叠印啁啾DFB半导体激光器透射谱，可以看 出，该结构的激光器至少有4个波长激射。如图6（b）是满足1微米加工条件的REC叠印 啁啾DFB半导体激光器透射谱，可以看出，该结构的激光器至少有3个波长激射。虽然为 了满足1微米线宽的加工条件，半导体激光器的多波长激射效果有一定的减弱，但是依 然能够实现多波长激射。

4、基于REC技术的叠印啁啾结构的分布反馈（DFB）半导体激光器实验研究

我们在这里设计的基于REC技术的叠印啁啾结构的DFB半导体激光器的采样周期为 4.254微米，啁啾系数为3e-4，Δd为800微米。其他参数同见表1，仿真所得的透射谱如 图7。从图中可得该激光器容易实现多波长激射。

这次做的半导体激光器的外延片是在N型InP基衬底上进行MOCVD生长InGaAsP/InP的 外延片。有源层有InGaAsP的多量子阱结构（MQW）构成。光栅层位于有源层上方，激光 器的前后两端都镀的是增透膜（AR-AR coating）（具体的工艺流程可参考专利文献 CN200610038728.9，国际PCT专利，申请号PCT/CN2007/000601）。实验所测得的激射谱 如图8所示。该激光器实现三波长激射，三个波长的边模抑制比（SMSR）都高于40dB， 其SMSR之差为2.64dB。

可见，叠印啁啾结构可以用来制造多波长激射的DFB半导体激光器。该结构有助实现 成本低、能耗低、稳定性强、高成品率的DFB半导体多波长单个激光器、多波长激光器 阵列及DWDM系统。

表1

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。