專利名稱：基于重構(gòu)-等效啁啾和等效切趾的平面波導布拉格光柵及其激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及光纖通訊，光子集成，光電傳感以及其他光電信息處理，提出了一種切趾平面波導布拉格光柵和分布反饋(DFB)半導體激光器的設(shè)計制造方案，為一種基于重構(gòu)-等效啁啾和等效切趾的平面波導布拉格光柵及其激光器。

背景技術(shù)：
作為信息傳送的基礎(chǔ)，光纖通信系統(tǒng)正在向高速化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。經(jīng)歷前幾年的爆炸性擴張以后，Internet已步入一個穩(wěn)定發(fā)展期。互聯(lián)網(wǎng)的速率與容量保持穩(wěn)步增長，并且逐漸融合傳統(tǒng)的電話網(wǎng)和有線電視網(wǎng)而成為一個統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡(luò)。能擔當?shù)闷鹦畔⒕W(wǎng)絡(luò)物理基礎(chǔ)重任的，只有光纖通信系統(tǒng)[1]。近年來出現(xiàn)的光子集成技術(shù)，順應了時代的發(fā)展，正開啟著一個全新的光網(wǎng)絡(luò)時代。光子集成技術(shù)則被認為是光纖通信最前沿、最有前途的領(lǐng)域。在美國硅谷實驗室中，英飛朗(Infinera)公司已經(jīng)用磷化銦等材料制成大量復雜的光電集成器件，使得光通信成本更低容量更高。在當前幾個重要的光集成技術(shù)中，平面光波導技術(shù)在市場上已有成熟的產(chǎn)品。其中，平面波導布拉格光柵是平面光集成中不可缺少的一個器件，因它可以實現(xiàn)多波長信號的復用/解復用，光分插復用和光濾波器等一系列功能而受到重視。目前的平面波導布拉格光柵制作工藝主要有相位掩膜法電子束或者激光直寫法等，這幾種方法對設(shè)備的精度要求很高，成品率低且費時費力。尤其是如果要求切趾、啁啾等結(jié)構(gòu)，不同工作波長的平面波導布拉格光柵需要不同的相位掩膜版或復雜的儀器調(diào)整。這些因素限制了平面波導布拉格光柵的大規(guī)模應用，尤其是平面集成多波長布拉格光柵濾波器。因此低成本高性能平面波導布拉格光柵是其設(shè)計生產(chǎn)的一個重點發(fā)展方向之一。
與此同時，對于有源光通信器件，無論是在光通信網(wǎng)絡(luò)還是在光子集成芯片中，DFB半導體激光器因其良好的單模特性而受青睞。DFB半導體激光器是平面波導布拉格光柵的一個具體應用，兩者有著類似的光柵結(jié)構(gòu)。早期的DFB半導體激光器是折射率被周期性地均勻調(diào)制。這種激光器在以布拉格波長對稱的兩側(cè)，存在兩個諧振腔損耗相同并且最低的模式，稱之為兩種模式簡并。但如果在光柵的中心引入一個四分之一波長(λ/4)相移區(qū)，就可以消除雙模簡并。這種方法的最大優(yōu)點在于其模式閾值增益差大，可以實現(xiàn)真正的動態(tài)單模工作，這是實現(xiàn)激光器單模工作的有效方法，在光通信系統(tǒng)中應用廣泛。當然，λ/4相移的DFB半導體激光器本身也存在著一些缺陷。例如，在注入電流較大時，單模特性會因燒孔效應而被破壞，因而要使其保持單模特性，工作電流必須被限制在閾值附近。此外，如果激光器端面的增透膜有損壞，單模特性也會受到影響。λ/4相移的DFB半導體激光器制造工藝也十分復雜，需要納米精度的控制。這些因素綜合起來，不僅導致現(xiàn)有市場上的激光器成本過高，還使其工作可靠性和穩(wěn)定性受到了影響。為了得到單模特性更好的DFB激光器，研發(fā)人員提出了各種特殊結(jié)構(gòu)，如啁啾結(jié)構(gòu)，周期調(diào)制結(jié)構(gòu)CPM，多相移結(jié)構(gòu)MPS，λ/8相移結(jié)構(gòu)等。雖然這些結(jié)構(gòu)都有效地改善了激光器的性能，但是由于光柵結(jié)構(gòu)更復雜，使得它們的制造成本更高，例如使用電子束曝光技術(shù)(E-Beam lithography)，高昂的制造成本限制了這些激光器的大規(guī)模應用。文獻[2]和專利“基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)制備半導體激光器的方法及裝置”(CN200610038728.9，國際PCT專利，申請?zhí)朠CT/CN2007/000601)在該問題的解決上走出了關(guān)鍵的一步。文中提出，利用一種光纖布拉格光柵的設(shè)計技術(shù)——重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)來設(shè)計DFB半導體激光器。重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)最早被應用于光纖光柵的設(shè)計，可追溯到2002年馮佳、陳向飛等人在中國發(fā)明專利“用于補償色散和偏振模色散的具有新取樣結(jié)構(gòu)的布拉格光柵”(CN02103383.8，授權(quán)公告號CN1201513)中提出的通過引入取樣布拉格光柵的取樣周期啁啾CSP來獲得所需要的等效光柵周期啁啾CGP的方法。提出等效啁啾最早的文獻可參考Xiangfei Chen et.al，“Analytical expression ofsampled Bragg gratings with chirp in the sampling period and its application in dispersionmanagement design in a WDM system”(帶有取樣周期啁啾的取樣布拉格光柵的分析表達式和它在波分復用系統(tǒng)色散管理的應用)，IEEE Photonics Technology Letters，12，pp.1013-1015，2000。該技術(shù)的最大的優(yōu)點是，種子光柵的周期和折射率調(diào)制不變，改變的僅僅是取樣結(jié)構(gòu)。通過改變?nèi)咏Y(jié)構(gòu)，任意大小的相移，啁啾能夠等效地引入到周期結(jié)構(gòu)對應的子光柵，即某一個信道中，得到我們所需要的任意目標反射譜[5、6]。由于取樣周期一般幾個微米，所以該方法利用亞微米精度實現(xiàn)了納米精度的制造。更重要的是，該技術(shù)可以與當前的電子集成IC印刷技術(shù)相兼容。
由于光纖布拉格光柵與平面波導布拉格有相同的原理與結(jié)構(gòu)，重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)同樣可以使用在設(shè)計平面波導布拉格光柵器件中，通過取樣結(jié)構(gòu)實現(xiàn)特殊的濾波特性。文獻[3]給出了基于該技術(shù)的λ/4等效相移DFB半導體激光器的實驗驗證。由于這種技術(shù)設(shè)計的激光器改變的僅僅是取樣結(jié)構(gòu)，所以利用全息曝光技術(shù)和振幅掩膜版能實現(xiàn)低成本的規(guī)模化生產(chǎn)。李靜思，賈凌慧，陳向飛在中國發(fā)明專利“單片集成半導體激光器陣列的制造方法及裝置”(申請?zhí)?00810156592.0)中指出了該技術(shù)可以在同一個晶片上通過改變?nèi)又芷诙淖儾煌す馄鞯募ど洳ㄩL，所以給低成本單片集成高性能DFB半導體激光器陣列的制造帶來了新的曙光。因此該技術(shù)也可以利用標準的全息曝光法方便地實現(xiàn)同一平面波導上不同工作波長的平面波導布拉格光柵的集成。這也給低成本大規(guī)模批量生產(chǎn)帶來了新的希望。與此同時，文獻[4]和陳向飛，殷玉喆，李栩輝等的中國發(fā)明專利“變占空比的取樣光纖光柵及其切趾方法”(申請?zhí)?2117328.1)中研究了光纖光柵的等效切趾技術(shù)。根據(jù)論文[4]中的研究表明，如果沿光柵改變?nèi)拥恼伎毡龋兄簳坏刃У匾氲饺庸鈻诺淖庸鈻胖?，而實際種子光柵的折射率調(diào)制和光柵周期并沒有改變。
文獻引用 [1]羅毅，王健，蔡鵬飛，孫長征，“光纖通信用半導體激光器”《中興通訊技術(shù)》1009-6868(2002)04-18-06 [2]Yitang Dai and Xiangfei Chen，DFB semiconductor lasers based onreconstruction-equivalent-chirp technology(基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)的DFB半導體激光器)，Optics Express，2007，15(5)2348-2353 [3]Jingsi Li，Huan Wang，Xiangfei Chen，Zuowei Yin，Yuechun Shi，Yanqing Lu，Yitang Daiand Hongliang Zhu，Experimental demonstration of distributed feedback semiconductor lasersbased on reconstruction-equivalent-chirp technology.(基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)的DFB半導體激光器的實驗驗證)Optics Express，2009，17(7)5240-5245 [4]Xuhui Li，Xiangfei Chen，Yuzhe Yin，Shizhong Xie，A novel apodization technique ofvariable duty cycle for sampled grating(一種通過改變占空比的新穎切趾技術(shù))Opticscommunications，2003，225301-305 [5]戴一堂，陳向飛，夏歷，姜典杰，謝世鐘，“一種實現(xiàn)具有任意目標響應的光纖光柵”，發(fā)明專利(申請?zhí)朇N200410007530.5) [6]Yitang Dai，Xiangfei Chen，Li Xia，Yejin Zhang，and Shizhong Xie，Sampled Bragggrating with desired response in one channel by use of reconstruction algorithm andequivalent chirp，Optics Letters，2004，29(12)1333-1335 [7]G.Morthier，K.David，P.vankwikelberge，and R.Baets，A new DFB-laser diode withreduced spatial hole burning，IEEE photonics technology letters，1990，2(6)388-390 [8]Geert Morthier and Roel Baets，Design of index-coupled DFB lasers with reducedlongitudinal spatial hole burning，Journal of lightwave technology，1991，9(10)1305-1313

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是針對現(xiàn)有對平面波導布拉格光柵的研究應用趨勢，及現(xiàn)有平面波導布拉格光柵制造上存在的問題，提供一種新的平面波導布拉格光柵和分布反饋(DFB)半導體激光器的設(shè)計制造方案。
本發(fā)明的技術(shù)方案為基于重構(gòu)-等效啁啾和等效切趾的平面波導布拉格光柵，光柵為取樣結(jié)構(gòu)，光柵的真實相移或真實啁啾由重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)制作，同時在取樣結(jié)構(gòu)中引入等效切趾，通過沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈脤崿F(xiàn)切趾，取樣布拉格光柵的取樣周期小于20微米，大于1微米。
所述光柵引入等效切趾時，包括以下方式 A.取樣結(jié)構(gòu)的取樣形式為方波形，取樣結(jié)構(gòu)中±1級子光柵的折射率調(diào)制和占空比的關(guān)系為 其中，Δns是種子光柵的折射率調(diào)制強度Δn±1是±1級子光柵的折射率調(diào)制強度，γ是取樣占空比，所以如果改變?nèi)诱伎毡?，?級子光柵的折射率調(diào)制強度也隨之改變，切趾方式包括傳統(tǒng)的切趾方式和反向的切趾方式，傳統(tǒng)的切趾方式指的是，切趾函數(shù)中間最大為1，兩端漸變??；反向切趾方式指的是，切趾函數(shù)中間為最小，兩端漸變大，最大值為1，以下沒有提到反向切趾的均為傳統(tǒng)的切趾方式， 對于傳統(tǒng)的切趾方式，取樣占空比的變化有以下兩種方式 1)當取樣占空比γ在0.5～1范圍內(nèi)，取樣占空比γ沿腔上呈中間小，兩邊漸大，最小值為0.5，最大值為1，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間強，兩邊漸弱，引入傳統(tǒng)的等效切趾； 2)當取樣占空比γ在0～0.5范圍內(nèi)，取樣占空比γ沿腔上呈中間大，兩邊漸小，最大值為0.5，最小值為0，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間強，兩邊漸弱，引入傳統(tǒng)的等效切趾； 對于反向的切趾方式，取樣占空比的變化有以下兩種方式 1)當取樣占空比γ在0.5～1范圍內(nèi)，取樣占空比γ沿腔上呈中間大，兩邊漸小，最大值為1，最小值為0.5，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間弱，兩邊漸強，引入等效反向切趾； 2)當取樣占空比γ在0～0.5范圍內(nèi)，取樣占空比γ沿腔上呈中間小，兩邊漸大，最小值為0，最大值為0.5，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間弱，兩邊漸強，引入等效反向切趾； B.通過傅立葉級數(shù)展開得到±1級系數(shù)都是一個周期內(nèi)占空圖案的函數(shù)，基于此，任何特殊的占空比的形式都可以用來實現(xiàn)等效切趾，根據(jù)傅立葉變換，第m級的傅立葉系數(shù)為 其中P為取樣周期，S(x)是一個取樣周期內(nèi)的歸一化取樣函數(shù)，m是傅立葉級次，若m等于±1，則±1級子光柵的折射率調(diào)制強度是 Δn±1＝Δns×|F±1|(6) 利用不同占空圖案的組合來實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計取樣結(jié)構(gòu)，使得在由掩膜板制作光柵時，掩膜版線寬得到一個合理的可實現(xiàn)的范圍。
更廣泛的說，任意的±1級的折射率調(diào)制強度沿腔變化都可以實現(xiàn)。這里用在DFB半導體激光器上主要討論兩種方式，即傳統(tǒng)的切趾方式和反向的切趾方式，激光器中一般取樣布拉格光柵的取樣周期小于20微米，大于1微米。
上述基于重構(gòu)-等效啁啾和等效切趾的平面波導布拉格光柵得到的DFB半導體激光器，取樣光柵的取樣占空比γ在0～0.5或0.5～1范圍內(nèi)變化，所述切趾包括±1級信道切趾與0級信道切趾，取樣結(jié)構(gòu)中0級子光柵的折射率調(diào)制和占空比具有線性關(guān)系 Δn0＝Δns×γ(2) 若引入±1級信道切趾則可以同時實現(xiàn)0級信道切趾，設(shè)±1級的切趾函數(shù)是f(x)，此時取樣占空比γ的變化方式是 這樣，0級子光柵等效折射率調(diào)制為這即是給0級帶來的附加切趾，根據(jù)式(3)通過沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈脤崿F(xiàn)切趾； 若引入0級信道切趾，由于0級等效折射率調(diào)制和占空比呈線性關(guān)系，所以可以設(shè)取樣占空比沿腔變化是γ＝f(x)/2，其中f(x)是切趾函數(shù)，則±1級的切趾為 得到±1級的切趾函數(shù)，再根據(jù)式γ＝f(x)/2，沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈?，實現(xiàn)等效的切趾。
進一步的，上述DFB半導體激光器包括以下幾種 激光器為等效λ/4相移結(jié)構(gòu)，并具有等效切趾，在光柵+1級或-1級信道實現(xiàn)等效λ/4相移，若只在±1級子光柵切趾，在相同的信道內(nèi)引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式包括高斯切趾，blackman切趾，帽形函數(shù)切趾，即針對該信道，按海明切趾函數(shù)或其他切趾函數(shù)和公式(1)、(3)，沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈?，取樣占空比?～0.5或0.5～1兩種方式變化；若同時在±1級和0級子光柵切趾，按引入±1級信道切趾或引入0級信道切趾實現(xiàn)等效切趾，取樣占空比γ沿腔變化只能在0～0.5范圍內(nèi)，呈中間大，兩邊漸小，最大值為0.5，最小值為0，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間強，兩邊漸弱。
激光器為等效λ/8相移結(jié)構(gòu)，并具有等效切趾，在取樣光柵+1級或-1級信道實現(xiàn)等效λ/8相移，若只在±1級子光柵切趾，在相同的信道內(nèi)引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式包括高斯切趾，blackman切趾，帽形函數(shù)切趾，即針對該信道，按海明切趾函數(shù)或其他切趾函數(shù)和公式(1)、(3)，沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈?，取樣占空比?～0.5或0.5～1兩種方式變化；若同時在±1級和0級子光柵切趾，按引入±1級信道切趾或引入0級信道切趾實現(xiàn)等效切趾，取樣占空比γ沿腔上變化范圍只能為0～0.5，呈中間大，兩邊漸小，最大值為0.5，最小值為0，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間強，兩邊漸弱。
激光器為等效周期調(diào)制CPM結(jié)構(gòu)，并具有等效切趾，在取樣光柵+1級或-1級信道實現(xiàn)等效周期調(diào)制CPM該結(jié)構(gòu)將激光器分成3段，等效CPM結(jié)構(gòu)位于DFB半導體激光器的中間區(qū)域，中間區(qū)域的取樣周期與兩端的周期不一致，這樣與均勻取樣結(jié)構(gòu)的周期構(gòu)成0.5個取樣周期或者是0.5個取樣周期奇數(shù)倍的相對移動，所述均勻取樣結(jié)構(gòu)的周期等于該CPM結(jié)構(gòu)激光器的兩端光柵取樣周期；若只在±1級子光柵切趾，在相同的信道內(nèi)引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式包括高斯切趾，blackman切趾，帽形函數(shù)切趾，即針對該信道，按海明切趾函數(shù)或其他切趾函數(shù)和公式(1)、(3)，沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈?，取樣占空比?～0.5或0.5～1兩種方式變化；若同時在±1級和0級子光柵切趾，按引入±1級信道切趾或引入0級信道切趾實現(xiàn)等效切趾，取樣占空比γ沿腔上變化范圍在0～0.5，呈中間大，兩邊漸小，最大值為0.5，最小值為0，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間強，兩邊漸弱。
激光器具有等效多相移結(jié)構(gòu)和等效切趾，在取樣光柵+1級或-1級信道實現(xiàn)等效多相移，若只在±1級子光柵切趾，在相同的信道內(nèi)引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式包括高斯切趾，blackman切趾，帽形函數(shù)切趾，即針對該信道，按海明切趾函數(shù)或其他切趾函數(shù)和公式(1)、(3)，沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈茫诱伎毡纫?～0.5或0.5～1兩種方式變化；若同時在±1級和0級子光柵切趾，按引入±1級信道切趾或引入0級信道切趾實現(xiàn)切趾，取樣占空比γ沿腔上變化范圍0～0.5，呈中間大，兩邊漸小，最大值為0.5，最小值為0，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間強，兩邊漸弱。
基于重構(gòu)-等效啁啾和等效切趾的平面波導布拉格光柵得到的反向切趾DFB半導體激光器，取樣光柵的取樣占空比γ在0～0.5或0.5～1范圍內(nèi)變化，在±1級信道引入等效反向切趾，使±1級子光柵中間的等效折射率調(diào)制低，兩端的折射率調(diào)制高，設(shè)±1級的反向切趾函數(shù)是f(x)，此時取樣占空比γ的變化方式是 這是一個雙值函數(shù)，函數(shù)值在(0，0.5)和(0.5，1)，分別對應反向切趾取樣占空比變化的兩種方式，通過沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈脤崿F(xiàn)切趾。
進一步的，激光器具有等效λ/4相移和等效反向切趾，在取樣光柵+1級或-1級信道實現(xiàn)等效λ/4相移，在相同的信道內(nèi)引入等效反向線性切趾或者其他的反向切趾方式，結(jié)合公式(1)、(3)，沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈茫伎毡茸兓绞桨ǚ聪蚯兄喝诱伎毡茸兓膬煞N方式。
上面所述的激光器一次性集成在同一晶片上，構(gòu)成DFB半導體激光器單片集成陣列。
本發(fā)明中引入不同的等效切趾函數(shù)時，各種切趾實現(xiàn)消除旁瓣的效果有一些不一樣，但是原理都是一樣的。
由于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)和等效切趾技術(shù)都是基于取樣結(jié)構(gòu)，所以兩者能很好地兼容。在本發(fā)明中，本發(fā)明第一次將等效切趾技術(shù)和重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)相結(jié)合來設(shè)計平面波導布拉格光柵和DFB半導體激光器。對于平面波導布拉格光柵，切趾能有效地改善布拉格光柵的濾波特性(抑制旁瓣，平滑時延曲線)；而對于DFB半導體激光器切趾能消除原本因旁瓣引起的邊摸，進而改進DFB半導體激光器的單模特性。通過重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)與等效切趾技術(shù)的結(jié)合，該切趾結(jié)構(gòu)能容易地實現(xiàn)。此外根據(jù)文獻[7、8]，如果DFB半導體激光器的的折射率調(diào)制呈現(xiàn)反向切趾的形式，即折射率調(diào)制中間小向兩端逐漸增加，則會減弱燒孔效應，改善激光器的性能。而這種特殊形式的切趾如果采用常規(guī)的工藝很難實現(xiàn)，但是本發(fā)明將等效切趾技術(shù)和重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)相結(jié)合則可以方便地實現(xiàn)。另一方面，對于基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)DFB半導體激光器，由于是一種取樣的技術(shù)，根據(jù)傅立葉變換，取樣結(jié)構(gòu)可以看成不同周期的子光柵的疊加。不同周期的子光柵對應了不同的信道，我們在設(shè)計時常常使用的是+1級或-1信道(中心布拉格波長左右對稱的兩個反射峰)，而不希望在0級信道發(fā)生激射。前面所述的DFB半導體激光器，在相同的信道內(nèi)引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，這里相同的信道指相同的傅立葉級數(shù)所對應的反射峰。一般情況下，將+1級或-1級信道設(shè)計在半導體材料的增益區(qū)，而使0級遠離增益區(qū)。但是在實際情況中，如果增益區(qū)發(fā)生漂移，如受到溫度等因素的影響，或者±1級信道和0級信道間隔太小，便會使+1級或-1級和0級信道同處在增益區(qū)。此時，可能在+1級或-1級和0級信道內(nèi)同時發(fā)生激射，嚴重影響了激光器的單模特性。在本發(fā)明中，我們利用等效切趾的方法，使0級在增益區(qū)內(nèi)也能夠得到有效的抑制，這使得基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)設(shè)計的激光器性能進一步提高。因此在未來大容量的光通訊系統(tǒng)中，尤其是初見端倪的大規(guī)模光子集成芯片中，本發(fā)明有助于提供低成本高成品率超穩(wěn)定的單個DFB半導體激光器、單片集成DFB半導體激光器陣列光源，以及單個高性能平面波導布拉格光柵器件及多個集成，為光子集成和光通訊等領(lǐng)域的進一步發(fā)展，提供技術(shù)上的支持。
本發(fā)明提出了一種切趾平面波導布拉格光柵和分布反饋DFB半導體激光器的設(shè)計制造方案。該方案以光纖光柵設(shè)計中的等效切趾技術(shù)，結(jié)合重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)，來設(shè)計平面波導布拉格光柵器件和高性能DFB半導體激光器。本發(fā)明的特點是在種子光柵的周期與折射率調(diào)制保持恒定的基礎(chǔ)上，利用漸變占空比的采樣結(jié)構(gòu)將切趾有效地引入到平面波導布拉格光柵中，消除平面波導布拉格光柵透射譜的旁瓣，使其時延譜平滑，從而設(shè)計出高性能的平面波導布拉格光柵器件。本發(fā)明技術(shù)如應用于DFB半導體激光器的設(shè)計中，則可以大幅度增加激光器主模與邊模的閾值增益差，從而有效地改善激光器的單模特性。此外，利用等效切趾技術(shù)在取樣光柵0級信道內(nèi)引入切趾，則能夠有效地抑制0級通道可能的激射模式，從而進一步增加基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)的激光器激射模式的穩(wěn)定性。與此同時，如果DFB半導體激光器的光柵引入反向等效切趾，即折射率調(diào)制中間小，兩端逐漸增大，則會減小燒孔效應，激光器性能也會進一步改善。由于種子光柵的周期和折射率調(diào)制是恒定的，這種重構(gòu)-等效啁啾結(jié)構(gòu)能夠使用成本低廉的全息曝光技術(shù)和光掩膜版來實現(xiàn)。因此利用本發(fā)明的設(shè)計方法可以實現(xiàn)低成本高性能的DFB激光器和高性能的平面波導布拉格光柵器件的批量生產(chǎn)。



圖1為本發(fā)明±1級子光柵的折射率和取樣占空比的關(guān)系示意圖。
圖2為本發(fā)明取樣占空比在0～0.5范圍內(nèi)時，改變?nèi)诱伎毡鹊膬煞N方式示意圖。
圖3為切趾和非切趾DFB光柵的透射譜圖。
圖4為±1級切趾和非切趾DFB半導體激光器歸一化閾值增益圖。
圖5為0級子光柵切趾與非切趾DFB光柵的透射譜圖。
圖6為0級子光柵切趾和非切制DFB半導體激光器歸一化閾值增益圖。
圖7為本發(fā)明等效反向切趾示意圖。
圖8為一個周期內(nèi)某種取樣圖案。
圖9為本發(fā)明取樣光柵制作示意圖。
圖10為鍍膜的相位掩模版制作平面波導布拉格光柵示意圖。

具體實施例方式 本發(fā)明的目的在于，把重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)和等效切趾技術(shù)相結(jié)合，為平面波導布拉格光柵和DFB半導體激光器的設(shè)計制造，提出一種新的切趾結(jié)構(gòu)和工藝。
本發(fā)明的
具體實施例方式 1、基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)和等效切趾技術(shù)的平面波導布拉格光柵器件 重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)是改變光柵的取樣周期實現(xiàn)等效的相移和等效的啁啾，等效相移是取樣周期的突變，等效啁啾是取樣周期的連續(xù)變化，該技術(shù)已經(jīng)成功地應用與設(shè)計具有任意目標反射譜的光纖布拉格光柵，其原理可以參看文獻[6]和專利[5]。等效切趾技術(shù)是變化取樣占空比，由于兩者都具有取樣結(jié)構(gòu)，所以能夠很好的兼容。
如果取樣的形式是如圖2所示的方波形，根據(jù)理論計算，取樣結(jié)構(gòu)中±1級子光柵的折射率調(diào)制和占空比的關(guān)系為 其中，Δns是種子光柵的折射率調(diào)制強度Δn±1是±1級的折射率調(diào)制強度，γ是取樣占空比。圖1給出了取樣占空比γ和±1級的折射率調(diào)制的關(guān)系曲線。該曲線說明了兩點其一，±1級的折射率調(diào)制與占空比呈一種特定的非線性關(guān)系，占空比為0和1的時候折射率調(diào)制最小，為0.5的時候則最大，其強度是種子光柵折射率調(diào)制的1/3；其二，曲線關(guān)于占空比0.5對稱。所以根據(jù)公式(1)只要沿激光器腔長方向改變占空比，就可以將切趾等效地引入到±1級子光柵中，不同的占空比變化可以實現(xiàn)不同的切趾。由于圖1是一條對稱的曲線，分別利用曲線對稱點的左側(cè)和右側(cè)的單調(diào)性，可以形成兩種改變占空比的方式，如圖2 1)第一種方式當取樣占空比γ在0.5～1范圍內(nèi)，取樣占空比γ沿腔上呈中間小，兩邊漸大，最小值為0.5，最大值為1，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間強，兩邊漸弱，引入傳統(tǒng)的等效切趾； 2)第二種方式當取樣占空比γ在0～0.5范圍內(nèi)，取樣占空比γ沿腔上呈中間大，兩邊漸小，最大值為0.5，最小值為0，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間強，兩邊漸弱，引入傳統(tǒng)的等效切趾； 但是考慮到利用圖2中的第二種方式，在腔兩邊有光柵區(qū)幅寬逐漸變小，因在實際制作振幅掩模版時線度的精度有限，所以如果只考慮實現(xiàn)的是±1級子光柵的等效切趾，則可以優(yōu)先考慮第一種改變占空比的方式。
2、切趾DFB半導體激光器的性能原理及等效實現(xiàn) DFB半導體激光器和平面波導布拉格光柵有相同的波導布拉格光柵結(jié)構(gòu)，因此在性質(zhì)上有很多聯(lián)系。平面波導布拉格光柵的光譜性質(zhì)可以反映DFB半導體激光器性質(zhì)。利用重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)和等效切趾技術(shù)的相結(jié)合實現(xiàn)低成本高性能的切趾DFB半導體激光器，等效切趾發(fā)生在±1級信道和0級信道。該DFB半導體激光器能夠有效地抑制0級和±1級信道潛在邊模模式，增加激光器單模的穩(wěn)定性。激光器的光柵結(jié)構(gòu)是取樣結(jié)構(gòu)，光柵的真實相移或真實啁啾由重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)制作，即相移或啁啾由等效相移或等效啁啾來實現(xiàn)，同時在取樣結(jié)構(gòu)中引入等效切趾，沿腔長方向改變?nèi)诱伎毡取Ｈ硬祭窆鈻诺娜又芷谝话阈∮?0微米，大于1微米。
在圖3中，在λ/4相移DFB激光器結(jié)構(gòu)中波導光柵被切趾以后，透射譜很光滑，幾乎沒有旁瓣。而沒有切趾DFB半導體激光器的光柵，最有可能激射的主模位置(閾值最低點)，這個模式稱為隙模(gap mode)，發(fā)生在反射譜禁帶內(nèi)的透射峰處。同時在主模兩側(cè)的旁瓣處有隙帶，也可能產(chǎn)生激射，稱之為邊模。但是切趾后的波導光柵，由于透射譜很光滑，沒有旁瓣，邊模對應的激射位置兩邊禁帶深度減少，因此發(fā)生激射的可能性大幅降低。圖4給出了相應的閾值增益圖，從圖中很明顯地可以看出，與沒有切趾的DFB半導體激光器相比，主模與邊模的閾值增益差大幅增加，增加量為2.9。以上分析說明采用切趾結(jié)構(gòu)極大地提高了激光器的單模穩(wěn)定性。
如果將重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)和等效切趾技術(shù)相結(jié)合，則既能在DFB半導體激光器的子光柵中實現(xiàn)等效的相移，等效的啁啾同時能夠?qū)崿F(xiàn)等效的切趾。例如，λ/4相移的DFB激光器則在激光器的某一位置(通常是中間)移動半個取樣周期，就能夠在子光柵中(通常±1級子光柵)等效的實現(xiàn)λ/4相移。如果同時沿腔改變占空比，則在該激光器上引入了等效切趾。因為兩者都基于取樣結(jié)構(gòu)，所以只需要振幅掩膜版就能改變光柵取樣的圖案。該激光器的制作工藝與當前DFB半導體激光器的工藝兼容。掩膜版的實現(xiàn)方式和平面波導布拉格濾波器的實現(xiàn)方法一樣有兩種實現(xiàn)方法，如圖2。3、0級信道切趾與±1級信道切趾的關(guān)系及實現(xiàn)方法 一般情況下，我們往往利用取樣光柵的±1級子光柵實現(xiàn)所需要的光譜特性。正如背景技術(shù)中所言，在有些情況下，基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)的DFB激光器的0級子光柵如果處在增益區(qū)也會形成兩個潛在的激射，影響了激光器的單模特性。根據(jù)理論計算，取樣結(jié)構(gòu)中的0級折射率調(diào)制和占空比具有線性關(guān)系 Δn0＝Δns×γ (2) 由于公式(1)和(2)都是占空比的函數(shù)，如果對±1級進行切趾，會對0級通道產(chǎn)生一個附加的影響。當占空比在0～0.5范圍內(nèi)，公式(1)和(2)具有相同的單調(diào)性，所以通過對±1級的切趾可以同時實現(xiàn)0級的切趾。如果±1級實現(xiàn)的切趾函數(shù)是f(x)，根據(jù)公式(1)，占空比的變化方式是 這樣，0級子光柵等效折射率調(diào)制為這即是給0級帶來的附加切趾。根據(jù)式(3)通過沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈脤崿F(xiàn)等效切趾。
如果在0級子光柵中引入切趾，同樣會給±1級帶來一個附加的切趾，如果0級切趾函數(shù)是γ＝f(x)/2(f(x)是某一切趾函數(shù))，則±1級的切趾為 為了0級和±1級同時具有切趾，占空比的變化只能限制在0～0.5的范圍內(nèi)，因此在這種情況下，常采用圖2中第二種改變占空比的方式。
圖5給出了在0級用海明切趾后的光柵透射譜圖。從圖6可以看出0級兩個關(guān)于布拉格波長對稱的潛在模式的歸一化閾值凈增益，切趾與非切趾相比增加了2.6。兩個潛在的激射模被有效的抑制住了。
4、反向切趾DFB半導體激光器的等效實現(xiàn) 利用重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)和等效切趾技術(shù)的相結(jié)合實現(xiàn)反向切趾DFB半導體激光器，等效反向切趾發(fā)生在±1級信道。該DFB半導體激光器能夠抑制燒孔效應，增加激光器單模的穩(wěn)定性。激光器的光柵結(jié)構(gòu)是取樣結(jié)構(gòu)，光柵的真實相移或真實啁啾由重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)制作，即相移或啁啾由等效相移或等效啁啾來實現(xiàn)；同時在取樣結(jié)構(gòu)中引入等效反向切趾(光柵中間的等效折射率調(diào)制低，兩端的折射率調(diào)制高)，即根據(jù)公式(1)、(3)和所設(shè)計的反向切趾函數(shù)(函數(shù)值中間小，兩邊漸增)，沿腔長方向改變?nèi)诱伎毡取Ｈ硬祭窆鈻诺娜又芷谝话阈∮?0微米，大于1微米。
根據(jù)公式(1)，如果取樣占空比改變在0～0.5范圍內(nèi)，則占空比中間小，兩邊漸大，如果取樣占空比改變0.5～1范圍內(nèi)，則占空比變化中間大，兩邊漸小，使子光柵(通常是±1級)的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間弱，兩邊漸強，則反向切趾就能等效的引入。圖7給出了一個線性變化的反向切趾方式。實現(xiàn)的方式也有兩種 1)第一種方式當取樣占空比γ在0.5～1范圍內(nèi)，取樣占空比γ沿腔上呈中間大，兩邊漸小，最大值為1，最小值為0.5，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間弱，兩邊漸強，引入等效反向切趾； 2)第二種方式當取樣占空比γ在0～0.5范圍內(nèi)，取樣占空比γ沿腔上呈中間小，兩邊漸大，最小值為0，最大值為0.5，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間弱，兩邊漸強，引入等效反向切趾。
5、其他可能的改變占空比的方式 圖2和圖7所示的改變占空比方式來實現(xiàn)等效切趾是一種比較特殊的也是比較常用的方式。更廣泛的說，通過傅立葉級數(shù)展開得到±1級系數(shù)都是一個周期內(nèi)占空圖案的函數(shù)?；诖?，任何特殊的占空比的形式都可以用來實現(xiàn)等效的切趾，根據(jù)傅立葉變換，第m級的傅立葉系數(shù)為 其中P為取樣周期，S(x)是一個取樣周期內(nèi)的歸一化取樣函數(shù)，m是傅立葉級次，若等于±1，則±1級子光柵的折射率調(diào)制強度是 Δn±1＝Δns×|F±1| (6) 利用不同占空圖案的組合來實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計取樣結(jié)構(gòu)，使得在由掩膜板制作光柵時，掩膜版線寬得到一個合理的可實現(xiàn)的范圍。
圖8給出一種具體的取樣結(jié)構(gòu)，根據(jù)計算可以知道，±1級的有效折射率調(diào)制為 下面說明本發(fā)明光柵及激光器的具體實施方法 1、本發(fā)明中，平面波導布拉格光柵器件和DFB半導體激光器制造技術(shù)的關(guān)鍵，在于取樣光柵結(jié)構(gòu)的制作，具體的方法是 (1)首先在光刻版(光掩膜)上，設(shè)計并制作基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)和等效切趾相結(jié)合的取樣圖案，即在該取樣結(jié)構(gòu)具有λ/4或λ/8等等效相移結(jié)構(gòu)同時，取樣占空比沿腔長方向改變。這里值得注意的是，在這里有金屬膜的地方對應有光柵區(qū)，沒有金屬膜的地方對應沒有光柵區(qū)。
(2)在晶片上刻光柵的方法，實施的步驟共分兩步第一步，使用全息曝光技術(shù)在光刻膠上形成均勻光柵圖案；第二步用(1)中所得到的光刻版進行普通曝光，把光刻板上的圖案復制到晶片上的光刻膠上，在光刻膠上形成取樣圖案，再用腐蝕晶片的方法，在晶片上形成相應的取樣光柵圖案。兩步的曝光順序可根據(jù)工藝互換。圖9是基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)和等效切趾技術(shù)相結(jié)合的取樣光柵刻寫方法示意圖 (3)對于制作平面波導布拉格光柵也可以先在相位掩模版上鍍上取樣結(jié)構(gòu)，然后利用已經(jīng)鍍膜的相位掩模版對摻鍺的二氧化硅材料以及一些其他制作平面波導布拉格光柵的光敏材料進行一次性曝光。曝光時掩膜版應靠近光敏材料。退火后即可獲得我們所需要的取樣光柵結(jié)構(gòu)。但是需要注意的是，這里掩模版上鍍的金屬膜與上述(2)中掩模版的取樣金屬膜條紋呈互補關(guān)系。即鍍膜的地方?jīng)]有光柵，沒有鍍膜的地方有光柵。圖10給出了制作示意圖。
2、基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)和等效切趾技術(shù)的平面波導布拉格光柵器件 基于重構(gòu)-等效啁啾和等效切趾的濾波器的實現(xiàn)材料比較多，一般制作平面波導布拉格光柵的材料都可以實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的濾波器，如硅基二氧化硅、聚合物、SOI脊形波導，以及一些III-V族化合物半導體材料等。此濾波器的關(guān)鍵在于制作取樣光柵圖案，制作方法在具體實施方法1中已給出。
下面就以SOI脊形波導制作布拉格光柵濾波器為例來加以說明，除開刻蝕取樣光柵結(jié)構(gòu)，其他工藝與文獻“高階布拉格光柵在SOI脊形波導上的光刻制作”冉啟江等，《半導體光電》，2009，6(30)3391-384)類似 (1)制作兩塊光刻掩模版。一塊用于SOI芯片上制刻脊形波導，這塊掩膜版與常規(guī)制作的SOI脊形波導掩膜版沒有區(qū)別。第二塊掩膜版上帶有基于等效切趾和重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)的取樣結(jié)構(gòu)，如等效啁啾、等效相移等等。
(2)清洗SOI芯片并涂上一層光刻膠，使用光刻機在第一塊掩膜版下對SOI芯片進行曝光，顯影定影后用等離子去膠30s。在180℃恒溫箱中對SOI芯片進行大概30分鐘時間固膠。再進行ICP刻蝕?？涛g深度由刻蝕時間決定。用等離子去膠機在150W的能量下去膠3分鐘，去除刻蝕后的殘膠完成脊形波導的制作。
(3)再次對片子進行清洗后通過圖9所示的兩次曝光法將第二塊掩膜版上的取樣光柵圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上。顯影定影之后，經(jīng)過去膠、固膠、ICP刻蝕、去除殘膠等步驟，完成取樣布拉格光柵的光刻。最后可以用PECVD在器件表面沉積1μm厚的SiO2。為了消除端面反射可對器件兩端拋光。
3、基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)和等效切趾技術(shù)的分布反饋DFB半導體激光器 分布反饋DFB半導體激光器的結(jié)構(gòu)，是在n型襯底材料上由外延n型InP緩沖層、非摻雜晶格匹配的InGaAsP波導層、應變InGaAsP多量子阱、InGaAsP光柵材料層、InGaAsP波導層、InP限制層和InGaAs歐姆接觸層順次構(gòu)成；InGaAsP光柵材料層的光柵是取樣布拉格光柵，即為用作激光激射的等效光柵；激光激射的等效光柵的表面采用200-400nm厚的SiO2絕緣層。
這里DFB半導體激光器包括以下幾種 1)、利用重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)和等效切趾技術(shù)的相結(jié)合實現(xiàn)低成本高性能的傳統(tǒng)切趾DFB半導體激光器，等效切趾發(fā)生在±1級信道和0級信道。該DFB半導體激光器能夠有效地抑制0級和±1級信道潛在邊模模式，增加激光器單模的穩(wěn)定性。
在切趾DFB半導體激光器上進一步可得到以下設(shè)計的DFB激光器 激光器為等效λ/4相移結(jié)構(gòu)，在取樣光柵中間發(fā)生1/2個取樣周期的相對移動，并具有等效切趾，在光柵+1級或-1級信道實現(xiàn)等效λ/4相移，若只在±1級子光柵切趾，在相同的信道內(nèi)引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式包括高斯切趾，blackman切趾，帽形函數(shù)切趾等等，即針對該信道，按海明切趾函數(shù)或其他切趾函數(shù)和公式(1)、(3)，沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈?，改變占空比的方式按前面所述傳統(tǒng)切趾的兩種實現(xiàn)方式。若需要同時在±1級和0級子光柵實現(xiàn)切趾，按引入±1級信道切趾或引入0級信道切趾，取樣占空比γ沿腔變化只能在0～0.5范圍內(nèi)，呈中間大，兩邊漸小，最大值為0.5，最小值為0，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間強，兩邊漸弱。
激光器為等效λ/8相移結(jié)構(gòu)，在取樣光柵中間發(fā)生1/4個取樣周期的相對移動，并具有等效切趾，在取樣光柵+1級或-1級信道實現(xiàn)等效λ/8相移，若只在±1級子光柵切趾，在相同的信道內(nèi)引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式包括高斯切趾，blackman切趾，帽形函數(shù)切趾等等，即針對該信道，按海明切趾函數(shù)或其他切趾函數(shù)和公式(1)、(3)，沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈?，改變占空比的方式按前面所述傳統(tǒng)切趾的兩種實現(xiàn)方式；若同時在±1級和0級子光柵實現(xiàn)切趾，按引入±1級信道切趾或引入0級信道切趾實現(xiàn)切趾，取樣占空比γ沿腔變化范圍只能為0～0.5，呈中間大，兩邊漸小，最大值為0.5，最小值為0，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間強，兩邊漸弱。
激光器為等效周期調(diào)制CPM結(jié)構(gòu)，并具有等效切趾，在取樣光柵+1級或-1級信道實現(xiàn)等效周期調(diào)制CPM該結(jié)構(gòu)一般將激光器分成3段，等效CPM結(jié)構(gòu)位于DFB半導體激光器的中間區(qū)域，中間區(qū)域的長度常常是激光器總長度的1/3或者1/2(也可以其他的比例)，中間區(qū)域的取樣周期與兩端的周期不一致，這樣與均勻取樣結(jié)構(gòu)的周期，也就是取樣周期等于該CPM結(jié)構(gòu)激光器的兩端光柵取樣周期相比，構(gòu)成0.5個取樣周期或者是0.5個取樣周期奇數(shù)倍的相對移動；若只在±1級子光柵切趾，在相同的信道內(nèi)引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式包括高斯切趾，blackman切趾，帽形函數(shù)切趾等等，即針對該信道，按海明切趾函數(shù)或其他切趾函數(shù)和公式(1)、(3)，沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈?，改變占空比的方式按前面所述傳統(tǒng)切趾方式的兩種實現(xiàn)方式；若同時在±1級和0級子光柵切趾，按引入±1級信道切趾或引入0級信道切趾實現(xiàn)切趾，取樣占空比γ沿腔上變化范圍在0～0.5，呈中間大，兩邊漸小，最大值為0.5，最小值為0，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間強，兩邊漸弱。
激光器具有等效多相移結(jié)構(gòu)和等效切趾，在取樣光柵+1級或-1級信道實現(xiàn)等效多相移，如果是2相移，則在取樣光柵的1/3和2/3處取樣發(fā)生5/18個取樣周期的相對移動；類似地，如果是3相移，則在取樣光柵的1/4、2/4、3/4處發(fā)生1/3個取樣周期的相對移動；若只在±1級子光柵切趾，在相同的信道內(nèi)引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式包括高斯切趾，blackman切趾，帽形函數(shù)切趾等等，即針對該信道，按海明切趾函數(shù)或其他切趾函數(shù)和公式(1)、(3)，沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈?，改變占空比的方式按前面所述傳統(tǒng)切趾的兩種實現(xiàn)方式；若同時在±1級和0級子光柵切趾，按引入±1級信道切趾或引入0級信道切趾實現(xiàn)切趾，取樣占空比γ沿腔上變化范圍0～0.5，呈中間大，兩邊漸小，最大值為0.5，最小值為0，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間強，兩邊漸弱。
2)、利用重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)和等效切趾技術(shù)的相結(jié)合實現(xiàn)反向切趾DFB半導體激光器，等效反向切趾發(fā)生在±1級信道。該DFB半導體激光器能夠抑制燒孔效應，增加激光器單模的穩(wěn)定性。
進一步的，上述反向切趾DFB半導體激光器，激光器具有等效λ/4相移和等效反向切趾，在取樣光柵中間發(fā)生1/2個取樣周期的相對移動，取樣光柵+1級或-1級信道實現(xiàn)等效λ/4相移，在相同的信道內(nèi)引入等效反向線性切趾或者其他的反向切趾方式，沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈?，占空比變化方式按前文所述反向切趾的兩種實現(xiàn)方式。
3)、上面所述的激光器一次性集成在同一晶片上，構(gòu)成DFB半導體激光器單片集成陣列。
下面描述工作波長在1550nm范圍，重構(gòu)-等效啁啾等效切趾DFB半導體激光器的制作。
掩膜板制作使用普通微電子工藝制作含有等效子光柵所需要的變占空比取樣圖案的掩模板，取樣占空比軌跡的變化由所需要的切趾函數(shù)結(jié)合公式(1)和(2)確定。如圖4可知，改變占空比的方法有兩種，需要實現(xiàn)0級切趾可采用第二種方式。
器件的外延材料主要通過MOVPE技術(shù)制作，描述如下首先在n型襯底材料上一次外延n型InP緩沖層(厚度200nm、摻雜濃度約1.1×1018cm-2)、100nm厚的非摻雜晶格匹配InGaAsP波導層(下波導層)、應變InGaAsP多量子阱(光熒光波長1.52微米，7個量子阱阱寬8nm，0.5％壓應變，壘寬10nm，晶格匹配材料)和100nm厚的p型晶格匹配InGaAsP(摻雜濃度約1.1×1017cm-2)上波導層。接下來通過所設(shè)計的取樣變占空比掩模板和全息干涉曝光的方法在上波導層形成所需激光器的光柵結(jié)構(gòu)。取樣光柵制作好后，再通過二次外延生長p-InP和p型InGaAs(100nm，摻雜濃度大于1×1019cm-2)，刻蝕形成脊形波導和接觸層，脊波導長度為400微米，脊寬3微米，脊側(cè)溝寬20微米，深1.5微米。再通過等離子加強化學汽相沉積法(PECVD)，將脊形周圍填充SiO2或有機物BCB形成絕緣層。最后鍍上Ti-Au金屬P電極。
器件兩端面可分別鍍上增透膜(AR)和高反膜(HR)，激光器的閾值電流典型值為10mA左右，邊模抑制比達到40dB以上。
權(quán)利要求
1.基于重構(gòu)-等效啁啾和等效切趾的平面波導布拉格光柵，其特征是光柵為取樣結(jié)構(gòu)，光柵的真實相移或真實啁啾由重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)制作，同時在取樣結(jié)構(gòu)中引入等效切趾，通過沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈脤崿F(xiàn)切趾。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于重構(gòu)-等效啁啾和等效切趾的平面波導布拉格光柵，其特征是引入等效切趾時，包括以下方式
A.取樣結(jié)構(gòu)的取樣形式為方波形，取樣結(jié)構(gòu)中±1級子光柵的折射率調(diào)制和占空比的關(guān)系為
其中，Δns是種子光柵的折射率調(diào)制強度Δn±1是±1級子光柵的折射率調(diào)制強度，γ是取樣占空比，所以如果改變?nèi)诱伎毡龋?級子光柵的折射率調(diào)制強度也隨之改變，切趾方式包括傳統(tǒng)的切趾方式和反向的切趾方式，傳統(tǒng)的切趾方式指的是，切趾函數(shù)中間最大為1，兩端漸變??；反向切趾方式指的是，切趾函數(shù)中間為最小，兩端漸變大，最大值為1，以下沒有提到反向切趾的均為傳統(tǒng)的切趾方式，
對于傳統(tǒng)的切趾方式，取樣占空比的變化有以下兩種方式
1)當取樣占空比γ在0.5～1范圍內(nèi)，取樣占空比γ沿腔上呈中間小，兩邊漸大，最小值為0.5，最大值為1，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間強，兩邊漸弱，引入傳統(tǒng)的等效切趾；
2)當取樣占空比γ在0～0.5范圍內(nèi)，取樣占空比γ沿腔上呈中間大，兩邊漸小，最大值為0.5，最小值為0，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間強，兩邊漸弱，引入傳統(tǒng)的等效切趾；
對于反向的切趾方式，取樣占空比的變化有以下兩種方式
1)當取樣占空比γ在0.5～1范圍內(nèi)，取樣占空比γ沿腔上呈中間大，兩邊漸小，最大值為1，最小值為0.5，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間弱，兩邊漸強，引入等效反向切趾；
2)當取樣占空比γ在0～0.5范圍內(nèi)，取樣占空比γ沿腔上呈中間小，兩邊漸大，最小值為0，最大值為0.5，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間弱，兩邊漸強，引入等效反向切趾；
B.通過傅立葉級數(shù)展開得到±1級系數(shù)都是一個周期內(nèi)占空圖案的函數(shù)，基于此，任何特殊的占空比的形式都可以用來實現(xiàn)等效切趾，根據(jù)傅立葉變換，第m級的傅立葉系數(shù)為
其中P為取樣周期，S(x)是一個取樣周期內(nèi)的歸一化取樣函數(shù)，m是傅立葉級次，若m等于±1，則±1級子光柵的折射率調(diào)制強度是
Δn±1＝Δns×|F±1|(6)
利用不同占空圖案的組合來實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計取樣結(jié)構(gòu)，使得在由掩膜板制作光柵時，掩膜版線寬得到一個合理的可實現(xiàn)的范圍。
3.由權(quán)利要求2所述基于重構(gòu)-等效啁啾和等效切趾的平面波導布拉格光柵得到的DFB半導體激光器，其特征是取樣光柵的取樣占空比γ在0～0.5或0.5～1范圍內(nèi)變化，所述切趾包括±1級信道切趾與0級信道切趾，取樣結(jié)構(gòu)中0級子光柵的折射率調(diào)制和占空比具有線性關(guān)系
Δn0＝Δns×γ(2)
若引入±1級信道切趾則可以同時實現(xiàn)0級信道切趾，設(shè)±1級的切趾函數(shù)是f(x)，此時取樣占空比γ的變化方式是
這樣，0級子光柵等效折射率調(diào)制為這即是給0級帶來的附加切趾，根據(jù)式(3)通過沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈脤崿F(xiàn)切趾；
若引入0級信道切趾，由于0級等效折射率調(diào)制和占空比呈線性關(guān)系，所以可以設(shè)取樣占空比沿腔變化是γ＝f(x)/2，其中f(x)是切趾函數(shù)，則±1級的切趾為
得到±1級的切趾函數(shù)，再根據(jù)式γ＝f(x)/2，沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈?，實現(xiàn)等效的切趾。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的DFB半導體激光器，其特征是激光器為等效λ/4相移結(jié)構(gòu)，并具有等效切趾，在光柵+1級或-1級信道實現(xiàn)等效λ/4相移，若只在±1級子光柵切趾，在相同的信道內(nèi)引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式包括高斯切趾，blackman切趾，帽形函數(shù)切趾，即針對該信道，按海明切趾函數(shù)或其他切趾函數(shù)和公式(1)、(3)，沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈茫诱伎毡纫?～0.5或0.5～1兩種方式變化；若同時在±1級和0級子光柵切趾，按引入±1級信道切趾或引入0級信道切趾實現(xiàn)等效切趾，取樣占空比γ沿腔變化只能在0～0.5范圍內(nèi)，呈中間大，兩邊漸小，最大值為0.5，最小值為0，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間強，兩邊漸弱。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的DFB半導體激光器，其特征是激光器為等效λ/8相移結(jié)構(gòu)，并具有等效切趾，在取樣光柵+1級或-1級信道實現(xiàn)等效λ/8相移，若只在±1級子光柵切趾，在相同的信道內(nèi)引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式包括高斯切趾，blackman切趾，帽形函數(shù)切趾，即針對該信道，按海明切趾函數(shù)或其他切趾函數(shù)和公式(1)、(3)，沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈?，取樣占空比?～0.5或0.5～1兩種方式變化；若同時在±1級和0級子光柵切趾，按引入±1級信道切趾或引入0級信道切趾實現(xiàn)等效切趾，取樣占空比γ沿腔上變化范圍只能為0～0.5，呈中間大，兩邊漸小，最大值為0.5，最小值為0，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間強，兩邊漸弱。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的DFB半導體激光器，其特征是激光器為等效周期調(diào)制CPM結(jié)構(gòu)，并具有等效切趾，在取樣光柵+1級或-1級信道實現(xiàn)等效周期調(diào)制CPM該結(jié)構(gòu)將激光器分成3段，等效CPM結(jié)構(gòu)位于DFB半導體激光器的中間區(qū)域，中間區(qū)域的取樣周期與兩端的周期不一致，這樣與均勻取樣結(jié)構(gòu)的周期構(gòu)成0.5個取樣周期或者是0.5個取樣周期奇數(shù)倍的相對移動，所述均勻取樣結(jié)構(gòu)的周期等于該CPM結(jié)構(gòu)激光器的兩端光柵取樣周期；若只在±1級子光柵切趾，在相同的信道內(nèi)引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式包括高斯切趾，blackman切趾，帽形函數(shù)切趾，即針對該信道，按海明切趾函數(shù)或其他切趾函數(shù)和公式(1)、(3)，沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈茫诱伎毡纫?～0.5或0.5～1兩種方式變化；若同時在±1級和0級子光柵切趾，按引入±1級信道切趾或引入0級信道切趾實現(xiàn)等效切趾，取樣占空比γ沿腔上變化范圍在0～0.5，呈中間大，兩邊漸小，最大值為0.5，最小值為0，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間強，兩邊漸弱。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的DFB半導體激光器，其特征是激光器具有等效多相移結(jié)構(gòu)和等效切趾，在取樣光柵+1級或-1級信道實現(xiàn)等效多相移，若只在±1級子光柵切趾，在相同的信道內(nèi)引入等效海明切趾或者其他的切趾方式，所述其他切趾方式包括高斯切趾，blackman切趾，帽形函數(shù)切趾，即針對該信道，按海明切趾函數(shù)或其他切趾函數(shù)和公式(1)、(3)，沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈?，取樣占空比?～0.5或0.5～1兩種方式變化；若同時在±1級和0級子光柵切趾，按引入±1級信道切趾或引入0級信道切趾實現(xiàn)切趾，取樣占空比γ沿腔上變化范圍0～0.5，呈中間大，兩邊漸小，最大值為0.5，最小值為0，使±1級子光柵的折射率調(diào)制實現(xiàn)中間強，兩邊漸弱。
8.由權(quán)利要求2所述基于重構(gòu)-等效啁啾和等效切趾的平面波導布拉格光柵得到的反向切趾DFB半導體激光器，其特征是取樣光柵的取樣占空比γ在0～0.5或0.5～1范圍內(nèi)變化，在±1級信道引入等效反向切趾，使±1級子光柵中間的等效折射率調(diào)制低，兩端的折射率調(diào)制高，設(shè)±1級的反向切趾函數(shù)是f(x)，此時取樣占空比γ的變化方式是
這是一個雙值函數(shù)，函數(shù)值在(0，0.5)和(0.5，1)，分別對應反向切趾取樣占空比變化的兩種方式，通過沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈脤崿F(xiàn)切趾。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的反向切趾DFB半導體激光器，其特征是激光器具有等效λ/4相移和等效反向切趾，在取樣光柵+1級或-1級信道實現(xiàn)等效λ/4相移，在相同的信道內(nèi)引入等效反向線性切趾或者其他的反向切趾方式，結(jié)合公式(1)、(3)，沿激光器腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈?，占空比變化方式包括反向切趾取樣占空比變化的兩種方式。
10.權(quán)利要求3-9所述的激光器一次性集成在同一晶片上，構(gòu)成DFB半導體激光器單片集成陣列。
全文摘要
基于重構(gòu)-等效啁啾和等效切趾的平面波導布拉格光柵及其激光器，光柵為取樣結(jié)構(gòu)，光柵的真實相移或真實啁啾由重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)制作，同時在取樣結(jié)構(gòu)中引入等效切趾，通過沿腔長方向改變?nèi)诱伎毡圈脤崿F(xiàn)切趾。本發(fā)明以光纖光柵設(shè)計中的等效切趾技術(shù)，結(jié)合重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)，來設(shè)計平面波導布拉格光柵器件和高性能的DFB半導體激光器。本發(fā)明在種子光柵的周期與折射率調(diào)制保持恒定的基礎(chǔ)上，利用漸變占空比的采樣結(jié)構(gòu)將切趾有效地引入到平面波導布拉格光柵中，就能夠消除平面波導布拉格光柵透射譜的旁瓣，使其時延譜平滑，從而設(shè)計出高性能的平面波導布拉格光柵器件。
文檔編號H01S5/125GK101750671SQ20091026448
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月23日
發(fā)明者施躍春, 陳向飛, 李思敏, 李靜思, 賈凌慧, 劉盛春 申請人:南京大學