專利名稱：分布反饋激光器陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分布反饋激光器陣列，尤其是涉及激射波長可調(diào)諧且可以多波長激射的一種分布反饋激光器陣列。
背景技術(shù)：
信息技術(shù)的普及與發(fā)展使對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的要求越來越高，尤其對帶寬的需求越來越大。密集波分復(fù)用和無源光網(wǎng)絡(luò)等新一代技術(shù)的發(fā)展提出了對多波長光源的需求。多個分立的激光器固然能夠滿足對波長的需要，但是分立器件之間相互獨立，每個器件的工作狀況相差較大，導(dǎo)致光源設(shè)備的整體性能在穩(wěn)定性、可靠性方面無法保證。在這樣的背景下，可調(diào)諧激光器在具有了重大的優(yōu)勢。一類可調(diào)諧激光器通過注入電流或者通過加熱等方式影響激光器的參數(shù)，從而改變激光器的激射波長；另一類采用多個不同激射波長的激光器集成的方式來實現(xiàn)激射波長的調(diào)諧。多個激光器集成的方式可以獲得更大的調(diào)諧范圍，更緊湊的結(jié)構(gòu)和更高的穩(wěn)定性。分布反饋激光器具有發(fā)射功率大，高速調(diào)制時單模性能好等特點，已廣泛作為光源應(yīng)用在光通信、光傳感等領(lǐng)域。分布反饋激光器陣列繼承了單個分布反饋激光器的優(yōu)點，同時實現(xiàn)了優(yōu)越的可調(diào)諧性能，并且結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，穩(wěn)定性好。分布反饋激光器陣列，由數(shù)個分布反饋激光器組成，其中每個激光器的激射波長相對上一個有一定的偏移。需要較小的波長變化時，可以通過注入電流、控制溫度等方法對一個激光器的激射波長調(diào)諧；需要較大的波長變化時，可以選擇激射另一個激光器。實現(xiàn)分布反饋激光器陣列的關(guān)鍵在于讓不同的激光器的激射波長有一定的偏移。目前常采用的手段是改變光柵周期。采用電子束直寫曝光的方法制作布拉格光柵可以精確控制光柵周期，但是由于電子束曝光技術(shù)速度較慢，其產(chǎn)能受到限制，難以滿足大規(guī)模，低成本制作的要求。加拿大的Quantum Device公司闡述了利用相位掩模版來制作分布反饋激光器陣列的方法，然而，相位掩模版成本較高，大規(guī)模應(yīng)用仍有問題。在國內(nèi)，武漢郵科院利用新興的納米壓印技術(shù)已經(jīng)成功的制作出了 13個信道的分布反饋激光器陣列，不過納米壓印技術(shù)使用的硬掩模版制作分布反饋激光器時容易損壞有源層，該技術(shù)用于分布反饋激光器陣列的制作仍有不少問題有待解決。
實現(xiàn)分布反饋激光器激射波長偏移的另一種方法是利用采樣布拉格光柵技術(shù)。布拉格光柵I級干涉波長的位置與采樣周期有關(guān)，只要抑制O級干涉波長諧振，令激光器在I級干涉波長激射，并通過控制采樣周期，就可以控制激光器的激射波長。由于光柵的采樣周期尺度在微米量級，因此采樣光柵的制作可以采用全息曝光外加一次紫外光刻實現(xiàn)。不過到目前為止，根據(jù)主要研究該項技術(shù)的北京半導(dǎo)體所的朱洪亮研究小組、南京大學(xué)陳向飛教授的研究小組和韓國的電子與通訊研究的報道，所用該技術(shù)制作的分布反饋激光器陣列其波長可變范圍仍然較小(不超過llnm)，難以滿足實際的應(yīng)用要求。此外，由于光柵采樣所產(chǎn)生的I次干涉波長的激射閾值要高于O級，因此采樣光柵的分布反饋激光器的閾值通常要高于一般的分布反饋激光器。
還有一類方法是光柵采用全息曝光制作周期固定的光柵，再通過波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的變化，改變波導(dǎo)等效折射率來實現(xiàn)波長偏移。美國Infinera公司利用選擇性外延技術(shù)在不同區(qū)域一次性外延出不同厚度的有源層，從而實現(xiàn)對波導(dǎo)折射率的控制。不過，就目前報道的結(jié)果來看，這種方法波長偏移有限，一般不超過10nm，單一芯片難以滿足實際應(yīng)用的需要，需要封裝多個芯片才能覆蓋所需的波段，增加了芯片封裝的復(fù)雜性和成本。
綜上所述，除了采用電子束等高精度曝光手段外，目前利用采樣光柵等方法制作出的分布反饋激光器陣列其波長可變范圍均十分有限。缺乏低成本高可靠性的分布反饋激光器陣列的制作手段。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服背景技術(shù)方案中的不足，本發(fā)明的目的在于提供結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、低成本、高可靠性、調(diào)諧范圍大的一種分布反饋激光器陣列，同時易于合波器等無源波導(dǎo)集成。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
技術(shù)方案一
它是由制作在同一塊半導(dǎo)體外延片上的多個平行排列的分布反饋激光器構(gòu)成；半導(dǎo)體外延片從上至下依次包括上包層、有源層、間隔層、折射率控制層、下包層和襯底，用于形成分布反饋的布拉格光柵設(shè)置在有源層或者折射率控制層中；布拉格光柵的周期在整塊半導(dǎo)體外延片上保持一致；所有分布反饋激光器與布拉格光柵垂直；上包層、有源層和間隔層構(gòu)成分布反饋激光器的上臺面；折射率控制層形成導(dǎo)波結(jié)構(gòu)；分布反饋激光器陣列中任意一個分布反饋激光器均由一個上臺面和其所對應(yīng)的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)以及下包層、襯底和上電極、下電極共同構(gòu)成。技術(shù)方案二
它是由制作在同一塊半導(dǎo)體外延片上的多個平行排列的分布反饋激光器構(gòu)成；半導(dǎo)體外延片從上至下依次包括上包層、折射率控制層、間隔層、有源層、下包層和襯底，用于形成分布反饋的布拉格光柵設(shè)置在有源層或者折射率控制層中；布拉格光柵的周期在整塊半導(dǎo)體外延片上保持一致；所有分布反饋激光器與布拉格光柵垂直；上包層構(gòu)成分布反饋激光器的上臺面；折射率控制層形成導(dǎo)波結(jié)構(gòu)；分布反饋激光器陣列中任意一個分布反饋激光器均由一個上臺面和其所對應(yīng)的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)以及下包層、襯底和上電極、下電極共同構(gòu)成。以上兩種技術(shù)方案中上臺面和導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的寬度在不同的分布反饋激光器之間隨激射波長的增加而遞增的。折射率控制層折射率大于上包層(11)、下包層的折射率。與背景技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是
通過引入折射率控制層，采用側(cè)向濕法腐蝕或者選擇性氧化等工藝對其側(cè)向腐蝕，形成不同寬度導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，從而影響等效折射率，進而使激射波長產(chǎn)生偏移的方法，可以獲得足夠的偏移量。導(dǎo)波結(jié)構(gòu)寬度從O. 8微米變化到I. 6微米可以使激射波長偏移30納米。采用分布反饋激光器陣列中每個分布反饋激光器有不同寬度導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的方式獲得激射波長的偏移，不要求對分布反饋激光器陣列中每個分布反饋激光器的布拉格光柵周期做相應(yīng)的改變，分布反饋激光器陣列中每一個激光器采用相同周期的布拉格光柵，因此可以采用全息曝光的方法來制作，便于分布反饋激光器陣列的集成與制作，同時有利于封裝，簡化了工藝，降低了成本，提高了成品率。此外，折射率控制層也有利于制作合波器等無源結(jié)構(gòu)，利于耦合分布反饋激光器陣列中不同分布反饋激光器的輸出，便于使用。


圖I是一種分布反饋激光器陣列的半導(dǎo)體外延片結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2是一種分布反饋激光器陣列的側(cè)視圖。 圖3是另一種分布反饋激光器陣列的半導(dǎo)體外延片結(jié)構(gòu)的示意圖。圖4是另一種分布反饋激光器陣列的側(cè)視圖。圖5是基膜等效折射率隨導(dǎo)波結(jié)構(gòu)寬度變化示意圖。圖6是激射波長偏移量隨導(dǎo)波結(jié)構(gòu)寬度變化示意圖。圖7是激射波長偏移量與間隔層厚度關(guān)系示意圖。圖中1、半導(dǎo)體外延片，2、分布反饋激光器；11、上包層，12、有源層，13、折射率控制層，14、間隔層，15、下包層，16、襯底，21、上臺面，22、導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，23、上電極，24、下電極，121、布拉格光柵。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明做進一步說明。如圖I所示，一種分布反饋激光器陣列是由制作在同一塊半導(dǎo)體外延片I上的多個平行排列的分布反饋激光器2構(gòu)成；半導(dǎo)體外延片I從上至下依次包括上包層11、有源層12、間隔層14、折射率控制層13、下包層15和襯底16，用于形成分布反饋的布拉格光柵121設(shè)置在有源層12或者折射率控制層13中；布拉格光柵121的周期在整塊半導(dǎo)體外延片I上保持一致。如圖2所示，一種分布反饋激光器陣列中的所有分布反饋激光器2與布拉格光柵121垂直；上包層11、有源層12和間隔層14構(gòu)成分布反饋激光器2的上臺面21 ;折射率控制層13形成導(dǎo)波結(jié)構(gòu)22 ;分布反饋激光器陣列中任意一個分布反饋激光器2均由一個上臺面21和其所對應(yīng)的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)22以及下包層15、襯底16和上電極23、下電極24共同構(gòu)成。如圖3所示，另一種分布反饋激光器是由制作在同一塊半導(dǎo)體外延片I上的多個平行排列的分布反饋激光器2構(gòu)成；半導(dǎo)體外延片I從上至下依次包括上包層11、折射率控制層13、間隔層14、有源層12、下包層15和襯底16，用于形成分布反饋的布拉格光柵121設(shè)置在有源層12或者折射率控制層13中；布拉格光柵121的周期在整塊半導(dǎo)體外延片I上保持一致。如圖4所示，另一種分布反饋激光器陣列中的所有分布反饋激光器2與布拉格光柵121垂直；上包層11構(gòu)成分布反饋激光器2的上臺面21 ;折射率控制層13形成導(dǎo)波結(jié)構(gòu)22 ;分布反饋激光器陣列中任意一個分布反饋激光器2均由一個上臺面21和其所對應(yīng)的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)22以及下包層15、襯底16和上電極23、下電極24共同構(gòu)成。兩種方案中的分布反饋激光器陣列，其中的分布反饋激光器2的方向都是垂直布拉格光柵2的方向，這樣可以利用布拉格光柵的分布反饋效應(yīng)。布拉格光柵121在半導(dǎo)體外延片I生長過程中一次制作在其中，使分布反饋激光器陣列的布拉格光柵121周期一致。包含了布拉格光柵121在有源層12內(nèi)或者在折射率控制層13內(nèi)兩種情況。布拉格光柵12在有源層12內(nèi)的方案，除了分布反饋激光器2常規(guī)具有的折射率耦合外，還包括了增益耦合。增益耦合克服了布拉格光柵121禁帶兩邊的反射峰具有相同的閾值從而降低分布反饋激光器單模產(chǎn)率的問題，使分布反饋激光器2能夠更多的工作在禁帶邊緣且靠近長波方向上的模式，保證了分布反饋激光器2的單波長激射。布拉格光柵121在折射率控制層13內(nèi)的方案，避免了對有源層12的刻蝕，降低了閾值，采用端面鍍膜等方法可彌補產(chǎn)率問題，兩種情況各有優(yōu)勢。同一分布反饋激光器陣列中的分布反饋激光器2有不同寬度的上臺面21，是出于通過側(cè)向濕法腐蝕等工藝，一次制作不同寬度的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的需要。整個分布反饋激光器陣列一次制作完成。 分布反饋激光器陣列可以用做可調(diào)諧激光器或者多波長激光器，是因為其中的不同分布反饋激光器2有不同的激射波長。激射波長取決于基膜等效折射率和布拉格光柵121的周期。由于改變布拉格光柵121周期的方法需要很高成本，本發(fā)明是采用易于實現(xiàn)且成熟的工藝，在同一分布反饋激光器陣列中的所有分布反饋激光器2都有同樣的布拉格光柵121的周期，通過使不同的分布反饋激光器2有不同的基膜等效折射率來實現(xiàn)激射波長的不同。基膜等效折射率的不同通過導(dǎo)波結(jié)構(gòu)22寬度的不同來實現(xiàn)。分布反饋激光器陣列內(nèi)分布反饋激光器2的數(shù)目取決于使用中對激射波長偏移范圍的需要或者取決于對同時激射不同波長數(shù)目的需要?；さ刃д凵渎嗜Q于光場分布。有源層12作為高折射率層，光場主要分布在其中，但對有源層12施加操作將影響激光器的閾值和輸出功率。因此在有源層12附近，引入一層折射率高于上包層11和下包層15的折射率控制層13，折射率控制層13的折射率接近于有源層12，該高折射率層能影響原來的基模光場分布，將部分光場分布聚集在其周圍。對折射率控制層13施加操作，能對光場分布造成有略微差異的影響，達到改變基膜等效折射率同時又不影響分布反饋激光器2的性能的目的。同時，折射率控制層13作為無源層，可以在其上制作合波器等無源結(jié)構(gòu)，有利于耦合整個分布反饋激光器陣列中所有分布反饋激光器2的輸出。如圖5所示，反映了基膜等效折射率隨導(dǎo)波結(jié)構(gòu)寬度變化的結(jié)果，其中橫坐標是導(dǎo)波結(jié)構(gòu)寬度，縱坐標是基模等效折射率。本發(fā)明在引入的折射率控制層13上制作導(dǎo)波結(jié)構(gòu)22，通過使分布反饋激光器陣列中不同的分布反饋激光器2有不同寬度的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)22，從而有不同的基膜等效折射率，進而使激射波長不同。在一定的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)22中，光場由橫向的電場分布E(U)縱向的傳播常數(shù)#來描述。通過亥姆霍茲方程
V2E+ko2eE = 0(I)
和具體結(jié)構(gòu)中的邊界條件來求的。多/知就是等效折射率。對一個特定的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，分
析出等效折射率以后再結(jié)合具體的光柵參數(shù)通過傳輸矩陣和耦合波等方法就可以得到它的激射波長。布拉格方程
2 = μ (2)
s為等效折射率，Λ為布拉格光柵周期，@為激射的波長階數(shù)，一階光柵取I。(2)兩邊取微分可得
權(quán)利要求
1.一種分布反饋激光器陣列，其特征在于它是由制作在同一塊半導(dǎo)體外延片(I)上的多個平行排列的分布反饋激光器(2)構(gòu)成；半導(dǎo)體外延片(I)從上至下依次包括上包層(11)、有源層(12)、間隔層(14)、折射率控制層(13)、下包層(15)和襯底(16)，用于形成分布反饋的布拉格光柵(121)設(shè)置在有源層(12)或者折射率控制層(13)中；布拉格光柵(121)的周期在整塊半導(dǎo)體外延片(I)上保持一致；所有分布反饋激光器(2)與布拉格光柵(121)垂直；上包層(11)、有源層(12)和間隔層(14)構(gòu)成分布反饋激光器(2)的上臺面(21);折射率控制層(13)形成導(dǎo)波結(jié)構(gòu)(22);分布反饋激光器陣列中任意一個分布反饋激光器(2)均由一個上臺面(21)和其所對應(yīng)的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)(22)以及下包層(15)、襯底(16)和上電極(23)、下電極(24)共同構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布反饋激光器陣列，其特征在于所述上臺面(21)和導(dǎo)波結(jié)構(gòu)(22)的寬度在不同的分布反饋激光器(2)之間隨激射波長的增加而遞增的。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布反饋激光器陣列，其特征在于所述折射率控制層(13)折射率大于上包層(11 )、下包層(15)的折射率。
4.一種分布反饋激光器陣列，其特征在于它是由制作在同一塊半導(dǎo)體外延片(I)上的多個平行排列的分布反饋激光器(2)構(gòu)成；半導(dǎo)體外延片(I)從上至下依次包括上包層(11)、折射率控制層(13)、間隔層(14)、有源層(12)、下包層(15)和襯底(16)，用于形成分布反饋的布拉格光柵(121)設(shè)置在有源層(12)或者折射率控制層(13)中；布拉格光柵(121)的周期在整塊半導(dǎo)體外延片(I)上保持一致；所有分布反饋激光器(2)與布拉格光柵(121)垂直；上包層(11)構(gòu)成分布反饋激光器(2)的上臺面(21);折射率控制層(13)形成導(dǎo)波結(jié)構(gòu)(22);分布反饋激光器陣列中任意一個分布反饋激光器(2)均由一個上臺面(21)和其所對應(yīng)的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)(22)以及下包層(15)、襯底(16)和上電極(23)、下電極(24)共同構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分布反饋激光器陣列，其特征在于所述上臺面(21)和導(dǎo)波結(jié)構(gòu)(22)的寬度在不同的分布反饋激光器(2)之間隨激射波長的增加而遞增的。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分布反饋激光器陣列，其特征在于所述折射率控制層(13)折射率大于上包層(11 )、下包層(15)的折射率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分布反饋激光器陣列。它由制作在同一塊半導(dǎo)體外延片上的多個平行排列的分布反饋激光器組成。半導(dǎo)體外延片至少包括上包層、有源層、間隔層、折射率控制層、下包層和襯底。有源層或者折射率控制層內(nèi)含有形成分布反饋的布拉格光柵。折射率控制層之上各層形成分布反饋激光器的上臺面。折射率控制層形成分布反饋激光器的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，陣列中每個分布反饋激光器導(dǎo)波結(jié)構(gòu)寬度不同。該分布反饋激光器陣列中的任一個分布反饋激光器由上電極、上臺面、導(dǎo)波結(jié)構(gòu)、襯底和下電極組成。不同寬度的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)實現(xiàn)每個分布反饋激光器在擁有相同周期的布拉格光柵的同時使激射波長有一定的偏移。該陣列可用作多波長激光器和可調(diào)諧激光器。
文檔編號H01S5/12GK102638003SQ20121013178
公開日2012年8月15日 申請日期2012年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月2日
發(fā)明者何建軍, 孟劍俊, 武林, 王磊 申請人:浙江大學(xué)