專利名稱：：基于特殊等效相移的dfb半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于光電子
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及光纖通信，光子集成，光電傳感以及其他光電信息處理。是一種基于特殊等效相移技術(shù)的分布反饋式(DFB)半導(dǎo)體激光器抑制0級(jí)激射的方法及裝置。
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(kuò)張以后，Internet已步入一個(gè)穩(wěn)定發(fā)展期?；ヂ?lián)網(wǎng)的速率與容量保持穩(wěn)步增長(zhǎng)，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(gè)統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡(luò)。能擔(dān)當(dāng)?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(lái)出現(xiàn)的光子集成技術(shù)，順應(yīng)了時(shí)代的發(fā)展，正開(kāi)啟著一個(gè)全新的光網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。光子集成技術(shù)則被認(rèn)為是光纖通信最前沿、最有前途的領(lǐng)域。在美國(guó)硅谷實(shí)驗(yàn)室中，英飛朗(Infinera)公司已經(jīng)用磷化銦等材料制成了大量復(fù)雜的光電集成器件，使得光通信成本更低容量更高。對(duì)于有源光通信器件，無(wú)論是在光通信網(wǎng)絡(luò)還是在光子集成芯片中，分布反饋式(DFB)半導(dǎo)體激光器因其良好的單模特性而受到青睞。早期的DFB半導(dǎo)體激光器，其折射率是被周期性地均勻調(diào)制的。這種激光器在布拉格波長(zhǎng)兩側(cè)，對(duì)稱地存在兩個(gè)諧振腔損耗相同并且最低的模式，稱之為兩種模式簡(jiǎn)并。但如果在光柵的中心引入一個(gè)四分之一波長(zhǎng)(λ/4)相移區(qū)，就可以消除雙模簡(jiǎn)并。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于其模式閾值增益差大，可以實(shí)現(xiàn)真正的動(dòng)態(tài)單模工作，這是實(shí)現(xiàn)激光器單模工作的有效方法，在光通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。當(dāng)然，λ/4相移的DFB半導(dǎo)體激光器本身也存在著一些缺陷。例如，在注入電流較大時(shí)，單模特性會(huì)因燒孔效應(yīng)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(huì)受到影響。此外，λ/4相移的DFB半導(dǎo)體激光器制造工藝也十分復(fù)雜，需要納米精度的控制。這些因素綜合起來(lái)，不僅導(dǎo)致現(xiàn)有市場(chǎng)上的激光器成本過(guò)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(fù)雜，使得它們的制造成本更高，例如使用電子束曝光技術(shù)(Ε-Beamlithography)，高昂的制造成本限制了這些激光器的大規(guī)模應(yīng)用。文獻(xiàn)[2]和專利“基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)制備半導(dǎo)體激光器的方法及裝置”(CN200610038728.9，國(guó)際PCT專利，申請(qǐng)?zhí)朠CT/CN2007/000601)在該問(wèn)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(jì)技術(shù)——重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)DFB半導(dǎo)體激光器。重構(gòu)_等效啁啾技術(shù)最早被應(yīng)用于光纖光柵的設(shè)計(jì)，可追溯到2002年馮佳、陳向飛等人在中國(guó)發(fā)明專利“用于補(bǔ)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(hào)CN1201513)中提出的通過(guò)引入取樣布拉格光柵的取樣周期啁啾(CSP)來(lái)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(xiàn)可參考XiangfeiChenet.al,"AnalyticalexpressionofsampledBragggratingswithchirpinthesamplingperiodanditsapplicationindispersionmanagementdesigninaWDMsystem”(帶有取樣周期啁啾的取樣布拉格光柵的分析表達(dá)式和它在波分復(fù)用系統(tǒng)色散管理中的應(yīng)用)，IEEEPhotonicsTechnologyLetters，12，PP.1013-1015，2000。該技術(shù)的最大的優(yōu)點(diǎn)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(guò)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(duì)應(yīng)的子光柵(某一個(gè)信道)中，得到我們所需要的任意目標(biāo)反射譜[3、4]。由于取樣周期一般幾個(gè)微米，所以該方法利用亞微米精度實(shí)現(xiàn)了納米精度的制造。更重要的是，該技術(shù)可以與當(dāng)前的電子集成(IC)印刷技術(shù)相兼容。文獻(xiàn)[5]給出了基于該技術(shù)的λ/4等效相移DFB半導(dǎo)體激光器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于這種技術(shù)設(shè)計(jì)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)和振幅掩膜版就能實(shí)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(guó)發(fā)明專利“單片集成半導(dǎo)體激光器陣列的制造方法及裝置”(申請(qǐng)?zhí)?200810156592.0)中，指出了依據(jù)該技術(shù)可以在同一個(gè)晶片上，通過(guò)改變?nèi)又芷诙淖儾煌す馄鞯募ど洳ㄩL(zhǎng)，這給低成本單片集成高性能DFB半導(dǎo)體激光器陣列的制造帶來(lái)了新的曙光。在利用重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)設(shè)計(jì)制造Dra半導(dǎo)體激光器時(shí)，通常是利用取樣光柵技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)制作的。對(duì)于基于重構(gòu)_等效啁啾技術(shù)DFB半導(dǎo)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(duì)應(yīng)了不同的信道，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)常常使用的是+1級(jí)或-1信道(與零級(jí)信道布拉格中心波長(zhǎng)左右對(duì)稱的兩個(gè)反射峰)，而不希望在0級(jí)信道發(fā)生激射。一般情況下，將+1級(jí)或-1級(jí)信道設(shè)計(jì)在半導(dǎo)體材料的增益區(qū)，而使0級(jí)遠(yuǎn)離增益區(qū)。這樣做的原因是為了使所需要的+1級(jí)或-1級(jí)信道發(fā)生激射，而使不需要的0級(jí)信道不發(fā)生激射。但由于在占空比為Y的取樣光柵中，+1級(jí)ηπγ或-1級(jí)信道中的折射率調(diào)制強(qiáng)度是0級(jí)信道的而且增益區(qū)以外的地方不是沒(méi)有增7Γy益，而是增益小一點(diǎn)而已。與此同時(shí)，各種偶然因素都可能使得0級(jí)信道的增益有所增大。這些原因使得在實(shí)際制作取樣光柵DFB半導(dǎo)體激光器時(shí)，0級(jí)信道可能先于所需要的+1級(jí)或-1級(jí)信道發(fā)生激射，或者是同時(shí)發(fā)生激射，這就破壞了激光器的單模特性，因而降低了獲得的DFB半導(dǎo)體激光器的成品率。在本發(fā)明中，我們提出了一種特殊的等效相移，在DFB半導(dǎo)體激光器所需要的+1級(jí)或-1級(jí)信道中，利用這種特殊的等效相移方法引入λ/4相移。這種等效λ/4相移能使得0級(jí)信道與所需要的+1級(jí)或-1級(jí)信道，即使在的增益相同的情況下，也能夠得到相當(dāng)大的抑制。結(jié)合將+1級(jí)或-1級(jí)信道設(shè)計(jì)在半導(dǎo)體材料的增益區(qū)，而使0級(jí)遠(yuǎn)離增益區(qū)，這就能使得基于重構(gòu)_等效啁啾技術(shù)設(shè)計(jì)的激光器的單模特性，得到進(jìn)一步的提高。因此在未來(lái)大容量的光通訊系統(tǒng)中，尤其是初見(jiàn)端倪的大規(guī)模光子集成芯片中，我們相信，本發(fā)明有助于提供低成本高成品率高穩(wěn)定的單個(gè)DFB半導(dǎo)體激光器、單片集成DFB半導(dǎo)體激光器陣列光源，為光子集成和光通訊等領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，提供技術(shù)上的支持。本專利的主要思想是在具有取樣結(jié)構(gòu)的DFB半導(dǎo)體激光器中，利用特殊的等效相移方法，在它的取樣布拉格光柵中引入等效λ/4相移，從而抑制這種激光器在不需要的0級(jí)信道發(fā)生激射，使其只在所需要的+1級(jí)或-1級(jí)信道發(fā)生激射，這樣的做法就提高了激光器的單模特性。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)如下[1]羅毅，王健，蔡鵬飛，孫長(zhǎng)征，“光纖通信用半導(dǎo)體激光器”《中興通訊技術(shù)》51009-6868(2002)04-18-06[2]YitangDaiandXiangfeiChen,DFBsemiconductorlasersbasedonreconstruction-equivalent-chirptechnology(基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)的Di7B半導(dǎo)體激光器)，OpticsExpress,2007,15(5):2348_2353[3]戴一堂，陳向飛，夏歷，姜典杰，謝世鐘，“一種實(shí)現(xiàn)具有任意目標(biāo)響應(yīng)的光纖光柵”，發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)?CN200410007530.5)[4]YitangDai,XiangfeiChen,LiXia,YejinZhang,andShizhongXie,SampledBragggratingwithdesiredresponseinonechannelbyuseofreconstructionalgorithmandequivalentchirp,OpticsLetters,2004,29(12)1333-1335[5]JingsiLi,HuanWang,XiangfeiChen,ZuoweiYin,YuechunShi,YanqingLu,YitangDaiandHongliangZhu,Experimentaldemonstrationofdistributedfeedbacksemiconductorlasersbasedonreconstruction-equivalent-chirptechnology.(基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)的DFB半導(dǎo)體激光器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證)0pticsExpress,2009，17(7)5240-5245[6]TatsuyaKimuraandAkiraSugimura,"Coupledphase-shiftdistributed—feedbacksemiconductorlasersfornarrowlinewidthoperation",IEEEJournalofQuantumElectronics,1989,25(4)678-68
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于，為提高DFB激光器的單模特性，提出了一種特殊的等效λ/4相移結(jié)構(gòu)，即基于特殊等效相移技術(shù)的分布反饋式(DFB)半導(dǎo)體激光器抑制0級(jí)激射的方法及裝置，為DFB半導(dǎo)體激光器的設(shè)計(jì)制造，提出一種新的結(jié)構(gòu)和工藝。本發(fā)明的技術(shù)方案基于特殊等效相移技術(shù)的分布反饋式(DFB)半導(dǎo)體激光器抑制0級(jí)激射的方法及裝置1、普通的等效λ/4相移和特殊的等效λ/4相移圖1(1)為普通的等效λ/4相移取樣模板的示意圖。從數(shù)學(xué)上來(lái)看，一個(gè)取樣布拉格光柵的折射率調(diào)制可以表示為Δ=-AnsS(x)exp(j——)+c.c(1)ZΛ〇在這里，八~和Aci分別是種子光柵的折射率調(diào)制強(qiáng)度和光柵周期。圖1(1)中取樣函數(shù)S(X)可用下式表示S(X)Js^Χ<Χ^⑵I^s(X)χ>χ0根據(jù)傅里葉分析，有。,、1,2nmx.ro2nmx.,1nma.Inmxnma.ο\Sl(χ)=^17exP(7exp(-y——)t/x=^一sm——exp(；——+j——)U；PPJ-aPPPPrπcw、ν"1,.Inmx^,.Ιππιχ.、,▽1.nmar.2nmxnma(λ\Sr(χ)=2,^expO)Islexp(-j——=2,——sm——exp[j(―—+—nm)\^mPP2-"PmtnnPPP在本發(fā)明中，P是取樣周期。圖1(1)中取樣光柵的第m級(jí)傅里葉系數(shù)可表示為把式(3)到(5)代入式(2)，可得從式(6)可知，一個(gè)取樣光柵可以看成是許多影子光柵(一個(gè)影子光柵對(duì)應(yīng)一個(gè)信道)的疊加。當(dāng)有半個(gè)取樣周期被插入到沿取樣光柵的任意位置時(shí)，就會(huì)在其+1或-1級(jí)信道中引入一個(gè)等效λ/4相移。第m級(jí)影子光柵的周期可以表示為Λ(J)因此在第m級(jí)影子光柵中，布拉格波長(zhǎng)可表示為需要指出的是，在圖1(1)中，無(wú)論是取樣函數(shù)的左邊部分還是右邊部分，0級(jí)傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)項(xiàng)均為常數(shù)f，故式(6)中0級(jí)傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)項(xiàng)也均為。基于特殊等效相移的DFB半導(dǎo)體激光器，其特殊等效相移結(jié)構(gòu)，可由圖1(2)示意地表示所述的DFB半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)由長(zhǎng)度相同、取樣周期相同的兩段取樣布拉格光柵組成，取樣周期P從1微米到數(shù)十微米量級(jí)，但是左右兩段取樣布拉格光柵的占空比不同，前一部分的占空比為Y，后一部分的占空比則為(1-Y)，也即兩部分的占空比之和是1；同時(shí)占空比為Y的那段取樣光柵，有無(wú)光柵結(jié)構(gòu)的間隔順序與占空比為(I-Y)的那段取樣光柵中正好相反。Y值的大小在0.3到0.5之間；兩段取樣光柵結(jié)構(gòu)中間之間的間距為0。圖1(2)是本發(fā)明采用的等效λ/4相移的取樣模板示意圖。在這個(gè)特殊結(jié)構(gòu)中，取樣函數(shù)可以表示為與普通的等效λ/4相移結(jié)構(gòu)相比，關(guān)鍵的不同在它右邊部分的取樣函數(shù)，可表示為把公式(3)、(5)和(10)代入(9)，可得(11)圖1(1)與圖1(2)相比，它們的取樣函數(shù)右邊部分是不同的。在圖1(2)中，取樣函數(shù)的右邊部分ο級(jí)傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)項(xiàng)變?yōu)槌?shù)項(xiàng)h，對(duì)應(yīng)地在式(11)中右邊部分折射率調(diào)制的0級(jí)傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)項(xiàng)也改變?yōu)閒Aw5。從式(11)可知，在這個(gè)新型結(jié)構(gòu)中，有一個(gè)等效λ/4波長(zhǎng)相移被引入到除0級(jí)外所有影子光柵(信道)中。此外，公式(7)和(8)同樣適用于這個(gè)新型結(jié)構(gòu)的所有影子光柵(信道)。因而在種子光柵周期保持不變的情況下，只要改變?nèi)又芷诘拇笮?，就能在其?級(jí)影子光柵(信道)中獲得不同的激射波長(zhǎng)。在這里，取樣布拉格光柵的折射率調(diào)制表示為Δη，Ans和Λ^分別是種子光柵的折射率調(diào)制強(qiáng)度和光柵周期，F(xiàn)m是取樣光柵的第m級(jí)傅里葉系數(shù)，P是取樣周期，c.c表示復(fù)共軛。需要指出的是，如果占空比等于0.5，本發(fā)明所提出的特殊等效λ/4波長(zhǎng)相移結(jié)構(gòu)，與普通的等效λ/4波長(zhǎng)相移結(jié)構(gòu)，是一致的。2、特殊的任意大小等效相移基于特殊的任意等效相移的DFB半導(dǎo)體激光器，其特殊等效相移結(jié)構(gòu)，可由圖1(3)示意表示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)描述如下所述的DFB半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)由長(zhǎng)度相同、取樣周期相同的兩段取樣布拉格光柵組成，取樣周期P從1微米到數(shù)十微米量級(jí)，但是兩段取樣布拉格光柵的占空比不同，前一部分的占空比為Y，后一部分的占空比則為(1-Υ)，也即兩部分的占空比之和是1，同時(shí)占空比為Y的那段取樣光柵，有無(wú)光柵結(jié)構(gòu)的間隔順序與占空比為(I-Y)的那段取樣光柵中正好相反；Y值的大小在0.3到0.5之間；在這兩段占空比分別為Y和(I-Y)的取樣光柵結(jié)構(gòu)中間存在一段相連接的部分L，也即所述的DFB半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的中間位置，存在有光柵或無(wú)光柵部分長(zhǎng)度為L(zhǎng)的相移區(qū)，在其士1級(jí)影子光柵(信道)中，等效相移由η_2π(L/P)的大小來(lái)決定。把圖1(2)右邊部分平移L長(zhǎng)度距離，就可得到如圖1(3)所示的相位模板。為了求出在影子光柵(信道)中獲得的等效相移大小，我們?nèi)匀挥檬?3)、(9)和(10)來(lái)表示取樣函數(shù)，只不過(guò)，圖1(3)右邊部分取樣函數(shù)變?yōu)棣│笑应铅謗i+p-a·Ιπηιχ▽1·zm(p-a)·2Kmx·Kma2KmLΣ丄L/L·丨丨ΙΛ·廣Itr-U^/LIflA-^exP(i'—.exP(-J.=Σ-smPPPiZfmnPexp[j'—+j+J.O_—)](12)把公式(3)、(5)和(12)代入(9)，可得Σ^Γ,2πχTjrmx、FmexpL/(T++acχ<χοm八0Σ^Γ,2πχΙππιχΙππιΣ,Kexp[7(—++^———^m八0(13)An=在圖1(2)與圖1(3)中，它們的取樣函數(shù)左邊部分和右邊部分0級(jí)傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)項(xiàng)都是相同的，對(duì)應(yīng)地在左邊部分和右邊部分折射率調(diào)制的0級(jí)傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)項(xiàng)也是相同的。也就是說(shuō)，在它們的0級(jí)信道中，折射率調(diào)制是常數(shù)項(xiàng)。通過(guò)改變這種特殊等效相移結(jié)構(gòu)中間平移的距離L，就可以在這種取樣函數(shù)除0級(jí)外的所有影子光柵(信道)中，獲得不同大小的等效相移。在除0級(jí)外的第m級(jí)信道中，引入的等效相移大小是rπ2πτηΣ.^Λ.ΔΦ=;τ--(14)P根據(jù)公式(14)，如果把圖1(2)右邊部分向右平移Ρ/8長(zhǎng)度距離，則在其1級(jí)信道8內(nèi)獲得3λ/16(3π/4)的等效相移；如把圖1(2)右邊部分向左平移Ρ/8(可理解為向右平移-Ρ/8)長(zhǎng)度距離，則在其1級(jí)信道內(nèi)獲得5λ/16(-3π/4)等效相移。也就是說(shuō)，通常情況下，移動(dòng)相同距離時(shí)，在各級(jí)信道中引入的等效相移是不同的。在+m和-m級(jí)信道內(nèi)，用弧度(在-ηη范圍內(nèi))表示的相移，其絕對(duì)值相同，但正負(fù)號(hào)相反。要在某級(jí)信道中引入一定大小的等效相移，需要事先根據(jù)公式(14)進(jìn)行計(jì)算。3、特殊等效λ/4波長(zhǎng)相移DFB半導(dǎo)體激光器的對(duì)零級(jí)信道的抑制作用重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)是通過(guò)改變光柵的取樣周期，來(lái)實(shí)現(xiàn)等效相移和等效啁啾(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)的，該技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于設(shè)計(jì)具有任意目標(biāo)反射譜的光纖布拉格光柵，其原理可以參看文獻(xiàn)[4]和專利[3]。如果取樣的形式是周期性的方波，根據(jù)上面理論計(jì)算的結(jié)果，也就是公式(5)和(11)可知，無(wú)論是普通的還是本發(fā)明提出的等效λ/4波長(zhǎng)相移DFB激光器，取樣結(jié)構(gòu)中士1級(jí)子光柵的折射率調(diào)制和占空比的關(guān)系為,,sin(^)An=Ansχ~π(13)其中Υ是占空比，Ans是種子光柵的折射率調(diào)制強(qiáng)度Δη是在士1級(jí)信道中折射率的調(diào)制強(qiáng)度。圖2給出了占空比Y和士1級(jí)信道中折射率調(diào)制的關(guān)系曲線。該曲線說(shuō)明了三點(diǎn)其一，士1級(jí)信道中折射率調(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(shí)候折射率調(diào)制最小，為0.5的時(shí)候則最大，其強(qiáng)度是種子光柵折射率調(diào)制強(qiáng)度的;其二，曲線關(guān)于占空比0.5對(duì)稱。所以根據(jù)公式⑴不管取樣占空比是Y還是π(1-Υ)，這兩種情況下，在士1級(jí)子光柵中，折射率調(diào)制強(qiáng)度是相同的；其三，對(duì)于本發(fā)明所提出的特殊等效λ/4相移結(jié)構(gòu)，其第一部分的占空比用γ表示，則第二部分的占空比為(1-Υ)，在其士1級(jí)子光柵中，折射率調(diào)制強(qiáng)度同樣可用公式(13)來(lái)表示。為了方便起見(jiàn)，在下面的說(shuō)明中，我們用Y來(lái)表示本發(fā)明所提出的新型取樣結(jié)構(gòu)的占空比。我們重視重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)，用取樣布拉格光柵制造DFB半導(dǎo)體激光器最重要的原因之一，就是可以通過(guò)改變?nèi)又芷诘拇笮《桓淖兎N子光柵的周期，在其士1級(jí)信道中獲得我們所需要的激射波長(zhǎng)。由于種子光柵的周期是納米量級(jí)的，而取樣周期通常是微米量級(jí)的。如果通過(guò)改變種子光柵的周期結(jié)合實(shí)際λ/4相移的方法，來(lái)生產(chǎn)不同激射波長(zhǎng)的DFB半導(dǎo)體激光器，要應(yīng)用高精度的電子束曝光等技術(shù)，加工費(fèi)時(shí)而效率低下，因而成本高昂，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。如果是通過(guò)改變?nèi)又芷诮Y(jié)合等效λ/4相移的方法，來(lái)獲取不同激射波長(zhǎng)的DFB半導(dǎo)體激光器，加工精度可大大降低，且可采取照相印刷技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模低成本的生產(chǎn)。在制作高性能的DFB半導(dǎo)體激光器時(shí)，必須使激光器工作在單模狀態(tài)，也就是說(shuō)必須使激光器具有高的單模特性。因此，我們實(shí)際上在制作取樣布拉格光柵DFB半導(dǎo)體激光器時(shí)，通常是把不需要的0級(jí)信道中心波長(zhǎng)，設(shè)置在半導(dǎo)體的增益區(qū)以外，而把我們所需要的-1級(jí)(或+1級(jí))信道的中心波長(zhǎng)，設(shè)置在增益區(qū)的中心位置。但由于在占空比為Y的取樣光柵中，+1級(jí)或-1級(jí)信道中的折射率調(diào)制強(qiáng)度是0級(jí)信道的,而且增益區(qū)以外的地方不是沒(méi)有增益，而是增益小一點(diǎn)而已。與此同時(shí)，各種偶然因素都可能使得0級(jí)信道的增益有所增大。這些原因使得在實(shí)際制作取樣光柵Dra半導(dǎo)體激光器時(shí)，ο級(jí)信道與所需要的+1級(jí)或-1級(jí)信道同時(shí)發(fā)生激射，這就破壞了激光器的單模特性，因而降低了獲得的DFB半導(dǎo)體激光器的成品率。單個(gè)DFB半導(dǎo)體激光器的成品率高低，在制作多波長(zhǎng)激光器陳列時(shí)，顯得尤其重要。這是因?yàn)椋绻麊蝹€(gè)DFB半導(dǎo)體激光器的成品率是0.9，由η個(gè)DFB半導(dǎo)體激光器組成的多波長(zhǎng)激光器陣列，其成品率則是0.9的η次方。假如是10波長(zhǎng)的激光器陣列，其成品率就降低到了0.35以下。通常的等效λ/4相移半導(dǎo)體激光器，為了在其所需要的+1級(jí)或-1級(jí)信道獲得較低的閾值電流，一般其占空比取0.5。但是如果占空比小于0.5的話，我們發(fā)現(xiàn)其單模特性會(huì)有所提高，特別是如果采用本發(fā)明的特殊等效λ/4相移的話，其單模特性會(huì)有進(jìn)一步的提高。圖3就是假定取樣布拉格光柵的0級(jí)與-1級(jí)(也可以是+1級(jí)，這里取-1級(jí)僅僅是為了說(shuō)明方便)同時(shí)落在增益區(qū)的中心，也就是它們的增益相同時(shí)，用相同材料制成、具有普通和特殊等效λ/4相移的兩種DFB半導(dǎo)體激光器，其閾值性能和單模特性情況。需要注意的是在本發(fā)明中，對(duì)于特殊的等效λ/4相移結(jié)構(gòu)，其占空比一邊是Y另一邊就是(1-Υ)，在本發(fā)明中，為了說(shuō)明方便就稱其占空比是Y。也就是說(shuō)對(duì)于特殊的等效λ/4相移結(jié)構(gòu)，本發(fā)明所稱的占空比是γ或是(1-Υ)，實(shí)質(zhì)上是一樣的。從圖3(1)可以看出，當(dāng)兩種激光器中取樣光柵占空比相同時(shí)，它們?cè)?1級(jí)信道中的標(biāo)準(zhǔn)化閾值增益是相同的。當(dāng)占空比是0.5時(shí)，它們?cè)?級(jí)信道中的標(biāo)準(zhǔn)化閾值增益也相同。當(dāng)占空比偏離0.5的數(shù)值變大時(shí)，它們?cè)?1級(jí)信道中的標(biāo)準(zhǔn)化閾值增益相同；在0級(jí)信道中的標(biāo)準(zhǔn)化閾值增益都有所變化，但對(duì)于特殊的等效λ/4相移結(jié)構(gòu)，在0級(jí)信道中的標(biāo)準(zhǔn)化閾值增益增大很快，而對(duì)于普通的等效λ/4相移結(jié)構(gòu)，在0級(jí)信道中的標(biāo)準(zhǔn)化閾值增益隨占空比增大而減小。在等效λ/4相移DFB激光器中，我們想要的是在-1級(jí)信道發(fā)生激射，而使不需要的0級(jí)信道不發(fā)生激射。由圖3(2)可以看出，本發(fā)明提出的特殊等效λ/4相移結(jié)構(gòu)，與普通的等效λ/4相移結(jié)構(gòu)相比，在占空比偏離0.5時(shí)其標(biāo)準(zhǔn)化閾值增益差(即0級(jí)與-1級(jí)信道中的標(biāo)準(zhǔn)化閾值增益之差)更大，因而能更好地保持單模激射，也就是說(shuō)其單模穩(wěn)定性更好。而且，從圖3(1)可以看出，當(dāng)占空比偏離0.5不太大時(shí)(如占空比從0.35到0.65之間)，兩種等效λ/4相移結(jié)構(gòu)在-1級(jí)信道中的標(biāo)準(zhǔn)化閾值增益變化并不太大，也即它們的閾值性能降低不多。根據(jù)文獻(xiàn)[6]可知，當(dāng)主模與主邊模間的標(biāo)準(zhǔn)化閾值增益差大于0.3時(shí)，激光器就能保持單模工作。從圖3(2)很容易發(fā)現(xiàn)，對(duì)于特殊的等效λ/4相移DFB半導(dǎo)體激光器，在通常情況下占空比不大于0.4(或說(shuō)不小于0.6)時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)化閾值增益差就大于了0.3。實(shí)際在使用本發(fā)明的過(guò)程中，仍是將-1級(jí)信道設(shè)計(jì)在半導(dǎo)體材料的增益區(qū)，從而使0級(jí)遠(yuǎn)離增益區(qū)。這樣做以后，即使某種偶然因素使得0級(jí)信道的增益有所增大，標(biāo)準(zhǔn)化閾值增益差仍然大得足夠保證激光器單模工作，因此制成的DFB半導(dǎo)體激光器的成品率很高，因而也能高成品率地生產(chǎn)多波長(zhǎng)的DFB半導(dǎo)體激光器陣列。四圖1中(1)普通的等效λ/4相移圖、⑵特殊的等效λ/4相移、(3)特殊的任意大小等效相移。10圖2、士1級(jí)子光柵的折射率和取樣占空比的關(guān)系。圖3普通和特殊等效λ/4相移DFB半導(dǎo)體激光器占空比與0級(jí)和_1級(jí)信道圖、(1)標(biāo)準(zhǔn)化閾值益、(2)標(biāo)準(zhǔn)化閾值益差的關(guān)系曲線。圖4、取樣光柵制作示意圖五、具體實(shí)施方法1、本發(fā)明中，特殊等效相移DFB半導(dǎo)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(jì)并制作特殊等效λ/4相移取樣圖案。這里值得注意的是，在這里有金屬膜的地方對(duì)應(yīng)有光柵區(qū)，沒(méi)有金屬膜的地方對(duì)應(yīng)沒(méi)有光柵區(qū)。(2)在晶片上刻光柵的方法，實(shí)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(jìn)行普通曝光，把光刻板上的圖案復(fù)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(yīng)的取樣光柵圖案。兩步的曝光順序可根據(jù)工藝互換。圖4是特殊等效λ/4相移的取樣光柵刻寫方法示意圖2、基于特殊等效相移DFB半導(dǎo)體激光器分布反饋式(DFB)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)，是在η型襯底材料上由外延η型InP緩沖層、非摻雜晶格匹配的InGaAsP波導(dǎo)層、應(yīng)變InGaAsP多量子阱、InGaAsP光柵材料層、InGaAsP波導(dǎo)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。下面描述工作波長(zhǎng)在1550nm范圍，特殊等效λ/4相移DFB半導(dǎo)體激光器的制作。掩膜板制作使用普通微電子工藝制作所需要的占空比(例如取0.4)取樣圖案的掩模板。器件的外延材料主要通過(guò)MOVPE技術(shù)制作，描述如下首先在η型襯底材料上一次外延η型InP緩沖層(厚度200nm、摻雜濃度約1.1X1018cm_2)、IOOnm厚的非摻雜晶格匹配InGaAsP波導(dǎo)層(下波導(dǎo)層)、應(yīng)變InGaAsP多量子阱(光熒光波長(zhǎng)1.52微米，7個(gè)量子阱阱寬8nm，0.5%壓應(yīng)變，壘寬1Onm，晶格匹配材料)和1OOnm厚的ρ型晶格匹配InGaAsP(摻雜濃度約1.IXlO17Cm-3)上波導(dǎo)層。接下來(lái)通過(guò)所設(shè)計(jì)的取樣占空比掩模板和全息干涉曝光的方法在上波導(dǎo)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(guò)二次外延生長(zhǎng)p-InP和ρ型InGaAs(IOOnm,摻雜濃度大于1X1019cm_2)，刻蝕形成脊形波導(dǎo)和接觸層，脊波導(dǎo)長(zhǎng)度一般為數(shù)百微米量級(jí)，脊寬3微米，脊側(cè)溝寬20微米，深1.5微米。再通過(guò)等離子加強(qiáng)化學(xué)汽相沉積法(PECVD)，將脊形周圍填充SiO2或有機(jī)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10-20mA左右，所需要的+1(或-1)級(jí)信道與要抑制的O級(jí)信道間邊模抑制比達(dá)到70dB以上。利用本發(fā)明的基于特殊等效相移DFB半導(dǎo)體激光器，可以制備DFB半導(dǎo)體激光器單片集成陣列，單元激光器是本權(quán)發(fā)明任何所述的特殊等效相移半導(dǎo)體激光器。權(quán)利要求基于特殊等效相移的DFB半導(dǎo)體激光器，其特征是所述的DFB半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)由長(zhǎng)度相同、取樣周期相同的兩段取樣布拉格光柵組成，取樣周期從1微米到數(shù)十微米量級(jí)，但是左右兩段取樣布拉格光柵的占空比不同，前一部分的占空比為γ，后一部分的占空比則為(1γ)，也即兩部分的占空比之和是1；同時(shí)占空比為γ的那段取樣光柵，有無(wú)光柵結(jié)構(gòu)的間隔順序與占空比為(1γ)的那段取樣光柵中正好相反，γ值的大小在0.3到0.5之間；兩段取樣光柵結(jié)構(gòu)中間之間的間距為0；采用的特殊等效λ/4相移的取樣函數(shù)表示為<mrow><msup><mi>S</mi><mo>&prime;</mo></msup><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msub><mi>S</mi><mi>L</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow></mtd><mtd><mi>x</mi><mo>&lt;</mo><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><msup><mi>S</mi><mo>&prime;</mo></msup><mi>R</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow></mtd><mtd><mi>x</mi><mo>&GreaterEqual;</mo><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>與普通的等效λ/4相移結(jié)構(gòu)相比，右段取樣布拉格光柵邊的取樣函數(shù)，表示為<mrow><msub><msup><mi>S</mi><mo>&prime;</mo></msup><mi>R</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munder><mi>&Sigma;</mi><mi>m</mi></munder><mfrac><mn>1</mn><mi>P</mi></mfrac><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mi>j</mi><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>&pi;mx</mi></mrow><mi>P</mi></mfrac><mo>)</mo></mrow><msubsup><mo>&Integral;</mo><mn>0</mn><mrow><mi>P</mi><mo>-</mo><mi>a</mi></mrow></msubsup><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><mi>j</mi><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>&pi;mx</mi></mrow><mi>P</mi></mfrac><mo>)</mo></mrow><mi>dx</mi><mo>=</mo><munder><mi>&Sigma;</mi><mi>m</mi></munder><mfrac><mn>1</mn><mi>m&pi;</mi></mfrac><mi>sin</mi><mfrac><mrow><mi>&pi;m</mi><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>-</mo><mi>a</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>P</mi></mfrac><mi>exp</mi><mo>[</mo><mi>j</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>&pi;mx</mi></mrow><mi>P</mi></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mi>&pi;ma</mi><mi>P</mi></mfrac><mo>+</mo><mi>&pi;</mi><mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>10</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>&Delta;n</mi><mo>=</mo><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><munder><mi>&Sigma;</mi><mi>m</mi></munder><msub><mi>F</mi><mi>m</mi></msub><mi>exp</mi><mo>[</mo><mi>j</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>&pi;x</mi></mrow><msub><mi>&Lambda;</mi><mn>0</mn></msub></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>&pi;mx</mi></mrow><mi>P</mi></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>c</mi><mo>.</mo><mi>c</mi></mtd><mtd><mi>x</mi><mo>&lt;</mo><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><munder><mi>&Sigma;</mi><mi>m</mi></munder><msub><mi>F</mi><mi>m</mi></msub><mi>exp</mi><mo>[</mo><mi>j</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>&pi;x</mi></mrow><msub><mi>&Lambda;</mi><mn>0</mn></msub></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>&pi;mx</mi></mrow><mi>P</mi></mfrac><mo>+</mo><mi>&pi;</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>c</mi><mo>.</mo><mi>c</mi></mtd><mtd><mi>x</mi><mo>&GreaterEqual;</mo><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>11</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>式(11)中，取樣光柵中的折射率調(diào)制用Δn表示，Δns和Λ0分別是種子光柵的折射率調(diào)制的深度和光柵周期，F(xiàn)m為取樣光柵的第m級(jí)傅里葉系數(shù)，P是取樣周期，c.c為復(fù)共軛，x表示沿激光器諧振腔的位置坐標(biāo)，x0表示相移所在位置坐標(biāo)。需要指出的是，0級(jí)子光柵中折射率調(diào)制是一個(gè)常數(shù)項(xiàng)。從式(11)可知，在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，有一個(gè)等效λ/4波長(zhǎng)相移被引入到除0級(jí)外所有影子光柵中；在種子光柵周期保持不變的情況下，只要改變?nèi)又芷诘拇笮。湍茉谄洹?級(jí)影子光柵中獲得不同的激射波長(zhǎng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于特殊的任意等效相移的DFB半導(dǎo)體激光器，其特征是在這左右兩段取樣布拉格光柵占空比分別為Y和(1-Υ)，兩段取樣布拉格光柵結(jié)構(gòu)中間存在一段相連接的部分L，也即所述的DFB半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的中間位置，存在有光柵或無(wú)光柵部分長(zhǎng)度為L(zhǎng)的相移區(qū)，其士1級(jí)影子光柵的等效相移由2πL/Ρ+π的大小來(lái)決定，以上結(jié)構(gòu)是由所述的特殊的等效λ/4相移(即圖1(2))中右段部分向右平移了L長(zhǎng)度距離得到的。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于特殊的任意等效相移的DFB半導(dǎo)體激光器，其特征是為了求出在影子光柵中獲得的等效相移的大小，右段部分取樣函數(shù)變?yōu)楦淖冞@種特殊等效相移結(jié)構(gòu)中間平移的距離L，就可以在這種取樣光柵除0級(jí)外的所有影子光柵(信道)中，獲得不同大小的等效相移。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的DFB半導(dǎo)體激光器，其特征是取樣結(jié)構(gòu)根據(jù)公式(13)和半導(dǎo)體材料的性質(zhì)來(lái)選取合適的取樣占空比，在保證激射單模特性的同時(shí)，也使得DFB半導(dǎo)體激光器有較低的域值電流；取樣結(jié)構(gòu)中士1級(jí)子光柵的折射率調(diào)制和占空比的關(guān)系為其中Y是占空比，Δ^是種子光柵的折射率調(diào)制強(qiáng)度Δη是在士1級(jí)信道中折射率的調(diào)制強(qiáng)度。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的DFB半導(dǎo)體激光器，其特征是把所需要的-1級(jí)或+1級(jí)光柵或信道設(shè)置在半導(dǎo)體材料的增益區(qū)內(nèi)，0級(jí)信道設(shè)置在增益區(qū)以外，以抑制0級(jí)信道發(fā)生激射，在所需要的-1級(jí)或+1級(jí)信道內(nèi)實(shí)現(xiàn)單模激射。6.DFB半導(dǎo)體激光器單片集成陣列，其特征是單元激光器是本權(quán)利要求1至6所述的特殊等效相移半導(dǎo)體激光器。全文摘要基于特殊等效相移的DFB半導(dǎo)體激光器，DFB半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)由長(zhǎng)度相同、取樣周期相同的左右兩段取樣布拉格光柵組成，取樣周期從1微米到數(shù)十微米量級(jí)，但是左右兩段取樣布拉格光柵的占空比不同，前一部分的占空比為γ，后一部分的占空比則為(1-γ)，γ值的大小在0.3到0.5之間；0級(jí)子光柵中折射率調(diào)制是一個(gè)常數(shù)項(xiàng)。在結(jié)構(gòu)中，有個(gè)等效λ/4波長(zhǎng)相移被引入到除0級(jí)外所有影子光柵中；在種子光柵周期保持不變的情況下，只要改變?nèi)又芷诘拇笮。湍茉谄洹?級(jí)影子光柵中獲得不同的激射波長(zhǎng)。能較大幅度地提高DFB半導(dǎo)體激光器0級(jí)激射所需的閾值電流，從而抑制0級(jí)信道可能的激射模式，增加激光器主模與0級(jí)間的閾值增益差。文檔編號(hào)H01S5/065GK101924326SQ201010280999公開(kāi)日2010年12月22日申請(qǐng)日期2010年9月14日優(yōu)先權(quán)日2010年9月14日發(fā)明者劉盛春,周亞亭,施躍春,李思敏,賈凌慧,陳向飛申請(qǐng)人:南京大學(xué)