CN104779520A - 基于重构—等效啁啾的快速可调谐半导体激光器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
基于重构—等效啁啾的快速可调谐半导体激光器，采用串联与并联混合方式将不同工作波长的基于重构—等效啁啾技术的DFB激光器集成在同一激光器集成芯片构成激光器矩阵结构，芯片中的每一个激光器的波长都已经固定，且满足国际标准，激光器矩阵设有相应的矩阵电压控制，通过控制电流注入大小和电路选择开关来选择其中一个激光器工作，激光器矩阵结构中的各串联激光器之间分别采用一个电隔离区来减小相邻激光器之间的电串扰，从而实现对每个激光器的波长独立控制；串并联激光器矩阵中的不同波长光信号通过耦合后从同一根波导输出；重构—等效啁啾技术用于设计激光器阵列矩阵中单个DFB半导体激光器，当需要某一个波长时，就点亮对应的DFB激光器。
Description
一、技术领域
本发明属于光电子技术领域，与分布反馈(DFB)半导体激光器有关，尤其涉及复杂分布反馈可调谐半导体激光器的设计和制作，更具体而言，是基于重构—等效啁啾技术的低成本快速可调谐DFB半导体激光器的方法及装置。
二、背景技术
现代光通信***是以波分复用(WDM)技术为基础的，而WDM技术本身是从波长的角度来定义的，于是波长本身就成为光通信***中最重要的资源之一。开发可利用的波长信道资源和如何提高这些波长信道的利用效率就成为了人们研究的热点问题。可调谐激光器(TL：Tunable Laser)的研究已经持续近30年，作为新一代密集波分复用(DWDM)***以及光网络中光子交换的关键光电子器件，可调谐激光器的运用将使得光纤传输***容量大大增加，灵活性和可扩展性大大增强。
另一方面，随着光通信技术的不断发展，其智能性也将获得比较大的关注，智能化的光网络技术需要可调谐激光器，以实现灵活的波长路由。如果使用多个固定波长激光器和相应的多个调制器，对于器件的可靠性和性能都会产生很大的影响，并且会增加功耗，尺寸，质量和成本。因此，需要用一个精密快速波长扫描激光器，以大幅度地简化复杂光网络的架构，并消除不同波长信道之间的光串扰，取代固定波长激光器。
可调谐激光器应用广泛，可以应用的领域很广。在光交换领域，不仅要求实现波长精确的调谐，还需要极快的调谐速度，理想情况下需要<10纳秒的信道-信道的转换速度，一般情况下也需要<1微秒的信道-信道的转换速度，调谐范围要求覆盖整个波段。
可调谐激光器有很多实现方案，目前主要有三种方案来实现波长的可调谐：外腔结构、采样布拉格反射(SGDBR)激光器以及基于分布反馈激光器(DFB)阵列的结构，这些设计的激光器都能达到40nm的调谐范围，从而满足DWDM***的要求，但是这三种结构各有优缺点。
基于外腔结构的激光器是一种采用混合集成的方式，通过外部光学元件(比如微机电***MEMS)的机械运动来选择相应的波长，这种方式可以在较宽的波长范围内连续的对波长进行调谐，具有较高的输出功率，并且可以获得较窄的线宽。但是由于尺寸一般在几百微米的数量级，所以对这些光学元件及机械***的制作有非常高的要求，同时混合集成的封装方式也比较复杂，从而大大的增加了成本。由于此类型可调谐激光器采用外腔结构，所以调谐速度无法实现微秒、纳秒级别的快速可调谐。基于外腔结构的可调谐激光器可参见Intel的研究成果[1-2]。
目前商用化比较成功的单片集成可调谐激光器是基于采样的布拉格反射(distributedBragg reflection，DBR)的可调谐半导体激光器方案，对这种类型的激光器的研究也比较广泛。它是利用两个采样的布拉格反射光栅之间的游标效应来实现大范围的波长调谐的，相对于外腔结构，这种方案是单片集成的，不需要外部的机械结构，从而封装和调节相对简单。但是这种方案对半导体工艺要求比较高，需要有源无源集成的工艺，从而增加了工艺的复杂度，降低了成品率，由于其较高的工艺要求及较低的成品率，使得价格一直居高不下。这种类型的可调谐激光器中电调谐折射率的调谐速度能够达到纳秒数量级，调谐范围也比较宽，但是由于调谐过程中伴随的热效应稳定速度比较慢，从而导致激光器的波长和模式稳定的速度也比较慢，所以实际调谐速度在毫秒数量级、不满足微秒、纳秒级快速可调谐激光器的要求。基于分布布拉格反射结构的可调谐激光器可参见JDSU的SG-DBR结构[3]、Oclaro的DS-DBR结构[4]以及Syntune的MGY结构[5]。
此外，还有一种基于DFB半导体激光器阵列的可调谐方案。可调谐DFB激光器是最早的可调谐半导体激光器，DFB激光器由于其优良的动态单模特性和稳定性已成为目前光通信***中应用的主要光源。可调谐DFB激光器波长选择机构是分布在有源区里的光栅，通过调节温度以改变光栅反射区的折射率进而改变布拉格波长来实现波长调谐，因此，最大调谐范围受限于光栅区折射率的最大变化范围，此类激光器依靠电流注入可达到的最大调谐范围一般为4～5nm。为了扩大DFB激光器的调谐范围，组合多个DFB激光器形成DFB阵列是一种有效的方法，不同激射波长的阵列能够组合实现大范围的波长调谐。此外DFB结构的可调谐激光器成本相对低廉，因为它是一个单一器件，不需要反馈并且也不需要采用复杂的有源无源材料集成方式。阵列的耦合可以通过有源无源集成或者混合集成的方式来实现，其中有源无源集成工艺要求比基于采样的布拉格反射的DBR激光器的工艺要求低，混合集成方式也比基于外腔结构的可调谐激光器要求简单(不需要机械部件)，所以有希望实现相对低成本的可调谐激光器的制作。这种可调谐方式的优点是激光器性能稳定，在波长调节过程中不会出现跳模，并且避免了复杂的封装以及改变了波长调节方式，从而更容易实现单片集成。这种基于串联与并联方式的DFB激光器阵列矩阵通常被用在10Gbit/s的传输***中。对于这种分布反馈结构的可调谐激光器阵列结构的研究，有NEC的采用六个8阵列的DFB半导体激光器覆盖了整个S、C和L波段[6]。基于这种串联与并联方式的DFB激光器阵列在10Gbit/s的传输***中由于材料折射率的变化对温度的响应比较慢，所以调节速度比较慢，其调谐速度也最多在毫秒数量级，无法实现微秒、纳秒的快速可调谐目标。
如果我们通过调节电流来对可调谐激光器阵列矩阵中的工作激光器进行选择，降低阵列矩阵中的激光器的波长间隔，便可以通过调节电流来实现对于激光器的波长的选择，实现快速调谐，调节速度可以达到纳秒量级。
要实现亚纳秒调节速度的波长调谐的可调谐激光器，以上所述、当前可调谐激光器的主流方案都无法满足要求
本发明的目的就是要设计和制作低成本的快速可调谐DFB半导体激光器，改善波长调谐速度的一种简单有效的方式是将多个DFB激光器通过串联或者串联与并联混合的方式集成在一起，我们通过对于激光器阵列矩阵结构中的工作激光器进行选择来改变激光器的工作波长。
然而，在同一芯片上制作工作波长不同的激光器并非易事。传统的方法是采用电子束曝光技术。但由于电子束曝光技术的成本很高，刻写速度非常慢，并且由于电子束本身的特点，其做出来的激光器阵列工作波长准确性不够，影响了激光器阵列的质量或者成本率，从而降低了激光器的性能，增加了激光器的成本。因此，单片集成快速可调谐激光器阵列矩阵结构需要新的制造工艺和技术的出现。
相关文献[7]和专利[8]提出了一种新的DFB激光器制造方法：利用一种光纤布拉格光栅的设计技术-重构—等效啁啾技术来设计DFB半导体激光器。重构—等效啁啾技术最早被应用在光纤光栅的设计，可追溯到2002年冯佳、陈向飞等人在中国发明专利―用于补偿色散和偏振模弥散的具有新取样结构的布拉格光栅‖(CN02103383.8，授权公告号：CN1201513)中提出的通过引入取样布拉格光栅的取样周期啁啾(CSP)来获得所需要的等效的光栅周期啁啾(CGP)的方法。这种特殊的布拉格光栅是取样布拉格光栅，取样布拉格光栅具有多个反射峰，每个反射峰代表一个影子光栅，对应于一个傅里叶系数。在中心布拉格波长两侧的+1和-1级影子光栅，其作用与普通的布拉格光栅(非取样光栅)相同，因此利用复制取样结构可以形成复杂的+1和-1级影子光栅，以代替普通的布拉格光栅，+1和-1级影子光栅称为等效光栅。在普通布拉格光栅的作用频段上等效光栅可以完全代替普通布拉格光栅，等效光栅的复杂特性可以通过改变取样光栅的取样周期结构获得。由于取样周期一般远远大于光栅周期，因此重构—等效啁啾技术可以极大的简化具有特殊精细结构的布拉格光栅的制作程序，利用亚微米级精度实现了纳米级精度的制造。重构—等效啁啾技术已经用于若干特殊结构DFB半导体激光器及阵列的研制中[9-11]，并且重构—等效啁啾技术对DFB激光器波长具有更高的精度控制能力，目前波长控制精度可达±0.2nm，完全满足此类型可调谐激光器对激光器波长控制精度的需要[12]。同时，重构—等效啁啾技术的制作过程与传统全息曝光工艺相互兼容，从而在制造成本上具有电子束曝光技术无法比拟的优势，能够满足未来通信***对低成本的要求。
在基于重构—等效啁啾技术制作DFB半导体激光器及激光器阵列的基础上，本发明采用串联与并联方式将工作波长不同的激光器集成在同一芯片上，并且通过对于工作激光器的选择来进行波长的调节，从而能够实现制作低成本快速可调谐DFB半导体激光器。需要指出的是，通过串联与并联方式制作的DFB半导体激光器并不是单个激光器的简单叠加，它需要处理激光器之间的串扰问题，而其性能也是多个激光器综合作用的结果。
参考文献
[1]"Automated Optical Packaging Technology for 10Gb/s Transceivers and itsApplication to a Low-Cost Full C-Band Tunable Transmitter,"Intel Technology Journal,vol.08,101-114,2004.)
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[4]Widely Tunable DS-DBR Laser With Monolithically Integrated SOA:Design andPerformance,"IEEE J.Select.Topics Quantum Electron.,vol.11,149-156,2005.
[5]Jan-OlofStefan Hammerfeldt,Jens Buus,Robert Siljan,Reinhard Laroy,and Harry de Vries,“Design of a Widely Tunable Modulated Grating Y-branch Laser usingthe Additive Vernier Effect for Improved Super-Mode Selection”
[6]Wavelength-Selectable microarray light sources for S-,C-,and L-band WDMsystems,‖IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.15,903–905,2003.
[7]Yitang Dai and Xiangfei Chen,"DFB semiconductor lasers based on reconstruction-equivalent-chirp technology"(基于重构—等效啁啾技术DFB半导体激光器),OpticsExpress,2007,15(5):2348-2353；
[8]陈向飞，―基于重构—等效啁啾技术制备半导体激光器的方法及装置‖，中国发明专利CN200610038728.9，国际PCT专利US 7873089B2；
[9]李静思，贾凌慧，陈向飞，“单片集成半导体激光器阵列的制造方法及装置”，中国发明专利CN 100583679C；
[10]施跃春，陈向飞，李思敏，李静思，贾凌慧，刘盛春，“基于重构—等效啁啾和等效切趾的平面波导布拉格光栅及其激光器”，中国发明专利101750671A；
[11]Y.C.Shi,X.F.Chen,et al.,"Experimental demonstration of the three phase shiftedDFB semiconductor laser based on Reconstruction-Equivalent-Chirp technique"(基于重构—等效啁啾技术的三相移DFB激光器的实验研究),Optics Express,2012,20(16):17374-17379。
[12]Yuechun Shi,Simin Li,Lianyan Li,Renjia Guo,Tingting Zhang,Rui Liu,WeichunLi,Linlin Lu,Song Tang,Yating Zhou,Jingsi Li,and Xiangfei Chen,"Study of theMultiwavelength DFB Semiconductor Laser Array Based on theReconstruction-Equivalent-Chirp Technique,"J.Lightwave Technol.31(20),pp.3243-3250(2013).
三、发明内容
本发明的目的是构建这样一种可调谐激光器，就是把所有的不同波长的单个激光器全部单片集成在一个光芯片上，通过点亮所需要的激光器实现发射激光器在不同波长之间的切换，从而实现可调谐激光输出。每一个激光器都是DFB半导体激光器，模式稳定性好，容易通过调整不同光栅周期来调节激光器发射波长，采用这样的结构的好处是不需要任何调谐机制，就可以实现非常稳定快速的激光器调谐。由于点亮DFB激光器的速度在纳秒数量级，甚至小于1纳秒，因此可以实现微秒、纳秒数量级的快速可调谐激光器。尤其是利用重构—等效啁啾技术在DFB半导体激光器制作方面的成本优势以及对于激光器阵列结构的波长的精确控制，可以提高产品率和降低激光器制造成本，从而为未来的通信市场提供大量高性能低成本可调谐激光器。
本发明的技术方案：基于串联与并联混合方式来实现低成本快速可调谐分布反馈(DFB)半导体激光器(矩阵)，激光器矩阵结构中的每一个DFB激光器的光栅结构都是基于重构—等效啁啾技术的采样布拉格光栅，其特征在于采用串联与并联混合方式将不同工作波长的基于重构—等效啁啾技术的DFB激光器集成在同一激光器集成芯片构成激光器矩阵结构，芯片中的每一个激光器的波长都已经固定，且满足国际标准，激光器矩阵设有相应的矩阵电压控制，通过控制电流注入大小和电路选择开关来选择其中一个激光器工作，激光器矩阵结构中的各串联激光器之间分别采用一个电隔离区来减小相邻激光器之间的电串扰，从而实现对每个激光器的波长独立控制；串并联激光器矩阵中的不同波长光信号通过耦合后从同一根波导输出；电隔离区是指串联部分，即激光器矩阵结构中行与行之间的间隔需要电隔离区隔离；列与列之间的间隔一般称之为光栅间距(不需要电隔离)。这里必须说明的是所有需要切换波长的激光器都已经全部单片集成在同一激光器芯片上，同时全部点亮所切换波长的激光器就可以实现快速可调谐。
所述的基于串联与并联混合方式的激光器矩阵结构中包含n行串联和m列并联且独立的基于重构—等效啁啾技术的DFB半导体激光器，总的激光器数目为mn，满足1≤m≤20，2≤n≤40，相邻的串联激光器的波长间隔3nm到60nm范围以内。
所述的基于串联与并联混合方式制作的集成激光器矩阵结构中的波导的两个端面都采用抗反射膜，抗反射膜的端面反射率范围在10-6到2％范围以内；所述波导是通过耦合后的同一根波导。
所述的基于串联与并联混合方式的集成激光器矩阵结构中每个激光器的分布反馈结构采用侧向耦合光栅结构，其光栅位于脊波导两侧。
制作的激光器矩阵结构的串联特征：电隔离区是将激光器相应区域的欧姆接触层InGaAsP和脊波导上面的InGaAs缓冲层通过干法刻蚀或者湿法腐蚀方式去除掉，然后覆盖厚度为100nm到300nm范围以内的绝缘材料SiO2；电隔离区的宽度在5um到80um范围以内；相应区域是指串联的每一列中两只相邻激光器之间相互连接的那部分区域。
其激光器矩阵结构的并联方式：对于矩阵结构中的电隔离区的制作方式是将激光器相应区域的的欧姆接触层InGaAsP和脊波导上面的缓冲层InGaAs通过干法刻蚀或者湿法腐蚀方式去除掉，再在此区域进行离子注入，之后覆盖厚度为100nm到300nm范围以内的绝缘材料SiO2，电隔离区的宽度在2um到20um范围以内。
所述的基于串联与并联混合方式制作的集成激光器矩阵结构中的单个激光器都是采用等效相移的方法来设计和制作，其相移位置在取样光栅中心的±40％区域内。
所述的基于串联与并联混合方式制作的集成激光器矩阵结构中的单个激光器都是采用侧向耦合光栅结构。
基于串联与并联混合方式制备的快速低成本可调谐DFB半导体激光器工作控制方法，其特征在于激光器矩阵中不同波长的激光器输出之间的切换控制由相应的矩阵电压输入完成，通过控制电流注入大小和矩阵电压的电路选择开关来选择其中一个激光器工作，可由相应矩阵集成电路完成；在激光器矩阵结构中，处于工作状态的激光器加工作电流，其余激光器全部加透明电流(透明电流小于工作电流)。激光器矩阵工作时，同时给激光器矩阵结构中的所有激光器加上透明电流，之后不断改变需要波长对应的激光器的电流大小来实现相应波长的输出；串联的其余激光器全部加上透明电流(透明电流小于阈值，不足以让激光器产生光，同时可以抵消材料本身对于光的吸收损耗)；只给需要的那一只激光器加工作电流。
于激光器波长的调谐速度取决于不同激光器之间的切换速度。
有益效果：基于低成本制造的重构—等效啁啾技术，将其设计和制作的DFB半导体激光器扩展到基于串联与并联混合集成方式制作的激光器阵列矩阵结构器件，从而得到低成本快速可调谐激光器。在快速可调谐激光器阵列矩阵结构的制作中需要处理激光器的波长控制，激光器间的串扰以及多波长的无源耦合输出问题。单个DFB半导体激光器的波长控制问题在中国发明专利“单片集成半导体激光器阵列的制造方法及装置”(CN200810156592.0)中已经得到解决。波长精确控制是重构—等效啁啾技术独特的优点，基于其设计和制作的激光器工作波长可以控制在+/-0.2nm的范围内。激光器间的串扰问题在本发明中已经得到解决，采用刻蚀掉隔离区域的脊波导层上方的欧姆接触层和缓冲层可以有效地避免激光器之间的串扰，并且实验中没有发现漏电现象。此外，关于可调谐激光器阵列矩阵集成芯片的封装的集成电路(IC)的设计与制作，因为制作与实现方式多样，不在本发明的讨论之内。以及对于快速可调谐DFB激光器阵列矩阵的无源耦合输出问题，因为耦合方式多样且相对成熟和简单，也不在本发明的讨论范围内。
本发明的优点在于可以实现对于可调谐激光器波长的快速切换，提高半导体激光器的调谐速度，也可以根据用户需要设计不同的调谐范围，而且可以实现多个激光器不同波长间的同时工作。当只考虑串联方式制作可调谐激光器时，由于远离出光端的激光器在工作时很难完全避免出光端激光器的吸收作用，因此可以串联的激光器数目是有限的，从而导致可调谐的波长范围也受到限制。而如果同时采用串联和并联的方式，就可以最大限度地扩宽激光器的调谐范围，激光器可以工作在材料增益谱范围内的任何位置。通常只要材料的增益谱半高宽可以达到40nm～60nm，则激光器的调谐范围就可以达到40nm～60nm。另一方面，如果仅采用串联方式，激光器在某个特定时间只能工作在一个特定的波长，而如果采用串联与并联混合集成方式，激光器可以同时工作在不同波长，这样在需要多个波长的激光器同时工作时，串联与并联混合激光器就有其独特的优势。
当前市面上可调谐激光器的调谐方式可以分为两种，一种是机械调谐，即各个不同波长的激光器同时工作，通过机械移动光纤的方式来实现调谐，这种方式调谐速度大约在毫秒量级，但是会因为在机械移动过程中的误差造成较大的耦合损耗；另一种是温度调谐，即调节可调谐激光器结构中单个激光器的温度来实现激光器波长的改变，但是这种方式的调谐速度更慢。而通过串联与并联混合集成方式设计和制作的快速可调谐激光器矩阵结构，利用设计阵列矩阵集成芯片的封装的集成电路(IC)，然后通过集成电路(IC)对可调谐激光器阵列矩阵中的工作激光器进行选择，从而实现激光器的调谐，该结构的调谐速度可以达到纳秒量级甚至更快。
重构—等效啁啾技术用于设计激光器阵列矩阵中单个DFB半导体激光器，即相移、啁啾、光栅折射率耦合系数等利用设计取样光栅的方法等效实现。在本方案中，把所有所用的不同波长激光器都单片集成在同一光芯片上，当需要某一个波长时，就点亮对应的DFB激光器，改变波长就切换到激光器阵列矩阵中对应波长的DFB激光器，这样的过程快速且能够保持切换过程中激光单模模式稳定，从而实现纳秒量级的调谐速度。激光器波导端面镀增透膜，以消除端面随机相位对激光器波长和单模特性的影响，增加单模成品率和波长控制能力。尤其是在制作快速可调谐DFB半导体激光器阵列矩阵中，可以提高单片集成快速可调谐DFB半导体激光器阵列的输出功率的斜效率，成品率和波长控制能力。
附图说明：
图1基于串联与并联混合集成的快速可调谐分布反馈半导体激光器阵列矩阵材料结构示意图。
1.N电极；2.衬底3.下分别限制层；4.多量子阱层；5.上分别限制层；6.光栅层；7.腐蚀阻止层；8.脊波导；9.缓冲层；10.欧姆接触层；11.P电极；12.电隔离槽
图2基于串联与并联混合集成的快速可调谐分布反馈半导体激光器阵列矩阵结构示意图。
21，单波导输出；22无源耦合器件；23单个DFB激光器；24，激光器的出光方向；25，光的传输方向；
图3，制备单片集成快速可调谐DFB半导体激光器阵列矩阵结构光栅结构示意图；图3①一次外延片和全息曝光过程，图3②利用全息曝光技术制作出均匀的种子光栅；图3③利用重构—等效啁啾技术设计具有等效光栅相对应的取样图案的光刻掩膜版并进行普通光刻；图3④形成取样光栅；
图4，单片集成快速可调谐DFB半导体激光器工作原理示意图；31快速波长交换驱动电路，调谐速度可以小于100ns；32基于REC制作的(λ)M*N DFB激光器矩阵结构；33被选波长激光输出端口。
具体实施方案：
集成的激光器阵列矩阵结构中的单个激光器都是采用等效啁啾和等效相移的方法设计和制作，以实现稳定的单模激光发射。该方案中重构—等效啁啾技术用于设计激光器阵列矩阵中单个DFB半导体激光器，即相移、啁啾、光栅折射率耦合系数等利用设计取样光栅的方法等效实现。所有所用的不同波长激光器都单片集成在同一光芯片上，当需要某一个波长时，就点亮对应的DFB激光器，改变波长就切换到激光器阵列矩阵中对应波长的DFB激光器，这样的过程快速且能够保持切换过程中激光单模模式稳定，从而实现纳秒量级的调谐速度。激光器波导端面镀增透膜，以消除端面随机相位对激光器波长和单模特性的影响，增加单模成品率和波长控制能力。尤其是在制作快速可调谐DFB半导体激光器阵列矩阵中，可以提高单片集成快速可调谐DFB半导体激光器阵列的输出功率的斜效率，成品率和波长控制能力。
每一行串联激光器之间的波长间隔足够大，从而能够使激光器光栅对其他激光器造成的影响足够小。一般，每一行串联激光器之间的波长间隔最小为3.2nm。每一行串联激光器中相邻激光器之间通过刻蚀掉欧姆接触层InGaAsP以及脊波导上面的缓冲层InGaAs,之后再覆盖100nm～300nm SiO2绝缘材料的方式(隔离区宽度在5um到80um之间)，或者通过刻蚀掉欧姆接触层InGaAsP，进行离子注入，再覆盖100nm～300nm SiO2绝缘材料的方式(隔离区宽度在2um到15um之间)来实现电隔离。所述的基于串联与并联混合方式制作的集成激光器阵列矩阵结构中单个激光器也可采用侧向耦合的光栅。所述串联与并联混合方式制作的集成激光器阵列矩阵结构中的波导端面两端需采用抗反射膜，抗反射膜的端面反射率范围控制在10-6到2％之间，从而可以消除端面随机相位对激光器波长和单模特性的影响，增加单模成品率和波长控制能力。尤其是在制作快速可调谐DFB半导体激光器阵列矩阵中，可以提高单片集成快速可调谐DFB半导体激光器阵列的成品率和波长控制能力。
所述串联与并联混合方式制作的集成激光器阵列矩阵结构中的每一列不同激光器的不同波长信号需采用多模反射耦合器件(MMI)、阵列波导光栅器件(AWG)，或者S-bend和Y-junction相结合的方式来实现耦合输出。
上文所述的基于重构—等效啁啾技术和串联与并联混合集成方式设计和制作的可调谐DFB半导体激光器阵列矩阵结构中，对于阵列矩阵结构中单个激光器的制造，我们根据单片集成半导体激光器阵列的制造方法，基于重构—等效啁啾技术的DFB激光器波长与采样结构的采样周期直接相关，改变采样周期就可以改变激射波长，从而实现对于每个DFB半导体激光器的严格控制。即在激光器阵列矩阵中的每个激光器DFB光栅结构采用取样布拉格光栅结构，取样布拉格光栅含有对应普通布拉格光栅的等效光栅；DFB半导体激光器的激射波长在此取样布拉格光栅的等效光栅作用带宽里，由采样结构的采样周期决定，改变采样周期就可以改变DFB半导体激光器的激射波长。使用刻有不同取样图案的掩膜板(IC微米工艺制造，近场光刻)，增大或减小取样周期，可以使DFB激光器激射波长靠近或远离中心波长，从而实现不同的波长激射，完成单片集成可调谐激光器阵列矩阵的制造。例如，采样周期从3.74微米逐渐变到5.75微米，就可以实现63通道，0.8纳米间隔，50.4纳米的改变范围(可以完全覆盖整个C波段)的可调谐激光器阵列矩阵的制作。
在重构—等效啁啾技术和串联与并联混合集成方式设计和制作的DFB半导体激光器阵列矩阵结构中，每个DFB半导体激光器的波长都是要求严格控制，制作过程中在可调谐激光器阵列矩阵的底座上有热电制冷器TEC(含有温度敏感材料，一般采用帕尔贴效应，又称为热-电效应)，通过TEC控制激光器的工作温度的稳定性。另外，再通过设计对可调谐激光器阵列矩阵集成芯片的封装的集成电路(IC)，来实现对于工作激光器的选择，从而提高可调谐激光器的调谐速度，实现对于可调谐激光器的快速调谐。至于可调谐激光器阵列矩阵集成芯片的封装的集成电路(IC)的设计与制作不在本发明的讨论之内。
在基于重构—等效啁啾技术和串联与并联混合集成方式设计和制作的低成本快速可调谐DFB半导体激光器中，各激光器发出来的光需要先耦合在一起，再通过同一根波导输出。这主要采用两种方式来实现：其一是将串联与并联的激光器阵列矩阵和无源耦合器件做成单片集成芯片，即在制作激光器芯片的同时考虑激光器的耦合输出问题，最终得到的是单一波导输出的集成芯片；其二是采用混合集成的方法，即将串联与并联激光器阵列矩阵和无源耦合器件分别制作，然后通过空间耦合的方法实现单一波导输出。对于在快速可调谐DFB半导体激光器实际制作过程中使用何种耦合的方法来实现单一波导的输出不在本发明的讨论范围之内。
此外，为了提高激光器一端输出波导的功率输出，让DFB激光器相移偏离激光器的中心位置，或者在等效相移两侧制作不同的取样占空比等效改变光栅的耦合系数，从而可以提高使用的波导一端的输出功率。
此外，还可以采用改变调谐电流的方法来改变DFB激光器的波长，但是调谐范围非常有限，一般调谐范围约1nm左右。
以上所述的是如何制作单个快速可调谐激光器，也可以把多个(至少2个)这样的单个快速可调谐激光器集成在同一芯片上，从而可以提高集成度，降低体积和成本。
实施例1、激光器的光栅及基于重构—等效啁啾技术的光栅设计与制造方法：
本发明中DFB半导体激光器一般应用III-V族化合物半导体材料，如GaAlAs/GaAs，InGaAs/InGaP，GaAsP/InGaP，InGaAsP/InP，InGaAsP/GaAsP，AlGaInAs等)。同时也可应用于II-VI族化合物半导体材料、IV-VI族化合物半导体材料等各种三元化合物、四元化合物半导体材料。为了减小激光器端面反射的影响，可以在两侧端面镀上增透膜。本发明的激光器制造关键在做取样光栅结构，其具体的制造方法是：
(1)首先在光刻版(光掩膜)上设计并制作基于重构—等效啁啾技术的取样图案，即该取样结构等效λ/4相移。
(2)在晶片上刻光栅的方法是常规刻写取样光栅的方法，如图3所示，分两步：第一步，使用全息曝光技术在光刻胶上形成均匀光栅图案；第二步通过带有等效光栅对应的具有取样图案的光刻版进行普通曝光，把该模板的图案复制到晶片的光刻胶上；在光刻胶上形成取样图案，再腐蚀晶片在晶片上形成相应的DFB光栅图案。两步的曝光顺序可根据工艺互换。图3是基于重构—等效啁啾技术和等效切趾技术相结合的取样光栅刻写方法示意图。即取样光栅制作示意图。
实施例2、快速可调谐DFB半导体激光器阵列矩阵的制造方法及流程：
如图1所示，器件的外延材料描述如下：首先在N行衬底材料上一次外延N型InP缓冲层(厚度200nm、掺杂浓度约为1.1X1018cm-2)、100nm厚非晶掺杂晶格匹配InGaAsP波导层、应变InGaAsP多量子阱层(光荧光波长1.52微米，7个量子阱：阱宽8nm，0.5％压应变；垒宽10nm，晶格匹配材料)、70nm厚的InGaAsP光栅材料层。然后使用普通微电子工艺制作含有等效光栅所需的取样周期分布的掩膜板。接下来通过取样掩模板和全息干涉曝光的方法制作出光栅结构，然后二次外延100nm厚的P型晶格匹配InGaAsP波导层(掺杂浓度约为1.1X1017cm-2，DFB段该层的厚度为100nm)、1.7微米厚的p型InP限制层(掺杂浓度从3.5X1017cm-2逐渐变化为1X1018cm-2)和100nm厚的P型InGaAs欧姆接触层(掺杂浓度大于1X1019cm-2)。
激光器可以采用脊波导结构，包括m*n段激光器，其中行与行之间以及列于列之间都制作75um的电隔离槽，波导的宽度为2微米，其两侧的沟槽宽度为20微米，深为1.8微米。在制作脊波导的过程中一并制作电隔离槽，即将电隔离槽区域的InGaAsP欧姆接触层和InP脊波导层上面的InGaAs缓冲层一起刻蚀掉，然后再在其表面覆盖300nm厚的SiO2绝缘层。之后将脊波导上方的SiO2材料刻蚀掉，并制作激光器正面的P型电极。激光器衬底进行减薄，剖光后制作背面的N型电极。器件的两端均镀有抗反射膜，镀膜后反射率小于1％。激光器列于列之间采用MMI、AWG或其他的方式来实现耦合输出。
比如，当需要第i行上第j列的激光器(工作波长为)工作时，可将其上的电流Iij设置为工作电流，比如60mA，然后将其余激光器的电流都设置在透明电流(即其他段激光器产生的光可以透过该段激光器，但不产生损耗也不被放大，比如10mA)，那么这个激光器就可以工作在波长。当需要使用另一个激光器时，只需将另外一个激光器的电流设置为工作电流，并将剩余激光器的电流都设置在透明电流即可。正是通过这样对工作激光器进行选择来实现可调谐激光器波长的改变，从而实现快速可调谐。
Claims (10)
1.基于串联与并联混合方式来实现低成本快速可调谐分布反馈半导体激光器，其特征在于激光器矩阵结构中的每一个DFB激光器的光栅结构都是基于重构—等效啁啾技术的采样布拉格光栅，并采用串联与并联混合方式将不同工作波长的基于重构—等效啁啾技术的DFB激光器集成在同一激光器集成芯片构成激光器矩阵结构，芯片中的每一个激光器的波长都已经固定，激光器矩阵设有相应的矩阵电压控制，通过控制电流注入大小和电路选择开关来选择其中一个激光器工作，激光器矩阵结构中的各串联激光器之间分别采用一个电隔离区来减小相邻激光器之间的电串扰，从而实现对每个激光器的波长独立控制；串并联激光器矩阵中的不同波长光信号通过耦合后从同一根波导输出；电隔离区是指串联部分，即激光器矩阵结构中行与行之间的间隔需要电隔离区隔离。
2.根据权利要求1所述的基于串联与并联混合方式实现低成本快速可调谐DFB半导体激光器，其特征在于所述的基于串联与并联混合方式的激光器矩阵结构中包含n行串联和m列并联且独立的基于重构—等效啁啾技术的DFB半导体激光器，总的激光器数目为mn，满足1≤m≤20，2≤n≤40，相邻的串联激光器的波长间隔3nm到60nm范围以内。
3.根据权利要求2所述的基于串联与并联混合方式实现低成本快速可调谐DFB半导体激光器，其特征在于所述的基于串联与并联混合方式制作的集成激光器矩阵结构中的波导的两个端面都采用抗反射膜，抗反射膜的端面反射率范围在10-6到2%范围以内；所述波导是通过耦合后的同一根波导。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于串联与并联混合方式实现低成本快速可调谐DFB半导体激光器，其特征在于所述的基于串联与并联混合方式的集成激光器矩阵结构中每个激光器的分布反馈结构采用侧向耦合光栅结构，其光栅位于脊波导两侧。
5.根据权利要求1、2或3所述的基于串联与并联混合方式制备的低成本快速可调谐DFB半导体激光器，其特征在于：电隔离区是将激光器相应区域的欧姆接触层InGaAsP和脊波导上面的InGaAs缓冲层通过干法刻蚀或者湿法腐蚀方式去除掉，然后覆盖厚度为100nm到300nm范围以内的绝缘材料SiO2；电隔离区的宽度在5um到80um范围以内；相应的区域是指串联的每一列中两只相邻激光器之间相互连接的那部分区域。
6.根据权利要求1、2或3所述的基于串联与并联混合方式制备的低成本快速可调谐DFB半导体激光器，其特征在于：对于矩阵结构中的电隔离区结构是，将激光器相应区域的的欧姆接触层InGaAsP和脊波导上面的缓冲层InGaAs通过干法刻蚀或者湿法腐蚀方式去除掉，再在此区域进行离子注入，之后覆盖厚度为100nm到300nm范围以内的绝缘材料SiO2，电隔离区的宽度在2um到20um范围以内。
7.根据权利要求1、2或3所述的基于串联与并联混合方式制备的低成本快速可调谐DFB半导体激光器，其特征在于所述的基于串联与并联混合方式制作的集成激光器矩阵结构中的单个激光器都是采用等效相移的方法来设计和制作，其相移位置在取样光栅中心的±40%区域内。
8.根据权利要求6或7所述的基于串联与并联混合方式制备的低成本快速可调谐DFB半导体激光器，其特征在于所述的基于串联与并联混合方式制作的集成激光器矩阵结构中的单个激光器都是采用侧向耦合光栅结构。
9. 根据权利要求1-8之一所述的基于串联与并联混合方式制备的快速低成本可调谐DFB半导体激光器工作控制方法，其特征在于激光器矩阵结构中不同波长的激光器输出之间的切换控制由相应的矩阵电压输入完成，通过控制电流注入大小和矩阵电压的电路选择开关来选择其中一个激光器工作，可由相应矩阵集成电路完成；在激光器矩阵结构中，处于工作状态的激光器加工作电流，其余激光器全部加透明电流，透明电流小于工作电流；激光器矩阵工作时，同时给激光器矩阵结构中的所有激光器加上透明电流，之后不断改变需要波长对应的激光器的电流大小来实现相应波长的输出；串联的其余激光器全部加上透明电流；透明电流小于工作电流阈值，不足以让激光器产生光，同时能抵消器件材料本身对于光的吸收损耗；只给需要的那一只工作的激光器加工作电流。
10.根据权利要求9所述的基于串联与并联混合方式制备的快速低成本可调谐DFB半导体激光器工作控制方法，其特征在于激光器波长的调谐速度取决于不同激光器之间的切换速度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150715 |