專利名稱：：一種可調諧半導體激光器的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種可調諧半導體激光器，屬于激光
技術領域：
，該激光器是一種基于間插多相移取樣光柵的布拉格反射激光器。
背景技術：
：隨著光通信的發(fā)展，尤其是光通信網絡的不斷發(fā)展，密集波分復用(DWDM)技術甚至波分復用(WDM)/光學時分復用(OTDM)系統(tǒng)的研究已經取得了迅速的發(fā)展，因而對光源和系統(tǒng)的靈活性有了更高的挑戰(zhàn)。一個可調諧半導體激光器能夠取代多個固定波長激光器，因此降低了激光器的制造成本，簡化了模塊封裝程序，也降低了備份和庫存管理的成本；在光網絡系統(tǒng)中，可調諧激光器的波長可調性能夠允許對光路由上的波長進行動態(tài)配置，在動態(tài)重構方面有著重要應用；此外，可調諧半導體激光器也是實現(xiàn)全光交叉連接(OXC)、光分插復用(OADM)、光標記交換(OLS)等器件的核心。美國人L.A.Coldren等人在“Multi-sectiontunablelaserwithdifferingmulti-elementmirrors”(專利號US4896325A)中公開了用取樣布拉格光柵作反射鏡的可調諧半導體激光器，其結構圖如附圖I所示。包含了前光柵區(qū)I、有源區(qū)2、相位區(qū)3和后光柵區(qū)4，其中前光柵區(qū)I和后光柵區(qū)4用來產生梳狀反射譜。取樣光柵一個取樣周期Zs內的光柵結構如附圖2所示，其中光柵段17的長度為Zg，另一段長度為Zs-Zg的區(qū)域為均勻無光柵區(qū)域，取樣光柵反射譜如圖3所示，具有Sinc函數(shù)形狀包絡的梳狀譜。激光器前、后光柵區(qū)I和4的梳狀反射譜的反射峰間距有細微差別，從而利用游標卡尺效應，可以通過在前、后光柵區(qū)注入電流的方式來實現(xiàn)準連續(xù)寬波長范圍調諧。由于前、后光柵區(qū)I和4的Sinc函數(shù)形狀峰值反射譜包絡、調諧時注入電流導致的損耗增加以及增益譜的不平坦，利用取樣布拉格光柵作反射鏡的可調諧半導體激光器各波長信道功率嚴重不均衡，嚴重影響激光器的性能。為了改善功率的均衡性以及獲得更寬的波長調諧范圍，近年來又提出了多種基于游標卡尺效應的可調諧半導體激光器。1993年，日本YuichiTohmori等人提出了一種基于超結構布拉格光柵的可調諧半導體激光器(Y.Tohmori,Y.Yoshikuni,H.Ishii,etal.“Broad-RangeWaveIength-TunabIeSuperstructureGrating(SSG)DBRLasers，，，IEEEJournalofQuantumElectronics,vol.29,no.6，1993)。由于超結構光柵(SSG)優(yōu)化后具有很平坦的反射峰值梳狀譜，因而各個波長信道的功率均衡性得到了改善，波長調諧范圍可達IOOnm;1998年,美國I.A.Avrutsky等人提出了基于二元疊合布拉格光柵的可調諧激光器(I.A.Avrutsky,D.S.Ellis,A.Tager,etal.“DesignofWidelyTunableSemiconductorLasersandtheConceptofBinarySuperimposedGratings(BSG，s)，，，IEEEJournalofQuantumElectronics,vol.34,no.4,,1998)。二兀疊合光柵(BSG)是通過在均勻光柵中一些位置插入相移，從而產生平坦的反射峰值梳狀譜，理論上波長調諧范圍也可達IOOnm;此外，英國的Bookham公司提出了數(shù)字超模布拉格反射激光器(A.J.Ward,D.J.Robbins,G.Busico,etal,“WidelytunableDS-DBRlaserwithmonolithicallyintegratedSOA:designandperformance，，，JournalofSelectedtopicsinquantumelectronics,11(1),pp.149-156，2005)；意大利M.Gioannini和I.Montrosset提出了基于間插取樣光柵的寬調諧半導體激光器(M.Gioannini,I.Montrosset,“NovelinterleavedsampledgratingmirrorsforwidelytunableDBRlasers，，，IEEProc.-Optoelectron.,vol.148,no.I,February2001)，并對間插取樣光柵提出了兩種間插方式間插不同布拉格周期的取樣光柵和間插兩組光柵周期相同、光柵初相位差為n的取樣光柵；華中科技大學何曉穎、黃德修、余永林等人提出了基于數(shù)字級聯(lián)光柵(DCG)的可調諧半導體激光器(X.He,D.H，Y.Y，etal.“Widelywavelength-selectablelaserswithdigitalconcatenatedgratingreflectorsproposalandsimulation，，，IEEEPhotonicsTechnologyLetters,vol.20,no.21,Nov2008)，能夠改善激光器的各波長信道的功率均衡性并且提高動態(tài)波長切換速度。YuichiTohmori等人提出的超結構光柵(SSG)的一個取樣周期內存在多個相移，因而在電子束光刻的過程中需要非常精確地控制相移的位置和大小，制作非常困難。此夕卜，超結構布拉格光柵可調諧激光器還存在模式缺失現(xiàn)象(即原設計的模式實際上沒有出現(xiàn)光激射)，因而模式輸出不穩(wěn)定。I.A.Avrutsky等人提出的二元疊合布拉格光柵(BSG)需要利用電子束光刻方法寫入非常長的光柵結構，其制作過程也十分困難。Bookham公司制作的數(shù)字超模布拉格反射激光器(DS-DBR)輸出功率較低，需要集成半導體光放大器(SOA)來提高功率。同時由于其前光柵區(qū)是采用多個不同布拉格波長的獨立光柵組成，需要制作多個接觸電極，這對于調諧激光器的高速波長切換應用是不利的。M.Gioannini和I.Montrosset提出的基于間插取樣光柵的寬調諧半導體激光器，其間插取樣光柵有兩種結構。一種是間插不同光柵周期的取樣光柵，由于不同的光柵周期交替存在，制作非常困難；第二種是間插光柵周期相同但是光柵初相位差為n的取樣光柵，由于兩組間插的取樣光柵間距非常小rium量級)，在制作時需要的平臺控制精度也很高，制作非常困難。何曉穎、余永林等人提出的基于數(shù)字級聯(lián)光柵的寬調諧激光器，由于級聯(lián)的光柵周期差別很小，采用普通的全息曝光方法難以制作，可利用電子束光刻、納米壓印等方法制作，但制作精度要求也很高。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供了一種可調諧半導體激光器，它可以改善現(xiàn)有激光器在調諧時各個波長信道輸出光功率不一致的問題，并且能夠實現(xiàn)寬波長范圍調諧和快速波長切換，光柵區(qū)可采用非常成熟的全息曝光方法制作，具有工藝簡單的優(yōu)點。本發(fā)明提供了一種可調諧半導體激光器，附圖4是本發(fā)明的四段式基于間插多相移取樣光柵的可調諧半導體激光器的縱截面示意圖。它包括前光柵區(qū)I、有源區(qū)2、相位區(qū)3和后光柵區(qū)4。其中有源區(qū)2位于前光柵區(qū)I和相位區(qū)3之間，相位區(qū)3位于有源區(qū)2和后光柵區(qū)4之間；前光柵區(qū)I、相位區(qū)3和后光柵區(qū)4縱截面從上到下依次主要包括上限制層5、光波導層6和下限制層7，有源區(qū)2縱截面從上到下依次主要包括上限制層5、有源層8和下限制層7;前光柵區(qū)I、有源區(qū)2、相位區(qū)3和后光柵區(qū)4上分別制作有電極11、12、13、14，前光柵區(qū)I和后光柵區(qū)4的外端面分別鍍有增透膜15、16;前、后光柵區(qū)1、4具有在上限制層5中制作的前、后布拉格光柵9、10。所述的前布拉格光柵9由m組取樣布拉格光柵間插構成，m為正整數(shù)，每一組取樣光柵為多相移取樣光柵。所述的前布拉格光柵9第i組間插的多相移取樣光柵,相鄰取樣周期間光柵相位差為fi=(i-l)*2n/m。其中，1=1，2，“*111。所述的前布拉格光柵9的m組間插多相移取樣光柵的光柵周期、取樣周期相同。所述的后布拉格光柵10由n組取樣布拉格光柵間插構成，n為正整數(shù)，每一組取樣光柵為多相移取樣光柵。所述的后布拉格光柵10第i組間插的多相移取樣光柵,相鄰取樣周期間光柵相位差為Pi=(i-l)*2n/n。其中，i=l，2，…n。所述的后布拉格光柵10的n組間插多相移取樣光柵的光柵周期、取樣周期相同。前布拉格光柵9和后布拉格光柵10具有不同的取樣周期，在兩個光柵區(qū)注入電流改變光柵區(qū)折射率，從而可以利用游標卡尺效應進行準連續(xù)波長調諧。所述的可調諧半導體激光器的前、后布拉格光柵9、10還可以設計成為布拉格光柵的各種切趾和啁啾的形式。所述的可調諧半導體激光器可以與半導體光放大器和/或電吸收調制器集成。本發(fā)明的優(yōu)點在于I.本發(fā)明采用的間插多相移取樣光柵的反射譜的峰值均勻性很好，相比L.A.Coldren等人提出的用取樣布拉格光柵作反射鏡的可調諧半導體激光器，間插多相移取樣光柵的反射譜3dB通道內信道數(shù)目能夠成倍增加，因而各個波長信道的功率均衡性得到了很大的提升。2.本發(fā)明采用的間插多相移取樣光柵的各組間插多相移取樣光柵具有相同的光柵周期，因而可以利用普通的全息光刻方法來制作，多相移發(fā)生在取樣周期間，因而可以制作在取樣圖形模板中，相比超結構布拉格光柵激光器、二兀疊合光柵激光器、M.Gioannini和I.Montrosset提出的間插取樣光柵激光器及數(shù)字級聯(lián)光柵激光器，具有光柵制作工藝簡單且易于商用化的優(yōu)點，而光柵制作困難一直是限制上述幾種激光器結構發(fā)展的主要原因之一。3.本發(fā)明的可調諧半導體激光器利用游標卡尺原理，可以獲得很寬的準連續(xù)調諧范圍，同時光譜線寬窄。4.本發(fā)明的可調諧半導體激光器需要的電極數(shù)遠遠少于數(shù)字超模布拉格反射激光器(DS-DBR)，波長動態(tài)切換速度快。5.本發(fā)明的可調諧半導體激光器結構簡單，易于制作，并且還能夠與半導體光放大器、電吸收調制器等各種半導體器件集成，實現(xiàn)各種功能。圖I是四段取樣光柵可調諧半導體激光器的縱截面示意圖；圖2是附圖I中光柵區(qū)中的取樣光柵一個取樣周期的結構示意圖3是附圖I中光柵區(qū)中取樣光柵的梳狀反射譜；圖4是本發(fā)明的四段式基于間插多相移取樣光柵的可調諧半導體激光器的縱截面結構示意圖。圖5是本發(fā)明的第一個實施實例的前、后光柵區(qū)中間插多相移取樣光柵的結構示意圖6是本發(fā)明的第一個實施實例的前光柵區(qū)中間插多相移取樣光柵的反射譜；圖7是本發(fā)明的第一個實施實例的后光柵區(qū)中間插多相移取樣光柵的反射譜；圖8是與本發(fā)明的第一實施實例中后光柵區(qū)多相移取樣光柵具有相同光柵周期、峰值反射通道間隔、光柵長度、耦合系數(shù)的取樣光柵的反射譜；圖9是本發(fā)明的第二個實施實例的前、后光柵區(qū)中間插多相移取樣光柵的結構示意圖10是本發(fā)明的第二個實施實例的前光柵區(qū)中間插多相移取樣光柵的反射譜。圖11是本發(fā)明的第二個實施實例的后光柵區(qū)中間插多相移取樣光柵的反射譜。圖12是與本發(fā)明的第二實施實例中后光柵區(qū)多相移取樣光柵具有相同光柵周期、峰值反射通道間隔、光柵長度、耦合系數(shù)的取樣光柵的反射譜。圖中，1:前光柵區(qū)；2:有源區(qū)；3:相位區(qū)；4:后光柵區(qū)；5:上限制層；6:光波導層；7:下限制層；8:有源層；9:前布拉格光柵；10:后布拉格光柵；11:第一電極；12:第二電極；13:第三電極；14:第四電極；15:第一增透膜；16:第二增透膜；17:光柵段。具體實施例方式為了改善基于布拉格反射式光柵的可調諧半導體激光器的各個波長信道功率的均衡性，就需要設計具有平坦峰值反射率、梳狀反射譜的光柵濾波器。附圖2為取樣光柵一個周期的結構示意圖，Zg為光柵段長度，ZS為取樣周期，Zg/Zs為取樣光柵的取樣占空比。附圖3所示為取樣光柵的反射譜，L.A.Coldren等人在“Theory,Design,andPerformanceofExtendedTuningRangeSemiconductorLaserswithSampledGratings，，(IEEE,JournalofQuantumElectronics,vol.29,no.6,June,1993)提出取樣光柵反射譜包絡為Sinc函數(shù)形狀,反射譜3dB帶寬內的信道數(shù)目約為int(Zs/Zg)個,int表示取整數(shù)。當占空比(即Zg/Zs)比較大，各反射通道的反射率非常不均勻，從而影響了波長調諧過程中各波長信道的功率均衡性和波長調諧范圍。當占空比比較小時，取樣光柵反射譜比較平坦。但是占空比小也意味著需要更長的光柵來提高光柵反射率，一方面增加了器件的長度，影響了器件的閾值特性、調制等性能，另一方面由于帶來的波導損耗增加，也會影響激光器的波長調諧過程中的功率均衡性；減小光柵取樣周期，可以在更寬的波長范圍內獲得平坦的反射譜包絡，但是也會增大取樣光柵反射通道間隔(見下面公式(2))，從而使調諧激光器準連續(xù)波長調諧難以實現(xiàn)?；谝陨系姆治?，本發(fā)明提出了一種基于間插多相移取樣光柵的可調諧半導體激光器。附圖4是本發(fā)明的四段式基于間插多相移取樣光柵的可調諧半導體激光器的縱截面示意圖，圖中Zsf和Zot分別表示前光柵和后光柵的取樣周期長度。本發(fā)明的核心思想是取樣光柵能夠產生梳狀反射譜，多相移取樣光柵是指取樣光柵的每個相鄰取樣周期間光柵初始相位發(fā)生相移，當間插多相移取樣光柵的第i組間插的多相移取樣光柵，相鄰取樣周期間光柵相位差為名=(i-DskIf/■時，多相移取樣光柵的反射譜相對于不加多相移的普通取樣光柵發(fā)生波長偏移，偏移值大小di為權利要求1.一種可調諧半導體激光器，該激光器縱向截面從一端到另一端依次包括前光柵區(qū)(1)、有源區(qū)(2)、相位區(qū)(3)和后光柵區(qū)(4)，前光柵區(qū)(I)、相位區(qū)(3)和后光柵區(qū)(4)縱截面從上到下依次主要包括上限制層(5)、光波導層(6)和下限制層(7)，有源區(qū)(2)縱截面從上到下依次主要包括上限制層(5)、有源層(8)和下限制層(7)，前光柵區(qū)(I)和上限制層(5)交叉的區(qū)域設有前布拉格光柵(9)，后光柵區(qū)(4)和上限制層(5)交叉的區(qū)域設有后布拉格光柵(10),其特征在于前布拉格光柵(9)和后布拉格光柵(10)均米用間插多相移取樣布拉格光柵。2.根據權利要求I所述的激光器，其特征在于間插多相移取樣布拉格光柵是復數(shù)組多相移取樣布拉格光柵間插制得的光柵，所有多相移取樣布拉格光柵的光柵周期、取樣周期相同。3.根據權利要求2所述的激光器，其特征在于每組多相移取樣布拉格光柵均包括復數(shù)個取樣光柵周期結構，每組多相移取樣布拉格光柵中相鄰的取樣光柵周期結構的光柵初始相位具有相同的相移。4.根據權利要求3所述的激光器,其特征在于設間插多相移取樣布拉格光柵包含m組多相移取樣布拉格光柵，則第i組多相移取樣布拉格光柵的相鄰取樣光柵周期結構的光柵初始相移fi為(i-l)*2Ji/m。5.根據權利要求I4中任一項所述的激光器，其特征在于前光柵區(qū)(I)、有源區(qū)(2)、相位區(qū)(3)和后光柵區(qū)(4)的上表面分別設有第一電極(11)、第二電極(12)、第三電極(13)和第四電極(14)。6.根據權利要求I4中任一項所述的激光器，其特征在于前光柵區(qū)(I)和后光柵區(qū)(4)的外側表面分別設有第一增透膜(15)和第二增透膜(16)。7.根據權利要求3或4所述的激光器，其特征在于取樣光柵周期結構采用均勻、切趾或啁啾形式的布拉格光柵。8.根據權利要求I4中任一項所述的一種可調諧半導體激光器，其特征在于所述的可調諧半導體激光器可以與半導體光放大器和/或電吸收調制器集成。全文摘要本發(fā)明公開了一種可調諧半導體激光器，激光器由前光柵區(qū)、有源區(qū)、相位區(qū)和后光柵區(qū)構成。前光柵和后光柵區(qū)設計為一種新型布拉格光柵，該光柵用來產生反射峰值均衡的梳狀反射響應。利用游標卡尺效應，通過在前、后光柵注入電流改變光柵區(qū)的折射率值，從而實現(xiàn)寬譜的準連續(xù)調諧。本發(fā)明的激光器具有輸出光功率高，每個信道的光功率均勻性好，動態(tài)波長切換速率高等優(yōu)點。本發(fā)明的激光器的兩個布拉格反射段還可以設計成為布拉格光柵的各種切趾和啁啾的形式。本發(fā)明的激光器也可以與半導體光放大器和電吸收調制器等器件集成。文檔編號H01S5/125GK102751659SQ20121024494公開日2012年10月24日申請日期2012年7月16日優(yōu)先權日2012年7月16日發(fā)明者余永林,趙家霖申請人:華中科技大學