本申請(qǐng)屬于半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)相移光柵及dfb半導(dǎo)體激光器。

背景技術(shù)：

分布反饋(dfb)半導(dǎo)體激光器，已經(jīng)成為光通信網(wǎng)絡(luò)中必不可少的光源，在dwdm和cwdm等各種波分復(fù)用系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。

dfb半導(dǎo)體激光器的光反饋由集成在激光器中的布拉格光柵提供，光柵多制作在波導(dǎo)層中，沿腔長(zhǎng)方向的折射率有周期性的變化。布拉格光柵對(duì)于激光器腔內(nèi)不同模式有不同的反射率，通常對(duì)布拉格波長(zhǎng)附近一段區(qū)域內(nèi)的反射率高，遠(yuǎn)離布拉格波長(zhǎng)的范圍內(nèi)的反射率低，因此對(duì)于激光器腔內(nèi)存在的不同模式，其損耗包括內(nèi)部損耗和端面損耗等，與光柵周期對(duì)應(yīng)的布拉格波長(zhǎng)有最低的損耗，根據(jù)激光器激射時(shí)的增益閾值條件，布拉格波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的模式達(dá)到激射的閾值增益也就最低，因此在注入電流達(dá)到激光器的閾值電流時(shí)布拉格模式會(huì)首先激射。這樣，布拉格光柵起到了很好的選頻作用，布拉格光柵可以看作一個(gè)窄帶的濾波器。

在傳統(tǒng)基于布拉格光柵的dfb半導(dǎo)體激光器中，在相同外部注入電流的情況下，需要盡可能地獲得較大的有效光功率，提高對(duì)注入電流的利用率。為了增大dfb半導(dǎo)體激光器的有效輸出光功率，通常將非對(duì)稱結(jié)構(gòu)引入相移光柵dfb半導(dǎo)體激光器中，常見(jiàn)的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)有：

1)兩個(gè)出光端面的反射率大小不對(duì)稱，即在激光器一端面上鍍高反射膜(hr)，另一個(gè)端面上鍍抗反射膜(ar)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)兩端面反射率的不對(duì)稱，達(dá)到改變dfb半導(dǎo)體激光器兩端面的輸出功率之比的目的；

2)將光柵相移偏離激光器中心位置，偏向激光器輸出端。

對(duì)于結(jié)構(gòu)一，如果激光器是分立器件，是可以在激光器一端面鍍上高反射膜(hr)，另一個(gè)端面鍍上抗反射膜(ar)的方式來(lái)分配激光器兩個(gè)端面的輸出激光功率，但高反射膜會(huì)帶來(lái)隨機(jī)相位的影響，導(dǎo)致激光器跳模，隨機(jī)相位對(duì)激光器產(chǎn)生的負(fù)面影響無(wú)法控制，目前尚未找到有效解決隨機(jī)相位影響的方法。另外，對(duì)于未來(lái)光子集成芯片，即各種光子器件通過(guò)選擇區(qū)域外延生長(zhǎng)技術(shù)或?qū)由L(zhǎng)技術(shù)集成在一起的芯片，無(wú)法通過(guò)鍍膜的方法實(shí)現(xiàn)dfb激光器兩端面激光的非對(duì)稱輸出。對(duì)于結(jié)構(gòu)二，相移偏離中心位置偏向激光輸出端，雖能提高輸出端的光功率，但相移偏離中心會(huì)加劇空間燒孔效應(yīng)的影響，降低單模成品率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請(qǐng)一實(shí)施例提供一種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)相移光柵，所述相移光柵包括位于相移光柵中心位置的相移結(jié)構(gòu)及位于相移結(jié)構(gòu)兩側(cè)的第一光柵和第二光柵，所述第一光柵和第二光柵的長(zhǎng)度相同、刻蝕深度相同且光柵周期相等，第一光柵和第二光柵的占空比不同且占空比之和不等于1。

一實(shí)施例中，所述相移結(jié)構(gòu)的相移量為0、λ/4、λ/8、或λ，λ為相移光柵的輸出波長(zhǎng)。

一實(shí)施例中，所述第一光柵的占空比為0.5，第二光柵的占空比為(0，0.5)或(0.5，1)范圍內(nèi)的任意值。

一實(shí)施例中，所述第一光柵的耦合系數(shù)為κ1，第二光柵的耦合系數(shù)為κ2，κ1與κ2不等且滿足κ1:κ2=sin(πγ1):sin(πγ2)，其中，γ1和γ2分別為第一光柵和第二光柵的占空比。

本申請(qǐng)另一實(shí)施例提供一種dfb半導(dǎo)體激光器，所述dfb半導(dǎo)體激光器包括dfb激光腔及位于dfb激光腔上方和下方的若干外延層，dfb激光腔包括依次設(shè)置的光柵刻蝕阻止層、相移光柵、光柵覆蓋層，所述相移光柵包括位于相移光柵中心位置的相移結(jié)構(gòu)及位于相移結(jié)構(gòu)兩側(cè)的第一光柵和第二光柵，所述第一光柵和第二光柵的長(zhǎng)度相同、刻蝕深度相同且光柵周期相等，第一光柵和第二光柵的占空比不同且占空比之和不等于1，dfb半導(dǎo)體激光器兩端面的輸出功率不相等。

一實(shí)施例中，所述相移結(jié)構(gòu)的相移量為0、λ/4、λ/8、或λ，λ為相移光柵的輸出波長(zhǎng)。

一實(shí)施例中，所述第一光柵的占空比為0.5，第二光柵的占空比為(0，0.5)或(0.5，1)范圍內(nèi)的任意值。

一實(shí)施例中，所述dfb半導(dǎo)體激光器的兩側(cè)端面均鍍有抗反射膜。

一實(shí)施例中，所述dfb半導(dǎo)體激光器位于第二光柵側(cè)端面的輸出光功率為p2，第一光柵側(cè)端面的輸出光功率為p1，p2與p1不等且滿足p2:p1=κ1:κ2=sin(πγ1):sin(πγ2)，其中，κ1和κ2分別為第一光柵和第二光柵的耦合系數(shù)，κ1與κ2不等，γ1和γ2分別為第一光柵和第二光柵的占空比。

一實(shí)施例中，所述dfb半導(dǎo)體激光器為掩埋異質(zhì)結(jié)型激光器或脊波導(dǎo)型激光器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請(qǐng)具有以下有益效果：

光柵占空比不同的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)相移光柵應(yīng)用于單個(gè)dfb半導(dǎo)體激光器，在端面不鍍膜或均鍍有抗反射膜的情況下，增大激光器的有效輸出光功率，提高dfb半導(dǎo)體激光器的斜效率，避免了鍍膜產(chǎn)生隨機(jī)相位的影響，提高了dfb半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)定性；

光柵占空比不同的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)相移光柵和dfb半導(dǎo)體激光器可應(yīng)用于高度集成的光子集成芯片中，提高了光子集成芯片端面的有效輸出光功率。

附圖說(shuō)明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)稱結(jié)構(gòu)相移光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是光柵耦合系數(shù)與占空比關(guān)系的曲線圖；

圖3是本申請(qǐng)第一實(shí)施方式中非對(duì)稱結(jié)構(gòu)相移光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本申請(qǐng)第二實(shí)施方式中dfb半導(dǎo)體激光器的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本申請(qǐng)第二實(shí)施方式中dfb半導(dǎo)體激光器的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖所示的具體實(shí)施方式對(duì)本申請(qǐng)進(jìn)行詳細(xì)描述。但這些實(shí)施方式并不限制本申請(qǐng)，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)這些實(shí)施方式所做出的結(jié)構(gòu)、方法、或功能上的變換均包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍內(nèi)。

在本申請(qǐng)的各個(gè)圖示中，為了便于圖示，結(jié)構(gòu)或部分的某些尺寸會(huì)相對(duì)于其它結(jié)構(gòu)或部分?jǐn)U大，因此，僅用于圖示本申請(qǐng)的主題的基本結(jié)構(gòu)。

本文使用的例如“左”、“右”、“左側(cè)”、“右側(cè)”等表示空間相對(duì)位置的術(shù)語(yǔ)是出于便于說(shuō)明的目的來(lái)描述如附圖中所示的一個(gè)單元或特征相對(duì)于另一個(gè)單元或特征的關(guān)系?？臻g相對(duì)位置的術(shù)語(yǔ)可以旨在包括設(shè)備在使用或工作中除了圖中所示方位以外的不同方位。例如，如果將圖中的設(shè)備翻轉(zhuǎn)，則被描述為位于其他單元或特征“右側(cè)”的單元將位于其他單元或特征“左側(cè)”。因此，示例性術(shù)語(yǔ)“右側(cè)”可以囊括左側(cè)和右側(cè)這兩種方位。設(shè)備可以以其他方式被定向（旋轉(zhuǎn)90度或其他朝向），并相應(yīng)地解釋本文使用的與空間相關(guān)的描述語(yǔ)。

參圖1所示，介紹現(xiàn)有技術(shù)中的相移光柵10’。該相移光柵10’包括位于相移光柵中心位置的相移結(jié)構(gòu)11’及位于相移結(jié)構(gòu)兩側(cè)的第一光柵12’和第二光柵13’。

現(xiàn)有技術(shù)中第一光柵12’和第二光柵13’沿相移結(jié)構(gòu)11’對(duì)稱設(shè)置，第一光柵12’和第二光柵13’的長(zhǎng)度l1和l2相同，刻蝕深度h1和h2相同，周期λ1和λ2相等，占空比γ1和γ2也相等。

其中，占空比為光柵齒寬度b在一個(gè)周期λ內(nèi)所占的比例，如圖1所示，第一光柵12’的占空比γ1=b1/λ1，第二光柵13’的占空比γ2=b2/λ2，其中，光柵齒寬度b1=b2，周期λ1=λ2，因此，第一光柵12’的占空比和第二光柵13’的占空比相等，即γ1=γ2。

圖2所示為光柵耦合系數(shù)與占空比關(guān)系的曲線圖，可以看出耦合系數(shù)和占空比有對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)于純粹的折射率耦合型dfb半導(dǎo)體激光器，耦合系數(shù)κ正比于sin(πγ)，其中，κ為相移光柵的耦合系數(shù)，表示光柵反饋的強(qiáng)弱，γ為相移光柵的占空比。在相同的刻蝕深度條件下，若第一光柵12’和第二光柵13’的占空比γ1和γ2相等，第一光柵12’和第二光柵13’的耦合系數(shù)κ1和κ2也相等；另外，在相同的刻蝕深度條件下，第一光柵12’和第二光柵13’的占空比γ1和γ2滿足γ1+γ2=1時(shí)，第一光柵12’和第二光柵13’的耦合系數(shù)κ1和κ2也相等。

基于現(xiàn)有技術(shù)中相移光柵10’的dfb半導(dǎo)體激光器，在dfb半導(dǎo)體激光器兩端面都鍍抗反射膜（ar，反射率小于1%）或均不鍍膜的情況下，兩個(gè)端面輸出光功率p1和p2相等，即p2:p1=κ1:κ2=sin(πγ1):sin(πγ2)。若要實(shí)現(xiàn)dfb半導(dǎo)體激光器輸出光功率的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，只能通過(guò)激光器一端面上鍍高反射膜(hr)，另一個(gè)端面上鍍抗反射膜(ar)，如背景技術(shù)中所述，這樣會(huì)導(dǎo)致激光器跳模。

參圖3所示，介紹本申請(qǐng)相移光柵10的第一實(shí)施方式。該相移光柵10包括位于相移光柵中心位置的相移結(jié)構(gòu)11及位于相移結(jié)構(gòu)兩側(cè)的第一光柵12和第二光柵13。其中，相移結(jié)構(gòu)11為真實(shí)相移，其相移量可以為0（均勻光柵）、λ/4、λ/8、或λ，也可以為其他數(shù)值的相移量，其中λ為相移光柵的輸出波長(zhǎng)。本申請(qǐng)中相移光柵的相移結(jié)構(gòu)為真實(shí)相移，其與取樣光柵中的等效相移不同，基于真實(shí)相移的相移光柵應(yīng)用于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的dfb半導(dǎo)體激光器時(shí)，激光腔內(nèi)耦合效率比基于等效相移的取樣光柵應(yīng)用于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的dfb半導(dǎo)體激光器的耦合效率大，腔長(zhǎng)短，該dfb半導(dǎo)體激光器調(diào)制性能更好。

本實(shí)施方式中第一光柵12和第二光柵13沿相移結(jié)構(gòu)11對(duì)稱設(shè)置，第一光柵12和第二光柵13的長(zhǎng)度l1和l2相同，刻蝕深度h1和h2相同，周期λ1和λ2相等，但第一光柵12和第二光柵13的占空比γ1和γ2不等，且第一光柵12和第二光柵13的占空比之和不等于1，即γ1+γ2≠1。

其中，占空比為光柵齒寬度在一個(gè)周期內(nèi)所占的比例，如圖3所示，第一光柵12的占空比γ1=b1/λ1，第二光柵13的占空比γ2=b2/λ2，本實(shí)施方式中周期λ1=λ2，通過(guò)設(shè)計(jì)第一光柵和第二光柵中的光柵齒寬度b1和b2，對(duì)光柵的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，本實(shí)施方式中若滿足上述占空比條件，第一光柵和第二光柵的光柵齒寬度需滿足b1≠b2，且b1+b2≠λ1(或λ2)。

由于耦合系數(shù)κ正比于sin(πγ)，其中，κ為相移光柵的耦合系數(shù)，表示光柵反饋的強(qiáng)弱，γ為相移光柵的占空比，同時(shí)，耦合系數(shù)κ還正比于光柵的刻蝕深度h。本實(shí)施方式中在刻蝕深度h相等的條件下，第一光柵12和第二光柵13的占空比γ1和γ2不等，且滿足γ1+γ2≠1，則第一光柵12和第二光柵13的耦合系數(shù)κ1和κ2也不等。而將該非對(duì)稱結(jié)構(gòu)相移光柵應(yīng)用于dfb半導(dǎo)體激光器中時(shí)，在dfb半導(dǎo)體激光器兩端面都鍍抗反射膜（ar，反射率小于1%）或均不鍍膜的情況下，兩個(gè)端面輸出光功率p1和p2不等，兩個(gè)端面輸出光功率p1和p2滿足p2:p1=κ1:κ2=sin(πγ1):sin(πγ2)。

因此，在刻蝕深度相等的條件下，通過(guò)設(shè)計(jì)相移結(jié)構(gòu)兩側(cè)第一光柵的光柵齒寬度b1和第二光柵的的光柵齒寬度b2，使第一光柵的占空比γ1和第二光柵的占空比γ2滿足γ1≠γ2且γ1+γ2≠1，即可實(shí)現(xiàn)相移結(jié)構(gòu)兩側(cè)光柵不同的耦合系數(shù)，應(yīng)用該相移光柵的dfb半導(dǎo)體激光器可實(shí)現(xiàn)兩端的輸出光功率不同。

優(yōu)選地，本實(shí)施方式中第一光柵12的占空比γ1為最佳占空比0.5，第二光柵13的占空比γ2為(0，0.5)或(0.5，1)范圍內(nèi)的任意值，則第一光柵12的耦合系數(shù)κ1大于第二光柵13的耦合系數(shù)κ2，第一光柵12的折射率調(diào)制大于第二光柵13的折射率調(diào)制，即第一光柵12的反射率大于第二光柵13的反射率，進(jìn)而第二光柵13一側(cè)端面的輸出光功率p2大于第一光柵12一側(cè)端面的輸出光功率p1，即p2:p1＞1。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本申請(qǐng)其他實(shí)施方式中第一光柵12的占空比γ1和第二光柵13的占空比γ2可以依據(jù)實(shí)際情況選取(0，1)中的任意值，只需滿足γ1≠γ2且γ1+γ2≠1即可，此處不再一一舉例進(jìn)行說(shuō)明。

參圖4、圖5所示，介紹本申請(qǐng)dfb半導(dǎo)體激光器100的第二實(shí)施方式。該dfb半導(dǎo)體激光器包括dfb激光腔及位于dfb激光腔上方和下方的若干外延層，dfb激光腔包括依次設(shè)置的光柵刻蝕阻止層20、相移光柵10、光柵覆蓋層30，dfb激光腔內(nèi)起選模作用的光柵是相移光柵10，其中，相移光柵10與第二實(shí)施方式中的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)相移光柵10完全相同，此處不再進(jìn)行贅述。相移光柵10中第一光柵和第二光柵的占空比不同，且第一光柵和第二光柵的占空比之和不等于1，以實(shí)現(xiàn)不同的耦合系數(shù)，dfb半導(dǎo)體激光器兩端的輸出光功率不同。

dfb半導(dǎo)體激光器在dfb激光腔的上方和下方的形成有若干外延層，如本實(shí)施方式中，dfb激光腔下方的外延層包括襯底31、緩沖層32、下限制層33、多量子阱層34及上限制層35，dfb激光腔上方的外延層包括脊條刻蝕阻止層41及脊條層42。

外延層的外延材料為ⅲ-ⅴ族半導(dǎo)體化合物材料和ⅳ-ⅵ族半導(dǎo)體化合物材料，如ingaasp/inp、inalgaas/inp、algaas/gaas、ingaas/ingap、gaasp/ingap等。

本實(shí)施方式中的dfb半導(dǎo)體激光器僅根據(jù)需要設(shè)計(jì)相移結(jié)構(gòu)左右兩段光柵的占空比，而dfb半導(dǎo)體激光器外延結(jié)構(gòu)和電極制備等工藝均與現(xiàn)有技術(shù)相同，以下對(duì)本實(shí)施方式中dfb半導(dǎo)體激光器的制備工藝進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

通過(guò)mocvd外延技術(shù)，在300μm的n型inp襯底31上，依次外延生長(zhǎng)：

厚度400nm、摻雜濃度1.5×10¹⁸cm^-2的n型inp作為緩沖層32；

厚度50nm的ingaasp下限制層33；

應(yīng)變ingaasp多量子阱層34，本實(shí)施方式中多量子阱層34包括5個(gè)量子阱，勢(shì)阱層厚度5nm，+1.5%壓應(yīng)變，勢(shì)壘層厚度10nm，-0.6%的張應(yīng)變，勢(shì)阱層和勢(shì)壘層交替生長(zhǎng)；

厚度40nm、摻雜濃度2×10¹⁷cm^-2的p型ingaasp上限制層35；

厚度25nm、摻雜濃度2×10¹⁷cm^-2的p型inp光柵刻蝕阻止層20；

厚度50nm的p型ingaasp相移光柵10；

厚度90nm、摻雜濃度3×10¹⁷cm^-2的p型inp光柵覆蓋層30；

厚度25nm的p型ingaasp脊條刻蝕阻止層41；

厚度1.6μm、摻雜濃度3×10¹⁷cm^-2的p型inp脊條層42。

在上述dfb半導(dǎo)體激光器100兩端面都鍍抗反射膜（ar，反射率小于1%）的情況下，兩個(gè)端面輸出光功率p1和p2不等，即可實(shí)現(xiàn)輸出光功率的不對(duì)稱，增大dfb半導(dǎo)體激光器的有效輸出光功率。

進(jìn)一步地，在脊條層42的上方還可以進(jìn)一步形成歐姆接觸層43以及p型電極44，其制備工藝與現(xiàn)有技術(shù)相同，此處不再進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本實(shí)施方式中的dfb半導(dǎo)體激光器以脊波導(dǎo)型結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說(shuō)明，在其他實(shí)施方式中也可以設(shè)計(jì)成掩埋異質(zhì)結(jié)型結(jié)構(gòu)，此處不再舉例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

應(yīng)當(dāng)理解的是，上述實(shí)施方式中以將占空比不同的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)相移光柵應(yīng)用于dfb半導(dǎo)體激光器為例進(jìn)行說(shuō)明，該類dfb半導(dǎo)體激光器可以在兩端面進(jìn)行鍍膜。在其他實(shí)施方式中的光子集成芯片，如檢測(cè)器陣列、激光器陣列、調(diào)制器陣列和復(fù)用器等光子器件，該類光子器件是通過(guò)選擇區(qū)域外延生長(zhǎng)技術(shù)或?qū)由L(zhǎng)技術(shù)制備的，在集成過(guò)程中，無(wú)法通過(guò)鍍高反射膜或抗反射膜增大有效輸出光功率，通過(guò)本申請(qǐng)中非對(duì)稱耦合系數(shù)的相移光柵就可以應(yīng)用于高度集成的光子集成芯片中，以提高端面有效輸出光功率。

本申請(qǐng)基于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)相移光柵的dfb半導(dǎo)體激光器，在相移結(jié)構(gòu)兩側(cè)的光柵長(zhǎng)度、光柵刻蝕深度和光柵周期不變的條件下，通過(guò)對(duì)相移結(jié)構(gòu)兩側(cè)光柵占空比的選擇，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)相移光柵耦合系數(shù)的不對(duì)稱，dfb半導(dǎo)體激光器能夠?qū)崿F(xiàn)輸出光功率的不對(duì)稱，增大了激光器的有效輸出光功率。

本申請(qǐng)通過(guò)上述實(shí)施方式，具有以下有益效果：

光柵占空比不同的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)相移光柵應(yīng)用于單個(gè)dfb半導(dǎo)體激光器，在端面不鍍膜或均鍍有抗反射膜的情況下，增大激光器的有效輸出光功率，提高dfb半導(dǎo)體激光器的斜效率，避免了鍍膜產(chǎn)生隨機(jī)相位的影響，提高了dfb半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)定性；

光柵占空比不同的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)相移光柵和dfb半導(dǎo)體激光器可應(yīng)用于高度集成的光子集成芯片中，提高了光子集成芯片端面的有效輸出光功率。

應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說(shuō)明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說(shuō)明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見(jiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說(shuō)明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施方式中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。

上文所列出的一系列的詳細(xì)說(shuō)明僅僅是針對(duì)本申請(qǐng)的可行性實(shí)施方式的具體說(shuō)明，它們并非用以限制本申請(qǐng)的保護(hù)范圍，凡未脫離本申請(qǐng)技藝精神所作的等效實(shí)施方式或變更均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。