[发明专利]基于重构-等效啁啾和纳米压印制备DFB激光器及阵列的方法

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及光纤通讯、光子集成以及其他光电信息处理。尤其涉及一种基于重构-等效啁啾和纳米压印技术制备DFB半导体激光器。

背景技术

DFB半导体激光器是指分布式反馈激光器，内置布拉格光栅反馈的激光器。由于DFB激光器内部光栅的很好的滤波特性，能够筛选出各种不同波长。近年来光通信的信息容量呈现爆炸式的增长，而承载这个庞大网络通讯的是光纤和各种光通讯器件组成的光纤网络系统。目前，光网络主要有各种分立的光子器件组成。它们由独立的结构，独立的封装等制作方法实现。但随着光信息容量的进一步增加，目前的分立光器件的组成形式将带来很多问题。比如系统非常复杂庞大，能耗大量增加，管理成本也迅速增加。这些问题导致现有的网络实现方法将很难进一步维持下去。为了解决这些问题，光子集成技术被普遍认为是该问题的主要解决方法而受到广泛的关注和研究。光子集成回路和目前的电子集成回路是等价的。它将很多个功能的光子器件集成在同一个半导体衬底上，以实现一个特定的功能。比如美国英飞朗公司(InfineraCorp.)将10个光探测器、多波长DFB半导体激光器、电吸收调制器、放大器以及一个阵列波导光栅(AWG)集成在一个InP衬底上实现10×10Gb/s的波分复用(WDM)发射芯片[1]。在很多光子集成芯片中都需要多波长激光器光源。因此集成多波长DFB半导体激光器阵列是其中非常关键的元件[2]。但是，它的低成本制造目前还比较困难。对于单个DFB半导体激光器阵列的制造主要有两方面的关键问题。其一，DFB激光器阵列中每个激光器波长的准确以及单独的控制，这需要每个激光器光栅周期的准确控制。其二，一个多波长阵列的成品率是每个激光器成品率的激光器个数的指数倍，所以如果整个阵列芯片有比较好的成品率，每个激光器需要很高的成品率。对于上面的两个问题，目前主要的解决方法有，利用电子束曝光技术精确控制每一个激光器的光栅周期，同时在光栅中间位置插入π相移。同时，激光器两端镀增透膜或者制作倾斜的谐振腔波导，避免因端面反射和端面随机相位的影响[3]。这样每个激光器的激射波长完全处于Bragg光栅光谱的禁带中心。避免了端面的随机相位对波长的影响，而且在理论上有100％的单模特性成品率。

文献[4]和专利“基于重构-等效啁啾技术制备半导体激光器的方法及装置”(CN200610038728.9，国际PCT专利，申请号PCT/CN2007/000601)在该问题的解决上走出了关键的一步。文中提出，利用一个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于光纤光栅的设计，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色散的具有新取样结构的布拉格光栅”(CN0213383.8，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光栅周期啁啾CGP的方法。提出等效啁啾最早的文献可参考XiangfeiChenet.al,“AnalyticalexpressionofsampledBragggratingswithchirpinthesamplingperiodanditsapplicationindispersionmanagementdesigninaWDMsystem”(带有取样周期啁啾的取样布拉格光栅的分析表达式和它在波分复用系统色散管理中的应用)，IEEEPhotonicsTechnologyLetters,12,pp.1013-1015,2000。该技术最大的优点是，种子光栅的周期和折射率调制不变，改变的仅仅是取样结构。通过改变取样结构，任意大小的相移啁啾，能够等效地引入到周期结构对应的子光栅(某一个信道)中，得到我们所需要的任意目标反射谱。由于取样周期一般几个微米，所以该方法利用亚微米精度实现了纳米精读的制造。更重要的是，该技术可以与当前的电子集成(IC)印刷技术相兼容。

文献[5]给出了基于该技术的λ/4等效相移DFB半导体激光器的实验验证。由于这种技术设计的激光器改变的仅仅是取样结构，所以利用全息曝光技术和振幅掩膜版就能实现低成本的规模化生产。李静思，贾凌慧，陈向飞在中国发明专利“单片集成半导体激光器阵列的制造方法及装置”(申请号：CN200810156592.0)中指出了依据该技术可以在同一个晶片上，通过改变取样周期而改变不同激光器的激射波长，这个低成本单片集成高性能DFB半导体激光器阵列的制造带来了新的曙光。