專利名稱：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，與分布反饋半導(dǎo)體激光器有關(guān)，尤其涉及復(fù)雜分布反饋半導(dǎo)體激光器的設(shè)計(jì)與制作，更具體而言，是基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)制備分布反饋(DFB)半導(dǎo)體激光器的方法及裝置。
背景技術(shù)：
全球?qū)拵枨蟮牟粩嘣鲩L和追求“光纖到家”的目標(biāo)理想，正成為持續(xù)驅(qū)動(dòng)全球光纖產(chǎn)業(yè)成長的助力劑，這也帶動(dòng)了光通信半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。由于寬頻網(wǎng)路的日益普及和使用人數(shù)年成長率達(dá)到50％以上，家庭用戶年成長率高達(dá)300％，所以對(duì)頻寬的需求也日益增長，目前最便宜且最快速增加頻寬的方法，是采用密集波分多路復(fù)用(DWDM)光傳輸系統(tǒng)，因此對(duì)半導(dǎo)體激光器的市場需求呈現(xiàn)爆發(fā)成長。半導(dǎo)體激光器作為光纖通信系統(tǒng)中的光源是關(guān)鍵元件，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。光纖通信傳輸一般用單模光纖和單模半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器性能的好壞直接影響光通信傳輸?shù)男阅堋８咝阅馨雽?dǎo)體激光器需要激光器的單模特性好，激光器工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生跳模，單色性好。實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)單縱模工作的最有效的方法之一，就是在半導(dǎo)體激光器內(nèi)部建立一個(gè)布拉格光柵，依靠光柵的選頻原理來實(shí)現(xiàn)縱模選擇，這種半導(dǎo)體激光器稱為分布反饋(DFB)半導(dǎo)體激光器。DFB半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)在于光柵分布在整個(gè)諧振腔中，光波在反饋的同時(shí)獲得增益。因?yàn)镈FB半導(dǎo)體激光器的諧振腔具有明顯的波長選擇性，從而決定了它們的單色性優(yōu)于一般的半導(dǎo)體激光器。一般DFB半導(dǎo)體激光器中存在的反饋方式，主要是折射率周期性變化引起的布拉格反射，即折射率耦合(Index-Coupling)。與依靠兩個(gè)反射端面來形成諧振腔的FP半導(dǎo)體激光器相比，DFB半導(dǎo)體激光器可能激射的波長所對(duì)應(yīng)的諧振腔損耗是不同的，也就是說DFB半導(dǎo)體激光器的諧振腔本身具有選擇模式的能力。在端面反射為零的理想情況下，理論分析指出折射率耦合DFB半導(dǎo)體激光器在與布拉格波長相對(duì)稱的位置上存在兩個(gè)諧振腔損耗相同且最低的模式，而增益耦合DFB半導(dǎo)體激光器恰好在布拉格波長上存在著一個(gè)諧振腔損耗最低的模式。也就是說，折射率耦合DFB半導(dǎo)體激光器原理上是雙模激射的。
對(duì)于實(shí)際的DFB半導(dǎo)體激光器來說，光柵兩端的端面是存在反射的，不僅反射率的強(qiáng)度不為零，而且兩個(gè)端面的反射相位也不確定。這是由于實(shí)際器件制作中，端面位于光柵一個(gè)周期中的哪個(gè)位置是不可控制的。對(duì)于純折射率耦合DFB半導(dǎo)體激光器來說，在相當(dāng)一部分相位下，模式簡并可以被消除，器件可以實(shí)現(xiàn)單模工作。最早的折射率耦合DFB半導(dǎo)體激光器就是通過這種方法實(shí)現(xiàn)單模激射的。但是由于反射相位具有隨機(jī)性，這就導(dǎo)致了單模成品率問題。對(duì)于激光器端面無鍍膜的情況，這一概率為20％～50％。另外，激光器端面鍍膜對(duì)DFB半導(dǎo)體激光器的單模成品率有較大的影響，在DFB半導(dǎo)體激光器一個(gè)端面鍍低反射膜，另一個(gè)端面鍍高反射膜時(shí)，單模成品率可達(dá)50％。運(yùn)用這種方法制作的DFB半導(dǎo)體激光器在靜態(tài)工作時(shí)，其邊模抑制比(SMSR)可大于40dB，而在高速調(diào)制時(shí)，其SMSR小于20dB，不能完全滿足高速光通信的需要。在光柵的中心引入一個(gè)四分之一波長(λ/4)相移區(qū)，是消除雙模簡并，實(shí)現(xiàn)單模工作的有效方法。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于它的模式的閾值增益差大，可以實(shí)現(xiàn)真正的動(dòng)態(tài)單模工作S.Akiba，M.Usami and K.Utaka，“1.5-μm λ/4-shiftedInGaAsP/InP DFB lasers(1.5-μm λ/4相移的InGaAsP/InP DFB激光器)，J.Lightwave Technol.Vol.5，pp.1564-1573，Nov.1987。
λ/4DFB半導(dǎo)體激光器可以用來做直接調(diào)制激光器。直接調(diào)制DFB半導(dǎo)體激光器的最大優(yōu)點(diǎn)是在高速調(diào)制(2.5Gbit/s～10Gbit/s)的情況下仍能保持動(dòng)態(tài)單模，非常適合高速短距離的光纖通信系統(tǒng)，如局域網(wǎng)。目前商業(yè)應(yīng)用的直接調(diào)制DFB半導(dǎo)體激光器能夠達(dá)到閾值電流5mA左右，在2.5Gbit/s調(diào)制速率下能傳輸上百公里。調(diào)制速率為10Gbit/s的直接調(diào)制DFB半導(dǎo)體激光器正成為新的研發(fā)熱點(diǎn)。例如日本三菱公司2000年報(bào)道的應(yīng)用于10Gbit/s局域網(wǎng)傳輸?shù)闹苯诱{(diào)制DFB半導(dǎo)體激光器，工作波長為1.3μm，在P型襯底上采用掩埋結(jié)構(gòu)，光柵為λ/4相移結(jié)構(gòu)。通過降低電極面積和激光器腔長(腔長為200μm)，來提高調(diào)制帶寬。并且通過提高耦合系數(shù)來保證器件的高溫特性。在25℃～70℃的范圍內(nèi)，調(diào)制帶寬都在10GHz以上，在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中傳輸距離超過20km。
對(duì)于DFB半導(dǎo)體激光器，布拉格光柵的質(zhì)量是非常關(guān)鍵的，直接影響了DFB半導(dǎo)體激光器的質(zhì)量，也決定了DFB半導(dǎo)體激光器的品質(zhì)。除了λ/4DFB半導(dǎo)體激光器，具有復(fù)雜布拉格光柵結(jié)構(gòu)可以提高DFB半導(dǎo)體激光器的性能S.Nilsson，T.Kjellberg，T.Klinga，R.Schatz，J.Wallin，K.Streubel，“Improved spectralcharacteristics of MQW-DFB lasers by incorporation of multiple phase-shifts”(采用多相移技術(shù)提高發(fā)射光譜的MQW-DFB半導(dǎo)體激光器)，J.Lightwave Technol.Vol.13，pp.434-441，Mar.1995；以及Nong Chen，Y.Nakano，K.Okamoto，K.Tada，G.I.Morthier，R.G.Baets，“Analysis，fabrication，and characterization of tunable DFBlasers with chirped gratings(帶有啁啾光柵的DFB激光器的分析、制作和特性)，IEEE.Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，vol.3，pp.541-546，April 1997。在半導(dǎo)體加工工藝中，光柵屬于制作難度很高的結(jié)構(gòu)。然而光柵結(jié)構(gòu)的好壞，又是器件性能至關(guān)重要的決定因素，一旦光柵參數(shù)在制作過程中出現(xiàn)偏差，無法進(jìn)行微調(diào)修補(bǔ)。此外，非均勻光柵的制作不能用相對(duì)簡單、成本低廉的全息曝光制作光柵方法，而需要電子束曝光或者其他復(fù)雜的制作工藝。四分之一波長相移屬于非均勻光柵，因此λ/4相移DFB半導(dǎo)體激光器存在成本高，成本率低，制作方法復(fù)雜的問題。
在半導(dǎo)體波導(dǎo)上制作復(fù)雜布拉格光柵成為制造高性能DFB半導(dǎo)體激光器的關(guān)鍵。2002年馮佳、陳向飛等人在中國發(fā)明專利“用于補(bǔ)償色散和偏振模彌散的具有新取樣結(jié)構(gòu)的布拉格光柵”(CN02103383.8，授權(quán)公告號(hào)CN1201513)中提出了通過引入取樣布拉格光柵的取樣周期啁啾(CSP)來獲得所需要的等效的光柵周期啁啾(CGP)的方法。提出等效啁啾最早的文獻(xiàn)可參考Xiangfei Chenet.al，“Analytical expression of sampled Bragg gratings with chirp in the samplingperiod and its application in dispersion management design in a WDM system”(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)色散管理的應(yīng)用)，IEEE Photonics Technology Letters，12，pp.1013-1015，2000。這種等效啁啾技術(shù)的特點(diǎn)是采用亞微米精度就可制作具有所需要的等效啁啾的布拉格光柵。這種特殊布拉格光柵是取樣布拉格光柵，取樣布拉格光柵有多個(gè)反射峰，每個(gè)反射峰對(duì)應(yīng)一個(gè)傅立葉系數(shù)，+1和-1級(jí)的傅立葉系數(shù)分別對(duì)應(yīng)離中心布拉格波長最近的兩個(gè)反射峰，分別在中心波長的左邊(較短的波長)和右邊(較長的波長)。每個(gè)反射峰代表一個(gè)影子光柵(ghost grating)，+1和-1級(jí)傅立葉系數(shù)對(duì)應(yīng)的反射峰分別代表傅立葉系數(shù)＝+1或-1的影子光柵。在+1或-1的影子光柵所起的作用同普通布拉格光柵(非取樣布拉格光柵)一樣。因此使用+1或-1級(jí)的影子光柵來代替普通布拉格光柵。采用復(fù)雜取樣周期的分布形成復(fù)雜的+1或-1級(jí)的影子光柵。當(dāng)然其他級(jí)(傅立葉系數(shù)＝±2，±3，...，)的影子光柵具有復(fù)雜特性，但是因?yàn)檫@些影子光柵的調(diào)制強(qiáng)度較低，一般采用最強(qiáng)的復(fù)雜特性影子光柵，即傅立葉系數(shù)＝±1)的影子光柵。無論采用那個(gè)影子光柵，我們只能選擇一個(gè)影子光柵來代替普通布拉格光柵。
為方便起見，這個(gè)用來代替普通布拉格光柵的影子光柵這里稱為等效光柵。等效光柵可以同所需要的普通布拉格光柵性能一樣，在普通布拉格光柵的作用波段上等效光柵完全可以代替普通布拉格光柵。等效光柵的復(fù)雜特性可以通過改變?nèi)庸鈻诺娜又芷诜植极@得，取樣周期一般要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光柵周期，因此可以極大的簡化了特殊布拉格光柵(等效光柵)的制作，具有很大的成本優(yōu)勢和技術(shù)特色，以此可以方便的設(shè)計(jì)具有不同光學(xué)響應(yīng)的等效光柵，而不要更換模板。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)在易于實(shí)現(xiàn)的亞微米級(jí)精度上可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的等效光柵啁啾，而這個(gè)等效光柵啁啾與真實(shí)的具有亞納米精度的復(fù)雜光柵啁啾所起的作用一樣。啁啾光柵是指光柵常數(shù)(折射率調(diào)制的周期)不均勻被稱之為啁啾光柵。
等效啁啾技術(shù)完全保證如一階等效啁啾、二階等效光柵啁啾、高階等效光柵啁啾等可以相互獨(dú)立得到。戴一堂、陳向飛等人在中國發(fā)明專利“DS-OCDMA系統(tǒng)編碼解碼所用的采樣光纖光柵及其制作方法”CN200410009546.X，公開號(hào)CN 1588150和文獻(xiàn)Yitang Dai，Xiangfei Chen et.al，“Equivalent phase shift in afiber Bragg grating achieved by changing the sampling period”(采用改變光纖布拉格光柵中布拉格取樣周期得到等效相移)，IEEE Photon.Tech.Lett.，vol.16，pp.2284-2286，2004中提出了等效相移概念。更進(jìn)一步，戴一堂、陳向飛等人在中國發(fā)明專利中“一種基于光纖光柵的多信道濾波器制作方法”(CN200410083938.0，)提出一種設(shè)計(jì)和制作具有任意物理可實(shí)現(xiàn)濾波特性的等效光柵的方法和技術(shù)。這種技術(shù)是一種結(jié)合重構(gòu)技術(shù)和等效啁啾技術(shù)的新技術(shù)，這里我們稱這種設(shè)計(jì)和制作技術(shù)叫重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)，簡稱REC技術(shù)，可參考文獻(xiàn)Yitang Dai，Xiangfei Chen et.al，“Sampled Bragg grating with desiredresponse in one channel by use of a reconstruction algorithm and equivalent chirp”(采用重構(gòu)和等效啁啾方法、可以在一個(gè)信道內(nèi)得到預(yù)定響應(yīng)的取樣布拉格光柵)，Opt.Lett.，vol.29，1333-1335，2004。使用REC技術(shù)，可以在物理可實(shí)現(xiàn)范圍內(nèi)，使用亞微米精度的普通實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)計(jì)和制作出各種所需要的復(fù)雜特性等效光柵。在等效光柵所在的作用帶寬里，等效光柵可以完全代替普通布拉格光柵，它們的光學(xué)響應(yīng)相同；或者復(fù)雜光學(xué)響應(yīng)的普通布拉格光柵可以被相應(yīng)的等效光柵所代替，而它們的光學(xué)響應(yīng)相同。用來代替DFB半導(dǎo)體激光器中的通布拉格光柵的等效光柵可以使用等效啁啾技術(shù)，等效相移技術(shù)設(shè)計(jì)和制作。更為復(fù)雜的等效光柵可以用REC技術(shù)設(shè)計(jì)和制作。需要說明的，等效啁啾和等效相移技術(shù)是REC技術(shù)的特例。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于使用普通全息曝光方法結(jié)合普通微米半導(dǎo)體工藝技術(shù)制作高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)的DFB半導(dǎo)體激光器。本發(fā)明的目的還在于利用等效啁啾技術(shù)、等效相移技術(shù)和更為廣泛的重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)(REC技術(shù))設(shè)計(jì)和制作的等效光柵來代替DFB半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)里的普通布拉格光柵。
本發(fā)明的技術(shù)方案是基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)制備半導(dǎo)體激光器的方法，采用取樣布拉格光柵結(jié)構(gòu)，即半導(dǎo)體激光器波導(dǎo)里的光柵是取樣布拉格光柵，取樣布拉格光柵含有對(duì)應(yīng)普通布拉格光柵的等效光柵，半導(dǎo)體激光器的激射波長在此取樣布拉格光柵的等效光柵的作用帶寬里，等效光柵由重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)(REC技術(shù))來設(shè)計(jì)和制作，取樣布拉格光柵具有多個(gè)影子光柵，影子光柵之間的波長間隔反比于取樣周期和半導(dǎo)體激光器波導(dǎo)的有效折射率。上述DFB半導(dǎo)體激光器中的取樣布拉格光柵的取樣周期小于10μm，大于1μm。
所述激光器中的等效光柵由等效相移方法來設(shè)計(jì)和制作。在離所述激光器中取樣光柵中心的±15％區(qū)域內(nèi)，有一個(gè)取樣周期是發(fā)生突然變化的，變化后的周期是原周期的1.4到1.6倍或0.4到0.6倍，，而其它的取樣周期保持恒定。
所述激光器中分布反饋結(jié)構(gòu)采用側(cè)向耦合光柵結(jié)構(gòu)，位于脊波導(dǎo)的兩側(cè)光柵結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器只需要一次材料外延生長，而后制作側(cè)向耦合光柵和光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；脊波導(dǎo)的兩側(cè)InGaAsP光柵材料層以下述方法制備先制備含有等效光柵所需要的取樣周期分布的掩模板，掩模板的取樣周期為2-8微米，每個(gè)取樣的周期的占空比為0.4-0.6；通過取樣掩模板和全息干涉曝光的方法制作出光柵結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明所述的基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)制備半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)是，在n型襯底材料上由外延n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、二次外延p型晶格匹配InGaAsP波導(dǎo)層和p型InP限制層和p型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，含有用作激光激射的等效光柵。DFB段的表面采用200-400nm厚的SiO2絕緣層，脊上的SiO2被腐蝕掉和金屬電極連接；器件的兩端均有抗反鍍膜，鍍膜后反射率小于1％。
半導(dǎo)體激光器的改進(jìn)是，在n型襯底材料上順次有外延n型InP緩沖層、非摻雜晶格匹配InGaAsP波導(dǎo)層、應(yīng)變InGaAsP多量子阱，InGaAsP波導(dǎo)層、p型InP限制層、P型InGaAs歐姆接觸層；半導(dǎo)體激光器采用側(cè)向耦合光柵耦合結(jié)構(gòu)，含有等效光柵的取樣布拉格光柵位于脊波導(dǎo)的兩側(cè)。DFB段的表面采用200-400nm厚的SiO2絕緣層，脊上的SiO2被腐蝕掉和金屬電極連接；器件的兩端均有抗反鍍膜，鍍膜后反射率小于1％。
半導(dǎo)體激光器的具體結(jié)構(gòu)是，器件n型襯底材料上外延n型InP緩沖層的厚度180-220nm；非摻雜晶格匹配InGaAsP波導(dǎo)層厚80-120nm；應(yīng)變InGaAsP多量子阱，5-10個(gè)量子阱，每個(gè)阱阱寬7-9nm，0.5％壓應(yīng)變，壘寬8-12nm；p型晶格匹配InGaAsP波導(dǎo)層厚80-120nm；p型InP限制層厚1.5-2.0微米和P型InGaAs歐姆接觸層厚80-120nm。激光器采用脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，長度為300-900微米，脊寬分別為2-4微米，脊兩側(cè)溝寬15-25微米，深1.5微米。
本發(fā)明的特殊DFB半導(dǎo)體激光器波導(dǎo)里的光柵是取樣布拉格光柵，具有多個(gè)影子光柵。但是取樣光柵的取樣周期很小，一般要小于10微米，半導(dǎo)體激光器波導(dǎo)的有效折射率一般是3.1到3.7之間。如果取樣周期為10微米，半導(dǎo)體激光器波導(dǎo)的有效折射率是3.7，那么取樣光柵的影子之間波長間隔大于30nm。影子光柵之間的波長間隔反比于取樣周期和半導(dǎo)體激光器波導(dǎo)的有效折射率。如果取樣布拉格光柵的光柵周期為4微米，半導(dǎo)體激光器波導(dǎo)的有效折射率為典型值為3.3，那么影子光柵之間的波長間隔約為91nm。
改變?nèi)又芷诘姆植疾粫?huì)造成中心波長的影子光柵(對(duì)應(yīng)傅立葉系數(shù)級(jí)數(shù)＝0，折射率調(diào)制強(qiáng)度在所有影子光柵中最大)的復(fù)雜濾波特性。一般取+1或-1級(jí)的影子光柵作為等效光柵，它們的折射率調(diào)制系數(shù)是除中心波長的影子光柵外最大的。影子光柵之間的波長間隔比較重要。如果半導(dǎo)體激光器的激光腔的增益不隨波長改變，那么帶有取樣布拉格光柵的激射波長可能發(fā)生在0級(jí)影子光柵、或者+1級(jí)影子光柵，或者-1級(jí)影子光柵。因?yàn)檫@些影子光柵的折射率調(diào)制是最大的三個(gè)，是激射閾值最低的三個(gè)影子光柵。半導(dǎo)體激光器的激光腔的增益實(shí)際是隨波長變化的，在激光器波長上增益最大，隨著偏離激光器波長，增益衰減得很快，典型值為12nm左右就下降到一半，因此如果取樣布拉格光柵的光柵周期為6微米，半導(dǎo)體激光器波導(dǎo)的有效折射率＝3.3，影子光柵之間的波長間隔為60nm。激光器波長一定選擇在等效光柵的帶寬范圍內(nèi)。如果激光器波長選擇在+1級(jí)影子光柵帶寬內(nèi)，即等效光柵為+1級(jí)影子光柵，那么其他影子光柵，如0級(jí)影子光柵，-1級(jí)的影子光柵的激射閾值要比等效光柵大的多。同樣的，如果激光器波長選擇在-1級(jí)影子光柵帶寬內(nèi)，即等效光柵為-1級(jí)影子光柵，那么其他影子光柵，如0級(jí)影子光柵，+1級(jí)的影子光柵的激射閾值要比等效光柵大的多。因此在激光器正常工作范圍，激光器激射只能發(fā)生在等效光柵上。
本發(fā)明基于REC技術(shù)的λ/4 DFB半導(dǎo)體激光器的具體的結(jié)構(gòu)是取樣布拉格光柵中某一位置的取樣周期發(fā)生突然變化，而其它的取樣周期保持不變，就可以使取樣布拉格光柵的某些反射峰的達(dá)到與相移光柵相似的效果。這種與布拉格光柵相移相對(duì)應(yīng)的特性稱為等效相移。更廣泛的，如果取樣布拉格光柵多個(gè)位置的取樣周期發(fā)生突然變化，那么該取樣布拉格光柵的某些反射峰就會(huì)產(chǎn)生與存在這多個(gè)相移點(diǎn)的均勻光柵相似的等效相移。特別是如果取樣布拉格光柵中心的一個(gè)取樣周期改變?yōu)槠湓L度的1.5倍或原長度的0.5倍，而其它的取樣周期保持不變，就可以使取樣光柵的奇數(shù)級(jí)反射峰發(fā)生等效π-相移參見Dianjie Jiang，Xiangfei Chen et.al“A novel distributed feedback fiber laser based on equivalentphase shift(一種基于等效相移的新型分布反饋光纖激光器)”，IEEE Photon.Tech.Lett.，16，2598(2004)；以及陳向飛等“分布反饋式光波導(dǎo)激光器”，CN200410042789.3。
DFB半導(dǎo)體激光器制作過程中，材料的外延生長的工藝復(fù)雜，較昂貴，為了避免制作內(nèi)置布拉格光柵，從而減少外延的次數(shù)，可采用側(cè)向耦合光柵。基于側(cè)向耦合光柵的DFB半導(dǎo)體激光器是一種新型DFB半導(dǎo)體激光器。為了減小光柵的制作難度，本發(fā)明提出基于等效光柵的DFB半導(dǎo)體激光器采用側(cè)向耦合光柵耦合結(jié)構(gòu)，含有等效光柵的取樣布拉格光柵位于脊波導(dǎo)的兩側(cè)。這種光柵結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器只需要一次材料外延生長，而后制作側(cè)向耦合光柵和光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。為了減小端面反射率對(duì)自脈動(dòng)特性的影響以及提高DFB半導(dǎo)體激光器的功率，激光器兩端至少一段采用抗反鍍膜，抗反鍍膜后的端面反射率范圍在10-5到10％之間。
本發(fā)明的特點(diǎn)是與等效啁啾類似，本發(fā)明易于實(shí)現(xiàn)的亞微米級(jí)精度上可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的等效相移，即對(duì)應(yīng)的等效光柵具有λ/4相移。這個(gè)等效相移與具有納米、亞納米精度的真實(shí)相移所起的作用一樣。具有λ/4相移的等效光柵可以避免制作相移光柵的復(fù)雜工藝，使制作工藝有非常好的重復(fù)性、穩(wěn)定性，可以得到很高的成品率，從而使得制作成本大大降低，使用它制作出的激光器性能優(yōu)良、穩(wěn)定，有著很大的實(shí)用潛力。而等效啁啾和等效相移技術(shù)是REC技術(shù)的特例。


圖1基于內(nèi)置光柵的普通DFB半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖。
1-1.N電極；1-2.襯底和下包層；1-3.下波導(dǎo)層；1-4.多量子阱有源層；1-5.光柵層；1-6.上波導(dǎo)層；1-7.上包層；1-8.波導(dǎo)；1-9.歐姆接觸層；1-10.P電極圖2基于側(cè)面耦合光柵的普通DFB半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖2-1.N電極；2-2.襯底和下包層；2-3.下波導(dǎo)層；2-4.多量子阱有源層；2-5.上波導(dǎo)層；2-6.上包層；2-7.布拉格光柵；2-8.波導(dǎo)；2-9.歐姆接觸層；2-10.P電極圖3普通DFB半導(dǎo)體激光器中光柵結(jié)構(gòu)示意圖。
3-1.有源層；3-2.布拉格光柵；3-3.激光器長度圖4取樣布拉格光柵的光譜示意圖4-1.+3級(jí)反射峰，代表+3級(jí)影子光柵；4-2.+2級(jí)反射峰，代表+2級(jí)影子光柵；4-3.+1級(jí)反射峰，代表+1級(jí)影子光柵；4-4.0級(jí)反射峰，代表0級(jí)影子光柵；4-5.-1級(jí)反射峰，代表-1級(jí)影子光柵；4-6.-2級(jí)反射峰，代表-2級(jí)影子光柵；4-7.-3級(jí)反射峰，代表-3級(jí)影子光柵；圖5基于等效光柵的DFB半導(dǎo)體激光器中光柵結(jié)構(gòu)示意圖5-1.有源層；5-2.取樣布拉格光柵；5-3.取樣布拉格光柵中的一個(gè)取樣；5-4.一個(gè)光柵取樣中的光柵結(jié)構(gòu)；5-5.激光器長度具體實(shí)施方式
下面分別就基于內(nèi)置等效光柵和側(cè)向耦合等效光柵的DFB激光器進(jìn)行描述實(shí)例1工作波長在1550nm波段內(nèi)的基于側(cè)向耦合等效光柵的DFB半導(dǎo)體激光器；如圖1所示，器件的外延材料描述如下首先在n型襯底材料上一次外延n型InP緩沖層(厚度200nm、摻雜濃度約1.1×1018cm-2)、100nm厚非摻雜晶格匹配InGaAsP波導(dǎo)層、應(yīng)變InGaAsP多量子阱(光熒光波長1.52微米，7個(gè)量子阱阱寬8nm，0.5％壓應(yīng)變，壘寬10nm，晶格匹配材料)、70nm厚的InGaAsP光柵材料層。使用普通微電子工藝制作含有等效光柵所需要的取樣周期分布的掩模板，掩模板的取樣周期為4微米，每個(gè)取樣的周期的占空比為0.5。在掩模板的中心取樣周期發(fā)生突然變化，周期為2微米，其他取樣周期仍然是4微米。接下來通過取樣掩模板和全息干涉曝光的方法制作出光柵結(jié)構(gòu)、然后二次外延100nm厚p型晶格匹配InGaAsP波導(dǎo)層(摻雜濃度約1.1×1017cm-2，DFB段該層的厚度為100nm)、1.7微米厚p型InP限制層(摻雜濃度從3.5×1017cm-2逐漸變化為1×1018cm-2)和100nm厚的p型InGaAs歐姆接觸層(摻雜濃度大于1×1019cm-2)。
激光器采用脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，長度為400微米，脊寬分別為3微米，脊兩側(cè)溝寬20微米，深1.5微米。DFB段的表面采用300nm厚的SiO2絕緣層，脊上的SiO2被腐蝕掉和金屬電極連接。器件的兩端均有抗反鍍膜，鍍膜后反射率小于1％。激光器的閾值電流典型值為16mA，邊模抑制比達(dá)到40dB以上。
實(shí)例2工作波長在1550nm波段內(nèi)的基于側(cè)向耦合等效光柵的DFB半導(dǎo)體激光器如圖2所示，器件的外延材料過程如下首先在n型襯底材料上順次一次外延n型InP緩沖層(厚度200nm、摻雜濃度約1.1×1018cm-2)、100nm厚非摻雜晶格匹配InGaAsP波導(dǎo)層、應(yīng)變InGaAsP多量子阱(光熒光波長1.52微米，7個(gè)量子阱，每個(gè)阱阱寬8nm，0.5％壓應(yīng)變，壘寬10nm，晶格匹配材料)、100nm厚p型晶格匹配InGaAsP波導(dǎo)層(摻雜濃度約1.1×1017cm-2)、1.7微米厚p型InP限制層(摻雜濃度從3×1017cm-2逐漸變化為1×1018cm-2)和100nm厚的P型InGaAs歐姆接觸層(摻雜濃度大于1×1019cm-2)。激光器采用脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，長度為400微米，脊寬分別為3微米，脊兩側(cè)溝寬20微米，深1.5微米。DFB段的表面采用300nm厚的SiO2絕緣層，脊上的SiO2被腐蝕掉和金屬電極連接。器件的兩端均有抗反鍍膜，鍍膜后反射率小于1％。
器件結(jié)構(gòu)的制作方法如下沉積厚度約400nm的SiNx，SF6等離子體刻蝕掉200nm的SiNx，從而形成電注入條形保護(hù)區(qū)。使用普通微電子工藝制作含有等效光柵所需要的取樣周期分布的掩模板，掩模板的取樣周期為4微米，每個(gè)取樣的周期的占空比為0.5。在掩模板的中心取樣周期發(fā)生突然變化，周期為2微米，其他取樣周期仍然是4微米。通過取樣掩模板和全息干涉曝光的方法制作出光柵結(jié)構(gòu)。SF6等離子體刻蝕形成SiNx掩模。利用Cl2/BCl3/CH4等離子體刻蝕制作光柵和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。SF6等離子體刻蝕掉電注入?yún)^(qū)域以外的SiNx掩模，利用濕法腐蝕液腐蝕掉電注入?yún)^(qū)域以外的歐姆接觸層。沉積厚度約2微米SiO2作為絕緣層，光刻腐蝕掉電注入?yún)^(qū)域頂部的SiO2；蒸鍍Cr/Au合金作為p電極。減薄襯底厚度至約100微米；蒸鍍Au/Ge/Ni合金作為n電極。光器的閾值電流典型值為27mA，邊模抑制比達(dá)到40dB以上。
權(quán)利要求
1.基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)制備分布反饋半導(dǎo)體激光器的方法，其特征在于采用取樣布拉格光柵結(jié)構(gòu)，即分布反饋半導(dǎo)體激光器波導(dǎo)里的光柵是取樣布拉格光柵，取樣布拉格光柵含有對(duì)應(yīng)普通布拉格光柵的等效光柵；分布反饋半導(dǎo)體激光器的激射波長在此取樣布拉格光柵的等效光柵的作用帶寬里，等效光柵由重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)來設(shè)計(jì)和制作，取樣布拉格光柵具有多個(gè)影子光柵，影子光柵之間的波長間隔反比于取樣周期和分布反饋半導(dǎo)體激光器波導(dǎo)的有效折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)制備分布反饋半導(dǎo)體激光器的方法，其特征在于所述分布反饋半導(dǎo)體激光器中的取樣布拉格光柵的取樣周期小于10μm，大于1μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)制備分布反饋半導(dǎo)體激光器的方法，其特征在于所述激光器中的等效光柵由等效啁啾和等效相移方法來設(shè)計(jì)和制作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)制備分布反饋半導(dǎo)體激光器的方法，其特征在于在離所述激光器中取樣光柵中心的±15％區(qū)域內(nèi)，有一個(gè)取樣周期是發(fā)生突然變化的，變化后的周期是原周期的1.4到1.6倍或0.4到0.6倍，而其它的取樣周期保持恒定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4所述的基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)制備分布反饋半導(dǎo)體激光器的方法，其特征在于所述的激光器的兩端至少一端采用抗反鍍膜，抗反鍍膜后的端面反射率范圍在10-5到10％之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～5所述的基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)制備分布反饋半導(dǎo)體激光器的方法，其特征在于所述激光器中光柵結(jié)構(gòu)以下述方法制備，先制備含有等效光柵所需要的取樣周期分布的掩模板，掩模板的取樣周期為2-8微米，每個(gè)取樣的周期的占空比為0.4-0.6；通過取樣掩模板和全息干涉曝光的方法制作出取樣光柵結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6所述的基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)制備分布反饋半導(dǎo)體激光器的方法，其特征在于所述激光器中分布反饋結(jié)構(gòu)采用側(cè)向耦合光柵結(jié)構(gòu)，其光柵位于脊波導(dǎo)的兩側(cè)。
8.基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)制備的分布反饋半導(dǎo)體激光器，其特征是分布反饋半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)是，在n型襯底材料上由外延n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、二次外延p型晶格匹配InGaAsP波導(dǎo)層和p型InP限制層和p型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，含有用作激光激射的等效光柵。分布反饋段的表面采用200-400nm厚的SiO2絕緣層，脊上的SiO2被腐蝕掉和金屬電極連接；器件的兩端均有抗反鍍膜，鍍膜后反射率小于1％。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于重構(gòu)-等效啁啾技術(shù)制備半導(dǎo)體激光器，其特征是在n型襯底材料上順次有外延n型InP緩沖層、非摻雜晶格匹配InGaAsP波導(dǎo)層、應(yīng)變InGaAsP多量子阱，InGaAsP波導(dǎo)層、p型InP限制層、P型InGaAs歐姆接觸層；半導(dǎo)體激光器采用側(cè)向耦合光柵耦合結(jié)構(gòu)，含有等效光柵的取樣布拉格光柵位于脊波導(dǎo)的兩側(cè)。分布反饋段的表面采用200-400nm厚的SiO2絕緣層，脊上的SiO2被腐蝕掉和金屬電極連接；器件的兩端均有抗反鍍膜，鍍膜后反射率小于1％。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的基于重構(gòu)-等效啁啾制備半導(dǎo)體激光器，其特征是器件n型襯底材料上外延n型InP緩沖層的厚度180-220nm；非摻雜晶格匹配InGaAsP波導(dǎo)層厚80-120nm；應(yīng)變InGaAsP多量子阱，5-10個(gè)量子阱，每個(gè)阱阱寬7-9nm，0.5％壓應(yīng)變，壘寬8-12nm；p型晶格匹配InGaAsP波導(dǎo)層厚80-120nm；p型InP限制層厚1.5-2.0微米和P型InGaAs歐姆接觸層厚80-120nm。激光器采用脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，長度為300-900微米，脊寬分別為2-4微米，脊兩側(cè)溝寬15-25微米，深1.5微米。
全文摘要
基于重構(gòu)－等效啁啾技術(shù)制備分布反饋半導(dǎo)體激光器的方法，采用取樣布拉格光柵結(jié)構(gòu)，即分布反饋半導(dǎo)體激光器波導(dǎo)里的光柵是取樣布拉格光柵，取樣布拉格光柵含有對(duì)應(yīng)普通布拉格光柵的等效光柵；分布反饋半導(dǎo)體激光器的激射波長在此取樣布拉格光柵的等效光柵的作用帶寬里，等效光柵由重構(gòu)－等效啁啾技術(shù)(REC技術(shù))來設(shè)計(jì)和制作，取樣布拉格光柵具有多個(gè)影子光柵，影子光柵之間的波長間隔反比于取樣周期和分布反饋半導(dǎo)體激光器波導(dǎo)的有效折射率。本發(fā)明易于實(shí)現(xiàn)的亞微米級(jí)精度上可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的等效相移，即對(duì)應(yīng)的等效光柵具有λ/4相移。這個(gè)等效相移與具有納米、亞納米精度的真實(shí)相移所起的作用一樣?？梢员苊庵谱飨嘁乒鈻诺膹?fù)雜工藝。
文檔編號(hào)H01S5/343GK101034788SQ200610038728
公開日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2006年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月9日
發(fā)明者陳向飛 申請(qǐng)人:南京大學(xué)