一種半導(dǎo)體激光器及其制作方法及激光器陣列的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及光纖通訊、光子集成以及其他光電信息處理。尤其是基于重構(gòu)一等效啁啾技術(shù)的三相移DFB半導(dǎo)體激光器及其制作方法及激光器陣列。
【背景技術(shù)】
[0002]DFB(Distributed Feedback Laser)，即分布式反饋激光器半導(dǎo)體激光器是指分布反饋式激光器，由于內(nèi)置布拉格光柵，具有良好的濾波特性，能夠篩選出不同波長。高功率、單縱模、窄線寬的DFB半導(dǎo)體激光器是現(xiàn)代光纖通信的核心光源。為了提高DFB半導(dǎo)體激光器的單模成品率，通常在激光器腔的中間位置引入λ/4相移，然而這種λ/4相移使得激光器的光場分布不均勻，尤其在腔長中間位置出現(xiàn)尖峰，中間位置光場的高度集中導(dǎo)致此處的載流子大量消耗，從而導(dǎo)致有效折射率的改變引起空間燒孔效應(yīng)。空間燒孔效應(yīng)改變了激光器諧振腔內(nèi)光反饋的強(qiáng)度及相位，引起增益譜的起伏波動，會導(dǎo)致對邊模抑制作用的減弱，激光器光功率曲線呈現(xiàn)非線性，破壞單模工作方式。
[0003]為此，人們提出了多種特殊光柵結(jié)構(gòu)的DFB半導(dǎo)體激光器來抑制空間燒孔效應(yīng)，如周期調(diào)制(Corrugat1n Pitch Modulated)、多相移(Multiple phase-shift)、幅度調(diào)制親合(Amplitude modulated coupling)DFB半導(dǎo)體激光器等方法。例如文獻(xiàn)(M.0kai, N.Chinone, H.Taira, and T.Harada.Corrugat1n-pitch-modulatedphase-shifted DFB laser (周期調(diào)制相移 DFB 激光器)，IEEE Photonics TechnologyLetters, 1989，I (8): 200 - 201.)提出的周期調(diào)制CPM-DFB，通過在激光器腔中心引入一段周期與兩側(cè)不同的光柵，從而實(shí)現(xiàn)抑制空間燒孔效應(yīng)、高功率下穩(wěn)定單模工作的目的。文獻(xiàn)(G.P.Agrawal, J.E.Geusic, and P.J.Anthony.Distributed feedback laserswith multiple phase-shift reg1ns (多相移 DFB 激光器研宄)，Applied PhysicsLetters, 1988，53 (3): 178 - 179.)通過相移的調(diào)整使得光場沿腔分布更加均勻，從而減小空間燒孔效應(yīng)。文獻(xiàn)(T.Fessant.Large signal dynamics of distributedfeedback lasers with spatial modulat1n of their coupling coefficient andgrating pitch (親合系數(shù)及周期調(diào)制DFB激光器的大信號特性研宄)，Applied PhysicsLetters, 1997，71(20):2880 - 2882.)通過制作不同形狀的光柵來實(shí)現(xiàn)耦合系數(shù)和幅度增益的調(diào)制，達(dá)到抑制空間燒孔效應(yīng)的目的。雖然這些結(jié)構(gòu)都能有效的改善DFB激光器的性能，但由于光柵結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，實(shí)際制作起來工藝復(fù)雜、成品率低，目前主要的解決方法是利用電子束曝光技術(shù)來精確控制激光器的光柵結(jié)構(gòu)。
[0004]另一方面，目前的光網(wǎng)絡(luò)主要由各種分立的光子器件組成。隨著信息容量爆炸式的增長，這種分立的光器件組合方式會帶來很多問題，比如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜而龐大、能耗大量增加、管理成本也迅速提高。這些問題導(dǎo)致了現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法將很難進(jìn)一步的維持下去。為了解決這些問題，光子集成技術(shù)被普遍認(rèn)為是該問題的主要解決方法而受到廣泛的關(guān)注和研宄。光子集成回路和目前的電子集成回路是等價(jià)的。它將很多個(gè)功能光子器件集成在同一個(gè)半導(dǎo)體襯底上，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的功能。比如美國英飛朗公司(Infinera Corp.)將10個(gè)光探測器、多波長DFB半導(dǎo)體激光器、電吸收調(diào)制器、放大器以及一個(gè)陣列波導(dǎo)光柵(AWG)集成在一個(gè)InP襯底上實(shí)現(xiàn)10*10Gb/s的波分復(fù)用(WDM)發(fā)射芯片(文獻(xiàn) David F.Welch, et.al, Large-scale InP photonic integratedciruits:Enabling efficient scaling of optica ；transport networks (大規(guī) 模銦磷基光子集成回路:光傳輸網(wǎng)有效解決方案)，IEEE Journal of selected topicsin quantum electronics, 2007, 13(1):22-31.) o 作為光子集成芯片的“發(fā)動機(jī)”，集成多波長DFB半導(dǎo)體激光器陣列是其中非常關(guān)鍵的元件(文獻(xiàn)陳向飛，劉文，安俊明，劉宇，徐坤，王欣，劉建國，紀(jì)越峰，祝寧華，“多波長激光發(fā)射光子集成技術(shù)”科學(xué)通報(bào)，2011，56 (25):2119-2126.)。但是，目前低成本制造還比較困難。DFB半導(dǎo)體激光器陣列的制造主要有兩方面的關(guān)鍵問題。其一，DFB激光器陣列中每個(gè)激光器波長的準(zhǔn)確以及單獨(dú)的控制，這需要每個(gè)激光器光柵周期的準(zhǔn)確控制。其二，一個(gè)多波長陣列的成品率是每個(gè)激光器成品率的激光器個(gè)數(shù)的指數(shù)倍，所以，如果整個(gè)陣列芯片有比較好的成品率，每個(gè)激光器需要很高的成品率。對于以上兩個(gè)問題，目前主要的解決方法有，利用電子束曝光技術(shù)精確控制每一個(gè)激光器的光柵周期，同時(shí)在光柵中間位置插入π相移。同時(shí)，激光器兩端鍍增透膜或者制作傾斜的諧振腔波導(dǎo)，避免端面反射和端面隨機(jī)相位的影響(文獻(xiàn)Peter P.G.Mols, P.1.Kuindersma, Wilma Van Es-Spiekman, and InGrid A.F.Baele, Yieldand device characteristics of DFB lasers:statistics and novel coating design intheory and experiment (DFB激光器的成品率與器件的特性:統(tǒng)計(jì)特性和新型鍍膜的設(shè)計(jì)理論以及實(shí)驗(yàn))，IEEE Journal of quantum electronics, 1989，25 (6): 1303-1313.)。這樣每個(gè)激光器的激射波長完全處于Bragg光柵光譜的禁帶中心。但是對于它的制造也面臨同樣的問題，相移需要納米量級的控制，實(shí)際制作的時(shí)候比較困難。所以往往借助于電子束曝光技術(shù)。然而，電子束曝光的方法是將光柵條紋一條一條刻寫，非常耗時(shí)，制作成本很高，限制了它的實(shí)際應(yīng)用，如果是多波長激光器陣列，制作效率更低、成本更高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種半導(dǎo)體激光器及其制作方法及激光器陣列。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體激光器，在激光器取樣光柵位置對稱的設(shè)置3個(gè)2 /3相移，3個(gè)2 /3相移分別對稱的設(shè)置在激光器腔長L的1/4、1/2、3/4處；所述取樣光柵為布拉格光柵，且是等效相移光柵。
[0007]本發(fā)明中，所述的布拉格光柵結(jié)構(gòu)是在種子光柵的周期、折射率調(diào)制恒定、取樣周期相同的條件下制作的取樣布拉格光柵；種子光柵是通過全息干涉曝光法、雙光束干涉法、電子束或納米壓印法中的任意一種制作而成的種子光柵。
[0008]本發(fā)明中，選用取樣光柵的±1級子光柵之一作為激射信道。
[0009]本發(fā)明中，該激光器的輸入端面和輸出端面均鍍高透膜AR，且高透膜的端面反射率在1%以內(nèi)。
[0010]本發(fā)明中，制作激光器的半導(dǎo)體材料的增益中心設(shè)置在所選擇的激射信道布拉格波長處而遠(yuǎn)離零級信道布拉格波長。
[0011]本發(fā)明還公開了一種半導(dǎo)體激光器的制造方法，包括以下步驟:
[0012]在η型襯底材料上一次外延η型InP緩沖層、10nm厚的非摻雜晶格匹配InGaAsP波導(dǎo)層作為下波導(dǎo)層、應(yīng)變InGaAsP多量子講和10nm厚的ρ型晶格匹配InGaAsP波導(dǎo)層作為上波導(dǎo)層；
[0013]通過具有三相移結(jié)構(gòu)的取樣圖案的掩模板，運(yùn)用全息干涉曝光的方法在上波導(dǎo)層形成激光器的光柵結(jié)構(gòu)；
[0014]制作取樣光柵，通過二次外延生長P型InP緩沖層和ρ型InGaAs波導(dǎo)層，刻蝕形成脊形波導(dǎo)和接觸層；