专利名称：相移电控制取样光栅半导体激光器及其设置方法
技术领域：
本发明属于光电子技术领域，涉及光纤通信，光子集成，光电传感以及其他光电信息处理；是一种波长在一定范围内连续可调的取样光栅半导体激光器及设置方法。
背景技术：
由于现在对光通信网络传输容量的需求急剧增长，密集波分复用(Densewavelength division multiplexing, WDM)系统复用的信道数越来越多,这种通信系统需要用不同激射波长的激光器作光源。为减少由此带来的能耗和维护成本急剧上升问题，光子集成(Photonic integration circuit, PIC)是必然的选择。但是，目前这种大规模集成的PIC芯片中所使用的高性能光源——激光器阵列，还只能依赖于高精度电子束刻写技术来制造。对于满足ITU — T标准波长的真实相移光栅，这种电子束刻写技术需要至少O. I 纳米量级以上的加工精度，只能采用经过特别改造后的电子束曝光设备来进行加工，其加工工艺缓慢费时，加工成本非常高昂，不能用于激光器的大规模商业化生产。此外，ITU — T标准对激光器的激射波长提出了严格的要求，而实际的半导体激光器制作过程中，存在各种偶然因素使得激光器激射波长偏离这个要求。因而在制作多波长激光器阵列时，常采用波长调谐装置如热调谐或改变注入电流、以及多电极注入等方式，来控制激光器的激射波长严格对准ITU - T标准。这些波长调谐装置使得激光器的结构变得复杂，加工难度增大，它们也会导致多波长激光器阵列中各个激光器输出激光功率不均衡问题。对于激光器激射波长的初步控制，南京大学陈向飞教授发明的重构一等效啁啾(Reconstruction-equivalent chirp, REC)技术有很大的优势。利用这种取样光栅技术，能用微米量级加工工艺来代替原本需要纳米量级工艺才能实现的波长控制，制作成本有很大的降低，特别适合制作PIC设备中的多波长半导体激光器阵列。对于激光器激射波长的精细调节，T. Numai等人提出的在DFB激光器中间引入相移区的方法则有很大的优点，实验报道显示通过改变注入相移区电流的大小，能连续调节激光器激射波长达2. Inm0我们的理论研究表明，在现有工艺条件下这种激光器的激射波长连续可调范围能高达5 6nm。这种激光器的优点是在激射波长连续调节的过程中，激光器的域值电流和正常工作电流(两倍到三倍域值电流)时输出的激光功率变化不大，它的不足是难以用这种方法制成多波长激光器阵列。主要参考文献
[1]Tingye,L. , Advances in optical fiber communications: an historicalperspective. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1983. 1(3):356-371.
[2]Ishio,H. , J. Minowa, and K. Nosu, Review and status of wavelength-division-multiplexing technology and its application. Journal of LightwaveTechnology, 1984. 2(4): 448-463.[3]Keiser，G.E. , A Review of WDM Technology and Applications. Optical FiberTechnology, 1999. 5: p. 37.
[4]Chen,X. F. , et al., Photonic integrated technology for mu11i-waveIengthlaser emission. Chinese Science Bulletin, 2011. 56(28-29): 3064-3071.
[5]Tennant,D. and T. Koch, Fabrication and uniformity issues in 入 /4shifted DFB laser arrays using e-beam generated contact grating masks.Microelectronic Engineering, 1996. 32(1-4): 331-341.
[6]Steingr" ber，R., et al. , Continuously chirped gratings for DFB-Iasersfabricated by direct write electron—beam lithography. MicroelectronicEngineering, 2002. 61-62: 331-335.
[7]SakanojS. , et al. , Tunable DFB laser with a striped thin-film heater.IEEE Photonics Technology Letters, 1992. 4(4): 321-323.
[8]HansmannjS. , et al., Static and Dynamic Properties of InGaAsP-InPDistributed-Feedback Lasers—a Detailed Comparison between Experiment andTheory. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1994. 30(11): 2477-2484.
[9]DuttajN. , et al. , Electronically tunable distributed feedback lasers.Applied Physics Letters, 1986. 48(22): 1501-1503.
[10]Dai，Y., et al., Sampled Bragg grating with desired response in onechannel by use of a reconstruction algorithm and equivalent chirp. OpticsLetters, 2004. 29(12) : 1333 — 1335.
[11]Chen,X·，et al. , Analytical expression of sampled Bragg gratingswith chirp in the sampling period and its application in dispersion managementdesign in a WDM system. IEEE Photonics Technology Letters, 2000. 12(8): 1013—1015.
[12]Feng，J., et al. , A novel method to achieve various equivalent chirpprofiles in sampled Bragg gratings using uniform-period phase masks. OpticsCommunications, 2002. 205: 71-75.
[13]Dai，Y., et al., Equivalent phase shift in a fiber Bragg gratingachieved by changing the sampling period. IEEE Photonics Technology Letters,2004. 16(10) : 2284-2296.
[14]NumaijT. , I. 5 μ m phase-controlled distributed feedback wavelengthtunable optical filter. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1992. 28(6):1513-1519.
[15]H.Ghafouri-Shirazj et al. , Analysis of a 入/4-Phase-Shifted DoublePhase-Shift-Controlled Distributed Feedback Wavelength Tunable Optical
Filter. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1997. 33(4): 556-561.
[16]Y.KOTAKIj et al. , Tunable, narrow-1inewidth and high-power lambda4-shifted DFB laser. Electronics Letters, 1989. 25(15): 990-992.
[17]NobuhiroNunoyaj et al. Novel tunable DFB laser with separated highcoupling coefficient gratings, in 2006 International Conference on IndiumPhosphide and Related Materials Conference. 2006: 68—71。
发明内容
本发明的目的在于，为使半导体激光器的激射波长满足ITU — T标准，提出了一种利用取样光栅技术来实行对半导体激光器激射波长的初步控制，然后通过改变激光器两个取样光栅区和中间相移区注入电流大小的方法，来获得不同的相移值，进而精细调节激光器激射波长的方法及装置，为DFB半导体激光器的设计制造，提出一种新的结构和工艺。本发明的目的是提出一种激射波长可调的取样光栅半导体激光器及其利记博彩app，利用取样光栅技术设有两个取样光栅区，在两个取样光栅区中间设有一个相移区构成取样光栅激光器，基于取样光栅技术和相移电流注入控制技术得到可调波长分布反馈式(DFB)半导体激光器及利记博彩app。本发明技术方案是基于相移电控制的取样光栅半导体激光器，其所述的DFB半 导体激光器结构由两个取样光栅区和一个相移区组成。两边取样光栅区中的光栅是取样布拉格光栅(Sampled Bragg grating, SBG),中间的相移区可没有光栅,或可以有与取样光栅区相同的SBG，取样周期从I微米到数十微米量级，两个取样光栅区的电极连接在一起，但与相移区的电极相隔离。通常选用取样光栅第±1级子光栅之一作为激射信道；此外，为保证只有所选的激射信道激射而零级信道不发生激射，在选择制作激光器的半导体材料时，把半导体材料的增益区中心设置在所选择的激射信道布拉格波长处而远离零级信道布拉格波长。I、普通的均匀取样光栅
图I为普通的均匀取样模板的示意图，其中a是一个取样周期中有光栅部分的长度，P为取样周期。从数学上来看，一个取样布拉格光栅的折射率调制￡ιη可以表示为
A Ii . . Ijix'
細=— Μβ (X) (J-J + cr.⑴
2Λ0
在这里，分别是种子光栅的折射率调制深度和光栅周期，表示复共轭。图I中取样函数S(X),根据傅里叶分析，可用下式表示
x I f .2mnx'f0 , . ΙπΜΚ, . I . nma 卜 2謂χ . Kma.,、
=Epexv0-^)J_EeiiP(-j=Σ—sm—skP0+ J —) (2)
取样光栅的第m级傅里叶系数足可表示为
I , nma , , mna.,、
通卞蛾JT}⑶
把式⑵和⑶代入式(1)，可得
, ηrInmxs
如=Σ 4 e^P D(-t~++cc-(4)
m几0从式(4)可知，一个取样光栅可以看成是许多影子光栅(一个影子光栅对应一个信道)的叠加。第m级影子光栅的周期As可以表示为
权利要求
1.一种基于相移电控制的取样光栅半导体激光器，其特征是所述的DFB半导体激光器结构由第一与第二两个取样光栅区和一个相移区组成；两边取样光栅区中的光栅是取样布拉格光栅(SBG)，中间为相移区，取样周期从I微米到数十微米量级；两个取样光栅区的电极连接在一起，但与相移区的电极相隔离； 均匀取样光栅中的折射率调制强度，表示为
2.根据权利要求I基于相移电控制的取样光栅半导体激光器，其特征是选用取样光栅第±1级子光栅之一作为激射信道；把半导体材料的增益区中心设置在所选择的激射信道布拉格波长处而远离零级信道布拉格波长。
3.根据权利要求2基于相移电控制的取样光栅半导体激光器，其特征是两个长度相同的取样光栅区的取样占空比不同，第一取样光栅的取样占空比> 为O. 5，第二取样光栅的取样占空比&是在O. 2到O. 5之间的值。
4.根据权利要求2所述的基于相移电控制的取样光栅半导体激光器，其特征是两个取样光栅区取样光栅相同；第一和第二取样光栅取样光栅区的长度不同； 当激光器取样光栅区第一和第二取样光栅区的取样光栅相同时，取样光栅区长度越长对激射波长的反馈作用就越强； 当本发明激光器一侧的取样光栅区长度保持恒定时，另一侧取样光栅区长度越小则从这一侧出射的激光功率就越大。
5.根据权利要求的I至4之一所述的基于相移电控制的取样光栅半导体激光器构成DFB半导体激光器单片集成阵列。
6.根据权利要求5所述的基于相移电控制的取样光栅半导体激光器单片集成阵列构成的PIC发射芯片模块，其特征是由激光监测器阵列、所述基于相移电控制的取样光栅半导体激光器单片集成阵列、调制器阵列、功率均衡器阵列和复用器，通过选择区外延生长或对接生长集成到同一外延晶片上。
7.根据权利要求的3所述的基于相移电控制的取样光栅半导体激光器设置方法，其特征是占空比为O. 5时，第±1级子光栅中折射率调制强度最大，对第±1级子光栅布拉格波长的反馈作用最强；占空比偏离O. 5越多，则第±1级子光栅中折射率调制强度越小，对第±1级子光栅布拉格波长的反馈作用越弱；在激射功率一定的情况下，前一部分的取样占空比I为O. 5，后一部分的取样占空比☆偏离O. 5越多，从后一部分取样光栅区有效输出的激允功率越大；在无法进行端面镀膜的情况下，优化后一部分的取样占空比Yr ,能提高激光器从这个取样光栅区一侧端面有效输出的激光功率。
8.根据权利要求的4所述的基于相移电控制的取样光栅半导体激光器设置方法，其特征是取样光栅区越长，对第±1级子光栅布拉格波长的反馈作用越强； 当本发明激光器一侧的取样光栅区长度保持恒定时，在激射功率一定的情况下，另一侧取样光栅区长度越小则从这一侧出射的激光功率就越大； 在无法进行端面镀膜的情况下，优化两个取样光栅区的长度，能提高激光器从长度较短的取样光栅区一侧端面有效输出的激光功率。
9.根据权利要求7所述的基于相移电控制的取样光栅半导体激光器设置方法，其特征是为减少取样光栅区、相移区注入电流间的串扰，提高改变引入相移精细调节激光器激射波长的效果，还在取样光栅区和相移区之间用氦离子注入进行电隔离；在引入相移大小在·O.25 Ji I. 75 Ji范围内，激光器域值电流和在正常工作、工作电流在2 3倍域值电流时激光器输出的激光功率变化很小。
全文摘要
本发明提出了一种基于相移电控制的取样光栅半导体激光器，所述的DFB半导体激光器结构由第一与第二两个取样光栅区和一个相移区组成；两边取样光栅区中的光栅是取样布拉格光栅(SBG)，中间为相移区，取样周期从1微米到数十微米量级；两个取样光栅区的电极连接在一起，但与相移区的电极相隔离；取样光栅区和相移区的有效折射率与长度，分别用nSBG和nP、LSBG和LP来表示；只要改变取样周期P的大小，就能实现对激光器激射波长的初步控制；构成相移电控制的取样布拉格光栅分布反馈式(DFB)半导体激光器。
文档编号H01S5/12GK102916340SQ20121037071
公开日2013年2月6日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年2月8日
发明者周亚亭, 陈向飞 申请人:南京大学