基于重构—等效啁啾的快速可调谐半导体激光器及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光电子技术领域，与分布反馈（DFB)半导体激光器有关，尤其涉及复 杂分布反馈可调谐半导体激光器的设计和制作，更具体而言，是基于重构一等效啁啾技术 的低成本快速可调谐DFB半导体激光器的方法及装置。 二、
【背景技术】
[0002] 现代光通信系统是以波分复用（WDM)技术为基础的，而WDM技术本身是从波长的 角度来定义的，于是波长本身就成为光通信系统中最重要的资源之一。开发可利用的波长 信道资源和如何提高这些波长信道的利用效率就成为了人们研宄的热点问题。可调谐激光 器（TL !Tunable Laser)的研宄已经持续近30年，作为新一代密集波分复用（DWDM)系统以 及光网络中光子交换的关键光电子器件，可调谐激光器的运用将使得光纤传输系统容量大 大增加，灵活性和可扩展性大大增强。
[0003] 另一方面，随着光通信技术的不断发展，其智能性也将获得比较大的关注，智能化 的光网络技术需要可调谐激光器，以实现灵活的波长路由。如果使用多个固定波长激光器 和相应的多个调制器，对于器件的可靠性和性能都会产生很大的影响，并且会增加功耗，尺 寸，质量和成本。因此，需要用一个精密快速波长扫描激光器，以大幅度地简化复杂光网络 的架构，并消除不同波长信道之间的光串扰，取代固定波长激光器。
[0004] 可调谐激光器应用广泛，可以应用的领域很广。在光交换领域，不仅要求实现波长 精确的调谐，还需要极快的调谐速度，理想情况下需要〈10纳秒的信道-信道的转换速度， 一般情况下也需要〈1微秒的信道-信道的转换速度，调谐范围要求覆盖整个波段。
[0005] 可调谐激光器有很多实现方案，目前主要有三种方案来实现波长的可调谐：外腔 结构、采样布拉格反射（SGDBR)激光器以及基于分布反馈激光器（DFB)阵列的结构，这些设 计的激光器都能达到40nm的调谐范围，从而满足DWDM系统的要求，但是这三种结构各有优 缺点。
[0006] 基于外腔结构的激光器是一种采用混合集成的方式，通过外部光学元件（比如微 机电系统MEMS)的机械运动来选择相应的波长，这种方式可以在较宽的波长范围内连续的 对波长进行调谐，具有较高的输出功率，并且可以获得较窄的线宽。但是由于尺寸一般在几 百微米的数量级，所以对这些光学元件及机械系统的制作有非常高的要求，同时混合集成 的封装方式也比较复杂，从而大大的增加了成本。由于此类型可调谐激光器采用外腔结构， 所以调谐速度无法实现微秒、纳秒级别的快速可调谐。基于外腔结构的可调谐激光器可参 见Intel的研宄成果[1-2]。
[0007] 目前商用化比较成功的单片集成可调谐激光器是基于采样的布拉格反射 (distributed Bragg reflection，DBR)的可调谐半导体激光器方案，对这种类型的激光器 的研宄也比较广泛。它是利用两个采样的布拉格反射光栅之间的游标效应来实现大范围 的波长调谐的，相对于外腔结构，这种方案是单片集成的，不需要外部的机械结构，从而封 装和调节相对简单。但是这种方案对半导体工艺要求比较高，需要有源无源集成的工艺， 从而增加了工艺的复杂度，降低了成品率，由于其较高的工艺要求及较低的成品率，使得价 格一直居高不下。这种类型的可调谐激光器中电调谐折射率的调谐速度能够达到纳秒数 量级，调谐范围也比较宽，但是由于调谐过程中伴随的热效应稳定速度比较慢，从而导致激 光器的波长和模式稳定的速度也比较慢，所以实际调谐速度在毫秒数量级、不满足微秒、纳 秒级快速可调谐激光器的要求。基于分布布拉格反射结构的可调谐激光器可参见JDSU的 SG-DBR 结构[3]、Oclaro 的 DS-DBR 结构[4]以及 Syntune 的 MGY 结构[5]。
[0008] 此外，还有一种基于DFB半导体激光器阵列的可调谐方案。可调谐DFB激光器是 最早的可调谐半导体激光器，DFB激光器由于其优良的动态单模特性和稳定性已成为目前 光通信系统中应用的主要光源。可调谐DFB激光器波长选择机构是分布在有源区里的光 栅，通过调节温度以改变光栅反射区的折射率进而改变布拉格波长来实现波长调谐，因此， 最大调谐范围受限于光栅区折射率的最大变化范围，此类激光器依靠电流注入可达到的最 大调谐范围一般为4~5nm。为了扩大DFB激光器的调谐范围，组合多个DFB激光器形成 DFB阵列是一种有效的方法，不同激射波长的阵列能够组合实现大范围的波长调谐。此外 DFB结构的可调谐激光器成本相对低廉，因为它是一个单一器件，不需要反馈并且也不需要 采用复杂的有源无源材料集成方式。阵列的耦合可以通过有源无源集成或者混合集成的 方式来实现，其中有源无源集成工艺要求比基于采样的布拉格反射的DBR激光器的工艺要 求低，混合集成方式也比基于外腔结构的可调谐激光器要求简单（不需要机械部件），所 以有希望实现相对低成本的可调谐激光器的制作。这种可调谐方式的优点是激光器性能 稳定，在波长调节过程中不会出现跳模，并且避免了复杂的封装以及改变了波长调节方式， 从而更容易实现单片集成。这种基于串联与并联方式的DFB激光器阵列矩阵通常被用在 lOGbit/s的传输系统中。对于这种分布反馈结构的可调谐激光器阵列结构的研宄，有NEC 的采用六个8阵列的DFB半导体激光器覆盖了整个S、C和L波段[6]。基于这种串联与并 联方式的DFB激光器阵列在lOGbit/s的传输系统中由于材料折射率的变化对温度的响应 比较慢，所以调节速度比较慢，其调谐速度也最多在毫秒数量级，无法实现微秒、纳秒的快 速可调谐目标。
[0009] 如果我们通过调节电流来对可调谐激光器阵列矩阵中的工作激光器进行选择，降 低阵列矩阵中的激光器的波长间隔，便可以通过调节电流来实现对于激光器的波长的选 择，实现快速调谐，调节速度可以达到纳秒量级。
[0010] 要实现亚纳秒调节速度的波长调谐的可调谐激光器，以上所述、当前可调谐激光 器的主流方案都无法满足要求
[0011] 本发明的目的就是要设计和制作低成本的快速可调谐DFB半导体激光器，改善波 长调谐速度的一种简单有效的方式是将多个DFB激光器通过串联或者串联与并联混合的 方式集成在一起，我们通过对于激光器阵列矩阵结构中的工作激光器进行选择来改变激光 器的工作波长。
[0012] 然而，在同一芯片上制作工作波长不同的激光器并非易事。传统的方法是采用电 子束曝光技术。但由于电子束曝光技术的成本很高，刻写速度非常慢，并且由于电子束本身 的特点，其做出来的激光器阵列工作波长准确性不够，影响了激光器阵列的质量或者成本 率，从而降低了激光器的性能，增加了激光器的成本。因此，单片集成快速可调谐激光器阵 列矩阵结构需要新的制造工艺和技术的出现。
[0013] 相关文献[7]和专利[8]提出了一种新的DFB激光器制造方法：利用一种光纤布 拉格光栅的设计技术-重构一等效啁啾技术来设计DFB半导体激光器。重构一等效啁啾技 术最早被应用在光纤光栅的设计，可追溯到2002年冯佳、陈向飞等人在中国发明专利一用 于补偿色散和偏振模弥散的具有新取样结构的布拉格光栅Il (CN02103383. 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 效的光栅周期啁啾（CGP)的方法。这种特殊的布拉格光栅是取样布拉格光栅，取样布拉格 光栅具有多个反射峰，每个反射峰代表一个影子光栅，对应于一个傅里叶系数。在中心布拉 格波长两侧的+1和-1级影子光栅，其作用与普通的布拉格光栅（非取样光栅）相同，因 此利用复制取样结构可以形成复杂的+1和-1级影子光栅，以代替普通的布拉格光栅，+1 和-1级影子光栅称为等效光栅。在普通布拉格光栅的作用频段上等效光栅可以完全代替 普通布拉格光栅，等效光栅的复杂特性可以通过改变取样光栅的取样周期结构获得。由于 取样周期一般远远大于光栅周期，因此重构一等效啁啾技术可以极大的简化具有特殊精细 结构的布拉格光栅的制作程序，利用亚微米级精度实现了纳米级精度的制造。重构一等效 啁啾技术已经用于若干特殊结构DFB半导体激光器及阵列的研制中[9-11]，并且重构一等 效啁啾技术对DFB激光器波长具有更高的精度控制能力，目前波长控制精度可达±0. 2nm， 完全满足此类型可调谐激光器对激光器波长控制精度的需要[12]。同时，重构一等效啁啾 技术的制作过程与传统全息曝光工艺相互兼容，从而在制造成本上具有电子束曝光技术无 法比拟的优势，能够满足未来通信系统对低成本的要求。
[0014] 在基于重构一等效啁啾技术制作DFB半导体激光器及激光器阵列的基础上，本发 明采用串联与并联方式将工作波长不同的激光器集成在同一芯片上，并且通过对于工作激 光器的选择来进行波长的调节，从而能够实现制作低成本快速可调谐DFB半导体激光器。 需要指出的是，通过串联与并联方式制作的DFB半导体激光器并不是单个激光器的简单叠 加，它需要处理激光器之间的串扰问题，而其性能也是多个激光器综合作用的结果。
[0015] 参考文献
[0016] [1]''Automated Optical Packaging Technology for lOGb/s Transceivers and its Application to a Low-Cost Full C-Band Tunable Transmitter，''Intel Technology Journal，vol. 08, 101-114, 2004.)
[0017] [2]//Full C-Ban