[发明专利]基于重构-等效啁啾和等效切趾的平面波导布拉格光栅及其激光器

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，光电传感以及其他光电信 息处理，提出了一种切趾平面波导布拉格光栅和分布反馈(DFB)半导体激光器的设计 制造方案，为一种基于重构-等效啁啾和等效切趾的平面波导布拉格光栅及其激光器。

背景技术

作为信息传送的基础，光纤通信系统正在向高速化和网络化方向发展。经历前几年 的爆炸性扩张以后，Internet已步入一个稳定发展期。互联网的速率与容量保持稳步增 长，并且逐渐融合传统的电话网和有线电视网而成为一个统一的信息网络。能担当得起 信息网络物理基础重任的，只有光纤通信系统[1]。近年来出现的光子集成技术，顺应了 时代的发展，正开启着一个全新的光网络时代。光子集成技术则被认为是光纤通信最前 沿、最有前途的领域。在美国硅谷实验室中，英飞朗(Infinera)公司已经用磷化铟等材 料制成大量复杂的光电集成器件，使得光通信成本更低容量更高。在当前几个重要的光 集成技术中，平面光波导技术在市场上已有成熟的产品。其中，平面波导布拉格光栅是 平面光集成中不可缺少的一个器件，因它可以实现多波长信号的复用/解复用，光分插复 用和光滤波器等一系列功能而受到重视。目前的平面波导布拉格光栅制作工艺主要有相 位掩膜法电子束或者激光直写法等，这几种方法对设备的精度要求很高，成品率低且费 时费力。尤其是如果要求切趾、啁啾等结构，不同工作波长的平面波导布拉格光栅需要 不同的相位掩膜版或复杂的仪器调整。这些因素限制了平面波导布拉格光栅的大规模应 用，尤其是平面集成多波长布拉格光栅滤波器。因此低成本高性能平面波导布拉格光栅 是其设计生产的一个重点发展方向之一。

与此同时，对于有源光通信器件，无论是在光通信网络还是在光子集成芯片中，DFB 半导体激光器因其良好的单模特性而受青睐。DFB半导体激光器是平面波导布拉格光栅 的一个具体应用，两者有着类似的光栅结构。早期的DFB半导体激光器是折射率被周 期性地均匀调制。这种激光器在以布拉格波长对称的两侧，存在两个谐振腔损耗相同并 且最低的模式，称之为两种模式简并。但如果在光栅的中心引入一个四分之一波长(λ/4) 相移区，就可以消除双模简并。这种方法的最大优点在于其模式阈值增益差大，可以实 现真正的动态单模工作，这是实现激光器单模工作的有效方法，在光通信系统中应用广 泛。当然，λ/4相移的DFB半导体激光器本身也存在着一些缺陷。例如，在注入电流较 大时，单模特性会因烧孔效应而被破坏，因而要使其保持单模特性，工作电流必须被限 制在阈值附近。此外，如果激光器端面的增透膜有损坏，单模特性也会受到影响。λ/4相 移的DFB半导体激光器制造工艺也十分复杂，需要纳米精度的控制。这些因素综合起 来，不仅导致现有市场上的激光器成本过高，还使其工作可靠性和稳定性受到了影响。 为了得到单模特性更好的DFB激光器，研发人员提出了各种特殊结构，如啁啾结构， 周期调制结构CPM，多相移结构MPS，λ/8相移结构等。虽然这些结构都有效地改善 了激光器的性能，但是由于光栅结构更复杂，使得它们的制造成本更高，例如使用电子 束曝光技术(E-Beam lithography)，高昂的制造成本限制了这些激光器的大规模应用。 文献[2]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，利用一种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”(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光栅周期啁啾CGP 的方法。提出等效啁啾最早的文献可参考Xiangfei Chen et.al，“Analytical expression of sampled Bragg gratings with chirp in the sampling period and its application in dispersion management design in a WDM system”(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的应用)，IEEE Photonics Technology Letters，12， pp.1013-1015，2000。该技术的最大的优点是，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，即某一个信道中，得到我们所需要的任意目标反射谱[5、6]。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度的制造。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。