专利名称：一种多波长分布反馈式半导体激光器装置及其制作方法
技术领域：
本发明属于光电子技术领域，涉及光电材料，光子集成，光电传感以及其他光电信息处理。是一种由多层分布反馈式(Distributed feedback, DFB)半导体激光器材料组成多波长激光器的装置及制作方法。
背景技术：
双波长乃至多波长激光器，在光纤通信波分复用技术、激光雷达、光频谱学、微波光子技术、气体侦测和其他传感技术等方面有着十分广泛的应用。近几年物联网技术的发展，对传感信号的采集，提出了经光纤网络，甚至是经因特网传输的要求。半导体激光器结构紧凑，体积很小；而且通信波段的半导体激光器，其激光信号在光纤网络中几乎能无损耗地传输，利用这一类激光器制成的传感器，其传感信号能经光纤网络远距离传输而不失真。 这些特点，对于传感网络的成网和远距离传感信号的采集处理，都是十分有利的。更为有利的是，双波长半导体激光器信号的频率(或波长)，能为外界物理量的变化(如温度、应力或应变等)所调制。对两种波长激光拍频信号的测量，能用来制作成测量某种物理量变化 (如温度、应力或应变等)的传感器。特别是如果两种激光的频率(或波长)相差不太大时，这种拍频信号能用电频谱仪(GHz或IOGHz量级)进行测量。所以其传感信号的分析处理将是十分方便的，且处理成本较低。反过来可通过控制外界物理量的变化(如温度、应力或应变等)，来改变两个激光信号的频率(或波长)，从而来获取需要的拍频信号，这可用来产生需要的微波信号(包括太赫兹波)。制造双波长半导体激光器的方法有很多，如用两个不同波长的分布反射式 (Distributed Bragg reflection, DBR)或两个DFB激光器并联或串联在一起组成的双波长激光器，用Y波导联接两个波长不同的DBR或DFB激光器组成的双波长激光器，外腔二极管(External Cavity Diode, E⑶)双波长激光器，两个有源层叠加在一起的垂直腔面发射 (Vertical Cavity Surface Emitting, VCSE)双波长激光器，两个激光器有源层相互倒置共用一个电极的双波长激光器，量子级联双波长激光器和两个有源层叠加中间用反向隧道结进行隔离的双波长激光器等多种双波长半导体激光器。然而，这些上述的双波长半导体激光器存在着各自的缺点，例如DBR激光器本身结构比较复杂，且存在容易跳模等缺点，而两个DBR或DFB激光器串联时，两个激光器间存在着强烈的串扰，因此两种激射波长间的功率不容易进行平衡控制；而且两个DBR或DFB激光器并联组成双波长激光器时，由于它们之间的间距相对比较远，因而它们所感受的外界物理量变化可能不一致，而且两个波长耦合到同一根光纤中要用特别的装置(如Y型波导等)，这除了带来额外的损耗外还造成其结构复杂化。ECD双波长半导体激光器则由于结构复杂，制造工艺要求很高因而成本昂贵，且体积相对比较庞大。两个有源层叠加在一起的 VCSE双波长半导体和两个激光器有源层相互倒置共用一个电极的双波长激光器，结构也十分复杂，制造工艺要求也很高。与前述的双波长激光器相比，量子级联双波长激光器和两个有源层叠加中间用反向隧道结进行电隔离的双波长激光器结构相对比较简单，但激光器产生激光的波长精确控制十分复杂，因而难以实际应用。DFB半导体激光器因其良好的单模特性而受到青睐。早期的DFB半导体激光器， 其折射率是被周期性地均勻调制的。这种激光器在布拉格波长两侧，对称地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。此外，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[12]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(Reconstruction equivalent chirp，REC)技术来设计DFB半导体激光器。REC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中的应用)，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(某一个信道)中，得到我们所需要的任意目标反射谱[13、14]。由于取样周期一般有几个微米，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。文献[15]给出了基于该技术的λ/4等效相移DFB半导体激光器的实验验证。由于这种技术设计的激光器改变的仅仅是取样结构，所以利用全息曝光技术和振幅掩膜版就能实现低成本的规模化生产。李静思，贾凌慧，陈向飞在中国发明专利“单片集成半导体激光器阵列的制造方法及装置”(申请号200810156592.0)中，指出了依据该技术可以在同一个晶片上，通过改变取样周期而改变不同激光器的激射波长。在利用REC技术设计制造DFB半导体激光器时，通常是利用取样光栅技术来设计制作的。对于基于REC技术的DFB半导体激光器，由于是一种取样的技术，根据傅立叶变换，取样结构可以看成不同周期的子光栅的叠加。不同周期的子光栅对应了不同的信道，我
6们在设计时常常使用的是+1级或-ι级信道(与零级信道布拉格中心波长左右对称的两个反射峰)，而不希望在0级信道发生激射。一般情况下，将+1级或-ι级信道设计在半导体材料的增益区，而使0级远离增益区。这样做的原因是为了使所需要的+1级或-1级信道发生激射，而使不需要的0级信道不发生激射。但由于在占空比为Y的取样光栅中，+1级
sin ^y
或-1级信道中的折射率调制强度是0级信道的一&，而且增益区以外的地方不是没有增
π
益，而是增益小一点而已。与此同时，各种偶然因素都可能使得0级信道的增益有所增大。 这些原因使得在实际制作取样光栅DFB半导体激光器时，0级信道可能先于所需要的+1级或-1级信道发生激射，或者是同时发生激射，这就破坏了激光器的单模特性，因而降低了获得的DFB半导体激光器的成品率。周亚亭发、施跃春、李思敏等人在中国发明专利“基于特殊等效相移的DFB半导体激光器”(申请号201010280999. 1)中，提出了一种特殊的等效相移，在DFB半导体激光器所需要的+1级或-1级信道中，利用这种特殊的等效相移方法引入λ /4相移。这种等效λ /4相移能使得0级信道与所需要的+1级或-1级信道，即使在的增益相同的情况下，也能够得到相当大的抑制。结合将+1级或-1级信道设计在半导体材料的增益区，而使0级远离增益区，这就能使得基于重构-等效啁啾技术设计的激光器的单模特性，得到进一步的提高。现有技术文献引用如下[1]M. L Osowski, R. Μ. Lammert, and J. J. Coleman, A Dual-wavelengthsource with monolithically integrated electroabsorption modulators and Y—junction coupler by selective-area MOCVD, IEEE Photon.Technol. Lett. ,1997,9(2) :158-160[2]J.Hong, R.Finlay, R.Tong, C.Rogers, and D. Goodchi Id, Simultaneousdual-wavelength operation in cascaded strongly gain-coupled DFB lasers, IEEEPhoton. Technol. Lett.，1999，11 (11) :1354-1356[3]H. Cai, A. Q. Liu, X. M. Zhang, J. Tamil, D. Y. Tang, J. Wu, and Q. X. Zhang, Tunable dual-wavelength laser constructed by silicon micromachining,Appl. Phys. Lett. ,2008,092,051113[4] S. D. Roh, T. S. Yeoh, R. B. Swint, A. E. Huber, C. Y. Woo, J. S. Hughes, and J. J. Coleman, Dual-wavelength InGaAs-GaAs ridge waveguide distributed Bragg reflector lasers with tunable mode separation, IEEE Photon.Technol. Lett. ,2000, 12(10) :1307-1309[5]N. Kim, J. Shin, E. Sim, C. W. Lee, D. Yee, M. Y. Jeon, Y. Jang, and K. H. Park, Monolithic dual-mode distributed feedback semiconductor laser for tunable continuous-wave terahertz generation, Opt.Express,2009,17(160 13851-13859[6]R. K. Price, V B. Verma, K. E. Tobin, V C. Elarde, and J. J. Coleman, Y-branch surface-etched distributed Bragg reflector lasers at 850 nm for opticalheterodyning, IEEE Photon. Technol. Lett. ,2007,19(20) :1610-1612[7]C. C. Huang, Y. S. Su, and C.F.Lin, Investigation of laser-modeanticompetition in semiconductor lasers, Opt.Express,2005,41 (1) 1-8[8]E. W. Young, D. M. Grasso, A. C. Lehman and K. D. Choquette, Dual-channelwavelength-division multiplexing using a composite resonatorvertical-cavity laser, IEEE Photon.Technol. Lett. ,2004,16(4) :966-968[9] J. R. Freeman, J. Madeo, A. Brewer, S. Dhillon, 0. P. Marshall, N. Jukam, D.Oustinov, J. Tignon, H. E. Beere and D. A. Ritchie, Dual wavelength emission from aterahertz quantum cascade laser, Appl.Phys. Lett. ,2010,96,051120[10] S. M. Nekorkin, A. A. Biryukov, P. B. Demina, N. N. Semenov, and B. N. Zvonkov, Nonlinear mode mixing in dual-wavelength semiconductor lasers withtunnel junctions,Appl.Phys. Lett.，2007，90，171106[11]X. Chen, "Distributed feedback semiconductor laser based onreconstr uction-equivalent-chirp technology and the manufacture method of the same,"US Patent, US2009/0010295A1,2009-01-08.[12]Y. Dai and X. Chen, DFB semiconductor lasers based onreconstruction-equivalent-chirptechnology (基于 REC 技术的 DFB 半导体激光器),Opt. Express, 2007， 15(5) :2348-2353[13]戴一堂，陈向飞，夏历，姜典杰，谢世钟，“一种实现具有任意目标响应的光纤光栅”，发明专利(申请号:CN200410007530. 5)[14]Y. Dai, X. Chen, L. Xia, Y. Zhang, and S. Xie, Sampled Bragg grating withdesired response in one channel by use of reconstruction algorithm and equivalentchirp,Opt.Lett. ，2004，29(12) :1333-1335[15] J. Li, H. Wang, X. Chen, Z. Yin, Y. Shi, Y. Lu, Y. Dai and H. Zhu, Experimental demonstration of distributed feedback semiconductor lasers based on reconstruction-equivalent-chirp technology.(基于 REC 技术的 Di7B 半导体激光器的实验验证)Opt. Express, 2009,17 (7) :5240-5245[16]Τ. Kimura and A. Sugimura,"Coupled phase-shift distributed-feedbacks emiconductor lasers for narrow linewidth operation，，，IEEE J. Quantum Electron., 1989,25(4) :678-683[17] Y. Zhou, Y. Shi, S. Li, X. Chen, "A special sampling technology for sampled grating laser", Proc. of SPIE,7844,784417[18] Y. Zhou, Y. Shi , S.Li, S. Liu and X. Chen, "Asymmetrical sampling structure to improve the single-longitudinal-mode property based onreconstruct ion-equivalent-chirp technology, "Opt. Lett.,2010,35(18) :3123-312
发明内容
本发明的目的在于，为获得多波长半导体激光器，提出了一种特殊结构的设计方法及装置，即多波长分布反馈式半导体激光器装置及其制作方法，把多层的带有分布反馈式(DFB)光栅结构，对应能独立激射不同波长激光的半导体激光器材料层通过多次外延生长工艺，依次生长在同一个基底材料上，由此来获得能同时激射多个波长激光的半导体激光器，为多波长DFB半导体激光器的设计制造，提出一种新的结构和工艺。本发明的技术方案一种多波长分布反馈式半导体激光器装置及其制作方法，基于多层真实相移或等效相移DFB光栅结构半导体激光器材料的多波长半导体激光器的制备方法及装置。多波长分布反馈式半导体激光器基于两层以上的DFB半导体激光器材料组成的多波长激光器，其结构是在每层半导体激光器有源层顶部上限制层上方，被刻入一个光栅结构为真实λ/4相移光栅或等效λ/4相移取样光栅，这里的光栅周期和取样周期是经过特别设计的，这就保证了每个半导体有源层结构能激射独特波长的单纵模激光。通过多次外延生长的方式，这个半导体激光器的各个有源层之间通过中间层(如反向隧道结层)叠加生长到同一块基底材料上。每层半导体激光器有源层顶部上限制层上方，被刻入一个光栅结构为真实λ/4相移光栅或等效λ/4相移取样光栅，以保证每个半导体激光器有源层结构在设定波长下单模工作。与此同时，为使所得到的多波长半导体激光器具有特殊的性能，这些有源层结构也可以是其他任意大小的真实相移或等效相移光栅结构。根据对激射波长数的需要，可以通过控制所需外延生长叠加的有源层结构的层数，来获取能激射两个或更多波长激光的半导体激光器。用本发明制作的多波长半导体激光器，其拥有的多个有源层之间由于结构紧凑，多个波长的激光耦合出光十分方便；且组成有源层结构的材料受外界影响(如温度、应力或应变等)时，其激射的波长(频率)会发生同步的变化，可通过测定激射的波长(频率)的变化或相对变化(拍频)来感知外界影响。根据本发明制作的多波长半导体激光器，其每个激射波长由公式(1)和(9)决定。基于两层DFB半导体激光器材料组成的双波长激光器，激射波长会因工作环境的温度变化而发生变化，随着温度的升高激射波长会变大，激射频率则变小。相应地两个激射波长的频率差(拍频)，随温度的升高会单调递增或单调递减。用所述双波长激光器产生激光的拍频来制成的微波信号源，可通过控制双波长激光器的工作温度以改变双波长激光器发出激光的波长(频率)，来调节所获得微波信号的波长(频率)。用所述双波长激光器产生激光的拍频来制成的温度传感器和由这种传感器通过光纤网络组成的网络传感器，通过探测产生的两种激光的拍频波长(频率)，来感知环境的温度。基于多层(两层以上)DFB半导体激光器材料组成的多波长激光器，其结构特征是多个光栅结构为真实λ/4相移光栅或等效λ/4相移取样光栅，能独立发光的半导体激光器有源层结构通过中间层(如反向隧道结层)叠加组成。基于两层DFB半导体激光器材料组成的双波长激光器，由两个光栅结构为任意数值的真实相移光栅或等效相移取样光栅，能独立发光的半导体激光器有源层结构通过中间层(如反向隧道结层)叠加组成。基于多层(两层以上)DFB半导体激光器材料组成的多波长激光器，由多个光栅结构为任意数值的真实相移光栅或等效相移取样光栅，能独立发光的半导体激光器有源层结构通过中间层(如反向隧道结层)叠加组成。由所述双(或多)波长激光器产生激光的拍频来制成的温度传感器和由这种传感器通过光纤网络组成的网络传感器，通过探测激光器产生激光拍频的波长(频率)，来感知环境的温度。
本发明提出一种全新的多波长半导体激光器制造方法，把多个能产生独特波长单纵模激光的DFB半导体有源层结构，在同一块半导体材料的基底上，通过多次光刻和外延生长叠加在一起，组成能同时激射两种或两种以上不同波长单纵模激光的激光器。每个能激射特定波长的单纵模激光的半导体有源层结构，在其有源层顶部上限制层的上方，被刻入一个有λ/4相移的布拉格光栅或等效λ/4相移的取样布拉格光栅 (Sampling Bragg grating，SBG)，这里的光栅周期和取样周期设计，取样光栅结构对0级信道的激射具有抑制作用，提高等效相移Dra半导体激光器的单模特性的取样光栅结构。这就保证了每个半导体有源层结构能激射独特波长的单纵模激光。根据不同的加工工艺和要求，可以通过控制所需外延生长叠加的有源层结构层数，来获取两个或多个波长的半导体激光器。用这种方法制作的多波长半导体激光器，其拥有的多个有源层之间由于结构紧凑，多个波长的激光耦合出光十分方便；且组成有源层结构的材料受外界影响(如温度、应力或应变等)时，其激射的波长(频率)会发生同步的变化，这非常有利于通过测定激射的波长(频率)的变化或相对变化(拍频)来感知外界影响的大小。(1)光栅掩膜板的制作掩膜板采用加工精度为纳米量级的电子束曝光技术或普通微电子工艺来进行加工制作的掩模板。(2)双波长半导体激光器器件，从下至上依次是n电极、η型MP衬底材料、外延 η型InP缓冲层、非掺杂品格匹配InGaAsP下限制层、应变InGaAsP多量子阱有源层1、非掺杂品格匹配InGaAsP上限制层；取样光栅1 ；取样光栅1上部的结构依次是，P型重掺杂InP 层和η型重掺杂InP层形成反向隧道结层，重复非掺杂品格匹配InGaAsP下限制层2、应变 InGaAsP多量子阱有源层2、非掺杂品格匹配InGaAsP上限制层2、取样光栅2、第三次外延生长ρ型InP层和ρ型InGaAs的欧姆接触层和ρ电极。(3)多波长半导体激光器器件的结构根据上述取样光栅2之上，进行第三次外延生长P型InP层、η型InP形成第二个反向隧道结层、之上是非掺杂品格匹配InGaAsP下限制层3、应变InGaAsP多量子阱有源层3、非掺杂品格匹配InGaAsP上限制层3、取样光栅3， 第四次外延生长P型InP层欧姆接触层和电极。利用本发明的基于多层DFB半导体激光器材料组成的多波长半导体激光器，可以用于制备频率在一定范围内可调的微波信号源，还可用以作为远程网络传感器来感知温度等外部环境参量。本发明中所述的半导体激光器中的光栅结构，其相移可以是真实相移或等效相移，相移值也可以是根据激光器性能设计要求所需要的任意数值。本发明的有益效果是本发明把多个(两个或更多)带有真实相移布拉格光栅或等效相移SBG的DFB半导体激光器结构，用金属有机物化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)方式，通过多次外延生长叠加在一起，组成一个结构紧凑的多波长半导体激光器。尤其是将多层的带有分布反馈式(DFB)光栅结构对应能独立激射不同波长激光的半导体激光器材料层通过多次外延生长工艺，依次生长在同一个基底材料上，由此来获得能同时激射多个波长激光的半导体激光器，为多波长DFB半导体激光器的设计制造，提出一种新的结构和工艺。本发明有助于提供高性能低成本结构紧凑的多波长尤其是双波长半导体激光器，为将来的光子集成、光通讯和光传感网络等领域进一步的发展，提供技术上的支持。
图1是真实λ /4相移光栅示意图。图2中(1)普通的等效λ /4相移取样光栅示意图、(2)普通的任意大小等效相移取样光栅示意图、(3)特殊的等效λ /4相移取样光栅示意图、(4)特殊的任意大小等效相移取样光栅示意图。图3、取样光栅制作过程的示意图。图4、双波长DFB半导体激光器结构示意图。具体实施方法1、传统的λ/4相移如图1所示，对于传统的折射率耦合DFB激光器来说，为使它保持单模工作，可在其DFB光栅结构中引入四分之一波长(简写为λ/4)相移，也称为π相移。在这样的光栅中，布拉格波长为λ = 2neff Λ 0(1)这里，Λ ^为DFB光栅的周期，neff是材料的有效折射率。这种λ/4相移保证了这样的一个半导体激光器在其布拉格波长处单模激射。传统的相移结构的相移值可以是其他任意数值。对于一个均勻的DFB光栅结构， 把它的右边部分向右平移一段距离L(向左平移L可以看成是向右平移-L)，如果L是光栅周期Aci的η倍(η为任意数值)，则就说它引入了 η/2波长(η λ/2或2η π )相移。在本发明中，我们把传统的相移结构称为真实相移结构，传统的相移被称作真实相移。2、普通的等效λ /4相移和特殊的等效λ /4相移图2(1)为普通的等效λ/4相移取样模板的示意图。从数学上来看，一个取样布拉格光栅的折射率调制可以表示为
权利要求
1.多波长分布反馈式半导体激光器，基于两层以上的DFB半导体激光器材料组成的双波长或多波长激光器，其特征是结构是在每层半导体激光器有源层顶部限制层上方，被刻入一个光栅结构为真实λ/4相移光栅或等效λ/4相移取样光栅，这里的光栅周期和取样周期使每个半导体有源层结构能激射独特波长的单纵模激光；双波长半导体激光器器件，从下至上依次是η电极、η型InP衬底材料、外延η型InP 缓冲层、非掺杂品格匹配InGaAsP下限制层、应变InGaAsP多量子阱有源层1、非掺杂品格匹配InGaAsP上限制层；取样光栅1 ；取样光栅1上部的结构依次是，ρ型重掺杂的hP层和η型重掺杂的InP层形成反向隧道结层，重复非掺杂品格匹配InGaAsP下限制层2、应变 InGaAsP多量子阱有源层2、重掺杂的品格匹配InGaAsP上限制层2、取样光栅2、第三次外延生长ρ型InP层和ρ型InGaAs的欧姆接触层和ρ电极；每层半导体激光器材料中被引入了真实λ/4相移光栅或等效λ/4相移取样光栅，其每个激射波长由公式(1)和(9)决定真实相移光栅的布拉格波长为X=^ieffA0(1)这里，Aci为DFB光栅的周期，neff是材料的有效折射率。一个取样光栅看成是许多影子光栅的叠加，一个影子光栅对应一个信道；当有半个取样周期被插入到沿取样光栅的任意位置时，就会在其+1或-1级信道中引入一个等效λ /4 相移；第m级影子光栅的周期表示为
2.根据权利要求1所述的多波长分布反馈式半导体激光器，其特征是三波长半导体激光器器件的结构在上述取样光栅2之上，进行第三次外延生长ρ型重掺杂InP层、η型重掺杂InP层形成第二个反向隧道结层、之上是非掺杂品格匹配InGaAsP下限制层3、应变 InGaAsP多量子阱有源层3、非掺杂品格匹配InGaAsP上限制层3、取样光栅3，第四次外延生长P型InP层欧姆接触层和电极；更多波长半导体激光器器件的结构由上述结构类推得到。
3.多波长分布反馈式半导体激光器的制备方法，其特征是通过多次外延生长的方式， 将两层或多层DFB半导体激光器材料生长叠加到同一块基底材料上；半导体激光器的有源层之间通过中间层(如反向隧道结层)叠加在一起；每层半导体激光器有源层顶部上限制层上方，被刻入一个光栅结构为真实λ/4相移光栅或等效λ/4相移取样光栅，以保证每个半导体激光器有源层结构在设定波长下单模工作；与此同时，为使所得到的多波长半导体激光器具有特殊的性能，这些有源层结构也可以是其他任意大小的真实相移或等效相移光栅结构。
4.根据权利要求3所述的多波长分布反馈式半导体激光器的制备方法，其特征是所述的多层DFB半导体激光器材料组成的多波长激光器，每层半导体激光器材料中被引入了真实λ/4相移 光栅或等效λ/4相移取样光栅，其每个激射波长由公式(1)和(9)决定。真实相移光栅的布拉格波长为 这里，Aci为DFB光栅的周期，neff是材料的有效折射率。一个取样光栅看成是许多影子光栅的叠加，一个影子光栅对应一个信道；当有半个取样周期被插入到沿取样光栅的任意位置时，就会在其+1或-1级信道中引入一个等效λ /4 相移；第m级影子光栅的周期表示为 因此在第m级影子光栅中，布拉格波长可表示为 P是取样周期；每层半导体激光器材料中被引入了真实λ/4相移光栅或等效λ/4相移取样光栅，这种λ /4相移保证了这样的一个半导体激光器在其布拉格波长处单模激射。
5.根据权利要求3所述的双波长分布反馈式半导体激光器的制备方法，其特征是激射波长会因工作环境的温度变化而发生变化，随着温度的升高激射波长会变大，激射频率则变小；相应地两个激射波长的频率差(拍频)，随温度的升高会单调递增或单调递减；所述双波长激光器产生激光的拍频来制成的微波信号源，通过控制双波长激光器的工作温度， 改变双波长激光器发出激光的波长(频率)来调节所获得微波信号的波长(频率)。
6.根据权利要求3所述的双波长分布反馈式半导体激光器的制备方法，其特征是所述双波长激光器产生激光的拍频来制成的温度传感器和由这种传感器通过光纤网络组成的网络传感器，通过探测产生的两种激光的拍频波长(频率)，来感知环境的温度。
7.根据权利要求3所述的多波长分布反馈式半导体激光器的制备方法，其特征是基于多层(两层以上)DFB半导体激光器材料组成的多波长激光器，其结构特征是多个光栅结构为真实λ/4相移光栅或等效λ/4相移取样光栅，能独立发光的半导体激光器有源层结构通过中间层(如反向隧道结层)叠加组成；由两个光栅结构为任意数值的真实相移光栅或等效相移取样光栅，能独立发光的半导体激光器有源层结构通过中间层(如反向隧道结层)叠加组成；由多个光栅结构为任意数值的真实相移光栅或等效相移取样光栅，能独立发光的半导体激光器有源层结构通过中间层(如反向隧道结层)叠加组成。
8.根据权利要求3所述的多波长分布反馈式半导体激光器的制备方法，其特征是把多个能产生独特波长单纵模激光的Dra半导体有源层结构，在同一块半导体材料的基底上， 通过多次光刻和外延生长叠加在一起，组成能同时激射两种或两种以上不同波长单纵模激光的激光器；双波长半导体激光器器件，可通过MOCVD技术进行三次外延生长来完成制作。 其细节描述如下首先在η型InP衬底材料上一次外延η型InP缓冲层(厚度200nm、掺杂浓度约1. IX IO18CnT2) UOOnm厚的非掺杂品格匹配InGaAsP下限制层1、应变InGaAsP多量子阱1 (光荧光波长1. 52微米，7个量子阱阱厚8nm，0. 5 %压应变，垒厚lOnm，品格匹配材料)和IOOnm厚的ρ型品格匹配InGaAsP (掺杂浓度约1. IX IO17cnT3)上限制层1 ；接下来是完成光栅1的制作，用真实相移光掩膜板通过曝光和材料刻蚀，在上限制层1上部形成所需要的真实相移光栅结构，或通过所设计的取样光掩模板普通曝光结合双光束全息干涉曝光的方法，然后施以材料刻蚀，在上限制层1上部形成所需激光器的取样光栅结构；当光栅 1制作好后，再通过第二次外延生长P型InP层(50nm厚，掺杂浓度约1. 5X 1018cm_2)和η 型InP层(50nm厚，掺杂浓度约1.5X IO18CnT2)形成反向隧道结层，IOOnm厚的非掺杂品格匹配InGaAsP下限制层2、应变InGaAsP多量子阱2 (光荧光波长1. 52微米，7个量子阱阱厚8nm，0. 5%压应变，垒厚10nm，品格匹配材料)和IOOnm厚的ρ型品格匹配InGaAsP (掺杂浓度约1.1 X IO17CnT3)上限制层2。再接着完成光栅2的制作，可用真实相移光掩膜板通过曝光和材料刻蚀，在上限制层2上部形成所需要的真实相移光栅结构，也可以通过所设计的取样光掩模板普通曝光结合双光束全息干涉曝光的方法，然后施以材料刻蚀，在上限制层2上部形成所需激光器的取样光栅结构；当光栅2制作好后，再通过第三次外延生长ρ型 InP层(厚度1700nm，掺杂浓度约1. 1 X 1018cm"2)和ρ型InGaAs (厚度lOOnm，掺杂浓度大于 IXlO19Cm-2)欧姆接触层。在外延生长结束后，利用普通光刻结合化学湿法刻蚀，完成脊形波导的制作，脊波导长度一般为数百微米量级，脊宽3微米，脊侧沟宽20微米，深1. 5微米。 然后再用等离子体增强化学气相沉积法(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)，在脊形波导周围沉积一层300nm厚的SW2层或有机物BCB绝缘层。再接着利用光刻和化学湿法刻蚀，去除激光器脊形波导上方的S^2层或有机物BCB绝缘层，露出其InGaAs 欧姆接触层；再用磁控溅射的方法，在整个激光器结构的上方分别镀上IOOnm厚的Ti和 400nm厚的Au，结合光刻工艺和化学湿法刻蚀，在脊条上方露出InGaAs的欧姆接触层上形成Ti-Au金属P电极。此外，在把整个激光器晶片减薄到150 μ m后，在基底材料的下方蒸镀上500nm厚的Au-Ge-Ni (Au Ge Ni成分比例为84 14 2)合金作为η电极。最后在激光器两侧的出光面上分别镀上反射率为90%的高反膜和反射率为的增透膜。
全文摘要
多波长分布反馈式半导体激光器，双波长半导体激光器器件，从下至上依次是电极、n型InP衬底材料、外延n型InP缓冲层、非掺杂品格匹配InGaAsP下限制层、应变InGaAsP多量子阱有源层1、非掺杂品格匹配InGaAsP上限制层；取样光栅1；取样光栅1上部的结构依次是，p型重掺杂的InP层和n型重掺杂的InP层形成反向隧道结层，重复非掺杂品格匹配InGaAsP下限制层2、应变InGaAsP多量子阱有源层2、重掺杂的品格匹配InGaAsP上限制层2、λ/4取样光栅2、第三次外延生长p型InP层和p型InGaAs的欧姆接触层和p电极；利用这种双波长激光器产生激光的拍频信号，可制作波长可调的微波信号源。
文档编号H01S5/0625GK102403651SQ20111035988
公开日2012年4月4日 申请日期2011年11月15日 优先权日2011年11月15日
发明者周亚亭, 陈向飞 申请人:南京大学