专利名称：分布反馈激光器阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种分布反馈激光器阵列，尤其是涉及激射波长可调谐且可以多波长激射的一种分布反馈激光器阵列。
背景技术：
信息技术的普及与发展使对网络技术的要求越来越高，尤其对带宽的需求越来越大。密集波分复用和无源光网络等新一代技术的发展提出了对多波长光源的需求。多个分立的激光器固然能够满足对波长的需要，但是分立器件之间相互独立，每个器件的工作状况相差较大，导致光源设备的整体性能在稳定性、可靠性方面无法保证。在这样的背景下，可调谐激光器在具有了重大的优势。一类可调谐激光器通过注入电流或者通过加热等方式影响激光器的参数，从而改变激光器的激射波长；另一类采用多个不同激射波长的激光器集成的方式来实现激射波长的调谐。多个激光器集成的方式可以获得更大的调谐范围，更紧凑的结构和更高的稳定性。分布反馈激光器具有发射功率大，高速调制时单模性能好等特点，已广泛作为光源应用在光通信、光传感等领域。分布反馈激光器阵列继承了单个分布反馈激光器的优点，同时实现了优越的可调谐性能，并且结构简单，可靠性高，稳定性好。分布反馈激光器阵列，由数个分布反馈激光器组成，其中每个激光器的激射波长相对上一个有一定的偏移。需要较小的波长变化时，可以通过注入电流、控制温度等方法对一个激光器的激射波长调谐；需要较大的波长变化时，可以选择激射另一个激光器。实现分布反馈激光器阵列的关键在于让不同的激光器的激射波长有一定的偏移。目前常采用的手段是改变光栅周期。采用电子束直写曝光的方法制作布拉格光栅可以精确控制光栅周期，但是由于电子束曝光技术速度较慢，其产能受到限制，难以满足大规模，低成本制作的要求。加拿大的Quantum Device公司阐述了利用相位掩模版来制作分布反馈激光器阵列的方法，然而，相位掩模版成本较高，大规模应用仍有问题。在国内，武汉邮科院利用新兴的纳米压印技术已经成功的制作出了 13个信道的分布反馈激光器阵列，不过纳米压印技术使用的硬掩模版制作分布反馈激光器时容易损坏有源层，该技术用于分布反馈激光器阵列的制作仍有不少问题有待解决。
实现分布反馈激光器激射波长偏移的另一种方法是利用采样布拉格光栅技术。布拉格光栅I级干涉波长的位置与采样周期有关，只要抑制O级干涉波长谐振，令激光器在I级干涉波长激射，并通过控制采样周期，就可以控制激光器的激射波长。由于光栅的采样周期尺度在微米量级，因此采样光栅的制作可以采用全息曝光外加一次紫外光刻实现。不过到目前为止，根据主要研究该项技术的北京半导体所的朱洪亮研究小组、南京大学陈向飞教授的研究小组和韩国的电子与通讯研究的报道，所用该技术制作的分布反馈激光器阵列其波长可变范围仍然较小(不超过llnm)，难以满足实际的应用要求。此外，由于光栅采样所产生的I次干涉波长的激射阈值要高于O级，因此采样光栅的分布反馈激光器的阈值通常要高于一般的分布反馈激光器。
还有一类方法是光栅采用全息曝光制作周期固定的光栅，再通过波导结构的变化，改变波导等效折射率来实现波长偏移。美国Infinera公司利用选择性外延技术在不同区域一次性外延出不同厚度的有源层，从而实现对波导折射率的控制。不过，就目前报道的结果来看，这种方法波长偏移有限，一般不超过10nm，单一芯片难以满足实际应用的需要，需要封装多个芯片才能覆盖所需的波段，增加了芯片封装的复杂性和成本。
综上所述，除了采用电子束等高精度曝光手段外，目前利用采样光栅等方法制作出的分布反馈激光器阵列其波长可变范围均十分有限。缺乏低成本高可靠性的分布反馈激光器阵列的制作手段。
发明内容
为了克服背景技术方案中的不足，本发明的目的在于提供结构简单、制作方便、低成本、高可靠性、调谐范围大的一种分布反馈激光器阵列，同时易于合波器等无源波导集成。本发明采用的技术方案是
技术方案一
它是由制作在同一块半导体外延片上的多个平行排列的分布反馈激光器构成；半导体外延片从上至下依次包括上包层、有源层、间隔层、折射率控制层、下包层和衬底，用于形成分布反馈的布拉格光栅设置在有源层或者折射率控制层中；布拉格光栅的周期在整块半导体外延片上保持一致；所有分布反馈激光器与布拉格光栅垂直；上包层、有源层和间隔层构成分布反馈激光器的上台面；折射率控制层形成导波结构；分布反馈激光器阵列中任意一个分布反馈激光器均由一个上台面和其所对应的导波结构以及下包层、衬底和上电极、下电极共同构成。技术方案二
它是由制作在同一块半导体外延片上的多个平行排列的分布反馈激光器构成；半导体外延片从上至下依次包括上包层、折射率控制层、间隔层、有源层、下包层和衬底，用于形成分布反馈的布拉格光栅设置在有源层或者折射率控制层中；布拉格光栅的周期在整块半导体外延片上保持一致；所有分布反馈激光器与布拉格光栅垂直；上包层构成分布反馈激光器的上台面；折射率控制层形成导波结构；分布反馈激光器阵列中任意一个分布反馈激光器均由一个上台面和其所对应的导波结构以及下包层、衬底和上电极、下电极共同构成。以上两种技术方案中上台面和导波结构的宽度在不同的分布反馈激光器之间随激射波长的增加而递增的。折射率控制层折射率大于上包层(11)、下包层的折射率。与背景技术相比，本发明具有的有益效果是
通过引入折射率控制层，采用侧向湿法腐蚀或者选择性氧化等工艺对其侧向腐蚀，形成不同宽度导波结构，从而影响等效折射率，进而使激射波长产生偏移的方法，可以获得足够的偏移量。导波结构宽度从O. 8微米变化到I. 6微米可以使激射波长偏移30纳米。采用分布反馈激光器阵列中每个分布反馈激光器有不同宽度导波结构的方式获得激射波长的偏移，不要求对分布反馈激光器阵列中每个分布反馈激光器的布拉格光栅周期做相应的改变，分布反馈激光器阵列中每一个激光器采用相同周期的布拉格光栅，因此可以采用全息曝光的方法来制作，便于分布反馈激光器阵列的集成与制作，同时有利于封装，简化了工艺，降低了成本，提高了成品率。此外，折射率控制层也有利于制作合波器等无源结构，利于耦合分布反馈激光器阵列中不同分布反馈激光器的输出，便于使用。
图I是一种分布反馈激光器阵列的半导体外延片结构的示意图。图2是一种分布反馈激光器阵列的侧视图。 图3是另一种分布反馈激光器阵列的半导体外延片结构的示意图。图4是另一种分布反馈激光器阵列的侧视图。图5是基膜等效折射率随导波结构宽度变化示意图。图6是激射波长偏移量随导波结构宽度变化示意图。图7是激射波长偏移量与间隔层厚度关系示意图。图中1、半导体外延片，2、分布反馈激光器；11、上包层，12、有源层，13、折射率控制层，14、间隔层，15、下包层，16、衬底，21、上台面，22、导波结构，23、上电极，24、下电极，121、布拉格光栅。
具体实施例方式下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。如图I所示，一种分布反馈激光器阵列是由制作在同一块半导体外延片I上的多个平行排列的分布反馈激光器2构成；半导体外延片I从上至下依次包括上包层11、有源层12、间隔层14、折射率控制层13、下包层15和衬底16，用于形成分布反馈的布拉格光栅121设置在有源层12或者折射率控制层13中；布拉格光栅121的周期在整块半导体外延片I上保持一致。如图2所示，一种分布反馈激光器阵列中的所有分布反馈激光器2与布拉格光栅121垂直；上包层11、有源层12和间隔层14构成分布反馈激光器2的上台面21 ;折射率控制层13形成导波结构22 ;分布反馈激光器阵列中任意一个分布反馈激光器2均由一个上台面21和其所对应的导波结构22以及下包层15、衬底16和上电极23、下电极24共同构成。如图3所示，另一种分布反馈激光器是由制作在同一块半导体外延片I上的多个平行排列的分布反馈激光器2构成；半导体外延片I从上至下依次包括上包层11、折射率控制层13、间隔层14、有源层12、下包层15和衬底16，用于形成分布反馈的布拉格光栅121设置在有源层12或者折射率控制层13中；布拉格光栅121的周期在整块半导体外延片I上保持一致。如图4所示，另一种分布反馈激光器阵列中的所有分布反馈激光器2与布拉格光栅121垂直；上包层11构成分布反馈激光器2的上台面21 ;折射率控制层13形成导波结构22 ;分布反馈激光器阵列中任意一个分布反馈激光器2均由一个上台面21和其所对应的导波结构22以及下包层15、衬底16和上电极23、下电极24共同构成。两种方案中的分布反馈激光器阵列，其中的分布反馈激光器2的方向都是垂直布拉格光栅2的方向，这样可以利用布拉格光栅的分布反馈效应。布拉格光栅121在半导体外延片I生长过程中一次制作在其中，使分布反馈激光器阵列的布拉格光栅121周期一致。包含了布拉格光栅121在有源层12内或者在折射率控制层13内两种情况。布拉格光栅12在有源层12内的方案，除了分布反馈激光器2常规具有的折射率耦合外，还包括了增益耦合。增益耦合克服了布拉格光栅121禁带两边的反射峰具有相同的阈值从而降低分布反馈激光器单模产率的问题，使分布反馈激光器2能够更多的工作在禁带边缘且靠近长波方向上的模式，保证了分布反馈激光器2的单波长激射。布拉格光栅121在折射率控制层13内的方案，避免了对有源层12的刻蚀，降低了阈值，采用端面镀膜等方法可弥补产率问题，两种情况各有优势。同一分布反馈激光器阵列中的分布反馈激光器2有不同宽度的上台面21，是出于通过侧向湿法腐蚀等工艺，一次制作不同宽度的导波结构的需要。整个分布反馈激光器阵列一次制作完成。 分布反馈激光器阵列可以用做可调谐激光器或者多波长激光器，是因为其中的不同分布反馈激光器2有不同的激射波长。激射波长取决于基膜等效折射率和布拉格光栅121的周期。由于改变布拉格光栅121周期的方法需要很高成本，本发明是采用易于实现且成熟的工艺，在同一分布反馈激光器阵列中的所有分布反馈激光器2都有同样的布拉格光栅121的周期，通过使不同的分布反馈激光器2有不同的基膜等效折射率来实现激射波长的不同。基膜等效折射率的不同通过导波结构22宽度的不同来实现。分布反馈激光器阵列内分布反馈激光器2的数目取决于使用中对激射波长偏移范围的需要或者取决于对同时激射不同波长数目的需要。基膜等效折射率取决于光场分布。有源层12作为高折射率层，光场主要分布在其中，但对有源层12施加操作将影响激光器的阈值和输出功率。因此在有源层12附近，引入一层折射率高于上包层11和下包层15的折射率控制层13，折射率控制层13的折射率接近于有源层12，该高折射率层能影响原来的基模光场分布，将部分光场分布聚集在其周围。对折射率控制层13施加操作，能对光场分布造成有略微差异的影响，达到改变基膜等效折射率同时又不影响分布反馈激光器2的性能的目的。同时，折射率控制层13作为无源层，可以在其上制作合波器等无源结构，有利于耦合整个分布反馈激光器阵列中所有分布反馈激光器2的输出。如图5所示，反映了基膜等效折射率随导波结构宽度变化的结果，其中横坐标是导波结构宽度，纵坐标是基模等效折射率。本发明在引入的折射率控制层13上制作导波结构22，通过使分布反馈激光器阵列中不同的分布反馈激光器2有不同宽度的导波结构22，从而有不同的基膜等效折射率，进而使激射波长不同。在一定的导波结构22中，光场由横向的电场分布E(U)纵向的传播常数#来描述。通过亥姆霍兹方程
V2E+ko2eE = 0(I)
和具体结构中的边界条件来求的。多/知就是等效折射率。对一个特定的导波结构，分
析出等效折射率以后再结合具体的光栅参数通过传输矩阵和耦合波等方法就可以得到它的激射波长。布拉格方程
2 = μ (2)
s为等效折射率，Λ为布拉格光栅周期，@为激射的波长阶数，一阶光栅取I。(2)两边取微分可得
权利要求
1.一种分布反馈激光器阵列，其特征在于它是由制作在同一块半导体外延片(I)上的多个平行排列的分布反馈激光器(2)构成；半导体外延片(I)从上至下依次包括上包层(11)、有源层(12)、间隔层(14)、折射率控制层(13)、下包层(15)和衬底(16)，用于形成分布反馈的布拉格光栅(121)设置在有源层(12)或者折射率控制层(13)中；布拉格光栅(121)的周期在整块半导体外延片(I)上保持一致；所有分布反馈激光器(2)与布拉格光栅(121)垂直；上包层(11)、有源层(12)和间隔层(14)构成分布反馈激光器(2)的上台面(21);折射率控制层(13)形成导波结构(22);分布反馈激光器阵列中任意一个分布反馈激光器(2)均由一个上台面(21)和其所对应的导波结构(22)以及下包层(15)、衬底(16)和上电极(23)、下电极(24)共同构成。
2.根据权利要求I所述的分布反馈激光器阵列，其特征在于所述上台面(21)和导波结构(22)的宽度在不同的分布反馈激光器(2)之间随激射波长的增加而递增的。
3.根据权利要求I所述的分布反馈激光器阵列，其特征在于所述折射率控制层(13)折射率大于上包层(11 )、下包层(15)的折射率。
4.一种分布反馈激光器阵列，其特征在于它是由制作在同一块半导体外延片(I)上的多个平行排列的分布反馈激光器(2)构成；半导体外延片(I)从上至下依次包括上包层(11)、折射率控制层(13)、间隔层(14)、有源层(12)、下包层(15)和衬底(16)，用于形成分布反馈的布拉格光栅(121)设置在有源层(12)或者折射率控制层(13)中；布拉格光栅(121)的周期在整块半导体外延片(I)上保持一致；所有分布反馈激光器(2)与布拉格光栅(121)垂直；上包层(11)构成分布反馈激光器(2)的上台面(21);折射率控制层(13)形成导波结构(22);分布反馈激光器阵列中任意一个分布反馈激光器(2)均由一个上台面(21)和其所对应的导波结构(22)以及下包层(15)、衬底(16)和上电极(23)、下电极(24)共同构成。
5.根据权利要求4所述的分布反馈激光器阵列，其特征在于所述上台面(21)和导波结构(22)的宽度在不同的分布反馈激光器(2)之间随激射波长的增加而递增的。
6.根据权利要求4所述的分布反馈激光器阵列，其特征在于所述折射率控制层(13)折射率大于上包层(11 )、下包层(15)的折射率。
全文摘要
本发明公开了一种分布反馈激光器阵列。它由制作在同一块半导体外延片上的多个平行排列的分布反馈激光器组成。半导体外延片至少包括上包层、有源层、间隔层、折射率控制层、下包层和衬底。有源层或者折射率控制层内含有形成分布反馈的布拉格光栅。折射率控制层之上各层形成分布反馈激光器的上台面。折射率控制层形成分布反馈激光器的导波结构，阵列中每个分布反馈激光器导波结构宽度不同。该分布反馈激光器阵列中的任一个分布反馈激光器由上电极、上台面、导波结构、衬底和下电极组成。不同宽度的导波结构实现每个分布反馈激光器在拥有相同周期的布拉格光栅的同时使激射波长有一定的偏移。该阵列可用作多波长激光器和可调谐激光器。
文档编号H01S5/12GK102638003SQ20121013178
公开日2012年8月15日 申请日期2012年5月2日 优先权日2012年5月2日
发明者何建军, 孟剑俊, 武林, 王磊 申请人:浙江大学