一种热隔离的可调谐DBR激光器及其加工方法和使用方法与流程
【技术领域】
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别是涉及一种热隔离的可调谐dbr激光器及其加工方法和使用方法。
背景技术：
可调谐半导体激光器是一种波长可以调谐的半导体激光器，由于它的体积小、效率高、可集成，可调谐半导体激光器在光纤通信系统中有着广泛的应用。在信息全球化的背景下，互联网用户对于网络的带宽，速度，安全性都有更高的要求。未来光网络的发展趋势必然要求更加高速，更大容量，更低成本，密集波分复用系统(densewavelengthdivisionmultiplexing，简写为：dwdm)能够充分利用光纤的传输带宽，极大地提升多波长复用的系统容量。目前光纤通信系统普遍使用的波分复用方式依靠增加单根光纤的通信容量来增加系统的信道数目，每个通信信道占用一个半导体激光器。这样会使得传统的单波长激光器的数量和类型增多，导致系统管理的复杂化和系统成本的大幅增加。采用波长可调谐半导体激光器取代多个固定波长的激光器，不仅可以极大的简化系统管理，降低系统维护成本，更可以在未来的光网络系统中，由于可调谐激光器独特的波长可调谐性质使得光网络有可重构性，通过在不同波长节点的调谐，使得通信网络具有动态调控能力，极大的提高光网络的灵活性。
分布布拉格反射激光器(distributedbraggreflector，简写为：dbr)反射镜是由一段连续的均匀光栅组成，激射波长由光栅周期与波导有效折射率决定，通过电流的注入改变光栅载流子浓度，从而改变光栅区的有效折射率来实现波长的调谐。在集成器件中，波导光栅一般采用双光束干涉曝光制作，同一晶圆上光栅周期相同，dbr激光器使用布拉格光栅作为模式选择滤波器，这使得dbr可调谐激光器可调谐的起始波长也是固定的，当需要两个或者更多的起始波长不同的dbr激光器时，就需要在同一晶圆上制作不同周期的波导光栅。显然，使用低成本的双光束干涉曝光制作光栅不能满足要求，采用电子束光刻理论上可以在同一晶圆上制作任意周期的光栅从而实现对不同dbr激光器起始波长的调整，但这种方法因其成本高与产量低，不能适用于工业化的大规模生产。因此，采用带有取样光栅的四段式dbr激光器，实现较宽范围的波长调谐，具有很好的应用前景。然而，在激光器工作过程中，不可避免的温度改变会影响dbr激光器的输出波长、输出功率以及线宽等相关参数，特别是对于采用取样光栅的可调谐激光器，当布拉格光栅加热时，热流沿着布拉格光栅形成准周期性的折射率变化，影响光栅对波长的调制。dbr型可调谐半导体激光器采用电流注入的方式实现波长的调谐，可以实现快速的波长切换(纳秒级)。然而，因为dbr可调谐激光器加电部分不仅包括有源区，还包括相位调节区和光栅调制区，各区域在加电情况下均会发热。发明人研究发现，现有技术中并没有提供一种有效的解决方案，能够改善各区域加电情况下发热造成的相互之间的影响。
鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明实施例要解决的激光器工作而产生的热量对激光器性能的影响的问题。
本发明实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种热隔离的可调谐dbr激光器，可调谐dbr激光器由前段光栅区、有源区、相位调节区和后段光栅区依次耦合形成，其中，所述前段光栅区、有源区、相位调节区和后段光栅区在同一基体上生长得到；
根据所述前段光栅区、有源区、相位调节区和后段光栅区所在位置，在所述基体上位于上述各区域之间的耦合带设置有隔离槽；所述隔离槽使得各区域的基体之间部分隔离或者相互独立。
优选的，所述基体由inp材料构成，在基体与各区域之间存在一层ingaasp抗腐蚀层；其中，所述隔离槽的深度，以所示隔离槽抵达所述ingaasp抗腐蚀层表面为准。
优选的，所述前段光栅区、相位调节区和后段光栅区用于与有源区的量子阱完成对接的材料为ingaasp；其中，前段光栅区和后段光栅区的取样光栅在相应区域的ingaasp材料上制作完成；有源区的量子阱由ingaasp和gaas材料依次层叠构成。
第二方面，本发明还提供了一种热隔离的可调谐dbr激光器的加工方法，加工方法包括：
在含有一层ingaasp抗腐蚀层的inp基体上生长由ingaasp和gaas材料构成的量子阱层；
根据光刻和刻蚀腐蚀技术工艺，分别在所述量子阱层制作出前段光栅区域、相位调节区域和后段光栅区域；
通过对接生长，在前段光栅区域、相位调节区域和后段光栅区域生长ingaasp材料；
利用全息光栅曝光光刻，在前段光栅区域和后段光栅区域上的ingaasp材料制作前后光栅；并进行前后光栅的掩埋；
在dbr激光器的p面制备电隔离槽和电极图形；其中，dbr激光器的p面包括前段光栅区域、有源区域、相位调节区域和后段光栅区域的上表面，其下表面位于基体的底部；
在激光器n面按照各区域之间耦合带所在位置进行光刻，做出隔离槽图形，并刻蚀出所述隔离槽。
优选的，所述利用全息光栅曝光光刻，在前段光栅区域和后段光栅区域上的ingaasp材料制作前后光栅，具体包括：
根据公式：
其中，λb为光栅梳状反射谱中相邻能级的间隔距离，
第三方面，本发明还提供了一种热隔离的可调谐dbr激光器的使用方法，使用如第一方面所述的可调谐dbr激光器，所述使用方法还包括：
所述可调谐dbr激光器的前段光栅区、有源区、相位调节区和后段光栅区分别连接第一电源、第二电源、第三电源和第四电源；
所述前段光栅区域的基体底部连接第一温敏元件，所述有源区域的基体底部连接第二温敏元件，所述相位调节区域的基体底部连接第三温敏元件，所述后段光栅区域的基体底部连接第四温敏元件；
所述第一电源、第二电源、第三电源和第四电源的控制端连接控制器的信号输出端，所述第一温敏元件、第二温敏元件、第三温敏元件和第四温敏元件的信号输出端连接所述控制器的信号输入端；
所述控制器管理一组或者多组补偿数据，每一组补偿数据对应一温敏元件检测值和一电源补偿参数值，其中，每一组温敏元件检测值和电源补偿参数值对应，第一电源和第一温敏元件，第二电源和第二温敏元件，第三电源和第三温敏元件，以及第四电源和第四温敏元件中的一组。
优选的，所述前段光栅区补偿参数的使用，具体为：
根据当前第一温敏元件检测到的温度值，匹配补偿数据；得到与当前第一温敏元件检测到的温度值相对应的第一电源补偿值；根据所述第一电源补偿值调整第一电源，通过调整后的第一电源，改变前段光栅区的注入电流，补偿由热效应改变光栅区有效折射率带来的调谐激光器激射波长的变化量。
优选的，所述后段光栅区补偿参数的使用，具体为：
根据当前第四温敏元件检测到的温度值，匹配补偿数据；得到与当前第四温敏元件检测到的温度值相对应的第四电源补偿值；根据所述第四电源补偿值调整第四电源，通过调整后的第四电源，改变后段光栅区的注入电流，补偿由热效应改变光栅区有效折射率带来的调谐激光器激射波长的变化量。
优选的，所述相位调节区补偿参数的使用，具体为：
根据当前第三温敏元件检测到的温度值，匹配补偿数据；得到与当前第三温敏元件检测到的温度值相对应的第三电源补偿值；根据所述第三电源补偿值调整第三电源，通过调整后的第四电源，改变相位调节区的注入电流，所述注入电流的调整起到微调节可调谐激光器激射波长。
本发明实施例提供了一种基体相互隔离的dbr可调激光器，不仅克服了现有技术中基体必须为一整体的固有观念，而且通过设置隔离槽有效的改善了各区域间产热相互影响的问题。
本发明还提供了一种热隔离的可调谐dbr激光器的制作方法，并给予了一组可实现材料的解决方案。对于隔离槽在dbr激光器芯片制作过程中哪一阶段完成，以及相应的制作方式给予了明确的阐述，在保证dbr激光器功能特性不受影响的情况下，改良了现有技术中dbr激光器内各区域工作时产生的热量之间的热流传递。
本发明实施例正是依托于第一方面所提出的dbr激光器，能够在不同分区中的基体单元上设置温敏元件，并根据各温敏元件的检测值查找各区域的电源补偿参数值，并完成对应电源的调整，从而避免了因为各区域温度变化对于最终激光信号产生的影响。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种热隔离的可调谐dbr激光器结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种热隔离的可调谐dbr激光器结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种热隔离的可调谐dbr激光器加工制造流程图；
图4是本发明实施例提供的一种热隔离的可调谐dbr激光器中光栅结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种热隔离的可调谐dbr激光器中光栅结构对应的梳状光栅谱示意图；
图6是本发明实施例提供的一种热隔离的可调谐dbr激光器中梳状光栅谱和有源区信号光谱关系示意图；
图7是本发明实施例提供的一种热隔离的可调谐dbr激光器的使用方法流程图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1:
本发明实施例1提供了一种热隔离的可调谐dbr激光器，如图1所示，可调谐dbr激光器由前段光栅区、有源区、相位调节区和后段光栅区依次耦合形成，其中，所述前段光栅区、有源区、相位调节区和后段光栅区在同一基体上生长得到；
根据所述前段光栅区、有源区、相位调节区和后段光栅区所在位置，在所述基体上位于上述各区域之间的耦合带设置有隔离槽；所述隔离槽使得各区域的基体之间部分隔离或者相互独立。
现有方案中都是将各区域集成在一个完整的基体上，由此带来的问题就是各区域的电流/电压调制过程中产生的热量会影响到旁边区域的光电特性。基体作为提供dbr芯片散热的重要组成部件，本发明实施例提供了一种基体相互隔离的dbr可调激光器，不仅克服了现有技术中基体必须为一整体的固有观念，而且通过设置隔离槽有效的改善了各区域间产热相互影响的问题。
本发明实施例所提出的dbr激光器中，包括的有源区，并在有源区上设有电极，通过所述电极的注入电流使有源区产生增益发光；包括的前段光栅区和后段光栅区上也设置有各自的电极，通过相应电极的注入电流改变光栅区有效折射率，调谐激光器激射波长；在后光栅区与有源区之间的一段相移区，通过注入电流进一步细微调节可调谐激光器激射波长。并且，为了进一步实现热隔离，减小激光器各区段发热对其他区段的影响，本发明实施例在激光器n面选择合适的位置做一次光刻然后腐蚀出隔离槽，对四段式sgdbr的各段区在工作时产生的热量之间的热流传递进行隔断。
在本发明实施例中，所述基体材料可选的是由inp材料构成。其中，inp是目前较为主流的可作为基体的选材，当然，本发明实施例还适用于其它基体材料，因为本发明实施例用于解决现有技术问题的核心要素是dbr芯片结构自身，构成dbr芯片的选材则并非限定本发明方案保护范围的因素。在基体与各区域之间存在一层ingaasp抗腐蚀层(也称为腐蚀停止层)；其中，所述隔离槽的深度，以所示隔离槽抵达所述ingaasp抗腐蚀层表面为准，如图2所示。其中，所述抗腐蚀层ingaasp主要作用是在基体侧进行光刻、腐蚀方法制作隔离槽时，能够保护各区域在基体上的部分不会被误腐蚀，起到对各区域的保护作用。其中，本发明实施例中所描述的各区域具体指：前段光栅区、有源区、相位调节区和后段光栅区。上述对于各区域的定义，也适用于本发明其它实施例，后续不再赘述。
在本发明实施例实现过程中，尤其是对于上述在基体上提供，所述前段光栅区、相位调节区和后段光栅区用于与有源区的量子阱完成对接的材料为ingaasp；其中，前段光栅区和后段光栅区的取样光栅在相应区域的ingaasp材料上制作完成；有源区的量子阱由ingaasp和gaas材料依次层叠构成。
实施例2:
本发明实施例除了提供了如实施例1所述的一种热隔离的可调谐dbr激光器的结构外，还提供了用于制作所述可调谐dbr激光器的加工方法，如图3所示，加工方法包括：
在步骤201中，在含有一层ingaasp抗腐蚀层的inp基体上生长由ingaasp和gaas材料构成的量子阱层。
在完成步骤201后，量子阱层是覆盖了包含所述有源区域、前段光栅区域、相位调节区域和后段光栅区域，并进一步通过步骤202将有源区域、前段光栅区域、相位调节区域和后段光栅区域上的量子阱层刻蚀掉。
在步骤202中，根据光刻和刻蚀腐蚀技术工艺，分别在所述量子阱层制作出前段光栅区域、相位调节区域和后段光栅区域。
在本发明各实施例中，位于基体上，对应前段光栅区、有源区、相位调节区和后段光栅区所在的位置被分别称为前段光栅区域、有源区域、相位调节区域和后段光栅区域，其中区域代表的是各结构区(包括上述前段光栅区、有源区、相位调节区和后段光栅区)存在与基体之上的空间位置区域的限定。
在步骤203中，通过对接生长，在前段光栅区域、相位调节区域和后段光栅区域生长ingaasp材料。
其中，生长的ingaasp材料作为光栅区域、相位调节区域和后段光栅区域与有源区量子阱耦合的无缘波导。
在步骤204中，利用全息光栅曝光光刻，在前段光栅区域和后段光栅区域上的ingaasp材料制作前后光栅；并进行前后光栅的掩埋，其中，掩埋材料为用p型掺杂的inp掩埋；
在步骤205中，在dbr激光器的p面制备电隔离槽和电极图形；其中，dbr激光器的p面包括前段光栅区域、有源区域、相位调节区域和后段光栅区域的上表面，其下表面位于基体的底部。
在步骤206中，在激光器n面按照各区域之间耦合带所在位置进行光刻，做出隔离槽图形，并刻蚀出所述隔离槽。
通常情况下，在刻蚀出所述隔离槽之后，外延片电极图形和隔离槽做好后，最后解理镀膜，在此四段式sgdbr可调谐激光器两端镀上增透膜。
本发明实施例提供了一种热隔离的可调谐dbr激光器的制作方法，并给予了一组可实现材料的解决方案。对于隔离槽在dbr激光器芯片制作过程中哪一阶段完成，以及相应的制作方式给予了明确的阐述，在保证dbr激光器功能特性不受影响的情况下，改良了现有技术中dbr激光器内各区域工作时产生的热量之间的热流传递。
在本发明实施例中，进行相位调节区的无缘波导以及前后取样光栅区与有源增益区采用同一材料(ingaasp)的单片集成的方式制作。同一材料的单片集成在材料生长外延时候更为容易，对于激光器的制作来说生长外延的质量好坏极其重要，用同一材料单片集成可以降低生长外延的难度提高生长外延的质量。
在本发明实施例中，除了提供dbr激光器中隔离槽的设计和制作方法外，本发明实施例还提供了dbr激光器中前段光栅和后段光栅的制作方法，使得制作出来的dbr激光器可以应用于多频段，所述利用全息光栅曝光光刻，在前段光栅区域和后段光栅区域上的ingaasp材料制作前后光栅，具体包括：
根据公式：
其中，λb为光栅梳状反射谱中相邻能级的间隔距离，
其中，将现有技术中均匀光栅到取样光栅改进成本发明实施例所提出的取样光栅的过程可以描述为：光栅区长度λg和取样长度λs的比值为δ＝lg/ls，所述δ与取样光栅梳状反射谱的反射率成正比，其对应关系为：
r(n)＝tanh2(|kn|*n*λs)(1)
其中，r(n)为n级反射峰的反射率，n为取样周期数，所述取样周期由一光栅区和一光栅区间隔构成，其长度即取样长度λs；kn是n级反射峰的耦合系数，其求解式如下：
其中，k0是均匀光栅的耦合系数。根据上述关系的推导，可以很容易的将现有的均匀光栅的dbr激光器改进成本发明实施例所提出的取样光栅的dbr激光器。
在本发明实施例所提出的取样光栅dbr激光器中，反射谱呈梳状，且强度大小不一(如图5所示)。一般反射最强烈的在0级反射峰处，其次是+1级反射峰和-1级反射峰。通过调整0级反射峰和1级反射峰(或-1级反射峰)的位置，以及有源区产生的增益信号带宽大小及增益信号的位置，使得0级反射峰处增益很小或者没有增益，而使得1级反射峰或-1级反射峰波长出的增益值最大。两者共同作用可以使得1级反射峰或-1级反射峰处的阈值增益最低，从而实现激光器在1级反射峰或-1级反射峰处激射的目的(如图6所述，其中1级反射峰相邻的等幅的虚线反射峰为其调制后的效果)。而取样光栅的1级反射峰与0级反射峰的位置(或者取样光栅的1级反射峰与0级反射峰的位置)如前述可以通过取样周期的大小灵活调整，因此可以在0级反射峰位置固定的情况下，调整dbr激光器的起始激射波长及调谐范围。而取样周期一般比较大，取样图案可以通过普通光刻的方式低成本、快速的制得。
实施例3:
本发明各实施例所提出的dbr激光器也被称为：取样光栅分布布拉格反射器sgdbr激光器，其激射波长调谐由前光栅节，后光栅节和相位节的电流组合共同决定，在激光器使用过程中进行波长调谐时，sgdbr激光器各区域除了由于电流的驱动产生热量外，在dbr光栅区的光吸收也产生热量，各区域之间的热量如果不能及时耗散互相串流会影响激光器的光学性能。
在实施例1提供的一种热隔离的可调谐dbr激光器，以及在实施例2提供的制造方法基础上，本发明实施例进一步提供了实施例1提出的可调谐dbr激光器使用方法，如图7所示，使用如实施例1所述的可调谐dbr激光器，所述使用方法包括：
在步骤301中，所述可调谐dbr激光器的前段光栅区、有源区、相位调节区和后段光栅区分别连接第一电源、第二电源、第三电源和第四电源。
在步骤302中，所述前段光栅区域的基体底部连接第一温敏元件，所述有源区域的基体底部连接第二温敏元件，所述相位调节区域的基体底部连接第三温敏元件，所述后段光栅区域的基体底部连接第四温敏元件。
在步骤303中，所述第一电源、第二电源、第三电源和第四电源的控制端连接控制器的信号输出端，所述第一温敏元件、第二温敏元件、第三温敏元件和第四温敏元件的信号输出端连接所述控制器的信号输入端。
在步骤304中，所述控制器管理一组或者多组补偿数据，每一组补偿数据对应一温敏元件检测值和一电源补偿参数值，其中，每一组温敏元件检测值和电源补偿参数值对应，第一电源和第一温敏元件，第二电源和第二温敏元件，第三电源和第三温敏元件，以及第四电源和第四温敏元件中的一组。
本发明实施例正是依托于实施例1所提出的dbr激光器，才能够在不同分区中的基体单元上设置温敏元件，并根据各温敏元件的检测值查找各区域的电源补偿参数值，并完成对应电源的调整，从而避免了因为各区域温度变化对于最终激光信号产生的影响。
基于本发明实施例所提出的使用方法，进一步的还分别针对前段光栅区、后段光栅区和相位调节区，给予了各自实际补偿操作的具体内容。
所述前段光栅区补偿参数的使用，具体为：
根据当前第一温敏元件检测到的温度值，匹配补偿数据；得到与当前第一温敏元件检测到的温度值相对应的第一电源补偿值；根据所述第一电源补偿值调整第一电源，通过调整后的第一电源，改变前段光栅区的注入电流，补偿由热效应改变光栅区有效折射率带来的调谐激光器激射波长的变化量。
所述后段光栅区补偿参数的使用，具体为：
根据当前第四温敏元件检测到的温度值，匹配补偿数据；得到与当前第四温敏元件检测到的温度值相对应的第四电源补偿值；根据所述第四电源补偿值调整第四电源，通过调整后的第四电源，改变后段光栅区的注入电流，补偿由热效应改变光栅区有效折射率带来的调谐激光器激射波长的变化量。
所述相位调节区补偿参数的使用，具体为：
根据当前第三温敏元件检测到的温度值，匹配补偿数据；得到与当前第三温敏元件检测到的温度值相对应的第三电源补偿值；根据所述第三电源补偿值调整第三电源，通过调整后的第四电源，改变相位调节区的注入电流，所述注入电流的调整起到微调节可调谐激光器激射波长。
实施例4:
在提出了如上述实施例3所述的使用方法后，本发明实施例还提供了一种用于获取上述补偿参数的测试方法。在所述测试方法中，对于同一批利用实施例2所述制造方法生产得到的dbr激光器，可以从中挑选多片作为计算补偿参数的测试芯片。具体的测试方法如下：
在步骤401中，对前段光栅区域的基体单元进行单独加热，并通过设置在所述前段光栅区域的基体单元底部的温敏元件检测当前温度值；
在步骤402中，分别加热到预先选定的至少两个温度补偿点，并在每一个温度补偿点下调节前段光栅区域电极所连接的供电电压，直到用于采集输出光信号的光谱仪确认进行前段光栅区电压补偿后的光信号与加热前段光栅区域的基体单元前的光信号相同。按照温度补偿点和电压补偿值的对应关系记录。
在步骤403中，按照步骤401-402的方法流程，分别完成有源区、相位调节区和后段光栅区中各自的温度补偿点和电压补偿值的对应关系记录。
在步骤404中，在完成各区域的温度补偿点测试，以及相应电压补偿值记录后，结束本批次dbr芯片的补偿参数的测试。
在具体实现过程中，除了采用上述步骤401-404来完成补偿参数的测试外，优选的，还可以采用联调的方式来验证补偿参数在复杂环境下的适用情况。其中，所述联调是指在各区域所对应的基体单元均收到相同或者不同的温度加热情况下，验证相应复杂情况下适用补偿参数时是否仍然有效。对于极端情况下，若出现单独测试所得到的补偿参数无法适用情况，则需要进一步补充测试，通过联调结果来填补单独测试所得到的补偿参数可能存在的不适用情况。
值得说明的是，上述装置和系统内的模块、单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明的处理方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(rom，readonlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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