一种并联式混合集成注入锁定DFB激光器的制作方法

本发明涉及光电子领域，尤其涉及一种并联式混合集成注入锁定dfb激光器。

背景技术：

激光器在激光通信中通常作为激光信号源，完成对激光的调制并发射出调制后的激光。

现有技术中，利用注入锁定技术可以提高模拟调制激光器的带宽，降低调制失真。注入锁定dfb(distributedfeedbacklaser，即分布式反馈激光器)半导体激光器更具有稳定锁频范围，可以降低相位噪声，可以很好的满足光纤传导激光信号的需求。

现有技术条件下，主要存在的问题有：

一是为了实现主激光器和从激光器稳定的注入锁定，需要对光学系统中的两个激光器的波长、偏振态及注入功率比进行精确控制。但是分立系统的稳定性较弱，两个激光器分别受外界影响大，且体积庞大，无法在实际中应用。

二是采用串联式单片集成注入锁定激光器能够实现注入锁定，但是串联式单片集成注入锁定激光器制造难度大，两个激光器之间无法集成光隔离器，致使芯片的成品率低、成本高。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种并联式混合集成注入锁定dfb激光器，解决现有技术中主激光器和从激光器集成的体积大、工作不稳定、对激光波长控制精度不高以及难以锁定等难题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种并联式混合集成注入锁定dfb激光器，包括主激光器芯片和从激光器芯片，该主激光器芯片和该从激光器芯片均为dfb激光器，并且并联封装在同一个管壳内，该主激光器芯片的输出口通过第一耦合光纤连接到环形器的第一端口，该从激光器芯片的输出口通过第二耦合光纤连接到该环形器的第二端口，该环形器的第三端口作为该并联式混合集成注入锁定dfb激光器的注入锁定激光输出口，并且激光在该环形器中从第一端口到第二端口再到第三端口单向传输。

在本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器另一实施例中，该第一耦合光纤和该第二耦合光纤均为保扁光纤。

在本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器另一实施例中，该主激光器芯片和该从激光器芯片并列相邻集成在同一芯片bar条上，具有相同的材料外延结构并且共用同一热沉，该主激光器芯片和该从激光器芯片的间距范围是250微米至2毫米。

在本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器另一实施例中，该主激光器芯片和该从激光器芯片均为脊波导结构，该脊波导的宽度范围为1.5μm至3μm，脊波导的高度1.6μm。

在本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器另一实施例中，该脊波导具有相同的分层结构，由下向上依次是：负电极，n型衬底，n型inp缓冲层，晶格匹配ingaasp波导层，应变ingaasp多量子阱层，ingaasp光栅材料层，p型晶格匹配ingaasp波导层，p型inp限制层，sio2绝缘层，p型ingaas欧姆接触层，正电极。

在本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器另一实施例中，该n型inp缓冲层的厚度是200nm，掺杂浓度为1.1×10¹⁸cm^-3；该晶格匹配ingaasp波导层的厚度是100nm，无掺杂；该应变ingaasp多量子阱层包括7个量子阱，该量子阱的阱宽8nm，垒宽10nm，0.5％压应变，晶格匹配材料；该ingaasp光栅层的厚度是50nm；该p型晶格匹配ingaasp波导层的厚度是100nm，掺杂浓度1.0×10¹⁷cm^-3；该p型inp限制层的厚度是1.7μm，掺杂浓度范围是3.0×10¹⁷cm^-3至2.0×10¹⁸cm^-3；该sio2绝缘层的厚度范围是200nm-400nm；该p型ingaas欧姆接触层的厚度是100nm，掺杂浓度>5.0×10¹⁸cm^-3。

在本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器另一实施例中，在该ingaasp光栅材料层设置有通过重构-等效啁啾技术制作的取样光栅结构，该主激光器和该从激光器的该取样光栅结构的周期可调，该主激光器芯片和该从激光器芯片的激光波长差在±0.2nm以内。

在本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器另一实施例中，该主激光器芯片和该从激光器芯片的该取样光栅结构是基于重构-等效啁啾技术制作的等效λ/4相移光栅、等效λ/8相移光栅、等效切趾光栅、等效周期节距调制cpm光栅、等效多相移mps光栅、非对称等效相移光栅或非对称等效切趾光栅。

在本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器另一实施例中，该主激光器芯片设置有主激光器供电电极，该从激光器芯片设置有从激光器供电电极，该主激光器供电电极与该从激光器供电电极彼此独立，通过向该主激光器供电电极输入不同的直流偏置电流调节该主激光器的激射波长，通过向该从激光器供电电极输入不同的直流偏置电流调节该从激光器的激射波长。

在本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器另一实施例中，对该主激光器芯片和该从激光器芯片波长差的调整控制方法是：先使该从激光器芯片的供电电极施加一个稳定的工作电流，使得该从激光器芯片产生稳定波长的激光输出，然后调整该主激光器芯片的供电电极的工作电流，使得该主激光器芯片产生的激光的波长能够进行微调，从而微调该主激光器芯片产生的激光与该从激光器芯片产生的激光之间的波长差，进而实现该主激光器芯片产生的激光对该从激光器芯片产生的激光的注入锁定。

本发明的有益效果是：本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器实施例包括主激光器芯片和从激光器芯片，二者并联封装在同一个管壳内，主激光器的输出口通过第一耦合光纤连接到环形器的第一端口，从激光器的输出口通过第二耦合光纤连接到环形器的第二端口，环形器的第三端口作为并联式混合集成注入锁定dfb激光器的注入锁定激光输出口，并且环形器中的激光从第一端口到第二端口再到第三端口单向传输。本发明的激光器采用了重构-等效啁啾技术制作激光器的取样光栅结构，并通过分别向主激光器和从激光器的供电电极提供控制电流来精确控制激光注入锁定，在环境适应性、工作稳定性等方面具有明显优势。

附图说明

图1是根据本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器一实施例的组成图；

图2是根据本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器另一实施例的组成图；

图3是根据本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器另一实施例的组成图；

图4是根据本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器另一实施例中从激光器芯片单独工作时的光谱图；

图5是根据本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器另一实施例中主激光器芯片和从激光器芯片独立工作未注入锁定时的光谱图；

图6是根据本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器另一实施例中主激光器芯片和从激光器芯片注入锁定时的光谱图；

图7是根据本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器另一实施例中从激光器芯片单独工作时的三阶交调信号频谱图；

图8是根据本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器另一实施例中主激光器芯片和从激光器芯片注入锁定后的三阶交调信号频谱图；

图9是根据本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器另一实施例中从激光器芯片单独工作时的无杂散动态范围测试图；

图10是根据本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器另一实施例中主激光器芯片和从激光器芯片注入锁定后的无杂散动态范围测试图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1是根据本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器一实施例的组成图，该实施例包括主激光器芯片11和从激光器芯片12，主激光器芯片11和从激光器芯片12均为dfb激光器，并且并联封装在同一个管壳13内，主激光器芯片11的输出口通过第一耦合光纤14连接到环形器15的第一端口151，从激光器芯片12的输出口通过第二耦合光纤16连接到环形器15的第二端口152，环形器15的第三端口153作为并联式混合集成注入锁定dfb激光器的注入锁定激光输出口，并且激光在环形器15中从第一端口151到第二端口152再到第三端口153单向传输，如图1中环形器内部的箭头所示。

优选的，第一耦合光纤14和第二耦合光纤15均为保扁光纤。

这里，主激光器芯片11和从激光器芯片12采用了并联结构并且封装在同一个管壳中，主激光器芯片11产生输出的激光通过第一耦合光纤14进入环形器15的第一端口151，从激光器芯片12产生输出的激光通过第二耦合光纤16进入环形器15的第二端口152，主激光器11输出的激光从环形器15的第二端口152注入到从激光器12，从而注入锁定从激光器12输出的激光，再由环形器15的第三端口153输出。由于环形器从第一端口151到第二端口152再到第三端口153单向传输，而沿相反方向则是隔离的，从而实现了主激光器芯片11和从激光器芯片12的光隔离。也就是说环形器15的这种结构以及与主、从激光器芯片的连接方式保证了主激光器芯片发射的激光能够注入到从激光器芯片的输出口，而从激光器芯片发射的激光无法返回到主激光器芯片的输出口。

由此可见，主激光器芯片11和从激光器芯片12是一种并联结构，将两个激光器芯片集成在同一个管壳中，缩小了光学系统的体积。并且，主、从激光器芯片处在相同的工作环境中，保证了两个激光器芯片的相对稳定，可以提高激光器注入锁定的持续稳定性。另外，利用环形器15分别连接主激光器芯片11和从激光器芯片12的输出口，实现了主从激光器的光学隔离，提高了系统的稳定性。因此，本实施例能够将注入锁定的两个激光器芯片采用并列的方式集成在同一芯片上，将注入锁定需要的隔离器设置在外部光路中，既降低了单片集成注入锁定激光器的制造难度又可以提高注入锁定激光器的稳定性。

图2是根据本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器另一实施例中主激光器芯片和从激光器芯片的截面示意图。这里，主激光器芯片11和从激光器芯片12并列相邻集成在同一根bar条上，主激光器芯片11和从激光器芯片12具有相同的材料外延结构并且共用同一热沉，主激光器芯片和从激光器芯片的间距d1范围是250微米至2毫米。

进一步的，主激光器芯片11和从激光器芯片12均为脊波导结构，该脊波导的宽度w1范围为1.5μm至3μm，脊波导的高度h1是1.6μm。

这里，将实现主、从激光器芯片平行设置到同一bar条上，便于bar条切割，同时保持主、从激光器位置的相对固定，且保持良好的电隔离以保证两个激光器芯片可以同时单独运转，主、从激光器芯片分别拥有各自的电极。

结合图2，进一步可以从图3看出，主激光器芯片和从激光器芯片具有相同的分层结构，由下向上依次是：负电极21，n型inp衬底22，n型inp缓冲层23，晶格匹配ingaasp波导层24，应变ingaasp多量子阱层25，ingaasp光栅材料层26，p型晶格匹配ingaasp波导层27，p型inp限制层28，sio2绝缘层29，p型ingaas欧姆接触层210，正电极211。

这里，主激光器芯片和从激光器芯片之间具有较好电隔离和热隔离，主、从激光器芯片的电极间的电阻值要在1000ω以上。通过调节主、从激光器芯片供电电极之间的注入电流可以分别对主、从激光器芯片的波长进行微调，满足注入锁定对主、从激光器芯片频率失谐量的要求。

优选的，对于图3所示的主激光器芯片和从激光器芯片的脊波导分层结构，还具体给出了各分层的厚度及材料特性。其中，n型inp缓冲层23的厚度是200nm，掺杂浓度为1.1×10¹⁸cm^-3；晶格匹配ingaasp波导层24的厚度是100nm，无掺杂；应变ingaasp多量子阱层25的特点是包括7个量子阱，量子阱的阱宽8nm，垒宽10nm，0.5％压应变，晶格匹配材料；ingaasp光栅层26的厚度是50nm；p型晶格匹配ingaasp波导层27的厚度是100nm，掺杂浓度1.0×10¹⁷cm^-3；p型inp限制层28的厚度是1.7μm，掺杂浓度范围是：3.0×10¹⁷cm^-3至2.0×10¹⁸cm^-3；sio2绝缘层29的厚度范围是200nm-400nm；p型ingaas欧姆接触层210的厚度是100nm，掺杂浓度>5.0×10¹⁸cm^-3。

优选的，对于ingaasp光栅材料层26，主激光器芯片和从激光器芯片均在该层利用重构-等效啁啾技术设计制作取样光栅的光栅结构，并且通过调节取样光栅的周期精确确定主激光器芯片和从激光器芯片的激光波长，使得主激光器芯片和从激光器芯片的激光波长的差值精确控制在±0.2nm以内。

这里的重构-等效啁啾技术主要是基于利用中国专利号zl200610038728.9、名称为“基于重构—等效啁啾技术制备半导体激光器的方法及装置”中国发明专利中的方法手段。重构-等效啁啾技术采用特殊的取样布拉格光栅的影子光栅等效实现非取样光栅的光谱特性，一般采用取样光栅的+1或-1级子光栅。基于重构-等效啁啾技术的光栅结构一般由两步制作完成，第一步是利用传统全息曝光技术制作均匀的种子光栅，周期一般为几百纳米，第二步是利用特别设计的取样结构，通常周期一般为几微米，通过普通的光刻技术进行二次曝光，得到基于重构-等效啁啾技术的取样光栅结构。基于重构-等效啁啾技术的原理，通过设计复杂的取样周期结构可以等效实际光栅的效果，将激光器中的光栅结构的制作由纳米级精度降低到了微米级精度，不仅降低了光栅制作的难度和时间成本，同时该技术对dfb激光器波长具有更高的控制精度，目前波长控制精度可达±0.1nm，完全满足混合集成注入锁定技术对激光器波长控制精度的需要。

进一步的，主激光器芯片和从激光器芯片的取样光栅的光栅结构是基于重构-等效啁啾技术的等效λ/4相移光栅、等效λ/8相移光栅、等效切趾光栅、等效周期节距调制cpm光栅、等效多相移mps光栅、非对称等效相移光栅、非对称等效切趾光栅等。

优选的，基于重构-等效啁啾技术的取样光栅结构参数与激光器输出波长的关系如下(1)式所示：

其中，λ±1是取样光栅的±1级等效子光栅对应的布拉格波长，也是激光器的激射波长。neff是激光器的有效折射率，λ是取样光栅的取样周期，λ0＝2neffλ0是种子光栅的布拉格波长，λ0是均匀种子光栅周期。在种子光栅周期λ0确定的情况下，改变取样光栅的取样周期λ即可改变激光器的出射波长。

另外，根据重构-等效啁啾的技术原理，dfb激光器中的相移完全可以通过在取样光栅图案中引入取样周期尺度的相移来等效实现。

优选的，如切趾结构的光栅，可以通过改变取样光栅的占空比来实现等效切趾效果，取样光栅中±1级子光栅的折射率调制系数与种子光栅的折射率调制系数满足：

其中，δn±1是取样光栅的±1级等效光栅的折射率调制，δns是种子光栅的折射率调制，γ是取样占空比，通过调节取样光栅不同位置的取样占空比即可以得到等效的切趾光栅效果。

优选的，如周期节距调制cpm结构的光栅，其cpm区的取样光栅周期与非cpm区的取样光栅周期存在关系如下：

λ2是cpm区取样周期，λ1＝λ是非cpm区取样光栅的取样周期，ψ是等效相移，d是cpm区光栅长度。可根据需要的相移大小计算和选取合适的取样周期和cpm区长度。

优选的，主、从激光器芯片中光栅的相移/啁啾位置可以位于每个激光器芯片的中心，也可以位于偏离激光器芯片中心±15％的区域内。

主激光器芯片和从激光器芯片基于上述结构及工作原理，满足主激光器芯片和从激光器芯片的工作波长利用重构-等效啁啾技术精确控制，使其波长差满足注入锁定的要求。并且，利用重构等效啁啾技术设计和制作主、从激光器芯片中的复杂光栅结构，有效的提高单个激光器芯片的基本性能，包括单模特性、稳定性、波长精确性等，同时降低制作难度，便于工业化生产。

另外，图3所示的主激光器芯片和从激光器芯片分别具有独立的供电电极，均包括正电极和负电极，负电极21位于最下层，正电极211位于最上层。其中，主激光器芯片设置有独立的主激光器供电电极，通过向主激光器芯片供电电极输入不同的直流偏置电流调节主激光器的激射波长；从激光器芯片设置有独立的从激光器供电电极，通过向从激光器供电电极输入不同的直流偏置电流调节从激光器的激射波长。并且主激光器的激射波长与从激光器的激射波长满足激光波长锁定的要求。

由此可见，主激光器芯片和从激光器芯片的激射波长由重构-等效啁啾光栅的布拉格波长决定，即由取样光栅的取样周期决定。通过设计主、从激光器光栅结构的取样周期，让主、从激光器的输出波长相近，两者波长差在±0.2nm范围内。另外，再进一步通过调节主、从激光器的偏置电流对频率失谐量进行微调，进一步保证主激光器的激射波长与从激光器的激射波长能够满足锁定要求。

另外，无论主激光器芯片还是从激光器芯片，通过电极控制电流的范围通常是基于一个工作电流的阈值，可调范围是在该阈值至该阈值3倍的范围内进行调节。而对主激光器芯片和从激光器芯片波长差的调整控制方法也是采用先使从激光器芯片的供电电极施加一个稳定的工作电流，使得从激光器芯片产生的激光的波长稳定输出，然后调整主激光器芯片的供电电极的工作电流，进而使得从激光器芯片产生的激光的波长能够进行微调，从而微调主、从激光器之间的波长差(频率失谐量)以实现注入锁定。

以下结合图4至图10所示实施例，具体说明主激光器芯片和从激光器芯片对电极进行电流控制时波长锁定的情况及技术效果。

图4显示了主激光器芯片供电电极的电流为0ma，从激光器芯片供电电极的电流为20ma时的光谱图，即在主激光器芯片未注入激光的情况下，从激光器芯片单独工作时的光谱图。可以看出从激光器芯片在注入电流为20ma时，其工作波长为1303.68nm，边模抑制比为33.84db。

在图4所示实施例的基础上，图5显示了主激光器芯片供电电极的电流为15ma，从激光器芯片供电电极的电流为20ma时的光谱图，此时虽然主激光器芯片发射的激光注入到从激光器芯片中，但波长尚未锁定。这表明主激光器芯片供电电极的电流强度所产生的激光还不足以能够锁定从激光器芯片的所产生的激光。

进一步的，图6显示了主激光器芯片供电电极的电流为30ma，从激光器芯片供电电极的电流为20ma时的光谱图，此时主激光器芯片发射的激光注入到从激光器芯片中，且波长被锁定，此时激光器工作波长为1303.22nm，边模抑制比为42.21db，相比于从激光器单独工作时单模特性更好。

以上图4至图6主要是反映电流大小对波长锁定在边模抑制特性方面的特性，由此可以看出当主激光器芯片供电电极的电流较小时，如小于20ma时，无法锁定，而当电流为30ma则能够锁定并且具有更好的单模特性。

图7显示了主激光器芯片供电电极的电流为0ma，从激光器芯片供电电极的电流为20ma时的三阶交调信号频谱图，即从激光器芯片单独工作时的三阶交调信号频谱图，此时激光的射频功率为2dbm，基频信号与三阶交调信号的幅度差值为27.3db。

在图7所示实施例的基础上，图8显示了主激光器芯片供电电极的电流为30ma，从激光器芯片供电电极的电流为20ma时，即注入锁定后三阶交调信号频谱图，此时激光的射频功率也为2dbm，基频信号与三阶交调信号的幅度差值为32.1db。由此可见，注入锁定后三阶交调信号被明显抑制，非线性失真得到明显改善。

图9显示了主激光器芯片供电电极的电流为0ma，从激光器芯片供电电极的电流为20ma时的无杂散动态范围测试图，即在主激光器芯片在未注入激光的情况下，从激光器芯片单独工作时的无杂散动态范围测试图，其无杂散动态范围(sfdr)为69.52db·hz^2/3。

在图9所示实施例的基础上，图10显示了主激光器芯片供电电极的电流为30ma，从激光器芯片供电电极的电流为20ma时，即注入锁定情况下的无杂散动态范围测试图，其无杂散动态范围(sfdr)为80.31db·hz^2/3。可以看出，注入锁定时调制信号失真比从激光器芯片单独工作时明显变小，无杂散动态范围明显增大。

由此可见，本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器把实现注入锁定的主激光器芯片和从激光器芯片并列集成在同一芯片上，主激光器芯片和从激光器芯片相互独立，各自输出的激光通过分别单独用两根保偏光纤耦合输出到环形器实现隔离注入，并且主激光器芯片和从激光器芯片的光栅结构均采用了重构-等效啁啾技术，使得主激光器芯片和从激光器芯片的工作波长得到精确控制，而在主激光器芯片和从激光器芯片上各自独立设置供电电极，则进一步通过对供电电极的电流大小的控制来实现精准的注入锁定控制，满足注入锁定对主、从激光器芯片频率失谐量的要求。主激光器芯片和从激光器芯片还集成在同一个壳体内，具有良好的环境一致性，因此本发明并联式混合集成注入锁定dfb激光器产生激光的稳定性、精准性、可控性、隔离特性和环境适应性等方面都具有明显优势。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。