一种阶梯相位布拉格光栅及其分布反馈半导体激光器的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光电子技术领域，涉及光纤通讯、光子集成以及其他光电信息处理，提 出基于阶梯相位布拉格光栅（stair-phaseBraggGrating)的光纤光栅、平面波导光栅及 分布反馈激光器及多波长激光器阵列。
【背景技术】
[0002] 布拉格光栅是特定周期性的折射率调制，能够在光波导中某一或某些波段产生特 殊的滤波特性，常见的布拉格光栅包括光纤布拉格光栅和平面波导布拉格光栅，其不同之 处即在于对应的光波导的不同，前者的波导为光纤，后者为平面波导[1]。光纤布拉格光栅 广泛应用于光纤通信和光纤传感的系统中，其制作方法主要为利用光纤光敏特性的全息曝 光的方法，其用途包括光的滤波、色散补偿和波分复用等。平面波导布拉格光栅主要应用于 分布反馈激光器和光子集成的平面波导信息处理，其功能特性和分析方法均与光纤布拉格 光栅类似。
[0003] 在通信方面，由于与日倶增的数据传输要求和光信号的产生、光纤的制作等技术 的逐渐成熟，以光为载波的通信系统逐渐替代了以电为载波的通信系统，其根本原因为相 对电来说，光具有很大的带宽，也就意味着更高的传输速率。而对于光通信，波分复用技术 (WDM)是一个飞跃性的技术，其基本含义为利用光的不同波长为载体，同时间同空间地进行 多路信号的传输[2]。最开始的波分复用的使用为将光波分为1310波段和1550波段，其分 别对应光纤中损耗较低的1310nm左右的80nm波长范围和1550nm左右的120nm波长范围。 随着技术的发展，诞生了粗波分复用（CWDM)和密集波分复用（DWDM)，其中粗波分复用表示 在上述波段中进行分割成间距20nm左右的子信道，从而可以较大地增加一根光纤传输的 信息速率，密集波分复用表示将1550波段划分成许多相邻0. 8nm(100GHz)的子信道，届时 在同一根光纤中可以同时传输150个信道，于是便极大地增加了信息的传递速率，因而随 着当今信息社会的高速发展，密集波分复用的方法将是未来信息传输主干道甚至很多支干 道的极度重要的选择。
[0004] 通信系统中主要包括三个部分：光信号发生器，光信号传输媒介即光纤和光信号 探测器。其中光信号发生器的重要性位于首位，其为整个系统提供了动力，就好比发动机对 于一架飞机的作用，而光信号发生器的最重要的元件就是激光器。通信系统中，强度调制 是最常用的激光器的调制方法方式，可以分为直接调制和外调制两种，其中直接调制指的 是直接加载信号在激光器的驱动电流上，优点是可以简便、廉价地实现光信号发生器，其缺 点是调制速率将会受到激光器响应特性的限制从而达不到较高的调制速率，例如40GHz，同 时它产生的信号会存在较大的频率啁嗽，由于单模光纤色散的存在，其传输距离也会受到 很大影响；外调制指的是通过在激光器的外部添加一个调制器，基于声光效应、磁光效应、 Franz-Keldysh效应和量子stark效应等，通过对激光器出射后的光的强度进行控制从而 实现调制，常见的外调制器包括电吸收调制器（EML)和马赫-曾德调制器（MZI)，其虽然成 本车父尚，但是可以达到更尚的调制速率，例如100GHz，但是不会引入频率啁嗽，从而更适合 于现代通信系统[3]。
[0005] 未来高密度的信息传输将会带来高密度的光通信器件，而更高密度的光通信所需 要的将会是一个光子集成芯片（PIC)，正如电子芯片，为了实现对更大信息速率的处理能 力，电子器件由多个二极管的组合逐渐过渡到了如今数十亿二极管的电子集成芯片。因而 光子器件的集成将是近期更甚未来对光通信的处理方案，同时，光子器件的集成中，最核心 并且难度最大的便是半导体激光器的集成，一方面半导体激光器的铟磷基材料与传统光传 输的的硅基材料无法兼容，这导致了一个耦合的难题，另外，由于半导体激光器的工艺复杂 性导致的成品率不够高的问题将严重影响半导体激光器阵列的成品率，而更为困难的便是 用于波分复用系统中的多波长激光器阵列。由于分布反馈（DFB)半导体激光器能够同时 实现激光器的微型化和波长的稳定性，因而DFB半导体激光器成为了通信系统中最常用的 光源，其原理为通过在均匀光栅中引入一个相移来实现激光器的单模激射，其激射的波 长A取决于均匀光栅的周期A(A= 2rwfA，其中Ilrff为波导的有效折射率，一般约等于 3. 2)，而密集波分复用系统中的波长间隔为0. 8nm，这意味着相邻波长的激光器，其对应的 光栅周期的变化为〇. 125nm，即光栅半周期的变化为0. 063nm，这个光栅半周期的变化精度 对于光斑直径在几纳米的电子束曝光技术是无法准确实现的。事实证明[4]，陈向飞等人 在2007年提出的重构-等效啁嗽技术[5]能够通过常规全息曝光和微米级光刻等简单的 技术，实现高波长间隔精度的多波长激光器阵列，但由于其等效的作用，其光栅强度仅为实 际均匀光栅强度的约1/3,而这将导致激光器耦合效率的降低从而难以实现激射的窄线宽 和高直调速率。
[0006] 参考文献：
[0007] [1]T. Erdogan, Fiber grating spectra(光纤光概谱），IEEE Journal of Lightw aveTechnology, 1997, 15(8):1277-1294
[0008] [2] R. P. Khare, Fiber optics and optoelectronics(光纤光学和光电子 学），Oxford University Press, 2004,chapter 11:269-270
[0009] [3]L.N.Binh, Advanced digital optical communications(前沿数字光通 信），CRC Press,2015,chapter3. 1:83-89
[0010] [4]Y.Shietal. ,Highchannelcountandhighprecisionchannelspacing multi-wavelengthlaserarrayforfuturePICs(未来光子集成芯片上的高通道数和高 通道间隔精度多波长激光器阵列），ScientificR印orts, 2014,DOI: 10. 1038/sr印07377
[0011] [5]Y. Dai, X. Chen, DFB semiconductor laser based on reconstruction-equivalent-chirp technology(基于重构-等效啁嗽技术的分布反馈半 导体激光器），Optics Express, 2007, 15 (5) : 2348-2353
【发明内容】
[0012] 本发明的目的在于，提出阶梯相位布拉格光栅并阐明其工作原理及用途，并提出 了基于该光栅结构的分布反馈半导体激光器的制备方法。该方法可用于光纤和平面波导 中，提供滤波器的作用，另外该光栅的相移形式和等效相移形式可以应用于分布反馈半导 体激光器及其多波长阵列中，尤其在应用于密集波分复用系统的多波长激光器阵列，可以 克服由于电子束曝光中电子束斑太大而不能很好地控制相邻激光器波长间隔精度的问题。
[0013] 本发明的技术方案：一种阶梯相位布拉格光栅以及基于该光栅结构DFB半导体激 光器及其多波长阵列的制作技术，其中阶梯相位布拉格光栅即周期性相移光栅，所述光栅 的折射率调制为：
[0015] 其中z指沿光栅轴向的位置，An1为均匀光栅的折射率调制，c.c表示复共辄，其 中每个台阶平坦处即对应均匀光栅，A为均匀光栅的周期，巾（z)为该光栅的折射率调制 的相位部分：
[0016] 当k?P〈z〈 (k+1).P时，<Mz) =k*a，kGN
[0017] 其形式为随z轴呈均匀阶梯状分布，该阶梯的每个台阶的宽为P，对应周期性相移 的周期，高为a、对应周期性相移的相移大小，由于该相移大小对光栅性能影响呈现以2 为周期，即两个相差2 相移的光栅具有完全相同的反射谱；故只需将a取为（-31，Jr];N 为自然数；该光栅的另一种表述形式为周期性相移光栅，其中周期即该台阶的宽度，而相移 大小即该台阶的高度。
[0018] 为了求解该阶梯相位光栅的反射谱性质，将相位部分写成
[0021] 发现叫X)是以P为周期的周期函数，其形状类似锯齿状，其中在一个周期的区间
[0，P)内
[0025] 由于识(?)为以P为周期的周期函数，因而可得(i'律(Z))也为以P为周期的周 期函数，于是便可以进行傅立叶展开，可得
[0026]
[0027] 其中Fni为傅立叶变换后各级次的系数
[0028]