基于重构-等效啁啾的半边切趾取样光栅及dfb激光器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光电子技术领域，涉及光子集成，光通信以及其他很多光电信息处理。 尤其涉及一种基于重构-等效啁嗽技术的半边切趾取样光栅及及DFB激光器。
【背景技术】
[0002] 随着科技的进步和发展，人们的生活水平日益提高，人们之间的交流也变得越来 越多，越来越广泛，很多比赛直播都开始采用高清技术，实时3D通信也已经被很多大企业 提上了研发安排。大数据时代的来临对光子集成技术提出了迫切的需求，为了顺应时代发 展，一个全新的光网络时代正在开启。美国的硅谷实验室中，英飞朗（Infinera)公司已经 用磷化铟等材料支撑了大量复杂的光电集成器件，光通信的成本也因此变得更低，容量却 变得更大。对于光通信中的有源器件，分布反馈式（DFB)半导体激光器因为良好的单模特 性一直在光通信网络和光子集成芯片中受到青睐。早期的DFB激光器由于采用均匀的光栅 折射率调制，会在布拉格波长两侧均匀的分布两个模式。为了消除这种双模式简并，提出 了在DFB光栅层引入PI相移的方案，这种方案虽然很好的消除了激光器的双模式简并，使 DFB激光器在光纤通信中得到了最广泛的应用，但是却加大了激光器制造的工艺难度，需要 达到纳米精度的控制。所以，一般PI相移的DFB激光器都是通过电子束刻蚀（EBL)来完成 的，但是电子束曝光技术（EBL)制造耗时长，成本高等特征限制了 DFB半导体激光器的进一 步发展。
[0003] 文南犬（Yitang Dai and Xiangfei Chen, DFB semiconductor lasers based on reconstruction equivalent chirp technology(基于重构-等效啁嗽技术的 DFB 半导 体激光器），Optics Express，2007,15 (5) :2348-2353)和专利"基于重构-等效啁嗽技 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)提出了一种设计DFB半导体激光器的新的技术，通过重构-等效啁嗽 技术，将DFB半导体激光器的制造工艺从纳米精度提高到微米精度，避免了使用电子束 曝光技术，只需要全息干涉和近场光刻就可以实现对于DFB半导体激光器的大批量制 造。重构-等效啁嗽技术的首次提出主要是被应用于光纤光栅的设计中，可追溯到2002 年冯佳、陈向飞等人的专利"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)中提出的为实现所需要的等效光栅的周期 啁嗽，在取样布拉格光栅的取样周期中引入取样周期啁嗽。更重要的是，该技术使用的工 艺与当前的电子集成印刷技术可以实现非常完美的兼容。通过全息干涉，双光束干涉或 者纳米压印制作均匀的种子光栅，再在此基础上，利用重构-等效啁嗽技术设计的取样 光刻版进行光刻取样，从而可以实现低成本的规模化生产。文献（Jingsi Li，HuanWang， Xiangfei Chen? Zuowei Yin?Yuechun Shi，Yangqing Lu，Yitang Dai and Hongliang Zhu， Experimental demonstration of distributed feedback semiconductor lasers based on reconstruction equivalent chirp technology (基于重构-等效啁嗽技术的 DFB 半导 体激光器的实验验证）Optics Express，2009, 17 (7) : 5240-5245)是该技术制作的等效PI 相移DFB半导体激光器的实验验证。
[0004] 李静思、贾凌慧和陈向飞等人在中国发明专利"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，依据重构-等效啁嗽技术只需要改变 取样周期就可以在同一块晶片上实现制作不同激光器的激射波长的目的，这一特点对于低 成本单片集成高性能DFB半导体激光器阵列的制备具有极其深远的意义。
[0005] 为了实现在栗浦功率不变的情况下，尽可能获得比较高的有效输出光功率，提 高电注入效率，降低功耗，提出了很多具有复杂结构的DFB激光器，常见的DFB半导体激 光器中引入不对称结构如：非对称相移和非对称耦合系数等（参见文献（S. Jong-In，K. Komori, S. Arai, I. Arima, Y. Suematsu, and R. Somchai,''Lasing characteristics of I. 5 μπι GaInAsP-InP SCH-BIG-DR lasers, "(I. 5 微米 GaInAsP-InP SCH-BIG-DR 激光器 的特性）IEEE J. Quantum Electron. ,27(6),1736-1745, (1991))以及文献〇\11]8&11^，5· Akiba, and K.Utaka, "Asymmetric λ/4-shifted InGaAsP/InP DFB lasers,"(非对称 λ/4 相移 InGaAsP/InP DFB 激光器）IEEE J. Quantum Electron.，23 (6)，815-821，（1987))，申 请的专利有：（I)专利"基于重构-等效啁嗽技术的非对称相移布拉格光栅及其激光器"（申 请号：201310484338. 4)中提出了相移位于腔长的60 %~80 %区域；（2) PI相移左右两段 的光栅耦合系数不等，通过改变光栅结构的占空比来实现，专利"基于重构-等效啁嗽和等 效半边切趾的DFB半导体激光器及制备方法"（【申请号】201410214717. 6)提出通过改变半 边取样光栅的占空比实现出光功率提高。
[0006] 尽管通过改变取样光栅结构的占空比可以等效实现对于光栅结构的切趾效应，但 是当占空比很低的时候，光栅线宽会由微米精度降低到纳米精度，增加了工艺制造的难度， 这样利用重构-等效啁嗽技术将无法制作得到需要的切趾效应。
[0007] 此外，为了实现单个激光器在两个端面输出光功率不同，提出了在DFB半导体激 光器的两端分别镀HR(高反射）/AR(抗反射）膜的结构，但是由于HR(高反射）膜会引入 随机相位，破坏激光器的单模特性，所以需要提出新的结构来解决这一问题。
[0008] 为了解决上述困难，本发明提出了通过改变光栅的齿深来实现对于光栅的切趾。 通过制造金属镍为掩膜的取样光栅，之后再进行多次光刻和干法刻蚀工艺的重复，最后多 进行一次干法刻蚀，再去掉金属镍掩膜，从而实现光栅结构中切趾段的光栅齿深的逐渐变 化，该制作方案是"重构-等效啁嗽"技术的另外一大优势。专利"两次及多次曝光采样布 拉格光栅及制作方法"（【申请号】200810234184. 2)提出了两次及多次曝光采样布拉格光栅 的制作方法。通过改变光栅的有效齿深，实现对于光栅结构的非对称切趾，从而改变等效相 两侧的光栅反射率，提高激光器的单边出光功率。本发明提出的基于重构-等效啁嗽技术 的半边切趾取样光栅及其DFB半导体激光器，即基于重构-等效啁嗽的等效相移位于半导 体激光器腔长的中心+/-5%的区域内，对等效相移区左侧，出光端方向进行切趾，切趾是通 过先在衬底上制作金属镍为掩膜的取样光栅结构，再经过光刻和干法刻蚀工艺的多次重复 进行，最后多进行一次干法刻蚀，再去掉金属镍掩膜，制造出光栅齿深逐渐变化的结构实现 的，非切趾段的光栅齿深选用最大齿深。单边切趾对于提高DFB半导体激光器的一端出光 功率具有非常重要的意义。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是，实现单个半导体激光器在两个端面输出光功率不同，提高激光 器在相同注入电流下的一端出光功率，而提出的一种基于重构-等效啁嗽技术的半边切趾 取样光栅及其DFB半导体激光器的制备方法，从而实现在注入电流不变的情况下，提高DFB 半导体激光器的一端出光功率。
[0010] 本发明提出的制备方法主要是通过下面的技术方案来实现的：基于重构-等效啁 嗽技术的半边切趾取样光栅及其半导体激光器的制备方法，半导体激光器中的取样结构是 基于重构-等效啁嗽技术的取样布拉格光栅；取样光栅中的相移是通过重构-等效啁嗽技 术引入的等效相移，等效相移的位置位于激光器腔长的中心区域的+/-5%之间。根据重 构-等效啁嗽技术，可以知道，相移被移入了除了 〇级之外的所有影子光栅之中，其中，第m 级影子光栅对应的光栅周期满足公式：
[0012] 上式中，P对应的是取样光栅的周期，Λ。是指种子光栅的周期；
[0013] 与此同时，可以求出第m级