专利名称：：一种可调谐半导体激光器的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种可调谐半导体激光器，属于激光
技术领域：
，该激光器是一种基于间插多相移取样光栅的布拉格反射激光器。
背景技术：
：随着光通信的发展，尤其是光通信网络的不断发展，密集波分复用(DWDM)技术甚至波分复用(WDM)/光学时分复用(OTDM)系统的研究已经取得了迅速的发展，因而对光源和系统的灵活性有了更高的挑战。一个可调谐半导体激光器能够取代多个固定波长激光器，因此降低了激光器的制造成本，简化了模块封装程序，也降低了备份和库存管理的成本；在光网络系统中，可调谐激光器的波长可调性能够允许对光路由上的波长进行动态配置，在动态重构方面有着重要应用；此外，可调谐半导体激光器也是实现全光交叉连接(OXC)、光分插复用(OADM)、光标记交换(OLS)等器件的核心。美国人L.A.Coldren等人在“Multi-sectiontunablelaserwithdifferingmulti-elementmirrors”(专利号US4896325A)中公开了用取样布拉格光栅作反射镜的可调谐半导体激光器，其结构图如附图I所示。包含了前光栅区I、有源区2、相位区3和后光栅区4，其中前光栅区I和后光栅区4用来产生梳状反射谱。取样光栅一个取样周期Zs内的光栅结构如附图2所示，其中光栅段17的长度为Zg，另一段长度为Zs-Zg的区域为均匀无光栅区域，取样光栅反射谱如图3所示，具有Sinc函数形状包络的梳状谱。激光器前、后光栅区I和4的梳状反射谱的反射峰间距有细微差别，从而利用游标卡尺效应，可以通过在前、后光栅区注入电流的方式来实现准连续宽波长范围调谐。由于前、后光栅区I和4的Sinc函数形状峰值反射谱包络、调谐时注入电流导致的损耗增加以及增益谱的不平坦，利用取样布拉格光栅作反射镜的可调谐半导体激光器各波长信道功率严重不均衡，严重影响激光器的性能。为了改善功率的均衡性以及获得更宽的波长调谐范围，近年来又提出了多种基于游标卡尺效应的可调谐半导体激光器。1993年，日本YuichiTohmori等人提出了一种基于超结构布拉格光栅的可调谐半导体激光器(Y.Tohmori,Y.Yoshikuni,H.Ishii,etal.“Broad-RangeWaveIength-TunabIeSuperstructureGrating(SSG)DBRLasers，，，IEEEJournalofQuantumElectronics,vol.29,no.6，1993)。由于超结构光栅(SSG)优化后具有很平坦的反射峰值梳状谱，因而各个波长信道的功率均衡性得到了改善，波长调谐范围可达IOOnm;1998年,美国I.A.Avrutsky等人提出了基于二元叠合布拉格光栅的可调谐激光器(I.A.Avrutsky,D.S.Ellis,A.Tager,etal.“DesignofWidelyTunableSemiconductorLasersandtheConceptofBinarySuperimposedGratings(BSG，s)，，，IEEEJournalofQuantumElectronics,vol.34,no.4,,1998)。二兀叠合光栅(BSG)是通过在均匀光栅中一些位置插入相移，从而产生平坦的反射峰值梳状谱，理论上波长调谐范围也可达IOOnm;此外，英国的Bookham公司提出了数字超模布拉格反射激光器(A.J.Ward,D.J.Robbins,G.Busico,etal,“WidelytunableDS-DBRlaserwithmonolithicallyintegratedSOA:designandperformance，，，JournalofSelectedtopicsinquantumelectronics,11(1),pp.149-156，2005)；意大利M.Gioannini和I.Montrosset提出了基于间插取样光栅的宽调谐半导体激光器(M.Gioannini,I.Montrosset,“NovelinterleavedsampledgratingmirrorsforwidelytunableDBRlasers，，，IEEProc.-Optoelectron.,vol.148,no.I,February2001)，并对间插取样光栅提出了两种间插方式间插不同布拉格周期的取样光栅和间插两组光栅周期相同、光栅初相位差为n的取样光栅；华中科技大学何晓颖、黄德修、余永林等人提出了基于数字级联光栅(DCG)的可调谐半导体激光器(X.He,D.H，Y.Y，etal.“Widelywavelength-selectablelaserswithdigitalconcatenatedgratingreflectorsproposalandsimulation，，，IEEEPhotonicsTechnologyLetters,vol.20,no.21,Nov2008)，能够改善激光器的各波长信道的功率均衡性并且提高动态波长切换速度。YuichiTohmori等人提出的超结构光栅(SSG)的一个取样周期内存在多个相移，因而在电子束光刻的过程中需要非常精确地控制相移的位置和大小，制作非常困难。此夕卜，超结构布拉格光栅可调谐激光器还存在模式缺失现象(即原设计的模式实际上没有出现光激射)，因而模式输出不稳定。I.A.Avrutsky等人提出的二元叠合布拉格光栅(BSG)需要利用电子束光刻方法写入非常长的光栅结构，其制作过程也十分困难。Bookham公司制作的数字超模布拉格反射激光器(DS-DBR)输出功率较低，需要集成半导体光放大器(SOA)来提高功率。同时由于其前光栅区是采用多个不同布拉格波长的独立光栅组成，需要制作多个接触电极，这对于调谐激光器的高速波长切换应用是不利的。M.Gioannini和I.Montrosset提出的基于间插取样光栅的宽调谐半导体激光器，其间插取样光栅有两种结构。一种是间插不同光栅周期的取样光栅，由于不同的光栅周期交替存在，制作非常困难；第二种是间插光栅周期相同但是光栅初相位差为n的取样光栅，由于两组间插的取样光栅间距非常小rium量级)，在制作时需要的平台控制精度也很高，制作非常困难。何晓颖、余永林等人提出的基于数字级联光栅的宽调谐激光器，由于级联的光栅周期差别很小，采用普通的全息曝光方法难以制作，可利用电子束光刻、纳米压印等方法制作，但制作精度要求也很高。
发明内容本发明的目的是提供了一种可调谐半导体激光器，它可以改善现有激光器在调谐时各个波长信道输出光功率不一致的问题，并且能够实现宽波长范围调谐和快速波长切换，光栅区可采用非常成熟的全息曝光方法制作，具有工艺简单的优点。本发明提供了一种可调谐半导体激光器，附图4是本发明的四段式基于间插多相移取样光栅的可调谐半导体激光器的纵截面示意图。它包括前光栅区I、有源区2、相位区3和后光栅区4。其中有源区2位于前光栅区I和相位区3之间，相位区3位于有源区2和后光栅区4之间；前光栅区I、相位区3和后光栅区4纵截面从上到下依次主要包括上限制层5、光波导层6和下限制层7，有源区2纵截面从上到下依次主要包括上限制层5、有源层8和下限制层7;前光栅区I、有源区2、相位区3和后光栅区4上分别制作有电极11、12、13、14，前光栅区I和后光栅区4的外端面分别镀有增透膜15、16;前、后光栅区1、4具有在上限制层5中制作的前、后布拉格光栅9、10。所述的前布拉格光栅9由m组取样布拉格光栅间插构成，m为正整数，每一组取样光栅为多相移取样光栅。所述的前布拉格光栅9第i组间插的多相移取样光栅,相邻取样周期间光栅相位差为fi=(i-l)*2n/m。其中，1=1，2，“*111。所述的前布拉格光栅9的m组间插多相移取样光栅的光栅周期、取样周期相同。所述的后布拉格光栅10由n组取样布拉格光栅间插构成，n为正整数，每一组取样光栅为多相移取样光栅。所述的后布拉格光栅10第i组间插的多相移取样光栅,相邻取样周期间光栅相位差为Pi=(i-l)*2n/n。其中，i=l，2，…n。所述的后布拉格光栅10的n组间插多相移取样光栅的光栅周期、取样周期相同。前布拉格光栅9和后布拉格光栅10具有不同的取样周期，在两个光栅区注入电流改变光栅区折射率，从而可以利用游标卡尺效应进行准连续波长调谐。所述的可调谐半导体激光器的前、后布拉格光栅9、10还可以设计成为布拉格光栅的各种切趾和啁啾的形式。所述的可调谐半导体激光器可以与半导体光放大器和/或电吸收调制器集成。本发明的优点在于I.本发明采用的间插多相移取样光栅的反射谱的峰值均匀性很好，相比L.A.Coldren等人提出的用取样布拉格光栅作反射镜的可调谐半导体激光器，间插多相移取样光栅的反射谱3dB通道内信道数目能够成倍增加，因而各个波长信道的功率均衡性得到了很大的提升。2.本发明采用的间插多相移取样光栅的各组间插多相移取样光栅具有相同的光栅周期，因而可以利用普通的全息光刻方法来制作，多相移发生在取样周期间，因而可以制作在取样图形模板中，相比超结构布拉格光栅激光器、二兀叠合光栅激光器、M.Gioannini和I.Montrosset提出的间插取样光栅激光器及数字级联光栅激光器，具有光栅制作工艺简单且易于商用化的优点，而光栅制作困难一直是限制上述几种激光器结构发展的主要原因之一。3.本发明的可调谐半导体激光器利用游标卡尺原理，可以获得很宽的准连续调谐范围，同时光谱线宽窄。4.本发明的可调谐半导体激光器需要的电极数远远少于数字超模布拉格反射激光器(DS-DBR)，波长动态切换速度快。5.本发明的可调谐半导体激光器结构简单，易于制作，并且还能够与半导体光放大器、电吸收调制器等各种半导体器件集成，实现各种功能。图I是四段取样光栅可调谐半导体激光器的纵截面示意图；图2是附图I中光栅区中的取样光栅一个取样周期的结构示意图3是附图I中光栅区中取样光栅的梳状反射谱；图4是本发明的四段式基于间插多相移取样光栅的可调谐半导体激光器的纵截面结构示意图。图5是本发明的第一个实施实例的前、后光栅区中间插多相移取样光栅的结构示意图6是本发明的第一个实施实例的前光栅区中间插多相移取样光栅的反射谱；图7是本发明的第一个实施实例的后光栅区中间插多相移取样光栅的反射谱；图8是与本发明的第一实施实例中后光栅区多相移取样光栅具有相同光栅周期、峰值反射通道间隔、光栅长度、耦合系数的取样光栅的反射谱；图9是本发明的第二个实施实例的前、后光栅区中间插多相移取样光栅的结构示意图10是本发明的第二个实施实例的前光栅区中间插多相移取样光栅的反射谱。图11是本发明的第二个实施实例的后光栅区中间插多相移取样光栅的反射谱。图12是与本发明的第二实施实例中后光栅区多相移取样光栅具有相同光栅周期、峰值反射通道间隔、光栅长度、耦合系数的取样光栅的反射谱。图中，1:前光栅区；2:有源区；3:相位区；4:后光栅区；5:上限制层；6:光波导层；7:下限制层；8:有源层；9:前布拉格光栅；10:后布拉格光栅；11:第一电极；12:第二电极；13:第三电极；14:第四电极；15:第一增透膜；16:第二增透膜；17:光栅段。具体实施例方式为了改善基于布拉格反射式光栅的可调谐半导体激光器的各个波长信道功率的均衡性，就需要设计具有平坦峰值反射率、梳状反射谱的光栅滤波器。附图2为取样光栅一个周期的结构示意图，Zg为光栅段长度，ZS为取样周期，Zg/Zs为取样光栅的取样占空比。附图3所示为取样光栅的反射谱，L.A.Coldren等人在“Theory,Design,andPerformanceofExtendedTuningRangeSemiconductorLaserswithSampledGratings，，(IEEE,JournalofQuantumElectronics,vol.29,no.6,June,1993)提出取样光栅反射谱包络为Sinc函数形状,反射谱3dB带宽内的信道数目约为int(Zs/Zg)个,int表示取整数。当占空比(即Zg/Zs)比较大，各反射通道的反射率非常不均匀，从而影响了波长调谐过程中各波长信道的功率均衡性和波长调谐范围。当占空比比较小时，取样光栅反射谱比较平坦。但是占空比小也意味着需要更长的光栅来提高光栅反射率，一方面增加了器件的长度，影响了器件的阈值特性、调制等性能，另一方面由于带来的波导损耗增加，也会影响激光器的波长调谐过程中的功率均衡性；减小光栅取样周期，可以在更宽的波长范围内获得平坦的反射谱包络，但是也会增大取样光栅反射通道间隔(见下面公式(2))，从而使调谐激光器准连续波长调谐难以实现。基于以上的分析，本发明提出了一种基于间插多相移取样光栅的可调谐半导体激光器。附图4是本发明的四段式基于间插多相移取样光栅的可调谐半导体激光器的纵截面示意图，图中Zsf和Zot分别表示前光栅和后光栅的取样周期长度。本发明的核心思想是取样光栅能够产生梳状反射谱，多相移取样光栅是指取样光栅的每个相邻取样周期间光栅初始相位发生相移，当间插多相移取样光栅的第i组间插的多相移取样光栅，相邻取样周期间光栅相位差为名=(i-DskIf/■时，多相移取样光栅的反射谱相对于不加多相移的普通取样光栅发生波长偏移，偏移值大小di为权利要求1.一种可调谐半导体激光器，该激光器纵向截面从一端到另一端依次包括前光栅区(1)、有源区(2)、相位区(3)和后光栅区(4)，前光栅区(I)、相位区(3)和后光栅区(4)纵截面从上到下依次主要包括上限制层(5)、光波导层(6)和下限制层(7)，有源区(2)纵截面从上到下依次主要包括上限制层(5)、有源层(8)和下限制层(7)，前光栅区(I)和上限制层(5)交叉的区域设有前布拉格光栅(9)，后光栅区(4)和上限制层(5)交叉的区域设有后布拉格光栅(10),其特征在于前布拉格光栅(9)和后布拉格光栅(10)均米用间插多相移取样布拉格光栅。2.根据权利要求I所述的激光器，其特征在于间插多相移取样布拉格光栅是复数组多相移取样布拉格光栅间插制得的光栅，所有多相移取样布拉格光栅的光栅周期、取样周期相同。3.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于每组多相移取样布拉格光栅均包括复数个取样光栅周期结构，每组多相移取样布拉格光栅中相邻的取样光栅周期结构的光栅初始相位具有相同的相移。4.根据权利要求3所述的激光器,其特征在于设间插多相移取样布拉格光栅包含m组多相移取样布拉格光栅，则第i组多相移取样布拉格光栅的相邻取样光栅周期结构的光栅初始相移fi为(i-l)*2Ji/m。5.根据权利要求I4中任一项所述的激光器，其特征在于前光栅区(I)、有源区(2)、相位区(3)和后光栅区(4)的上表面分别设有第一电极(11)、第二电极(12)、第三电极(13)和第四电极(14)。6.根据权利要求I4中任一项所述的激光器，其特征在于前光栅区(I)和后光栅区(4)的外侧表面分别设有第一增透膜(15)和第二增透膜(16)。7.根据权利要求3或4所述的激光器，其特征在于取样光栅周期结构采用均匀、切趾或啁啾形式的布拉格光栅。8.根据权利要求I4中任一项所述的一种可调谐半导体激光器，其特征在于所述的可调谐半导体激光器可以与半导体光放大器和/或电吸收调制器集成。全文摘要本发明公开了一种可调谐半导体激光器，激光器由前光栅区、有源区、相位区和后光栅区构成。前光栅和后光栅区设计为一种新型布拉格光栅，该光栅用来产生反射峰值均衡的梳状反射响应。利用游标卡尺效应，通过在前、后光栅注入电流改变光栅区的折射率值，从而实现宽谱的准连续调谐。本发明的激光器具有输出光功率高，每个信道的光功率均匀性好，动态波长切换速率高等优点。本发明的激光器的两个布拉格反射段还可以设计成为布拉格光栅的各种切趾和啁啾的形式。本发明的激光器也可以与半导体光放大器和电吸收调制器等器件集成。文档编号H01S5/125GK102751659SQ20121024494公开日2012年10月24日申请日期2012年7月16日优先权日2012年7月16日发明者余永林,赵家霖申请人:华中科技大学