基于重构‑等效啁啾的单片集成注入锁定DFB激光器及阵列及其制造方法与流程

基于重构-等效啁啾的单片集成注入锁定DFB激光器及阵列及其制造方法技术领域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。尤其涉及基于重构-等效啁啾的单片集成注入锁定DFB激光器及阵列及其制造方法。

背景技术：
随着无线通信领域的新用户和新服务不断增多，现有通信系统面临的带宽和能耗压力越来越大，寻求新型的无线接入方式，实现移动网络“大容量、低能耗、低成本”的要求是通信领域亟需解决的技术难题。光载无线技术(ROF：Radio-Over-Fiber)具有大带宽、低损耗、抗干扰、泛在接入的特点，是解决移动通信带宽和能耗难题的理想方案，其中模拟调制的激光器发射模块是光载无线系统的核心器件。但是由于受到模拟调制激光器发射模块带宽窄、成本高、调制失真等因素的影响，光载无线技术在通信领域并没有得到广泛的应用。利用注入锁定技术能够提高模拟调制激光器调制带宽，降低调制失真，是解决模拟调制激光器模块对光载无线技术限制难题的理想方案。早期，注入锁定技术是利用分离器件实现的，即实现注入锁定的两个激光器(一个是主激光器，另一个是从激光器)为相互独立封装的激光器，并且在两个激光器之间设有光隔离器以避免激光器间的相互串扰[1]。为了实现稳定的注入锁定，利用分离器件的注入锁定系统需要对主激光器和从激光器的波长、偏振态、注入功率比(注入到从激光器腔内的主激光器功率与从激光器腔内光功率之比)等参数进行精密控制，因此分离器件注入锁定系统需要含有复杂而精密的控制模块。分离器件的增多导致整个注入锁定系统体积庞大、结构复杂、稳定性低，而无法在实际中应用。单片集成的注入锁定DFB激光器将主激光器和从激光器集成在同一芯片上，两个激光器共用同一波导，因此两个激光器之间不需要光学对准和偏振控制，这使激光器结构更紧凑，性能更稳定。美国加州大学伯克利分校首次实现了单片集成的注入锁定激光器，与单个激光器相比，该激光器在注入锁定条件下能够明显改善调制带宽和调制失真[2-3]。在单片集成条件下，为了实现稳定注入锁定，既需要保证主激光器和从激光器稳定单模运转，又需要对两个激光器的波长进行精确控制，这对光栅的制造工艺提出了非常苛刻的要求。利用普通全息曝光工艺无法满足以上需求。电子束曝光技术具有设计灵活，制造精度高等优点，是制造复杂精细光栅结构的有效方法。但是电子束曝光设备价格昂贵，刻写速度慢，制造过程非常耗时，无法满足批量生产的要求，另外单片集成注入锁定激光器尺寸较大(一般在1mm以上)，电子束曝光设备很难在保证大的刻写范围的同时保证高制造精度。因此，单片集成注入锁定DFB激光器需要新的制造工艺和技术的出现。相关文献[4]和专利[5]提出了一种新的DFB激光器制造方法。文中提出，利用一种光纤布拉格光栅的设计技术-重构—等效啁啾(REC)技术来设计DFB半导体激光器。重构—等效啁啾(REC)技术最早被应用在光纤光栅的设计，可追溯到2002年冯佳、陈向飞等人在中国发明专利“用于补偿色散和偏振模弥散的具有新取样结构的布拉格光栅”(CN02103383.8，授权公告号：CN1201513)中提出的通过引入取样布拉格光栅的取样周期啁啾(CSP)来获得所需要的等效的光栅周期啁啾(CGP)的方法。这种特殊的布拉格光栅是取样布拉格光栅，取样布拉格光栅具有多个反射峰，每个反射峰代表一个影子光栅，对应于一个傅里叶系数。在中心布拉格波长两侧的+1和-1级影子光栅，其作用与普通的布拉格光栅(非取样光栅)相同，因此利用复制取样结构可以形成复杂的+1和-1级影子光栅，以代替普通的布拉格光栅，+1和-1级影子光栅称为等效光栅。在普通布拉格光栅的作用频段上等效光栅可以完全代替普通布拉格光栅，等效光栅的复杂特性可以通过改变取样光栅的取样周期结构获得。由于取样周期一般远远大于光栅周期，因此重构-等效啁啾技术可以极大的简化具有特殊精细结构的布拉格光栅的制作程序，利用亚微米级精度实现了纳米级精度的制造。重构-等效啁啾技术已经用于若干特殊结构DFB半导体激光器及阵列的研制中[6-8]，并且重构-等效啁啾技术对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±0.2nm，完全满足单片集成注入锁定技术对激光器波长控制精度的需要。同时，重构-等效啁啾技术的制作过程与传统全息曝光工艺完全兼容，再制造成本上具有电子束曝光技术无法比拟的优势，能够满足未来通信系统对低成本的要求。参考文献[1]X.J.Meng,T.Chau,etal.,"Improvedintrinsicdynamicdistortionsindirectlymodulatedsemiconductorlasersbyopticalinjectionlocking"(光注入锁定技术对直接调制半导体激光器动态失真的改善),IEEETrans.MicrowaveTheoryTechnique,1999,47(7):1172-1176；[2]JungT.,H.K.Sung,etal.,"DemonstrationofmonolithicopticalinjectionlockingusingatwosectionDFBlaser"(基于两段结构的单片集成注入锁定DFB激光器的研究),inConferenceonLasersandElectro-Optics,2003；[3]J.Thomas,H.E.Rolling,K.Y.Liou,H.K.Sung,D.Tishinin,W.T.Tsang,M.C.Wu,”SemiconductorInjectionLockedLasersandmethod”(注入锁定半导体激光器及其制造方法)，美国专利US20050023337A1[4]YitangDaiandXiangfeiChen,"DFBsemiconductorlasersbasedonreconstruction-equivalent-chirptechnology"(基于重构—等效啁啾技术DFB半导体激光器),OpticsExpress,2007,15(5):2348-2353；[5]陈向飞，“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CN200610038728.9，国际PCT专利US7873089B2；[6]李静思，贾凌慧，陈向飞，“单片集成半导体激光器阵列的制造方法及装置”，中国发明专利CN100583679C；[7]施跃春，陈向飞，李思敏，李静思，贾凌慧，刘盛春，“基于重构-等效啁啾和等效切趾的平面波导布拉格光栅及其激光器”，中国发明专利101750671A；[8]Y.C.Shi,X.F.Chen,etal.,"ExperimentaldemonstrationofthethreephaseshiftedDFBsemiconductorlaserbasedonReconstruction-Equivalent-Chirptechnique"(基于重构-等效啁啾技术的三相移DFB激光器的实验研究),OpticsExpress,2012,20(16):17374-17379。

技术实现要素：
本发明的目的在于，提出一种基于重构-等效啁啾技术的单片集成注入锁定激光器及其阵列。利用重构-等效啁啾技术设计和制作单片集成注入锁定激光器的复杂光栅结构，能够提高集成的主激光器和从激光器的单模特性和波长控制精度，从而提高单片集成注入锁定DFB激光器的稳定性。本发明的目的还在于提出基于重构-等效啁啾技术的单片集成注入锁定DFB激光器及阵列的制造工艺。本发明的技术方案是：基于重构-等效啁啾技术的单片集成注入锁定DFB激光器，实现注入锁定的主激光器和从激光器制作在同一衬底上或集成在同一芯片上，主激光器和从激光器共用同一波导结构；主激光器和从激光器之间有电隔离区，保证主激光器和从激光器能够单独运转；主激光器和从激光器具有相同的材料外延结构，包括：n型衬底、n型缓冲层、波导层、应变多量子阱层、光栅材料层、p型波导层、p型限制层、p型欧姆接触层、绝缘层和正负电极；主、从激光器均为DFB激光器，主、从激光器的光栅均是使用重构-等效啁啾技术设计的取样光栅，利用用重构-等效啁啾技术精确定位主、从激光器中至少一个激光器的激射波长，然后通过调节主、从激光器的直流偏执电流对主、从激光器的波长进行微调。主激光器和从激光器使用两个相互独立的电极。主激光器和从激光器必须有一个激光器能够进行波长精细调节，用以满足注入锁定对频率失谐量(主激光器与从激光器的频率差)的要求。进一步的，阵列中每个激光器的材料和结构构成与上述激光器相同，通过设置每个激光器取样光栅的取样周期精确控制每个激光器的波长，形成多通道的单片集成注入锁定激光器阵列。进一步的，主、从激光器所采用的材料可以是III-V族化合物半导体材料(如GaAlAs/GaAs、InGaAs/InGaP、GaAsP/InGaP、InGaAsP/InP、InGaAsP/GaAsP等)，同时也可采用II-VI族化合物半导体材料、IV-VI族化合物半导体材料等各种三元化合物、四元化合物半导体材料；此外，本发明中的主、从激光器也可采用掺铝半导体材料(例如AlGaInAs)，用于制造无制冷、温度特性良好的半导体激光器件。进一步的，主激光器和从激光器均为DFB激光器，主、从激光器可采用相同的光栅结构也可以采用不同的光栅结构。主、从激光器的光栅是基于重构-等效啁啾技术设计的等效的λ/4相移光栅、λ/8相移光栅、等效切趾光栅、周期节距调制CPM光栅、多相移MPS光栅以及以上几种光栅结构的有机组合；主、从激光器的光栅可以是上述几种光栅但不拘泥于上述几种光栅结构，在不脱离本发明原理的前提下，利用重构-等效啁啾技术对本发明中主、从激光器的光栅结构进行的改进和润饰也视为本发明的权利要求范围。主、从激光器的相移/啁啾位置可以位于每一个激光器的中心，也可以位于偏离激光器中心±15％的区域内。主、从激光器的波长是由其等效光栅的布拉格波长决定，既由采样光栅的采样周期决定。通过设计主、从激光器采样光栅的采样周期，让主、从激光器输出波长相近，两者的波长差在±0.2nm范围内。通过调节主、从激光器的直流偏执电流对激光器波长进行精细调节。主激光器和从激光器可以根据需要设计不同的腔长，主激光器腔长可以与从激光器腔长相同也可以大于从激光器腔长。主激光器和从激光器间存在有电隔离区域，利用干法刻蚀或湿法刻蚀技术去除掉电隔离区光栅结构和欧姆接触层，以实现主、从激光器间的电隔离，电隔离区的长度在10μm—80μm范围内。基于重构-等效啁啾技术的单片集成注入锁定DFB激光器阵列，阵列中每个注入锁定激光器的主、从激光器可采用相同的光栅结构也可以采用不同的光栅结构。主、从激光器的光栅是基于重构-等效啁啾技术设计的等效的λ/4相移光栅、λ/8相移光栅、等效切趾光栅、周期节距调制CPM光栅、多相移MPS光栅以及以上几种光栅结构的有机组合；主、从激光器的光栅可以是上述几种光栅但不拘泥于上述几种光栅结构，在不脱离本发明原理的前提下，利用重构-等效啁啾技术对本发明中主、从激光器的光栅结构进行的改进和润饰也视为本发明的权利要求范围。阵列中主、从激光器的相移/啁啾位置可以位于每一个激光器的中心，也可以位于偏离激光器中心±15％的区域内。主、从激光器通过设计采样光栅的采样周期精确定位主、从激光器间的波长差(频率失谐量)，并通过调节主、从激光器的直流偏置电流对频率失谐量进行微调。每个单片集成注入锁定激光...