本申请涉及光电子技术领域，尤其涉及一种可调谐分布式布拉格反射的半导体激光器和控制方法。
背景技术：
可调谐激光器目前广泛应用于光谱学、光化学、生物学、医学、集成光学、污染监测、半导体材料加工、信息处理和通信等。现代光通信系统是可调谐激光器应用的最重要的领域之一。应用于密集波分复用(dwdm)光通信系统的可调谐激光器，主要有三种实现方案：外腔结构、基于分布反馈激光器(dfb)阵列的结构、以及采样布拉格反射(sgdbr)激光器，各有优缺点。
基于外墙结构的可调谐激光器调谐速度无法实现微秒、纳秒级别的快速可调谐。基于dfb半导体激光器阵列的可调谐方案可生产性和可靠性较差：并联实现大范围可调谐时，功耗大、芯片结构复杂；串联实现大范围可调谐时，损耗大、腔体长、易损坏。采样布拉格反射(sgdbr)的可调谐激光器调谐范围小、调谐难度大。
技术实现要素：
本发明提出一种半导体激光器和控制方法，解决可调谐半导体激光器技术调谐范围低、成本高、可生产性和可靠性低的问题。
本申请实施例提供一种半导体激光器，包括：光栅区域、增益区域；所述光栅区域的数量至少为2个，以串联的方式制作在同一激光器芯片上；每个所述光栅区域内光栅周期不变，不同光栅区域的光栅周期沿激光器芯片呈递增或递减变化；任意两个相邻的光栅区域间，包含一增益区域；所述增益区域的工作电流，用于产生单模激光发射；任意两个相邻的所述光栅区域，注入调谐电流，用于改变单模激光的波长。
优选地，本申请实施例提供的一种半导体激光器中，在串联的光栅区域和增益区域之间，还包含电隔离槽。所述电隔离槽的制作方式为：将连接所述增益区域和所述光栅区域的半导体结构中欧姆接触层刻蚀掉，再覆盖绝缘材料sio2；或者将连接所述增益区域和所述光栅区域的半导体结构中欧姆接触层刻蚀掉，再在此区域进行离子注入，之后覆盖绝缘材料sio2。
优选地，本申请实施例提供的一种半导体激光器中，每一个所述光栅区域为均匀布拉格光栅或者切趾布拉格光栅；所述切趾布拉格光栅为以下至少一种：改变光栅占空比，根据切趾函数，使光栅占空比沿腔长方向变化；改变光栅宽度，根据切趾函数，使光栅宽度沿腔长方向变化；使用平面波导摩尔光栅，即两列具有光栅周期差的波导光栅。
优选地，本申请实施例提供的一种半导体激光器中，每一个所述光栅区域为取样布拉格光栅或者等效切趾取样布拉格光栅；所述等效切趾取样布拉格光栅为以下至少一种：改变取样图样的占空比，根据切趾函数，使光栅的取样图样的占空比沿腔长方向变化；改变光栅取样图样的宽度，根据切趾函数，使光栅的取样图样的宽度沿腔长方向变化；基于取样光栅的平面摩尔光栅。
进一步优选地，本申请实施例提供的一种半导体激光器中，所述半导体激光器两端包含抗反射膜，所述抗反射膜的端面反射率为0.05％～1％。
进一步优选地，本申请实施例提供的一种半导体激光器中，所述光栅区域数量最大值为50个；相邻的两个所述光栅区域的布拉格波长间隔在0.8nm～8nm范围内。
在本发明的一个具体实施例中，还包括，所述半导体激光器为硅基、iii-v族外延材料混合集成；所述光栅结构制作在硅波导或iii-v族外延材料上。
本申请实施例还提供一种半导体激光器控制方法，用于本申请任意一项实施例所述半导体激光器，包括以下步骤：
向任意一个有源区域注入高于阈值的工作电流，其余有源区域注入透明电流，产生单模激光发射；
调整所述注入工作电流的有源区域相邻的光栅区域的调谐电流，改变所述单模激光的波长。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本发明的可调谐分布式布拉格反射半导体激光器能够应用于多种波段，具体比如1310波段和1550波段，应用的波段带宽较大。
本发明的可调谐分布式布拉格反射半导体激光器可以用于波长的快速切换。在波分复用系统中，激光发射波长与所需要的信道对准。当某个信道需要工作时，改变相应的增益区域的注入电流即可实现，因此波长的切换速度快。
本发明的可调谐半导体激光器还可以用于波长的快速调谐。当在某个信道附近需要调谐时，改变相应的增益区域两端的光栅区域的注入电流，从而得到波长的快速调谐。
本发明通过多段集成的方式将光栅区和有源区间隔集成，激光器通过向有源区注入电流控制输出功率，而在光栅区利用等离子体效应改变材料的折射率，实现了光功率和激射波长的分开控制，并且通过串联集成实现了宽带调谐，并且极大的降低了波长调谐的复杂程度，简化了测试过程。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明的半导体激光器材料结构示意图；
图2为本发明的半导体激光器光栅周期的分布图；
图3为本发明的半导体激光器工作波长分布图；
图4为利用不同方法实现切趾布拉格光栅的示意图；
图5为制作取样布拉格光栅的示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
基于外腔结构的激光器是一种采用混合集成的方式，通过外部光学元件，比如微机电系统(mems)的机械运动来选择相应的波长，这种方式可以在较宽的波长范围内连续的对波长进行调谐，具有较高的输出功率，并且可以获得较窄的线宽。但是由于尺寸一般在几百微米的数量级，所以对这些光学元件及机械系统的制作有非常高的要求，同时混合集成的封装方式也比较复杂，从而大大的增加了成本。由于此类型可调谐激光器采用外腔结构，所以调谐速度无法实现微秒、纳秒级别的快速可调谐。
基于dfb半导体激光器阵列的可调谐方案，可调谐dfb激光器是最早的可调谐半导体激光器，dfb激光器最大特点是具有非常好的单色性(即光谱纯度)，它的线宽普遍可以做到1mhz以内，以及具有非常高的边模抑制比(smsr)，目前可高达40～50db以上，所以其已成为目前光通信系统中应用的主要光源。可调谐dfb激光器波长选择是通过分布在有源区里的光栅来进行的，通过调节温度或电流来改变光栅反射区的折射率进而改变光栅的布拉格波长来实现波长调谐。因此，dfb的最大调谐范围受限于光栅区折射率的最大变化范围。此类单个激光器依靠电流或温度能够达到的最大调谐范围一般为4nm，远远无法满足dwdm系统对波长调谐范围的要求。因此需要利用一组不同波长的dfb激光器以串联或者并联的方式构成dfb激光器阵列，从而能够有效的扩大调谐范围。一般一个dfb激光器通过加热的方式可以实现4nm的波长调谐，因此要实现32nm的宽波长调谐需要采用8个不同波长的dfb激光器。该类并联可调谐激光器一般需要利用mmi合波器来进行合波，mmi合波器的传输效率约为1/n，n为dfb激光器的数目，因此当n很大时，传输效率很低，损耗很大，芯片的功耗很高，并且并联器件多，芯片良率低。串联的dfb激光器省去了阵列方法所需的合波器件，其尺寸更为紧凑，更易于和其它器件集成。其工作方式一般是通过电流选择某一分布反馈谐振腔工作，处于工作状态的分布反馈谐振腔需注入阈值以上的电流，其他所有光栅区域需注入透明电流使其光增益等于损耗。然而，更大的波长调谐范围通常需要更多的串联的谐振腔，这样可调谐激光器的整体腔长就会变得很长。这样，整个激光器芯片的结构就会呈现出长条状，在解离和封装时极易损坏。同时，每个谐振腔的微小缺陷都会对整个串联激光器的质量产生影响。
此外还有一种采样布拉格反射(sgdbr)激光器。传统的三段式dbr激光器由于材料的限制，采用均匀光栅多电极的dbr激光器调谐范围在10-15nm，即使加上温度调谐，其调谐范围也只可能达到22nm左右，而且此时的调谐已经不连续，调谐性能变差。已经商用的采样布拉格反射(sgdbr)激光器采用两组光栅，利用两组光栅的游标效应进行波长的调谐。由于采用游标效应，该类激光器的波长调谐特性特别复杂，需要利用专用的集成电路芯片对波长进行调控。同时这种复杂二维甚至三维调控，使得测试过程也变得异常漫长。加大了该类激光器的最终成本。
而本申请技术方案的设计构思是：不同光栅周期的光栅区域和无光栅的增益区域以串联的方式制作在同一激光器芯片上。每个光栅区域内光栅周期不变，任意两个相邻的光栅区域和中间的增益区域构成了一个分布式布拉格反射(dbr)谐振腔。可以选择性的对于某一个增益区域注入电流，实现某个特定波长的激射。只要选择不同的增益区域，就可以选择性地得到不同的激射波长，并可以通过调节光栅区域电流来进一步调谐该谐振腔的工作波长。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为本发明的半导体激光器材料结构示意图。包含n型电极101；衬底102；波导层103；光栅层104；缓冲层105；欧姆接触层106；p型电极107；电隔离槽108；多量子阱有源层109。
本申请实施例提供一种半导体激光器，包括：光栅区域、增益区域；所述光栅区域的数量至少为2个，以串联的方式制作在同一激光器芯片上；每个所述光栅区域内光栅周期不变，不同光栅区域的光栅周期沿激光器芯片呈递增或递减变化；任意两个相邻的光栅区域间，包含一增益区域；所述增益区域的工作电流，用于产生单模激光发射；任意两个相邻的所述光栅区域，注入调谐电流，用于改变单模激光的波长。
本发明的可调谐分布式布拉格反射半导体激光器，将光栅区域和增益区域以串联集成的方式制作在同一激光器芯片上，光栅区域的光栅具有不同的周期并且周期沿激光器腔递减或递增，增益区域生长在相邻的两个光栅区域之间。任意两个相邻的光栅区域与它们之间的增益区域构成了一个分布式布拉格反射(dbr)谐振腔，它的激射波长由相邻的两个光栅区域的光栅周期以及中间的增益谱线共同决定。通过注入的工作电流来选择激光器的某一个增益区域工作。并可以进一步通过调节光栅区域的电流来调谐该谐振腔的工作波长，从而实现激光器工作波长的连续调谐。
作为本发明的一个实施例，增益区生长了应变ingaasp多量子阱层(光荧光波长1.52微米，7个量子阱：阱宽8nm，0.5％压应变；垒宽10nm，晶格匹配材料)。
进一步优选地，所述半导体激光器中，在串联的光栅区域和增益区域之间，还包含电隔离槽，电隔离槽宽度在5μm～80μm之间。所述电隔离槽的制作方式为：将连接所述增益区域和所述光栅区域的半导体结构中ingaasp欧姆接触层和波导上面的ingaas缓冲层刻蚀掉，再覆盖厚度100nm到300nm之间的绝缘材料sio2；或者将连接所述增益区域和所述光栅区域的半导体结构中ingaasp欧姆接触层和波导上面的ingaas缓冲层刻蚀掉，再在此区域进行离子注入，之后覆盖厚度100nm到300nm之间的绝缘材料sio2。
所述的一种新型可调谐分布式布拉格反射半导体激光器包含n个串联的独立的光栅区域和n-1个增益区域，总的谐振腔数目为n-1个，其中2≤n≤50(n为整数)，相邻的两个光栅区域的布拉格波长间隔在0.8nm到8.0nm范围以内。
所述的一种新型可调谐分布式布拉格反射半导体激光器中，每个dbr谐振腔的调谐可以采用电流调谐的方式，调谐的范围等于相邻的分布式布拉格反射谐振腔间的波长间隔。
另外，所述的一种新型可调谐分布式布拉格反射半导体激光器两端采用抗反射膜，抗反射膜的端面反射率范围在0.05％到1％的范围内，采用抗反射膜能够消除端面随机相位对激光器波长和单模特性的影响，从而能够增加激光器的单模成品率和波长控制能力。
本发明中的半导体激光器一般应用iii-v族化合物半导体材料(如gaalas/gaas、ingaas/ingap、gaasp/ingap、ingaasp/inp、ingaasp/gaasp、algainas等)，同时也可应用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。同时，所述的一种新型可调谐分布式布拉格反射半导体激光器的光栅结构也可以用于硅基与iii-v族外延材料单片混合集成的半导体可调谐激光器，即将有源材料，如iii-v族外延片，与无源材料，如绝缘衬底上的硅相结合的激光器芯片。在单片混合集成的半导体可调谐激光器中，可以在硅波导上制作光栅，也可以在iii-v族外延材料上制作光栅。
器件的外延材料描述如下：首先在n型衬底材料上一次外延n型的inp缓冲层105、非晶掺杂晶格匹配ingaasp波导层103、ingaasp材料光栅层104，并同时通过对接生长等技术独立地生长增益区域的应变ingaasp多量子阱有源层109。然后使用普通微电子工艺制作含有等效光栅所需的取样周期分布的掩膜版。接下来通过取样掩膜版和全息干涉曝光的方法制作出光栅结构，然后二次外延p型晶格匹配ingaasp波导层、p型inp限制层和p型ingaasp欧姆接触层106。在制作欧姆接触层时一并制作电隔离槽108，例如将电隔离槽区域的ingaasp欧姆接触层刻蚀掉，然后再在表面覆盖sio2绝缘层，并制作激光器正面的p型电极107。激光器衬底进行减薄，剖光后制作背面的n型电极101。器件的两端均镀有抗反射膜，镀膜后的反射率小于1％。
图2为一种半导体激光器光栅周期的分布图。整个光栅周期沿激光器腔表现为均匀阶梯状，每个阶梯为一个光栅区域，呈现递增或递减变化，图2所示的是光栅周期沿激光器腔以均匀阶梯状减小的情况。
光栅周期的值需要根据设计的波段改变而改变，本申请文件不限定光栅周期的具体取值范围。
所述半导体激光器可以用于多种波段，包括1310波段和/或1550波段。光栅周期的值与增益区量子阱材料需要根据具体的所需要的激射波长设计。光栅区生长ingaasp光栅材料层。然后使用普通微电子工艺制作含有等效光栅所需的取样周期分布的掩膜板。接下来通过取样掩模板和全息干涉曝光的方法制作出光栅结构。
图3本发明的一种半导体激光器工作波长分布图。由于相邻的两个光栅区域和中间的增益区域构成了一个谐振腔，它的激射波长是由相邻的两个光栅区域的布拉格波长决定的。当需要某一个波长时，就点亮相对应的增益区域。例如，本发明的一种光栅布拉格波长设计为1550nm，1554.8nm，1559.6nm，1564.4nm，图3中表示的是反射率曲线，在上述波长值处发射激光强度最大。
以下具体说明光栅结构的类型。
单个光栅区域内光栅结构，可以采用均匀布拉格光栅。
通过电子束曝光的方式制作均匀布拉格光栅的方法是，首先在波导的对应部分涂抹上一层均匀的电子束曝光胶，常见的为pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)，然后使用电子束曝光技术，使电子束在曝光胶上扫描并通过改变电子束的曝光量，形成所需的布拉格光栅的图案，接着使用有机溶剂将曝光量少的pmma溶解，然后使用icp(电感耦合等离子体)干法刻蚀或者基于化学反应的湿法刻蚀对该材料进行刻蚀，从而得到所需要的图案。
单个光栅区域内光栅结构，还可以采用切趾布拉格光栅。
图4为利用不同方法实现切趾布拉格光栅的示意图。切趾布拉格光栅可以很大程度上抑制光栅反射谱中的旁瓣，从而提高所述激光器的单模特性。切趾可以通过改变光栅占空比501、改变光栅宽度502或使用平面波导摩尔光栅503来实现，如图4所示，具体地，
切趾布拉格光栅即光栅强度沿腔长方向变化的布拉格光栅。它可以提供更好的单模稳定性，其实现方式有以下几种：
光栅强度与光栅占空比有关，可以通过改变光栅占空比实现。根据切趾函数，使光栅占空比沿腔长方向变化(501)；
光栅强度与光栅宽度有关，可以通过改变光栅宽度实现，根据切趾函数，使光栅宽度沿腔长方向变化(502)；
使用平面波导摩尔光栅，即两列具有微小光栅周期差的波导光栅，可以得到三角函数的切趾形状(503)。
切趾布拉格光栅通过电子束曝光的方式制作。首先在波导的对应部分涂抹上一层均匀的电子束曝光胶，常见的为pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)，然后使用电子束曝光技术，使电子束在曝光胶上扫描并通过改变电子束的曝光量，形成所需的布拉格光栅的图案，接着使用有机溶剂将曝光量少的pmma溶解，然后使用icp(电感耦合等离子体)干法刻蚀或者基于化学反应的湿法刻蚀对该材料进行刻蚀，从而得到所需要的图案。
图5为制作取样布拉格光栅的示意图。进一步地，也可使用取样布拉格光栅，以改变取样图样占空比的方式等效实现切趾，或者以等效的方式改变光栅宽度和实现平面波导摩尔光栅。取样光栅是指在所述的一种新型可调谐分布式布拉格反射半导体激光器中，每一个光栅区域采用取样布拉格光栅结构，谐振腔的工作波长在此取样布拉格光栅的等效光栅的作用带宽里，对应的等效光栅的光栅周期由取样周期决定，改变取样周期并且改变增益区的增益分布就可以改变谐振腔的激射波长。用取样光栅等效实现，其性能和真实结构的光栅相同，但是制造成本大幅降低。其实现方式包括以下几种：
改变取样图样占空比，根据切趾函数，使取样图样的占空比沿腔长方向变化，实现等效切趾。
改变取样图样宽度，根据切趾函数，使取样图样的宽度沿腔长方向变化，实现等效切趾。
以等效方式实现平面波导摩尔光栅，即使用两列具有微小取样周期差的波导光栅，可以得到三角函数的切趾形状。
如图5所示，取样布拉格光栅及等效切趾的取样布拉格光栅的制作步骤为：
步骤i、在光刻板(掩膜版)上设计并制作取样图案，然后使用全息曝光技术在光刻胶上形成均匀的光栅图案；
步骤ii、使用具有取样图案的光刻板进行普通曝光，把该光刻板的图案复制到晶片光刻胶上，即在光刻胶上形成取样图案，之后再腐蚀晶片在晶片上形成相应的光栅图案。两个步骤的曝光顺序可以根据工艺互换。
需要说明的是，本发明中可以用取样布拉格光栅或者等效切趾取样布拉格光栅来代替均匀布拉格光栅或切趾布拉格光栅。即，使用取样布拉格光栅或者等效切趾取样布拉格光栅是一种特殊的方法，有益效果在于成本降低。
本申请实施例还提供一种半导体激光器控制方法，包含以下步骤：
步骤100、向任意一个有源区域注入高于阈值的工作电流，其余有源区域注入透明电流，产生单模激光发射；
在步骤100中，通过注入电流来选择激光器的某一个增益区域工作，其余增益区域全部加透明电流，所述透明电流小于阈值电流，使其他增益区域不产生激光，但所述透明电流的对增益区域的作用可以抵消材料本身对于光的吸收损耗，使所述半导体激光器产生一个单模光发激射。
通过步骤100，所述半导体激光器可以实现波长的快速切换。例如，在dwdm系统中包含多个信道，每个信道的中心波长不同。所述半导体激光器设计的各个激光发射波长与所需要的信道对准。当某个信道需要工作时，改变相应的增益区域的注入电流，就可以实现波长的快速切换。
步骤200、调整所述注入工作电流的有源区域相邻的光栅区域的调谐电流，改变所述单模激光的波长。
在步骤200中，进一步通过调节光栅区域的电流来调谐该谐振腔的工作波长，从而实现激光器工作波长的连续调谐。
通过步骤100，所述半导体激光器可以实现波长快速调谐。例如，在dwdm系统中包含多个信道，当在某个信道附近需要调谐时，改变相应的增益区域两端的光栅区域的注入电流，从而实现波长的快速调谐。
通过以上步骤100～200，当需要所述半导体激光器中一个谐振腔工作时，可将其对应的增益区域的工作电流设置为高于阈值，将其余非工作区域的有源区的电流都设置为透明电流，此时工作的谐振腔产生的光可以透过其他有源区域，但不产生损耗也不被放大。可以通过对增益区域一侧光栅周期大的光栅区域加调谐电流，使该谐振腔在设定的波长范围内工作。当所需激射波长超过当前谐振腔的调谐范围，需要波长切换时，使用另一个谐振腔，只需要通过电路控制来改变各增益区域的工作电流大小，将另一个谐振腔对应的增益区域设置为工作电流，并将剩余增益区域的电流都设置为透明电流。
本发明利用新型激光器结构，通过向有源区注入电流选择激射波长并控制输出功率，而在光栅区利用等离子体效应改变材料的折射率而调谐激射波长，该结构实现了光功率和激射波长的分开控制，并且通过串联集成实现了宽带调谐，极大的降低了波长调谐的复杂程度，简化了测试过程。从而能够得到适合wdm-pon系统应用的低成本可调谐激光器。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。