一种半导体激光器及其制作方法及激光器阵列的制作方法
【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。尤其是基于重构一等效啁啾技术的三相移DFB半导体激光器及其制作方法及激光器阵列。
【背景技术】
[0002]DFB(Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器半导体激光器是指分布反馈式激光器，由于内置布拉格光栅，具有良好的滤波特性，能够筛选出不同波长。高功率、单纵模、窄线宽的DFB半导体激光器是现代光纤通信的核心光源。为了提高DFB半导体激光器的单模成品率，通常在激光器腔的中间位置引入λ/4相移，然而这种λ/4相移使得激光器的光场分布不均匀，尤其在腔长中间位置出现尖峰，中间位置光场的高度集中导致此处的载流子大量消耗，从而导致有效折射率的改变引起空间烧孔效应。空间烧孔效应改变了激光器谐振腔内光反馈的强度及相位，引起增益谱的起伏波动，会导致对边模抑制作用的减弱，激光器光功率曲线呈现非线性，破坏单模工作方式。
[0003]为此，人们提出了多种特殊光栅结构的DFB半导体激光器来抑制空间烧孔效应，如周期调制(Corrugat1n Pitch Modulated)、多相移(Multiple phase-shift)、幅度调制親合(Amplitude modulated coupling)DFB半导体激光器等方法。例如文献(M.0kai, N.Chinone, H.Taira, and T.Harada.Corrugat1n-pitch-modulatedphase-shifted DFB laser (周期调制相移 DFB 激光器)，IEEE Photonics TechnologyLetters, 1989，I (8): 200 - 201.)提出的周期调制CPM-DFB，通过在激光器腔中心引入一段周期与两侧不同的光栅，从而实现抑制空间烧孔效应、高功率下稳定单模工作的目的。文献(G.P.Agrawal, J.E.Geusic, and P.J.Anthony.Distributed feedback laserswith multiple phase-shift reg1ns (多相移 DFB 激光器研宄)，Applied PhysicsLetters, 1988，53 (3): 178 - 179.)通过相移的调整使得光场沿腔分布更加均匀，从而减小空间烧孔效应。文献(T.Fessant.Large signal dynamics of distributedfeedback lasers with spatial modulat1n of their coupling coefficient andgrating pitch (親合系数及周期调制DFB激光器的大信号特性研宄)，Applied PhysicsLetters, 1997，71(20):2880 - 2882.)通过制作不同形状的光栅来实现耦合系数和幅度增益的调制，达到抑制空间烧孔效应的目的。虽然这些结构都能有效的改善DFB激光器的性能，但由于光栅结构比较复杂，实际制作起来工艺复杂、成品率低，目前主要的解决方法是利用电子束曝光技术来精确控制激光器的光栅结构。
[0004]另一方面，目前的光网络主要由各种分立的光子器件组成。随着信息容量爆炸式的增长，这种分立的光器件组合方式会带来很多问题，比如系统结构非常复杂而庞大、能耗大量增加、管理成本也迅速提高。这些问题导致了现有的网络实现方法将很难进一步的维持下去。为了解决这些问题，光子集成技术被普遍认为是该问题的主要解决方法而受到广泛的关注和研宄。光子集成回路和目前的电子集成回路是等价的。它将很多个功能光子器件集成在同一个半导体衬底上，以实现一个特定的功能。比如美国英飞朗公司(Infinera Corp.)将10个光探测器、多波长DFB半导体激光器、电吸收调制器、放大器以及一个阵列波导光栅(AWG)集成在一个InP衬底上实现10*10Gb/s的波分复用(WDM)发射芯片(文献 David F.Welch, et.al, Large-scale InP photonic integratedciruits:Enabling efficient scaling of optica ；transport networks (大规 模铟磷基光子集成回路:光传输网有效解决方案)，IEEE Journal of selected topicsin quantum electronics, 2007, 13(1):22-31.) o 作为光子集成芯片的“发动机”，集成多波长DFB半导体激光器阵列是其中非常关键的元件(文献陈向飞，刘文，安俊明，刘宇，徐坤，王欣，刘建国，纪越峰，祝宁华，“多波长激光发射光子集成技术”科学通报，2011，56 (25):2119-2126.)。但是，目前低成本制造还比较困难。DFB半导体激光器阵列的制造主要有两方面的关键问题。其一，DFB激光器阵列中每个激光器波长的准确以及单独的控制，这需要每个激光器光栅周期的准确控制。其二，一个多波长阵列的成品率是每个激光器成品率的激光器个数的指数倍，所以，如果整个阵列芯片有比较好的成品率，每个激光器需要很高的成品率。对于以上两个问题，目前主要的解决方法有，利用电子束曝光技术精确控制每一个激光器的光栅周期，同时在光栅中间位置插入π相移。同时，激光器两端镀增透膜或者制作倾斜的谐振腔波导，避免端面反射和端面随机相位的影响(文献Peter P.G.Mols, P.1.Kuindersma, Wilma Van Es-Spiekman, and InGrid A.F.Baele, Yieldand device characteristics of DFB lasers:statistics and novel coating design intheory and experiment (DFB激光器的成品率与器件的特性:统计特性和新型镀膜的设计理论以及实验)，IEEE Journal of quantum electronics, 1989，25 (6): 1303-1313.)。这样每个激光器的激射波长完全处于Bragg光栅光谱的禁带中心。但是对于它的制造也面临同样的问题，相移需要纳米量级的控制，实际制作的时候比较困难。所以往往借助于电子束曝光技术。然而，电子束曝光的方法是将光栅条纹一条一条刻写，非常耗时，制作成本很高，限制了它的实际应用，如果是多波长激光器阵列，制作效率更低、成本更高。
【发明内容】
[0005]发明目的:本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种半导体激光器及其制作方法及激光器阵列。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明公开了一种半导体激光器，在激光器取样光栅位置对称的设置3个2 /3相移，3个2 /3相移分别对称的设置在激光器腔长L的1/4、1/2、3/4处；所述取样光栅为布拉格光栅，且是等效相移光栅。
[0007]本发明中，所述的布拉格光栅结构是在种子光栅的周期、折射率调制恒定、取样周期相同的条件下制作的取样布拉格光栅；种子光栅是通过全息干涉曝光法、双光束干涉法、电子束或纳米压印法中的任意一种制作而成的种子光栅。
[0008]本发明中，选用取样光栅的±1级子光栅之一作为激射信道。
[0009]本发明中，该激光器的输入端面和输出端面均镀高透膜AR，且高透膜的端面反射率在1%以内。
[0010]本发明中，制作激光器的半导体材料的增益中心设置在所选择的激射信道布拉格波长处而远离零级信道布拉格波长。
[0011]本发明还公开了一种半导体激光器的制造方法，包括以下步骤:
[0012]在η型衬底材料上一次外延η型InP缓冲层、10nm厚的非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层作为下波导层、应变InGaAsP多量子讲和10nm厚的ρ型晶格匹配InGaAsP波导层作为上波导层；
[0013]通过具有三相移结构的取样图案的掩模板，运用全息干涉曝光的方法在上波导层形成激光器的光栅结构；
[0014]制作取样光栅，通过二次外延生长P型InP缓冲层和ρ型InGaAs波导层，刻蚀形成脊形波导和接触层；