本發(fā)明涉光電子技術(shù)領(lǐng)域的半導(dǎo)體激光器，特別涉及多波長(zhǎng)分布反饋脊波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器陣列及應(yīng)用。

技術(shù)背景

隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，波分復(fù)用系統(tǒng)(WDM)在實(shí)現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)中信息的高速率和大容量傳輸扮演著越來(lái)越重要的角色。能夠精確工作在設(shè)定波長(zhǎng)并且具有固定波長(zhǎng)間隔的多波長(zhǎng)光源是實(shí)現(xiàn)WDM系統(tǒng)的重要光電子器件之一，而分布反饋(DFB)激光器陣列是實(shí)現(xiàn)這種多波長(zhǎng)光源的一種理想選擇。與采用通過(guò)兩個(gè)端面集中反饋的Fabry-Perot(FP)激光器相比，DFB半導(dǎo)體激光器采用內(nèi)建式光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)光的分布式反饋。DFB激光器陣列的優(yōu)點(diǎn)是體積小，性能穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)單片集成，尤其適用于密集波分復(fù)用系統(tǒng)(DWDM)[G.P.Li,T.Makino,A.Sarangan,and E.Huang,"16-wavelength gain-coupled DFB laser array with fine tunability,"IEEE PHOTONIC TECH L8,22-24,22-24(1996)]。為了實(shí)現(xiàn)激光器陣列中單個(gè)通道的激射波長(zhǎng)變化，很多研究工作者已經(jīng)進(jìn)行了有關(guān)研究，例如，利用多次全息曝光法[L.M.Miller,K.J.Beernink,J.S.Hughes,S.G.Bishop,and J.J.Coleman,"Four wavelength distributed feedback ridge waveguide quantum-well heterostructure laser array,"APPL PHYS LETT61,2964-2966,2964-2966(1992)]或是電子束直寫技術(shù)[C.Vieu,F.Carcenac,A.Pépin,Y.Chen,M.Mejias,A.Lebib,L.Manin-Ferlazzo,L.Couraud,and H.Launois,"Electron beam lithography:resolution limits and applications,"APPL SURF SCI164,111-117,111-117(2000)]直接改變不同的波長(zhǎng)通道的光柵周期的方法，但是該方法需要對(duì)陣列中的激光器逐個(gè)改變光柵周期，制作工藝復(fù)雜困難；如改變?cè)鲆骜詈螪FB激光器陣列脊波導(dǎo)寬度的方法，但是激光器的有效折射率隨脊波導(dǎo)寬度的變化范圍很小，因此采用該方法會(huì)限制激光器陣列的波長(zhǎng)變化范圍，并且在大脊波導(dǎo)寬度下，激光器會(huì)出現(xiàn)多橫模振蕩的情況；如改變DFB激光器陣列波導(dǎo)有源區(qū)相對(duì)于光柵的傾斜角度的方法[W.T.Tsang,R.M.Kapre,R.A.Logan,and T.Tanbun-Ek,"Control of lasing wavelength in distributed feedback lasers by angling the active stripe with respect to the grating,"IEEE PHOTONIC TECH L5,978-980,978-980(1993)]，但是長(zhǎng)波長(zhǎng)激射需要更大的傾斜角度，而研究表明大傾斜角度會(huì)大大減小光柵的耦合系數(shù)[Sarangan and M.Andrew,"Multi-wavelength distributed feedback lasers[microform].,"National Library of Canada＝Bibliothèque nationale du Canada,(1997)]，并對(duì)激光器的相關(guān)性能產(chǎn)生影響，此外改變有源區(qū)相對(duì)于光柵的傾斜角度的制作工藝較為復(fù)雜；如采用選擇區(qū)域生長(zhǎng)法[Y.Katoh,T.Kunii,Y.Matsui,H.Wada,T.Kamijoh,and Y.Kawai,"DBR laser array for WDM system,"ELECTRON LETT29,2195-2197,2195-2197(1993)]，來(lái)制作分布布拉格反射(DBR)激光器陣列，但該制作工藝復(fù)雜，難度高，此外DBR激光器需要無(wú)源光柵波導(dǎo)與有源區(qū)波導(dǎo)復(fù)雜的單片集成對(duì)接生長(zhǎng)技術(shù)，因而器件穩(wěn)定性、可靠性低；又如采用取樣光柵結(jié)構(gòu)的多波長(zhǎng)激光器陣列[B.Mason,S.L.Lee,M.E.Heimbuch,and L.A.Coldren,"Directly modulated sampled grating DBR lasers for long-haul WDM communication systems,"IEEE PHOTONIC TECH L9,377-379,377-379(1997)]，取樣光柵結(jié)構(gòu)能夠在均勻布拉格光柵的基礎(chǔ)上經(jīng)取樣周期的調(diào)制后，可以在光柵反射譜上出現(xiàn)高階反射峰。不同的取樣周期，高階反射峰值波長(zhǎng)不同。通常取樣光柵的方法仍存在待解決的問(wèn)題，例如受反射譜布拉格中心波長(zhǎng)處的反射峰影響，器件的邊模抑制比較低，以及由光柵取樣帶來(lái)的反饋光的減小，從而增加了閾值電流。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于復(fù)耦合均勻光柵的分布反饋的多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器陣列，避免大脊波導(dǎo)寬度下多橫模振蕩和大傾斜角度下光柵耦合系數(shù)劣化嚴(yán)重的缺陷。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于復(fù)耦合均勻光柵的分布反饋的多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器陣列，采用以下解決方案：包括四個(gè)不同激射波長(zhǎng)的單縱模半導(dǎo)體激光器，這四個(gè)激光器對(duì)應(yīng)的脊波導(dǎo)的寬度均不相同，且激射波長(zhǎng)較大的激光器對(duì)應(yīng)的脊波導(dǎo)寬度較大；

所述四個(gè)激光器對(duì)應(yīng)的脊波導(dǎo)相對(duì)于基礎(chǔ)光柵的傾斜角度均不相同，所述傾斜角度為各脊波導(dǎo)與光柵矢量方向的夾角，且激射波長(zhǎng)較大的激光器對(duì)應(yīng)的脊波導(dǎo)傾斜角度較大；

每條傾斜的脊波導(dǎo)的兩端，各有一段彎曲連接波導(dǎo)，用于保證激光器的出光方向與出光面垂直。

優(yōu)選的，所述激光器的反饋光柵為復(fù)耦合均勻光柵，也即損耗耦合或增益耦合光柵。

更優(yōu)選的，所述的四個(gè)激光器對(duì)應(yīng)的脊波導(dǎo)的背向端面處，各個(gè)脊波

導(dǎo)的中心間隔ΔS滿足條件：ΔS≥150μm；

每段所述彎曲連接波導(dǎo)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)_s，L_s小于等于L/5，其中L為激光器兩個(gè)端面之間的垂直距離；所述彎曲連接波導(dǎo)的曲率半徑由下式計(jì)算得出：

R＝L_s/θ

式中，θ為該傾斜脊條對(duì)應(yīng)的傾斜角度。

進(jìn)一步優(yōu)化的，所述的四脊波導(dǎo)在背向端面處鍍有增反膜，在前向端面處鍍有減反膜。

本發(fā)明同時(shí)提出了一種多波長(zhǎng)分布反饋脊波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器陣列的應(yīng)用，在采用波分復(fù)用即WDM技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)中，該激光器陣列作為多波長(zhǎng)光源。

本發(fā)明與現(xiàn)有的解決方案相比具有以下的主要優(yōu)點(diǎn)：

1)與現(xiàn)有的通過(guò)直接逐個(gè)改變陣列中各個(gè)激光器的光柵周期來(lái)改變激光器的激射波長(zhǎng)的方案相比，本發(fā)明具有更簡(jiǎn)單的制作工藝，制作工藝與傳統(tǒng)工藝兼容，只需更換掩膜版即可；

2)與現(xiàn)有的只采用變化脊波導(dǎo)寬度來(lái)改變激光器的有效折射率從而改變激射波長(zhǎng)的方案相比，本發(fā)明能夠在較大的波長(zhǎng)變化范圍內(nèi)減小脊波導(dǎo)寬度的變化范圍，從而避免脊波導(dǎo)寬度過(guò)大而出現(xiàn)的多橫模振蕩的問(wèn)題；或者在一定的脊波導(dǎo)寬度變化范圍內(nèi)，本發(fā)明具有更大范圍的波長(zhǎng)調(diào)諧能力。

3)與現(xiàn)有的只采用通過(guò)改變有源區(qū)相對(duì)于光柵的傾斜角度來(lái)改變有效光柵周期從而改變激光器的激射波長(zhǎng)的方案相比，本發(fā)明通過(guò)脊波導(dǎo)的傾斜來(lái)達(dá)到變化有效光柵周期的目的，簡(jiǎn)化了激光器的制作工藝；此外，本發(fā)明能夠在較大的波長(zhǎng)變化范圍內(nèi)減小脊波導(dǎo)的傾斜角度的變化范圍，從而避免傾斜角度過(guò)大而出現(xiàn)的光柵耦合系數(shù)嚴(yán)重劣化的問(wèn)題；或者在一定的脊波導(dǎo)傾斜角度變化范圍內(nèi)，本發(fā)明具有更大范圍的波長(zhǎng)調(diào)諧能力。

4)與現(xiàn)有的采用選擇區(qū)域生長(zhǎng)的DBR激光器陣列的方案相比，本發(fā)明具有更簡(jiǎn)單的制作工藝，且無(wú)需無(wú)源光柵波導(dǎo)與有源波導(dǎo)的對(duì)接生長(zhǎng)技術(shù)，器件穩(wěn)定性、可靠性更高；

5)與現(xiàn)有的采用取樣光柵結(jié)構(gòu)的方案相比，取樣光柵結(jié)構(gòu)激光器陣列需要復(fù)雜的取樣方式來(lái)抑制中心波長(zhǎng)的激射，穩(wěn)定性不高，而本發(fā)明只需制作傾斜的脊波導(dǎo)來(lái)改變光柵的有效周期，因而制作工藝簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)；

6)本發(fā)明中采用的復(fù)耦合光柵，能夠激光器陣列的各個(gè)通道的單縱模工作。

7)本發(fā)明中的傾斜波導(dǎo)兩端的彎曲連接波導(dǎo)，能夠使出光方向過(guò)渡到與出光面垂直，從而能夠減小反射損耗。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明激光器陣列橫截面示意圖。

圖2為本發(fā)明激光器陣列俯視圖。

圖3為激光器有效折射率隨脊波導(dǎo)寬度變化關(guān)系圖。

圖4為脊波導(dǎo)傾斜后光柵周期變化示意圖。

圖5為本發(fā)明的實(shí)施例的輸出光譜圖。

圖中：1.N型電極；2.襯底；3.下包層；4.下分別限制層；5.應(yīng)變多量子阱有源層；6.上分別限制層；7.緩沖層；8.光柵層；9.上包層；10.氧化層；11.P型電極；12.第一脊條；13.第二脊條；14.第三脊條；15.第四脊條。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

為了實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)輸出的四通道DFB激光器陣列，陣列中的4個(gè)激光器的脊波導(dǎo)寬度和相對(duì)于光柵的傾斜角度均不相同。并且我們采用損耗耦合或增益耦合光柵，因而能夠保證陣列中各個(gè)激光器單縱模工作。本發(fā)明中的傾斜波導(dǎo)兩端的彎曲連接波導(dǎo)，能夠使出光方向過(guò)渡到與出光面垂直的方向，可以減小反射損耗。該器件x-y平面的橫截面圖和頂部x-z平面的俯視圖分別如圖1和圖2所示。

本發(fā)明所提供的多波長(zhǎng)激光器陣列的工作原理描述如下：

1.激光器的有效折射率n_eff會(huì)隨著脊波導(dǎo)的寬度發(fā)生改變，且脊波導(dǎo)的寬度越大，對(duì)應(yīng)的激光器有效折射率越大。采用有限差分法，脊波導(dǎo)激光器的有效折射率隨脊寬增大的趨勢(shì)通常如圖3所示。激光器陣列中各激光器脊波導(dǎo)寬度滿足的條件，陣列中各通道激光器對(duì)應(yīng)的有效折射率滿足關(guān)系：

n_eff1＜n_eff2＜n_eff3＜n_eff4

2.激光器的均勻光柵可以看成是一列由折射率波動(dòng)引起的有方向和大小的“平面駐波”，定義該“駐波”的波矢量為K_Λ。激光器的脊波導(dǎo)傾斜之后，結(jié)果是該光柵波矢量在沿著波導(dǎo)方向(t方向)和垂直于波導(dǎo)方向(n方向)存在兩個(gè)不為0的“駐波”分量：K_t和K_n，如圖4.其中

$K_{\mathrm{\Λ}}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_0}{e}_z$

K_t＝K_Λcosθ，K_n＝K_Λsinθ

式中Λ₀為基礎(chǔ)光柵周期，e_z為z方向上單位矢量，θ為波導(dǎo)傾斜角度。于是波導(dǎo)中的導(dǎo)模在沿著波導(dǎo)方向傳播時(shí)，所經(jīng)歷的光柵周期變?yōu)?/p>

$\mathrm{\Λ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\left|K_t\right|}=\frac{{\mathrm{\Λ}}_0}{cos\mathrm{\θ}}$

所以，脊波導(dǎo)傾斜之后，激光器的光柵周期變?yōu)樯鲜剿磉_(dá)的值。激光器陣列中各激光器脊波導(dǎo)傾斜角度所滿足的條件，陣列中各通道激光器所對(duì)應(yīng)的光柵周期滿足關(guān)系：

Λ₁＜Λ₂＜Λ₃＜Λ₄

3.激光器的脊波導(dǎo)寬度和傾斜角度通過(guò)不同的組合，可以實(shí)現(xiàn)激光器的有效折射率和光柵周期同時(shí)發(fā)生改變，則各個(gè)通道所對(duì)應(yīng)的激光器所滿足的布拉格條件為：

${\mathrm{\λ}}_i=2{\mathrm{\π}}_{effi}\frac{{\mathrm{\Λ}}_0}{{\mathrm{cos\θ}}_i},(i=1,2,3,4)$

如此，可以實(shí)現(xiàn)不同通道的激光器激射在不同的波長(zhǎng)上。

本發(fā)明提供的激光器陣列實(shí)施例中，其橫截面結(jié)構(gòu)(x-y截面)自下而上沿y方向?yàn)椋篘電極1、襯底2、下包層3、下分別限制層4、應(yīng)變多量子阱5、上分別限制層6、緩沖層7、光柵層8、上包層9、氧化層10、直脊條的第一脊條12、具有傾斜角的第二脊條13、具有傾斜角的第三脊條14、具有傾斜角的第四脊條15、P電極11，如圖1所示，俯視圖如圖2所示。我們提出的這種激光器陣列的制作過(guò)程與傳統(tǒng)的脊波導(dǎo)DFB激光器制作工藝兼容，并且只需要根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)繪制相應(yīng)的掩膜版即可。

本發(fā)明實(shí)施例中的激光器的編號(hào)2至編號(hào)15的部件采用的材料如下：

襯底2采用的材料為磷化銦；

下包層3采用的材料為銦鋁砷；

下分別限制層4和上分別限制層6采用的材料為鋁鎵銦砷；

應(yīng)變多量子阱有源層5采用的材料為鋁鎵銦砷；

緩沖層7、上包層9、第一脊條12、第二脊條13、第三脊條14、第四脊條15采用的材料均為磷化銦；光柵層8采用的材料為銦鎵砷磷；

氧化層10采用的材料為二氧化硅。

上述部件的構(gòu)成材料不局限于本實(shí)施例所述的材料，可以采用任何用于半導(dǎo)體激光器制作的三五族半導(dǎo)體材料體系，例如銦鎵砷磷-鋁鎵銦砷-磷化銦、或砷化鎵-鋁鎵砷等材料體系。

上述N型電極1、P型電極11上均為金屬電極層，例如但不局限于：

N型電極1采用鈦、鉑、金合金。

P型電極11為金、鍺、鎳合金。

在本實(shí)施例中，前向端面和背向端面分別鍍功率反射率為90％的高反膜和功率反射率為3％的減反膜。

高反膜層是在指定波長(zhǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)增強(qiáng)激光器腔內(nèi)在端面處光場(chǎng)反射的膜系層結(jié)構(gòu)。膜系材料一般為氧化物介質(zhì)，例如SiOx等。

減反膜層是在指定波長(zhǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)消除或極大減弱對(duì)激光器腔內(nèi)在端面處光場(chǎng)反射的膜系層結(jié)構(gòu)。膜系材料一般為氧化物介質(zhì)，例如SiOx等。

普通光刻加刻蝕工藝的一般流程為清洗、勻膠、前烘、對(duì)版曝光、顯影、堅(jiān)膜、去膜。顯影后生成抗蝕劑圖形，以此為掩模對(duì)襯底表面進(jìn)行選擇性腐蝕。

四脊波導(dǎo)的背向端面處，四脊波導(dǎo)的中心間隔ΔS滿足條件：ΔS≥150μm。在本實(shí)施例中，激光器陣列的設(shè)計(jì)要求為：激光器陣列工作在1550nm波段。通道頻率間隔為400GHz，對(duì)應(yīng)通道波長(zhǎng)間隔為3.1nm。各參數(shù)實(shí)際值如下：

1.第一、第二、第三和第四脊條寬度分別為：w₁＝1.5μm，w₂＝1.8μm，w₃＝2.4μm，w₄＝3.6μm；通過(guò)仿真計(jì)算優(yōu)化后的各脊條相應(yīng)的傾斜角度分比為：θ₁＝0，θ₂＝2.843°，θ₃＝3.762°，θ₄＝4.463°.

2.圖2中第一脊條為直脊條，與z方向平行，其長(zhǎng)度L為200μm。L也是激光器兩個(gè)端面之間的距離，即圖2中所示的激光器腔長(zhǎng)。

3.實(shí)施例激光器陣列中相鄰激光器的間隔ΔS為250μm。

4.陣列中4個(gè)激光器脊條兩側(cè)的溝槽寬度均為8μm；

5.圖2中第二、第三和第四脊條各自在兩端有彎曲波導(dǎo)連接，保證出光方向與出光面垂直。為保證彎曲波導(dǎo)一端能夠與傾斜波導(dǎo)平滑連接而另一端垂直于出光端面，每段彎曲波導(dǎo)的曲率半徑由下式計(jì)算得出：

R＝L_s/θ

式中，L_s為彎曲波導(dǎo)弧長(zhǎng)度，L_s小于等于L/5，其中L為激光器兩個(gè)端面之間的距離，在本實(shí)施例中，L_s＝20μm；θ為對(duì)應(yīng)脊條的傾斜角度。

6.本實(shí)施例中的單縱模激光器采用基于損耗耦合均勻光柵分布反饋半導(dǎo)體激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)本實(shí)施例多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器陣列，進(jìn)行理論模擬仿真，仿真的輸出光譜結(jié)果如圖5所示。

本發(fā)明提供一種基于均勻光柵的多波長(zhǎng)分布反饋半導(dǎo)體激光器陣列，這種激光器陣列可以用于WDM系統(tǒng)中的多波長(zhǎng)光源。本發(fā)明通過(guò)引入均勻光柵的復(fù)耦合分布反饋機(jī)制來(lái)保證激光器的單縱模工作，通過(guò)同時(shí)引入脊波導(dǎo)寬度變化和脊波導(dǎo)相對(duì)于基礎(chǔ)光柵的傾斜角度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)激光器波長(zhǎng)調(diào)諧，并且能夠在有限的脊波導(dǎo)寬度和傾斜角度的變化范圍內(nèi)增大激光器陣列波長(zhǎng)的變化范圍，避免大脊波導(dǎo)寬度下多橫模振蕩和大傾斜角度下光柵耦合系數(shù)劣化嚴(yán)重的情況。本發(fā)明中的傾斜波導(dǎo)兩端的彎曲連接波導(dǎo)，能夠使出光方向過(guò)渡到與出光面垂直，減小了反射損耗。本發(fā)明提供的激光器陣列解決方案制作工藝簡(jiǎn)單、成本低。

最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上具體實(shí)施方式僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。