基于重構—等效啁啾的快速可調諧半導體激光器及制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光電子技術領域，與分布反饋（DFB)半導體激光器有關，尤其涉及復 雜分布反饋可調諧半導體激光器的設計和制作，更具體而言，是基于重構一等效啁啾技術 的低成本快速可調諧DFB半導體激光器的方法及裝置。 二、
【背景技術】
[0002] 現(xiàn)代光通信系統(tǒng)是以波分復用（WDM)技術為基礎的，而WDM技術本身是從波長的 角度來定義的，于是波長本身就成為光通信系統(tǒng)中最重要的資源之一。開發(fā)可利用的波長 信道資源和如何提高這些波長信道的利用效率就成為了人們研宄的熱點問題?？烧{諧激光 器（TL !Tunable Laser)的研宄已經(jīng)持續(xù)近30年，作為新一代密集波分復用（DWDM)系統(tǒng)以 及光網(wǎng)絡中光子交換的關鍵光電子器件，可調諧激光器的運用將使得光纖傳輸系統(tǒng)容量大 大增加，靈活性和可擴展性大大增強。
[0003] 另一方面，隨著光通信技術的不斷發(fā)展，其智能性也將獲得比較大的關注，智能化 的光網(wǎng)絡技術需要可調諧激光器，以實現(xiàn)靈活的波長路由。如果使用多個固定波長激光器 和相應的多個調制器，對于器件的可靠性和性能都會產(chǎn)生很大的影響，并且會增加功耗，尺 寸，質量和成本。因此，需要用一個精密快速波長掃描激光器，以大幅度地簡化復雜光網(wǎng)絡 的架構，并消除不同波長信道之間的光串擾，取代固定波長激光器。
[0004] 可調諧激光器應用廣泛，可以應用的領域很廣。在光交換領域，不僅要求實現(xiàn)波長 精確的調諧，還需要極快的調諧速度，理想情況下需要〈10納秒的信道-信道的轉換速度， 一般情況下也需要〈1微秒的信道-信道的轉換速度，調諧范圍要求覆蓋整個波段。
[0005] 可調諧激光器有很多實現(xiàn)方案，目前主要有三種方案來實現(xiàn)波長的可調諧：外腔 結構、采樣布拉格反射（SGDBR)激光器以及基于分布反饋激光器（DFB)陣列的結構，這些設 計的激光器都能達到40nm的調諧范圍，從而滿足DWDM系統(tǒng)的要求，但是這三種結構各有優(yōu) 缺點。
[0006] 基于外腔結構的激光器是一種采用混合集成的方式，通過外部光學元件（比如微 機電系統(tǒng)MEMS)的機械運動來選擇相應的波長，這種方式可以在較寬的波長范圍內連續(xù)的 對波長進行調諧，具有較高的輸出功率，并且可以獲得較窄的線寬。但是由于尺寸一般在幾 百微米的數(shù)量級，所以對這些光學元件及機械系統(tǒng)的制作有非常高的要求，同時混合集成 的封裝方式也比較復雜，從而大大的增加了成本。由于此類型可調諧激光器采用外腔結構， 所以調諧速度無法實現(xiàn)微秒、納秒級別的快速可調諧。基于外腔結構的可調諧激光器可參 見Intel的研宄成果[1-2]。
[0007] 目前商用化比較成功的單片集成可調諧激光器是基于采樣的布拉格反射 (distributed Bragg reflection，DBR)的可調諧半導體激光器方案，對這種類型的激光器 的研宄也比較廣泛。它是利用兩個采樣的布拉格反射光柵之間的游標效應來實現(xiàn)大范圍 的波長調諧的，相對于外腔結構，這種方案是單片集成的，不需要外部的機械結構，從而封 裝和調節(jié)相對簡單。但是這種方案對半導體工藝要求比較高，需要有源無源集成的工藝， 從而增加了工藝的復雜度，降低了成品率，由于其較高的工藝要求及較低的成品率，使得價 格一直居高不下。這種類型的可調諧激光器中電調諧折射率的調諧速度能夠達到納秒數(shù) 量級，調諧范圍也比較寬，但是由于調諧過程中伴隨的熱效應穩(wěn)定速度比較慢，從而導致激 光器的波長和模式穩(wěn)定的速度也比較慢，所以實際調諧速度在毫秒數(shù)量級、不滿足微秒、納 秒級快速可調諧激光器的要求?；诜植疾祭穹瓷浣Y構的可調諧激光器可參見JDSU的 SG-DBR 結構[3]、Oclaro 的 DS-DBR 結構[4]以及 Syntune 的 MGY 結構[5]。
[0008] 此外，還有一種基于DFB半導體激光器陣列的可調諧方案?？烧{諧DFB激光器是 最早的可調諧半導體激光器，DFB激光器由于其優(yōu)良的動態(tài)單模特性和穩(wěn)定性已成為目前 光通信系統(tǒng)中應用的主要光源?？烧{諧DFB激光器波長選擇機構是分布在有源區(qū)里的光 柵，通過調節(jié)溫度以改變光柵反射區(qū)的折射率進而改變布拉格波長來實現(xiàn)波長調諧，因此， 最大調諧范圍受限于光柵區(qū)折射率的最大變化范圍，此類激光器依靠電流注入可達到的最 大調諧范圍一般為4~5nm。為了擴大DFB激光器的調諧范圍，組合多個DFB激光器形成 DFB陣列是一種有效的方法，不同激射波長的陣列能夠組合實現(xiàn)大范圍的波長調諧。此外 DFB結構的可調諧激光器成本相對低廉，因為它是一個單一器件，不需要反饋并且也不需要 采用復雜的有源無源材料集成方式。陣列的耦合可以通過有源無源集成或者混合集成的 方式來實現(xiàn)，其中有源無源集成工藝要求比基于采樣的布拉格反射的DBR激光器的工藝要 求低，混合集成方式也比基于外腔結構的可調諧激光器要求簡單（不需要機械部件），所 以有希望實現(xiàn)相對低成本的可調諧激光器的制作。這種可調諧方式的優(yōu)點是激光器性能 穩(wěn)定，在波長調節(jié)過程中不會出現(xiàn)跳模，并且避免了復雜的封裝以及改變了波長調節(jié)方式， 從而更容易實現(xiàn)單片集成。這種基于串聯(lián)與并聯(lián)方式的DFB激光器陣列矩陣通常被用在 lOGbit/s的傳輸系統(tǒng)中。對于這種分布反饋結構的可調諧激光器陣列結構的研宄，有NEC 的采用六個8陣列的DFB半導體激光器覆蓋了整個S、C和L波段[6]?；谶@種串聯(lián)與并 聯(lián)方式的DFB激光器陣列在lOGbit/s的傳輸系統(tǒng)中由于材料折射率的變化對溫度的響應 比較慢，所以調節(jié)速度比較慢，其調諧速度也最多在毫秒數(shù)量級，無法實現(xiàn)微秒、納秒的快 速可調諧目標。
[0009] 如果我們通過調節(jié)電流來對可調諧激光器陣列矩陣中的工作激光器進行選擇，降 低陣列矩陣中的激光器的波長間隔，便可以通過調節(jié)電流來實現(xiàn)對于激光器的波長的選 擇，實現(xiàn)快速調諧，調節(jié)速度可以達到納秒量級。
[0010] 要實現(xiàn)亞納秒調節(jié)速度的波長調諧的可調諧激光器，以上所述、當前可調諧激光 器的主流方案都無法滿足要求
[0011] 本發(fā)明的目的就是要設計和制作低成本的快速可調諧DFB半導體激光器，改善波 長調諧速度的一種簡單有效的方式是將多個DFB激光器通過串聯(lián)或者串聯(lián)與并聯(lián)混合的 方式集成在一起，我們通過對于激光器陣列矩陣結構中的工作激光器進行選擇來改變激光 器的工作波長。
[0012] 然而，在同一芯片上制作工作波長不同的激光器并非易事。傳統(tǒng)的方法是采用電 子束曝光技術。但由于電子束曝光技術的成本很高，刻寫速度非常慢，并且由于電子束本身 的特點，其做出來的激光器陣列工作波長準確性不夠，影響了激光器陣列的質量或者成本 率，從而降低了激光器的性能，增加了激光器的成本。因此，單片集成快速可調諧激光器陣 列矩陣結構需要新的制造工藝和技術的出現(xiàn)。
[0013] 相關文獻[7]和專利[8]提出了一種新的DFB激光器制造方法：利用一種光纖布 拉格光柵的設計技術-重構一等效啁啾技術來設計DFB半導體激光器。重構一等效啁啾技 術最早被應用在光纖光柵的設計，可追溯到2002年馮佳、陳向飛等人在中國發(fā)明專利一用 于補償色散和偏振模彌散的具有新取樣結構的布拉格光柵Il (CN02103383. 8,授權公告號： CN1201513)中提出的通過引入取樣布拉格光柵的取樣周期啁啾（CSP)來獲得所需要的等 效的光柵周期啁啾（CGP)的方法。這種特殊的布拉格光柵是取樣布拉格光柵，取樣布拉格 光柵具有多個反射峰，每個反射峰代表一個影子光柵，對應于一個傅里葉系數(shù)。在中心布拉 格波長兩側的+1和-1級影子光柵，其作用與普通的布拉格光柵（非取樣光柵）相同，因 此利用復制取樣結構可以形成復雜的+1和-1級影子光柵，以代替普通的布拉格光柵，+1 和-1級影子光柵稱為等效光柵。在普通布拉格光柵的作用頻段上等效光柵可以完全代替 普通布拉格光柵，等效光柵的復雜特性可以通過改變取樣光柵的取樣周期結構獲得。由于 取樣周期一般遠遠大于光柵周期，因此重構一等效啁啾技術可以極大的簡化具有特殊精細 結構的布拉格光柵的制作程序，利用亞微米級精度實現(xiàn)了納米級精度的制造。重構一等效 啁啾技術已經(jīng)用于若干特殊結構DFB半導體激光器及陣列的研制中[9-11]，并且重構一等 效啁啾技術對DFB激光器波長具有更高的精度控制能力，目前波長控制精度可達±0. 2nm， 完全滿足此類型可調諧激光器對激光器波長控制精度的需要[12]。同時，重構一等效啁啾 技術的制作過程與傳統(tǒng)全息曝光工藝相互兼容，從而在制造成本上具有電子束曝光技術無 法比擬的優(yōu)勢，能夠滿足未來通信系統(tǒng)對低成本的要求。
[0014] 在基于重構一等效啁啾技術制作DFB半導體激光器及激光器陣列的基礎上，本發(fā) 明采用串聯(lián)與并聯(lián)方式將工作波長不同的激光器集成在同一芯片上，并且通過對于工作激 光器的選擇來進行波長的調節(jié)，從而能夠實現(xiàn)制作低成本快速可調諧DFB半導體激光器。 需要指出的是，通過串聯(lián)與并聯(lián)方式制作的DFB半導體激光器并不是單個激光器的簡單疊 加，它需要處理激光器之間的串擾問題，而其性能也是多個激光器綜合作用的結果。
[0015] 參考文獻
[0016] [1]''Automated Optical Packaging Technology for lOGb/s Transceivers and its Application to a Low-Cost Full C-Band Tunable Transmitter，''Intel Technology Journal，vol. 08, 101-114, 2004.)
[0017] [2]//Full C-Ban