基于重构-等效啁啾的非对称等效切趾取样光栅及激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于重构-等效啁啾技术的非对称等效切趾取样光栅及其DFB半导体激光器，激光器腔内的光栅是基于重构-等效啁啾技术的取样光栅，该取样光栅结构中含有对应普通布拉格光栅的等效光栅，等效光栅中的相移由等效啁啾技术设计引入的，并在等效相移区左右两侧引入不同切趾程度的等效切趾段光栅；腔内取样光栅的切趾结构使折射率调制强度呈中间小，向两端逐渐增大的趋势，有效减弱空间烧孔效应，提高激光器在高功率工作时的单纵模稳定性；等效相移左右两侧的切趾程度不对称使光栅强度不对称，对光的反馈作用不相等，既能增加激光器在高功率工作时的频率稳定性，又能在激射功率一定的情况下增大端面有效输出激光功率。

【技术实现步骤摘要】
基于重构-等效啁啾的非对称等效切趾取样光栅及激光器
本专利技术涉及光电子器件以及光子集成芯片领域，特别涉及一种基于重构-等效啁啾技术的非对称等效切趾取样布拉格光栅及其DFB半导体激光器。
技术介绍
高功率、单纵模、窄线宽的分布反馈式（DFB）半导体激光器是现代光纤通信技术的核心光源。为了提高DFB半导体激光器的单纵模成品率，在激光器腔的中心位置引入λ/4相移，但是是λ/4相移结构使激光器的光场分布在腔的中心位置不连续，并在中心位置出现尖峰，中心部位光场的高度集中导致此处的载流子大量消耗，从而出现空间烧孔效应。空间烧孔效应改变了谐振腔内光反馈的强度和相位，引起增益谱的起伏波动，会导致对边摸抑制作用的减弱，光功率曲线呈现非线性，不能保证单纵模工作，线宽难以做得更窄。为此，人们提出在腔中通过光栅周期调制来引入多相移或则在腔中心位置引入一段周期与两侧不同的光栅，即节距调制（CorrugationPitchModulated）DFB等方法来改善由于λ/4相移引入带来的空间烧空效应，如IEEEJournalofQuantumElectronics27(6):1767-1772提出的节距调制CPM-DFB,通过在激光器腔中心引入一段周期不同于两侧的光栅，实现了抑制空间烧空效应、高功率下稳定单模工作的目的。多相移和变节距方法的改进原理都是通过相移的调整（相移的位置或集散）使光场沿腔分布更加均匀，减小空间烧孔效应。还有一种基于幅度调制耦合（Amplitudemodulatedcoupling）的相移DFB激光器，如ELECTRONICSLETTERS16thJuly1992Vol.28No.15,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。另一方面，无论是DFB半导体激光器还是DFB光纤光栅激光器，都希望在泵浦功率相同的情况下，尽可能获得较高的有效输出光功率，提高对泵浦功率的利用率，节约能源。为了增大激光器端面输出的激光功率，通常将不对称结构引入到λ/4相移激光器中。常见的不对称结构有：1）λ/4相移的位置偏离DFB激光器中心，如IEEEJournalofQuantumElectronics23(6):815-821,非对称λ/4相移InGaAsP/InP分布反馈式激光器，提出将λ/4相移偏离中心位置±10%，实现增大激光器端面有效输出光功率的目的；2）λ/4相移左右两段的耦合系数不相等，3）两出光端面的反射率大小不对称，通常采用在激光器其中一端面镀上高反膜（HR），另一端面上镀增透膜（AR）的方式来实现端面反射率的不对称，达到改变DFB半导体激光器两端面的输出功率之比的目的。虽然这些结构都有效地改善了激光器的性能，但是由于光栅结构相当复杂，实际制作其起来比较困难且制作工艺复杂、效率较低，例如使用电子束曝光技术(E-Beamlithography)，高昂的制造成本限制了这些激光器的大规模应用。文献[1]和专利“基于重构-等效啁啾技术制备半导体激光器的方法及装置”(CN200610038728.9，国际PCT专利，申请号(PCT/CN2007/000601)在该问题的解决上走出了关键的一步。文中提出，利用一种光纤布拉格光栅的设计技术—重构-等效啁啾技术来设计DFB半导体激光器。重构-等效啁啾技术最早被应用于光纤光栅的设计，可追溯到2002年冯佳、陈向飞等人在中国专利技术专利“用于补偿色散和偏振模色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光栅周期啁啾(CGP)的方法。提出等效啁啾最早的文献可参考XiangfeiChenet.al，“AnalyticalexpressionofsampledBragggratingswithchirpinthesamplingperiodanditsapplicationindispersionmanagementdesigninaWDMsystem”(带有取样周期啁啾的取样布拉格光栅的分析表达式和它在波分复用系统色散管理中的应用)，IEEEPhotonicsTechnologyLetters，12，pp.1013-1015，2000。该技术的最大的优点是，种子光栅的周期和折射率调制不变，改变的仅仅是取样结构。通过改变取样结构，任意大小的相移啁啾，能够等效地引入到周期结构对应的子光栅(某一个信道)中，得到我们所需要的任意目标反射谱。由于取样周期一般几个微米，所以该方法利用亚微米精度实现了纳米精度的制造。更重要的是，该技术可以与当前的电子集成(IC)印刷技术相兼容。文献[4]给出了基于该技术的λ/4等效相移DFB半导体激光器的实验验证。由于这种技术设计的激光器改变的仅仅是取样结构，所以利用全息曝光技术和振幅掩膜版就能实现低成本的规模化生产。李静思，贾凌慧，陈向飞在中国专利技术专利“单片集成半导体激光器阵列的制造方法及装置”(申请号：200810156592.0)中，指出了依据该技术可以在同一个晶片上，通过改变取样周期而改变不同激光器的激射波长，这给低成本单片集成高性能DFB半导体激光器阵列的制造带来了新的曙光。与此同时，文献[6、7、11]和陈向飞，段玉喆，李栩辉等的中国专利技术专利“变占空比的取样光纤光栅及其切趾方法”（申请号：02117328.1）和施跃春、陈向飞、李思敏等的中国专利技术专利“基于重构-等效啁啾和等效切趾技术的平面波导布拉格光栅及其激光器”（申请号：200910264486）中研究了光纤光栅和平面波导布拉格光栅的等效切趾技术，文献[6、7、11]中的结果表明，如果改变取样布拉格光栅的占空比，切趾会等效地引入取样光栅的子光栅中，而无需改变实际种子光栅的折射率调制强度和光栅周期。不难看出，以往的研究抑制空间烧孔效应和增大端面有效输出光功率是分别实现的，能抑制空间烧孔效应的特殊光栅结构往往不能增大端面有效输出光功率；能增大端面有效输出光功率的光栅结构又不能抑制空间烧孔效应甚至加剧空间烧孔效应，所以迫切需要一种既能抑制空间烧空效应又能增大端面有效输出光功率的新型光栅结构。本专利技术提出一种基于重构-等效啁啾技术的非对称等效切趾取样光栅及其DFB半导体激光器，非对称等效切趾取样光栅是基于重构-等效啁啾技术的取样结构、通过等效啁啾技术设计引入等效相移，并在等效相移区左右两侧引入非对称-中间等效切趾，文献[11]研究表明中间等效切趾能够使光场分布更加均匀，达到抑制空间烧孔效应的目的。而切趾程度的非对称性能够增大端面有效输出光功率，所以非对称等效切趾取样光栅能用于制备单纵模、高端面输出激光的DFB半导体激光器。相比于光栅调制的方法，这种基于重构-等效啁啾技术的非对称等效切趾取样光栅及其DFB激光器的制作方法更简单、成本低、设计灵活。文献引用：[1]YitangDaiandXiangfeiChen,DFBsemiconductorlasersbasedonreconstructionequivalentchirptechnology(基于重构-等效啁啾技术的DFB半导体激光器)，OpticsExpress,2007,15(5):2348-本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于重构-等效啁啾的非对称等效切趾取样光栅，其特征在于：该取样光栅为基于重构-等效啁啾技术设计的取样布拉格光栅结构，所述取样布拉格光栅结构中含有对应普通布拉格光栅的等效光栅，所述等效光栅中的相移通过等效相移设计引入，等效相移区的位置在取样布拉格光栅结构的中心位置，所述等效相移区两侧取样光栅中引入等效切趾长度相等、等效切趾因子大小不相等的等效切趾段光栅。2.根据权利要求1所述的一种基于重构-等效啁啾的非对称等效切趾取样光栅，其特征在于：所述等效相移区的位置在取样布拉格光栅结构中心位置的+/-5％的区域范围内。3.根据权利要求1或2所述的一种基于重构-等效啁啾的非对称等效切趾取样光栅，其特征在于：该取样光栅中不切趾段光栅的占空比为0.5，设左侧等效切趾段光栅的等效切趾因子为FEA1，右侧等效切趾段光栅的等效切趾因子为FEA2，等效切趾段光栅中的占空比变化有以下两种方式：(1)等效切趾段光栅的占空比在(0,0.5]内变化，即a,b∈(0,0.5]，左侧等效切趾段光栅占空比由0.5逐渐减小到a，右侧等效切趾段光栅占空比由b逐渐增大到0.5，如果a>b，则FEA1<FEA2；如果a<b，则FEA1>FEA2；(2)等效切趾段光栅的占空比在[0.5,1﹚内变化，即a,b∈[0.5,1)，左侧等效切趾段光栅占空比由0.5逐渐增大到a,右侧等效切趾段光栅占空比由b逐渐减小到0.5，如果a<b，则FEA1<FEA2；如果a>b，则FEA1>FEA2。4.根据权利要求3所述的一种基于重构-等效啁啾的非对称等效切趾取样光栅，其特征在于：所述的取样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；种子光栅通过全息干涉曝光法、双光束干涉法、电子束或纳米压印法制作。5.根据权利要求1所述的基于重构-等效啁啾的非对称等效切趾取样光栅制备的分布反馈式半导体激光器，其特征在于：激光器腔内的光栅为基于重构-等效啁啾技术设计的取样布拉格光栅结构，所述取样布拉格光栅结...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑俊守，陈向飞，唐松，李思敏，张云山，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：