[发明专利]相移电控制DFB半导体激光器装置及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及光纤通信、光子集成、光电传感以及其他光电信息处理。是一种基于改变两电极注入电流比例（大小）来控制引入相移大小的分布反馈式（DFB）半导体激光器及其阵列装置和制作方法。

背景技术

作为信息传送的基础，光纤通信系统正在向高速化和网络化方向发展。经历前几年的爆炸性扩张以后，Internet已步入一个稳定发展期。互联网的速率与容量保持稳步增长，并且逐渐融合传统的电话网和有线电视网而成为一个统一的信息网络。能担当得起信息网络物理基础重任的，只有光纤通信系统。近年来出现的光子集成技术，顺应了时代的发展，正开启着一个全新的光网络时代。光子集成技术则被认为是光纤通信最前沿、最有前途的领域。在美国硅谷实验室中，英飞朗（Infinera）公司已经用磷化铟等材料制成了大量复杂的光电集成器件，使得光通信成本更低。

对于有源光通信器件，无论是在光通信网络还是在光子集成芯片中，分布反馈式（DFB）半导体激光器因其良好的单模特性而受到青睐。早期的DFB半导体激光器，其折射率是被周期性地均匀调制的。这种激光器在布拉格波长两侧，对称地存在两个谐振腔损耗相同并且最低的模式，称之为两种模式简并。但如果在光栅的中心引入一个四分之一波长（λ/4）相移区，就可以消除双模简并。这种方法的最大优点在于其模式阈值增益差大，可以实现真正的动态单模工作，这是实现激光器单模工作的有效方法，在光通信系统中应用广泛。当然，λ/4 相移的DFB半导体激光器本身也存在着一些缺陷。例如，在注入电流较大时，单模特性会因烧孔效应而被破坏，因而要使其保持单模特性，工作电流必须被限制在阈值附近。再者，如果激光器端面的增透膜有损坏，单模特性也会受到影响。此外，λ/4 相移的DFB半导体激光器制造工艺也十分复杂，需要纳米精度的控制。这些因素综合起来，不仅导致现有市场上的激光器成本过高，还使其工作可靠性和稳定性受到了影响。

为了得到单模特性更好的DFB激光器，研发人员提出了各种特殊结构，如啁啾结构，周期调制（Corrugation-pitch modulated, CPM）结构，多相移（Multiple phase shift, MPS）结构，λ/8 相移结构等。以CPM结构为例，由于它的相移是分布在激光器结构中心处的整个相移区上的，因而它整体上减少了相移所在位置光子的最大强度，对激光器的烧孔效应有较好的抑制作用，因而CPM结构的激光器能够获得更大的激射功率和更窄的线宽。虽然这些特殊结构都有效地改善了激光器的性能，但是由于光栅结构更复杂，使得它们的制造成本更高，必须使用电子束曝光技术（E-Beam lithography）制造，高昂的制造成本限制了这些激光器的大规模应用。

此外，由于现在对光通信网络传输容量的需求急剧增长，密集波分复用（Dense wavelength division multiplexing, WDM）系统复用的信道数越来越多，这种通信系统需要用不同激射波长的激光器作光源。为减少由此带来的能耗和维护成本急剧上升问题，光子集成（Photonic integration circuit, PIC）是必然的选择。ITU－T标准对激光器的激射波长提出了严格的要求，而实际的半导体激光器制作过程中，存在各种偶然因素使得激光器激射波长偏离这个要求。因而在制作多波长激光器阵列时，常采用波长调谐装置如热调谐或改变注入电流、以及多电极注入等方式，来控制激光器的激射波长严格对准ITU－T标准。这些波长调谐装置使得激光器的结构变得复杂，加工难度增大，它们也会导致多波长激光器阵列中各个激光器输出激光功率不均衡问题。如果在相移DFB激光器中，能够精确控制其相移的大小，那么激光器的激射波长将几乎在它的禁带范围内连续可调。这样，用整体的电热装置来实施初步调节，并用控制相移大小来精确控制DFB激光器芯片的激射波长满足ITU－T标准要求，就能实现多波长激光器阵列芯片激射波长的精细校准。

发明内容

针对现有技术中半导体激光器存在的上述不足，为提高DFB半导体激光器的单模特性，本发明提出了一种特殊的可调节相移大小的DFB激光器结构，即基于改变两电极注入电流比例（大小）来控制引入相移大小，进而精细调节激射波长的装置和方法，为DFB半导体激光器的设计制造，提出一种新的结构和制作方法。

本发明的技术方案是：