[发明专利]基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器

说明书

技术领域

本发明涉及可调谐半导体激光器技术领域，特别是低成本低发散角的可调谐半导体激光器结构及制作方法。

背景技术

可调谐半导体激光器一直被认为是光纤通信系统和下一代光网络的关键器件之一。它不仅能为密集波分复用(DWDM)系统提供及时、有效的库存管理和信道快速建立功能，而且还能极大地降低光源备用方案的成本；更重要是，还能为下一代可重构光网络提供自动波长配置、波长转换和波长路由功能，从而大大增加网络灵活性和带宽利用率。此外，可调谐半导体激光器还广泛用于相干监测、光雷达、光器件测试、示踪气体传感器、环境监测、高分辨率光谱分析及激光多普勒风力测定等。

按结构不同，将各公司和研究机构提出的可调谐半导体激光器大致分为以下五类：分布式反馈(DFB)激光器、分布式布拉格反射(DBR)激光器、外腔半导体激光器(ECL)、可调谐垂直腔面发射激光器、狭槽法布里珀罗(SFP)可调谐激光器。

第一类：DFB激光器。它采用温度调谐方式，制作技术成熟、成本低、可靠性好，但是调谐速度慢、调谐范围窄(5nm左右)，在实际应用中多采用单片集成DFB激光器阵列来扩大调谐范围。加拿大Nortel公司、美国Santur公司以及日本NEC、Fujitsu、NTT等公司相继推出了这类单片集成DFB激光器阵列。

第二类：DBR激光器。采用电流调谐方式，调谐速度快(ns)，输出功率低，调谐范围大；制作工艺的兼容性好，比较容易与半导体放大器(SOA)、电吸收(EA)调制器、马赫-曾德(MZ)调制器等功能单元集成，这些特点使DBR激光器在未来光网络中的应用颇受关注。目前DBR激光器主要有取样光栅激光器(SG-DBR)、超结构光栅激光器(SSG-DBR)、数字超模光栅(DS-DBR)、光栅辅助同向耦合激光器(GACC-DBR)、辅助光栅定向耦合背向取样反射激光器GCSR-DBR、Y分支可调谐激光器以及大幅减小掩埋次数和生长次数的非称波导的可调谐激光器(ATG-DBR)等。对DBR型激光器可以通过集成SOA来弥补它在输出功率上面的不足，但其工艺难度大、产品成品率低、成本较高限制了其市场规模。此外这类多电极器件的控制相对复杂，如何确定电流与波长的对应关系是非常繁琐的事情。

第三类：可调谐外腔半导体激光器(ECL)。通过机械方法改变腔外光栅或旋转镜的角度，选择不同衍射角度的波长形成激射，调谐范围大、光谱线宽窄，输出光功率高，边模抑制比高。这种激光器采用微机械系统控制来实现波长调谐，所以调谐慢、结构比较复杂，与其他器件实现单片集成比较困难。

第四类：可调谐垂直腔面发射激光器。采用机械调谐原理，与可调谐外腔半导体激光器不同，它通过微电子机械系统(MEMS)来实现来改变腔长，从而改变纵模间隔达到改变激射波长的目的。这种器件的特点是体积小，便于集成阵列，但它主要缺点是输出功率低，调节速度慢。

第五类：狭槽FP可调谐半导体激光器。这种可调谐激光器纵模选择不是依靠通常DFB及DBR，而是在常规脊型波导激光器上，刻蚀出多个微纳周期狭槽，利用带狭槽微纳周期结构的游标卡尺对准效应来选模，通过改变不同微纳周期结构的注入电流，实现宽带调谐，制作工艺简单。

上述五种可调谐半导体激光器，像DFB或DBR激光器，不但需要全息光刻或电子束曝光等亚微米加工技术，而且还需要二次外延或选区生长、对接生长、量子阱混杂等技术，加工周期长，成本很难降低；可调谐外腔半导体激光器存在体积大、调谐速度慢等问题；可调谐垂直腔面发射激光器也存在调谐速度慢，输出功率低等问题。但无论是DFB激光器、DBR激光器、外腔半导体激光器、可调谐垂直腔面发射激光器和狭槽FP腔激光器都存在快轴慢轴发散角不一致性，如快轴发散角40°左右，慢轴发散角10o左右，不易于光纤耦合等问题。为了降低快轴发散角，人们采用多种方法，像极窄波导、宽对称波导，模式扩展波导，耦合波导，泄漏波导、锥形波导等，但这些方法快轴发散角也很难小于10度、且不同程度存在模式稳定性差、结构设计容差小、损耗大及阈值电流大等问题。