（物理电子学专业论文）1550nm分布反馈激光器的模拟及制作均匀光栅的研究.pdf

河北工业大学硕士学位论文 1 5 5 0 n m 分布反馈激光器的模拟 及制作均匀光栅的研究 摘要 近年来，随着光纤通信的迅猛发展，窄线宽、高边模抑制比的半导体激光器成为高速、 长距离光通信和相干通信的重要器件，动态单模分布反馈激光器( d f b l d ) 则成为首选光 源。对于分布反馈激光器来说，器件的结构设计和材料的外延生长是整个激光器器件制作 的基础，对器件的光学和电学性能有着重要魄影响。中国电子科技集团第十三研究所光电 专业部在量子阱激光器的研究中获得过大量的研究成果，有着丰富的实践经验，因此，保 证了对分布反馈激光器研究的理论及实验条件。 理论方面，本文发展了单模工作的分布反馈激光器的非线性模型，在考虑纵模的空间 烧孔效应的前提下，用传输矩阵与牛顿法相结合的方法数值模拟了1 5 5 0 n m l n g a a s p i n p 多 量子阱的均匀光栅的分布反馈激光器和 4 相移的分布反馈激光器。对相同材料结构的两 种激光器进行了对比， 4 相移的分布反馈激光器具有高的边模抑制比，可以有效分析空 间烧孔效应对激光器的影响，从而优化对分布反馈激光器的外延生长及结构设计。 实验方面，用电子束光刻和湿法腐蚀制作了均匀的亚微米光栅，优化工艺后，获得了 高质量的光栅。研究了几种腐蚀液对半导体激光器外延材料中i n p 的腐蚀过程，其中 h b r ：h n o 。：h 2 0 这种腐蚀液比较适合，用扫描电子显微镜( s e m ) 对其腐蚀情况进行了分析， 并给出了利用这种腐蚀液对电子束曝光的衬底片i n p 的s 删图像。通过调节腐蚀液 h b r ：h n o 。：h 2 0 的体积比( 从l ：1 ：1 0 到1 ：1 ：3 0 ) 找到了对i n p 的腐蚀的合适腐蚀条件( 室温 2 3 c ) 以及最佳配比( 1 ：l ：3 0 ) 。利用这种腐蚀液的得到的光栅图形可以满足d f b 激光器 的要求。 关键字：分布反馈激光器( d f b l d ) ，传输矩阵模型，湿法腐蚀，扫描电子显微镜( s e m ) 电子束光刻 1 5 5 0 n m 分布反馈激光器的模拟及制作均匀光栅的研究 t h es i m u l a t i o no f1 5 5 0 n md f b l d a n dr e s e r c hf o ru n i f o r m g r 舡i n g s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo ff i b e rc o m m u n i c a t i o n s ，t h es e m i c o n d u c t o r l a s e r sw i t l lt h i n n e rl i n e w i d t ha n dh i g h e rs i d e - m o d es u p p r e s s i o n ，a r e w i d e l ya p p l i e dt o h i 曲s p e e da n d1 0 n gd i s t a n c ec o m m u n i c a t i o n s t h ed i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e r ( d f b l d ) ，a sa d y n a m i ca n ds i n g l el o n 西t u d i n a lm o d ed e v i c e ，i st u r n i n gi n t oo n e o ft h eb e s tl i g h ts o u r c e a sf a r a st h ed i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e ri sc o n c e r n e d t h ed e s i g no ft h es t r u c t u r ea n dm a t e r i a lf o rt h e d i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e rh a si m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h eo p t i c a la n de l e c t r i c a lp e r f o r m a n c eo f t h el a s e r t h ep h o t o e l e c t r i c i t yd e p a r t m e n ti nn 0 1 3 。i n s t i t u t eo fc h i n ae l e c t r o n i et e e h n o l o g y g r o u pc o r p o r a t i o n ( c e t c 】g o tal a r g ea m o u n to fr e s e a r c hr e s u l t sf o rt h eq u a n t u mw e l ll a s e ra n d i th a sa b u n d a n tp r a c t i c a le x p e r i e n c e a l lo ft h e s ep e r m i tu st oc o n t i n u eo u rr e s e a r c ha b e u tt h e t e e h n o l o g yo f t h ed i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e r h lt h et h e o r y , ad e t a i l e dn o n l i n e a rm o d e lh a sb e e nd e v e l o p e do ft h ep e r f o r m a n c eo f s i n g i e f r e q u e n c y l a s e r s t r u c t u r e , t a k i n g l o n g i t u d i n a l - m o d e s p a t i a l h o l e b u m i n g i n t o a c c o u n t c o m p r e h e n s i v en u m e r i c a ls i m u l a t i o n i t l lt h e 乜i n s m i s s i o nm a t r i xm o d e l ( t m m ) a n d t h en e w t o nf u n c t i o na r eu s e dt os i m u l a t et h e1 5 5 0 n mi n c r a a s p ，h l pd i s t r i b u t e df e e d b a e kl a s e r t h er e s u l t sf o rt h e 4 一s h i f e dd i s t r i b n t e df e e d b a c kl a s e ra r ec o m p a r e dw i t ht h o s ef o rt i l e d i s t r i b u t e df e e d b a c k1 a s e rw i 血u n i f o r mg r a t i n g s 。n l e 4 一s h i f e dd i s t r i b u t e df e e d b a e kl a s e rn o t o n l yh a sh i g hs i d e - m o d es u p p r e s s i o n ，b u ta l s om a ye f f i c i e n t l ya n a l y s i st h el o n g i t u d i n a l - m o d e s p a t i a lh o l eb u r n i n ga n di m p r o v et h ed e s i g no f t h es t r u c t u r ea n dm a t e r i a lo f t h el a s e r m a n ye x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e d t h ee t c h i n gp r o c e s so ft h eu n i f o r mg r a t i n gf o rt h e s e m i c o n d u c t o rl a s e r sb ye l e c t r o nl i t h o g r a p h i cu s i n gs e v e r a le t c h i n gs o l u t i o ni ss t u d i e d t h e t e c h n o l o g y h a sb e e n o p t i m i z e d w i mw h i c h h i g h - q u a l i t yg r a t i n g s a r co b t a i n e d t h e h b h n o t h 2 0s o l u t i o ni ss u i t a b l et ot h es e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s t h ee t c h i n gi n s t a n e ei s a n a l y s i z e du s i n gs c a n n i n ge l e c t r o nm i e r o s c o p e ( s e m ) a n d 也ei m a g e so f 也es e m i c o n d u c t o r g r a t i n g s a r c p r o v i d e d b ym o d i f y i n g t h ev o l u m er a t i o s ( f r o m1 ：1 ：1 0t o1 ：1 ：3 o ft h e h b h n 0 3 ，h 2 0s o l u t i o n ，t h eg o o de t c h i n gc o n d i t i o nf a tr o o mt e m p e r a t u r e ) a n dt h eo p t i m u m v o l u m er a t i o s ( 1 ：1 ：3 0 ) f o re t c h i n gi i l pa r cf o u n du s i n gt h i sk i n do fe t c h i n gs o l u t i o n ，t h ee t c h i n g g r a t i n gi m a g e sc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f t h ed f bs e m i c o n d u c t o rl a s e r k e yw o r d s ：x 4 一s h i f t e d d i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e r , t r m m a i s s i o nm a t r i xm o d e l ，w e tc h e m i c a e t c h i n g ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，e l e c t r o nl i t h o g r a p h i c 河北_ t 业大学硕士学位论文 第一章绪论 随着在全球范围内掀起的“信息高速公路”建设的高潮，其数据传输速率正在迅速增加。高速系统 必须用单模光纤和动态单模、f 导体激光器。普通的法布里一泊罗( f - p ) 腔半导体激光器，即使在直流 状态下能实现单纵模工作，在高速调制下也会发生光谱展宽。在用作光纤通信系统的光源时，如果光纤 具有色散，则上述光谱展宽会使光纤传输带宽减小，从而限制了传输速率。因此，设计和制作在高速调 制状态f 仍能保持单纵模工作的激光器是十分重要的，这类激光器统称为动态单纵模( d s m ) 半导体激 光器。其中实现动态单纵模工作的最有效的方法之一，就是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅， 靠光的反馈来实现纵模选择。这种结构在建立大容量低损耗单模光纤通信系统中极为重要，因为它在很 宽的工作温度和工作电流范围内，抑制了在普i 畔导体激光器中常见的模式跳变，由此获得低噪声的优 良特性，这有利于这类激光器在快速发展的光电子技术的应用。 卜1 分布反馈激光器的发展概述 卜1 1 分布反馈激光器概念的提出 分布反馈( d i s t r i b u t e df e e d b a c k ，d f b ) 半导体激光器( d f b _ l d ) 与分布布拉格反射器( d i s t r i b u t e d b r a g gr e f l e c t o r ，d b r ) 半导体激光器( d b r l d ) 是由内含布拉格光栅来实现光的反馈的。在d b r - l d 中，光栅区仅在两侧( 或一侧) ，用来做反射器，增益区内没有光栅，它是与反射器分开的。与利用两 个端面对光进行集中反馈的法布里一泊罗( f p ) 腔半导体激光器相比，d f b 激光器依靠分布在整个谐振 腔中的光栅对光进行反馈。因为采用了内藏布拉格光栅选择工作波长，所以d f b 激光器和d b r 激光器的 谐振腔损耗就有明显的波长依存性。这一点决定了它在单色性和稳定性方面优于一般的f - p 腔半导体激 光器。 在d f b 激光器中存在两种基本的反馈方式，一种是折射率周期性变化引起的布拉格反射，即折射率 耦合( i n d e x c o u p i n g ) ，另一种是增益周期性变化引起的分布反馈，即增益耦合( g a i n - c o u p l i n g ) 。 与依靠两个反射端面来形成谐振腔的f _ p 腔激光器相比，d f b 激光器的谐振腔本身具有选择模式的能 力。在端面反射为零的理想情况下，理论分析指出”1 ：折射率耦合d f b 激光器在与布拉格波长相对称的 位置上存在着两个谐振腔损耗相同且最低的模式，而增益耦合d f b 激光器恰好在布拉格波长上存在着一 个谐振腔损耗最低的模式。也就是说折射率耦合d f b 激光器原理上是双模激射的，而增益耦合d f b 激光 器是单模激射的。 卜i 一2 分布反馈激光器的发展回顾 早在7 0 年代初，科学家们就开始d f b 激光器的研究试验_ 丁作。1 9 7 1 年科克尼克( h k o g e l i n k ) 和 香克( c v s h a n k ) 首先提出d f b 激光器的概念，并在玻璃衬底上用染料胶制造光栅。1 9 7 3 年中村 ( n a k a m u r a ) 用光泵浦g a a s 周期表面，实现了第一只半导体。1 9 7 4 年，西弗勒斯( s c i f r e s ) 研制出 g a a i a s g a a s 单异质结电流注入型d f b 激光器。1 9 7 5 年同时由凯两和中村实现了d f b 激光器的宝温、连 续振荡。早期有关的研究 ：作儿乎都是基于g a a l a s g a a s 材料系，但直到7 0 年代中期，d f b 激光器的 i n 居高不f ，制作r 艺复杂及寿命短等问题雉以解决。从1 9 7 9 到1 9 8 2 年人们发现i n g a a s p i n p 材料 系十分适台做d f b 激光器，1 9 7 9 年制出_ r 低温rl ：作的d f b 激光器。1 9 8 1 年日本东京工业大学的研究 nj 北工业 学硕士学位论文 第一章绪论 随着在全球范围内掀起的“信息高速公路”建设的高潮，其数据传输速率正在迅速增加。高速系统 必须用单模光纤和动态争模、卜导体激光器。普通的法布里一浦罗( f - p ) 腔半导体激光嚣，即使在直流 状态下能实现单纵模工作，在高速调制 也会发生光谱展宽。在用作光纤通信系统的光源时如果光纤 具有色散，则上述光谱艘宽会使光纤传输带宽减小，从而限制了传输速率。因此，设汁和制作在高速调 制状态卜仍能保持单纵模工作的撒光器是十分重要的，这类激光器统称为动态单纵模( d 咖) 半导体激 光器，其中实现动态单纵模工作的最有效的方注之 ，就是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅， 靠光的反馈来实现纵模选择。这种结构在建立大容量低损耗单模光纤通信系统申极为重要因为它在很 宽的工作温度和上作电流范围内抑制了在普避半导体激光器中常见的模式跳变，由此获得低噪声的优 良特性，这有利于这类激光器在快速发展的光电子技术的应用。 卜1 分布反馈激光器的发展概述 卜i 一1 分布反馈激光器概念的提出 分布反馈( d i s t r i b u t e d f e e d b a c k ，d f b ) 半导体激光器( d f b - l d ) 与分布布拉格反射器( d i s t r i b u t e d b r a g gr e f l e c t o t ，d b r ) 半导体激光器( d b r - l d ) 是由内古布拉格光栅来实现光的反馈的。在d b r - l d 中，光栅区仅在两侧( 或一侧) ，用来做反射器，增益区内没有光栅，它是与反射器分开的。与利州两 个端面对光进行集中反馈的法布里泊罗( f - p ) 腔半导体激光器相比，d f b 激光器依靠分布在整个谐振 胶中的光栅对光进行反馈。因为采用了内藏布拉格光栅选择工作波长，所以b f b 激光器和b b r 激光器的 谐振胜损耗就有明显的波长依存性。这一点决定了它在单色性和稳定性方面优于一般的f - p 腔半导体激 光器嘲。 在d f 8 激光器中存在两种基本的反馈方式，一种是折射率周期性变化弓f 起的布拉格反射即折射率 耦台( i n d e x c o u p l i n g ) ，另一种是增益周期性变化引起的分布反馈，即增益耦合( g a i n - c o u p l i n g ) 。 与依靠两个反射端面米形成谐振腔的f _ p 腔激光器相比，d f b 撒光器的谐振腔本身具有选择模式的能 力。在端面反射为零的理想情况下，理论分析指出”1 ：折射率耦台d f b 激光器在与布拉格波长相对称的 位置上存在着两个谐振腔损耗相同且最低的模式，而增益耦合d f b 激光器恰好在布拉格波长j ：存在者一 个谐振腔损耗最低的模式。也就足说折射率耦台d f b 激光器原理上是双模激射的而增益耦台d v b 激光 器是单模擞射的。 1 卜2 分布反馈激光器的发展回顾 早在7 0 年代初，科学家们就开始d f b 激光器的研究试验j 作。1 9 7 1 年科克尼克( h k o g e l i n k ) 和 香克( c v s h a n k ) 首先提出d f b 激光器的概念，并存玻璃衬底l 用染料胶制造光栅。1 9 7 3 年中村 ( n a k a m u r a ) 用光泵浦g a a s 周划表面实现了第一h 半导体。1 9 7 4 年，西弗勒斯( s c i f r e s ) 研制出 g a a i a s g a a s _ 邑异质结f 垃流注入型d f 8 擞光器。1 9 7 5 年同肘由凯两年i 悖村实现了d f b 辙光器的室温、连 续振荡。早划宵关的研究 一作儿乎都是基_ 丁g a a i a s g a a s 材料系，但龃到7 0 年代中期，d f b 激光描的 i n 居高不下，制作艺复杂及寿命短等问题雉以解决，从1 9 7 9 到1 9 8 2 年人们发现i n g a a s p j n p 材料 系十分适台做d f b 激光器，1 9 7 9 年制山r 低温fl 作的d f b 激光器。19 8 1 年日本东京工业_ 人学的研究 系十分适台做d f b 激光器，1 9 7 9 年s r j , t l ，低温下r 作的d f b 激光器。1 9 8 1 年日本东京工业火学的研究 1 5 5 0 h m 分布反馈激光器的模拟及制作均匀光栅的研究 小组研制成第一只1 5um 的d f b 激光器。在制作技术发展的过程中，人们发现光栅直接刻在有源层会 引入缺陷，使非辐射复合速率增大，闽值电流升高，影响了器件的性能。因此，提出分别限制结构，将 光栅刻蚀在临近有源层的透明波导层上，这样就只有横模的消逝场与光栅相互作用，这种结构是典型的 折射率耦合结构，后来被广泛应_ | j 。为了实现单模工作，早在7 0 年代中划，豪斯( h a h a u s ) 和香克 ( c v s h a n k ) 就指出，在d f b 激光器的内含光栅中引入非连续变化就能消除模式简并，且降低阂值“1 。 光通信的发展不断推动着d f b 激光器的研究飞跃进展，折射率耦合激光器不断进行着改进，在d f b 激光 器内含光栅引入非连续性变化，发展了在光栅中心引入 4 相移”1 、对d f b 激光器的波导条宽进行调制、 在光栅中心部导入一段周期不同的光栅新结构( c o r r u g a t i o n p i t c h - m o d u t a t e d ，c p m ) 的方法。对于 4 相移d f b 激光器，它的制作工艺复杂邑需要在两个端面蒸镀抗反射膜。 。 对于增益耦合d f b 激光器而言，是不存在模式兼并问题的”1 。1 9 8 8 年我国留日博士罗毅与东京大学 的多田邦雄教授等一起开始了增益耦合d f b 激光器的实验研究。采用金属有机化合物化学气相沉淀 ( m o c v d ) 技术制作了内含增益光栅的d f b 激光器，并引入了抑制折射率耦合的结构，从而有可能实现 纯粹的增益耦合“。此外，采用传统的分别限制异质结结构( s c h ) 将以往的透明光栅改为吸收损耗 光栅的方法也成功地制作了增益耦合d f b 激光器。通过研究发现，增益耦合d f b 激光器与折射率耦合 d f b 激光器相比具有一系列优点：制作工艺简单，不需要镀端面抗反射膜；单模选择特性不易受端面反 射率的影响，成品率可高达9 5 ；高速反射光引起的噪声低：高速调制下频率展宽( 啁啾) 小”。 进入9 0 年代以后，d f b 激光器的发展日渐成熟，目前很多d f b 激光器都采取m q w d f b l d 。9 0 年代 中期，美国b e l l c o r e 的研究人员指出，a 1 g a i n a s 1 1 1 p 比i n g a a l p i n p 具有更大的导带偏移，能有效阻 止高温下注入载流子的泄露，从而提高激光器的高温特性。我国目前已有采用a l g a i n a s i n p 材料、侧 壁垂直的脊波导( r w 6 ) 结构、低失真耦合封装、预失真补偿技术形成的长波长、高速高线性m q 肛d f b - l d 。 目前，技术比较成熟的波长可调谐激光器主要基于分布布拉格反射器半导体激光器( d b r l d ) 。和 d f b 激光器相似，d b r 激光器也是通过内含布拉格光栅来实现光的反馈的。它易于与其它器件集成，因 此多电极d b r 激光器的研究曾受到广泛重视。 由于d b r 激光器是通过改变光栅的注入电流实现调谐的，这导致了较大的谱线展宽。另外d b r 激 光器需要调节至少两个以上电极的电流，才能将檄射波长固定下来，不利于实际应用，而且d b r 激光器 纵模的模式稳定性相对较差，极易出现跳模现象，所以近年来有关波长可调谐d b r 激光器的研究活动有 所减弱。而由于d f b 激光器的激射波长相对稳定，人们就将多个波长不同d f b 激光器集成起来。组成波 长可选择光源。2 0 0 0 年，日本n e c 公司报道了他们制作的波长可选择集成光源“。光源含有8 个具有不 同输出波长的d f b 激光器，并采用一个e a 调制器对输出光信号进行调制。光源中还集成有一个多模干 涉型( 埘i ) 耦合器于一个半导体光放大器( s o a ) ，用来对8 个激光器的输出光进行耦合并对损耗进行 补偿。该器件采用介质膜选择性区域外延进行制作，可以作为2 5 g b i t s 的d 1 j d m 光纤网络的光源，能 够有效地提高系统的灵活性与可靠性。但是这种光源需要在同一衬底上制作不同激射波长的d f b 激光 器，其无论对材料的外延生长工艺还是对器件的后加工二 艺，都有非常高的要求。 卜1 3 分布反馈激光器的应用 ( 1 ) 高速数据传输系统需要高速激光器高速激光器是超k 距离、超太容量光纤通信系统的关键 器件。 ( 2 ) 应用于光纤通信系统中作光源，为了突破单信道传输速率的局限，充分利用单模光纤的带宽， i 玎采用波分复用( w d m ) 和时分复用( t d m ) 技术，而波民稳定、精度可控的光源是实现w i ) m 的关键。可 调谐d f b 激光器在w d m 中作光源。 ( 3 ) 制冷型d f b 激光器应用在密集波分复用( d d m ) 系统千有线电视( c a t v ) 传输距离远、频道 数较多的情况中，在d w d m 中采川d f b 激光器作为光源。 ( 4 ) 无致玲的d f b 激光器可应刚下稀疏波分复川( c w d m ) 和有线【b 视( c a w ) 的h f c ( 光纤同轴 电缆混合) 网络的短距离传输 2 河北工业大学硕士学位论文 卜2 分布反馈激光器的发展趋势 从1 9 8 9 年美国o r t e l 公司研制成大功率、高线性的d f b 激光器开始，d f b 激光器就在有线电视领 域得到了最广泛的应用，目前市场上的光发射机约有6 0 是采用d f b 激光器。分三方面来阐述d f b 激光 器的最新发展。 ( 一) 高速、窄线宽d f b 激光器 在高速、窄线宽、低啁啾的d f b 激光器中，需要对器件的材料和结构设计进行优化，_ - 般有如下几 个方面：( 1 ) 利用量子阱结构并采用d f b 激光器波长调节米增大微分增益；( 2 ) 减小空间烧孔效应以降低非 线性因子；( 3 ) 采用短腔长以降低光子寿命。另外，由于与普通的双异质结结构激光器相比，量子阱激光 器具有低阈值、输出功率大、调制速率高等特点，d f b 激光器常采用量子阱结构，还可在量子阱结构中 引入压应变或张应变以增加微分增益，优化阱和垒的层厚以减小载流子通过光限制层的输运时间及载流 子从有源区中的逃逸。 图1 1 几种典型的分布反馈激光器结构“” f i g 1 1t y p i c a ld e s i g n sf o rt y p i c a ld f b l a s e r s 图1 1 是几个高速率、低电容d f b 激光器的结构示意图。在( a ) 中，d f b 激光器采用腐蚀台形掩埋 异质结结构( e m b h ) 。为减小芯片的寄生电容，采用了半绝缘f e i n p 再生长掩埋技术，同时还需减小 电极的面积。( b ) 是一种不需要再生长的腐蚀台面平面掩埋异质结构( 酬一f b h ) 。( c ) 所示为采用自对准 窄台面结构( s a c m ) 以减小器件的寄生电容。由于聚酰亚胺方法比( a ) 和( c ) 中的再生长工艺简单。因 此利用填充聚酰亚胺以减小寄生电容使人们常采_ e 【j 的方法。( d ) 中d f b 激光器是采用日立公司的聚酰亚 胺p i q 6 2 0 0 填充的台面b h 结构1 。 就d f b 激光器制冷方式有无致冷型和致冷型。( 1 ) 无致冷型取消冷却器，降低了成本，减小功耗， 取决丁不同的封装，可以将体积缩小一倍。英国b o o k h a mt e c h n o l g y 与剑桥大学1 1 _ ：样系台作开发成功不 需致冷直接调制1 3 1 0 纳米d f b 激光器，它具有极宽的带宽，在2 5c 至8 5c 的宽j 。范围内，线性度非 常高，应用丁：蜂窝网络或无线局域网内部的分佰天线系统。日本三菱公司推n 1 0 g 直接调制d f b 激光器， 1 5 5 0 h m 分布反馈激光器的模拟及制作均匀光栅的研究 特点有非常好的眼目特性，在工作温度1 2 0 。c 也无需致冷，适于用于城域网。芬兰m o d u l i g h t 公司则推 出了针对前兆以太网，光纤通道传输要求2 5 g 无致冷d f b 激光器，该产品在0 。c 至8 5 c 范围内有很好 的稳定性。( 2 ) 制冷型d f b 激光器在d i f l ) m 中作为光源，温度漂移系数为0 0 8 n m 。c ，它需要采用冷却技 术来稳定波长，以防止由于温度变化而使波长漂移到复用器和解复用器的滤波器通带之外。在c a t v 的 h f c 网络中带致冷d f b 激光器就是把d f b 激光器置于一个热电致冷器上。热电致冷器采用珀尔贴效应产 生致冷，其致冷效果与施加的电流成线性关系。 f 二) d f b 激光器和调制器的集成 直接调制d f b 激光器，受豫弛振荡效应的限制，响应速率难以超过5 g b s ，在高速率下频移啁啾比 较严重，若采用外调制技术，则可以减小激光器的啁啾，其中最具吸引力的是可与激光器实现单片集成 的电吸收调制器( e a ) 。电吸收调制器与d f b 激光器集成可使结构紧凑、驱动电压低、并省去了偏振控 制。基于m q w 中量子限制s t a r k 效应( q u a n t u mc o n f i n e ds t a r kf f f e c t ) 的电吸收调制器成为研究热 点。1 “。 目前，采用的刻蚀、再生长和选择性生长技术已经实现了激光器和e a 调制器的单片集成。d f b 激 光器e a 调制器用作集成光源时，具有低啁啾、低驱动电压( v ”：2 3 v ，l i n b o 。调制器的：4 5 v ) 、 低功耗、容易与激光器或其它波导器件集成、耦合损耗低、调制效率高、且体积小( 一般长0 2 c m 左右， 而l i n b o t 调制器长8 c m ) 等优点，特别是含有增益耦合的d f b 激光器因为具有动态单模和调制啁啾小等 特性，有助于减小集成器件线宽，而且它还具有较强的抗端面反射能力，从而减小因端面反射引起的啁 啾，改善集成器件的啁啾特性等。该光源现已广泛用于2 5 6 b i t s 、l o g b i t s 等高速传输系统，其中 2 5 g b i t s 啪激光器e a 调制器集成器件已成为干线光纤通信系统的主要光源。l o g b i t s 、2 0 g b i t s 和4 0 g b i t s 集成器件也正大量用于干线传输或传输实验。近几年来对集成有ea 调制器的d f b 激光器 集成光源的研究主要集中在提高调制速率和改善其性能等方面。 ( 三) 可调谐d f b 激光器 随着光网络的不断发展，光通信对光源也提出新的发展动向，其中可调谐激光器是目前晟热门的话 题。可调谐激光器的出现，可以减少系统中光源备用数量和规格，易于形成标准化的通信系统，使系统 的运营成本和维护费用大幅度降低。可调谐激光器在光通信中具有非常大的应用潜力，最终将会代替目 前通信市场上占主流地位的固定波长激光光源。 实现波长可调谐有两种主要的方法( 1 ) 外腔调谐( 2 ) 单片集成的多电极d f b 和d b r 内腔调谐。外腔的调 谐优点是可调谐波长范围大，但缺点是调谐的波长是分立的，并要求外腔对准具有相当好的机械稳定性。 单片集成的多电极d f b 和d b r 激光器可以实现波长的连续可调谐。其原理为注入的自由载流子使吸收带 边发生移动，从而使折射率发生变化，有效折射率的变化引起布拉格波长的改变。 在单电极d f b 激光器中，当工作电流在阈值电流之上时，大部分的注入载流子复合后成为光子，载 流子密度的增加很小，这使激射波长的变化不大。在双电极或三电极d f b 激光器中，加在一个电极上的 电流大，而其它电极的电流小。输出光的波长主要由输出光端区域的有效折射率决定。当这一区域的偏 置电流密度在阈值电流密度之下时，它可看成为一个布拉格反射器( d b r ) 。注入载流子对光场的影响不 大，而使折射率发生了改变，这样实现了波长的可调谐。 可调谐d f b 激光器的优点在于制造工艺比较简单，缺点是可调谐范围非常有限，一般在2 n m 左右。 ( 四) 多波长d f b 激光器阵列 单模光纤的传输带宽为3 0 t h z ，而传统的时分复用( t d m ) 系统采用电复用，其最大带宽为4 0 g h z 。 当超过这一带宽时，信号的复用及解复用就必须采用光学方法。由于在这一速率上电器成本很高，限制 了超高速t m d 系统的应用。而光线中的波分复用( w d m ) 可以很方便地增大传输带宽。此外，多波长的 r 作方式能按路由发送平转换信号，并可以实现光网络的重建。 为了保证多波k = 信号通过多窄带光信道滤波器后在网络中衰减较小，需要非常准确的控制信道波 民和信道的间隔。可涮谐激光器无法达到这要求，只有多波kd f b 激光器阵列可以作为多波跃光网络 的光源。为简化d f b 激光器阵列的封装，采州光集成技术通过在i n p 衬底片i ：发计好阵列波导，将激光 器阵列与功率耦合器( 星形耦台器) 集成在一起，如图1 2 所示。这样仅需一根单模尾纤就可以把多波 河北t 业大学硕士学位论文 i 受光信号耦合到传输光纤中。 目前已经实现了2 0 个波长的激光器阵列集成“。 图1 22 0 个d f b 激光器阵列与耦合器及放大器的集成”。 f i g 1 2t h ei n t e g r a t i o no ft w e n t yd f b l da r o ya n dc o u p l i n g d e v i c e sa n da m p l i f i e r s 1 - 3 分布反馈激光器的设计思路 卜3 1 分布反馈激光器的研究方法 理论研究方面，采用内含光栅的分布反馈来构成谐振腔的概念始于1 9 7 0 年前后燃料激光器研究。 1 9 7 2 年科克尼克( h k o g e l i n k ) 和香克( c v s h a n k ) 采用电磁场的耦合波理论系统地分析了d f b 激光器 的工作原理和特性，提出了较为完整的分布反馈理论。1 。利用此原理分析指出在d f b 激光器中存在两种 基本的反馈方式，即折射率耦合和增益耦合，为以后的研究奠定了基础。 1 9 7 7 年斯特赖弗( s t r e i f e r w ) 对d f b 激光器和d b r l d 的概念给予了系统描述1 。他在科克尼克 和香克两人工作的基础上提出了耦合波理论。先按器件的特定边界条件，求前向与后向波方程的解，得 到谐振波长和阈值的表达式。同时亚里夫( y a r i v ) 采用的导波耦合波方法，把周期波导中介电常数的变 化看作微扰，利用带微扰极化源的波动方程来分析周期波导中的导模，得到了对异质结激光器有重要意 义的耦合系数表达式“。王适( s w a n g ) 利用布洛赫( b l o c h ) 方程，先按无限长结构的假设，求出b l o c h 波的本征解，再将这些解运用于特定的器件，分析波在周期性结构中的传播“”。上述分析方法虽然形 式上不同，但结果是等价的。在计算的过程中，需要求解微分方程，常采用n r ( n e w t o nr a p s o n ) 法来寻 找振荡模式，这种方法需要一个繁琐的偏导数。 如果考虑到空间烧孔效应，主要有两种方法来处理这方面的问题。一种是非线性耦合波方程结合 速率方程对d f b 激光器进行解析求解；对另一种是基于数值模拟的d f b 激光器模型，主要包括：传输线 模型( t l l m ) 、传输矩阵模型( 侧) 和传输波分析。 1 - 3 - 2 分布反馈激光器的结构设计思路 进一步提高d f b 激光器的研究水平，面临三个方面的难题：第一、提高单纵模工作的稳定性；第 二、提高单纵模器件的产率；第三、尽可能降低器件的光谱线宽。 理论上，在具有普通光栅的d f b 激光器中，发生振荡的波长中存在两个具有最低闽值和相同闽值 增益的纵模，其纵模间隔可由下式计算： 丑”= a b i 1 卜2 口2 珂咿上j ( 1 1 ) 九是布拉格波k ， n e l l 是有源层的有效折射率：是光栅区长度，即激光器长度。 1 5 5 0 n m 分布反馈激光器的模拟及制作均匀光栅的研究 a 4 相移可以提高单模的稳定性，另外普通光栅的d f b 激光器的线宽一般在3 0 m h z 左右，在相干 光通信中还要求这个线宽指数再降一个数量级。d f b 激光器单纵模的线宽展宽机理与跳模、以及诸如此 类的模式不稳定性有关，而相移光栅又恰好具有提高模式选择性和稳定性的功能，困此它又是降低器件 单纵模线宽时应采取的重要措施。研究发现，若在均匀的光栅中设置两个彼此耦台的五4 相移变换， 则器件的光谱线宽将大大减小。我们计划制作折射率耦合机制的激光器，我们将设计制作相同材料的 1 5 5 0 n m l n g a a s p i n p 多量子阱的均匀光栅的分布反馈激光器和 4 相移的分布反馈激光器，并将两者的 器件特性进行对比。 卜3 - 3 本文研究的重点内容 本论文主要针对大功率半导体激光器存在的问题开展了以下两个方面的研究工作： 一、d f b 激光器计算机模拟分析。针对i n g a a s p i n p 量子阱应变量子阱激光器的外延材料结构进 行了计算机模拟分析。模拟了具有相同材料结构的均匀光栅的d f b 激光器和 4 相移d f b 激光器。针 对设计的参数，对两种激光器的电子电流分布、场强、阈值电流、边模抑制比、光谱图等进行了对比分 析。模拟分析对激光器外延生长实验和器件制作有实际的指导作用。 二、均匀光栅制作研究。主要针对i n p 衬底片上采用电子束光刻和湿法腐蚀的方法，对光栅的电子 束光刻的参数设置，以及腐蚀液的选择，腐蚀时间的控制，腐蚀结果作了分析。这对以后d f b 激光器的 研究有重要的指导意义。 卜4 本章小结 本章简要叙述了分布反馈激光器( d f b l d ) 发展史、发展趋势，并阐述了分布反馈激光器的研究方 法，研究对象为d f b 激光器，研究内容理论方面是d f b 激光器计算机模拟分析，试验方面是均匀光栅制 作研究。 河北工业大学硕士学位论文 第二章入4 相移分布反馈激光器的分析与设计 2 - 1 分布反馈激光器简介 2 - i 一1 光栅实现光的振荡的基本原理 d f b 激光器则通过分布在器件内部的波纹光栅达到光反馈。利用波纹光栅实现光的振荡的基本原理 就是“布拉格反射原理” 1 4 o 在大量原子组成的晶体中，存在着许许多多一系列平行的“晶面组”，比 如( 1 1 1 ) 面族。这些晶面族犹如一些衍射光栅，x 一射线被这些光栅衍射后，将形成复杂的衍射图相。 若有一束x 一射线平面波投射到一组晶面p - p 和口_ q 面上如图2 1 所示。若相邻两晶面间距为d ， x 一射线的掠射角为口。按反射定律，x 一射线在晶面上将发生局部反射，令反射线的出射角为口，显 然口= 口，而从p - p 和q - q 面反射的光在一定条件下将产生干涉，即从两个面反射的光程差等于光 波波长的整数倍时，则反射光波和振幅加强如图2 1 所示，由于与x 一射线垂直的 b 线是波前，故光程 差为： a l = b c a c( 2 1 ) 由图2 1 中的直角三角形4 口c 和日c d 可得： b c = d s i n 目，a c = b c c o s 2 0 = f d s i n j f 9 ) c o s 2 0 ( 2 2 ) 代入上式后可得光程差公式为： = 2 d s i n 伊( 2 3 ) 假定x 一射线的波长为a ，则x 一射线从晶体光栅的反射波彼此加强的条件就是光程差应该等于波长 的整数倍，即： 2 d s i n 目= 珊a( 2 4 ) 式中研为正整数，可取0 ，1 ，2 ，称为反射级次。式( 2 4 ) 就是著名的布拉格关系式。它表明， 在晶体光栅的周期d 和x 一射线掠射角( 或出射角口) 确定的情况下，只有满足该式条件的光波才能得 到加强，而其它波k 的光则被均匀地散射掉。人们根据这个原理，研制成功具有周期a 的波纹光栅结 构的激光器。波纹结构图2 2 所示。当波纹周期与介质内传播的光波波长五同一量级时，则入射到波 纹结构上的光产生衍射，如果出射角为目，则反射光波彼此加强的条件，按式( 2 4 ) 应为 2 a s i n 口= m a ( 2 5 ) 由于在波纹光栅上入射和反射光波的特殊情况，存在着口，_ 口= 9 0 。的关系，而介质内传播的光波旯 与真空中的光波五间关系为刀= 衫n 盯，n 酊为介质的有效折射率。因此，可得在此情况下的布拉格关 系式： 2 a = m a n e f f ( 2 6 ) 此式表明，对j 二波纹光栅周期和介质折射率都已确定的激光器，只有满足上式的波长的光才能够 稚：介质中自左向右和从右向左地米同反射。显然，这是周期波纹提供反馈的结果，得到的前向和后向两 种光波的相互耦合。其耦合程度将取决于周期调制的深度( 即波纹深度) ，一日激活区内实现载流子反 转分布，上述光波将在米同的反射中得到加强，当增益达到闽值时，便会输山激光，对丁| 确定的介质， 激光波k 则完全 h 波纹光栅的周期确定。因此，只要改变光栅结构就可得到不同波长的激光。 7 5 5 0 n m 分布反馈激光器的模拟及制作均匀光栅的研究 p di c q db q 图2 ix - 射线散射图 f i g 2 it h ef i g u r eo f x a r r a yd i s p e r s i o n 2 - 1