[發明專利]垂直耦合表面蝕刻光柵分布反饋激光器

無效

• 申請號: 201080070812.3
• 申請日: 2010-11-02
• 公開（公告）號: CN103460527A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 克里斯托弗·沃特森;基里爾·皮梅諾夫;瓦萊麗·托斯汀基;吳芳;尤芮·隆戈維
• 申請（專利權）人: 奧尼奇普菲托尼克斯有限公司
• 主分類號: H01S5/12
• 分類號: H01S5/12;H01L33/00
• 代理公司: 深圳市博銳專利事務所 44275
• 代理人: 張明

技術領域

本發明屬于半導體激光器領域，尤其涉及光子集成電路中所使用的分布反饋激光器的設計。

背景技術

III-V族半導體激光二極管是近紅外波段范圍內相干輻射最有效、最小巧的來源。因此，III-V族半導體激光二極管是在基于石英光纖的光通信系統中的不二選擇。石英光纖具有透明的窗口，射入這些III-V族半導體激光二極管的發射范圍內。然而，對于所有激光二極管，獲得光學增益的基本原理都是一樣的，并與由向正向偏壓PIN結輸入電流而引起的自由載流子群的倒轉有關。半導體激光器設計的不同主要在于光腔的解決方法。最常見且最優選的解決方法之一就是分布反饋（DFB）腔。DFB腔為激光器設計者帶來了許多好處，包括提供動態單頻產生的可能性，能在通過平板印刷術構建過程中控制激光頻率，以及通過光波導、調制器和其他波導光器件實現單片化的可行性。因此，擁有DFB腔的半導體激光二極管（以下簡稱DFB激光器）已經成為先進的光通信系統的激光源的一種選擇。同時，DFB激光器是一種可以解決光子集成電路（PIC）問題的片上激光光源。PIC將光電路上不同的有源和無源波導功能性元件單獨整合到一個半導體基底上。

在先進的光網絡背景下，不管是本地接入還是長途應用，這些動態單頻DFB激光器在整個網絡上均得到普遍使用，該系統只需低頻芯片（如通過彌散型纖維進行的高速長途傳送）或是固定的載波頻率（如高密度波分多路復用）或者兩者兼有。因此，DFB激光器是電信市場上需求最大、產量也最大的光學器件。電信市場上大多數DFB激光器都工作在1550nm或者1310nm的波長窗口，分別對應于石英光纖的最小損耗和最小彌散光譜范圍。選擇的材料系統一般包含這些波長窗口，成為III-V族磷化銦（InP）化合物半導體（以下簡稱III-V族半導體）。

從PIC角度來說，DFB激光器是種很有吸引力的設計選擇。它不僅有動態單頻運行的優勢，而且很適合與其他波導組件實現單片整合。有源組件（如電吸附調制器）和無源組件（模式轉換器）整合在同一個半導體基底上。這一半導體基底是個激光器，附有一個剖面的腔，如法布里珀羅激光器（FB）。在如今光通信系統的大多數應用中，擁有激光源的PIC與單機激光器類似，需要在1550nm或是1310nm的波長窗口里運行，使得InP以及相關III-V族半導體自然地分別成為PIC的基底和材料系統的選擇。

盡管覆蓋以上重要通信光譜窗口的單機InP基DFB激光器已經進入大量生產的階段，但是為片上光源提供激光器的InP基PIC依然處于萌芽狀態。至今只有少數公司進行這樣的生產。一部分原因在于光集成本身的難度，但主要原因在于無法經濟有效地進行光集成，不僅使PIC很難與微光學集成電路或混合集成電路競爭，而且動態地縮小了這些PIC的市場機會。因此，設計和制造可以兼容InP材料系統中高性價比單片光集成的DFB激光器，依然是PIC技術向大規模商業化和部署的道路上急需解決的重要問題。

DFB激光腔的工作原理基于光波導中多波束干擾，光波導從導波開始周期性地對有效折射率進行調制，以下簡稱波導布拉格光柵。更具體來講，從布拉格光柵中經歷了多次反射的同向導波在同一相位并通過相長干涉增加的情況下，DFB腔效應才會出現。對于任意給定的光柵級別m，這種情況只會在由公式（1）所算出的布拉格波長附近發生的反向導波之間的直接共振耦合時才會出現：

λB=2Λneffm,---(1)]]>

其中，Λ是光柵的周期，n_eff是在導模下波長依賴有效反射率。因此，DFB腔是由柵距決定的波長選擇性腔，柵距是DFB激光器之所以受到需要進行發射波長控制的應用歡迎的主要原因。