一種階梯相位布拉格光柵及其分布反饋半導體激光器的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于光電子技術領域，涉及光纖通訊、光子集成以及其他光電信息處理，提 出基于階梯相位布拉格光柵（stair-phaseBraggGrating)的光纖光柵、平面波導光柵及 分布反饋激光器及多波長激光器陣列。
【背景技術】
[0002] 布拉格光柵是特定周期性的折射率調制，能夠在光波導中某一或某些波段產生特 殊的濾波特性，常見的布拉格光柵包括光纖布拉格光柵和平面波導布拉格光柵，其不同之 處即在于對應的光波導的不同，前者的波導為光纖，后者為平面波導[1]。光纖布拉格光柵 廣泛應用于光纖通信和光纖傳感的系統中，其制作方法主要為利用光纖光敏特性的全息曝 光的方法，其用途包括光的濾波、色散補償和波分復用等。平面波導布拉格光柵主要應用于 分布反饋激光器和光子集成的平面波導信息處理，其功能特性和分析方法均與光纖布拉格 光柵類似。
[0003] 在通信方面，由于與日倶增的數據傳輸要求和光信號的產生、光纖的制作等技術 的逐漸成熟，以光為載波的通信系統逐漸替代了以電為載波的通信系統，其根本原因為相 對電來說，光具有很大的帶寬，也就意味著更高的傳輸速率。而對于光通信，波分復用技術 (WDM)是一個飛躍性的技術，其基本含義為利用光的不同波長為載體，同時間同空間地進行 多路信號的傳輸[2]。最開始的波分復用的使用為將光波分為1310波段和1550波段，其分 別對應光纖中損耗較低的1310nm左右的80nm波長范圍和1550nm左右的120nm波長范圍。 隨著技術的發展，誕生了粗波分復用（CWDM)和密集波分復用（DWDM)，其中粗波分復用表示 在上述波段中進行分割成間距20nm左右的子信道，從而可以較大地增加一根光纖傳輸的 信息速率，密集波分復用表示將1550波段劃分成許多相鄰0. 8nm(100GHz)的子信道，屆時 在同一根光纖中可以同時傳輸150個信道，于是便極大地增加了信息的傳遞速率，因而隨 著當今信息社會的高速發展，密集波分復用的方法將是未來信息傳輸主干道甚至很多支干 道的極度重要的選擇。
[0004] 通信系統中主要包括三個部分：光信號發生器，光信號傳輸媒介即光纖和光信號 探測器。其中光信號發生器的重要性位于首位，其為整個系統提供了動力，就好比發動機對 于一架飛機的作用，而光信號發生器的最重要的元件就是激光器。通信系統中，強度調制 是最常用的激光器的調制方法方式，可以分為直接調制和外調制兩種，其中直接調制指的 是直接加載信號在激光器的驅動電流上，優點是可以簡便、廉價地實現光信號發生器，其缺 點是調制速率將會受到激光器響應特性的限制從而達不到較高的調制速率，例如40GHz，同 時它產生的信號會存在較大的頻率啁嗽，由于單模光纖色散的存在，其傳輸距離也會受到 很大影響；外調制指的是通過在激光器的外部添加一個調制器，基于聲光效應、磁光效應、 Franz-Keldysh效應和量子stark效應等，通過對激光器出射后的光的強度進行控制從而 實現調制，常見的外調制器包括電吸收調制器（EML)和馬赫-曾德調制器（MZI)，其雖然成 本車父尚，但是可以達到更尚的調制速率，例如100GHz，但是不會引入頻率啁嗽，從而更適合 于現代通信系統[3]。
[0005] 未來高密度的信息傳輸將會帶來高密度的光通信器件，而更高密度的光通信所需 要的將會是一個光子集成芯片（PIC)，正如電子芯片，為了實現對更大信息速率的處理能 力，電子器件由多個二極管的組合逐漸過渡到了如今數十億二極管的電子集成芯片。因而 光子器件的集成將是近期更甚未來對光通信的處理方案，同時，光子器件的集成中，最核心 并且難度最大的便是半導體激光器的集成，一方面半導體激光器的銦磷基材料與傳統光傳 輸的的硅基材料無法兼容，這導致了一個耦合的難題，另外，由于半導體激光器的工藝復雜 性導致的成品率不夠高的問題將嚴重影響半導體激光器陣列的成品率，而更為困難的便是 用于波分復用系統中的多波長激光器陣列。由于分布反饋（DFB)半導體激光器能夠同時 實現激光器的微型化和波長的穩定性，因而DFB半導體激光器成為了通信系統中最常用的 光源，其原理為通過在均勻光柵中引入一個相移來實現激光器的單模激射，其激射的波 長A取決于均勻光柵的周期A(A= 2rwfA，其中Ilrff為波導的有效折射率，一般約等于 3. 2)，而密集波分復用系統中的波長間隔為0. 8nm，這意味著相鄰波長的激光器，其對應的 光柵周期的變化為〇. 125nm，即光柵半周期的變化為0. 063nm，這個光柵半周期的變化精度 對于光斑直徑在幾納米的電子束曝光技術是無法準確實現的。事實證明[4]，陳向飛等人 在2007年提出的重構-等效啁嗽技術[5]能夠通過常規全息曝光和微米級光刻等簡單的 技術，實現高波長間隔精度的多波長激光器陣列，但由于其等效的作用，其光柵強度僅為實 際均勻光柵強度的約1/3,而這將導致激光器耦合效率的降低從而難以實現激射的窄線寬 和高直調速率。
[0006] 參考文獻：
[0007] [1]T. Erdogan, Fiber grating spectra(光纖光概譜），IEEE Journal of Lightw aveTechnology, 1997, 15(8):1277-1294
[0008] [2] R. P. Khare, Fiber optics and optoelectronics(光纖光學和光電子 學），Oxford University Press, 2004,chapter 11:269-270
[0009] [3]L.N.Binh, Advanced digital optical communications(前沿數字光通 信），CRC Press,2015,chapter3. 1:83-89
[0010] [4]Y.Shietal. ,Highchannelcountandhighprecisionchannelspacing multi-wavelengthlaserarrayforfuturePICs(未來光子集成芯片上的高通道數和高 通道間隔精度多波長激光器陣列），ScientificR印orts, 2014,DOI: 10. 1038/sr印07377
[0011] [5]Y. Dai, X. Chen, DFB semiconductor laser based on reconstruction-equivalent-chirp technology(基于重構-等效啁嗽技術的分布反饋半 導體激光器），Optics Express, 2007, 15 (5) : 2348-2353
【發明內容】
[0012] 本發明的目的在于，提出階梯相位布拉格光柵并闡明其工作原理及用途，并提出 了基于該光柵結構的分布反饋半導體激光器的制備方法。該方法可用于光纖和平面波導 中，提供濾波器的作用，另外該光柵的相移形式和等效相移形式可以應用于分布反饋半導 體激光器及其多波長陣列中，尤其在應用于密集波分復用系統的多波長激光器陣列，可以 克服由于電子束曝光中電子束斑太大而不能很好地控制相鄰激光器波長間隔精度的問題。
[0013] 本發明的技術方案：一種階梯相位布拉格光柵以及基于該光柵結構DFB半導體激 光器及其多波長陣列的制作技術，其中階梯相位布拉格光柵即周期性相移光柵，所述光柵 的折射率調制為：
[0015] 其中z指沿光柵軸向的位置，An1為均勻光柵的折射率調制，c.c表示復共輒，其 中每個臺階平坦處即對應均勻光柵，A為均勻光柵的周期，巾（z)為該光柵的折射率調制 的相位部分：
[0016] 當k?P〈z〈 (k+1).P時，<Mz) =k*a，kGN
[0017] 其形式為隨z軸呈均勻階梯狀分布，該階梯的每個臺階的寬為P，對應周期性相移 的周期，高為a、對應周期性相移的相移大小，由于該相移大小對光柵性能影響呈現以2 為周期，即兩個相差2 相移的光柵具有完全相同的反射譜；故只需將a取為（-31，Jr];N 為自然數；該光柵的另一種表述形式為周期性相移光柵，其中周期即該臺階的寬度，而相移 大小即該臺階的高度。
[0018] 為了求解該階梯相位光柵的反射譜性質，將相位部分寫成
[0021] 發現叫X)是以P為周期的周期函數，其形狀類似鋸齒狀，其中在一個周期的區間
[0，P)內
[0025] 由于識(?)為以P為周期的周期函數，因而可得(i'律(Z))也為以P為周期的周 期函數，于是便可以進行傅立葉展開，可得
[0026]
[0027] 其中Fni為傅立葉變換后各級次的系數
[0028]