寬可調(diào)諧SGDBR半導(dǎo)體激光器理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器是一類非常重要的半導(dǎo)體光電器件,由于能大幅減少備用激光器的數(shù)量,被認(rèn)為是光纖通信密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的理想光源,并在未來智能光網(wǎng)絡(luò)中也將發(fā)揮越來越重要的作用。除此之外,在測(cè)量和傳感領(lǐng)域,寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器也有很廣泛的應(yīng)用前景。這其中取樣光柵分布布拉格反射(Sampled Grating Distributed Bragg Reflector,SGDBR)半導(dǎo)體激光器由于調(diào)諧范圍寬、光譜質(zhì)量好、波長(zhǎng)調(diào)諧速度快、功能擴(kuò)展

2、性強(qiáng)等特點(diǎn)廣為關(guān)注。
　　 本論文圍繞寬可調(diào)諧SGDBR半導(dǎo)體激光器的研制開展了以下幾方面的工作:
　　 1.設(shè)計(jì)并優(yōu)化激光器中取樣光柵的結(jié)構(gòu)。詳細(xì)討論了取樣光柵的取樣長(zhǎng)度、取樣周期數(shù)、占空比和端面反射等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)光柵反射譜特性以及激光器性能,包括調(diào)諧范圍、輸出功率和邊模抑制比的影響,給出了優(yōu)化后的結(jié)果。
　　 2.對(duì)激光器的有源區(qū)和無(wú)源區(qū)材料進(jìn)行模擬設(shè)計(jì),計(jì)算有源區(qū)中多量子阱的能帶結(jié)構(gòu)和增益譜線,對(duì)不同帶隙材料

3、的折射率變化范圍和相應(yīng)的吸收損耗進(jìn)行計(jì)算。并對(duì)兩個(gè)不同區(qū)段的光場(chǎng)分布、折射率匹配以及重疊積分等進(jìn)行模擬研究。
　　 3.建立新型動(dòng)態(tài)分析模型,模型中根據(jù)激光器有源區(qū)和無(wú)源區(qū)的不同特點(diǎn)而采用不同的處理方法:在激光器有源區(qū)中仍然使用傳統(tǒng)的時(shí)域行波法；而對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的無(wú)源區(qū)則首先采用頻域分析方法,然后通過數(shù)字濾波器把兩種方法有效地結(jié)合起來；利用該模型對(duì)SGDBR半導(dǎo)體激光器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性,尤其是波長(zhǎng)切換性能進(jìn)行分析,并進(jìn)一步將該模型推

4、廣到集成器件的動(dòng)態(tài)特性研究中。
　　 4.采用C12/H2做為刻蝕氣體,通過測(cè)量多量子阱的光熒光強(qiáng)度,詳細(xì)分析ICP等離子體刻蝕設(shè)備中各個(gè)參數(shù)對(duì)材料表面損傷的影響,包括壓強(qiáng)、ICP功率、RF功率以及刻蝕氣體組分等,從中總結(jié)出高密度等離子體低損傷刻蝕規(guī)律。根據(jù)所得結(jié)果,在低損傷刻蝕條件下取得了良好的刻蝕形貌。將這一工藝應(yīng)用到實(shí)際激光器制程中,所制作的DFB激光器的輸出特性和老化測(cè)試結(jié)果證明了該工藝的可靠性,并進(jìn)一步用于改進(jìn)取樣光柵

5、的制作工藝中。
　　 5.對(duì)MOCVD對(duì)接工藝進(jìn)行研究,將對(duì)接界面腐蝕方案由原來的純濕法腐蝕改進(jìn)為干法刻蝕與濕法腐蝕相結(jié)合,提高了腐蝕界面的可控制性和重復(fù)率；同時(shí)改進(jìn)MOCVD的生長(zhǎng)工藝,顯著提高了材料生長(zhǎng)質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)問高質(zhì)量的對(duì)接生長(zhǎng)。
　　 6.在理論設(shè)計(jì)和相關(guān)配套工藝的支持下,實(shí)際制作了寬可調(diào)諧SGDBR半導(dǎo)體激光器；利用精密反射計(jì)測(cè)量對(duì)接界面的殘余反射在10-4量級(jí)；同時(shí)為克服SGDBR半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)上的固

6、有缺陷對(duì)激光器性能帶來的不利影響,開展SGDBR半導(dǎo)體激光器集成SOA器件的研制工作。
　　 7.利用LabVIEW軟件編寫激光器自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng),測(cè)試結(jié)果表明研制的器件準(zhǔn)連續(xù)調(diào)諧范圍大于35 nm,在整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)的邊模抑制比大于30dB。此外對(duì)集成器件的測(cè)試結(jié)果表明通過引入SOA有效地改善了各個(gè)輸出通道間的輸出功率均勻度,并對(duì)器件的波長(zhǎng)切換特性進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試結(jié)果表明SGDBR半導(dǎo)體激光器激射波長(zhǎng)從1541.92 nm切換至15

7、46.76 nm僅需6.2 ns左右的時(shí)間。
　　 本論文中的主要?jiǎng)?chuàng)新工作包括:
　　 Ⅰ系統(tǒng)分析了取樣光柵中各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)與光柵反射譜特性之間的聯(lián)系,以及對(duì)激光器性能,包括調(diào)諧范圍、輸出功率和邊模抑制比的影響；并根據(jù)上述結(jié)果得出一組SGDBR半導(dǎo)體激光器前、后取樣光柵的優(yōu)化參數(shù)。
　　 Ⅱ建立了新型動(dòng)態(tài)分析模型。該模型根據(jù)激光器有源區(qū)和無(wú)源區(qū)的不同特點(diǎn)而采用不同的處理方法:在激光器有源區(qū)中仍然使用傳統(tǒng)的時(shí)域行波法

8、；而對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的無(wú)源區(qū)則首先采用頻域分析方法,然后通過數(shù)字濾波器把時(shí)域行波法和頻域方法有效地結(jié)合起來；利用該模型對(duì)SGDBR半導(dǎo)體激光器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性,尤其是激光器的波長(zhǎng)切換性能進(jìn)行分析,并進(jìn)一步將該模型推廣到更為復(fù)雜的集成器件的動(dòng)態(tài)特性研究中。
　　 Ⅲ對(duì)高密度等離子體的刻蝕損傷展開研究。系統(tǒng)研究了采用Cl2/H2時(shí)ICP刻蝕系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)對(duì)材料表面損傷的影響,總結(jié)了刻蝕損傷規(guī)律；將這一結(jié)果引入到DFB半導(dǎo)體激光器的制程中,

9、激光器的出光性能和老化測(cè)試結(jié)果表明工藝的可靠性,并進(jìn)一步用于取樣光柵制作工藝的改進(jìn)。
　　 Ⅳ研究MOCVD對(duì)接生長(zhǎng)工藝,先后采用兩套方案,將對(duì)接界面的腐蝕工藝從最初的純濕法腐蝕改為干、濕法相結(jié)合,并在MOCVD生長(zhǎng)程序上做進(jìn)一步改進(jìn),提高了對(duì)接工藝的可靠性和重復(fù)性。集合上述研究成果,包括MOCVD對(duì)接工藝、取樣光柵制作工藝和理論模型優(yōu)化得到的結(jié)果,實(shí)際制作了SGDBR半導(dǎo)體激光器器件。并針對(duì)激光器結(jié)構(gòu)上固有缺陷,制作了SGDB