寬可調(diào)諧SGDBR半導體激光器理論和實驗研究.pdf

1、寬可調(diào)諧半導體激光器是一類非常重要的半導體光電器件,由于能大幅減少備用激光器的數(shù)量,被認為是光纖通信密集波分復用系統(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,在測量和傳感領(lǐng)域,寬可調(diào)諧半導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)半導體激光器由于調(diào)諧范圍寬、光譜質(zhì)量好、波長調(diào)諧速度快、功能擴展

2、性強等特點廣為關(guān)注。
　　 本論文圍繞寬可調(diào)諧SGDBR半導體激光器的研制開展了以下幾方面的工作:
　　 1.設(shè)計并優(yōu)化激光器中取樣光柵的結(jié)構(gòu)。詳細討論了取樣光柵的取樣長度、取樣周期數(shù)、占空比和端面反射等結(jié)構(gòu)參數(shù)對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.對激光器的有源區(qū)和無源區(qū)材料進行模擬設(shè)計,計算有源區(qū)中多量子阱的能帶結(jié)構(gòu)和增益譜線,對不同帶隙材料

3、的折射率變化范圍和相應(yīng)的吸收損耗進行計算。并對兩個不同區(qū)段的光場分布、折射率匹配以及重疊積分等進行模擬研究。
　　 3.建立新型動態(tài)分析模型,模型中根據(jù)激光器有源區(qū)和無源區(qū)的不同特點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)的時域行波法；而對結(jié)構(gòu)復雜的無源區(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SGDBR半導體激光器的靜態(tài)和動態(tài)特性,尤其是波長切換性能進行分析,并進一步將該模型推

4、廣到集成器件的動態(tài)特性研究中。
　　 4.采用C12/H2做為刻蝕氣體,通過測量多量子阱的光熒光強度,詳細分析ICP等離子體刻蝕設(shè)備中各個參數(shù)對材料表面損傷的影響,包括壓強、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)用到實際激光器制程中,所制作的DFB激光器的輸出特性和老化測試結(jié)果證明了該工藝的可靠性,并進一步用于改進取樣光柵

5、的制作工藝中。
　　 5.對MOCVD對接工藝進行研究,將對接界面腐蝕方案由原來的純濕法腐蝕改進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率；同時改進MOCVD的生長工藝,顯著提高了材料生長質(zhì)量,實現(xiàn)了波導問高質(zhì)量的對接生長。
　　 6.在理論設(shè)計和相關(guān)配套工藝的支持下,實際制作了寬可調(diào)諧SGDBR半導體激光器；利用精密反射計測量對接界面的殘余反射在10-4量級；同時為克服SGDBR半導體激光器結(jié)構(gòu)上的固

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

7、46.76 nm僅需6.2 ns左右的時間。
　　 本論文中的主要創(chuàng)新工作包括:
　　 Ⅰ系統(tǒng)分析了取樣光柵中各個結(jié)構(gòu)參數(shù)與光柵反射譜特性之間的聯(lián)系,以及對激光器性能,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半導體激光器前、后取樣光柵的優(yōu)化參數(shù)。
　　 Ⅱ建立了新型動態(tài)分析模型。該模型根據(jù)激光器有源區(qū)和無源區(qū)的不同特點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)的時域行波法

8、；而對結(jié)構(gòu)復雜的無源區(qū)則首先采用頻域分析方法,然后通過數(shù)字濾波器把時域行波法和頻域方法有效地結(jié)合起來；利用該模型對SGDBR半導體激光器的靜態(tài)和動態(tài)特性,尤其是激光器的波長切換性能進行分析,并進一步將該模型推廣到更為復雜的集成器件的動態(tài)特性研究中。
　　 Ⅲ對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ICP刻蝕系統(tǒng)中各個參數(shù)對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半導體激光器的制程中,

9、激光器的出光性能和老化測試結(jié)果表明工藝的可靠性,并進一步用于取樣光柵制作工藝的改進。
　　 Ⅳ研究MOCVD對接生長工藝,先后采用兩套方案,將對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生長程序上做進一步改進,提高了對接工藝的可靠性和重復性。集合上述研究成果,包括MOCVD對接工藝、取樣光柵制作工藝和理論模型優(yōu)化得到的結(jié)果,實際制作了SGDBR半導體激光器器件。并針對激光器結(jié)構(gòu)上固有缺陷,制作了SGDB