基于重构等效啁啾技术的DFB半导体激光器与光子集成器件研究
【摘要】互联网、无线通信的快速发展及各种数据业务的爆炸式增长,对网络带宽的需求急剧增加。光纤通信作为现代通信网的三大支柱之一,正向着高速、大容量、集成化的方向迅速发展。半导体激光器具有体积小、效率高、重量轻、价格低的优点,是光纤通信的主要光源。随着网络容量的不断增加,由分立器件构建的光纤通信网络系统在器件数量、体积、能耗、成本上面临很大压力。在单个芯片上集成多个功能的光电子器件的光子集成技术(PIC),被认为是最有可能解决这一问题的方案。2004年以后,光子集成器件进入快速发展阶段,目前市场上已有大规模光子集成芯片的商业产品。但是由于种种原因,我国的光电子核心芯片研究进展缓慢,中高端的激光器芯片仍然基本依赖进口,研发并生产出低成本高性能的激光器芯片是我国光通信产业的迫切需求。本论文围绕重构等效啁啾(REC)技术开展研究,介绍了REC技术的原理及基于REC技术半导体激光器的设计、仿真和制造工艺,论证了可以用特殊设计的取样结构等效的实现具有优秀性能的光栅结构,据此可以用简单成熟的工艺制作复杂结构高性能半导体激光器与阵列,实现大规模的生产。摸索了半导体激光器的加工工艺,为后续研究奠定了基础。设计并实现了高性能DFB半导体激光器,并在此基础上对光子集成芯片进行了初步研究。主要结论如下：1、研制了基于REC技术的等效节距调制CPM、分布耦合系数DCC、DCC-CPMDFB半导体激光器。CPM结构通过引入相移调节区(PAR)使得光场在谐振腔中的分布更加平缓,有助于削弱空间烧孔效应带来的单模特性减退。在DCC结构中,谐振腔中间区域的光栅耦合系数高于两侧,能够增加激光器主边模增益差,提升激光器的单模特性。DCC-CPM结合了以上两种结构的优势。尽管这些DFB激光器在沿谐振腔方向有复杂的光栅结构变化,但是利用REC技术,其制作方法和成本与结构相对简单的等效相移DFB半导体激光器是完全一致的。理论仿真结果显示,复杂光栅结构在提升激光器部分性能的同时也会带来一些负面作用,因此在设计结构时需要权衡不同参数的影响。实验结果表明,我们制作的这些激光器在大电流注入的情况下均能保持高边模抑制比,具有良好的单模特性。实验获得了8波长100GHz间隔的等效CPMDFB半导体激光器阵列,波长间隔控制精准,成品率高。2、研制了基于REC技术的双波长半导体激光器。在DFB光栅结构中引入不对称相移±θ,利用分离谐振腔机制实现双波长激射。提出了用PAR取代突变相移,这种结构的优点是：对于相移θ较大的结构,可以有效增加两个模式在谐振腔中光场的分离程度；对于相移0较小的结构,可以避免相移处光刻版线条过小的问题；此外还可以有效减少空间烧孔效应的影响,得到更稳定的双波长激射。实验获得了激射波长间隔约为0.5nm的双波长DFB半导体激光器,并通过拍频获得了较稳定的64GHz微波信号；利用不同大小的相移实现了不同波长间隔的双波长DFB半导体激光器阵列。3、研究了量子阱混杂(QWI)技术,并开展了基于该项技术的光子集成芯片的制作。采用改进的量子阱混杂技术,通过溅射镀膜的方法可以增加点缺陷数量,提升量子阱混杂的比例。实验结果显示,退火温度665℃时,溅射镀膜的样品与未退火的样品相比发生了170nm带隙蓝移,而仅用PECVD蒸镀SiO2保护的样品只发生了6nnm带隙蓝移,可见用溅射镀膜的方法可以在同一外延片上实现有源器件和无源器件所需的不同带隙；用Rsoft软件仿真得到了合波器件多模干涉耦合器MMI合适的多模干涉区长度;设计了4信道DFB激光器阵列与MMI合波器单片集成芯片并研究了器件的加工工艺。
【作者】李思敏；
【导师】陈向飞；
【作者基本信息】南京大学，材料物理与化学，2014，博士
【关键词】DFB半导体激光器；双波长激光器；重构等效啁啾技术；光子集成；量子阱混杂；
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