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基于氮化鎵的通信波段可調(diào)DFB激光器的研究 |
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[ 通信界 | 朱敏杰，胡芳仁 ，楊海艷 | www.k-94.cn | 2019/11/18 11:28:15 ]
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引言
隨著現(xiàn)代光通信技術(shù)的不斷發(fā)展，光網(wǎng)絡(luò)處理信息量不斷增加，波分復(fù)用（wavelength-divisionmultiple¬xing,WDM)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。這令波長可調(diào)激光器得到廣泛關(guān)注，因?yàn)槿绻捎脗鹘y(tǒng)固定波長激光器作為WDM技術(shù)的光源,那么同一個(gè)光發(fā)送機(jī)就需要封裝幾十個(gè)不同波長的激光器,這不僅使得設(shè)備體積增大,而且成本也大大增加，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的利用率。
如果能夠使光發(fā)送機(jī)發(fā)送不同波長的信號(hào)光源，那么可以有效降低WDM技術(shù)成本，同時(shí)，波長可調(diào)激光器已經(jīng)成為降低光網(wǎng)絡(luò)成本的重要組成部分,也是當(dāng)前光通信器件研究的熱點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者已在可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器上做過較好的試驗(yàn)。主要有：（1)將多個(gè)分布反饋（distributedfeedback,DFB)激光器采用并聯(lián)形成陣列在同一個(gè)芯片上生長，后經(jīng)放大稱合’得到覆蓋較寬的調(diào)諧范圍;(2)采用微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanicalsystem,MEMS)轉(zhuǎn)鏡作為外部耦合器起到波長粗選，采用溫度調(diào)節(jié)來精確控制;(3)由壓應(yīng)變量子阱和多個(gè)布喇格反射鏡組成的出射光垂直于芯片表面的可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光(4)通過改變諧振腔的結(jié)構(gòu)尺寸或形狀來改變激射波長的可調(diào)諧外腔式激光器w。并且，隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，集成可調(diào)諧GaN光柵的濾波器巳有報(bào)。然而到目前為止，利用GaN材料制備光柵周期可調(diào)且范圍覆蓋通信C波段的分布反饋激光器研究鮮見報(bào)道。
本文中在嚴(yán)格鍋合波方法（rigorouscoupled-waveanalysis，RCWA)及平板波導(dǎo)理論基礎(chǔ)上，通過數(shù)值計(jì)算,建立了基于GaN材料可調(diào)分布反饋激光器的2維模型，分析了其出光特性，在滿足單模輸出條件下，重點(diǎn)關(guān)注了光柵周期與C波段各波長關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)激光器的波長可調(diào)提供仿真依據(jù)。
1.可調(diào)諧DFB激光器結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方式
DFB激光器的激光振蕩滿足布喇格條件：
式中M為光柵周期，A為真空中的光波長，m為光柵級(jí)數(shù)，通常取m=1，nrff為介質(zhì)等效折射率。
分析（1)式可知，當(dāng)k和A都固定的條件下，改變懸空的光柵周期能夠進(jìn)行激光器選頻，形成受激輻射，實(shí)現(xiàn)激光的單縱模輸出。故如何進(jìn)行周期變化以及變化范圍是本文中的研究重點(diǎn)。
作者采用了基于GaN材料的可調(diào)諧外腔式激光器結(jié)構(gòu)，它采用了靜電梳狀微驅(qū)動(dòng)器，通過MEMS驅(qū)動(dòng)器來拉伸光柵間隔，使懸空的光柵周期得到微調(diào)，控制諧振波長輸出。
式中是真空介電常數(shù),《和h分別是驅(qū)動(dòng)器彈簧的寬度和厚度,g為可動(dòng)和固定梳齒的間距J為可動(dòng)梳針端到固定梳針末端的距離4為驅(qū)動(dòng)器位移，L為梳狀驅(qū)動(dòng)器的總長，F(xiàn)為平板間施加的電壓。
2.耦合波理論分析
由于在仿真時(shí)都采用入射TE波,故這里只探討TE模單模傳輸特性。
耦合波理論表明，光柵的衍射會(huì)產(chǎn)生無窮對(duì)不同階的正向波和反向波，現(xiàn)在只考慮強(qiáng)度最大的一對(duì)正向波和反向波,分別用4(4和BU)來表示。
內(nèi)置的光柵不斷提供正向波和反向波彼此間的反饋，兩者疊加之和形成的光場使得DFB激光器能夠產(chǎn)生良好的單縱模激射特性。下面將結(jié)合稱合波理論以及平板波導(dǎo)理論計(jì)算DFB激光器光柵的相關(guān)參量。
周期性光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖，光柵厚度和高度分別表示為d和i/，光柵周期為71，增益層厚度為H”增益層和光柵層的等效厚度可表示為盡'，令入射光在2=0處入射,光波沿z方向傳輸。整個(gè)光柵結(jié)構(gòu)沿*方向分別為Si襯底層、GaN有源層、GaN光柵及空氣層,可以將其等效成介質(zhì)平板波不難發(fā)現(xiàn)，光柵周期與激射波長都為2階，呈近似一次函數(shù)關(guān)系，以此選定的波長求解出的周期大小作為下一節(jié)中模擬仿真時(shí)的參考,而實(shí)際仿真得出的周期大小也可對(duì)上式進(jìn)行驗(yàn)證。
3.數(shù)值仿真
本文中進(jìn)行的數(shù)值模擬采用軟件COMSOLMul¬tiphysics4.2a，對(duì)DFB激光器內(nèi)布喇格光柵建立模型，在溫度為273K條件下，從光柵左側(cè)端口輸人功率為1W的橫向TE波。其中，光柵高度、厚度以及增益層厚度均是在其余參量不變情況下所取得的最優(yōu)組合參量，故取得上述表中的值。
選取近似激射波長1550nm處，計(jì)算光柵周期理論值為673.15nm，而后在該理論值附近進(jìn)行光柵周期的參量化掃描。經(jīng)模擬數(shù)據(jù)表明，當(dāng)71=669nm時(shí)，電場模式效果最好。
如圖3所示，其中平面為光柵尺寸圖方向?yàn)殡妶鰪?qiáng)度，顏色的深淺代表了不同的諧振強(qiáng)度�？梢钥吹�,從左側(cè)入射的TE波很好地限制在增益層區(qū)域，形成反饋而輸出，電場振幅峰值能量達(dá)到了在選定周期為669nm、求解中心波長在1550nm附近各波長輸出的電場能量。分析頻譜圖可以看到，主峰中心波長為1549.992nm，全局電場能量達(dá)到了1.40298x10_7J。中心波長兩邊分別在I534.28nm和1566.44nm處有一個(gè)邊鋒，但其全局電場能量遠(yuǎn)小于主峰，且都遠(yuǎn)離中心波長。對(duì)中心波長所在峰進(jìn)行放大分析，可以看到該諧振峰半峰全寬（fullwidthathalfmaxima,FWHM)約0.0024nm,說明線寬較窄。
將上述仿真所得光柵周期A=669nm代入，可反過來計(jì)算理論激射波長A=1541nm,而與實(shí)驗(yàn)值波長1549.99mn存在一定的藍(lán)移，這主要是由于存在相移以及等效折射率計(jì)算誤差等因素，造成光經(jīng)過光柵區(qū),諧振峰值發(fā)生一定偏差，并且該偏差始終保持理論計(jì)算略小于實(shí)驗(yàn)波長。
對(duì)波長從（1549.9~1550.l)nm范圍內(nèi)進(jìn)行參量化掃描，掃描步長為0.01nm所得到的電場模式圖，縱坐標(biāo)表征-方向的場強(qiáng)分布，其中振幅最強(qiáng)、諧振效果最好的即為A=1549.99mn，這說明光柵對(duì)其它波長的光都起到了很好的抑制作用,滿足單模激光輸出的條件。
由于本文中所設(shè)計(jì)DFB激光器光柵結(jié)構(gòu)參量主要為通信C波段服務(wù)，故在可調(diào)過程中，控制光柵周期參量至關(guān)重要，可通過調(diào)整周期變化來改變激射波長的單模輸出。因此，參照上述探索光柵周期的方法，在光柵厚度、高度和增益層厚度等結(jié)構(gòu)參量一定的條件下，對(duì)覆蓋整個(gè)C波段的每個(gè)波長（精確到lnm)都進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真,如圖6所示,每一個(gè)輸出波長都對(duì)應(yīng)一個(gè)光柵周期。從圖6可以看出，隨著輸出波長的增加，光柵周期也呈上升趨勢，分散的點(diǎn)近似成線性關(guān)系，符合布喇格理論，這也與前面理論分析所得出的結(jié)論一致。最后經(jīng)過線性擬合，得到擬合公式y(tǒng)=擬合效率為0.984。
4.結(jié)論
將基于氮化鎵C波段可調(diào)DFB激光器和MEMS技術(shù)相結(jié)合，利用MEMS技術(shù)的微驅(qū)動(dòng)器來改變激光器光柵周期。通過對(duì)DFB激光器理論的深人分析，建立了仿真模型。模型分析結(jié)果與理論計(jì)算一致,在光柵厚度、高度以及增益層等結(jié)構(gòu)參量最優(yōu)化的情況下，通過對(duì)整個(gè)C波段的仿真，確定了各波長與光柵周期的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并給出了擬合公式，為該激光器件設(shè)計(jì)以及制備的后期工作開展提供了理論指導(dǎo)意義。 |
1作者：朱敏杰，胡芳仁 ，楊海艷 來源：通信界 編輯：顧北 |
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