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基于氮化鎵的通信波段可調DFB激光器的研究 |
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[ 通信界 | 朱敏杰，胡芳仁 ，楊海艷 | www.6611o.com | 2019/11/18 11:28:15 ]
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引言
隨著現代光通信技術的不斷發展，光網絡處理信息量不斷增加，波分復用（wavelength-divisionmultiple¬xing,WDM)技術得到廣泛應用。這令波長可調激光器得到廣泛關注，因為如果采用傳統固定波長激光器作為WDM技術的光源,那么同一個光發送機就需要封裝幾十個不同波長的激光器,這不僅使得設備體積增大,而且成本也大大增加，嚴重影響網絡的利用率。
如果能夠使光發送機發送不同波長的信號光源，那么可以有效降低WDM技術成本，同時，波長可調激光器已經成為降低光網絡成本的重要組成部分,也是當前光通信器件研究的熱點。國內外學者已在可調諧半導體激光器上做過較好的試驗。主要有：（1)將多個分布反饋（distributedfeedback,DFB)激光器采用并聯形成陣列在同一個芯片上生長，后經放大稱合’得到覆蓋較寬的調諧范圍;(2)采用微機電系統(micro-electro-mechanicalsystem,MEMS)轉鏡作為外部耦合器起到波長粗選，采用溫度調節來精確控制;(3)由壓應變量子阱和多個布喇格反射鏡組成的出射光垂直于芯片表面的可調諧垂直腔面發射激光(4)通過改變諧振腔的結構尺寸或形狀來改變激射波長的可調諧外腔式激光器w。并且，隨著MEMS技術的發展，集成可調諧GaN光柵的濾波器巳有報。然而到目前為止，利用GaN材料制備光柵周期可調且范圍覆蓋通信C波段的分布反饋激光器研究鮮見報道。
本文中在嚴格鍋合波方法（rigorouscoupled-waveanalysis，RCWA)及平板波導理論基礎上，通過數值計算,建立了基于GaN材料可調分布反饋激光器的2維模型，分析了其出光特性，在滿足單模輸出條件下，重點關注了光柵周期與C波段各波長關系，為實現激光器的波長可調提供仿真依據。
1.可調諧DFB激光器結構及實現方式
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為光柵級數，通常取m=1，nrff為介質等效折射率。
分析（1)式可知，當k和A都固定的條件下，改變懸空的光柵周期能夠進行激光器選頻，形成受激輻射，實現激光的單縱模輸出。故如何進行周期變化以及變化范圍是本文中的研究重點。
作者采用了基于GaN材料的可調諧外腔式激光器結構，它采用了靜電梳狀微驅動器，通過MEMS驅動器來拉伸光柵間隔，使懸空的光柵周期得到微調，控制諧振波長輸出。
式中是真空介電常數,《和h分別是驅動器彈簧的寬度和厚度,g為可動和固定梳齒的間距J為可動梳針端到固定梳針末端的距離4為驅動器位移，L為梳狀驅動器的總長，F為平板間施加的電壓。
2.耦合波理論分析
由于在仿真時都采用入射TE波,故這里只探討TE模單模傳輸特性。
耦合波理論表明，光柵的衍射會產生無窮對不同階的正向波和反向波，現在只考慮強度最大的一對正向波和反向波,分別用4(4和BU)來表示。
內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激光器能夠產生良好的單縱模激射特性。下面將結合稱合波理論以及平板波導理論計算DFB激光器光柵的相關參量。
周期性光柵波導結構圖，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。整個光柵結構沿*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平板波不難發現，光柵周期與激射波長都為2階，呈近似一次函數關系，以此選定的波長求解出的周期大小作為下一節中模擬仿真時的參考,而實際仿真得出的周期大小也可對上式進行驗證。
3.數值仿真
本文中進行的數值模擬采用軟件COMSOLMul¬tiphysics4.2a，對DFB激光器內布喇格光柵建立模型，在溫度為273K條件下，從光柵左側端口輸人功率為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組合參量，故取得上述表中的值。
選取近似激射波長1550nm處，計算光柵周期理論值為673.15nm，而后在該理論值附近進行光柵周期的參量化掃描。經模擬數據表明，當71=669nm時，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為電場強度，顏色的深淺代表了不同的諧振強度。可以看到,從左側入射的TE波很好地限制在增益層區域，形成反饋而輸出，電場振幅峰值能量達到了在選定周期為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，全局電場能量達到了1.40298x10_7J。中心波長兩邊分別在I534.28nm和1566.44nm處有一個邊鋒，但其全局電場能量遠小于主峰，且都遠離中心波長。對中心波長所在峰進行放大分析，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，可反過來計算理論激射波長A=1541nm,而與實驗值波長1549.99mn存在一定的藍移，這主要是由于存在相移以及等效折射率計算誤差等因素，造成光經過光柵區,諧振峰值發生一定偏差，并且該偏差始終保持理論計算略小于實驗波長。
對波長從（1549.9~1550.l)nm范圍內進行參量化掃描，掃描步長為0.01nm所得到的電場模式圖，縱坐標表征-方向的場強分布，其中振幅最強、諧振效果最好的即為A=1549.99mn，這說明光柵對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。
由于本文中所設計DFB激光器光柵結構參量主要為通信C波段服務，故在可調過程中，控制光柵周期參量至關重要，可通過調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構參量一定的條件下，對覆蓋整個C波段的每個波長（精確到lnm)都進行了實驗仿真,如圖6所示,每一個輸出波長都對應一個光柵周期。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，分散的點近似成線性關系，符合布喇格理論，這也與前面理論分析所得出的結論一致。最后經過線性擬合，得到擬合公式y=擬合效率為0.984。
4.結論
將基于氮化鎵C波段可調DFB激光器和MEMS技術相結合，利用MEMS技術的微驅動器來改變激光器光柵周期。通過對DFB激光器理論的深人分析，建立了仿真模型。模型分析結果與理論計算一致,在光柵厚度、高度以及增益層等結構參量最優化的情況下，通過對整個C波段的仿真，確定了各波長與光柵周期的對應關系,并給出了擬合公式，為該激光器件設計以及制備的后期工作開展提供了理論指導意義。 |
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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