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基于氮化镓的通信波段可调DFB激光器的研究
[ 通信界 / 朱敏杰,胡芳仁 ,杨海艳 / www.cntxj.net / 2019/11/18 11:28:15 ]
 

  引言
  
  随着现代光通信技术的不断发展,光网络处理信息量不断增加,波分复用(wavelength-divisionmultiple¬xing,WDM)技术得到广泛应用。这令波长可调激光器得到广泛关注,因为如果采用传统固定波长激光器作为WDM技术的光源,那么同一个光发送机就需要封装几十个不同波长的激光器,这不仅使得设备体积增大,而且成本也大大增加,严重影响网络的利用率。
  
  如果能够使光发送机发送不同波长的信号光源,那么可以有效降低WDM技术成本,同时,波长可调激光器已经成为降低光网络成本的重要组成部分,也是当前光通信器件研究的热点。国内外学者已在可调谐半导体激光器上做过较好的试验。主要有:(1)将多个分布反馈(distributedfeedback,DFB)激光器采用并联形成阵列在同一个芯片上生长,后经放大稱合’得到覆盖较宽的调谐范围;(2)采用微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem,MEMS)转镜作为外部耦合器起到波长粗选,采用温度调节来精确控制;(3)由压应变量子阱和多个布喇格反射镜组成的出射光垂直于芯片表面的可调谐垂直腔面发射激光(4)通过改变谐振腔的结构尺寸或形状来改变激射波长的可调谐外腔式激光器w。并且,随着MEMS技术的发展,集成可调谐GaN光栅的滤波器巳有报。然而到目前为止,利用GaN材料制备光栅周期可调且范围覆盖通信C波段的分布反馈激光器研究鲜见报道。
  
  本文中在严格锅合波方法(rigorouscoupled-waveanalysis,RCWA)及平板波导理论基础上,通过数值计算,建立了基于GaN材料可调分布反馈激光器的2维模型,分析了其出光特性,在满足单模输出条件下,重点关注了光栅周期与C波段各波长关系,为实现激光器的波长可调提供仿真依据。
  
  1.可调谐DFB激光器结构及实现方式
  
  DFB激光器的激光振荡满足布喇格条件:
  
  式中M为光栅周期,A为真空中的光波长,m为光栅级数,通常取m=1,nrff为介质等效折射率。
  
  分析(1)式可知,当k和A都固定的条件下,改变悬空的光栅周期能够进行激光器选频,形成受激辐射,实现激光的单纵模输出。故如何进行周期变化以及变化范围是本文中的研究重点。
  
  作者采用了基于GaN材料的可调谐外腔式激光器结构,它采用了静电梳状微驱动器,通过MEMS驱动器来拉伸光栅间隔,使悬空的光栅周期得到微调,控制谐振波长输出。
  
  式中是真空介电常数,《和h分别是驱动器弹簧的宽度和厚度,g为可动和固定梳齿的间距J为可动梳针端到固定梳针末端的距离4为驱动器位移,L为梳状驱动器的总长,F为平板间施加的电压。
  
  2.耦合波理论分析
  
  由于在仿真时都采用入射TE波,故这里只探讨TE模单模传输特性。
  
  耦合波理论表明,光栅的衍射会产生无穷对不同阶的正向波和反向波,现在只考虑强度最大的一对正向波和反向波,分别用4(4和BU)来表示。
  
  内置的光栅不断提供正向波和反向波彼此间的反馈,两者叠加之和形成的光场使得DFB激光器能够产生良好的单纵模激射特性。下面将结合稱合波理论以及平板波导理论计算DFB激光器光栅的相关参量。
  
  周期性光栅波导结构图,光栅厚度和高度分别表示为d和i/,光栅周期为71,增益层厚度为H”增益层和光栅层的等效厚度可表示为尽',令入射光在2=0处入射,光波沿z方向传输。整个光栅结构沿*方向分别为Si衬底层、GaN有源层、GaN光栅及空气层,可以将其等效成介质平板波不难发现,光栅周期与激射波长都为2阶,呈近似一次函数关系,以此选定的波长求解出的周期大小作为下一节中模拟仿真时的参考,而实际仿真得出的周期大小也可对上式进行验证。
  
  3.数值仿真
  
  本文中进行的数值模拟采用软件COMSOLMul¬tiphysics4.2a,对DFB激光器内布喇格光栅建立模型,在温度为273K条件下,从光栅左侧端口输人功率为1W的横向TE波。其中,光栅高度、厚度以及增益层厚度均是在其余参量不变情况下所取得的最优组合参量,故取得上述表中的值。
  
  选取近似激射波长1550nm处,计算光栅周期理论值为673.15nm,而后在该理论值附近进行光栅周期的参量化扫描。经模拟数据表明,当71=669nm时,电场模式效果最好。
  
  如图3所示,其中平面为光栅尺寸图方向为电场强度,颜色的深浅代表了不同的谐振强度。可以看到,从左侧入射的TE波很好地限制在增益层区域,形成反馈而输出,电场振幅峰值能量达到了在选定周期为669nm、求解中心波长在1550nm附近各波长输出的电场能量。分析频谱图可以看到,主峰中心波长为1549.992nm,全局电场能量达到了1.40298x10_7J。中心波长两边分别在I534.28nm和1566.44nm处有一个边锋,但其全局电场能量远小于主峰,且都远离中心波长。对中心波长所在峰进行放大分析,可以看到该谐振峰半峰全宽(fullwidthathalfmaxima,FWHM)约0.0024nm,说明线宽较窄。
  
  将上述仿真所得光栅周期A=669nm代入,可反过来计算理论激射波长A=1541nm,而与实验值波长1549.99mn存在一定的蓝移,这主要是由于存在相移以及等效折射率计算误差等因素,造成光经过光栅区,谐振峰值发生一定偏差,并且该偏差始终保持理论计算略小于实验波长。
  
  对波长从(1549.9~1550.l)nm范围内进行参量化扫描,扫描步长为0.01nm所得到的电场模式图,纵坐标表征-方向的场强分布,其中振幅最强、谐振效果最好的即为A=1549.99mn,这说明光栅对其它波长的光都起到了很好的抑制作用,满足单模激光输出的条件。
  
  由于本文中所设计DFB激光器光栅结构参量主要为通信C波段服务,故在可调过程中,控制光栅周期参量至关重要,可通过调整周期变化来改变激射波长的单模输出。因此,参照上述探索光栅周期的方法,在光栅厚度、高度和增益层厚度等结构参量一定的条件下,对覆盖整个C波段的每个波长(精确到lnm)都进行了实验仿真,如图6所示,每一个输出波长都对应一个光栅周期。从图6可以看出,随着输出波长的增加,光栅周期也呈上升趋势,分散的点近似成线性关系,符合布喇格理论,这也与前面理论分析所得出的结论一致。最后经过线性拟合,得到拟合公式y=拟合效率为0.984。
  
  4.结论
  
  将基于氮化镓C波段可调DFB激光器和MEMS技术相结合,利用MEMS技术的微驱动器来改变激光器光栅周期。通过对DFB激光器理论的深人分析,建立了仿真模型。模型分析结果与理论计算一致,在光栅厚度、高度以及增益层等结构参量最优化的情况下,通过对整个C波段的仿真,确定了各波长与光栅周期的对应关系,并给出了拟合公式,为该激光器件设计以及制备的后期工作开展提供了理论指导意义。

 

作者:朱敏杰,胡芳仁 ,杨海艳 合作媒体:通信界 编辑:顾北

 

 

 
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