陳凱文，胡芳仁，王 斐

（南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，南京 210046）

基于氮化鋁的1 310 nm波段可調(diào)DFB激光器的設(shè)計(jì)

陳凱文，胡芳仁，王 斐

（南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，南京 210046）

依據(jù)嚴(yán)格耦合波理論和介質(zhì)平板波導(dǎo)理論，基于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)，利用周期可調(diào)諧的布拉格光柵設(shè)計(jì)了一種基于氮化鋁的波長(zhǎng)可調(diào)DFB-LD（分布反饋激光器）。采用梳齒狀驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)光柵動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，并利用有限元軟件COMSOL對(duì)其在1 310 nm波段進(jìn)行模擬仿真。對(duì)激光器電場(chǎng)模式圖進(jìn)行分析，確定了DFB-LD的光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)。分析表明，激光器輸出波長(zhǎng)與光柵周期呈線性關(guān)系，且一個(gè)光柵周期對(duì)應(yīng)多個(gè)不同的光柵高度值。在小于模式截止光柵高度的情況下呈20 nm周期性分布。依據(jù)光柵周期和激射波長(zhǎng)的關(guān)系，提出了制作1 290～1 330 nm波段可調(diào)激光器的可能性。

氮化鋁；分布反饋激光器；波長(zhǎng)可調(diào)；微機(jī)電系統(tǒng)

0　引 言

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)帶寬的要求也日益提高，大容量、高速率以及高頻譜效率的光通信網(wǎng)絡(luò)逐漸成為下一代通信網(wǎng)絡(luò)的主流［1］。波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器在簡(jiǎn)化DWDM（密集波分復(fù)用）系統(tǒng)光源配置的同時(shí)也大幅度提升了光通信系統(tǒng)的性價(jià)比［2］。目前，波長(zhǎng)可調(diào)DFB-LD（分布反饋激光器）已成為光通信系統(tǒng)至關(guān)重要的一部分。另外，隨著MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)的發(fā)展，可調(diào)諧的Ga N（氮化鎵）激光器及濾波器已有報(bào)道，但是基于Al N（氮化鋁）材料集成制備波長(zhǎng)可調(diào)諧DFB-LD的研究較少［3］。

本文依據(jù)嚴(yán)格耦合波理論和介質(zhì)平板波導(dǎo)理論［4］，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，建立了基于Al N的可調(diào)DFBLD二維模型［5］。分析研究了激光器在不同光柵結(jié)構(gòu)下的輸出特性以及輸出波長(zhǎng)與光柵周期的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可調(diào)諧DFB-LD的制造提供了理論基礎(chǔ)及數(shù)據(jù)參考。

1　結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)原理

布拉格散射必須滿足的基本條件為

式中，φi、φs分別表示入射角和散射角；m為布拉格散射的階數(shù)；Λ為光柵周期；neff為光柵材料的等效折射率；λ0為對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。為使激光器穩(wěn)定單模輸出，通常我們?nèi)∪肷浣嵌圈?90°，階數(shù)m=1。

根據(jù)耦合波理論和麥克斯韋方程組，波動(dòng)方程可簡(jiǎn)化為

式中，k0為真空波數(shù)?？紤]到仿真時(shí)采用TE波（水平極化波）入射，因此本文僅對(duì)TE波單模傳輸特性進(jìn)行研究。布拉格光柵中的亥姆霍茲方程為

式中，Δn（x，z）為沿z軸折射率的周期變化，且Δn（x，z）=neff+Δn cos（2β0z），β0=mπ/Λ為布拉格波數(shù)。

圖1所示為DFB-LD光柵結(jié)構(gòu)分布反饋示意圖。在耦合波分析中，光柵雖然會(huì)產(chǎn)生無(wú)窮對(duì)正向波和反向波，但只需考慮滿足β=β0時(shí)強(qiáng)度最大的一對(duì)波（分別用a（z）、b（z）表示），所得耦合波方程組為

式中，α為閾值增益；κ為耦合系數(shù)；δ為相位失諧因子，且有，其中，β= k0neff。由式（5）可知，相向波耦合并增益加強(qiáng)，兩者疊加形成DFB-LD的單模輸出。

圖1 DFB-LD光柵結(jié)構(gòu)分布反饋示意圖

圖2所示為DFB-LD波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)圖，光波沿水平方向傳輸，圖中，d為光柵寬度，H為光柵高度，Λ為光柵波導(dǎo)周期，Ht為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的等效增益層厚度。由圖可知，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的等效折射率為

式中，Γ=d/Λ為光柵占空比，nair=1。

圖2　DFB-LD波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合式（2）與式（6）可得激光器設(shè)計(jì)波長(zhǎng)、光柵周期和光柵寬度的關(guān)系表達(dá)式為

圖3所示為MEMS靜電梳狀驅(qū)動(dòng)光柵的結(jié)構(gòu)圖。在梳狀驅(qū)動(dòng)上加驅(qū)動(dòng)電壓，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)位移帶動(dòng)光柵結(jié)構(gòu)改變光柵周期，從而改變激光器的輸出特性。

圖3　MEMS靜電梳狀驅(qū)動(dòng)光柵結(jié)構(gòu)圖

2　參數(shù)分析及特性研究

采用COMSOL軟件對(duì)Al N基DFB-LD諧振腔建立二維模型，研究諧振腔的參數(shù)變化對(duì)激光器輸出特性的影響，并結(jié)合MEMS技術(shù)，采用梳齒狀靜電驅(qū)動(dòng)光柵實(shí)現(xiàn)周期可調(diào)，從而為實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可調(diào)DFB-LD提供可能性。本文取Γ=0.5，λ0= 1 310 nm，由式（7）可計(jì)算出光柵周期和對(duì)應(yīng)的光柵寬度分別為390.65和195.33 nm，取有源層厚度為40 nm，利用COMSOL軟件的參數(shù)化掃描功能，可以掃描出最優(yōu)化的光柵高度，并可對(duì)激光器輸出波長(zhǎng)的單色性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，Λ=390 n m、d=195 nm時(shí)電場(chǎng)模式最好，諧振效果最明顯。

圖4所示為全局最大電場(chǎng)振幅隨光柵高度的變化圖。由圖可見(jiàn)，當(dāng)光柵高度為265.9nm時(shí)，電場(chǎng)模振幅達(dá)到108量級(jí)。圖5所示為光柵全局總電能圖。由圖可知，光柵高度為265.9 nm時(shí)，總電能高達(dá)4.0×10-6J，諧振效果十分明顯。

圖4 光柵電場(chǎng)振幅圖

圖6所示為有源層厚度為40 nm時(shí)不同的光柵高度與全局總電能圖。由圖可看出，總電能峰值可達(dá)10-6數(shù)量級(jí)，在光柵高度為265.9 nm處，全局總電能為4.2×10-6J，諧振效果明顯。同時(shí)可以觀察到電能峰值與所對(duì)應(yīng)的光柵高度近似成20 nm周期性變化，穩(wěn)定的電場(chǎng)模式在270 nm處消失，這是由于光柵高度達(dá)到該值后諧振腔內(nèi)產(chǎn)生了模式截止，致使穩(wěn)定的電場(chǎng)模式消失。

圖5　光柵全局總電能圖

圖6 光柵高度與全局總電能圖

圖7所示為光柵高度H=265.9 nm時(shí)不同周期下的電場(chǎng)模式圖。由圖可知，在全局結(jié)構(gòu)中，周期為390 nm條件下的電場(chǎng)模振幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他周期條件下的電場(chǎng)模振幅值，這說(shuō)明其他周期所對(duì)應(yīng)的激光模式得到了很好的抑制。圖8所示為不同周期對(duì)應(yīng)電場(chǎng)能量分布圖。由圖8（b）可以看出，光柵周期為390 nm時(shí)，中心區(qū)域電場(chǎng)振幅最大，峰值高達(dá)6.002 9×108V/m，往兩側(cè)急劇減小并趨近于零，表明諧振腔內(nèi)形成了穩(wěn)定的電場(chǎng)模式。對(duì)比圖 8（a）、（b）和（c）可知，諧振腔結(jié)構(gòu)內(nèi)電場(chǎng)模式分布趨于分散，說(shuō)明周期的改變對(duì)諧振效果的影響較為明顯，因此可通過(guò)改變光柵周期來(lái)抑制其他激光模式從而實(shí)現(xiàn)激光單模輸出。

圖7　不同周期對(duì)應(yīng)一維電場(chǎng)模式圖

圖8　不同周期對(duì)應(yīng)電場(chǎng)能量分布圖

考慮到波長(zhǎng)可調(diào)，本文研究了不同輸出波長(zhǎng)與對(duì)應(yīng)光柵周期的關(guān)系。設(shè)定波長(zhǎng)范圍為1 290～1 330 nm、光柵寬度d=106 nm，對(duì)光柵周期進(jìn)行參數(shù)化掃描。圖9所示為激光器設(shè)計(jì)波長(zhǎng)與光柵周期關(guān)系圖。由圖可以看出，波長(zhǎng)與光柵周期近似呈線性關(guān)系，由擬合曲線可得關(guān)系式：Γ=142.223-0.406 33λ，與上文所得結(jié)論一致，擬合度高達(dá)0.999 7。通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)電壓改變驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)位移從而改變諧振腔光柵周期，便可以實(shí)現(xiàn)激光器輸出波長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)可調(diào)。

圖9　激光器設(shè)計(jì)波長(zhǎng)與光柵周期關(guān)系圖

3　結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)耦合波理論和嚴(yán)格的介質(zhì)平板波理論，基于MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)了一種Al N波長(zhǎng)可調(diào)DFBLD，并對(duì)激光器的輸出特性進(jìn)行分析，提出了通過(guò)線性改變光柵周期來(lái)實(shí)現(xiàn)激光輸出波長(zhǎng)的可調(diào)，確定了1 290～1 330 nm之間波長(zhǎng)與周期的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為Al N波長(zhǎng)可調(diào)DFB-LD的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備提供了理論依據(jù)。

［1］ GAUDINO R，CURRI V，BOSCO G，et al.On the use of DFB lasers for coherent PON［C］//OFC 2012， New York，US：IEEE，2012：1-3.

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［3］ KNOPP K J，VAKHSHOORI D，WANG P D.High power MEMs-tunable vertical-cavity surface-emitting lasers［C］//LEOS 2001.Coper Mountain，CO，USA：IEEE，2001：31-32.

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Design and Analysis of the Wavelength-Tunable DFB Laser Based on Al N in 1 310 nm-Band

CHEN Kai-wen，HU Fang-ren，WANG Fei
（School of Optoelectronic Engineering，Nanjing University of Posts&Telecommunications，Nanjing 210046，China）

Based on the rigorous coupled-wave theory and medium slab waveguide theory，an Al N wavelength tunable distributed feedback laser is designed by Periodic tunable Bragg grating.The adjustable grating is actuated by comb-drive actuator according to the Micro-Electromechanical（MEMS）technology system and simulated by COMSOL software in 1 310 nm band. The parameters of the DFB laser grating structure are evaluated by analyzing the distribution of a two-dimensional electric mode.Also，the simulation results show that the lasing wavelength and grating period have similar linear relationships，which is consistent with the theoretical analysis.Moreover，one grating period corresponds to a number of different grating heights，and it demonstrates periodic distribution in a 20 nm range.Furthermore，according to the relationship between lasing wavelength and grating period，the possibility of making 1 290～1 330 nm-band tunable lasers is presented in this paper.

Al N；DFB-LD；wavelength-tunable；MEMS

TN248

A

1005-8788（2016）04-0031-03

10.13756/j.gtxyj.2016.04.010

2016-04-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61274121，61574080）

陳凱文（1992-），男，江蘇南京人。碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲C(jī)電系統(tǒng)、光電子器件。