基于氮化鋁的1 310 nm波段可調DFB激光器的設計

陳凱文，胡芳仁，王 斐

（南京郵電大學光電工程學院，南京 210046）

基于氮化鋁的1 310 nm波段可調DFB激光器的設計

陳凱文，胡芳仁，王 斐

（南京郵電大學光電工程學院，南京 210046）

依據嚴格耦合波理論和介質平板波導理論，基于MEMS（微機電系統）技術，利用周期可調諧的布拉格光柵設計了一種基于氮化鋁的波長可調DFB-LD（分布反饋激光器）。采用梳齒狀驅動器驅動光柵動態調節，并利用有限元軟件COMSOL對其在1 310 nm波段進行模擬仿真。對激光器電場模式圖進行分析，確定了DFB-LD的光柵結構參數。分析表明，激光器輸出波長與光柵周期呈線性關系，且一個光柵周期對應多個不同的光柵高度值。在小于模式截止光柵高度的情況下呈20 nm周期性分布。依據光柵周期和激射波長的關系，提出了制作1 290～1 330 nm波段可調激光器的可能性。

氮化鋁；分布反饋激光器；波長可調；微機電系統

0　引 言

隨著通信技術的不斷發展，人們對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絡逐漸成為下一代通信網絡的主流［1］。波長可調諧激光器在簡化DWDM（密集波分復用）系統光源配置的同時也大幅度提升了光通信系統的性價比［2］。目前，波長可調DFB-LD（分布反饋激光器）已成為光通信系統至關重要的一部分。另外，隨著MEMS（微機電系統）技術的發展，可調諧的Ga N（氮化鎵）激光器及濾波器已有報道，但是基于Al N（氮化鋁）材料集成制備波長可調諧DFB-LD的研究較少［3］。

本文依據嚴格耦合波理論和介質平板波導理論［4］，通過數值計算，建立了基于Al N的可調DFBLD二維模型［5］。分析研究了激光器在不同光柵結構下的輸出特性以及輸出波長與光柵周期的對應關系，為實現波長可調諧DFB-LD的制造提供了理論基礎及數據參考。

1　結構與設計原理

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；Λ為光柵周期；neff為光柵材料的等效折射率；λ0為對應的波長。為使激光器穩定單模輸出，通常我們取入射角度φ=90°，階數m=1。

根據耦合波理論和麥克斯韋方程組，波動方程可簡化為

式中，k0為真空波數。考慮到仿真時采用TE波（水平極化波）入射，因此本文僅對TE波單模傳輸特性進行研究。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。

圖1所示為DFB-LD光柵結構分布反饋示意圖。在耦合波分析中，光柵雖然會產生無窮對正向波和反向波，但只需考慮滿足β=β0時強度最大的一對波（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；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，兩者疊加形成DFB-LD的單模輸出。

圖1 DFB-LD光柵結構分布反饋示意圖

圖2所示為DFB-LD波導光柵結構圖，光波沿水平方向傳輸，圖中，d為光柵寬度，H為光柵高度，Λ為光柵波導周期，Ht為波導結構的等效增益層厚度。由圖可知，波導結構的等效折射率為

式中，Γ=d/Λ為光柵占空比，nair=1。

圖2　DFB-LD波導光柵結構圖

結合式（2）與式（6）可得激光器設計波長、光柵周期和光柵寬度的關系表達式為

圖3所示為MEMS靜電梳狀驅動光柵的結構圖。在梳狀驅動上加驅動電壓，產生的驅動位移帶動光柵結構改變光柵周期，從而改變激光器的輸出特性。

圖3　MEMS靜電梳狀驅動光柵結構圖

2　參數分析及特性研究

采用COMSOL軟件對Al N基DFB-LD諧振腔建立二維模型，研究諧振腔的參數變化對激光器輸出特性的影響，并結合MEMS技術，采用梳齒狀靜電驅動光柵實現周期可調，從而為實現波長可調DFB-LD提供可能性。本文取Γ=0.5，λ0= 1 310 nm，由式（7）可計算出光柵周期和對應的光柵寬度分別為390.65和195.33 nm，取有源層厚度為40 nm，利用COMSOL軟件的參數化掃描功能，可以掃描出最優化的光柵高度，并可對激光器輸出波長的單色性進行分析。結果表明，Λ=390 n m、d=195 nm時電場模式最好，諧振效果最明顯。

圖4所示為全局最大電場振幅隨光柵高度的變化圖。由圖可見，當光柵高度為265.9nm時，電場模振幅達到108量級。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，總電能高達4.0×10-6J，諧振效果十分明顯。

圖4 光柵電場振幅圖

圖6所示為有源層厚度為40 nm時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10-6數量級，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。同時可以觀察到電能峰值與所對應的光柵高度近似成20 nm周期性變化，穩定的電場模式在270 nm處消失，這是由于光柵高度達到該值后諧振腔內產生了模式截止，致使穩定的電場模式消失。

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時不同周期下的電場模式圖。由圖可知，在全局結構中，周期為390 nm條件下的電場模振幅值遠遠高于其他周期條件下的電場模振幅值，這說明其他周期所對應的激光模式得到了很好的抑制。圖8所示為不同周期對應電場能量分布圖。由圖8（b）可以看出，光柵周期為390 nm時，中心區域電場振幅最大，峰值高達6.002 9×108V/m，往兩側急劇減小并趨近于零，表明諧振腔內形成了穩定的電場模式。對比圖 8（a）、（b）和（c）可知，諧振腔結構內電場模式分布趨于分散，說明周期的改變對諧振效果的影響較為明顯，因此可通過改變光柵周期來抑制其他激光模式從而實現激光單模輸出。

圖7　不同周期對應一維電場模式圖

圖8　不同周期對應電場能量分布圖

考慮到波長可調，本文研究了不同輸出波長與對應光柵周期的關系。設定波長范圍為1 290～1 330 nm、光柵寬度d=106 nm，對光柵周期進行參數化掃描。圖9所示為激光器設計波長與光柵周期關系圖。由圖可以看出，波長與光柵周期近似呈線性關系，由擬合曲線可得關系式：Γ=142.223-0.406 33λ，與上文所得結論一致，擬合度高達0.999 7。通過適當調節電壓改變驅動器驅動位移從而改變諧振腔光柵周期，便可以實現激光器輸出波長的動態可調。

圖9　激光器設計波長與光柵周期關系圖

3　結束語

依據耦合波理論和嚴格的介質平板波理論，基于MEMS技術設計了一種Al N波長可調DFBLD，并對激光器的輸出特性進行分析，提出了通過線性改變光柵周期來實現激光輸出波長的可調，確定了1 290～1 330 nm之間波長與周期的對應關系，為Al N波長可調DFB-LD的結構設計及制備提供了理論依據。

［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.

［2］ Bruce E.Tunable lasers［J］.IEEE Spectrum，2002，39（2）：35-39.

［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.

［4］ KOGELNIK H，SH ANK C K.Coupled-Wave Theory of Distributed Feedback Lasers［J］.Journal of Applied Physics，2008，43（5）：2327-2335.

［5］ Streifer WILLIAM，Scifres DONALD R，Burnham ROBERT D.Coupled wave analysis of DFB and DBR lasers［J］.IEEE Journal of Quantum Electronics，1977，13（4）：134-141.

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

國家自然科學基金資助項目（61274121，61574080）

陳凱文（1992-），男，江蘇南京人。碩士研究生，主要研究方向為微機電系統、光電子器件。