dfb激光器光栅的优化设计及其纳米压印制作工艺研究.pdf

A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for
the Degree of Doctor of Philosophy in Engineering



Study on the Optimization Design of
Diffraction Grating for DFB Lasers and the
Fabrication Process Using Nanoimprint
Lithography



Ph. D. Candidate : Zuo Qiang
Major : Optoelectronics Information
Engineering
Supervisor : Prof. Liu Wen



Huazhong University of Science & Technology
Wuhan 430074, P. R. China
May, 2013
独创性声明

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日期: 年月日


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华中科技大学博士学位论文
摘  要 
DFB 半导体激光器凭借其良好的单模特性而成为现代光通信网络的主流光源。本
论文针对λ/4 相移 DFB 半导体激光器因空间烧孔效应引起的单模稳定性随注入电流
增大迅速劣化,以及对称光栅结构造成的端面功率效率低的缺点,结合纳米压印光刻
技术在纳米结构制作上的高精度、低成本、高效率的优势,对复杂光栅高性能 DFB
激光器进行了优化设计并采用纳米压印技术进行了制作。
首先系统总结了为克服空间烧孔效应而提出的各类型复杂光栅结构 DFB 激光器
的发展历程及其优缺点,指出多相移和多段周期调制光栅 DFB 激光器因具有良好的
单模稳定性潜能及适合采用纳米压印技术制作,是未来低成本高性能 DFB 激光器的
方向。采用传输矩阵法对相移型和周期调制型这两类光栅 DFB 激光器进行了系统的
优化分析,包括对称两相移、不对称两相移、不对称五相移、单段周期调制光栅和三
段周期调制光栅(3CPM-DFB)。最后优化的不对称五相移 DFB 激光器在阈值时增益差
为thL 1,光场平坦因子为 F  ,五倍阈值电流注入时的增益差仍达到 。
远高于目前文献中报道的多相移光栅 DFB 性能。对提出的 3CPM-DFB 激光器进行了
优化,最后优化的结果为th L  ,F  ,五倍阈值电流注入时的增益差仍达
到 ,具有非常好的单模稳定性。并分析了相移误差和调制周期误差对激光器性能
的影响。
提出利用不对称多相移或多段周期调制光栅实现 DFB 激光器两端面功率的不对
称输出,能在提高单端面功率输出效率的同时保持激光器良好的单模稳定性。并对优
化的不对称 3CPM-DFB 激光器进行了高于阈值分析。结果表面优化的不对称
3CPM-DFB 激光器不仅能获得更大的前后端面功率不对称度和更好的单模稳定性,且
在相同的注入电流下,能获得更大的单端面功率输出,这在本质意义上提高了激光器
的功率输出效率。
对纳米压印技术制作 DFB 激光器中衍射光栅的关键工艺进行了研究。并利用优
化的纳米压印工艺流程,成功的制作出了双λ/8 相移 DFB 激光器,测试的激光器光谱
与模拟的光谱完全一致,说明纳米压印技术准确的制作出了双λ/8 相移光栅。并通过
I
华中科技大学博士学位论文
模板的设计,用一次工艺流程在单芯片上制作出了八个不同波长的双λ/8 相移 DFB 激