CN112310808B - 一种多波长的半导体激光器结构及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多波长的半导体激光器结构及制备方法，包括：衬底、传输层、电极，其中传输层蚀刻有环形谐振腔、法布里‑珀罗谐振腔和多模干涉区，环形谐振腔和法布里‑珀罗谐振腔相邻，并在相邻位置通过多模干涉区连接；环形跑道腔用于形成第一纵模间距的光，法布里‑珀罗直波导腔用于形成第二纵模间距的光，多模干涉区用于对第一纵模间距的光及第二纵模间距的光进行耦合，形成特定纵模间距的多波长光，并通过法布里‑珀罗谐振腔的端面输出。本发明提供的半导体激光器结构出射的多波长间强度稳定，且具有比较好的光束质量，适合应用于多种大分子物质检测、差频太赫兹产生等领域。

Description

一种多波长的半导体激光器结构及制备方法
技术领域
本发明涉及半导体激光技术领域，具体涉及一种多波长的半导体激光器结构及制备方法。
背景技术
半导体激光器在中远红外夜视、中远红外光学雷达、红外通信、大气污染监测、工业烟尘分析、化学过程监控等方面具有广泛及潜在的应用，受到了广泛的重视。多波长产生的激光器在很多领域都有广泛的需求，尤其是稳定的双波长激光器，其在差频太赫兹领域有着重要的现实意义，稳定产生的多波长在分子检测领域也有着广泛的需求。
基于半导体激光器现有实现多波长输出的方法主要有双光栅外腔调谐的实现方法和分区制作分布式反馈光栅的方法。这两种在双波长的制作或应用方面都有或多或少的局限和不足，双光栅外腔调谐的方法是通过将半导体产生激光进行分束后，分别与光栅元件作用后形成两套利特罗外腔系统，它们在共同的半导体增益作用下，最终实现双波长输出。这种方法结构复杂，体积较大，不适用于小型化的应用；分布制作分布式反馈光栅的方法，虽然适用于小型化方面的应用，但是制作较复杂，工艺难度较大。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述问题，本发明提供了一种多波长的半导体激光器结构，用于至少部分解决传统半导体激光器体积较大，制作工艺复杂等技术问题。
(二)技术方案
本发明一方面提供了一种多波长的半导体激光器结构，包括：衬底、传输层、电极，其中传输层蚀刻有环形谐振腔、法布里-珀罗谐振腔和多模干涉区，环形谐振腔和法布里-珀罗谐振腔相邻，并在相邻位置通过多模干涉区连接；环形跑道腔用于形成第一纵模间距的光，法布里-珀罗直波导腔用于形成第二纵模间距的光，多模干涉区用于对第一纵模间距的光及第二纵模间距的光进行耦合，形成特定纵模间距的多波长光，并通过法布里-珀罗谐振腔的端面输出。
进一步地，特定纵模间距为第一纵模间距和第二纵模间距的最小公倍数。
进一步地，环形谐振腔和法布里-珀罗谐振腔组成的耦合腔的出射面为解理腔面。
进一步地，环形谐振腔和法布里-珀罗谐振腔分区电驱动。
进一步地，法布里-珀罗谐振腔的输出端面形成抗反射膜，另一端面形成高反射膜。
进一步地，多模干涉区为多模波导。
进一步地，多模波导包括3～9个光场模式。
进一步地，传输层位于衬底外延生长方向侧，其增益介质包括量子阱、量子点、量子带、量子级联结构或者其任意组合。
本发明另一方面提供了一种如前述的多波长的半导体激光器结构的制备方法，包括：S1，在衬底表面依次外延生长下波导层、传输层、上波导层；S2，在传输层蚀刻环形谐振腔、法布里-珀罗谐振腔和多模干涉区，其中，环形谐振腔和法布里-珀罗谐振腔相邻，并在相邻位置通过多模干涉区连接；S3，在下波导层、传输层、上波导层上刻蚀出脊旁双沟；S4，在脊旁双沟上生长二氧化硅层，S5，在二氧化硅层上制得电极窗口；S6，在电极窗口上溅射电极层；S7，减薄抛光衬底背面，蒸发背面电极并加热制得合金，芯片解理烧结后制得半导体激光器结构。
进一步地，S3之后还包括：对刻蚀后的结构进行高热传导材料的生长填埋。
(三)有益效果
本发明实施例提供的一种多波长的半导体激光器结构及制备方法，通过对环形谐振腔和法布里-珀罗谐振腔进行设计，达到对两谐振腔的纵模间距的控制，再利用游标卡尺效应，在激光器增益和多模干涉区滤波的共同作用下，最终可以实现多波长稳定输出。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明实施例多波长的半导体激光器的结构示意图；
图2示意性示出了根据本发明实施例多波长的半导体激光器的脊出截面示意图；
图3示意性示出了根据本发明实施例多波长的半导体激光器结构的制备方法的流程图；
图4示意性示出了根据本发明实施例多模干涉区的模场分布图；
图5示意性示出了根据本发明实施例多波长选模的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本公开的第一实施例提供了一种多波长的半导体激光器结构，请参见图1，包括：衬底、传输层、电极，其中传输层蚀刻有环形谐振腔、法布里-珀罗谐振腔和多模干涉区，环形谐振腔和法布里-珀罗谐振腔相邻，并在相邻位置通过多模干涉区连接；环形跑道腔用于形成第一纵模间距的光，法布里-珀罗直波导腔用于形成第二纵模间距的光，多模干涉区用于对第一纵模间距的光及第二纵模间距的光进行耦合，形成特定纵模间距的多波长光，并通过法布里-珀罗谐振腔的端面输出。
环形跑道结构在整个激光器结构中作为一个子谐振腔功用，环形跑道结构的尺寸决定着环形跑道谐振腔最终的自由光谱范围(FSR)；同理法布里珀罗腔也作为整体的一个子谐振腔，直波导尺寸决定着腔内的纵模间距。环形跑道腔和法布里珀罗腔通过多模干涉区耦合后组成一个整体。在增益的作用下，且根据游标卡尺效应，最终谐振模式同时为环形跑道子谐振腔和法布里珀罗子谐振腔的模式，选择出来模式的模间间隔为环形跑道腔和法布里珀罗腔的纵模间距的最小公倍数。在设计过程中，根据实际需求选择合理的增益介质，并计算两子腔纵模间距，在一平坦稳定增益包络下，一定会有多个模式存在，并最终实现多波长输出。
多模干涉波导，利用多模干涉波导的自镜像效应，实现高效率的光束分合功用，在此其主要用于实现环形腔和法布里珀罗腔的耦合。具体的，这里多模干涉区主要实现两输入到两输出高效传输。
在上述实施例的基础上，还包括：特定纵模间距为第一纵模间距和第二纵模间距的最小公倍数。
第一纵模间距和第二纵模间距有频率差，在同一增益包络下，两套纵模间距的光交叠后只有光谱位置重合的地方是可能被增益放大的，这些可能被放大的光谱间距为第一纵模间距和第二纵模间距的最小公倍数，或者称这种效应为游标卡尺效应。
在上述实施例的基础上，环形谐振腔和法布里-珀罗谐振腔组成的耦合腔的出射面为解理腔面。
解理的腔面可以得到比较理想的镜面状态，可选的，解理腔面处还可以进行镀膜处理，通过多增透或者高反膜来改变出射腔面的透反效果。
在上述实施例的基础上，环形谐振腔和法布里-珀罗谐振腔分区电驱动。
在本实施例的电极方案中，可以通过对环形结构和法布里珀罗腔结构电隔离，实现分别电驱动，从而实现更加灵活的波长调谐。
在上述实施例的基础上，法布里-珀罗谐振腔的输出端面形成抗反射膜，另一端面形成高反射膜。
两个腔面可以对解理腔面镀增透或者高反膜以实现整体器件的更高功率输出。
在上述实施例的基础上，多模干涉区为多模波导。
多模干涉区的设计基于多模波导中模式间的干涉自镜像效应，自镜像效应是多模波导的一个重要特性，它是多模波导中被激励起来的模式间的相长干涉的结果。通过这个效应沿导波的传播方向将周期性地产生输入场的一个或多个像。
在上述实施例的基础上，多模波导包括3～9个光场模式。
一般选择多模波导宽度为大概存在3～9个光场模式，太多的光场模式存在自然需要更宽的波导，而多模波导中的自成像距离与多模波导宽度的平方成正比，即需要的多模波导更长，其结果为增大多模波导模式间的相位失配，致使光场传输的分和效率下降。值得注意的是，多模干涉区的自成像距离是和波长相关的，相关的考虑就是多模干涉区其实是有一定滤波效果的，即多模干涉区对不同的波长透射率不同，多模干涉区有一个对波长的特征透射率曲线，在实际的设计中合理利用这个属性在某种程度上可以改善增益曲线，使纵模间的增益效果更趋于平坦一致。
在上述实施例的基础上，传输层位于衬底外延生长方向侧，其增益介质包括量子阱、量子点、量子带、量子级联结构或者其任意组合。
传输层即为有源区，可以为单层或多层的量子阱、量子点等，当然其中的增益介质可以为量子阱、量子点、量子带、量子级联结构或者其任意组合。具体结构可参考现有技术。值得说明的是，不同的有源区结构、不同的增益介质，其获得的增益谱不同，可以根据具体需求选择。
本公开的第二实施例提供了一种前述多波长的半导体激光器结构的制备方法，请参见图3，包括：S1，在衬底表面依次外延生长下波导层、传输层、上波导层；S2，在传输层蚀刻环形谐振腔、法布里-珀罗谐振腔和多模干涉区，其中，环形谐振腔和法布里-珀罗谐振腔相邻，并在相邻位置通过多模干涉区连接；S3，在下波导层、传输层、上波导层上刻蚀出脊旁双沟；S4，在脊旁双沟上生长二氧化硅层，S5，在二氧化硅层上制得电极窗口；S6，在电极窗口上溅射电极层；S7，减薄抛光衬底背面，蒸发背面电极并加热制得合金，芯片解理烧结后制得半导体激光器结构。
根据器件应用场景选择制备双腔结构所需的工艺方法。其中，湿法腐蚀主体结构，会得到光滑的侧壁，波导损耗低，可以实现半绝缘InP：Fe的生长，有利于实现器件的连续波工作。在实际工艺制备过程中，应该将侧蚀量考虑到结构设计中去；其中，干法刻蚀主体结构，侧壁陡直，工艺过程简单，由于基本没有侧蚀量，所以可以实现较小的器件结构。值得注意的是，为了获得更好的光学限制波导结构，不管哪种工艺实现手段，都应保证足够的蚀刻深度。
在传输层的蚀刻，包括干法刻蚀或湿法腐蚀等方法。干法刻蚀可以获得陡直的侧壁，湿法腐蚀可获得光滑的侧壁界面，实际应用中可以根据需求选择具体方法或者两种方法同时使用。
在上述实施例的基础上，S3之后还包括：对刻蚀后的结构进行高热传导材料的生长填埋。
传输层结构的实现可以结合二氧化硅掩模和湿法腐蚀等工艺，对腐蚀后的结构进行高热传导材料的生长填埋，这样有利用器件的热量耗散，减弱了增益的热饱和效应，使得制备的器件更容易实现连续工作。
本发明提供的一种片上利用非光栅的结构实现多波长输出的解决方案，该方案在降低工艺难度的同时，可以实现效果较好的多波长输出，兼具光束质量好等优点。
下面以一具体实施例介绍本发明多波长的半导体激光器结构及制备方法，以量子级联激光器结构为例。
请参见图1，在本发明实施例中，多波长量子级联激光器结构包括1直波导结构、2环形跑道结构、3多模干涉结构，其中41和42为腔面部分，可以选择设计高反/增透膜层或者其他反馈部件，改变波长输出或者改善腔面的透反特性。图2为脊出截面图，其中包括，5衬底，6下波导层，7有源区，8上波导层，9二氧化硅层，10金属电极。
首先根据实际需求选择要使用的外延片，从光学的角度说其实就是选择了一种光波导限制结构和增益结构。根据耦合模式理论，环形跑道腔的纵模间距与环形跑道的周长和波导群折射率成反比，应用背景确定，材料体系确定，则只需要控制环形跑道周长即可决定环形跑道腔的自由光谱范围。多模干涉区主要通过多模波导实现，即图1中结构3。
图4给出了图1中结构3的光场传播时模场的分布情况，对于激光器而言图4中1’、2’和4’、5’互为输入输出端，3’为多模干涉区，图4横轴的负值表示一个相对的位置关系。
环形跑道结构在整个激光器结构中作为一个子谐振腔功用，环形跑道结构的尺寸决定着环形跑道谐振腔最终的自由光谱范围(FSR)；同理法布里珀罗腔也作为整体的一个子谐振腔，直波导尺寸决定着腔内的纵模间距。环形跑道腔和法布里珀罗腔通过多模干涉区耦合后组成一个整体。在增益的作用下，且根据游标卡尺效应，最终谐振模式同时为环形跑道子谐振腔和法布里珀罗子谐振腔的模式，选择出来模式的模间间隔为环形跑道腔和法布里珀罗腔的纵模间距的最小公倍数。在设计过程中，根据实际需求选择合理的增益介质，并计算两子腔纵模间距，在一平坦稳定增益包络下，一定会有多个模式存在，并最终实现多波长输出。如图5所示。图中包含两套纵模间距不同的频谱，图5中A、B曲线分别表示两种纵模间距不同的纵模谱，在本例中分别具体表示为环形跑道腔和直波导腔允许的纵模谱。根据游标卡尺效应，最终纵模谱(图5中曲线C)纵模间距为两套纵模间距的最小公倍数，在多模干涉区透射率曲线(图5中曲线D)和增益曲线(图5中曲线E)的作用下，最终实现间隔可控的多波长输出。
法布里珀罗腔的两个端面为自然解理面，可通过改善腔面的透反效果达到功率提升的目的。法布里珀罗腔的纵模频率间隔与腔长成反比，结合环形跑道腔的自由光谱范围设计可以决定多波长激光器最终出射模式间的波长间隔。
本发明的实施例中，双波长半导体激光器的制备方法，其中有源区采用增益平坦设计的量子级联结构，根据以上方法，制备的具体实例如下：
在衬底表面依次外延生长下波导层、有源区、上波导层，即为操作S1。其中衬底为InP衬底，掺杂浓度为1*1017cm3；下波导层n型掺杂InP，掺杂浓度为2*1016～4*1016cm3，层厚为1～3um；有源区为由20～60个重复周期的InGaAs/InAlAs组成的量子级联结构，对应的波长为8um；上波导层包括两次浓度不同的n型掺杂，低掺InP浓度为2*1016～4*1016cm3，厚度为2～3um；高掺InP，浓度为5*10181*1019cm3，厚度控制在0.4～1um。
具体实现双波长输出的结构中，直波导长度为4mm，环形跑道结构的半径为1000um，两部分结构的脊宽均为8um，其中多模干涉区宽度为38um，长度为520um。该多模干涉区选在直波导中间位置。腔模间距由1/2nL和1/nL跑道有效折射率取3.2，计算后腔模间距分别为0.39cm-1和0.42cm-1，最终选出双波长间距约为5cm-1，两波长分别为7.98um和7.95um。即对应操作S2中的结构尺寸。
光刻胶掩模后利用湿法腐蚀腐出脊旁双沟该过程应注意控制腐蚀深度，足够的腐蚀深度有助于光场限制，对器件性能很有帮助。本实施例的腐蚀深度为7um，即为操作S3，再采用化学气相沉积的方法生长二氧化硅层，该层用于电极绝缘功用，即为操作S4，再利用光刻胶转移图形，在二氧化硅层上制得电极窗口，即为操作S5。然后再溅射蒸金/镀金制得正面电极层，即为操作S6。衬底背面减薄抛光，蒸发背面电极并加热制得合金，芯片解理烧结后最终制得器件，即为操作S7。
经过实验验证，采用本发明环形跑道结构和法布里珀罗腔结合的方法可以制得双波长量子级联激光器，在一调谐范围内，能产生稳定的双波长输出。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而ψ，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多波长的半导体激光器结构，其特征在于，包括：
衬底、传输层、电极，其中所述传输层为有源区，其蚀刻有环形谐振腔、法布里-珀罗直波导腔和多模干涉区，所述环形谐振腔和法布里-珀罗直波导腔相邻，并在相邻位置通过所述多模干涉区连接；
所述环形谐振腔用于形成第一纵模间距的光，所述法布里-珀罗直波导腔用于形成第二纵模间距的光，所述多模干涉区用于对所述第一纵模间距的光及第二纵模间距的光进行耦合，形成特定纵模间距的多波长光，并通过所述法布里-珀罗直波导腔的端面输出；其中，所述特定纵模间距为第一纵模间距和第二纵模间距的最小公倍数。
2.根据权利要求1所述的多波长的半导体激光器结构，其特征在于，所述环形谐振腔和法布里-珀罗直波导腔组成的耦合腔的出射面为解理腔面。
3.根据权利要求2所述的多波长的半导体激光器结构，其特征在于，所述环形谐振腔和法布里-珀罗直波导腔分区电驱动。
4.根据权利要求1所述的多波长的半导体激光器结构，其特征在于，所述法布里-珀罗直波导腔的输出端面形成抗反射膜，另一端面形成高反射膜。
5.根据权利要求1所述的多波长的半导体激光器结构，其特征在于，所述多模干涉区为多模波导。
6.根据权利要求5所述的多波长的半导体激光器结构，其特征在于，所述多模波导包括3～9个光场模式。
7.根据权利要求1所述的多波长的半导体激光器结构，其特征在于，所述传输层位于所述衬底外延生长方向侧，其增益介质包括量子阱、量子点、量子带、量子级联结构或者其任意组合。
8.一种如权利要求1-7中任一所述的多波长的半导体激光器结构的制备方法，包括：
S1，在衬底表面依次外延生长下波导层、传输层、上波导层；
S2，在所述传输层蚀刻环形谐振腔、法布里-珀罗直波导腔和多模干涉区，其中，所述环形谐振腔和法布里-珀罗直波导腔相邻，并在相邻位置通过所述多模干涉区连接；
S3，在所述下波导层、传输层、上波导层上刻蚀出脊旁双沟；
S4，在所述脊旁双沟上生长二氧化硅层，
S5，在所述二氧化硅层上制得电极窗口；
S6，在所述电极窗口上溅射电极层；
S7，减薄抛光所述衬底背面，蒸发背面电极并加热制得合金，芯片解理烧结后制得所述半导体激光器结构。
9.根据权利要求8所述的多波长的半导体激光器结构的制备方法，其特征在于，所述S3之后还包括：对刻蚀后的结构进行高热传导材料的生长填埋。
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