CN100399656C - 光子晶体波导分布反馈激光器及制作方法 - Google Patents
光子晶体波导分布反馈激光器及制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种平面型光子晶体波导分布反馈激光器，其中包括：一衬底；一过渡层用金属有机化学气相淀积方法生长在衬底上；一InGaAsP下势垒层生长在过渡层上；一多量子阱有源区生长在InGaAsP下势垒层上；一InGaAsP上势垒层生长在多量子阱有源区上；该下势垒层、量子阱有源区、上势垒层三层构成激光器的波导区；一一维λ/4相移光栅用电子束曝光和反应离子刻蚀的方法刻蚀在InGaAsP上势垒层上；一InP包层生长在一维λ/4相移光栅上；一InGaAs欧姆接触层生长在InP包层上；一二维光子晶体制作在InGaAs欧姆接触层上面的两侧；一电极制作在InGaAs欧姆接触层的中间；解理成单个管芯。
Description
技术领域
本发明设计一种平面型光子晶体波导分布反馈激光器，具体是指在InP基材料中制作掩埋型一维λ/4相移光栅，刻蚀二维孔阵列光子晶体形成横向波导结构的一种光子晶体波导激光器。
背景技术
光子晶体的概念于1987年提出，源自半导体物理中的电子能带，在介电系数(或折射率)成周期排列的材料中，电磁波经材料散射后形成相长和相消的叠加光线，各方向的光完全相消的狭长波长带区，类似于半导体中的电子禁带，这个波长范围的光不能通过该晶体，形成光子禁带。破坏周期性即可在光子晶体中引入缺陷(或杂质)，与缺陷能级吻合的光子被限制在缺陷位置否则迅速衰减。缺陷有点缺陷和线缺陷，点缺陷形成微腔，线缺陷形成波导，支持频率在光子禁带范围内的波通过光子晶体传输。相比于全内反射波导，光子晶体波导具有更加优越的横向限制能力，由其制作的弯曲波导可大大减小大角度弯曲处产生的辐射损耗，可制作纳米尺寸的器件。
制作高Q值、小模体积纳米尺寸的半导体激光器是集成光学中的一个重要的研究领域，由于光子晶体所具有的特殊性质从而吸引人们制作各种类型的光子晶体激光器。有两种不同工作原理的二维量子阱光子晶体激光器，一种是基于光子晶体光子禁带和缺陷局域特性，在二维光子晶体上制作缺陷形成微腔的谐振腔光子晶体激光器，微腔的直径只有波长量级，体积只是(λ/2n)3的若干倍(λ为激射波长，n为折射率)，Q值可达到106，激光器可在室温下以极低的阈值运转。另一种是二维光子晶体带边激光器，能带带边的光模群速度变慢甚至为零，光子模密度变大、寿命变长，激光器阈值与光子寿命成反比，与Q值成正比，利用这一性质可制作阈值更小的光子晶体带边激光器。
分布反馈(DFB)激光器在半导体内部制作掩埋型一维布拉格光栅，依靠光栅的反馈选择工作波长，能够在高速调制下仍能保持单纵模工作，能够在更宽的工作温度和工作电流范围内抑制模式跳变，大大改善噪声特性。
传统的分布反馈(DFB)激光器是在器件表面制作脊型波导实现光场的横向控制，利用光子晶体波导对光场优越的横向限制能力制作横向波导结构，可实现性能更加优良的分布反馈(DFB)激光器。
发明内容
本发明的目的在于提出一种利用光子晶体实现分布反馈(DFB)激光器中横向波导的方法，可以获得更加优良的激光光束形状，有效地降低阈值，提高激光器的电光转换效率。
为实现上述目的，本发明提供一种平面型光子晶体波导分布反馈激光器，其特征在于，其中包括：
一衬底；
一过渡层，该过渡层用金属有机化学气相淀积方法生长在衬底上；
一InGaAsP下势垒层，该InGaAsP下势垒层生长在过渡层上；
一多量子阱有源区，该多量子阱有源区生长在InGaAsP下势垒层上；
一InGaAsP上势垒层，该InGaAsP下势垒层生长在多量子阱有源区上；该下势垒层、量子阱有源区、上势垒层三层构成激光器的波导区；
一一维λ/4相移光栅，该一维λ/4相移光栅用电子束曝光和反应离子刻蚀的方法刻蚀在InGaAsP上势垒层上；
一InP包层，该InP包层生长在一维λ/4相移光栅上；
一InGaAs欧姆接触层，该InGaAs欧姆接触层生长在InP包层上；
一二维光子晶体，该二维光子晶体制作在InGaAs欧姆接触层上面的两侧；
一电极，该电极制作在InGaAs欧姆接触层的中间。
其中所述的一维λ/4相移光栅是先用反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀出深度20-30nm深度的光栅图样，然后用湿法腐蚀法再腐蚀30-40nm深度的光栅图样，整个光栅为深度60-70nm的近似正弦型光栅。
其中所述的二维光子晶体，是三角晶格或是正方晶格。
其中所述的二维光子晶体的晶格常数为500-700nm、孔半径为200-280nm。
其中所述的光子晶体波导是直波导或弯曲波导或Y分支波导。
其中所述的光子晶体波导是直波导时，长度为200-300μm。
本发明提供一种平面型光子晶体波导分布反馈激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上用金属有机化学气相淀积方法生长一层过渡层；
步骤2：在过渡层上生长InGaAsP下势垒层；
步骤3：在InGaAsP下势垒层上生长多量子阱有源区；
步骤4：在多量子阱有源区上生长InGaAsP上势垒层；该下势垒层、量子阱有源区、上势垒层三层构成激光器的波导区；
步骤5：用电子束曝光和反应离子刻蚀的方法在InGaAsP上势垒层上刻蚀一维λ/4相移光栅；
步骤6：在一维λ/4相移光栅上生长InP包层；
步骤7：在InP包层上生长一层InGaAs欧姆接触层；
步骤8：在InGaAs欧姆接触层上面的两侧采用电子束曝光和反应离子刻蚀的方法制作二维光子晶体，并在中间的InGaAs欧姆接触层上制作电极；
步骤9：最后，对晶片进行清洗、抛光。
其中步骤5中的一维λ/4相移光栅是先用反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀出深度20-30nm深度的光栅图样，然后用湿法腐蚀法再腐蚀30-40nm深度的光栅图样，整个光栅为深度60-70nm的近似正弦型光栅。
其中使用电子束曝光和反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀制作孔阵列二维光子晶体，是三角晶格或是正方晶格。
其中步骤8中的二维光子晶体的晶格常数为500-700nm、孔半径为200-280nm。
其中光子晶体波导是直波导或弯曲波导或Y分支波导。
其中光子晶体波导是直波导时，长度为200-300μm。
综上所述，本发明利用光子晶体实现分布反馈(DFB)激光器中横向波导的新技术方案，通过光子晶体波导限制横向光场，可以获得更加优良的激光光束形状，有效地降低阈值，提高激光器的电光转换效率。并且能制作各种腔型、性能优良的谐振腔，实现多光束和大功率输出。
附图说明
为了更清楚地介绍本发明的目的和优点，下文结合实施例、附图来做进一步的说明，其中：
图1是光子晶体波导分布反馈(DFB)激光器三维结构示意图。
图2是光子晶体波导色散关系图。
图3是光子晶体波导TE偏振传导模A的Hy分量在传播平面上的分布图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明一种平面型光子晶体波导分布反馈激光器，其特征在于，其中包括：
一衬底101；
一过渡层101′，该过渡层101′用金属有机化学气相淀积方法生长在衬底101上；
一InGaAsP下势垒层102，该InGaAsP下势垒层102生长在过渡层101′上；
一多量子阱有源区103，该多量子阱有源区103生长在InGaAsP下势垒层102上；
一InGaAsP上势垒层104，该InGaAsP下势垒层104生长在多量子阱有源区103上；该下势垒层102、量子阱有源区103、上势垒层104三层构成激光器的波导区；
一一维λ/4相移光栅108，该一维λ/4相移光栅108用电子束曝光和反应离子刻蚀的方法刻蚀在InGaAsP上势垒层104上；该一维λ/4相移光栅108是先用反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀出深度20-30nm深度的光栅图样，然后用湿法腐蚀法再腐蚀30-40nm深度的光栅图样，整个光栅为深度60-70nm的近似正弦型光栅；
一InP包层105，该InP包层105生长在一维λ/4相移光栅108上；
一InGaAs欧姆接触层106，该InGaAs欧姆接触层106生长在InP包层105上；
一二维光子晶体107，该二维光子晶体107制作在InGaAs欧姆接触层106上面的两侧；该二维控阵列光子晶体波导，是三角晶格或是正方晶格；该二维光子晶体107的晶格常数为500-700nm、孔半径为200-280nm；
一电极109，该电极109制作在InGaAs欧姆接触层106的中间。
所述的光子晶体波导是直波导或弯曲波导或Y分支波导；该光子晶体波导是直波导时，长度为200-300μm。
请再参阅图1，本发明一种平面型光子晶体波导分布反馈激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在衬底101上用金属有机化学气相淀积方法生长一层过渡层101′；
步骤2：在过渡层101′上生长InGaAsP下势垒层102；
步骤3：在InGaAsP下势垒层102上生长多量子阱有源区103；
步骤4：在多量子阱有源区103上生长InGaAsP上势垒层104；该下势垒层102、量子阱有源区103、上势垒层104三层构成激光器的波导区；
步骤5：用电子束曝光和反应离子刻蚀的方法在InGaAsP上势垒层104上刻蚀一维λ/4相移光栅108；该一维λ/4相移光栅108是先用反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀出深度20-30nm深度的光栅图样，然后用湿法腐蚀法再腐蚀30-40nm深度的光栅图样，整个光栅为深度60-70nm的近似正弦型光栅；该二维光子晶体107的晶格常数为500-700nm、孔半径为200-280nm；
步骤6：在一维λ/4相移光栅108上生长InP包层105；
步骤7：在InP包层105上生长一层InGaAs欧姆接触层106；
步骤8：在InGaAs欧姆接触层106上面的两侧采用电子束曝光和反应离子刻蚀的方法制作二维光子晶体107，并在中间的InGaAs欧姆接触层106上制作电极109；
步骤9：最后，对晶片进行清洗、抛光、解理成单个管芯。
其中使用电子束曝光和反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀制作孔阵列二维控阵列光子晶体波导，是三角晶格或是正方晶格；该光子晶体波导是直波导或弯曲波导或Y分支波导。
其中光子晶体波导是直波导时，长度为200-300μm。
实施例
图1示意出整个器件的结构图。其中101层是InP衬底和过渡层，102是InGaAsP下势垒层，103是多量子阱(MQW)有源区，104是InGaAsP上势垒层，该102、103、104三层构成激光器的波导区。在InGaAsP上势垒层104刻蚀一维λ/4相移光栅108，使用的方法和工艺参数如前所述。完成一维λ/4相移光栅108的制作之后，在InGaAsP上势垒层104继续生长InP包层105，在InP包层105上生长一层InGaAs欧姆接触层106。使用使用电子束曝光(EBL)和反应离子刻蚀(RIE)制作孔阵列二维控阵列光子晶体波导，具体的参数如前所述。使用HCl∶H2O溶液(摩尔比4∶1)，在0℃的条件下腐蚀出空气桥(Air-bridge)结构，这一腐蚀还可以将控阵列的边壁粗糙度降低，减小光的散射损耗。最后，制作下电极和上电极109。
传统的使用脊型波导结构的DFB激光器，其模场不规则分布，造成输出光斑质量下降，从图1可以看出，制作光子晶体形成横向波导的平面型DFB激光器，其模场对称分布，激光器输出光斑质量将会得到明显改善。
图2是用平面波展开(PWE)法计算的光子晶体波导TE偏振模色散关系图，从图中可以清楚地看到两个带隙，在上面的能带中指示出了A、B两个缺陷模式。尽管光子晶体波导支持两个模式，但仍然可获得高透射率。
图3是用平面波展开(PWE)法计算的光子晶体波导TE偏振传导模A的Hy分量在传播平面上的分布图，从图中可以看出，模式A是一个束缚模，被约束在波导中传播。光子晶体带隙对光场的横向限制能力比脊型波导折射率导引更加出色，因此能制作各种腔型、性能优良的谐振腔，实现多光束和大功率输出。
虽然参照上述实施例详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施例，对于本专业领域的技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。本发明意欲涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种变形。
Claims (12)
1.一种平面型光子晶体波导分布反馈激光器，其特征在于，其中包括：
一衬底；
一过渡层，该过渡层用金属有机化学气相淀积方法生长在衬底上；
一InGaAsP下势垒层，该InGaAsP下势垒层生长在过渡层上；
一多量子阱有源区，该多量子阱有源区生长在InGaAsP下势垒层上；
一InGaAsP上势垒层，该InGaAsP下势垒层生长在多量子阱有源区上；该下势垒层、量子阱有源区、上势垒层三层构成激光器的波导区；
一一维λ/4相移光栅，该一维λ/4相移光栅用电子束曝光和反应离子刻蚀的方法刻蚀在InGaAsP上势垒层上；
一InP包层，该InP包层生长在一维λ/4相移光栅上；
一InGaAs欧姆接触层，该InGaAs欧姆接触层生长在InP包层上；
一二维光子晶体，该二维光子晶体制作在InGaAs欧姆接触层上面的两侧；
一电极，该电极制作在InGaAs欧姆接触层的中间。
2.如权利要求1所述的平面型光子晶体波导分布反馈激光器，其特征在于，其中所述的一维λ/4相移光栅是先用反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀出深度20-30nm深度的光栅图样，然后用湿法腐蚀法再腐蚀30-40nm深度的光栅图样，整个光栅为深度60-70nm的近似正弦型光栅。
3.如权利要求1所述的平面型光子晶体波导分布反馈激光器，其特征在于，其中所述的二维光子晶体，是三角晶格或是正方晶格。
4.如权利要求4所述的平面型光子晶体波导分布反馈激光器，其特征在于，其中所述的二维光子晶体的晶格常数为500-700nm、孔半径为200-280nm。
5.如权利要求1所述的平面型光子晶体波导分布反馈激光器，其特征在于，其中所述的光子晶体波导是直波导或弯曲波导或Y分支波导。
6.如权利要求5所述的平面型光子晶体波导分布反馈激光器，其特征在于，其中所述的光子晶体波导是直波导时，长度为200-300μm。
7.一种平面型光子晶体波导分布反馈激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上用金属有机化学气相淀积方法生长一层过渡层；
步骤2：在过渡层上生长InGaAsP下势垒层；
步骤3：在InGaAsP下势垒层上生长多量子阱有源区；
步骤4：在多量子阱有源区上生长InGaAsP上势垒层；该下势垒层、量子阱有源区、上势垒层三层构成激光器的波导区；
步骤5：用电子束曝光和反应离子刻蚀的方法在InGaAsP上势垒层上刻蚀一维λ/4相移光栅；
步骤6：在一维λ/4相移光栅上生长InP包层；
步骤7：在InP包层上生长一层InGaAs欧姆接触层；
步骤8：在InGaAs欧姆接触层上面的两侧采用电子束曝光和反应离子刻蚀的方法制作二维光子晶体，并在中间的InGaAs欧姆接触层上制作电极；
步骤9：最后，对晶片进行清洗、抛光。
8.如权利要求7所述的平面型光子晶体波导分布反馈激光器的制作方法，其特征在于，其中步骤5中的一维λ/4相移光栅是先用反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀出深度20-30nm深度的光栅图样，然后用湿法腐蚀法再腐蚀30-40nm深度的光栅图样，整个光栅为深度60-70nm的近似正弦型光栅。
9.如权利要求7所述的平面型光子晶体波导分布反馈激光器的制作方法，其特征在于，其中使用电子束曝光和反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀制作孔阵列二维光子晶体，是三角晶格或是正方晶格。
10.如权利要求7所述的平面型光子晶体波导分布反馈激光器的制作方法，其特征在于，其中步骤8中的二维光子晶体的晶格常数为500-700nm、孔半径为200-280nm。
11.如权利要求7所述的平面型光子晶体波导分布反馈激光器的制作方法，其特征在于，其中光子晶体波导是直波导或弯曲波导或Y分支波导。
12.如权利要求7所述的平面型光子晶体波导分布反馈激光器的制作方法，其特征在于，其中光子晶体波导是直波导时，长度为200-300μm。
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