CN102244368B - 宽温度超高速半导体直调dfb激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体激光器及其制作方法，包括至少具有有源区，波导层，包层，其特征在于：所述有源区具有应变量子阱和应变量子垒交替混合的结构，所述波导层内具有强光栅，该半导体激光器能够适应光通信及信息处理用的高速化，大容量，宽带宽，超高速调制等和光通信的信号源或光纤放大器的激发光源对光源的需要，适应温度幅度宽。
Description
技术领域
本发明涉及一种在复杂环境变化条件下，用于光通信信号源，信息处理和光纤放大器激发光源的半导体激光器及其制备方法。
背景技术
1962年后期，美国研制成功GaAs同质结半导体激光器，第一代半导体激光器产生；到1967年人们使用液相外延的方法制成了单异质结激光器，实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器；80年代，量子阱结构的出现使半导体激光器出现了大的飞跃，经过90年代的发展，各方面理论研究和实验技术都得到了提高和成熟。
光通信网络正不断向更高速的方向发展, 而激光器的调制带宽却受到了严重的限制，并且由于环境温度的变化，激光器要求能适应很宽工作温度范围，不管是高温还是低温环境，都能良好的工作，故研究宽温度范围超高速调制激光器受到了广泛的关注，与双异质结半导体激光器(DH)相比，量子阱激光器由于其良好的量子限制效应，其具有阈值电流密度低、量子效应好、温度特性好、输出功率大、动态特性好、寿命长、激射波长范围广等等优点，量子阱激光器是半导体激光器发展的主流方向。
本发明设计的基本方法主要依据“能带工程”理论和一般的半导体激光器理论，其赋予半导体激光器以新的生命力，其器件性能出现大的飞跃。
本专利材料体系理论和实验基础：1976年，人们用GaInAsP/InP实现了长波长激光器。1994年，一种具有全新机理的波长可变、可调谐的量子级联激光器研制成功，Takuya等课题组在90年代，也对应变补偿的多量子阱结构激光器（InGaAsP系统）做了全面的分析与讨论；Yasuhiro Matsui等在1997年前后研究了InGaAlAs-InGaAsP多量子阱应变补偿半导体激光器，实现了30GHz的高速调制；到了2007年，国外在实验上有40GHz的报道，因此国外已经能提供InGaAsP四元系统全面的理论支持，而国内发展很缓慢，吉林大学，中科院半导体研究所等科研机构也对此InGaAsP四元材料理论进行了研究和模拟，并进行了大量实验。但到目前为止，商业上的应用还不成熟，但他们的工作为本发明提供了一定的理论基础，所以，本发明是基于成熟的量子论理论，能带工程理论，固体光电子理论，半导体激光器理论，并加入了我们创新的结构设计。
设备上，MOCVD或者MBE技术的成熟，为生长高质量的多层薄层材料提供了技术上的保障。光刻工艺和全息光栅曝光系统技术的成熟，为二次外延生长周期光栅提供了技术上的保证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽温度超高速半导体直调DFB激光器及其制备方法，该激光器能够适应未来光通信及信息处理用的高速化，大容量，宽带宽，超高速调制等和光通信的信号源或光纤放大器的激发光源对光源的需要，并且实现在温度变化无常的条件下依然能正常工作的超高速调制的光通信用光源，满足即将大规模铺设的每秒100G光网的激光器光源市场需求。
本发明的技术方案在于：一种半导体激光器，包括
至少具有有源区，波导层，包层，其特征在于：
所述有源区具有应变量子阱和应变量子垒交替混合的结构，
所述波导层内具有DFB强折射率光栅；
其制备方法按以下步骤进行：
1）在InP衬底上依次生长缓冲层、下包层、波导层；
2）在生长波导层时，在波导层内生长吸收层，并在吸收层上刻蚀多段DFB强折射率光栅；
3）生长有源区的压应变量子阱及拉应变量子垒；
4）在有源区上方二次外延生长波导层和上包层。
本发明的优点在于：（1）有源区量子阱的应变是压应变，其应变值为0—1.2%，而量子垒层是张应变，其应变值在0—1.2%之间，这样的设计，限制了载流子的自由行为，减少了电子泄露，并且多量子阱结构降低了增益饱和效应，并且提高了微分增益；
（2）采用InGaAsP-AlGaInAs混合材料，可使量子阱层轻空穴能级和量子垒层轻空穴能级在同一能级上或者相差很小的能量，这有利于光跃迁和载流子在有源区内的均匀分布，可以有效消除空间烧孔效应，并且一般采用应变补偿，使结构的总应变大致为零，这样减小了应变带来的缺陷，确保了材料质量，以使得对空穴的限制弱，有利于空穴的均匀分布和对电子的限制相对强些，进而减少漏电流，降低器件的阈值电流，增强空穴的均匀分布；此种量子化的应变能级结构，本身受温度的影响小，保证了器件的温度稳定性；
（3）波导层设计了多段DFB强折射率光栅，以消除模式简并；并在波导层中间或者其顶部的限制层中制备吸收光栅防止在高温工作时发生跳模并有效控制线宽因子的增加。我们通过设定DFB光栅的周期性，精确控制发射波长和提高微分增益并减小线宽增强因子，提高了器件的高速性能和温度稳定性。
附图说明
图1为本发明的吸收折射率光栅的复合结构之一。
图2为本发明的吸收折射率光栅的复合结构之二。
具体实施方式
一种半导体激光器，包括
至少具有有源区，波导层，包层，其特征在于：
所述有源区具有应变量子阱和应变量子垒交替混合的结构，
所述波导层内具有DFB强折射率光栅；
其制备方法按以下步骤进行：
1）在InP衬底上依次生长缓冲层、下包层、波导层；
2）在生长波导层时，在波导层内生长吸收层，并在吸收层上刻蚀多段DFB强折射率光栅；
3）生长有源区的压应变量子阱及拉应变量子垒；
4）在有源区上方二次外延生长波导层和上包层。
所述有源区为光增益区，是压缩应变量子阱和拉伸应变量子垒的交替混合的多层量子阱结构。
所述DFB强折射率光栅为吸收折射率复合光栅或吸收增益光栅。
所述有源区的压缩应变量子阱的应变值为0~1.2%，拉伸应变量子垒的应变值为0~1.2%。
所述有源区采用InGaAsP或AlInGaAs同一种材料不同组分生长或两种材料交替生长形成光增益区，即形成InGaAsP-InGaAsP或InGaAsP-AlInGaAs或AlInGaAs-AlInGaAs体系。
所述DFB强折射率光栅为多段DFB强折射率光栅。
上述半导体激光器还可按以下步骤进行制备：
1）在InP衬底上依次生长缓冲层、下包层、波导层；
2）在波导层内刻蚀多段DFB强折射率光栅；
3）生长有源区的压应变量子阱及拉应变量子垒；
4）在有源区上方二次外延生长波导层，在波导层内生长吸收层；
5）生长上包层。
本发明所述的半导体激光器有源区采以InGaAsP为量子阱，AlGaInAs或InGaAsP为势垒，在不影响材料质量的条件下，采用高晶格不匹配常数来提高调制带宽。按预先设计好的外延结构，采用MOCVD或者MBE生长出外延层。
具体的步骤为：在InP衬底上先生长缓冲层，再生长下包层， 波导层（SCH层，以下简称SCH层），并通过全息的方法制作多段光栅，然后生长本发明的核心部分：有源区—压应变的量子阱层和拉应变的量子垒，其中阱层的厚度为：5-7.5nm，垒层的厚度为：5-10nm之间，应变都在1.2%以内，发射波长在1.1um-1.7um范围，然后二次外延生长SCH层和上包层，其中，在上包层和SCH层之间，或者是SCH层内生长吸收层，并通过光刻在吸收层上制作光栅以实现增益耦合和消除模式简并，上述这些外延，在MOCVD上都可以实现精确控制。
通过多段光栅可以消除模式简并，而在上、下波导层中间或者上波导层顶部的上包层中制备吸收光栅，进一步消除模式简并，特别是在高温工作时抑制激发波长向长波长方向漂移并有效控制线宽因子的增加，实现稳定地单模输出。
所述的光栅可以是普通的吸收增益结构，也可以是吸收折射率复合结构，图2所示的吸收折射率光栅复合结构之一，其中吸收层制备在上、下波导层中间或者上波导层顶部的上包层中，吸收层内制备光栅，最后将含光栅的吸收层制备成周期结构，其中吸收层的占空比小于0.2；图1所示，吸收折射率复合光栅结构之二，其吸收层制备在上、下波导层中间或者上波导层顶部的上包层中，折射率光栅位于非吸收层所在的波导层中，整个光栅的周期一致，但是光栅在Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ区的折射率不同，以致形成多段光栅；或者，整个光栅的折射率一致，但是光栅在Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ区的周期不同，以致形成多段光栅，另外，多段光栅的数目不限。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (6)
1.一种半导体激光器，包括
至少具有有源区，波导层，包层，其特征在于：
所述有源区具有应变量子阱和应变量子垒交替混合的结构，
所述波导层内具有DFB强折射率光栅；
其制备方法按以下步骤进行：
1）在InP衬底上依次生长缓冲层、下包层、波导层；
2）在生长波导层时，在波导层内生长吸收层，并在吸收层上刻蚀多段DFB强折射率光栅；
3）生长有源区的压应变量子阱及拉应变量子垒；
4）在有源区上方二次外延生长波导层和上包层。
2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器，其特征在于：所述有源区为光增益区，是压缩应变量子阱和拉伸应变量子垒的交替混合的多层量子阱结构。
3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器，其特征在于：所述DFB强折射率光栅为吸收折射率复合光栅或吸收增益光栅。
4.根据权利要求2所述的一种半导体激光器，其特征在于：所述有源区的压缩应变量子阱的应变值为0~1.2%，拉伸应变量子垒的应变值为0~1.2%。
5.根据权利要求1或4所述的一种半导体激光器，其特征在于：所述有源区采用InGaAsP或AlInGaAs同一种材料不同组分生长或两种材料交替生长形成光增益区，即形成InGaAsP-InGaAsP或InGaAsP-AlInGaAs或AlInGaAs-AlInGaAs体系。
6.根据权利要求4所述的一种半导体激光器，其特征在于：所述DFB强折射率光栅为多段DFB强折射率光栅。
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