CN102570310A - 基于环形谐振腔的多波长半导体激光器 - Google Patents

基于环形谐振腔的多波长半导体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于环形谐振腔的多波长半导体激光器，属半导体激光器领域。本发明自下而上包括衬底层、缓冲层、下包层、激活层、上包层和欧姆接触层；所述激光器上设有至少由欧姆接触层与部分上包层或全部上包层共同形成的在正向偏压下可产生激光光束的环形脊波导以及在正向偏压下可放大激光光束光功率的耦合波导；环形脊波导与激活层组成环形谐振腔；环形脊波导为一个以上，各环形脊波导的周长互不相等；耦合波导与环形脊波导相邻设置。本发明结构简单紧凑，容易与其他器件集成；简化了工艺，降低了成本；避免了多个单纵模激光器有源层的叠加，减小了材料生长难度；激光光束的输出路径灵活可调且容易实现激光器的大规模集成。

Description

基于环形谐振腔的多波长半导体激光器
技术领域
本发明涉及一种基于环形谐振腔的多波长半导体激光器，属半导体激光器领域。
背景技术
高速、高效、大容量的全光通信是现代通信网络发展的目标，它消除了光-电-光的转换时间，打破了电传输的瓶颈，具有巨大的发展潜力。
全光通讯中光源是光通信的关键器件，尤其多波长激光光源在国外得到较为广泛的研究，应用前景看好。传统的多波长激光器有两种：一种是将多个分离的单纵模激光器简单的组合在一起，或将多纵模激光器与外部波长选择器件简单的组合在一起形成的多波长激光器，这种器件封装复杂，体积大、成本高且不易与其它器件集成；另一种是在一个单一的晶片上面生长出能产生多个波长输出的有源层结构，相当于多个单纵模激光器有源层的叠加，材料生长复杂。而且传统的激光器多是法布里-珀罗（FP）腔半导体激光器和分布反馈（DFB）腔半导体激光器，分别通过解理面和光栅实现谐振腔，或是器件受解理腔面的限制不易大规模集成，或是需要在大面积基片上制备光栅及进行高质量的二次材料生长，工艺复杂，成本高。
发明内容
本发明利用不同周长的环形腔其谐振波长不同的原理，提供了一种基于环形谐振腔的多波长半导体激光器。该激光器不仅可以输出多种波长的激光光束，而且制作工艺简单，体积小巧，既大大降低了激光器的成本，而且使得激光器便于与其他器件集成，具有很好的应用前景。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于环形谐振腔的多波长半导体激光器，自下而上依次包括衬底层、缓冲层、下包层、激活层、上包层和欧姆接触层；所述激光器上设有至少由欧姆接触层与部分上包层或全部上包层共同形成的在正向偏压下可产生激光光束的环形脊波导以及在正向偏压下可放大激光光束光功率的耦合波导；所述环形脊波导与激活层组成环形谐振腔；所述环形脊波导为一个以上，各环形脊波导的周长互不相等；所述耦合波导与环形脊波导相邻设置。
所述环形脊波导由欧姆接触层和部分上包层组成。
所述环形脊波导的形状为圆形、跑道形、三角形或矩形；所述耦合波导的形状为直线形或弧线形。
所述环形脊波导位于耦合波导的一侧或两侧。
所述激活层采用量子阱结构。
在所述耦合波导与环形脊波导的上表面上均设有上电极金属层，在所述衬底层的下表面上设有下电极金属层。
本发明的设计原理为：通过由环形脊波导形成的环形谐振腔实现光学谐振产生激光光束，将多个可产生不同波长激光光束的环形谐振腔集成在一起，通过与其紧邻的耦合波导（两者间距纳米量级）将激光光束放大并耦合输出，形成多波长半导体激光器。
采用上述技术方案取得的技术进步为：
1、与传统的多波长激光器不同，本发明采用多个闭合的环形腔实现光学谐振，使得激光器不再受解理腔面的限制，结构简单紧凑，容易与其他器件集成；避免了多个单纵模激光器有源层的叠加，减小了材料生长难度；不需要在大面积基片上制备光栅及进行高质量的二次材料生长，可采用一次外延层材料实现，不需要解理镀膜工艺，简化了工艺，降低了成本；
2、采用不同周长的环形脊波导与相邻耦合波导之间的耦合方式输出激光，使得激光光束的输出路径灵活可调且容易实现激光器的大规模集成；
3、多个激光光束通过耦合集中到同一耦合波导中，给耦合波导加正向偏置电压，将激光光束光放大后输出，提高了输出功率； 
4、环形脊波导与耦合波导采用横向耦合方式，制备工艺简单，成本低。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为图1所示实施例1的层结构图；
图3为本发明实施例2的结构示意图；
图4为本发明实施例3的结构示意图；
图5为本发明实施例4的结构示意图；
其中，1、上电极金属层，2、欧姆接触层，3、上包层，4、激活层，5、下包层，6、缓冲层，7、衬底层，8、下电极金属层，9、耦合波导，10、环形脊波导。
具体实施方式
由图1和图2所示的实施例1可知，基于环形谐振腔的多波长半导体激光器，自下而上依次包括衬底层7、缓冲层6、下包层5、激活层4、上包层3和欧姆接触层2；所述激光器上设有至少由欧姆接触层2与部分上包层3或全部上包层3共同形成的在正向偏压下可产生激光光束的环形脊波导10以及在正向偏压下可放大激光光束光功率的耦合波导9；所述环形脊波导10与激活层4组成环形谐振腔；所述环形脊波导10为三个，三个环形脊波导10的周长互不相等；所述耦合波导9与环形脊波导10相邻设置；所述环形脊波导10由欧姆接触层2和部分上包层3组成；所述环形脊波导10的形状为圆形；所述耦合波导9的形状为直线形；所述环形脊波导10位于耦合波导9的一侧；所述激活层4采用量子阱结构；在所述耦合波导9与环形脊波导10的上表面上均设有上电极金属层1，在所述衬底层7的下表面上设有下电极金属层8。
实施例1采用III－V族化合物制作而成，根据激射波长选择GaAs/AlxGa1-xAs、InP/In1-xGaxAsyP1-y或InP/AlxIn1-x-yGayAs量子阱材料作为激活层（即有源区）4，其中x、y的取值可根据相应波长设计。以产生波长为1550nm的激光器的层结构为例，用分子束外延（MBE）或金属有机物化学气相淀积（MOCVD）等薄膜外延设备在InP衬底上自下而上依次生长层结构为：高掺杂N型InP衬底层7（即下欧姆接触层）、N型InP缓冲层6、1μm厚的N型InP下包层5、6个周期的AlxIn1-x-yGayAs多量子阱激活层4，1.6μm厚的P型InP上包层3、0.3μm厚的P型重掺杂的In0.53Ga0.47As欧姆接触层2。其中量子阱区的PL普显示其峰值波长λPL=1525nm，势垒和阱层的厚度分别为10nm和6nm。在本实施例中，采用上述层结构，但是在P型重掺杂的InGaAs欧姆接触层2和部分P型InP上包层3上形成3个周长不等的环形脊波导10与直线形的耦合波导9；环形脊波导10与耦合波导9通过感应耦合等离子体（ICP）刻蚀实现，刻蚀深度控制在量子阱即激活层4以上、上包层3高度为20～80nm处。在3个环形脊波导10和部分耦合波导9的欧姆接触层2上设有上电极金属层1，在衬底层7的下表面上设有下金属电极层8。上金属电极层1和下金属电极层8均采用合金材料制成。
在上电极金属层1上施加正向偏压时，由三个环形脊波导10组成的环形谐振腔可产生三束波长不等的激光光束，光束的方向为顺时针或逆时针，可通过调节所加的正向偏压来控制光束的方向；三个环形谐振腔内的激光光束通过耦合方式进入相邻设置的直线形的耦合波导9中，由于耦合波导9与环形脊波导10共享上电极金属层1，因此施加正向偏压的耦合波导9可将从环形谐振腔内耦合过来的激光光束经功率放大后输出，形成多波长半导体激光器。
实施例1的制作方法及过程为：
1、准备外延材料，材料结构如上面所述，并用有机溶剂清洗材料；
2、淀积SiO2，用常规半导体光刻工艺形成环形脊波导10及耦合波导9的图形，并以SiO2做掩蔽，刻蚀InP系材料形制作环形脊波导及耦合波导台面；
3、淀积SiO2，用常规半导体光刻工艺制作上环形脊波导10及耦合波导9的上电极金属层1的图形，并以光刻胶做掩蔽刻蚀SiO2，去掉光刻胶，金属蒸发Ti/Pt/Au=10nm/20nm/100nm，用SiO2辅助剥离得到环形激光器及耦合波导的上电极，除电极部分露出，其他均被SiO2覆盖；
4、溅射Ti/Au进行布线金属化，并用常规半导体光刻工艺制作上电极压焊点图形，并进行Au电镀加厚，电镀完成后腐蚀Au/Ti,形成上电极压焊点，上电极压焊点大小、位置可根据需要设定；
5、芯片背面经磨片减薄，溅射Ge/Ni/Au=10nm/20nm/100nm，并合金形成下电极金属层8；
6、采用划片机将芯片解理形成单个管芯。
由图3所示的实施例2可知，与实施例1不同的是，全部上包层3和欧姆接触层2形成环形脊波导10和耦合波导9。所述环形脊波导10为3个，3个环形脊波导10的形状分别为圆形、跑道形、三角形，三个形状不同的环形脊波导10位于耦合波导9的两侧，其中三角形的环形脊波导10位于耦合波导9的左侧，另外两个环形脊波导10位于耦合波导9的右侧；耦合波导9的上表面上设有全覆盖的上电极金属层1。
如图4所示的实施例3，与实施例2不同的是，耦合波导9由直线形波导和弧线形波导组成，三角形和跑道形的环形脊波导10分别位于直线形波导的两侧，圆形的环形脊波导10被弧线形波导半环绕，以增加耦合长度，提高激光光束的输出功率。在三个环形脊波导10的上表面和弧线形波导的上表面上设有上电极金属层1。
如图5所示的实施例4，与实施例1不同的是，所述欧姆接触层2、上包层3、激活层4、下包层5和缓冲层6形成环形脊波导10和耦合波导9。
本发明的环形脊波导10和耦合波导9的刻蚀深度根据自身需要自行掌握，可以刻蚀某个层的一部分，也可以刻蚀多个层，但是至少应刻蚀整个欧姆接触层2和部分上包层3。
环形脊波导10与耦合波导9之间的距离在100nm～300nm时，耦合效率最高，因此，为了保证耦合效率，环形脊波导10与耦合波导9之间的距离应设置在这个范围内。

Claims (6)

1.一种基于环形谐振腔的多波长半导体激光器，其特征在于自下而上依次包括衬底层（7）、缓冲层（6）、下包层（5）、激活层（4）、上包层（3）和欧姆接触层（2）；所述激光器上设有至少由欧姆接触层（2）与部分上包层（3）或全部上包层（3）共同形成的在正向偏压下可产生激光光束的环形脊波导（10）以及在正向偏压下可放大激光光束光功率的耦合波导（9）；所述环形脊波导（10）与激活层（4）组成环形谐振腔；所述环形脊波导（10）为一个以上，各环形脊波导（10）的周长互不相等；所述耦合波导（9）与环形脊波导（10）相邻设置。
2.根据权利要求1所述的基于环形谐振腔的多波长半导体激光器，其特征在于所述环形脊波导（10）由欧姆接触层（2）和部分上包层（3）组成。
3.根据权利要求1或2所述的基于环形谐振腔的多波长半导体激光器，其特征在于所述环形脊波导（10）的形状为圆形、跑道形、三角形或矩形；所述耦合波导（9）的形状为直线形或弧线形。
4.根据权利要求1或2所述的基于环形谐振腔的多波长半导体激光器，其特征在于所述环形脊波导（10）位于耦合波导（9）的一侧或两侧。
5.根据权利要求1或2所述的基于环形谐振腔的多波长半导体激光器，其特征在于所述激活层（4）采用量子阱结构。
6.根据权利要求1或2所述的基于环形谐振腔的多波长半导体激光器，其特征在于在所述耦合波导（9）与环形脊波导（10）的上表面上均设有上电极金属层（1），在所述衬底层（7）的下表面上设有下电极金属层（8）。
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