CN103151702B - 相移电控制dfb半导体激光器装置及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种相移电控制DFB半导体激光器装置，由两个侧边区和位于两个侧边区之间的一个相移区组成，沿着整个激光器其光栅结构为普通均匀光栅，两个侧边区的电极用导线连接在一起，且两个侧边区的电极与一个相移区的电极相隔离。通过改变侧边区、相移区注入电流以控制引入相移大小，来精细调节激光器的激射波长。在激光器工作电流保持不变的条件下，改变侧边区、相移区注入电流的比例就能改变引入相移的大小。在引入相移大小合适的情况下，既保证了激光器单模激射的实现，也使得结构相似的DFB激光器有相近的域值和激射特性。给激光器阵列产生激光的调制、耦合和传输带来了很大的方便，在光子集成发射芯片模块的研制中有很大的优越性。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域，涉及光纤通信、光子集成、光电传感以及其他光电信息处理。是一种基于改变两电极注入电流比例（大小）来控制引入相移大小的分布反馈式（DFB）半导体激光器及其阵列装置和制作方法。
背景技术
作为信息传送的基础，光纤通信系统正在向高速化和网络化方向发展。经历前几年的爆炸性扩张以后，Internet已步入一个稳定发展期。互联网的速率与容量保持稳步增长，并且逐渐融合传统的电话网和有线电视网而成为一个统一的信息网络。能担当得起信息网络物理基础重任的，只有光纤通信系统。近年来出现的光子集成技术，顺应了时代的发展，正开启着一个全新的光网络时代。光子集成技术则被认为是光纤通信最前沿、最有前途的领域。在美国硅谷实验室中，英飞朗（Infinera）公司已经用磷化铟等材料制成了大量复杂的光电集成器件，使得光通信成本更低。
对于有源光通信器件，无论是在光通信网络还是在光子集成芯片中，分布反馈式（DFB）半导体激光器因其良好的单模特性而受到青睐。早期的DFB半导体激光器，其折射率是被周期性地均匀调制的。这种激光器在布拉格波长两侧，对称地存在两个谐振腔损耗相同并且最低的模式，称之为两种模式简并。但如果在光栅的中心引入一个四分之一波长（λ/4）相移区，就可以消除双模简并。这种方法的最大优点在于其模式阈值增益差大，可以实现真正的动态单模工作，这是实现激光器单模工作的有效方法，在光通信系统中应用广泛。当然，λ/4相移的DFB半导体激光器本身也存在着一些缺陷。例如，在注入电流较大时，单模特性会因烧孔效应而被破坏，因而要使其保持单模特性，工作电流必须被限制在阈值附近。再者，如果激光器端面的增透膜有损坏，单模特性也会受到影响。此外，λ/4相移的DFB半导体激光器制造工艺也十分复杂，需要纳米精度的控制。这些因素综合起来，不仅导致现有市场上的激光器成本过高，还使其工作可靠性和稳定性受到了影响。
为了得到单模特性更好的DFB激光器，研发人员提出了各种特殊结构，如啁啾结构，周期调制（Corrugation-pitchmodulated,CPM）结构，多相移（Multiplephaseshift,MPS）结构，λ/8相移结构等。以CPM结构为例，由于它的相移是分布在激光器结构中心处的整个相移区上的，因而它整体上减少了相移所在位置光子的最大强度，对激光器的烧孔效应有较好的抑制作用，因而CPM结构的激光器能够获得更大的激射功率和更窄的线宽。虽然这些特殊结构都有效地改善了激光器的性能，但是由于光栅结构更复杂，使得它们的制造成本更高，必须使用电子束曝光技术（E-Beamlithography）制造，高昂的制造成本限制了这些激光器的大规模应用。
此外，由于现在对光通信网络传输容量的需求急剧增长，密集波分复用（Densewavelengthdivisionmultiplexing,WDM）系统复用的信道数越来越多，这种通信系统需要用不同激射波长的激光器作光源。为减少由此带来的能耗和维护成本急剧上升问题，光子集成（Photonicintegrationcircuit,PIC）是必然的选择。ITU－T标准对激光器的激射波长提出了严格的要求，而实际的半导体激光器制作过程中，存在各种偶然因素使得激光器激射波长偏离这个要求。因而在制作多波长激光器阵列时，常采用波长调谐装置如热调谐或改变注入电流、以及多电极注入等方式，来控制激光器的激射波长严格对准ITU－T标准。这些波长调谐装置使得激光器的结构变得复杂，加工难度增大，它们也会导致多波长激光器阵列中各个激光器输出激光功率不均衡问题。如果在相移DFB激光器中，能够精确控制其相移的大小，那么激光器的激射波长将几乎在它的禁带范围内连续可调。这样，用整体的电热装置来实施初步调节，并用控制相移大小来精确控制DFB激光器芯片的激射波长满足ITU－T标准要求，就能实现多波长激光器阵列芯片激射波长的精细校准。
发明内容
针对现有技术中半导体激光器存在的上述不足，为提高DFB半导体激光器的单模特性，本发明提出了一种特殊的可调节相移大小的DFB激光器结构，即基于改变两电极注入电流比例（大小）来控制引入相移大小，进而精细调节激射波长的装置和方法，为DFB半导体激光器的设计制造，提出一种新的结构和制作方法。
本发明的技术方案是：
一种相移电控制DFB半导体激光器装置，所述相移电控制DFB半导体激光器装置由两个侧边区和位于两个侧边区之间的一个相移区组成，沿着整个激光器其光栅结构为普通均匀光栅，两个侧边区的电极用导线连接在一起，且两个侧边区的电极与一个相移区的电极相电隔离。
作为本发明的进一步改进，两个侧边区的电极与一个相移区的电极通过相距数十个微米的方式相电隔离。
作为本发明的进一步改进，两个侧边区的电极与一个相移区的电极之间通过注入氦离子或者通过刻蚀电隔离沟的方式相电隔离。
作为本发明的进一步改进，两个侧边区的长度不同。
一种DFB半导体激光器单片集成阵列，所述DFB半导体激光器单片集成阵列由上述相移电控制DFB半导体激光器装置构成。
一种PIC发射芯片模块，由激光监测器阵列、上述半导体激光器单片集成阵列、调制器阵列、功率均衡器阵列和复用器，通过选择区外延生长或对接生长技术，依次生长集成到同一外延晶片上。
一种相移电控制DFB半导体激光器装置的制作方法，具体包括如下步骤：
（1）在n型InP衬底材料上依次外延n型InP缓冲层、100nm厚的非掺杂晶格匹配InGaAsP下限制层、应变InGaAsP多量子阱和100nm厚的p型晶格匹配InGaAsP上限制层；
（2）用普通双光束全息干涉曝光的方法，把均匀光栅图案转移到上限制层上的光刻胶上，然后施以材料刻蚀，在上限制层上部形成所需的均匀光栅结构；
（3）当光栅制作好后，再通过二次外延生长p型InP层和p型InGaAs欧姆接触层。在外延生长结束后，利用普通光刻结合化学湿法刻蚀，完成脊形波导的制作；
（4）用等离子体增强化学气相沉积法工艺，在脊形波导周围沉积一层300nm厚的SiO2层或有机物BCB绝缘层；
（5）接着利用光刻和化学湿法刻蚀，去除激光器脊形波导上方的SiO2层或有机物BCB绝缘层，露出其InGaAs欧姆接触层；
（6）用磁控溅射的方法，在整个激光器结构的上方分别镀上100nm厚的Ti和400nm厚的Au，结合光刻工艺和化学湿法刻蚀，在脊条上方露出InGaAs的欧姆接触层上形成Ti-Au金属P电极；
（7）接着把整个激光器晶片减薄到150μm后，在基底材料的下方蒸镀上500nm厚的Au-Ge-Ni合金作为n电极；
（8）接着把得到的激光器芯片的两个侧边区的P电极用金丝连接在一起引出，形成侧边区P电极，相移区的P电极也用金丝引出；从而形成双电极相移电控制DFB半导体激光器结构。
8、一种DFB半导体激光器单片集成阵列的制作方法，具体包括如下步骤：
（1）准备一系列透光框位置不同的光刻板；
（2）把这些光刻板依次放置在制作本发明的DFB半导体激光器芯片的晶片上方，用控制双光束干涉的紫外光束入射角度大小的方法，每次把所需光栅周期的均匀光栅图案转移到上限制层上的光刻胶上；
（3）在所有设计的均匀光栅转移到光刻胶上后施以材料刻蚀，在上限制层上部形成所需的多波长相移电控制DFB半导体激光器阵列对应的均匀光栅结构。
本发明的有益效果是：
用电注入控制引入相移技术，就能在只需要用普通的双光束干涉技术形成的均匀光栅半导体激光器中，引入任意大小的相移，并通过改变引入相移的大小来精细调节激光器的激射波长。在引入相移大小合适的情况下，如在0.25π～1.75π时，既保证了激光器单模激射的实现，也使得结构相似的激光器（仅是光栅周期和引入相移不同）有相近的域值和激射特性。此外，本发明中的相移由于分布在整个相移区上，因而是一个渐变累积的相移，与突变的相移相比能更好地抑制相移激光器中常见的烧孔效应。
附图说明
图1是均匀光栅结构示意图；
图2是CPM光栅结构示意图；
图3是本发明DFB半导体激光器的光栅和P电极分布示意图；
图4是相移电控制DFB半导体激光器结构示意图；
图5是相移电控制DFB半导体激光器阵列制作光栅所用光刻板剖面示意图；
图6是双紫外光束干涉制作DFB半导体激光器阵列均匀光栅示意图。
图中：1、n-InP基底；2、n-InP缓冲层；3、下限制层；4、多量子阱有源层；5、上限制层；6、光栅层；7、p-InP层；8、欧姆接触层。
下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。
本发明相移电控制DFB半导体激光器装置及其制作方法，是基于改变两电极注入电流比例（大小）来控制引入相移大小，进而精细调节激射波长的分布反馈式（DFB）半导体激光器的装置及制造方法。其基本原理如下：
1、电流注入引起半导体激光器材料有效折射率的改变
当半导体激光器中注入电流时，由于能带填充（Bandjilling）、导带和价带间隙的收缩（BandgapShrinkage）和自由载流子等离子效应（Freecarrierplasmaeffect）等的共同作用效果，激光器的有效折射率将减小。与此同时，电流注入引起的热效应也会导致激光器有效折射率升高。以通信网络中使用的多量子阱半导体激光器为例，其结构材料常见的有InP、InGaAsP或AlGaAsP等Ⅲ-Ⅴ族化合物,注入自由电子浓度达1018cm-3有良好散热时，有效折射率减小能达到10－2量级大小。当散热不好时，电流热效应会使激光器的实际工作温度明显升高，由电流热效应导致的有效折射率升高将占主导地位，可以导致激光器有效折射率随注入电流的升高而增大10－3量级大小。
2、光栅周期调制（CPM）结构激光器中相移的引入
图1和图2分别是均匀光栅结构和CPM光栅结构中的光栅示意图。在均匀光栅结构中，沿整个光栅纵向光栅周期都是相同的。在CPM结构中，其两侧边区域的光栅周期是相同的，中间相移区的光栅周期与两侧边区域光栅周期相近但不相同；假设沿整个激光器纵向的有效折射率相同，这时在整个光栅中引入的相移大小为：
这里为相移区的长度。通过改变的大小，就能引入任何大小的相移。
3、本发明相移电控制DFB半导体激光器的原理
图3是本发明DFB半导体激光器的光栅和P电极分布示意图。本发明的激光器芯片在工作时被置于一个温度保持不变的热沉上。沿着整个激光器的光栅是光栅周期相同的均匀光栅，在没有电流注入时，沿整个激光器的有效折射率相同。第一侧边区和第二侧边区长度相同用表示，中间相移区长度用表示。第一侧边区和第二侧边区的两个相同的P电极用导线连接在一起，在注入工作电流时，第一侧边区和第二侧边区中因注入电流密度相同有效折射率虽发生变化但始终相同。中间相移区的P电极在注入工作电流时，相移区的有效折射率也将发生变化。当侧边区和相移区注入电流密度不同时，它们的有效折射率和将会有细微的差别，此时引入的相移大小可以表示为
光栅的布拉格波长可近似表达为
改变注入侧边区和相移区的工作电流和的大小（比例），就能改变它们的有效折射率，因而就实现了对引入相移大小的控制。通过引入不同大小的相移，就能在激光器禁带宽度（通常为2～5nm）范围内任意调节激射波长的数值。在引入相移大小在0.25π～1.75π范围内，激光器域值电流和在正常工作（工作电流＋在2～3倍域值电流）时激光器输出的激光功率变化很小。
当激光器某一侧边区长度越长时，它对激射波长的反馈作用就越强。因此当本发明激光器某一侧边区长度保持恒定时，另一侧边区长度越小则从这一侧出射的激光功率就越大。由此可知，在激射功率一定且无法进行端面镀膜的情况下，优化本发明激光器两个侧边区的长度，就能提高激光器从长度较短的侧边区一侧有效输出的激光功率。
4、本发明的多波长DFB半导体激光器阵列的波长控制原理
本发明的多波长相移电控制DFB半导体激光器阵列中，各单元激光器的激射波长主要取决于激光器光栅的周期和布拉格波长。当用于制作均匀光栅的紫外光波长确定以后，只要改变双光束干涉的紫外光束的入射角度，就能改变形成的均匀光栅的周期和布拉格波长。通过控制双光束干涉的紫外光束入射角度，就可以用来实施对各单元激光器激射波长间隔的调节。对多波长相移电控制DFB半导体激光器阵列芯片激射波长的整体调控，则可以通过控制装载芯片载体的热沉温度来实现。对各个单元激光器激射波长的精细控制，则可通过前述的改变注入侧边区和相移区工作电流和的大小（比例）的方式来实施。
由这样的半导体激光器组成的激光器阵列，在工作电流相同、工作温度相同的情况下，各个激光器的域值电流和输出激光功率能够保持大致相等，这给激光器阵列产生激光的调制、耦合和传输带来了很大的方便。
用电注入控制引入相移技术，就能在只需要用普通的双光束干涉技术形成的均匀光栅半导体激光器中，引入任意大小的相移，并通过改变引入相移的大小来精细调节激光器的激射波长。在引入相移大小合适的情况下，如在0.25π～1.75π时，既保证了激光器单模激射的实现，也使得结构相似的激光器（仅是光栅周期和引入相移不同）有相近的域值和激射特性。此外，本发明中的相移由于分布在整个相移区上，因而是一个渐变累积的相移，与突变的相移相比能更好地抑制相移激光器中常见的烧孔效应。
相移电控制DFB半导体激光器的结构，从下至上依次是：n电极、n-InP基底1、n-InP缓冲层2、非掺杂晶格匹配InGaAsP的下限制层3、应变InGaAsP的多量子阱有源层4、非掺杂晶格匹配InGaAsP的上限制层5、光栅层6（U-InP＋1.3μmInGaAsP层，用于制作SBG光栅）、p-InP层7、p型InGaAs的欧姆接触层8。
本发明中的相移电控制DFB半导体激光器的制作步骤为：
下面以工作波长在1550nm范围的相移电控制DFB半导体激光器制作过程，来说明本发明所述的激光器的具体制作方法。
相移电控制DFB半导体激光器，可通过金属－有机化学气相沉积法（Metal-organicchemicalvapordeposition，MOCVD）技术，用两次外延生长来完成制作。其细节描述如下：首先在n型InP衬底材料上依次外延n型InP缓冲层（厚度200nm、掺杂浓度约1.1′1018cm-3）、100nm厚的非掺杂晶格匹配InGaAsP下限制层、应变InGaAsP多量子阱（光荧光波长1.52微米，7个量子阱：阱厚8nm，0.5%压应变，垒厚10nm，晶格匹配材料）和100nm厚的p型晶格匹配InGaAsP（掺杂浓度约1.1′1017cm-3）上限制层。接下来用普通双光束全息干涉曝光的方法，把均匀光栅图案转移到上限制层上的光刻胶上，然后施以材料刻蚀，在上限制层上部形成所需的均匀光栅结构。当光栅制作好后，再通过二次外延生长p型InP层（厚度1700nm，掺杂浓度约1.1′1018cm-3）和p型InGaAs(厚度100nm，掺杂浓度大于1′1019cm-3)欧姆接触层。在外延生长结束后，利用普通光刻结合化学湿法刻蚀，完成脊形波导的制作，脊波导长度一般为数百微米量级，脊宽2微米，脊侧沟宽20微米，深1.5微米。然后再用等离子体增强化学气相沉积法（Plasma-enhancedchemicalvapordeposition，PECVD）工艺，在脊形波导周围沉积一层300nm厚的SiO2层或有机物BCB绝缘层。再接着利用光刻和化学湿法刻蚀，去除激光器脊形波导上方的SiO2层或有机物BCB绝缘层，露出其InGaAs欧姆接触层；再用磁控溅射的方法，在整个激光器结构的上方分别镀上100nm厚的Ti和400nm厚的Au，结合光刻工艺和化学湿法刻蚀，在脊条上方露出的InGaAs欧姆接触层上形成Ti-Au金属P电极。为了使电流注入控制相移大小的效果更好，最好用氦离子注入等方式，在相移区与相邻的侧边区之间进行电隔离。接着把整个激光器晶片减薄到150μm后，在基底材料的下方蒸镀上500nm厚的Au-Ge-Ni（Au:Ge:Ni成分比例为84:14:2）合金作为n电极。接着把得到的激光器芯片的两个侧边区的P电极用金丝连接在一起引出，形成侧边区P电极；相移区的P电极也用金丝引出。最后形成图4所示的双电极相移电控制DFB半导体激光器结构。
本发明中的多波长相移电控制DFB半导体激光器阵列的制作过程为：
由本发明单元相移电控制DFB半导体激光器组成的多波长激光器阵列的制作，与单一波长的相移电控制DFB半导体激光器相比，差别在于前者制作光栅的过程要比后者更复杂一些，除此之外其余的制作过程是完全相同的。本发明中的多波长相移电控制DFB半导体激光器阵列芯片，光栅制作的方法如下：
如图5所示，制作一系列透光框位置不同的光刻板。在这些光刻板上，矩形透光框位置与制作本发明DFB半导体激光器芯片的晶片相对应位置是依次紧挨平行的。把这些光刻板依次放置在制作本发明的DFB半导体激光器芯片的晶片上方，用控制双光束干涉的紫外光束入射角度大小的方法，每次把所需光栅周期的均匀光栅图案转移到上限制层上的光刻胶上（图6）。在所有设计的均匀光栅转移到光刻胶上后施以材料刻蚀，在上限制层上部形成所需的多波长相移电控制DFB半导体激光器阵列对应的均匀光栅结构。
DFB半导体激光器结构中光栅为普通的均匀光栅，整个激光器由两个侧边区和一个相移区组成。两个侧边区的电极用导线连接在一起形成同一个侧边区电极。通过改变侧边区、相移区注入电流和以控制引入相移大小，来精细调节激光器的激射波长。在激光器工作电流（＋）保持不变的条件下，改变和的比例就能改变引入相移的大小，在光栅的禁带宽度（通常为2～5nm）范围内任意调节激射波长大小。在引入相移大小合适的情况下，如相移在0.25π～1.75π之间时，既保证了激光器单模激射的实现，也使得结构相似的DFB激光器（仅是光栅周期和引入相移不同）有相近的域值和激射特性。由这样的半导体激光器组成的激光器阵列，在工作电流和工作温度相同的情况下，各个激光器输出激光功率能够保持大致相等，这给激光器阵列产生激光的调制、耦合和传输带来了很大的方便。本发明中的半导体激光器阵列，在PIC发射芯片模块的研制中有很大的优越性。
Claims (5)
1.一种相移电控制DFB半导体激光器装置，所述相移电控制DFB半导体激光器装置由两个侧边区和位于两个侧边区之间的一个相移区组成，沿着整个激光器其光栅结构为普通均匀光栅，两个侧边区的电极用导线连接在一起，且两个侧边区的电极与一个相移区的电极相电隔离；其特征在于：借助改变两电极注入电流比例的大小对激光器不同部分折射率的影响，使沿着整个激光器的普通均匀光栅变成周期调制光栅，以引入相移并控制引入相移大小，进而精细调节激射波长；所述周期调制光栅的布拉格波长可近似表达为λB＝2neff1Λ，其中，Λ为光栅周期，neff1为第一侧边区和第二侧边区的有效折射率。
2.根据权利要求1所述的相移电控制DFB半导体激光器装置，其特征在于：两个侧边区的电极与一个相移区的电极通过相距数十个微米的方式相电隔离。
3.根据权利要求1所述的相移电控制DFB半导体激光器装置，其特征在于：两个侧边区的电极与一个相移区的电极之间通过注入氦离子或者通过刻蚀电隔离沟的方式相电隔离。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的相移电控制DFB半导体激光器装置，其特征在于：两个侧边区的长度不同。
5.一种由如权利要求1所述的相移电控制DFB半导体激光器装置组成的DFB半导体激光器单片集成阵列的制作方法，其特征在于：借助改变两电极注入电流比例的大小对激光器不同部分折射率的影响，使沿着整个激光器的普通均匀光栅变成周期调制光栅，以引入相移并控制引入相移大小，进而精细调节激射波长；具体包括如下步骤：
(1)准备一系列透光框位置不同的光刻板；
(2)把这些光刻板依次放置在制作的DFB半导体激光器芯片的晶片上方，用控制双光束干涉的紫外光束入射角度大小的方法，每次把所需光栅周期的均匀光栅图案转移到上限制层上的光刻胶上，所述普通均匀光栅的布拉格波长可近似表达为λB＝2neff1Λ，其中，Λ为光栅周期，neff1为第一侧边区和第二侧边区的有效折射率；
(3)在所有设计的均匀光栅转移到光刻胶上后施以材料刻蚀，在上限制层上部形成所需的多波长相移电控制DFB半导体激光器单片集成阵列对应的均匀光栅结构。
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