CN103199435A

CN103199435A - 超低发散角倾斜光束单纵模人工微结构激光器

Info

Publication number: CN103199435A
Application number: CN2013100961023A
Authority: CN
Inventors: 渠红伟; 张冶金; 张建心; 刘磊; 齐爱谊; 王海玲; 马绍栋; 石岩; 郑婉华
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-03-25
Also published as: CN103199435B

Abstract

一种超低发散角倾斜光束的单纵模人工微结构激光器，包括：一衬底和在衬底上制作的N型下限制层、N型下波导层、有源区、P型上波导层、P型上限制层、P型欧姆接触层、绝缘层，一P型电极制作在绝缘层上；一N型电极，制作在衬底的背面；该P型上限制层的纵向剖面为一脊型结构，脊形结构上部的一侧为整体结构，另一侧为人工微结构，该人工微结构中包括多个狭槽，用于形成电流注入通道和纵向侧向光场限制；其中该脊型结构的整体结构部分为脊型波导增益区，另一侧的人工微结构部分为人工微结构选模区。本发明可增大模场面积，实现超低垂直发散角，改善单模激光器光束质量，提高与光纤或光栅的耦合效率。该激光器只需一次外延和普通光刻技术即可实现单模工作，低制作成本。

Description

超低发散角倾斜光束单纵模人工微结构激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，尤其涉及一种超低发散角倾斜光束的单纵模半导体激光器，所述超低发散角小于2°。

背景技术

单纵模半导体激光器具有体积小、圆形输出光斑、低阈值电流、激光波长稳定、相干性好和窄线宽等优点，广泛应用于光通信、泵浦、医疗、气体检测、光纤传感及光子集成等领域。传统DFB激光器、DBR激光器作为典型的单模激光器得到人们的广泛关注，但是制备这种类型的激光器需要高精度分辨率电子束曝光或全息曝光等的光栅制备工艺和复杂的二次外延生长步骤，价格昂贵，限制其广泛应用。因此低成本波长稳定的单纵模半导体激光器是人们一直追求的目标。

片上光互连技术以光子作为信息载体，具有高速宽带、低功耗等优点，能够很好地解决电互连中存在高功耗、低带宽、高延迟及信号串扰等固有问题，在光纤网络和高性能计算等领域具有重要意义。光互连的构成要素包括：光源(Si基激光器)、高速电光调制器、光信号传输通路(光波导、分束/合束器、滤波器、波分复用/解复用器等)、高速光探测器、智能化控制电路、单片集成和封装。目前，片上光互连还尚处于应用基础研究阶段，而片上光互连的实现，目前难点是光源的研制及相应集成技术方案关键。要实现片上光互连，单纵模激光器也是核心器件之一。

众所周知，传统半导体激光器垂直(快轴)发散角比较大(40度左右)，且输出光呈均匀的椭圆形分布，光束质量差，需要复杂的光束整形才能直接应用，极大限制了半导体激光器在诸多领域的应用。人们也提出多种改善半导体激光器的垂直发散角，如极窄波导结构、宽对称波长、模式扩展结构、耦合波导结构、泄露波导结构等。这些方法在一定程度上降低了激光器的垂直发散角，但存在垂直发散角很能做到10°以下和设计容差小等问题。近年来，在垂直方向引入光子晶体结构，利用借助光子晶体的能带结构，形成对光子态的调控，从芯片层次实现小于10°的垂直发散角，但需要复杂的生长技术且多模工作。

发明内容

为解决上述的一个或多个问题，本发明的目的在于，提供一种超低发散角倾斜光束单纵模人工微结构激光器，其可增大模场面积，实现超低垂直发散角，改善单模激光器光束质量，提高与光纤或光栅的耦合效率。该激光器只需一次外延和普通光刻技术即可实现单模工作，低制作成本。。

本发明提供一种超低发散角倾斜光束的单纵模人工微结构激光器，包括：

一衬底；

一N型电极，制作在衬底的背面；

一N型下限制层，制作在衬底的上方，用于形成电流注入通道和纵向光场限制；

一N型下波导层，制作在N型下波导层的上方，用于形成电流注入通道和纵向光场限制；

一有源区，制作在N型下波导层的上方，提供光增益；

一P型上波导层，制作在有源区的上方，用于形成电流注入通道和纵向光场限制；

一P型上限制层，制作在P型上波导的上方，该P型上限制层的纵向剖面为一脊型结构，脊形结构上部的一侧为整体结构，另一侧为人工微结构，该人工微结构中包括多个狭槽，用于形成电流注入通道和纵向侧向光场限制；

一P型欧姆接触层，制作在P型上限制层脊型结构上部的上方，用于形成欧姆接触；

一绝缘层，制作在P型上限制层脊型结构下部的上面和脊形结构上部的侧面；

一P型电极，制作在P型上限制层脊形结构的一侧、绝缘层的上面，该P型电极同时还制作在P型欧姆接触层的上面；

其中该脊型结构的整体结构部分为脊型波导增益区，另一侧的人工微结构部分为人工微结构选模区。

一种超低发散角倾斜光束单纵模人工微结构激光器，该激光器在传统半导体激光器的脊型波导上引入人工微结构进行纵模选择，同时利用人工微结构对光场调控机制形成斜向衬底的倾斜光束，实现超低垂直发散角；该激光器只需一次外延和普通光刻技术即可实现超低发散角单模工作，制备工艺简单、低成本。

从上述技术方案可以看出，本发明提供一种超低发散角倾斜光束单纵模人工微结构激光器及，具有以下有益效果：该激光器在传统半导体激光器的脊型波导上引入人工微结构进行纵模选择，同时利用人工微结构对光场调控机制形成斜向衬底的倾斜光束，增大模场面积，实现超低垂直发散角，改善单模激光器光束质量，提高与光纤或光栅的耦合效率。该激光器只需一次外延和普通光刻技术即可实现单模工作，免去DFB激光器或DBR激光器复杂光栅制备技术和二次外延技术，低制作成本。

附图说明

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，其中：

图1为根据本发明实施例超低发散角倾斜光束单纵模人工微结构激光器结构示意图；

图2是图1所示超低发散角倾斜光束单纵模人工微结构激光器剖面图；

图3是图1示人工微结构选模区的反射谱图；

图4是图1所示人工微结构选模区反射谱的mapping图；

图5是图1所示超低发散角倾斜光束单纵模人工微结构激光器的光场分布图；

图6是图1所示超低发散角倾斜光束单纵模人工微结构激光器的P-I-V曲线；

图7是图1所示超低发散角倾斜光束单纵模人工微结构激光器的光谱图；

图8是图1所示超低发散角倾斜光束单纵模人工微结构激光器的垂直发散角实测图；

图9是图1所示超低发散角倾斜光束单纵模人工微结构激光器的垂直发散角模拟图。

具体实施方式

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

请参阅图1及图2所示，本发明提供了一种超低发散角倾斜光束单纵模人工微结构激光器。包括：

一衬底2，所述衬底2的材料为GaAs、InP、GaSb或GaN，波长覆盖紫外到远红外波段；

一N型电极1，制作在衬底2的背面，材料为AuGeNi/Au；

一N型下限制层3，制作在衬底2的上方，材料为InP、AlGaAs或AlGaN，用于形成电流注入通道和纵向光场限制；

一N型下波导层4，制作在N型下波导层3的上方，材料为InGaAsP、AlGaInAs、AlGaAs或AlGaN，用于形成电流注入通道和纵向光场限制；

一有源区5，制作在N型下波导层4的上方，提供光增益，所述有源区5的结构为GaAs、InGaAs、AlGaInAs、InGaAsP、InGaN等量子阱、量子点或量子级联超晶格材料；

一P型上波导层6，制作在有源区5的上方，材料为InGaAsP、AlGaInAs、AlGaAs或AlGaN，用于形成电流注入通道和纵向光场限制；

一P型上限制层7，制作在P型上波导6的上方，该P型上限制层7的纵向剖面为一脊形结构，脊形结构上部的一侧为整体结构，另一侧为人工微结构，该人工微结构中包括多个狭槽，用于形成电流注入通道和纵向光场限制，所述P型上限制层7脊形结构的上部的高度小于P型上限制层7的厚度，所述P型上限制层7脊形结构的上部的宽度为2-4μm，该脊形结构上部一侧的整体结构的长度大于100μm；

一P型欧姆接触层8，制作在P型上限制层7脊形结构上部的上方，用于形成欧姆接触；

一绝缘层9，制作在P型上限制层7脊形结构下部的上表面，材料为氮化硅或SiO₂；

一P型电极10，制作在P型上限制层7脊形结构的一侧、绝缘层9的上面，该P型电极10同时还制作在P型欧姆接触层8的上面，材料为TiPtAu、AuZnAu或CrAu，通过剥离方法、湿法腐蚀或干法刻蚀方法制备。

其中该脊形结构的整体结构部分为脊型波导增益区11，该增益区长度大于100μm，用于在出光方向上提供增益，另一侧的人工微结构部分为人工微结构选模区12，所述人工微结构选模区12的周期数为10-40个，周期长度为3-20μm，狭槽宽度0.8-1.6μm，用于进行纵模选择和产生超低发散角倾斜光束。

本发明的另一个实施例中，还提供了一种超低发散角倾斜光束单纵模人工微结构激光器激光器的制备方法。下文以AlGaInAs多量子阱对超低发散角倾斜光束单纵模人工微结构激光器制备方进行说明，本实施例包括：

步骤A，制备包括衬底2、N型下限制层3、N型下波导层4、有源区5、P型上波导层6、P型上限制层7和P型欧姆接触层8的外延片；

步骤B，用等离子增强化学汽相淀积PECVD方法高温300℃淀积200-300nm厚SiO₂过渡层。

步骤C，用常规光刻机制备出脊型波导增益区11和人工微结构选模区图形12，用光刻胶做为掩膜进行ICP刻蚀SiO₂过渡层，将图形转移到SiO₂层上，刻蚀露出P型欧姆接触层8，刻蚀掉步骤B淀积的SiO₂过渡层厚度。

步骤D，用SiO₂过渡层做为掩膜，借助于ICP刻蚀技术，将图形转移到外延片，刻蚀深度到部分上限制层，控制刻蚀深度不超过P型上波导层6，刻蚀侧壁尽量陡直。

步骤E，采用PECVD方法高温300℃淀积绝缘层SiO₂9。

步骤F，通过光刻形成掩膜图形，该掩模图形与所述脊型波导增益区和人工微结构选模区的台面的中心为中心，其中需要腐蚀掉SiO₂部分的条宽小于脊型条宽。

步骤G，采用HF∶NH₄F∶H₂O(3ml∶6g∶10ml)腐蚀液，腐蚀SiO₂层9，从而在脊型波导增益区11和人工微结构选模区12的台面上形成电流注入窗口。

步骤H，采用磁控溅射技术溅射P型电极10Ti/Au。

步骤I，通过光刻形成掩膜图形，该掩模图形与所述脊型波导增益区11和人工微结构选模区12的台面的中心为中心，其条宽大于脊型条宽，并在一侧或两侧引出压焊电极图形。

步骤J，以该掩模图形为掩膜，湿法腐蚀P型电极TiAu。

步骤K，减薄、抛光背面InP衬底，蒸发AuGeNi/Au作为N型电极，然后合金形成欧姆接触，在快速退火炉内350410℃退火60秒。

步骤L，解离成管芯，腔面镀膜，在增益区的一侧镀增透膜材料可以使TiO₂/SiO₂或Ta₂O₅/SiO₂，在吸收区的一侧镀高反膜Si或SiO₂。

步骤M，压焊、封装。利用划片机把制备好单纵模人工微结构激光器，解理成单个管芯，然后烧结在热沉上，最后压焊引入P型电极引线，最后在封装到TO3管壳上，从而制备出超低发散角倾斜光束的光子晶体人工微结构激光器，相应剖面示意图如图2所示。

图3为人工微结构选模区反射谱图，人工微结构选模区由24个狭槽组成，狭槽周期10μm，狭槽宽度1.1μm，狭槽刻蚀深度1.4μm。从图中可以看出在1.5-1.6μm范围，反射谱中有三个高反射带，考虑到量子晶体增益谱的宽度50-60nm，在我们感兴趣的中心波长在1550nm反射带，反射带半宽2.4nm，一般要求相应的窄的反射谱，确保好的单模工作。能量反射率0.4左右。

图4显示了人工微结构反射率mapping图。图4为24个周期狭槽构成的人工微结构选模区，狭槽宽度固定为1.1μm，狭槽刻蚀深度和周期改变时相应的反射率mapping图。狭槽刻蚀深度变浅，需要增大狭槽周期获得高反射率，对应的可选狭槽周期长度很小1μm范围内，并且随着腔长变长，阈值也会变大。狭槽刻蚀深度在1.2-1.6μm范围内变化，对应的狭槽周期在8-10μm范围内可以获得高反射率。

图5为对于超低发散角倾斜光束单纵模人工微结构激光器光场分布，由于人工微结构的散射和衍射作用，沿谐振腔方向光向衬底方向倾斜，形成形成大倾角的接近平行光束，由激光器端面倾斜发出。

图6为超低发散角倾斜光束单纵模人工微结构激光器P-I-V曲线，脊型条宽3μm，单模激光器腔长435μm，其中增益区长度195μm，人工微结构长度240μm，周期10μm，狭槽数目24个，狭槽宽度1.1μm及狭槽宽度1.4μm。在室温直流相同电流200mA下，激光器输出功率分别3.3mW，阈值电流70mA，由于人工微结构的散射和衍射作用，比相同条宽和腔长的脊型波导激光器阈值有所增大。

图7为上述超低发散角倾斜光束单纵模人工微结构激光器的光谱图。器件整个工作电流范围均为单模，光谱测试精度0.02nm，室温直流200mA注入电流下，发射波长1549nm；边模抑制比45dB。相应的垂直发散角见图8，垂直发散角仅1.7°，光束倾斜角偏离中心位置54.5°。与理论模拟结果图9基本吻合，垂直发散角仅有2°，光束倾斜角偏离中心位置54.9°。

需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

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已，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

1.一种超低发散角倾斜光束的单纵模人工微结构激光器，包括：

一衬底；

一N型电极，制作在衬底的背面；

一有源区，制作在N型下波导层的上方，提供光增益；

2.根据权利要求1所述的超低发散角倾斜光束单纵模人工微结构激光器，其中人工微结构选模区的周期数为10-40个，周期长度为320μm，狭槽宽度0.8-1.6μm。

3.根据权利要求1所述的超低发散角倾斜光束单纵模人工微结构激光器，其中所述P型上限制层脊型结构的上部的高度小于P型上限制层的厚度。

4.根据权利要求1所述的超低发散角倾斜光束单纵模人工微结构激光器，其中所述P型上限制层脊型结构的上部的宽度为2-4μm，该脊形结构上部一侧的整体结构的长度大于100μm。

5.根据权利要求1所述的超低发散角倾斜光束单纵模人工微结构激光器，其中衬底的材料为GaAs、InP、GaSb或GaN，波长覆盖紫外到远红外波段，有源区的结构为量子阱、量子点或超晶格材料。