CN103227416B - 基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器 - Google Patents

Abstract

一种基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器，包括：一衬底；在该衬底上制作有N型纵向微纳周期结构、N型下波导层、有源区、P型上波导层和P型上限制层，该P型上限制层纵向剖面为一脊型结构，脊形结构上部的两侧为整体结构，一侧为增益区，另一侧为吸收区，中间为横向微纳周期结构调谐区，该横向微纳周期结构中包括多个狭槽，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，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一侧面；一P型电极，制作在P型上限制层脊形结构的两侧、绝缘层的上面，其中该脊型结构两侧为整体结构部分，一侧为增益区，位于激光器出光端面一侧，另一侧为吸收区，中间为横向微纳周期结构调谐区，紧挨着增益区。

Description

基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器

技术领域

本发明涉及可调谐半导体激光器技术领域，特别是低成本低发散角的可调谐半导体激光器结构及制作方法。

背景技术

可调谐半导体激光器一直被认为是光纤通信系统和下一代光网络的关键器件之一。它不仅能为密集波分复用(DWDM)系统提供及时、有效的库存管理和信道快速建立功能，而且还能极大地降低光源备用方案的成本；更重要是，还能为下一代可重构光网络提供自动波长配置、波长转换和波长路由功能，从而大大增加网络灵活性和带宽利用率。此外，可调谐半导体激光器还广泛用于相干监测、光雷达、光器件测试、示踪气体传感器、环境监测、高分辨率光谱分析及激光多普勒风力测定等。

按结构不同，将各公司和研究机构提出的可调谐半导体激光器大致分为以下五类：分布式反馈(DFB)激光器、分布式布拉格反射(DBR)激光器、外腔半导体激光器(ECL)、可调谐垂直腔面发射激光器、狭槽法布里珀罗(SFP)可调谐激光器。

第一类：DFB激光器。它采用温度调谐方式，制作技术成熟、成本低、可靠性好，但是调谐速度慢、调谐范围窄(5nm左右)，在实际应用中多采用单片集成DFB激光器阵列来扩大调谐范围。加拿大Nortel公司、美国Santur公司以及日本NEC、Fujitsu、NTT等公司相继推出了这类单片集成DFB激光器阵列。

第二类：DBR激光器。采用电流调谐方式，调谐速度快(ns)，输出功率低，调谐范围大；制作工艺的兼容性好，比较容易与半导体放大器(SOA)、电吸收(EA)调制器、马赫-曾德(MZ)调制器等功能单元集成，这些特点使DBR激光器在未来光网络中的应用颇受关注。目前DBR激光器主要有取样光栅激光器(SG-DBR)、超结构光栅激光器(SSG-DBR)、数字超模光栅(DS-DBR)、光栅辅助同向耦合激光器(GACC-DBR)、辅助光栅定向耦合背向取样反射激光器GCSR-DBR、Y分支可调谐激光器以及大幅减小掩埋次数和生长次数的非称波导的可调谐激光器(ATG-DBR)等。对DBR型激光器可以通过集成SOA来弥补它在输出功率上面的不足，但其工艺难度大、产品成品率低、成本较高限制了其市场规模。此外这类多电极器件的控制相对复杂，如何确定电流与波长的对应关系是非常繁琐的事情。

第三类：可调谐外腔半导体激光器(ECL)。通过机械方法改变腔外光栅或旋转镜的角度，选择不同衍射角度的波长形成激射，调谐范围大、光谱线宽窄，输出光功率高，边模抑制比高。这种激光器采用微机械系统控制来实现波长调谐，所以调谐慢、结构比较复杂，与其他器件实现单片集成比较困难。

第四类：可调谐垂直腔面发射激光器。采用机械调谐原理，与可调谐外腔半导体激光器不同，它通过微电子机械系统(MEMS)来实现来改变腔长，从而改变纵模间隔达到改变激射波长的目的。这种器件的特点是体积小，便于集成阵列，但它主要缺点是输出功率低，调节速度慢。

第五类：狭槽FP可调谐半导体激光器。这种可调谐激光器纵模选择不是依靠通常DFB及DBR，而是在常规脊型波导激光器上，刻蚀出多个微纳周期狭槽，利用带狭槽微纳周期结构的游标卡尺对准效应来选模，通过改变不同微纳周期结构的注入电流，实现宽带调谐，制作工艺简单。

上述五种可调谐半导体激光器，像DFB或DBR激光器，不但需要全息光刻或电子束曝光等亚微米加工技术，而且还需要二次外延或选区生长、对接生长、量子阱混杂等技术，加工周期长，成本很难降低；可调谐外腔半导体激光器存在体积大、调谐速度慢等问题；可调谐垂直腔面发射激光器也存在调谐速度慢，输出功率低等问题。但无论是DFB激光器、DBR激光器、外腔半导体激光器、可调谐垂直腔面发射激光器和狭槽FP腔激光器都存在快轴慢轴发散角不一致性，如快轴发散角40°左右，慢轴发散角10o左右，不易于光纤耦合等问题。为了降低快轴发散角，人们采用多种方法，像极窄波导、宽对称波导，模式扩展波导，耦合波导，泄漏波导、锥形波导等，但这些方法快轴发散角也很难小于10度、且不同程度存在模式稳定性差、结构设计容差小、损耗大及阈值电流大等问题。

单片集成可调谐半导体激光器在光纤通信和智能光网络中发挥着越来越重要的作用。针对传统单片集成可调谐半导体激光器不同程度存在制作工艺复杂、调谐速度慢及发散角一致性差不利于耦合等问题，本发明提出一种基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器。该激光器特点是在垂直方向引入微纳周期结构对光场进行调制，调整发散角，提高快慢轴光束的一致性；在与其正交的纵向引入微纳周期结构，利用交叉微纳周期结构游标卡尺对准效应来进行纵模选择，通过改变交叉微纳周期结构的注入电流分配，实现宽带调谐。新结构只需低成本的微米级加工工艺，免去二次外延和复杂光栅制备，具有工艺简单、调谐带宽大速度快、发散角一致性好易于耦合等优点。

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，提供一种基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器，其是利用人工微结构进行模式选择，实现单模输出；同时利用人工微结构对光的散射和衍射作用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，低制作成本。

本发明提供一种基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器，包括：

一衬底；

一N型电极，制作在衬底的背面；

一N型纵向微纳周期结构，制作在衬底的上方，用于形成电流注入通道和实现纵向光场的扩展；

一N型下波导层，制作在N型纵向微纳周期结构上方，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，脊形结构上部的两侧为整体结构，一侧为增益区，另一侧为吸收区，中间为横向微纳周期结构调谐区，该横向微纳周期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一侧面；

一P型电极，制作在P型上限制层脊形结构的两侧、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，用于形成增益区、横向微纳周期结构两个交叉调谐区注入电极，覆盖于增益区、横向微纳周期结构调谐区的狭槽区域除外，各部分电极彼此断开；

其中该脊型结构两侧为整体结构部分，一侧为增益区，位于激光器出光端面一侧，另一侧为吸收区，中间为横向微纳周期结构调谐区，紧挨着增益区。

从上述技术方案可以看出，本发明公开一种基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器激光器，具有以下有益效果：利用人工微结构进行模式选择，实现单模输出；同时利用人工微结构对光的散射和衍射作用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为基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器结构示意图；

图2是图1所示可调谐半导体激光器剖面图；

图3a-d是图1所示的可调谐半导体激光器，L₂和L₁的长度差固定，功率反射随L₁和L₂长度变化图；

图4a-d图1所示的可调谐半导体激光器，L₁长度固定，功率反射随L₂长度变化图；

图5是图1所示的可调谐半导体激光器近场分布图；

图6是图1所示的可调谐半导体激光器远场分布图。

具体实施方式

请参阅图1及图2，本发明提供一种基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器。包括N型电极1、N型衬底2、纵向微纳周期结构3、N型下波导层4、有源区5、P型波导层6、P型上限制层7、P型欧姆接触层8、绝缘层9、P型电极10、增益区11、横向微纳周期结构调谐区12和吸收区13。该结构激光器在垂直生长方向引入微纳周期结构对光场进行调制，进行横模选择，增大模场面积，减小发散角；在正交横向引入多狭槽微纳周期结构，利用微周期结构的游标卡尺对准效应来进行纵模选模，通过改变不同的注入电流，实现宽带调谐。因此这种结构的可调谐激光器只需一次外延生长和普通光刻技术，免去了二次外延和复杂的光栅制备技术，常规光刻技术即可实现。这种可调谐半导体激光器具有制作工艺简单、调谐范围大、调谐速度快、低发散角易用光纤耦合及结构紧凑等优点。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器。请参照图1，本实施例单可调谐半导体激光器自下而上包括：N型电极1、N型衬底2、N型纵向微纳周期结构3、N型下波导层4、有源区5、P型波导层6、P型上限制层7、P型欧姆接触层8、绝缘层9、P型电极10、增益区11、横向微纳周期结构调谐区12和吸收区13。

一N型电极1，制作在衬底2的背面，材料为AuGeNi/Au；

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型纵向微纳周期结构3，制作在衬底2的上方，由多个周期组分渐变或突变高低折射率材料31和32InP/InGaAsP交替分布一维光子晶体构成，周期数大于5，用于形成电流注入通道和实现纵向光场的扩展；

一N型下波导层4，制作在N型纵向微纳周期结构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，三明治式夹置N型下波导层4和P型上波导层6之间，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的纵向剖面为一脊型结构，脊形结构上部的两侧为整体结构，一侧为增益区，另一侧为吸收区，中间为横向微纳周期结构调谐区，该横向微纳周期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；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，该脊形结构上部整体结构出光端面的一侧的长度大于200μm。材料为InP、AlGaAs、InGaAsP、AlGaInAs或AlGaN。

一P型欧姆接触层8，制作在P型上限制层7脊型结构上部的上方，用于形成欧姆接触，材料GaAs、InGaAs、GaN或GaInAsSb；

一绝缘层9，制作在P型上限制层7脊型结构下部的上面和脊形结构上部的侧面，采用材料为氮化硅或SiO2；

一P型电极10，制作在P型上限制层7脊形结构的两侧、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，用于形成增益区11、横向微纳周期结构两个交叉调谐区121和122注入电极，覆盖于增益区11、横向微纳周期结构调谐区12的狭槽区域除外，各部分电极彼此断开。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。

其中该脊型结构两侧为整体结构部分，一侧为增益区11，位于激光器出光端面一侧，该增益区长度大于100μm另一侧为吸收区13，中间为横向微纳周期结构调谐区12，紧挨着增益区11，调谐区由两个交叉式调谐区121和122构成，它有N/2个分别为L1和L2的调谐区组成，N为整数。调谐机理是利用两个交叉式调谐区的梳状反射谱的游标卡尺效应进行选模，在游标卡尺效应的作用下，通过注入电流改变交叉式调谐区的两部分的有效折射率n1和n2，引起反射谱调制包络的偏移，使得满足相位匹配条件的最大环路增益对应波长被调谐出来，从而实现激射波长的切换。交叉式调谐区可实现短的谐振腔长度，它通过狭槽部分腐蚀进入脊型波导来实现。交叉式调谐区可实现短的谐振腔长度，它通过狭槽部分腐蚀进入脊型波导来实现，狭槽宽度0.8-1.6μm。

本实施例基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器，通过在传统半导体激光器的脊型波导上引入人工微结构，利用人工微结构进行模式选择，实现单模输出；同时利用人工微结构对光的散射和衍射作用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。

本发明的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是以上述实施例的1.55μm波段AlGaInAs多量子阱基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器制备方法为例进行说明。本实施例包括：

步骤A，制备包括：N型电极1、N型衬底2、N型纵向微纳周期结构3、N型下波导层4、有源区5、P型波导层6、P型上限制层7、P型欧姆接触层8的外延片。

步骤B，生长SiO₂刻蚀保护层。用等离子增强化学汽相淀积PECVD方法高温300℃淀积200-300nm厚SiO₂层。

步骤C，光刻技术和刻蚀技术将增益区、横向微纳周期结构调谐区和吸收区图形转移到SiO₂层上。用常规光刻技术制备出增益区、横向微纳周期结构调谐区和吸收区图形，用光刻胶做为掩膜进行ICP刻蚀SiO₂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层厚度。

步骤D，用SiO₂做为掩膜，借助于ICP刻蚀技术，将上述图形转移到外延片。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，刻蚀侧壁尽量陡直。

步骤E，生长绝缘层SiO₂层9。采用PECVD方法高温300℃淀积绝缘层SiO₂层9。

步骤F，在脊形条上开电极窗口。通过光刻形成掩膜图形，该掩模图形与所述益区、横向微纳周期结构调谐区和吸收区的台面的中心为中心，其需要腐蚀掉SiO₂部分，条宽小于脊型条宽。然后再采用HF∶NH₄F∶H₂O(3ml∶6g∶10ml)腐蚀液，腐蚀SiO₂层9，从而在脊型条上开出电极窗口。

步骤G，采用磁控溅射技术溅射P型电极层Ti/Au10。

步骤H，光刻腐蚀P型电极10。通过光刻形成掩膜图形，该掩模图形与所述益区、横向微纳周期结构调谐区和吸收区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。以该掩模图形为掩膜，湿法腐蚀P型电极TiAu10。

步骤I，减薄、抛光背面InP衬底2，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350-410℃退火60秒。

步骤J，解离成巴条，腔面镀膜，在增益区11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K，解离、装管，分别引出增益区电极、调谐区121和调谐区122电极引线，三个区域分别加不同注入电流测试调谐特性，相应剖面示意图如图2所示。

横向微纳周期结构调谐区12反射谱的形状强烈两个交叉式调谐区121和122的周期长度，依赖L₁和L₂尺寸参数，图3和图4模拟得到功率反射谱随L₁和L₂的长度变化情况。图3为L₁和L₂长度差固定情况下，功率反射谱随L₁和L₂长度变化图，其中L₁和L₂长度差固定10μm，L₁和L₂长度从50μm，60μm逐渐增大到200μm，210μm的情况下，功率反射谱的变化情况。从图3可以看出，L₁和L₂长度差固定情况下，增大L₁和L₂长度，梳状反射谱的反射峰间距变小，两个交叉调谐区相互干涉在反射谱形成调制包络，可以获得的最大调谐范围由调制包线峰值间距决定。由于L₁和L₂长度差固定，最大可实现的调谐范围不变。

图4L₁长度固定情况下，功率反射谱随L₂长度变化图，其中L₁长度固定200μm，L₂长度从206μm增大到209μm功率反射谱的变化情况。从图中可以看出，L₁和L₂差值越小可以获得最大调谐范围越大，L₁和L₂差值为6μm可获得的最大调谐范围62nm。实际器件设计中，为了实现连续调谐和考虑到量子阱有源区的增益带宽，L₁和L₂长度大于100μm。

图5为可调谐半导体激光器的近场分布，包括16对InP/InGaAsP光子晶体，计算得到基模光限制因子是其他高阶模式限制因子3.8倍，确保基模激射，提高基模的稳定性。对近场做快速傅里叶变化得到可调谐半导体激光器远场分布图，模拟得到垂直方向发散角9.8°。

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 (9)

1.一种基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器，包括：

一衬底；

一N型电极，制作在衬底的背面；

一N型纵向微纳周期结构，制作在衬底的上方，用于形成电流注入通道和实现纵向光场的扩展；

一N型下波导层，制作在N型纵向微纳周期结构上方，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型上波导层的上方，该P型上限制层的纵向剖面为一脊型结构，脊型结构上部的两侧为整体结构，一侧为增益区，另一侧为吸收区，中间为横向微纳周期结构调谐区，该横向微纳周期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型结构上部的一侧面；

一P型电极，制作在P型上限制层脊型结构的两侧、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，用于形成增益区、横向微纳周期结构两个交叉调谐区注入电极，覆盖于增益区、横向微纳周期结构调谐区中除狭槽区域的位置，各部分电极彼此断开；

其中该脊型结构两侧为整体结构部分，一侧为增益区，位于激光器出光端面一侧，另一侧为吸收区，中间为横向微纳周期结构调谐区，紧挨着增益区。

2.根据权利要求1所述的基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器，其中N型纵向微纳周期结构由多个周期组分渐变或突变高低折射率材料交替分布一维光子晶体构成，周期数5-20个，对可调谐激光器纵向光场进行模式调控，降低垂直发散角。

3.根据权利要求2所述的基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器，其中构成N型纵向微纳周期结构材料的折射率高于P型上限制层的折射率，以保证模式扩展和基模式较强的增益。

4.根据权利要求3所述的基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器，其中N型纵向微纳周期结构为采用组分渐变折射率设计来降低垂直方向周期结构肖特基势垒限制，降低串联电阻，改善热特性；

5.根据权利要求1所述的基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器，其中横向微纳周期结构调谐区由N/2个长度分别为L₁和L₂的调谐区交叉式构成，N为偶数，狭槽宽度0.8-1.6μm；L₁和L₂长度不等，均大于50μm；是利用两个交叉式调谐区的梳状反射谱的游标卡尺效应进行选模，通过改变两个调谐区的注入电流实现波长调谐。

6.根据权利要求1所述的基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器，其中所述P型上限制层的脊型结构的上部的高度小于P型上限制层的厚度。

7.根据权利要求6所述的基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器，其中所述P型上限制层脊型结构的上部的宽度为2-4μm，该脊型结构上部整体结构出光端面的一侧长度大于200μm。

8.根据权利要求1所述的基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器，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.

9.根据权利要求1所述的基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器，其中有源区的结构为量子阱、量子点或超晶格材料。