CN103460527A - 垂直耦合表面蚀刻光栅分布反馈激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种与MGVI设计和制造方法完全兼容的LCSEG-DFB激光器，用于多功能PIC内的单增长单片集成电路。其包括台面形式的激光器PIN结构，从上发射层顶面通过有源，假定为MQW、增益区向下蚀刻至下发射器顶面。下部电触头邻近台面设置，台面设在下发射层，上接触带设在台面顶部上的上发射层。从台面顶面、上接触带之间，穿过上发射层，向下蚀刻入SCH层，限定/蚀刻成了SEG。SCH结构提供了垂直约束，台面底部中的侧面提供了横向约束。导模通过垂直翼穿透SEG及与SEG消散消散场耦合实现与SEG的相互作用。

Description

垂直耦合表面蚀刻光栅分布反馈激光器

技术领域

本发明属于半导体激光器领域，尤其涉及光子集成电路中所使用的分布反馈激光器的设计。

背景技术

III-V族半导体激光二极管是近红外波段范围内相干辐射最有效、最小巧的来源。因此，III-V族半导体激光二极管是在基于石英光纤的光通信系统中的不二选择。石英光纤具有透明的窗口，射入这些III-V族半导体激光二极管的发射范围内。然而，对于所有激光二极管，获得光学增益的基本原理都是一样的，并与由向正向偏压PIN结输入电流而引起的自由载流子群的倒转有关。半导体激光器设计的不同主要在于光腔的解决方法。最常见且最优选的解决方法之一就是分布反馈（DFB）腔。DFB腔为激光器设计者带来了许多好处，包括提供动态单频产生的可能性，能在通过平板印刷术构建过程中控制激光频率，以及通过光波导、调制器和其他波导光器件实现单片化的可行性。因此，拥有DFB腔的半导体激光二极管（以下简称DFB激光器）已经成为先进的光通信系统的激光源的一种选择。同时，DFB激光器是一种可以解决光子集成电路（PIC）问题的片上激光光源。PIC将光电路上不同的有源和无源波导功能性元件单独整合到一个半导体基底上。

在先进的光网络背景下，不管是本地接入还是长途应用，这些动态单频DFB激光器在整个网络上均得到普遍使用，该系统只需低频芯片（如通过弥散型纤维进行的高速长途传送）或是固定的载波频率（如高密度波分多路复用）或者两者兼有。因此，DFB激光器是电信市场上需求最大、产量也最大的光学器件。电信市场上大多数DFB激光器都工作在1550nm或者1310nm的波长窗口，分别对应于石英光纤的最小损耗和最小弥散光谱范围。选择的材料系统一般包含这些波长窗口，成为III-V族磷化铟（InP）化合物半导体（以下简称III-V族半导体）。

从PIC角度来说，DFB激光器是种很有吸引力的设计选择。它不仅有动态单频运行的优势，而且很适合与其他波导组件实现单片整合。有源组件（如电吸附调制器）和无源组件（模式转换器）整合在同一个半导体基底上。这一半导体基底是个激光器，附有一个剖面的腔，如法布里珀罗激光器（FB）。在如今光通信系统的大多数应用中，拥有激光源的PIC与单机激光器类似，需要在1550nm或是1310nm的波长窗口里运行，使得InP以及相关III-V族半导体自然地分别成为PIC的基底和材料系统的选择。

尽管覆盖以上重要通信光谱窗口的单机InP基DFB激光器已经进入大量生产的阶段，但是为片上光源提供激光器的InP基PIC依然处于萌芽状态。至今只有少数公司进行这样的生产。一部分原因在于光集成本身的难度，但主要原因在于无法经济有效地进行光集成，不仅使PIC很难与微光学集成电路或混合集成电路竞争，而且动态地缩小了这些PIC的市场机会。因此，设计和制造可以兼容InP材料系统中高性价比单片光集成的DFB激光器，依然是PIC技术向大规模商业化和部署的道路上急需解决的重要问题。

DFB激光腔的工作原理基于光波导中多波束干扰，光波导从导波开始周期性地对有效折射率进行调制，以下简称波导布拉格光栅。更具体来讲，从布拉格光栅中经历了多次反射的同向导波在同一相位并通过相长干涉增加的情况下，DFB腔效应才会出现。对于任意给定的光栅级别m，这种情况只会在由公式（1）所算出的布拉格波长附近发生的反向导波之间的直接共振耦合时才会出现：

${\mathrm{\λ}}_B=\frac{2\mathrm{\Λ}{n}_{\mathrm{eff}}}{m},---\left(1\right)$

其中，Λ是光栅的周期，n_eff是在导模下波长依赖有效反射率。因此，DFB腔是由栅距决定的波长选择性腔，栅距是DFB激光器之所以受到需要进行发射波长控制的应用欢迎的主要原因。

然而，DFB激光腔的基本工作原理对于任何形式形状的布拉格光栅都是一样的，实际的性能则由许多因素决定，包括光栅级别以及承载光栅的光波导在导模下有效反射率的空间调制，比如这一调制是针对有效反射率中实部、虚部还是同时针对两者，以及光栅耦合效率。从这个角度来看，DFB激光器的设计者有很多种选择，但实际上，最常用的方法是兼顾性能和工艺性。

性能方面，具有一阶光栅，也就是m为1时，总是最有利的，因此，要通过非导波（以下简称辐射波）来避免导波耦合以及辐射损耗。但是，对于任意给定的发射波长λ，可由公式（2）计算出相应的栅距Λ：

$\mathrm{\Λ}=\frac{\mathrm{m\λ}}{2n_{\mathrm{eff}}}---\left(2\right)$

对于所有光栅级别来说，从光栅形式来看，最小栅距也就是m为1时，是最有挑战性的。如在1310nm的波长窗口中，一阶栅距应仅有-100nm的光刻线分辨率-200nm的一阶栅距就能提供所需的50%的占空比。这个很难通过在激光器制作中常用的传统光学制版甚至步进式光学制版实现，还需要许多不同的更昂贵的技术，如电子束成像、聚焦离子束，或是最常见的光束干扰。

在上述情况中，波导布拉格光栅通常在离波导核心很近的半导体层上制作蚀刻波纹而形成的，这使反向导波在布拉格共振附近的光谱范围内发生强耦合，也会带来良好的DFB腔特征，如共振范围外的窄共振线和高波长反射率。这一技术在现有技术中已有记载，如S.Akiba等人的发明名称为“分布反馈半导体激光器”的美国专利4506367和G.L.Dolan等人的发明名称为“非平面隐埋异质结构激光器的制作方法”的美国专利4701995。在当今1310nm和1550nm通信窗口等重要的波长范围上运行的DFB激光器的商业生产中，这一技术得到了普遍的使用。最近的改进和（或）简化这一过程的例子包括T.Takiguchi的发明名称为“脊形波导分布反馈激光器”的美国专利6741630，Y.Hisa的发明名称为“内置衍射光栅的半导体激光器”的美国专利5659562，以及M.Carras等人的发明名称为“强分布反馈半导体激光器”的美国专利7567606。

这些技术的基本特征在于，它们都需要在波纹光栅蚀刻后进行额外的外延生长，从而完成激光器的波导结构并为激光器结构顶端电触头的形成提供合适的半导体材料。过度生长在接近激光增益区域（指数耦合时）或在激光增益区域内（增益耦合时）的蚀刻波纹光栅表面生成缺陷，使制造过程变得复杂，产量降低。同时还限制了这样处理的DFB激光器与其他功能性元件的兼容性，也限制了单片PIC的应用。为了克服这一限制，通常需要在（选择区）蚀刻后进行更多（选择区）的生长步骤，消除为PIC中其他功能性元件所指定区域内不需要的额外生长的半导体材料。这使得PIC的制造更加困难，产量也不断下降。因此，由以上多种生长技术制造出来的PIC的部署仅限于那些高成本、低产量和容量较低的PIC，如长途波分多路复用光通信系统的大规模集成PIC，包括D.Welch等人在的发明名称为“发射器光子集成电路（TxPIC）及使用TxPIC的光传输网络”的美国专利7283694，C.Joyner的发明名称为“使用小型波长选择性拆分器的接收器光子集成电路（RxPIC）芯片”的美国专利7457496，F.Kish等人的发明名称为“单片发射器/接收器光子集成电路（Tx/Rx PIC）”的美国专利7466882，以及R.L.Nagarajan等人的发明名称为“波分多路复用传输网络中的非冷藏光子集成电路（PIC）以及随温度变化的浮动信号通道网但浮动网中有固定通道间隔进行操作的PIC”的美国专利7636522。

单片PIC技术要想在商用部署数量上，至少在它们都能提供所需功能和性能（即使实现方式不同）的领域中战胜各种混合集成技术，必须拥有更高性价比。因此，需要一种光子集成技术发展集成技术和平台，从而在保留所需PIC功能的范围内，减少制造复杂度和低产量程序，如多路步进外延生长等。DFB激光器的设计和制造基于靠近激光增益区域或在激光增益区域内定义和蚀刻波纹光栅，并伴随后续的过度增长。这样的DFB激光器似乎无法满足需求，因此，需要寻求其他设计和制造方法使DFB激光器成为性价比高的PIC的可兼容的基础部分。

制造性价比高的PIC的一种特殊方法是基于多导垂直整合（MGVI）平台。与大多数类似技术不同，这是一种通用技术，可以在单步外延生长过程中（如InP基底）使用，见V.Tolstikhin等人的发明名称为“多阶垂直叠加中波长（去）复用集成光学排列”的美国专利7444055。MGVI本质上是一种双导垂直整合技术，见F.Xia等人的“使用非对称双波导（ATG）技术的光子集成（第一部分）——概念和理论（IEEE量子电子学选定主题，2005年11月17日）”和V.M.Menon等人的“使用非对称双波导（ATG）技术的光子集成（第二部分）——设备（IEEE量子电子学选定主题，2005年11月30日）”以及其中参考文献。MGVI平台面向多功能PIC，其中具有不同功能的光波导按照导向层带隙波长由小到大的顺序垂直叠加，光波导间的隔热转变受到每个导向层上的横向锥度的影响。不同垂直层的功能性元件独立优化，而所需PIC功能通过合适的导向层选择以及垂直叠加中的相对位置实现。

最近，这一技术被证明能够单片集成所有光纤通信系统所需的重要PIC的功能，包括片上光的产生、放大和探测，波分复用，模式/光点大小转换，光束分离和重路由。一些范例性的MGVI PIC实现方法的设计原理、制造和特性描述都可参考以下文献：V.Tolstikhin等人的发明名称为“集成垂直波长（去）复用器”的美国专利7532784和Y.Logvin等人的发明名称为“集成横向模式转换器”的美国专利7539373。实际PIC本身可参考以下文献：V.Tolstikhin等人名为“用于InP内单步生长PIC的横向耦合DFB激光器”（光子技术信件，第21册，第10号，第621至623页），C.Watson等人名为“用于InP内多导垂直集成的光学预放大探测器”（论文TuB1.6，2009年国际磷化铟及相关材料会议论文），V.Tolstikhin等人名为“InP内单步生长光学发送器PIC”（ECOC2009，论文8.6.2），S.B.Kuntze等人名为“无再生长多导垂直集成的发送器和接收器解决方案”（2010年集成光学研究论文ITuC5），以及K.Pimenov等人名为“用于DFB激光器内纵向模式选择的高阶表面蚀刻光栅分析”（2010年光电器件的数值模拟论文TuC3）。

由于它涉及到片上激光源，它与MGVI平台的兼容性需求通过排除一般激光器解决方案限制了设计选择。一般激光器解决方案包括附有剖面的法布里珀罗腔（需要将激光器和其他PIC进行物理分离），激光导层间表面上有波导布拉格光栅的分布反射器/反馈腔（需要外延再生长），与无源波导的对接耦合（需要额外的生长步骤），以及在高导电基底的背面的底部接触（与单片集成不兼容）。同时，为了保持MGVI平台的高性价比，主要的区别特征在于光接入和互联网络上的大量应用，见V.Tolstikhin名为“集成光学：使能下一代接入网络的光元件技术”（2007年光纤通信和光电大会），也不希望有昂贵的和/或非容量可扩展过程，如直写电子束光刻。

能解决所有这些问题的方法是一个有效脊波导的横向耦合光栅分布反馈（LCG-DFB）激光器。这个激光器首先是由Miller等人提出的，作为名为“一个分布反馈脊波导量子异质结构激光器”（IEEE光子技术信件，第六册，第9号，1991年）中GaAs材料系统的N⁺-基底上的单机P型触头设备，见图1第一个图解110。随后在V.Tolstikhin等人名为“用于InP内单步生长光子集成电路的横向耦合DFB激光器”（光子技术信件，第21册，第10号，621至623页，2009年）中被重新设计，兼容InP材料系统中的半绝缘基底上的N型触头的MGVI平台。这一设计如图2第二个图解120所示，并在下面的叙述中与DFB激光器的优势相结合，与其他功能性元件配合实现无再生长单片整合，见图1第三个图解130。LCG-DFB激光器的主要元件是激光器顶部N型发射层的表面蚀刻光栅（SEG），通过蚀刻两套平行的被一条完整材料分隔的周期性沟槽。这一SEG提供了横向约束以及DFB腔。横向约束作为每一个周期沟槽中的平均折射率，小于完整材料的平均折射率，而DFB腔则在每一个制作步骤中进行处理。这显然是这一设计的一个优势，以下简称为有效脊设计。有效脊是由两套平行沟槽以及之间完整材料构成的。兼容LCG-DFB激光器的MGVI平台使用了这一设计，作为多功能PIC的通用基础材料或双向收发器复式PIC的一部分。这一设计分别由S.B.Kuntze等人在名为“无再生长多导垂直集成的发送器和接收器解决方案”（2010年集成光子研究论文ITuC5）和V.Tolstikhin等人在名为“InP内单步生长光学发送器PIC”（ECOC2009，论文8.6.2）中提出。同时，这些设备是接入光网络的基于PIC接收器产品中主要的部分。见OneChip光学公司网站www.onechipphotonics.com/products。

然而，有效脊DFB腔存在固有的性能限制，与SEG的定义相关，并在激光腔内与导波进行互动。更具体来讲，相对于在接近光波导或在光波导内定义的波纹光栅的DFB腔相比，这种DFB腔的耦合效率相对较低。由于光栅的长度固定，耦合效率决定了激光腔的质量以及所有与之有关的性能特征，低效率耦合需要更长的腔以及更大的偏置电流，这在大多数激光器设计中，特别是需要高速直接调制的设计中，并不是一个好的选择。

m^th级布拉格光栅的波导中反向传播导波之间的直接共振耦合系数由公式（3）可以计算出：

与A_m.光栅的m^th空间谐波一起，作为正常化导模参数

的重复。矩形光栅A_m在简单案例中可由公式（4）表示：

$A_m=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}{\mathrm{m\π}}\sin \left(\mathrm{m\π\γ}\right)---\left(4\right)$

Δε'是光栅的蚀刻（光栅沟槽）与非蚀刻（光栅齿）部分之间接近共振波长

的波长的光学电容率差。γ是光栅占空比，定义为光栅周期中光栅齿占用的比分。因此，直接公正耦合系数减小到公式（5）中的系数，见G.P.Agrawal和N.K.Dutta于1968年在凡诺斯特兰发表的“长波长半导体激光器”：

首先考虑在此公式右侧的术语

这本质上代表了与光栅的光模重叠。

与任何光栅级别相比都较小，因为只有一小部分的光模在垂直方向上被限制在SEG下放的激光器导向，并通过有效脊从侧面穿透SEG。当波仅仅由于导模尾部的消散场发生相互作用时，这样的耦合通常被称为消散消散场的耦合。其次，在实施过程中，光栅级别受到光刻线分辨率的限制。因此，一阶光栅的耦合系数较高并不会产生辐射损失，在1310nm的通信波长窗口中，一阶光栅要求线分辨率低于100nm。同时，原则上这一方法是可以通过直写电子束或X轴步进式光刻实现的，但实际上在大多数情况下并不能实现。在上面的例子中，前者对于商业生产来说太慢，而后者是很昂贵的工具，通常在III-V族光电制造设施中很少使用。其中更典型的是，与硅设施相比，这些设施并不需要这样的高容量来判断昂贵的深紫外光步进光刻技术，这并不是一个商品，而是一个与发射波长为362nm的I轴步进。因此，在1310nm波长范围内，一阶光栅超出这种步进的衍射极限，步进式光刻唯一可用的解决方案是高阶光栅，也就是m≥3。但是，增加光栅阶级由于1/m，进一步降低了共振耦合系数的系数，从而使消散场LCG-DFB激光器成为更具挑战性的任务。

因此，要实现LCG-DFB激光器的高耦合效率，存在一个固有的问题。从设计和制造方面来看，这一设计是非常有吸引力的，也非常适合于无再生长的基于PIC的MGVI平台上与其他功能单片集成，实现低成本收发器应用，如光接入网络和互联。在现有技术中，研究已经发现了通过各种先进技术提高耦合效率的解决方案，比简单表面光栅定义和蚀刻要复杂得多。例如，这些技术包括通过步进式光刻技术（见Reid等在“不需再生长步骤制造窄线宽和高功率的DFB激光器”，2003年欧洲光纤通讯展）或电子束光刻（见D.K Oh等人的发明名称为“分布式反馈半导体激光器和其制造方法”的美国专利2006/0120428）在半导体波导结构的整个外形上形成光栅；或形成在波导结构倾斜横向壁上的光栅元件（见Y.T.Lee等人的发明名称为“半导体激光器设备及其制造方法”的美国专利2008/0261157）。此外，还提出了包括形成横向隐埋光栅元件以及再生长步骤的方法（见Y.Watanabe等人的发明名称为“脊型横向耦合分布反馈半导体激光器的制造方法”的美国专利申请2001/0046246以及J.R.Reithmaier等人的发明名称为“弱耦合光栅的半导体激光器”的美国专利申请2006/0172446和2009/0117678）。所有这些或类似的技术，在提高了耦合效率的同时，也提高了制造的复杂度或/和需要额外生长步骤。然而，能找到一个能提供PIC内的DFB激光器的解决方案还是很有优势的，这将提高耦合效率，同时保持一个简单而直接的SEG的制造过程，并兼容MGVI平台。由于制造过程中的变化并不是一种选择，因此这样的解决方案显然应该寻求设计上的变更。

在MGVI平台制造方法下，提高横向耦合表面蚀刻光栅（LC-SEG）的耦合效率的方法已由V.Tolstikhin等人在名为“增强耦合SEG”的美国专利7609919中提出，并在活跃的有效脊波导的另一侧采用额外的有效脊波导元件，使得侧有效脊提供了光模的横向约束稀释，从而增加这种模式与形成活跃和侧有效脊的SEG区域的重叠。实际上，光栅的耦合效率是可以增加的，但只有有效脊窄于半导体材料中的波长，并通过LC-SEG区域将它们分开，才可以实现。但由于光刻分辨率的限制而难以实施。另一种增强LC-SEG耦合效率的方法也是利用横向模式稀释的想法，尽管使用了不同的方法，这种方法已经由C.Watson等在的发明名称“增效横向耦合DFB激光器”的美国专利7796656中提出。在现有技术中，LC SEG DFB激光器工作在一阶横向模式，而不是传统的基础零阶模式，从而具有除了活跃的有效脊之外的大多数光纤模场，与LC-SEG更好地重叠，并通过LC-SEG提供了更高的耦合率。这种设计还具有另外一个好处，因为它降低了活跃的有效脊上的金属接触方式和SEG在活跃的有效脊旁边沟槽边缘的循环/不规则的影响的重叠，从而降低了腔内损耗，并进一步提高耦合效率。另一方面，该激光器必须辅之以确定的波导安排，从而将激光器工作的一阶横向模式转变为零阶光模。在零界光模下，光信号可以耦合到光纤或PIC的其他部分。鉴于这样的安排在MGVI平台上是可行的，例如以Y.Logvin等名为“集成横向模式转换器”的美国专利7539373B1中提出的横向模式转换器的一种形式。它仍然使制造变得复杂，还引入了额外的插入损耗。

因此，设计表面蚀刻光栅分布反馈（SEG-DFB）激光器不仅需要与MGVI平台相兼容，同时也需要在这个平台内的制造成本很低，同时需要通过SEG提供高耦合效率，这些问题在很大程度上仍然没有解决。如果这样的设计可以实现耦合效率的提高，而不损害的增益区域内的光模约束，这将是有益的。由于教授的SEG耦合增强方式做使用的光膜稀释，一些现有技术的教授未被允许。增益区域内的高光模约束对于减少激光器进行激光操作时阈值电流和温度敏感性的减少来说非常重要。如果SEG-DFB激光器设计放松了公差，将进一步带来好处，例如通过避免光模与SEG在制造过程中最难控制的那部分重叠，特别是在有效脊侧的SEG沟槽边缘。除了有效脊，这些沟槽里的圆角和不规则可能严重影响耦合效率和光模重叠的散射损耗，因为它发生在现有技术所教授的LC-SEG设计中。这是一个旨在帮助本发明克服现有技术中的上述限制的目的。

发明目的

本发明目的是提供一个垂直耦合表面蚀刻光栅分布反馈激光器（VCSEG-DFB）激光器，该激光器在SEG-DFB设计范例和MGVI的设计/制造平台内，与LCSEG-DFB激光器相比，在增益区内实现更高的光膜限制和较低的灵敏度。根据本发明的VCSEG-DFB激光器的特征在于，设有带SEG的台面结构，以由台面的中间部分定义的周期性沟槽的形式存在，从台面顶部表面向下并垂直沿台面传播的方向蚀刻，而除了SEG，台面顶部表面用于定义顶部激光器触头，以两个金属条带沿台面形式存在，设置在SEG两侧。台面的外延结构包括带有一个分离限制异质结构（SCH）层的顶部和底部的发射器，包括大致为MQW（多量子阱）有源层形式并设在其之间的增益区，这样，使用时，SEG在SCH层顶部的发射层上形成。垂直光约束由SCH定义，其目的是在台面的中间部分提供足够高的消散场耦合SEG。与现有技术中的LCSEG-DFB激光器设计相反，SEG本身在所述结构中不提供横向光学约束，但可以通过一种适合横向指导的方式在SEG下的台面层给出折射率进行设置。实际上，与LCSEG-DFB激光器相比，VCSEG-DFB激光器的基本光导模的形状是垂直翻转：垂直耦合的激光器在台面底部横向约束并通过模场块与垂直耦合表面蚀刻光栅（VC-SEG）重叠，而横向耦合的激光器在台面顶部横向约束并仅通过横向模式尾部的消散场与LC-SEG重叠。VCSEG-DFB激光器中基本光模和SEG的重叠增加，而不会进一步加重增益区域内的模式约束，从而在与布拉格光栅的高耦合率和高增益之间的权衡中使设计更加灵活。同时，VCSEG-DFB激光器的基本光模比LCSEG-DFB激光器的金属损失更少，因为在台面顶部的金属条可以布置在远离这种模式的位置，可以通过扩大光栅沟槽使之超出横向模式大小的方法使得光栅沟槽边缘的圆角和蚀刻不规则变小。最终，相比现有技术中的LCSEG-DFB激光器的设计，VCSEG-DFB激光器中光栅耦合效率增加，而光损失和制造变化减少。

发明内容

本发明提供了一种VCSEG-DFB激光器的设计及该激光器的无再生长制造方法，包括从上部的P型或N型发射层顶面，包括有源（大概是MQW）增益区，通过SCH，蚀刻到下部的N型或P型发射器的顶面台面形式处理的激光PIN结构，下部条带触头设置在台面旁的发射层顶面，上部条带触头设置在上发射层顶面，该顶面同时也是台面的顶面，以及一个由该顶面定义并从该顶面蚀刻的SEG，该空间位于两个上部条带触头之间，通过上发射层向下蚀刻到或蚀刻入SCH层。光波导由SCH层形成，该结构同时向光场提供垂直约束并为台面底部的折射率的横向轮廓提供一定的特殊设置，这样使用时，波导只支持基本的引导光模，这由台面底部横向定义并与台面顶部的SEG互动，通过由光模的垂直尾部穿透SEG，消散场耦合至SEG。

在PIN结构正向偏压下的电注入通过在上部和下部条带触头之间施加适当的极性的电压来实现，多数载流子从较低的发射器通过一定的方式、根据较低发射器和SCH层电阻时间的关系向上注入实现横向分布，这样使用时，可在台面的底部提供横向约束或电流孔，以用光模优化注入电流重叠，从而提高了喷射效率和提高激光器的性能。另外，按照本发明所述VCSEG-DFB激光器设计和再生长制造时，结合了光场的横向约束和同一处理步骤中加工而成的一侧的台面底部注入电流，这不仅简化了器件的制造，也可确保光模和注入电流之间接近最优的重叠。最后，根据本发明，所述VCSEG-DFB激光器与MGVI平台设计原则和制造方法完全兼容，从而适合于一步生长实现与其他的有源和无源功能元件的单片集成到一个多功能PIC。

附图说明

本发明的实施例将仅作为示例进行说明，应结合附图理解，其中：

图1A和1B为根据现有技术的一个有效脊LCSEG-DFB激光器的三维示意图，其使用了两套并行周期沟槽，由一个完整的半导体材料条带分离开，以在蚀刻台面结构内形成有效脊波导和横向耦合波导布拉格光栅，该结构具有一个顶部（位于台面中间）和两个底部（台面旁）条带触头；

图1A和1B为根据现有技术的有效脊LCSEG-DFB激光器激光器的三维示意图，其使用了两套并行周期沟槽，由一个完整的半导体材料条带分离开，以在蚀刻台面结构内形成有效脊波导和横向耦合波导布拉格光栅，该结构具有一个顶部（位于台面中间）和两个底部（台面旁）条带触头；

图1C为按照图1B采用兼容MGVI设计激光器的LCSEG-DFB激光器源结构的三维示意图，其连同检测器和垂直模式耦合器一同示出。

图2A为根据本发明VCSEG-DFB激光器的横向光场和电流约束的安排截面示意图。

图2B为涉及横向光场和电流约束设置的本发明的VCSEG-DFB激光器的三维示意图。

图3为VCSEG-DFB激光器的台面示例层结构图和其基本导模二维图，其中消散场耦合至台面顶部中心位置的SEG，并提供了现有技术中LCSEG-DFB激光器类似结构进行比较。

图4为LCSEG-DFB激光器和VCSEG-DFB激光器的光栅效率计算值，其使用的是图3A和3B中具有光栅占空比函数关系的的示例性层结构。

具体实施方式

本发明旨在提供一种涉及SEG-DFB激光器的设备，可在传播于激光器的波导的制导光模和VC-SEG之间增加重叠，以便于安排一个有效DFB激光腔，进而通过使用侧面耦合SEG增加激光性能，减少现有技术中的限制，如较低耦合效率、较高腔内损失以及对SEG加工缺陷对耦合效率和腔内损失影响较大等。

参考附图中编号理解下文所示元件。下文讨论内容在本质上仅为示例性，而不会构成对本发明范围的限制。本发明的范围仅由权利要求书限定，不得视为受限于以下所述的实施细节。本领域技术人员应理解，所述元件可用等效的功能元件代替。

图1A为现有技术实施例的一种有效脊LCSEG-DFB激光器的三维示意图100A，该发明已由L.M.Miller等人在“分布式反馈脊量子阱异质结构激光”（IEEE光电学报，第3册，第6页，1991年）中首次提出并证明。在砷化铝镓-砷化镓材料系统实现的这一装置生长在N⁺基底，具有P型向上/N型向下触头，前者设置在（薄和抛光）基底的背面，后者设置在有效脊上，它是由两个平行、但周期性沟槽分隔套形SEG形成。因此，不适合于与其它功能元件单片集成在同一基底上，至少与无再生长MGVI平台兼容。

图1B为适用于无再生长MGVI平台的LCSEG-DFB激光器，如第二个图解100B所示，以集成在发射器积木形式存在，其具有N型向上/P型向下条带触头，前者设置在激光台面中间的有效脊上，后者设置在激光台面旁的激光台面底部，在激光器后端还设有背面电源监视器，前端设有无源波导激光器，由V.Tolstikhin等人在“横向耦合DFB激光器一步生长在InPPIC”（IEEE光子技术信件，第21册，621页，2009年）中提出并实现。InP基材料体系内的设计和实施的设备在半绝缘的基底上生长，并且可以单片集成在同一基底上，在一步生长工艺中，可通过有源激光器波导下的无源波导与其它功能元件进行光学连接。

图1C为LCSEG-DFB激光器的三维示意图100C，其采用兼容MGVI平台的LCSEG-DFB激光器设计1010，如图1B中的第二图解100B所示，连同N型向上后面电源监视器1020和垂直模式转变1030，将激光输出耦合至PIC的无源波导1040。图1C为兼容MGVI平台的LCSEG-DFB激光器设计，其垂直方向表示生长在SI基底110的有源波导上的P型向下/N型向上激光PIN（即透明状，以便激光发射辐射），这样，可结合和光学连接在同一基底上生长的PIC的其它功能元件并进行处理，没有任何额外的半导体材料的生长步骤或生长步骤后修改。激光PIN结构130包括分别位于顶部和底部的N型InP131和P型InP132发射层，以及之间的SCH层133。SCH层133由AlGaInAs材料形成，具有压缩应变的MQW增益区134，该增益区位于SCH的中间。激光台面140的蚀刻处理从N型InP的发射层131的顶面，通过该层、SCH层133和应变MQW增益区134向下到达P型InP发射层132顶面从侧面进行。有效激光脊形波导由SEG150形成，其蚀刻从N型InP的发射层131的顶面，通过该层，向下到达SCH层133。激光条带P型和N型触头，135、136分别设置在P型发射层132和N型发射层131的顶面（台面140顶面旁）。SEG150由一对周期序列的沟155形成，沟蚀刻在N型InP发射层131边缘任一侧，而中间区域保持不蚀刻，周期横向肋保持在N型InP发射层131内。

在本发明中，现有技术的所有主要功能（无论强弱）均可通过以下方式理解：检查图1C三维示意图100C所代表的设备的制造和性能。在制造方面，最关键的加工步骤是定义和SEG150蚀刻。如高分辨率的光刻技术，例如一个直写电子束光刻，不可选，如上所述，则第一阶SEG也不可选择在1.3　m到1.6m的光谱范围内工作的通信激光器，最有可能的是光栅级别m≥3。由于在这样的SEG内的耦合效率占空比γ更高，其定义为与光栅周期Λ:γ＝a/A相关的光栅齿大小α（见V.Tolstikhin等人的“InP中一步生长光子集成电路的横向耦合DFB激光器”，IEEE光子学技术，第21册，第621页，2009年）。这有一个优点，设计具有非常的SEG占空比很高

然而，这样的光栅应该有一个很窄的沟槽155，该沟槽从台面表面被蚀刻，由于沟槽蚀刻纵横比（定义为沟槽深度与宽度之比）通常不会超过几个单位值，因此这将限制沟槽蚀刻的深度。最终，蚀刻深度限制了高占空比SEG，蚀刻深度越浅，台面表面就余越需要接近激光引导芯，以将耦合效率保持在足够的水平，确保DFB激光器的良好性能。然而，由于顶部的金属，激光条带N型触头136，设置在同一台面表面上，即两个平行成套周期沟槽形成的有效脊顶部，也作为横向耦合波导布拉格光栅。SEG越浅，则基本导光模和顶部触头金属、激光条带N型触头136之间的重叠就越高，使该金属草成更大的腔内损耗。因此，LCSEG-DFB激光器的结构设计面临着要求高耦合效率（表示占空比高）、浅SEG、薄的顶端发射层以及希望降低腔内光损耗（相反，这要求较厚发射层）之间权衡的问题。在解决上述问题的LCSEG-DFB激光器的设计理念范围内，进行一定的优化的确是可能的，如V.Tolstikhin在“InP内无再生长多导垂直集成的分布式反馈激光器”（IEEE光子学会第23届年会特邀报告，丹佛，2010年11月）中所记载，这是一个棘手的问题，也是一个能缓解SEG耦合系数和激光波导顶部金属光损耗之间的权衡问题的设计更改，也是属于SEG-DFB器的概念范围，是非常可取的。

本发明提供了的设计更改如图2A所示，VCSEG-DFB激光器的示例性层结构层200如图所示，与现有技术相同，如图1B所示。示例性层结构200为半导体层的垂直堆叠，以一个生长步骤生长在SI的InP:Fe基底210上，具有激光PIN结构，位于无源光波导220顶部，其中，所述PIN结构包括分别位于顶部和底部的N型InP231、P型InP232发射层，以及SCH层233，包括在两者之间的压缩应变的MQW增益区层234。但是，该设备的横向结构设计与现有技术中的LCSEG-DFB激光器不同，至少体现在以下两个方面。

首先，代替激光台面的边缘处的两个平行成套周期性沟槽，由台面顶面定义并从台面顶面蚀刻，该沟槽形成两个的有效脊波导和横向耦合波导布拉格光栅，上部触头金属设置在有效脊顶部和两个平行成套周期性沟槽之间，如同现有技术中的LCSEG-DFB激光器设计，本发明的VCSEG-DFB激光器在激光台面中间位置具有一套周期性沟槽，也是由台面顶面定义并从台面顶面蚀刻，该沟槽形成了垂直耦合波导布拉格光栅，但不提供横向导向，而上部触头仍设置在台面之上，但在台面中心的周期性沟槽组旁。

其次，因为本发明的VCSEG-DFB激光器的设计中并没有SEG形成的有效脊波导，因此必须提供光场侧面约束装置，而不是现有技术中的LCSEG-DFB激光器设计的那些装置。同时，由于激光台面顶部无法提供横向光学约束-SEG，作为蚀刻在台面中心的一套周期性沟槽，在光栅两侧均具有比完整材料低的折射率（周期平均值）-必须设置在底部或台面内。为此，现有技术中提供了几个解决方案，其提出的目的并不是光场的侧面约束、最常见的脊波导激光结构内的注入电流约束，而是用于现有技术中的侧面引导。同时，这些解决方案实际上同时提供了光场和注入电流的侧面约束，使用时，可涉及激光台面，这样实现自始至终的电气注入和光模重叠。这种性质的一些示例性台面的设计说明如下。

如图2A中本发明第一实施例中第一激光台面的截面图图解280A所示，通过在台面底部对半导体材料进行侧面底切，实现光场和注入电流的横向约束。在实践中，可通过在两个InP层之间插入Ga_xIn_1-xAs_yP_1-y或Al_xGa_yIn_1-x-yAs层，和使用高选择性化学（湿）蚀刻器，可实现InP基材料系统内的横向底切，其中该蚀刻器能以远比蚀刻InP高的速率蚀刻Ga_xIn_1-xAs_yP_1-y或Al_xGa_yIn_1-x-yAs。这一过程虽然与不同配置和不同目的所用的情况相同，但已在现有技术中进行记录，如Z.-Z.Liau等人在美国专利4468850中所述，其中GaInAsP有源层位于P型和N型发射器InP层之间，并设置在生长在N⁺-InP基底上的P型向上/N型向下边缘发射激光器台面底部的垂直堆栈内，该有源层通过质量传输技术被底切，形成一个隐埋异质结构（BHS），或S.Nakagawa等人在名为“光阑、腔内联系、1.55mm的垂直腔面发射激光器88C连续波运行”（应用物理，第78册，第1337页，2001年）中所述，其中，P⁺-InP基底上生长的N型向上/P型向下垂直腔表面发射激光器（VCSEL）台面底部的AlGaInAs有源区被化学底切，以提供电流孔形式的横向注入约束。可替代但功能相似的过程为富含Al材料、三元Al_xIn_1-xAs或四元Al_xGa_yIn_1-x-yAs（夹在两个InP层之间）的横向氧化，以代替底切，如N.Iwai等人在名为“高性能1.3米INASP应变层量子阱ACIS（铝氧化物的局限内条纹）激光器”（IEEE J.选题量子电子，第5册，第3号，第694页，1999年）或M.H.M.Reddy等人在名为“InP基长波长VCSEL内电流约束的晶格匹配Al_0.95Ga_0.05AsSb氧化”（第251册，第1-4号，第776页，2003年）所公开的。对本领域技术人员来说，很清楚的是，提供兼容MGVI平台和适用于本发明背景下的光场横向约束的通用制造方法时，并不在于教导第一台面截面图280B的激光台面横截面所示的设计方案，而整个SCH区（包括MQW）也不受制于台面蚀刻后的侧面更改，但SCH层下和下部P型InP发射器上部专门插入的底切/氧化层则是个例外。本领域技术人员还应理解，在上述任何一种情况下，即，不论是否激光台面底部的专门插入层进行横向底切或横向氧化，最后的侧膜结构均允许进行光场和注入（孔）电流的横向约束，这样，使用时，材料组成、隔膜层厚度和宽度的选择就允许实现光场和有源MQW区材料增益之间最高重叠的设计优化，如SCH层和有源MQW。

图2A中第二激光台面的横截面280C为本发明的第二实施例，光场和注入电流约束通过部分SCH层的半导体材料侧面底切实现，如MQW层，位于台面中间。由于这些层默认为必须具有较窄的带隙和较高的SCH两侧N型和P型InP发射层折射率，因此必须使用除InP外的其它材料制成，最常见的包括Ga_xIn_1-xAs_yP_1-y和Al_xGa_yIn_1-x-yAs材料，之后可再次用于通过选择性化学（湿）蚀刻方式进行侧面底切。现有技术中这一方法示例有，如，D.Pasquariello等人在名为“改进长波长光电器件的选择性底切蚀刻InGaAs和InGaAsP”（J.光子技术，第24册，第3号，第1470页2006年）和D.A.Buell等人的名为“基于InP的1310-1550nm的晶格匹配VCSEL激光器”（LEOS2001，第447页，2001年）。对本领域技术人员来说，这些文件提供的兼容MGVI技术和实现侧膜在台面中间位置的适用的制造装置的通用技术是显而易见的，这一方式通过底切N型和P型InP发射层之间的部分SCH层实现，如第二激光台面截面图280C所示，但不是本发明背景下的发明示例。同时，作为替代的横向底切，可对由Al_xGa_yIn_1-x-yAs材料构成的SCH内富含Al的层进行横向氧化，由于通常情况下，有源MQW层氧化会造成表面重组和漏电流增加，因此这一方式并不是优选方案，结合这些层的横向缩小，可能会严重影响注入效率。

图2C的第三激光台面截面图280D为本发明第三实施例，光场和注入电流的横向约束通过选择性各向异性湿蚀刻来实现，首先从上N型InP发射层向下蚀刻至SCH层，其次SCH层，向下蚀刻值P型InP发射层。这一过程如M.Aoki等人在名为“高性能长波长激光二极管的InP基反相台面脊波导结构”（IEEE J.量子电子选择性主题，第3册，第2号，第672页，1997年）中所述。

本发明上述实施例仅为说明目的，因为它涉及到SEG区域下方的光场提供横向约束的设置-VCSEG-DFB激光器结构中这是必须的，但与LCSEG-DFB激光器相反，它缺乏在SEG区内的横向光学约束，以及从较低发射层向上流到SCH区内MQW有源层的注入电流，虽然有利，但不是绝对必需的功能，使用时允许利用MQW区内材料增益进行光模重叠优化。对本领域技术人员可轻易想到的具有同一用途其它实施例或/和对这些实施例的变更、修改和变化，在不脱离本发明的范围的情况下也包括在内，本发明仅由所附权利要求书限定。

图2B和图3A、3B分别为VCSEG-DFB激光器200的布局示意图，以及与现有技术中对应的LCSEG-DFB激光器的差异。参考本发明第一实施例，其中，通过在台面最底部底切插入AlGaInAs层，提供光场和注入电流约束，该层夹在两个InP层之间，被选择性化学（湿）蚀刻，而InP层不受影响，其它AlGaInAs层，如在SCH区，介质掩模进行保护。

图2B为VCSEG-DFB激光器结构200的三维示意图。该激光器生长在SIFe:InP基底210上，从下到上包括：下部P型InP发射层215，底切AlGaInAs层220，中间带MQW增益区231的上部和下部SCH层230B和230A，顶部为上N型InP发射层240，SEG260从该层顶面向下蚀刻至上部SCH层230B，某些情况下，蚀刻至上部SCH层230B。与图1C所示的相应LCSEG-DFB激光器一样，该结构可设在有源波导层顶部（即为透明状，以便激光发射辐射），使用时，插入基底和下部P型InP发射器之间，为清楚起见，未在图2B中示出。激光台面250按以下蚀刻顺序处理：通过从上N型InP发射层240的顶面，通过该层和SCH层230上部和下部，向下蚀刻到下部P型InP发射层220的顶面。本发明SEG260实施例可为第三阶SEG，以上N型InP发射层240完整材料270分隔开的周期性沟槽265的形式存在，光栅蚀刻深度、宽度和占空比是性能优化设计参数，例如激光模式和光栅之间达到最理想的高耦合系数，而不会由于光栅边缘或激光PIN的直偏下模式增益发散而造成模式损失。激光条带P型和N型触头275A、275B分别设置在上N型InP发射层和下N型InP发射层215的顶面，台面140旁及顶面，这样SEG就定位于两个N型触头275B之间。

需注意的是，具有易与图2B中VCSEG-DFB激光器200结构混淆的结构的DFB激光器在现有技术中已公开，即Z.L.Liau等人在名为“一种新型GaInAsP/InPDFB激光器”（应用物理学报，第46册，第3号，第221页，1985年），以及发明名称为“台面GaInAsP/InP分布式反馈激光器制作工艺”的美国专利4777488和发明名称为“GaInAsP/InP分布式反馈激光”的美国专利4722092。现有技术中，DFB激光器也具有台面结构，布拉格光栅也是通过在台面中心蚀刻周期性沟槽形成，而金属触头设置在光栅两侧的台面顶部。但是，Liau的DFB激光器结构与本发明也存在根本区别。了解这些区别以前，最好先详细了解Liau的基本设计，同时需注意该设计并未进一步改进和/或商业化运作，而是在20多年前销声匿迹。

Liau所公开的制造工艺流包括最初出现的在两个InP层之间的台面内的GaInAsP有源薄层的底切，以形成横向引导，进而公开与所引用发明设计明显兼容的设计。Liau的发明公开了约5.5μm的大致横向蚀刻，以从台面每侧定义有源层条带。然而，Liau随后利用质量运输技术隐埋了有源条形波导，例如，将该结构加入膦在640℃至670℃的温度下进行退火处理。这使InP材料从垂直相邻InP层迁移，这样通过填入移除底切，造成隐埋的有源条带…将有源薄层内的深横向蚀刻（厚度160nm）和质量传输隐埋技术结合，可造成波导的有源核心隐埋，而非台面内的底切。Liau的技术使有源波导几何尺寸高度可变，造成波长、约束、电流阈值等激光性能不稳定，进一步导致商业应用中收益率低。

之后，虽然对于通信窗口为1.3μm和1.55μm的设备，另一实施例要求蚀刻深度为1μm，但Liau仍通过全息光刻法在台面顶部形成SEG，以形成周期约为

和深度为

的一阶光栅。形成SEG的纵横比较高的深沟槽的再现性较差，影响了通过限制因素（如线宽再现性、边模抑制等）制造的DFB设备的性能。相反，本发明实施例对MGVI平台调整了VCSEG设计，带SI基底的无需使用掺杂InP基底、晶圆薄化和背面金属化接触，发射器设在无源波导上方且利用台面旁的侧面接触。此外，本发明的实施例利用高阶SEG结构，使得能够利用传统光学步进式制版光刻机，与标准半导体制造相兼容，并将光栅蚀刻深度限制在上发射层，而不延伸到激光SCH和有源层，以避免损坏/表面缺陷及增益区内干蚀刻层重新结合。因此，本发明的实施例在SEG采用纯指数耦合，而Liau试图向下蚀刻入有源层以实现增益耦合，这从边模抑制角度来说是有利的。

此外，通过使用高阶光栅，本发明的实施例通过按照设计控制耦合虚部的信号来建立“增益型”或“损耗型”复耦合，SEG无需不穿透增益区，参见K.Pimenov等人的“DFB激光器中纵模选择高阶SEG分析”（数值模拟光电器件，第10届国际会议记录，TuC3，2010年9月）。因此，高性能通信DFB设备的边模抑制通过与Liau所采用的不同的耦合方式实现。

与Liau不同的是，本发明的实施例特别采用台面底切或台面横向成形，以提供横向光学约束，不在MGVI内。因此，本发明的实施例在潜藏在Liau现有技术中的底切处利用高对比指数步长，从而减少指数步长和稀释（横向）波导。因此，Liau中的底切用于将有源带限制在埋入的波导结构中，而不是提供横向光学约束。此外，本发明的实施例在限制注入电流时也用到了底切，通过这样适当的设计，为激光器设计提供了另一自由度。此外，本发明实施例的MGVISEG-DFB法允许使用N型向上/P型向下和P型向上/N型向下设计，前者更合适高效注入SEG-DF设备（不论横向或垂直），且N型InP欧姆接触良好，比P型InP上设置一个更容易实现，通常增设用于改进P接触的P型InGaAs无法被较薄上发射层，因为它要吸收所有光线。最后，不同于Liau的多外延生长，MGVISEG-DFB允许无再生长制造，参见美国专利号4777148。

因此，使MGVI VCSEG-DFB激光器区别于传统LCSEG-DFB激光器的一个关键特征是激光光模结构。图3A为LCSEG-DFB激光器光模覆盖有源区物理结构的等高线图，包括一个由约160nm厚的SCH下层构成的半导体堆栈、约220nm厚的MQW有源层、110nm厚的SCH上层和约550nm厚的上发射层。宽4.4μm、光栅宽约1.1μm的台面蚀刻上发射层。这样这种光模由等高线图显示，光模中心朝向MQW有源层，MQW有源层中心垂直对称程度较高。

图3B为MGVI VCSEG-DFB激光器光模覆盖有源区物理结构的等高线图，包括一个由约75nm厚的底切层构成的半导体堆栈、约100nm厚的SCH下层、约150nm厚的MQW有源层、200nm厚的SCH上层和约550nm厚的上发射层。宽4.0μm、光栅宽约0.95μm的台面蚀刻上发射层。从光等高线图可明显看出，光模现已在MQW层增加限制，导致光模增益覆盖增加，从而降低了激光器的阈值电流。此外，光模在此基本上限制在由SCH上层和下层及MQW有源层限定的结构中。

图4为LCSEG-DFB和VCSEG-DFB设备光栅效率计算值对光栅占空比的曲线图，其中LCSEG-DFB和VCSEG-DFB设备采用图3A和3B所示的示例性分层结构。图中的第一曲线图LCSEG410为图3A中用于在PIC平台中实现光学发射器、现有技术的LCSEG结构。很明显，该结构随光栅占空比形成周期效率，光栅占空比峰值约为10%、47%和88%时，周期效率（1/cm）分别约为12、21和57。由于制造复杂性减小，现有技术LCSEG设备通常具有约50%的占空比。

第二个VCSEG420图为本发明一个实施例（如图3B所示），示出了峰值为17.5、33和104时对应的效率（1/cm）。光栅占空比约为50%时，VCSEG的耦合效率提高60%，光栅占空比约为90%时，VCSEG的耦合效率提高超过80%。该领域技术人员明白，可有效利用提高耦合效率来缩短激光腔、波长选择性滤波器及其它采用光栅的设备，及改进合成激光发射器的性能。

本发明的上述实施例仅用作示例。在不偏离本发明权利要求书所定义的范围的前提下，该领域技术人员可对特定实施例进行更换、修改和改变。

Claims (17)

1.一种设备，包括：

在半导体结构内形成的台面，其中半导体结构以支持基本光模的一个生长过程生长在半导体衬底上，包括多个半导体层，在多个半导体层构成的第一预定层内形成的底切和垂直耦合至基本光模的表面蚀刻光栅，其中，所述底切与台面可限制基本光模和电流注入到台面。

2.根据权利要求1所述的设备，其中：

表面光栅处理表面光栅和基本光模之间耦合系数的虚部信号，以建立“增益型”或“损失型”耦合。

3.根据权利要求1至2所述的设备，其中：

台面进一步包括一对分离限制异质结构和有源层，这样基本光模根据注入的电流实现光学增益。

4.根据权利要求1至3所述的设备，其中：

表面蚀刻光栅被蚀刻到多个半导体层的最上层，蚀刻深度为预定深度。

5.根据权利要求1至4所述的设备，进一步包括：

第一电触头，设置在相邻表面蚀刻光栅的台面上，

第二电触头，设置在多个半导体层和相邻台面下面的半导体层上。

6.一种方法，包括：

提供在半导体结构内形成的台面，其中半导体结构以支持基本光模的一个生长过程生长在半导体衬底上，包括多个半导体层，在多个半导体层构成的第一预定层内形成的底切和垂直耦合至基本光模的表面蚀刻光栅，其中，所述底切与台面可限制基本光模和电流注入到台面。

7.根据权利要求6所述的方法，其中：

提供表面光栅的过程包括将表面光栅和基本光模之间耦合系数的虚部信号设定为预定值，以建立“增益型”或“损失型”耦合。

8.根据权利要求6至7所述的方法，其中：

提供台面的过程进一步包括提供一对分离限制异质结构和一个有源层，这样基本光模根据注入的电流实现光学增益。

9.根据权利要求6至8所述的方法，其中：

提供表面蚀刻光栅的过程包括将多个半导体层的最上层蚀刻到预定深度。

10.根据权利要求6至9所述的设备，进一步包括：

提供第一电触头，该触头设置在相邻表面蚀刻光栅的台面上；以及

提供第二电触头，该触头设置在多个半导体层和相邻台面下方的半导体层上。

11.一种设备，包括：

外延半导体结构，包括以一个生长过程在半导体衬底上生长的多个半导体层；以及

处理外延半导体结构的光学发射器，该光学发射器包括：

台面，该台面从发射层的上部顺序向下通过分离限制异质结构、有源层和底切层蚀刻到下发射层的上表面而形成；

底切层，通过蚀刻台面内一层的预定量而形成；以及

表面光栅，在上发射层预定的中间部分形成，其中

所述台面和底切用于提供光学发射器内光模传播的垂直和横向约束。

12.根据权利要求11所述的设备，其中：

台面内的层为底切层或有源层。

13.根据权利要求11至12所述的设备，其中：

台面的层内形成底切的过程进一步包括将台面内其它每层蚀刻预定量，预定量针对其它每层的情况而不同。

14.根据权利要求11至13所述的设备，进一步包括：

垂直耦合器，用于将光学发射器的发射光模耦合到半导体结构内形成的一个无源波导上，该无源波导垂直设置在光学发射器的下方，其特征在于其带隙低于有源层的带隙。

15.根据权利要求11至14所述的设备，其中：

光学发射器至少在DFB和DBR配置中的一个配置下运行。

16.根据权利要求11至15所述的设备，其中：

表面光栅通过对在外延半导体结构的上发射层内的周期性结构中的单一系列蚀刻到上发射层和单独的密闭异质结构中至少一个的预定深度形成。

17.根据权利要求11至16所述的设备，进一步包括：

第一电触头，在上发射层的顶部形成；以及

第二电触头，在下发射层的顶部形成，设置在台面相邻处。

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