CN103594924A

CN103594924A - 基于重构-等效啁啾的非对称相移布拉格光栅制备激光器及制法

Info

Publication number: CN103594924A
Application number: CN201310484338.4A
Authority: CN
Inventors: 唐松; 陈向飞; 李静思
Original assignee: Nanjing Weining Ruike Information Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Weining Ruike Information Technology Co Ltd
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2014-02-19

Abstract

基于重构-等效啁啾的非对称相移布拉格光栅制备半导体激光器的制备方法，半导体激光器的光栅为取样结构，光栅的相移由重构-等效啁啾方法制作，同时光栅的相移位置激光器腔中心的左或右，以光栅的相移位置偏离激光器腔中心的距离占整个激光器腔长的百分比γ来衡量偏移量，则γ在5%～30%变化，偏移方向左右均可以。上述布拉格光栅（即DFB）半导体激光器中的取样布拉格光栅的取样周期小于10微米，大于1微米。相对于传统的中间相移激光器，在保持动态单模工作的情况下，非对称相移结构能提高激光器一端的输出功率，提高单模成品率，从而设计出更高性能、更高良品率的DFB半导体激光器。

Description

基于重构-等效啁啾的非对称相移布拉格光栅制备激光器及制法

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及含有相移的分布反馈（DFB）激光器，涉及光通信、光子集成、光电传感及其他光电信息领域的应用器件。

背景技术

光通信系统作为现代通信技术的基础，在过去几十年有了长足的发展，随着人类社会信息的爆炸式增长，光通信系统也面临越来越大的挑战。无论是我国的宽带战略，还是美国的“Google光纤”，无论是未来的高清视频点播，还是目前火热的云计算，都要求目前的光通信系统向着高速度、大容量的方向发展。因此，对于作为光通信系统信源的DFB激光器，提出了更高的性能要求。尤其是随着近年来在光子集成技术的突破，以美国Infinera公司为代表的InP基集成技术率先在光通信系统中有了很大的应用，这一技术的应用也促使了Infinera公司在骨干网传输市场的迅速崛起。光子集成技术需要单片集成的DFB激光器阵列的支持，这就对DFB激光器提出了更高的要求，不仅要求制作的DFB激光器有更高的性能，而且对波长的控制要求准确。100GHz的波长间隔是DWDM密集波分复用系统的国际标准，这一标准对应的波长间隔在1550nm处是0.8nm，这么小的波长间隔控制对DFB激光器阵列的制作提出了巨大的挑战。

对均匀光栅制作的折射率耦合的DFB激光器而言，理论分析指出其是双模激射的，而高速的光通信系统对激光器的要求是要有良好的动态单模特性，普通的均匀光栅制作的DFB激光器显然无法满足要求。要达到实用的性能，目前主要有两种方法来实现DFB激光器的单模激射。一种方法是在均匀光栅中间引入λ/4相移，引入相移之后可以打破均匀光栅激光器的双模简并，实现良好的单模特性。但是由于光栅周期才200多nm，这在工艺上并不容易实现，实现方法是用电子束刻写的方法，但会带来巨大的制造成本和时间成本，所以用这种方法制作的激光器虽然拥有很好的性能，但是价格很贵，激光器的高端市场被美国及日本企业所占领。另外一种方法是在激光器的一个端面镀高反膜，另一个端面镀抗反膜，这样的一个不对称结构同样会打破均匀光栅激光器的双模简并，从而实现良好的单模性能。这也是目前DFB我国激光器生产厂商使用的主流方法：先用成本很低的双光束干涉的方法制作均匀光栅，然后在激光器的两端分别镀上高反膜和抗反膜。这样能低成本的制作激光器，但是受到高反膜处随机相位的影响，这样制作的DFB激光器只能达到50%的良品率，并且无法控制激光器的激射波长。

面对光通信系统对DFB激光器提出的越来越高的要求，文献[1]和陈向飞发明专利“基于重构-等效啁啾技术制备半导体激光器的方法及装置”（CN200610038728.9，国际PCT专利，申请号PCT/CN2007/000601）在提高激光器性能、提高激光器生产良品率、准确的控制波长和降低生产工艺等一系列问题上走出了关键的一步。该文献及专利提出，可以利用重构-等效啁啾技术来设计DFB半导体激光器的布拉格光栅，从而可以通过二次光刻来方便的实现光栅中的相移结构，同时可以在光栅中加入啁啾并进行切趾，通过复杂光栅结构的设计来提升激光器的性能。这种与普通IC光刻技术相兼容的技术，简单而方便，完全避免了电子束光刻高昂的制作成本。文献[2]给出了基于重构-等效啁啾技术制作λ/4等效相移DFB激光器的实验验证。而李静思，贾凌慧，陈向飞在中国发明专利“单片集成半导体激光器阵列的制造方法及装置”（申请号：200810156592.0）中指出了该技术可以仅仅通过光刻板的设计，改变取样周期即可实现不同的激射波长，这为激光器阵列的制造带来了福音。施跃春，陈向飞等人在文献[3]中报道了利用等效相移实现的8个波长阵列，更是指出利用取样周期来制作光栅的精度比电子束刻写技术的精度提高了百倍。在实际制作激光器阵列的时候，要实现对激射波长的准确控制，对折射率耦合的激光器，为了避免端面相位的影响，两端只能都镀抗反膜，激光器在两端有相同的出射功率，这就导致了功率的浪费。本文提出的基于重构-等效啁啾技术的非对称相移DFB激光器在保证激射波长准确的基础上，可以提高激光器一端的出射功率，从而提高了激光器性能。同时，一般而言，一端镀高反，一端镀抗反的DFB激光器有更好的直调性能，但是无法准确的控制波长，良品率也很低。本文提出的基于重构-等效啁啾技术非对称相移结构DFB激光器，能降低其波长的变化，并且极大的提高激光器的良品率，对提升激光器的性能有很大的作用。

文献引用

[1]Yitang Dai and Xiangfei Chen,DFB semiconductor lasers based onreconstruction-equivalent-chirp technology,Optics Express,2007,15(5):2348-2353

[2]Jingsi Li,Huan Wang,Xiangfei Chen,Zuowei Yin,Yuechun Shi,YanqingLu,Yitang Dai and Hongliang Zhu,Experimental demonstration of distributedfeedback semiconductor lasers based on reconstruction-equivalent-chirptechnology.Optics Express,2009,17(7):5240-5245

[3]Yuechun Shi,Xiangfei Chen,Yating Zhou,Simin Li,Linlin Lu,Rui Liu,and YijunFeng,Experimental demonstration of eight-wavelength distributedfeedback semiconductor laser array using equivalent phase shift.OpticsLetters,2012,37(16):3315-3317

发明内容

本发明要解决的问题是：针对现有的两端镀抗反膜的中间相移激光器存在的功率浪费问题和一端镀高反膜、一端镀抗反膜的激光器存在的波长控制不准及良品率不高的问题，提出了基于重构-等效啁啾技术的非对称相移光栅结构的DFB激光器及制备方法。提出一种基于重构-等效啁啾技术的非对称相移布拉格光栅来制备DFB激光器、尤其是提出一种通过非对称相移来实现DFB激光器性能优化及提高良品率的技术方案。

本发明的技术方案是：基于重构-等效啁啾的非对称相移布拉格光栅制备半导体激光器，半导体激光器的光栅为取样结构，光栅的相移由重构-等效啁啾方法制作，同时光栅的相移位置激光器腔中心的左或右，以光栅的相移位置偏离激光器腔中心的距离占整个激光器腔长的百分比γ来衡量偏移量，则γ在5%～30%变化；上述布拉格光栅半导体激光器中的取样布拉格光栅的取样周期小于10微米，大于1微米。

基于重构-等效啁啾的非对称相移布拉格光栅制备半导体激光器的制备方法，其特征是半导体激光器的光栅为取样结构，光栅的相移由重构-等效啁啾方法制作，同时光栅的相移位置激光器腔中心的左或右，以光栅的相移位置偏离激光器腔中心的距离占整个激光器腔长的百分比γ来衡量偏移量，则γ在5%～30%变化，偏移方向左右均可以。上述布拉格光栅（即DFB）半导体激光器中的取样布拉格光栅的取样周期小于10微米，大于1微米。

基于重构-等效啁啾技术的非对称相移结构DFB激光器包含以下几种：

进一步的，半导体激光器为等效λ/4相移结构，在光栅的+1级或-1级子光栅实现等效λ/4相移，并且相移不在中间，相移位置距离激光器中心的偏移量γ在5%～30%变化。

进一步的，半导体激光器为等效λ/8相移结构，在光栅的+1级或-1级子光栅实现等效λ/8相移，并且相移不在中间，相移位置距离激光器中心的偏移量γ在5%～30%变化。

进一步的，半导体激光器为等效双λ/8相移结构，在光栅的+1级或-1级子光栅实现等效双λ/8相移，两个λ/8相移的间距占整个激光器腔长的5%～40%，两个λ/8相移的对称中心距离整个激光器的中心的偏移量γ在5%～30%变化。

进一步的，半导体激光器为等效多相移结构，在光栅的+1级或-1级子光栅实现等效多相移，等效多相移结构的对称中心距离整个激光器的中心的偏移量γ在5%～30%变化。

DFB半导体激光器为等效CPM结构，等效CPM结构将DFB激光器分为三段，其中两端的两段的采样周期相同，但与中间一段的采样周期不同，中间一段光栅的中心位置的相对于整个激光器中心的偏移量γ在5%～30%变化。

上述激光器可以一次性集成在同一晶片上，构成DFB半导体激光器单片集成阵列。

上述激光器可以选择两边都镀抗反膜或者一边镀抗反膜、一边镀高反膜。选择两边镀抗反膜的非对称相移光栅结构的DFB激光器，其抗反膜的反射率在1%以内，这样的激光器，在保持单模工作并且波长控制准确的情况下，在靠近相移的激光器一端有较高的出射功率。选择一边镀抗反膜、一边镀高反膜的非对称相移光栅结构的DFB激光器，其抗反膜的反射率在1%以内，高反膜的反射率在70%～100%之间，当相移位置靠近抗反膜的一端时，在抗反膜一端可以获得更高的输出功率，当相移位置靠近高反膜一端时，波长的变化会减小，并且有更高的单模成品率。基于重构-等效啁啾技术的非对称相移布拉格光栅的激光器可以明显的提高激光器的性能。

本发明的有益效果是：本发明基于重构-等效啁啾技术，可以轻易的在亚微米级的精度上实现等效的非对称相移结构的布拉格光栅，相对于传统的中间相移的激光器，非对称相移结构光栅的激光器拥有更好的性能。对于两边镀抗反膜的DFB激光器，得益于重构-等效啁啾技术，可以很好的控制激射波长，在拥有出色的单模工作特性的条件下，非对称相移结构的激光器能够在一端获得更高的输出功率。对于一端镀抗反膜、一端镀高反膜的激光器，非对称相移结构的激光器能够减小波长的变化，提高DFB激光器的良品率。利用此技术，可以实现低成本高性能的DFB激光器及其阵列的批量生产。

相对于传统的中间相移激光器，在保持动态单模工作的情况下，非对称相移结构能提高激光器一端的输出功率，提高单模成品率，从而制备出更高性能、更高良品率（提高良品率10%以上）的DFB半导体激光器。

附图说明

图1为本发明两边镀抗反膜非对称λ/4相移激光器的取样光栅结构示意图。

图2为本发明一边镀抗反膜、一边镀高反膜，且相移靠近高反膜的非对称λ/4相移激光器的取样光栅结构示意图。

图3为本发明一边镀抗反膜、一边镀高反膜，且中间一段光栅靠近高反膜的非对称等效CPM结构激光器的取样光栅结构示意图。

具体实施方式

下面分别就基于重构-等效啁啾技术的非对称λ/4相移DFB半导体激光器两边都镀抗反膜及一边镀抗反膜、一边镀高反膜这两个实例进行描述。

实施例1、工作波长在1550nm波段的基于重构-等效啁啾技术的两边镀抗反膜的非对称λ/4相移DFB激光器：

如图1所示，先进行光刻掩模板的制作。在标准的DFB半导体激光器光刻流程中，加一块含有取样光栅的光刻掩模板，掩模板使用普通微电子工艺制作，在全息光刻做好种子光栅之后使用。取样掩模板的取样周期为4um，取样周期的取样占空比为0.5，相移位置偏离激光器中心的距离占整个激光器腔长的偏移量γ为10%，在相移位置，均匀取样光栅有半个取样周期的突变。但实验中使偏移量γ为15-20%亦无显著区别。

非对称λ/4相移DFB激光器的制作过程是：先进行器件外延材料的生长，在n型衬底材料（掺杂浓度为5*10¹⁶/cm³）上外延n型InP缓冲层（厚度500nm、掺杂浓度为2*）、200nm厚非掺杂晶格匹配InGaAsP下限制层、应变InGaAsP多量子阱（5个量子阱，6个势垒；量子阱厚度为5nm，含有1%的压应力；势垒厚度为10nm，无应变，势阱势垒均不掺杂，光致发光光谱在1.535um）、20nm不掺杂InP刻蚀阻止层、70nm厚的InGaAsP光栅层及15nm厚的不掺杂InP保护层。接下来通过全息曝光和取样掩模板制作含有相移结构的取样光栅，对光栅层材料进行刻蚀形成光栅结构。然后二次外延120nm厚p型InP作为光栅的覆盖层（掺杂浓度为3*10¹⁶/cm³）、1.7um厚的p型InP波导层（掺杂浓度从3*10¹⁶/cm³变化为1*10¹⁶/cm³），最后生长一层150nm厚的p型InGaAs欧姆接触层（掺杂浓度为1*10¹⁶/cm³）。

激光器采用脊波导结构，长度为300um，脊宽为2.5um，脊条两侧沟宽为20um、深1.8um。DFB激光器表面生长200nm厚的SiO₂做绝缘层，然后脊条上面的SiO₂被腐蚀掉并且镀上Ti/Pt/Au做p电极，将激光器衬底抛光减薄至100um，并镀Au/Ge/Ni做n电极。器件的两端镀抗反膜，镀膜后的反射率小于1%。激光器的典型阈值电流为10mA，边模抑制比大于40dB。并且在靠近相移的一端有较高的出射功率。

实施例2：工作波长在1550nm波段的基于重构-等效啁啾技术的一边镀抗反膜、一边镀高反膜的非对称λ/4相移DFB激光器：

如图2所示，先进行光刻掩模板的制作。在标准的DFB半导体激光器光刻流程中，加一块含有取样光栅的光刻掩模板，掩模板使用普通微电子工艺制作，在全息光刻做好种子光栅之后使用。取样掩模板的取样周期为4um，取样周期的取样占空比为0.5，相移位置偏离激光器中心的距离占整个激光器腔长的偏移量γ为20%，在相移位置，均匀取样光栅有半个取样周期的突变。

非对称λ/4相移DFB激光器的制作过程是：先进行器件外延材料的生长，在n型衬底材料（掺杂浓度为5*10¹⁶/cm³）上外延n型InP缓冲层（厚度500nm、掺杂浓度为2*10¹⁶/cm³）、200nm厚非掺杂晶格匹配InGaAsP下限制层、应变InGaAsP多量子阱（5个量子阱，6个势垒；量子阱厚度为5nm，含有1%的压应力；势垒厚度为10nm，无应变，势阱势垒均不掺杂，光致发光光谱在1.535um）、20nm不掺杂InP刻蚀阻止层、70nm厚的InGaAsP光栅层及15nm厚的不掺杂InP保护层。接下来通过全息曝光和取样掩模板制作含有相移结构的取样光栅，对光栅层材料进行刻蚀形成光栅结构。然后二次外延120nm厚p型InP作为光栅的覆盖层（掺杂浓度为3*10¹⁶/cm³）、1.7um厚的p型InP波导层（掺杂浓度从3*10¹⁶/cm³变化为1*10¹⁶/cm³），最后生长一层150nm厚的p型InGaAs欧姆接触层（掺杂浓度为1*10¹⁶/cm³）。

激光器采用脊波导结构，长度为200um，脊宽为2.5um，脊条两侧沟宽为20um、深1.8um。DFB激光器表面生长200nm厚的SiO2做绝缘层，然后脊条上面的SiO2被腐蚀掉并且镀上Ti/Pt/Au做p电极，将激光器衬底抛光减薄至100um，并镀Au/Ge/Ni做n电极。在器件靠近相移的一端镀高反膜，反射率为90%，在另一端镀抗反膜，反射率小于1%。激光器的典型阈值电流为8mA，边模抑制比大于40dB。并且光功率基本都在镀有抗反膜的一端出射。

参见上述，等效λ/8相移结构半导体激光器、等效双λ/8相移结构半导体激光器、等效多相移结构半导体激光器的制备与现有方式相同，主要是有意使λ/8相移的对称中心距离整个激光器的中心的偏移量γ在5%或15%或30%进行偏移。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。在所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims

1.基于重构-等效啁啾的非对称相移布拉格光栅制备半导体激光器，其特征是半导体激光器的光栅为取样结构，光栅的相移由重构-等效啁啾方法制作，同时光栅的相移位置激光器腔中心的左或右，以光栅的相移位置偏离激光器腔中心的距离占整个激光器腔长的百分比γ来衡量偏移量，则γ在5%～30%变化；上述布拉格光栅半导体激光器中的取样布拉格光栅的取样周期小于10微米，大于1微米。

2.基于重构-等效啁啾的非对称相移布拉格光栅制备半导体激光器的制备方法，其特征是半导体激光器的光栅为取样结构，光栅的相移由重构-等效啁啾方法制作，同时光栅的相移位置激光器腔中心的左或右，以光栅的相移位置偏离激光器腔中心的距离占整个激光器腔长的百分比γ来衡量偏移量，则γ在5%～30%变化，上述布拉格光栅半导体激光器中的取样布拉格光栅的取样周期小于10微米，大于1微米。

3.根据权利要求2所述的基于重构-等效啁啾的非对称相移布拉格光栅制备半导体激光器的制备方法，其特征是半导体激光器为等效λ/4相移结构，在光栅的+1级或-1级子光栅实现等效λ/4相移，并且相移不在中间，相移位置距离激光器中心的偏移量γ在5%～30%变化。

4.根据权利要求2所述的基于重构-等效啁啾的非对称相移布拉格光栅制备半导体激光器的制备方法，其特征是半导体激光器为等效λ/8相移结构，在光栅的+1级或-1级子光栅实现等效λ/8相移，并且相移不在中间，相移位置距离激光器中心的偏移量γ在5%～30%变化。

5.根据权利要求2所述的基于重构-等效啁啾的非对称相移布拉格光栅制备半导体激光器的制备方法，其特征是半导体激光器为等效双λ/8相移结构，在光栅的+1级或-1级子光栅实现等效双λ/8相移，两个λ/8相移的间距占整个激光器腔长的5%～40%，两个λ/8相移的对称中心距离整个激光器的中心的偏移量γ在5%～30%变化。

6.根据权利要求2所述的基于重构-等效啁啾的非对称相移布拉格光栅制备半导体激光器的制备方法，其特征是半导体激光器为等效多相移结构，在光栅的+1级或-1级子光栅实现等效多相移，等效多相移结构的对称中心距离整个激光器的中心的偏移量γ在5%～30%变化。

7.根据权利要求2所述的基于重构-等效啁啾的非对称相移布拉格光栅制备半导体激光器的制备方法，其特征是DFB半导体激光器为等效CPM结构，等效CPM结构将DFB激光器分为三段，其中两端的两段的采样周期相同，但与中间一段的采样周期不同，中间一段光栅的中心位置的相对于整个激光器中心的偏移量γ在5%～30%变化。

8.根据权利要求2～6之一所述的基于重构-等效啁啾技术的非对称相移布拉格光栅制备半导体激光器的方法，其特征是DFB激光器两端都采用抗反镀膜，抗反的反射率在1%以内。

9.根据权利要求2～6之一所述的基于重构-等效啁啾技术的非对称相移布拉格光栅制备半导体激光器的方法，其特征是DFB激光器一端采用抗反镀膜，另外一端采用高反镀膜，抗反的反射率在1%以内，高反的反射率在70%～100%之间。

10.权利要求2～8之一所述的激光器一次性集成在同一晶片上，构成DFB半导体激光器单片集成阵列。