CN103779785B - 可实现波长宽调谐的分布反射布拉格激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现波长宽调谐的分布反射布拉格激光器及其制作方法。激光器包括管芯，管芯依次包括衬底、下波导层、有源区层、上波导层、光栅盖层、包层、电接触层，在垂直于各层的叠置方向的水平面的第一方向上延伸有一个脊波导，在该脊波导之外的区域不具有光栅盖层、包层和电接触层；管芯按照在第一方向上的位置分为依次紧邻的光栅区、相区和增益区；在光栅区的脊波导之外的区域，还不具有下波导层、有源区层和上波导层；在光栅区的上波导层的表层具有布拉格光栅。本发明能将波长调谐范围可增大至12nm，既降低了制作工艺的复杂性，同时还能保证产品的成品率和出光功率。

Description

可实现波长宽调谐的分布反射布拉格激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体光电集成技术领域，特别涉及一种可实现波长宽调谐的分布反射布拉格激光器及其制作方法。

背景技术

光网络正在向高速大容量、良好的扩展性和智能化的方向发展。提升光网络的容量时，将更加注重光网络的灵活性和可扩展性，交换智能化和光电子器件集成化是降低运营成本，以应对快速变化的市场环境。发展可调谐器件、多功能集成的光开关器件或组件将是构建智能光网络的基石。

密集波分复用(DWDM)系统的飞速发展带来了对相关器件的强烈需求。目前的DWDM系统普遍已经达到32路波长复用，如果使用普通波长固定的激光器就需要生产出如此多波长，生产工艺的控制要极其严格和烦琐，产品一致性要求非常之高。为保证系统安全性要求做保护备份时，也需要同样多品种的同样数量的器件，系统设备的成本及复杂度将很高。而波长可调激光器能够大大减轻DWDM系统在光源配置、备份和维护上的巨大压力。

可调谐激光器在实现波长灵活切换，避免阻塞，降低网络保护恢复成本，提高可靠性等方面也起着无可代替的作用。基于磷化铟(InP)材料的宽带可调谐激光器具有纳秒级的调谐速度，可以满足包交换的需求；还可以集成更多的电子或光电子器件，形成系统集成芯片以完成更复杂的功能，以满足智能光网络的需求。可调谐激光器还可以用于基于WDM技术的光互连中，代替电缆完成计算机之间或芯片之间的互连。

然而传统的三段式分布反射布拉格激光器的波长调谐范围为3nm～6nm，很难超过10nm。而对于取样光栅分布反射布拉格激光器，由于其器件结构较为复杂，需要对两端光栅同时加偏置电流，使用时较为复杂。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是传统的三段式分布反射布拉格激光器可调谐范围较窄，使用复杂的问题。

(二)技术方案

本发明提供了一种布拉格激光器，包括管芯，管芯为叠层结构，所述叠层结构依次包括衬底、下波导层、有源区层、上波导层、光栅盖层、包层、电接触层，其中，在垂直于所述各层的叠置方向的水平面的第一方向上延伸有一个脊波导，在该脊波导之外的区域不具有所述光栅盖层、包层和电接触层；所述管芯按照在所述第一方向上的位置分为依次紧邻的光栅区、相区和增益区；在所述光栅区，且在所述脊波导之外的区域，除了不具有所述光栅盖层、包层和电接触层，还不具有下波导层、有源区层和上波导层；在所述光栅区的上波导层的表层具有布拉格光栅。

根据本发明的一种具体实施方式，所述衬底由InP制成，所述下波导层和上波导层由InGaAsP制成，所述有源区层由轻掺杂的InGaAsP制成。

根据本发明的一种具体实施方式，所述光栅盖层由InP制成。

根据本发明的一种具体实施方式，所述包层由InP制成。

根据本发明的一种具体实施方式，所述电接触层由P⁺掺杂的InGaAs制成。

根据本发明的一种具体实施方式，在所述脊波导的电接触层之上还形成有电极层。

根据本发明的一种具体实施方式，在所述脊波导的电极层和电接触层中，且在光栅区和相区之间及相区和增益区之间分别形成一个电隔离沟。

本发明还提出一种制作布拉格激光器的方法，所述布拉格激光器包括管芯，管芯为叠层结构，该方法包括如下依次进行的步骤：S1、在一个衬底上依次生长下波导层、有源区层和上波导层；S2、将管芯在水平面的一个方向上依次分为相邻的光栅区、相区和增益区，并对所述光栅区和相区的有源区层进行带隙波长蓝移，所述水平面是垂直于衬底上各层的叠置方向的平面；S3、在所述光栅区的所述上波导层的表层制作布拉格光栅；S4、在所述上波导层上形成光栅盖层、包层和电接触层；S5、在所述光栅区、相区和增益区的包层及电接触层上刻蚀出脊波导；S6、在所述光栅区的脊波导之外的区域，从所述光栅盖层刻蚀至所述下波导层；S7、刻蚀所述电接触层形成电隔离沟，同时对该隔离沟进行He⁺离子注入，以在所述光栅区和相区，所述相区和增益区之间实现电隔离。

根据本发明的一种具体实施方式，在所述步骤S7之后还包括如下步骤：S8、分别在所述光栅区、相区和增益区的脊波导上面的电极接触层上制作电极层；S9、在所述衬底的底部制作电极层。

(三)有益效果

本发明利用在光栅区刻蚀深脊波导，在增益区和相区刻蚀浅脊波导的方法，制造出宽可调谐的分布反射布拉格激光器，将波长调谐范围可增大至12nm既降低了制作工艺的复杂性，同时还能保证产品的成品率和出光功率。

附图说明

图1是本发明的实现波长宽调谐的分布反射布拉格激光器的器件整体结构图；

图2是图1的纵向切面结构图；

图3是图1的俯视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的实现波长宽调谐的分布反射布拉格激光器的器件整体结构图；图2是其纵向切面结构图，图3是其俯视图。请参阅图1，该激光器包括管芯，管芯为叠层结构，依次包括衬底4、下波导层5、有源区层6、上波导层7、光栅盖层81、包层82、电接触层83。

为了描述方便，将上述各层依次叠置的方向定义为垂直方向(即图1中的竖直方向)，将各层的主平面称为水平面。

所述衬底层4可由InP等材料制成，厚度为400微米至600微米。

所述下波导层5用于所述垂直方向限制载流子和光子，可由InGaAsP等四元材料制成，厚度为80纳米至200纳米。

所述有源区层6用于将电能转化为光子，可由轻掺杂的InGaAsP等四元材料制成，厚度为20纳米至100纳米。该有源区层6优选为多量子阱有源区层。

所述上波导层7用于垂直方向限制载流子和光子，可由InGaAsP等四元材料制成，厚度为80纳米至200纳米。

所述在光栅区的上波导层7表层制作有布拉格光栅10。

所述光栅盖层81用于将刻蚀下去的光栅掩埋起来，减小光的损耗，可由InP等材料制成，厚度为50至200纳米。

所述包层82用于形成光传输的波导，可由InP等材料制成，厚度为1.3微米至2微米。

所述电接触层83用于形成金属半导体之间的欧姆接触，可由P⁺掺杂的InGaAs等材料制成，厚度为0.1至0.3微米。

根据本发明，如图2、图3所示，在水平面的一个方向(在此称为第一方向，也即图2、图3的左右方向)上延伸形成一个脊波导，在该脊波导之外的区域不具有光栅盖层81、包层82和电接触层83。

并且，在所述第一方向上，所述管芯按照第一方向上的位置分为依次紧邻的光栅区1、相区2和增益区3。其中在光栅区1，在所述脊波导之外的区域，除了不具有光栅盖层81、包层82和电接触层83，还不具有下波导层5、有源区层6和上波导层7。

也就是说，在所述相区2和增益区3，在不具有脊波导的地方，光栅盖层81、包层82、电接触层83被去除，从而在相区2和增益区3上形成脊波导。脊波导水平面的垂直于第一方向上的宽度可为2微米至4微米，例如3微米。

所述光栅区1，在不具有脊波导的地方，下波导层5、有源区层6、上波导层7、光栅盖层81、包层82、电接触层83被去除，从而在光栅区1上形成3微米的深度更深的脊波导。通过在光栅区1制作深脊波导结构，从而增强对载流子的限制能力，增大电流对光栅区有效折射率的调谐能力，最终实现激射波长宽可调谐。

光栅区1、相区2和增益区3的长度范围分别为200至400微米、50至150微米、100至300微米。增益区1用于产生增益，为反馈腔提供光载流子，相区2用于调节光的有效反馈光程，实际中可以用来微调激光器的激射波长，光栅区3用于选取波长，实现单模激射。

所述光栅区1和相区2的有源区层6的材料进行了带隙波长蓝移。具体方法可以通过量子阱混杂(QWI)或对接(Butt-Joint)无源波导的技术来实现带隙波长蓝移。

此外，在脊波导的电接触层83之上还形成有电极层9。并且，在脊波导的电极层9和电接触层83中，且在光栅区1和相区2之间及相区2和增益区3之间分别形成一个电隔离沟。即所述电隔离沟是去除了电极层9和电接触层83形成的，同时对包层82注入氦离子(He⁺)，因此能实现光栅区1、相区2和增益区3之间的电隔离。

上述激光器的制作方法包括如下步骤：

S1、在一个衬底4上依次生长下波导层5、有源区层6和上波导层7。

可选择n型InP作为衬底，在InP衬底上可依次生长InGaAsP下波导层5、量子阱有源区6、InGaAsP上波导层7。

S2、将管芯在水平面的一个方向上依次分为相邻的光栅区1、相区2和增益区3，并对光栅区1和相区2的有源区层6进行带隙波长蓝移，所述水平面是垂直于衬底上各层的叠置方向的平面。

也就是说，该器件被分成三段结构，三段结构分别为增益区1、相区2、光栅区3；

(接着，可利用量子阱混杂(QuantumWellIntermixing)或对接(Butt-Joint)无源波导的技术对光栅区1和相区2的多量子阱有源区6进行带隙波长蓝移。

S3、在光栅区1的上波导层7的表层制作布拉格光栅10。

布拉格光栅10应制作均匀。

S4、在上波导层7上形成光栅盖层81、包层82和电接触层83。

在整个管芯表面生长InP光栅盖层、p型InP包层和p型InGaAs电接触层材料83。

S5、在光栅区1、相区2和增益区3的包层82及电接触层83上刻蚀出脊波导。

在这里浅脊波导结构是指波导层只包括InP光栅盖层81、p型InP包层82和p型InGaAs电接触层材料83。脊波导宽度为例如为3微米，厚度为InP光栅盖层81、p型InP包层82和p型InGaAs电接触层材料83的总厚度。在增益区3和相区2制作浅脊波导结构能减小增益区3的损耗，提高增益区的发光效率。

S6、在光栅区1的脊波导之外的区域，从上波导层7刻蚀至下波导层(5)。

该步骤在光栅区1形成深脊波导，深脊波导宽度不变，厚度为下波导层5、有源区层6、上波导层7、光栅盖层81、包层82、电接触层83的总厚度。可通过湿法刻蚀和干法刻蚀在光栅区从InP包层及电接触层刻蚀至下波导层5，从而制作深脊波导结构。

S7、在刻蚀电接触层83形成电隔离沟，同时对隔离沟进行He⁺离子注入，在光栅区1和相区2，相区2和增益区3之间实现电隔离。

S8、分别在光栅区1、相区2和增益区3的电极接触层83上制作P面电极层9。

S9、对衬底4进行减薄，然后在衬底4的底部制作N面电极层11。

为了更加清楚的说明本发明的技术方案，下面特举一实施例以体现本发明的效果和优点。

在该实施例中，衬底层4为InP材料，厚度为380微米。

波导层5用于垂直方向限制载流子和光子，由InGaAsP四元材料制成，厚度为150纳米。

有源区层6用于将电能转化为光子，由轻掺杂的InGaAsP四元材料制成，由6个量子阱周期组成，厚度为78纳米。

上波导层7用于垂直方向限制载流子和光子，由InGaAsP四元材料制成，厚度为150纳米。

在光栅区1的上波导层7表层制作有布拉格光栅10，光栅周期为239纳米。

光栅盖层81用于将刻蚀下去的光栅掩埋起来，减小光的损耗，由InP材料制成，厚度为100纳米。

包层82用于形成光传输的波导，由InP材料制成，厚度为1.6微米。

电接触层83用于形成金属半导体之间的欧姆接触，由P⁺掺杂的InGaAs材料制成，厚度为0.2微米。

管芯在水平面的长度方向上分为光栅区1、相区2和增益区3。光栅区1、相区2和增益区3的长度范围分别为300微米、100微米、200微米。增益区1用于产生增益，为反馈腔提供光载流子，相区2用于调节光的有效反馈光程，实际中可以用来微调激光器的激射波长，光栅区3用于选取波长，实现单模激射。

所述光栅区1和相区2的材料6进行了带隙波长蓝移。具体实施方法是通过量子阱混杂(QuantumWellIntermixing)技术来实现带隙波长蓝移，蓝移量为90nm左右，。

在相区2和增益区3，在不具有3微米脊波导结构的地方，光栅盖层81、包层82、电接触层83被去除，从而在相区2和增益区3上形成3微米的脊波导结构。

在光栅区1的不具有3微米脊波导结构的地方，下波导层5、有源区层6、上波导层7、光栅盖层81、包层82、电接触层83被去除，从而在光栅区1上形成3微米的深脊波导结构。该脊波导与相区2和增益区3的脊波导在垂直方向上深度不同，但是在水平面的方向上保持在一条直线上。

在具有脊波导结构的电接触层8上具有电隔离沟，电隔离沟去掉了电接触层83，同时注入氦离子(He⁺)，实现光栅区1、相区2和增益区3之间的电隔离。

分别在光栅区1、相区2和增益区3的3微米脊波导上面的电极接触层83上制作P面电极9，电极由钛(Ti)-金(Au)构成。

对衬底4进行减薄，然后在衬底4的底部制作N面电极11，电极由金锗镍(AuGeNi)-金(Au)构成。

此激光器可以实现单模激射，波长为1550nm附近，同时最大出光功率为20mW。其中最重要的特征是，激射波长可以实现12纳米准连续波长调谐。

本发明在传统的三段式分布反射布拉格激光器的基础上，利用在光栅区刻蚀深脊波导，在增益区和相区刻蚀浅脊波导的方法，以此来增大光栅区载流子的限制作用，增强偏置电流对折射率的调谐能力，最终实现波长的宽可调谐。这种基于光栅区为深脊的分布反射布拉格激光器，可实现波长调谐范围增大至12nm左右，同时保证器件的出光功率不受刻蚀深脊的影响。

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，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)

1.一种布拉格激光器，包括管芯，管芯为叠层结构，其特征在于，所述叠层结构依次包括衬底(4)、下波导层(5)、有源区层(6)、上波导层(7)、光栅盖层(81)、包层(82)、电接触层(83)，其中，

在第一方向上延伸有一个脊波导，在该脊波导之外的区域不具有所述光栅盖层(81)、包层(82)和电接触层(83)，所述第一方向在垂直于所述各层的叠置方向的水平面；

所述管芯按照在所述第一方向上的位置分为依次紧邻的光栅区(1)、相区(2)和增益区(3)；

在所述光栅区(1)，且在所述脊波导之外的区域，除了不具有所述光栅盖层(81)、包层(82)和电接触层(83)，还不具有下波导层(5)、有源区层(6)和上波导层(7)；

在所述光栅区(1)的上波导层(7)的表层具有布拉格光栅(10)。

2.如权利要求1所述的布拉格激光器，其特征在于，所述衬底(4)由InP制成，所述下波导层(5)和上波导层(7)由InGaAsP制成，所述有源区层(6)由轻掺杂的InGaAsP制成。

3.如权利要求1所述的布拉格激光器，其特征在于，所述光栅盖层(81)由InP制成。

4.如权利要求1所述的布拉格激光器，其特征在于，所述包层(82)由InP制成。

5.如权利要求1所述的布拉格激光器，其特征在于，所述电接触层(83)由P⁺掺杂的InGaAs制成。

6.如权利要求1所述的布拉格激光器，其特征在于，在所述脊波导的电接触层(83)之上还形成有电极层(9)。

7.如权利要求6所述的布拉格激光器，其特征在于，在所述脊波导的电极层(9)和电接触层(83)中，且在光栅区(1)和相区(2)之间及相区(2)和增益区(3)之间分别形成一个电隔离沟。

8.一种制作布拉格激光器的方法，所述布拉格激光器包括管芯，管芯为叠层结构，其特征在于，该方法包括如下依次进行的步骤：

S1、在一个衬底(4)上依次生长下波导层(5)、有源区层(6)和上波导层(7)；

S2、将管芯在水平面的一个方向上依次分为相邻的光栅区(1)、相区(2)和增益区(3)，并对所述光栅区(1)和相区(2)的有源区层(6)进行带隙波长蓝移，所述水平面是垂直于衬底上各层的叠置方向的平面；

S3、在所述光栅区(1)的所述上波导层(7)的表层制作布拉格光栅(10)；

S4、在所述上波导层(7)上形成光栅盖层(81)、包层(82)和电接触层(83)；

S5、在所述光栅区(1)、相区(2)和增益区(3)的包层(82)及电接触层(83)上刻蚀出脊波导；

S6、在所述光栅区(1)的脊波导之外的区域，从所述光栅盖层(81)刻蚀至所述下波导层(5)；

S7、刻蚀所述电接触层(83)形成电隔离沟，同时对该隔离沟进行He⁺离子注入，以在所述光栅区(1)和相区(2)，所述相区(2)和增益区(3)之间实现电隔离。

9.如权利要求8所述的制作布拉格激光器的方法，其特征在于，在所述步骤S7之后还包括如下步骤：

S8、分别在所述光栅区(1)、相区(2)和增益区(3)的脊波导上面的电极接触层(83)上制作电极层(9)；

S9、在所述衬底(4)的底部制作电极层(11)。