CN103812002A - 半导体分布反馈激光器 - Google Patents

Abstract

一种半导体分布反馈激光器，包括：有源层、波导层、上包层、下包层，所述有源区具有应变量子阱和应变量子垒交替混合的结构，所述波导层内具有分布反馈激光器腔折射率光栅；其特征在于：所述有源区、波导层、上包层和下包层优选采用热膨胀系数相同或相近的材料制成，所述有源区的压缩应变量子阱的应变值为0.2~1.0%，拉伸应变量子垒的应变值为0.2~1.0%。

Description

半导体分布反馈激光器

技术领域

本发明涉及一种物联网中的光网构架中的用于光通信信号源，信息处理和光纤放大器激发光源的半导体激光器，尤其是一种半导体分布反馈激光器。

背景技术

物联网中需要强大的通信网络作为载体进行信息交换，光纤通信，即光网是目前主流的通信网络。半导体激光器是用电注入或光激发等方式使电子受激辐射跃迁(产生激光)的半导体器件。可用作中、长距离高速光纤通信系统的光源。激光的特点是受激辐射发出的光的全部特性与激发光完全相同。为了使半导体激光器发射激光，要求将大量非平衡载流子注入并限制在有源区以形成粒子数反转分布，使载流子在该区域内受激复合发光。此外，还必须使该区域形成光学谐振腔，光在腔内来回反射而不断被放大，以维持激光振荡。在光纤通信系统中常用的有条型激光器和单频激光器(单纵模激光器)。

分布反馈半导体激光器是在芯片的有源区长度之内含有布喇格(Bragg)衍射光栅的半导体激光器。它与普通半导体激光器的区别是具有不同的光反馈机理：不是由端面反射提供集中反馈，而是由光栅衍射提供分布反馈。这种器件的优点是波长选择性好，发射波长随温度和电流的变化不灵敏，在高速调制下仍然能保持单模0，是一种理想的动态单模激光器。1975年，日本中村道治首先制作了分布反馈半导体激光器。20多年来，分布反馈半导体激光器迅速发展，在室温下连续工作的器件主要有发射波长≈0.85μm的AlGaAs/GaAs器件和发射波长为1.55μm的InGaAsP/InP器件两大系列，是波分复用和大容量、长距离光纤通信系统的理想光源。近几年，量子阱结构分布反馈激光器问世，使器件的阈值电流减小，输出功率增大。单片集成的分布反馈半导体激光器已经研制成功。例如，在一块衬底上集成了五个不同发射波长的分布反馈激光器，以及光波导、耦合器和调制器。目前，在美、日、英、法等国，分布反馈半导体激光器已经商品化，单片集成器件仍然是其主要研究方向。在我国，AlGaAs/GaAs和InGaAsP/InP分布反馈激光器均已研制成功，并在实验系统中试用。此外，也可以在有源区长度之外加上布喇格衍射光栅作为反射器。1981年，日本末松安晴首先制出了这种器件，其性能与分布反馈半导体激光器大致相同，通常称为分布布喇格反射半导体激光器。

1962年后期，美国研制成功GaAs同质结半导体激光器，第一代半导体激光器产生；到1967年人们使用液相外延的方法制成了单异质结激光器，实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器；80年代，量子阱结构的出现使半导体激光器出现了大的飞跃，经过90年代的发展，各方面理论研究和实验技术都得到了提高和成熟。

光通信网络正不断向更高速的方向发展,而激光器的调制带宽却受到了严重的限制，并且由于环境温度的变化，激光器要求能适应很宽工作温度范围，不管是高温还是低温环境，都能良好的工作，故研究宽温度范围超高速调制激光器受到了广泛的关注，与双异质结半导体激光器(DH)相比，量子阱激光器由于其良好的量子限制效应，其具有阈值电流密度低、量子效应好、温度特性好、输出功率大、动态特性好、寿命长、激射波长范围广等等优点，量子阱激光器是半导体激光器发展的主流方向。

本发明设计的基本方法主要依据“能带工程”理论和一般的半导体激光器理论，其赋予半导体激光器以新的生命力，其器件性能出现大的飞跃。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体分布反馈激光器，分布反馈激光器该激光器能够适应未来光通信及信息处理用的高速化，大容量，宽带宽，超高速调制等和光通信的信号源或光纤放大器的激发光源对光源的需要，并且实现在温度变化无常的条件下依然能正常工作的超高速调制的光通信用光源，满足即将大规模铺设的每秒100G光网的激光器光源市场需求，同时由于本发明采用的特殊的材料和制造工艺使得所述激光器具有较好是环境适应性，其能在温度跨度较大的环境中工作，其光输出质量较高。

本发明的技术方案在于：一种半导体激光器，包括

至少具有有源区，波导层，包层，所述有源区具有应变量子阱和应变量子垒交替混合的结构，

所述波导层内具有分布反馈激光器强折射率光栅。

所述有源区为光增益区，是压缩应变量子阱和拉伸应变量子垒的交替混合的多层量子阱结构。

所述分布反馈激光器强折射率光栅为吸收折射率复合光栅或吸收增益光栅。

所述有源区的压缩应变量子阱的应变值为0.2~1.0%，拉伸应变量子垒的应变值为0.2~1.0%。

所述有源区采用InGaAsP或AlInGaAs同一种材料不同组分生长或两种材料交替生长形成光增益区，即形成InGaAsP-InGaAsP或InGaAsP-AlInGaAs或AlInGaAs-AlInGaAs体系。

所述分布反馈激光器强折射率光栅为多段分布反馈激光器强折射率光栅。

所述有源区、波导层、上包层和下包层优选采用热膨胀系数相同或相近的材料制成，这样做的好处在于：在温度变化时不同的半导体层之间其热膨胀变化量基本一致，两个相邻的层之间的挤压应力较小，有利于激光器光输出稳定性的提高。

更优选的，所述有源区、波导层、上包层和下包层采用热膨胀系数相同或相近，其热膨胀系数较小的半导体材料制成。

本发明的另一目的在于提供一种宽温度超高速半导体直调分布反馈激光器激光器的制备方法，该方法能够确保精确地控制和实现激光器的制备。

本发明的另一技术方案在于：一种半导体激光器的制备方法，其特征在于：按以下步骤进行：

1）在InP衬底上一次生长缓冲层、下包层、波导层；

2）在生长波导层时，在波导层内生长吸收层，并在吸收层上刻蚀多段分布反馈激光器强折射率光栅；

3）生长有源区的压应变量子阱及拉应变量子垒；

4）在有源区上方二次外延生长波导层和上包层。

本发明的优点在于：（1）有源区量子阱的应变是压应变，其应变值为0.2—1.0%，而量子垒层是张应变，其应变值在0.2—1.0%之间，这样的设计，限制了载流子的自由行为，减少了电子泄露，并且多量子阱结构降低了增益饱和效应，并且提高了微分增益；

（2）采用InGaAsP-AlGaInAs混合材料，可使量子阱层轻空穴能级和量子垒层轻空穴能级在同一能级上或者相差很小的能量，这有利于光跃迁和载流子在有源区内的均匀分布，可以有效消除空间烧孔效应，并且一般采用应变补偿，使结构的总应变大致为零，这样减小了应变带来的缺陷，确保了材料质量，以使得对空穴的限制弱，有利于空穴的均匀分布和对电子的限制相对强些，进而减少漏电流，降低器件的阈值电流，增强空穴的均匀分布；此种量子化的应变能级结构，本身受温度的影响小，保证了器件的温度稳定性；

（3）波导层设计了多段分布反馈激光器强折射率光栅，以消除模式简并；并在波导层中间或者其顶部的限制层中制备吸收光栅防止在高温工作时发生跳模并有效控制线宽因子的增加。我们通过设定分布反馈激光器光栅的周期性，精确控制发射波长和提高微分增益并减小线宽增强因子，提高了器件的高速性能和温度稳定性。

附图说明

图1为本发明的吸收折射率光栅的复合结构之一。

图2为本发明的吸收折射率光栅的复合结构之二。

具体实施方式

一种半导体激光器，包括

至少具有有源区，波导层，上包层、下包层，其特征在于：

所述有源区具有应变量子阱和应变量子垒交替混合的结构，

所述波导层内具有分布反馈激光器强折射率光栅。

所述有源区、波导层、上包层和下包层优选采用热膨胀系数相同或相近的材料制成，这样做的好处在于：在温度变化时不同的半导体层之间其热膨胀变化量基本一致，两个相邻的层之间的挤压应力较小，有利于激光器光输出稳定性的提高。

更优选的，所述有源区、波导层、上包层和下包层采用热膨胀系数相同或相近，其热膨胀系数较小的半导体材料制成。

一种半导体激光器的制备方法，其特征在于：按以下步骤进行：

1）在InP衬底上一次生长缓冲层、下包层、波导层1；

2）在生长波导层时，在波导层内生长吸收层2，并在吸收层上刻蚀多段分布反馈激光器强折射率光栅3；

3）生长有源区4的压应变量子阱及拉应变量子垒；

4）在有源区上方二次外延生长波导层5和上包层。

或按以下步骤进行：

1）在InP衬底上一次生长缓冲层、下包层、波导层；

2）在波导层内刻蚀多段分布反馈激光器强折射率光栅；

3）生长有源区的压应变量子阱及拉应变量子垒；

4）在有源区上方二次外延生长波导层，在波导层内生长吸收层；

5）生长上包层。

所述有源区为光增益区，是压缩应变量子阱和拉伸应变量子垒的交替混合的多层量子阱结构。

所述分布反馈激光器强折射率光栅为吸收折射率复合光栅或吸收增益光栅。

所述有源区的压缩应变量子阱的应变值为0.2~1.0%，拉伸应变量子垒的应变值为0.2~1.0%。

所述有源区采用InGaAsP或AlInGaAs同一种材料不同组分生长或两种材料交替生长形成光增益区，即形成InGaAsP-InGaAsP或InGaAsP-AlInGaAs或AlInGaAs-AlInGaAs体系。

所述分布反馈激光器强折射率光栅为多段分布反馈激光器强折射率光栅。

本发明所述的半导体激光器有源区采以以InGaAsP为量子阱，AlGaInAs或InGaAsP为势垒，在不影响材料质量的条件下，采用高晶格不匹配常数来提高调制带宽。按预先设计好的外延结构，采用MOCVD或者MBE生长出外延层。

具体的步骤为：在InP衬底上先生长缓冲层，再生长下包层，波导层（SCH层，以下简称SCH层），并通过全息的方法制作多段光栅，然后生长本发明的核心部分：有源区—压应变的量子阱层和拉应变的量子垒，其中阱层的厚度为：5-7.5nm，垒层的厚度为：5-10nm之间，应变都在1.0%以内，发射波长在1.1um-1.7um范围，然后二次外延生长SCH层和上包层，其中，在上包层和SCH层之间，或者是SCH层内生长吸收层，并通过光刻在吸收层上制作光栅以实现增益耦合和消除模式简并，上述这些外延，在MOCVD上都可以实现精确控制。

通过多段光栅可以消除模式简并，而在上、下波导层中间或者上波导层顶部的上包层中制备吸收光栅，进一步消除模式简并，特别是在高温工作时抑制激发波长向长波长方向漂移并有效控制线宽因子的增加，实现稳定地单模输出。

所述的光栅可以是普通的吸收增益结构，也可以是吸收折射率复合结构，图2所示的吸收折射率光栅复合结构之一，其中吸收层制备在上、下波导层中间或者上波导层顶部的上包层中，吸收层内制备光栅，最后将含光栅的吸收层制备成周期结构，其中吸收层的占空比小于0.2；图1所示，吸收折射率复合光栅结构之二，其吸收层制备在上、下波导层中间或者上波导层顶部的上包层中，折射率光栅位于非吸收层所在的波导层中，整个光栅的周期一致，但是光栅在Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ区的折射率不同，以致形成多段光栅；或者，整个光栅的折射率一致，但是光栅在Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ区的周期不同，以致形成多段光栅，另外，多段光栅的数目不限。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种半导体分布反馈激光器，包括：有源层、波导层、上包层、下包层，所述有源区具有应变量子阱和应变量子垒交替混合的结构，所述波导层内具有分布反馈激光器腔折射率光栅；其特征在于：所述有源区、波导层、上包层和下包层优选采用热膨胀系数相同或相近的材料制成，所述有源区的压缩应变量子阱的应变值为0.2~1.0%，拉伸应变量子垒的应变值为0.2~1.0%。

2.如权利要求1所述的分布反馈激光器，所述有源层、波导层、上包层、下包层按照一定的顺序形成在同一衬底上。

3.如权利要求1所述的分布反馈激光器，在所述波导层内形成有光吸收层。

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