CN103956652A - 集成调制器的低成本可调谐dfb半导体激光器及制备方法 - Google Patents

集成调制器的低成本可调谐dfb半导体激光器及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种集成调制器的低成本可调谐DFB半导体激光器，DFB半导体激光器可调谐方案通过重构-等效啁啾技术制作，多个DFB半导体激光器共用一个调制器，并且可以通过增加激光器数目或有源无源集成的方法扩展可调谐的波长范围；集成的调制器是半导体光放大器调制器(SOA)、电吸收调制器(EAM)或马赫-曾德尔调制器(MZM)；可以通过量子阱混杂技术(QWI)、对接生长技术(Butt-joint)或选择区域生长技术(SAG)来实现，其中量子阱材料基于InP/InGaAsP或InP/AlGaInAs材料体系。本发明最少只需要一个调制用的射频端口，从而通过简化封装设计来降低成本，大大提高了实用性与易用性。

Description

集成调制器的低成本可调谐DFB半导体激光器及制备方法
技术领域
本发明属于光电子技术领域，与集成调制器的分布反馈半导体激光器有关，尤其涉及复杂分布反馈可调谐半导体激光器的设计和制作，更具体而言，是集成调制器的基于重构-等效啁啾技术的低成本可调谐分布反馈半导体激光器的方法及装置。
背景技术
在现代的DWDM波分复用系统中，波长可选择的光源一直作为关键器件在光传输系统中扮演重要的角色，而可调谐激光器由于其可选波长的特性，能够大大增加布网的灵活性，并减少系统的能耗及维护成本，因此，可调谐激光器的研发一直为世界各国的研究所及各大公司所关注。
人们对可调谐激光器的研究已有三十多年的历史，主要有三种方案来实现波长的可调谐：外腔结构、采样布拉格反射(SGDBR)激光器以及基于分布反馈激光器(DFB)阵列的结构，这些设计的激光器都能达到40nm的调谐范围，从而满足DWDM系统的要求，但是这三种结构都各有优缺点。
基于外腔结构的激光器是一种混合集成的方式，通过外部光学元件(比如微机电系统MEMS)的机械运动来选择相应的波长，这种方式可以在较宽的波长范围内连续的对波长进行调谐，具有较高的输出功率，并且可以获得较窄的线宽。但是由于尺寸一般在几百微米的数量级，所以对这些光学元件及机械系统的制作有非常高的要求，同时混合集成的封装方式也比较复杂，从而大大的增加了成本，目前并没有很好的实现大规模的商用化。基于外腔结构的可调谐激光器可参见Intel("Automated Optical PackagingTechnology for10Gb/s Transceivers and its Application to a Low-Cost Full C-BandTunable Transmitter,"Intel Technology Journal,vol.08,101-114,2004.)以及NEC("Full C-Band External Cavity Wavelength Tunable Laser Using aLiquid-Crystal-Based Tunable Mirror,"IEEE Phton.Tech.Lett.,vol.17,681-683,2005.)的研究成果。
商用化比较成功的可调谐激光器方案是基于采样的布拉格反射的可调谐半导体激光器方案，对这种类型的激光器的研究也比较广泛。它是利用两个采样的布拉格反射光栅之间的游标效应来实现大范围的波长调谐的，相对于外腔结构，这种方案是单片集成的，不需要外部的机械结构，从而封装和调节相对简单。但是这种方案对半导体工艺要求比较高，需要有源无源集成的工艺，从而增加了工艺的复杂度，降低了成品率。虽然这种类型的可调谐激光器能够达到纳秒数量级的调谐，调谐范围也很宽，但是由于其较高的工艺要求及较低的成品率，使得价格一直居高不下，阻碍了商业化的进程。基于分布布拉格反射结构的可调谐激光器可参见JDSU的SG-DBR结构("Tunable SemiconductorLasers:A Tutorial,"J.Lightwave Technol.,vol.22,193-202,2004.)、Oclaro的DS-DBR结构(”Widely Tunable DS-DBR Laser With Monolithically Integrated SOA:Design and Performance,"IEEE J.Select.Topics Quantum Electron.,vol.11,149-156,2005.)以及Syntune的MGY结构(Jan-OlofStefan Hammerfeldt,Jens Buus,Robert Siljan,Reinhard Laroy,and Harry de Vries,“Design of a WidelyTunable Modulated Grating Y-branch Laser using the Additive Vernier Effect forImproved Super-Mode Selection”)。
而第三种基于分布反馈(DFB)半导体激光器阵列的可调谐方案比较简单，它是利用单模激射的有一定波长间隔的DFB半导体激光器阵列组合得到的。由于每个DFB半导体激光器有3～4nm左右的基于温度的可调谐范围，所以多个不同激射波长的阵列能够组合实现大范围的波长调谐。阵列的耦合可以通过有源无源集成或者混合集成的方式来实现，其中有源无源集成工艺要求比基于采样的布拉格反射的DBR激光器的工艺要求低，混合集成方式也比基于外腔结构的可调谐激光器方案简单(不需要机械部件)，所以有希望实现相对低成本的可调谐激光器的制作。基于分布反馈结构的可调谐激光器阵列可参见NEC的研究成果(“Wavelength-Selectable microarray light sources for S-,C-,and L-band WDM systems,”IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.15,903–905,2003.)，它采用六个8阵列的DFB半导体激光器覆盖了整个S、C和L波段。
然而，要在同一外延片上制作出工作波长不同的激光器并非易事。传统的方法是采用电子束曝光技术，电子束曝光技术虽然可以刻写出不同的光栅周期，但是精度并不能控制的很好，所以在通过温度进行调谐的时候，需要设计额外的补偿电路，相对比较复杂。更重要的是，电子束刻写的技术比较慢，需要很长的时间来刻写，产出率比较低，如果要实现较大的调谐范围，需要的不同波长的激光器就比较多，电子束曝光技术并不能保证很好的成品率。关于这点，南京大学陈向飞教授提出了通过重构-等效啁啾技术(REC技术)来制作不同激射波长的DFB半导体激光器的方法，并且在2006年获得了授权专利“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)，并申请了国际PCT专利(申请号PCT/CN2007/000601)。这种方法基于采样光栅，相移通过重构-等效啁啾技术制作，通过二次曝光，能用普通的光刻技术在同一片子上制作出不同激射波长的DFB半导体激光器。该方法工艺简单，同时能得到很高的成品率，有望解决DFB半导体激光器阵列的制作难题。之后，在2013年，陈向飞教授的学生李连艳提出了基于REC技术制作的DFB半导体激光器阵列的可调谐激光器方案，由专利“基于重构-等效啁啾以及串联技术的低成本可调谐半导体激光器的方法及装置”(申请号：201310548890.5)及专利“基于重构-等效啁啾以及串联/并联混合集成技术的低成本可调谐半导体激光器的方法及装置”(申请号：201310548888.8)实现，有望制作低成本的可调谐激光器。
该可调谐激光器方案虽然解决了波长可调谐的问题，但是并没有很好的处理信号加载的问题，因为在实际使用的过程中，激光器发出的光作为载波，需要调制射频信号才能用于传输系统。比如如今比较热门的Google Fiber，它要求的可调谐激光器要能有至少1Gb/s的调制速率，并且成本要做到100美元以下。而该可调谐方案只能通过激光器直调的方式加载射频信号，要实现大的调谐范围，比如20多nm的调谐范围，至少需要8个激光器通过串联或串联/并联混合集成的方式连接起来，如果每个激光器都要加载射频信号，那就需要至少8个射频端口，这样就会大大增加封装的成本，增加复杂性。对于集成模块，封装的成本一般是芯片成本的数十倍，那么通过简化封装来降低成本就非常具有实际的意义。而且，对激光器进行直调一般并不能达到很高的直调速率，达到10Gb/s的直调速率也要经过很好的优化，而且多端口高速调制的封装不只是国内，甚至在国外都是很难解决的技术难题，这些问题就会大大减弱该可调谐方案的优势。
通过分析该可调谐方案的特点(可调谐要求每次有且仅有一个激光器工作，其它的激光器并不需要工作)，本发明提出了将可调谐激光器和调制器分开，多个激光器共用一个调制器的集成方案。总线式的集成方案最少只需要一个调制器，那对应封装只需要一个调制用的射频端口，这样就会大大的简化封装设计，极大的降低封装的成本。而且根据工艺的难度，本发明提出了分别可以集成半导体光放大器调制器(SOA)、电吸收调制器(EAM)和马赫-曾德尔调制器(MZM)的集成方案。SOA调制器和激光器基于同一外延片，制作工艺简单，适合低速率的调制信号的加载(1Gb/s～5Gb/s)；而EAM和MZM则需要通过量子阱混杂技术(QWI)、对接生长技术(Butt-joint)或选择区域生长技术(SAG)改变有源层的荧光发光光谱(PL谱)来制作，虽然工艺复杂，但是能实现25Gb/s以上的高速调制，其中MZM更能实现复杂的调制格式，这样就大大扩展了可调谐激光器的应用范围，更有助于该可调谐激光器方案的商业化。
发明内容
本发明的目的是通过在可调谐激光器中集成调制器(该可调谐激光器基于重构-等效啁啾技术，通过串联或串联/并联混合集成技术制作)使多个激光器能共用一个调制器，从而大大简化封装结构，降低复杂度及制造成本。
本发明的技术方案是：集成调制器的低成本可调谐DFB半导体激光器，DFB半导体激光器由重构-等效啁啾技术制作，可调谐DFB激光器的方案由专利“基于重构-等效啁啾以及串联技术的低成本可调谐半导体激光器的方法及装置”(申请号：201310548890.5)及专利“基于重构-等效啁啾以及串联/并联混合集成技术的低成本可调谐半导体激光器的方法及装置”(申请号：201310548888.8)实现；多个激光器共用一个调制器，并且可以通过增加激光器数目或有源无源集成的方法方便地扩展可调谐的波长范围。集成的调制器可以是半导体光放大器调制器(SOA)、电吸收调制器(EAM)或马赫-曾德尔调制器(MZM)，可以通过量子阱混杂技术(QWI)、对接生长技术(Butt-joint)或选择区域生长技术(SAG)来实现，其中量子阱材料基于InP/InGaAsP材料体系或InP/AlGaInAs材料体系，本发明侧重可调谐DFB半导体激光器和调制器的集成方案，制作工艺不是重点。
所述集成的调制器是半导体光放大器调制器(SOA)，SOA的制备用的是和DFB半导体激光器相同的外延结构，SOA的长度在100um～500um的范围内，SOA是BH结构或者脊波导结构，脊宽在1.5um～3.5um之间，SOA上面镀有电极。SOA一般用作光放大器，但是在速率要求不高的情况下，也能用作调制器，能达到的调制速率为1Gb/s～5Gb/s。SOA工艺简单，在不需要额外做很多改变的情况下，就可以和DFB半导体激光器很好的集成，尤其不需要改变量子阱结构。SOA和DFB半导体激光器最大的区别在于SOA的区域不存在光栅，所以不存在波长的激射，这一特点可以方便的在制作采样光栅的时候实现。SOA的长度在100um～500um之间，可以是BH结构或者脊波导结构，脊宽在1.5um～3.5um之间，SOA上面镀有电极。
所述集成的调制器是电吸收调制器(EAM)，EAM的制作需要通过改变量子阱结构实现，可以通过量子阱混杂技术(QWI)、对接生长技术(Butt-joint)或选择区域生长技术(SAG)实现。EAM的长度在50um～300um的范围内，可以是BH结构或者脊波导结构，脊宽在1.5um～3.5um之间，EAM上镀有电极。
所述集成的调制器是马赫-曾德尔调制器(MZM)，MZM的制备可以通过量子阱混杂技术(QWI)或对接生长技术(Butt-joint)形成无源的材料实现。通过在无源材料上制备Y分支波导及MZM的两臂可以制作MZM，两臂的长度在0.5um～5um之间，可调谐激光器输出的光先通过Y分支波导分成两路，通过MZM的两臂之后再经过一个Y分支波导合波输出，MZM的两臂之上镀有电极，加电以后可以通过电光效应对光信号进行调制。
其中EAM能达到25Gb/s以上的高速强度调制速率，MZM更能实现复杂调制格式的高速调制。
所述量子阱混杂技术(QWI)能够改变量子阱结构，使有源区的荧光发光光谱(PL谱)发生蓝移，从而通过在没有改变量子阱结构的区域制作DFB半导体激光器，在改变量子阱结构的区域制作EAM或者MZM实现可调谐激光器和调制器的集成。本发明的制备是：EAM或MZM的制作基于量子阱的荧光发光光谱(PL谱)蓝移的区域(PL谱的峰向短波长方向移动)，PL谱的蓝移通过QWI技术实现；QWI技术是指在需要通过改变量子阱结构来制作EAM或MZM的区域通过无杂质诱导(生长二氧化硅或氮化硅薄膜)、杂质诱导、离子注入或激光诱导等方式，在快速退火之后，能改变该区域的量子阱结构，造成该区域量子阱的PL谱蓝移。制作EAM的PL谱相对于未做改变的量子阱的PL谱的蓝移量为30nm～80nm的范围内，而制作MZM相应的蓝移量在50nm以上。
通过在没有改变量子阱结构的区域制作DFB半导体激光器，EAM或MZM的制作基于有源层的PL谱蓝移的区域，PL谱的蓝移通过对接生长技术(Butt-joint技术)实现，可以改变量子阱结构。使有源区的荧光发光光谱(PL谱)发生蓝移，Butt-joint技术是指在需要通过改变有源层结构来制作EAM或MZM的区域，先通过干法腐蚀或者湿法腐蚀的方法，将原来的量子阱有源层腐蚀掉，然后再通过外延生长的方法，在腐蚀掉原有有源层的区域生长PL谱蓝移的量子阱材料或者体材料。然后可以进行其他的后续工艺。制作EAM的有源层的PL谱相对于未做改变的量子阱的PL谱的蓝移量为30nm～80nm的范围内，而制作MZM相应的蓝移量在50nm以上。
所述EAM调制器的制作基于量子阱结构未做改变的区域，而DFB半导体激光器的制作基于有源层的PL谱红移的区域(PL谱的峰向长波长方向移动)，PL谱的红移通过SAG技术实现。SAG技术是指在需要通过改变有源层结构来制作DFB半导体激光器的区域，在外延生长量子阱材料之前，在该区域先生长二氧化硅薄膜，并腐蚀定义出相应的线条图案(二氧化硅掩膜)，然后进行量子阱材料的生长及相应的后续工艺，由于生长的二氧化硅的影响，会导致附近区域生长的量子阱材料的PL谱较完全没有二氧化硅区域生长的量子阱材料的PL谱产生红移，要求相应得到的PL谱的红移量在30nm～80nm的范围内。所述可调谐激光器与调制器集成的方案，其中可调谐激光器通过串联技术实现，在激光的输出端集成调制器(SOA、EAM或MZM)，即在调制器制作在出光的一端，从而所有的激光器可以共用一个调制器。
所述可调谐激光器与调制器集成的方案，其中可调谐激光器通过串联/并联混合集成技术实现，在并联的每一支末端可以集成调制器，然后可以通过用平面光波导(PLC)混合集成的方式、通过单片集成多模干涉耦合器(MMI)或Y分支波导耦合输出，单片集成的无源器件可以通过QWI技术或者Butt-joint技术实现。混合集成的方式是指将可调谐激光器和调制器的集成方案通过平面光波导(PLC)器件耦合输出，该方案有一定的耦合难度。单片集成的方案不需要另外的耦合，但是需要一定的工艺要求，需要单片集成无源耦合器件多模干涉耦合器(MMI)或Y分支波导，无源材料的定义可以通过QWI技术或者Butt-joint技术实现。
所述可调谐激光器与调制器集成的方案，其中可调谐激光器通过串联/并联混合集成技术实现，先将可调谐激光器并联的每一支通过无源耦合器件即单片集成多模干涉耦合器(MMI)或Y分支波导将将所在分支的光光耦合成一路输出，然后在输出端集成调制器，所有激光器共用一个调制器，无源材料的定义可以通过QWI技术或者Butt-joint技术实现。然后在出光端集成调制器，这样所有的激光器可以共用一个调制器，无源材料的定义可以通过QWI技术或者Butt-joint技术实现。
其中可以在光的输出端集成半导体光放大器(SOA)，实现光的放大输出，实现更高的输出功率，可以通过倾斜波导的方式，减小端面的反射率。
所述电隔离方案用来减少电极之间的串扰，通过腐蚀掉外延片最上层强导电的InGaAsP或InGaAs材料来实现电隔离，可以通过在电隔离区域进行离子注入而实现更好的电隔离效果，电隔离区域沿脊条方向的长度在5um到80um范围以内。
所述集成器件解理后两端镀抗反射膜，抗反射膜的端面反射率范围在10-5到10％范围以内。
本发明的有益效果是：通过将可调谐激光器和调制器单片集成，可以形成总线式的结构，多个激光器共用一个调制器可以大大简化封装结构设计，从而降低复杂度及成本。串联的集成方式易于封装，适合小范围内的调谐，串联/并联混合集成技术则可以大大的扩展可调谐的波长范围，而灵活的集成调制器的方案，更能达到预期的实用化的目的。
附图说明
图1基于同一外延片结构集成SOA调制器的四段串联式可调谐激光器方案示意图；
图中1-1背面负电极；1-2N型衬底；1-3下限制层；1-4量子阱层；1-5上限制层；1-6光栅层；1-7腐蚀阻止层；1-8脊条；1-9电隔离区域；1-10正电极；1-11电隔离材料，1-12SOA调制器，1-13DFB激光器。
图2通过SAG技术集成EAM调制器的四段串联式可调谐激光器方案示意图；
图中2-1脊条；2-2电极；2-3电隔离区域；2-4量子阱不变的区域；2-5量子阱PL谱红移的区域
图3QWI技术(溅射二氧化硅薄膜后退火)实现的PL谱峰随退火温度变化的示意图；
图4通过Y分支波导耦合的在两支集成EAM调制器的可调谐激光器集成方案示意图(通过QWI技术及串联/并联混合集成技术制作)；
图中4-1脊条；4-2电极；4-3电隔离区域；4-4PL谱不变的区域；4-5PL谱蓝移50nm的区域；4-6PL谱蓝移100nm的区域；4-7Y分支波导。
图5通过MMI耦合的在出光端集成MZM调制器的可调谐激光器集成方案示意图(通过Butt-joint技术及串联/并联混合集成技术制作)；
图中5-1脊条；5-2电隔离区域；5-3电极；5-4PL谱不变的区域；5-5PL谱蓝移100nm的区域。
具体实施方式
【实施例1】工作波长在1555～1561nm基于同一外延结构集成SOA调制器的四段串联式可调谐DFB半导体激光器(如图1所示)：
先根据工艺步骤进行光刻版的设计与制作，基于重构-等效啁啾技术制作DFB半导体激光器的工艺流程相对于标准的工艺流程多了一步对种子光栅进行二次曝光的过程，二次曝光通过采样光栅版实现。通过在均匀采样光栅中间加入半个采样周期的突变引入等效的pi相移，从而制作等效pi相移的DFB半导体激光器，激光器的不同激射波长通过改变采样周期实现，设计使得三个激光器的激射波长分别在1555nm、1558nm及1561nm(具体排列顺序可视情况优化)，其中SOA区域不需要制作光栅(设计光刻板将这部分的光栅全部腐蚀掉)。
制作的工艺流程如下：
(1)生长一次外延结构：在N型衬底材料上一次外延N型InP缓冲层(厚度200nm、掺杂浓度约为1.1*1018cm-2)、100nm厚非晶掺杂晶格匹配InGaAsP波导层、应变InGaAsP多量子阱层(光荧光波长1.53um，7个量子阱：阱宽8nm，0.5％压应变；垒宽10nm，晶格匹配材料)、50nm厚的InGaAsP光栅材料层。
(2)制作基于重构-等效啁啾技术的DFB半导体激光器：先用全息干涉曝光的方法在光刻胶上制作出种子光栅结构，然后用制作的采样光栅版进行二次曝光，制作含有等效相移的采样光栅结构，并且用干法或湿法腐蚀的方法将光栅图案转移到InGaAsP光栅材料层上。
(3)生长二次外延结构：二次外延100nm厚的P型晶格匹配InGaAsP波导层(掺杂浓度约为1.1*1017cm-2)、1.7微米厚的p型InP限制层(掺杂浓度从3.5*1017cm-2逐渐变化为1*1018cm-2)和200nm厚的P型InGaAs欧姆接触层(掺杂浓度大于1*1019cm-2)。
激光器和SOA都采用脊波导结构，脊宽为2.5um，脊条两侧沟宽为20um、深1.8um。每段DFB激光器的长度都是350um，SOA的长度是300um，相邻的器件之间有50um的电隔离区域，器件的总长度是1500um。先在二次外延后的片子上刻蚀出脊条形貌，然后进行电隔离工艺，将50um电隔离区域上方的强导电层InGaAs材料通过湿法腐蚀的方法腐蚀掉。接着在表面生长200nm厚的SiO2做绝缘层，然后将脊条上面的SiO2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％。
工作的时候在DFB激光器的电极上加直流电流，每一时刻有且仅有一个激光器工作(加的电流远在阈值之上)，另外两个激光器则设置在透明电流，用作无源波导，通过温度可以实现可调谐，3个DFB激光器可以实现9nm的调谐范围(1553.5nm～1562.5nm)。在SOA电极上面则可以加载调制信号，对激光器输出的光进行调制。
【实施例2】工作波长在1555～1561nm集成EAM调制器的四段串联式可调谐DFB半导体激光器(如图2所示，通过SAG技术制作)：
先根据工艺步骤进行光刻版的设计与制作，基于重构-等效啁啾技术制作DFB半导体激光器的工艺流程相对于标准的工艺流程多了一步对种子光栅进行二次曝光的过程，二次曝光通过采样光栅版实现。通过在均匀采样光栅中间加入半个采样周期的突变引入等效的pi相移，从而制作等效pi相移的DFB半导体激光器，激光器的不同激射波长通过改变采样周期实现，设计使得三个激光器的激射波长分别在1555nm、1558nm及1561nm(具体排列顺序可视情况优化)，其中EAM区域不需要制作光栅(设计光刻板将这部分的光栅全部腐蚀掉)。
制作的工艺流程如下：
(1)在N型衬底材料上一次外延N型InP缓冲层(厚度200nm、掺杂浓度约为1.1*1018cm-2)，在生长量子阱结构前先生长一层二氧化硅薄膜，并用光刻的技术腐蚀定义出相应的图案，要将在制作EAM的区域的二氧化硅全部腐蚀掉，这样EAM区域的量子阱结构就不会发生改变，并且在制作DFB激光器的区域刻蚀二氧化硅形成宽度十几微米的线条，在二氧化硅临近的区域会引起后续生长的量子阱结构的改变，产生荧光光谱的红移。
(2)生长100nm厚非晶掺杂晶格匹配InGaAsP波导层、应变InGaAsP多量子阱层(光荧光波长1.49um，7个量子阱：阱宽8nm，0.5％压应变；垒宽10nm，晶格匹配材料)、50nm厚的InGaAsP光栅材料层，并且使制作DFB半导体激光器区域的有源层的PL谱荧光波长红移到1.53um。
(3)制作基于重构-等效啁啾技术的DFB半导体激光器：先用全息干涉曝光的方法在光刻胶上制作出种子光栅结构，然后用制作的采样光栅版进行二次曝光，制作含有等效相移的采样光栅结构，并且用干法或湿法腐蚀的方法将光栅图案转移到InGaAsP光栅材料层上。
(4)生长二次外延结构：二次外延100nm厚的P型晶格匹配InGaAsP波导层(掺杂浓度约为1.1*1017cm-2)、1.7微米厚的p型InP限制层(掺杂浓度从3.5*1017cm-2逐渐变化为1*1018cm-2)和200nm厚的P型InGaAs欧姆接触层(掺杂浓度大于1*1019cm-2)。激光器和EAM都采用脊波导结构，脊宽为2.5um，脊条两侧沟宽为20um、深1.8um。每段DFB激光器的长度都是350um，EAM的长度是300um，相邻的器件之间有50um的电隔离区域，器件的总长度是1500um。先在二次外延后的片子上刻蚀出脊条形貌，然后进行电隔离工艺，将50um电隔离区域上方的强导电层InGaAs材料通过湿法腐蚀的方法腐蚀掉。接着在表面生长200nm厚的SiO2做绝缘层，然后将脊条上面的SiO2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％。
工作的时候在DFB激光器的电极上加直流电流，每一时刻有且仅有一个激光器工作(加的电流远在阈值之上)，另外两个激光器则设置在透明电流，用作无源波导，通过温度可以实现可调谐，3个DFB激光器可以实现9nm的调谐范围(1553.5nm～1562.5nm)。在EAM电极上面则可以加载调制信号，对激光器输出的光进行调制。
【实施例3】工作波长在1544～1559nm每支集成EAM调制器并且通过无源Y分支波导耦合的可调谐DFB半导体激光器(如图4所示，PL谱的蓝移通过QWI技术制作)：
先根据工艺步骤进行光刻版的设计与制作，基于重构-等效啁啾技术制作DFB半导体激光器的工艺流程相对于标准的工艺流程多了一步对种子光栅进行二次曝光的过程，二次曝光通过采样光栅版实现。通过在均匀采样光栅中间加入半个采样周期的突变引入等效的pi相移，从而制作等效pi相移的DFB半导体激光器，激光器的不同激射波长通过改变采样周期实现，设计使得六个激光器的激射波长分别在1544nm、1547nm、1550nm、1553nm、1556nm及1559nm(具体排列顺序可视情况优化)，其中EAM区域及无源Y分支波导区域不需要制作光栅(设计光刻板将这部分的光栅全部腐蚀掉)。
制作的工艺流程如下：
(1)生长一次外延结构：在N型衬底材料上一次外延N型InP缓冲层(厚度200nm、掺杂浓度约为1.1*1018cm-2)、100nm厚非晶掺杂晶格匹配InGaAsP波导层、应变InGaAsP多量子阱层(光荧光波长1.53um，7个量子阱：阱宽8nm，0.5％压应变；垒宽10nm，晶格匹配材料)、50nm厚的InGaAsP光栅材料层。
(2)制作基于重构-等效啁啾技术的DFB半导体激光器：先用全息干涉曝光的方法在光刻胶上制作出种子光栅结构，然后用制作的采样光栅版进行二次曝光，制作含有等效相移的采样光栅结构，并且用干法或湿法腐蚀的方法将光栅图案转移到InGaAsP光栅材料层上。
(3)生长二次外延结构：二次外延100nm厚的P型晶格匹配InGaAsP波导层(掺杂浓度约为1.1*1017cm-2)、1.7微米厚的p型InP限制层(掺杂浓度从3.5*1017cm-2逐渐变化为1*1018cm-2)和200nm厚的P型InGaAs欧姆接触层(掺杂浓度大于1*1019cm-2)。
(4)用QWI技术改变有源层结构，造成PL谱的蓝移：在二次外延后的片子上溅射一层二氧化硅材料，然后用光刻的方法将不需要改变PL谱的区域(做DFB半导体激光器的区域)上的二氧化硅腐蚀掉，经过适当的快速退火之后，在制作EAM及Y分支波导的区域形成50nm的PL谱的蓝移，然后再进行一次光刻，将EAM区域的二氧化硅材料腐蚀掉，再进行一次快速退火的工艺，在制作Y分支波导的区域形成总共100nm的PL谱的蓝移，从而形成无源材料。最后把所有的二氧化硅材料全部腐蚀掉。
激光器、EAM和Y分支波导都采用脊波导结构，脊宽为2.5um，脊条两侧沟宽为20um、深1.8um。每段DFB激光器的长度都是350um，EAM的长度是150um，Y分支波导的总长度为700um，两支的夹角为3度。相邻的器件之间有50um的电隔离区域，器件的总长度是2100um。先在片子上刻蚀出脊条形貌，然后进行电隔离工艺，将50um电隔离区域上方的强导电层InGaAs材料通过湿法腐蚀的方法腐蚀掉。接着在表面生长200nm厚的SiO2做绝缘层或保护层，然后将激光器和EAM调制器区域对应脊条上面的SiO2腐蚀掉并且镀上Ti/Pt/Au做p电极(Y分支波导区域的二氧化硅不需要腐蚀掉，也不需要镀金属电极)，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％。
工作的时候在DFB激光器的电极上加直流电流，每一时刻有且仅有一个激光器工作(加的电流远在阈值之上)，另外五个激光器则设置在透明电流，用作无源波导，通过温度可以实现可调谐，6个DFB激光器可以实现18nm的调谐范围(1542.5nm～1560.5nm)。在EAM电极上面则可以加载调制信号，对激光器输出的光进行调制。在每一支都集成EAM调制器利于分别优化，实现最好的调制性能。
【实施例4】工作波长在1544～1559nm出光端集成MZM调制器并且通过无源耦合器件——多模干涉耦合器(MMI)耦合的可调谐DFB半导体激光器(如图5所示，PL谱的蓝移通过Butt-joint技术制作)：
先根据工艺步骤进行光刻版的设计与制作，基于重构-等效啁啾技术制作DFB半导体激光器的工艺流程相对于标准的工艺流程多了一步对种子光栅进行二次曝光的过程，二次曝光通过采样光栅版实现。通过在均匀采样光栅中间加入半个采样周期的突变引入等效的pi相移，从而制作等效pi相移的DFB半导体激光器，激光器的不同激射波长通过改变采样周期实现，设计使得六个激光器的激射波长分别在1544nm、1547nm、1550nm、1553nm、1556nm及1559nm(具体排列顺序可视情况优化)，其中MZM区域及无源波导耦合区域(MMI)不需要制作光栅(设计光刻板将这部分的光栅全部腐蚀掉)。
制作的工艺流程如下：
(1)生长一次外延结构：在N型衬底材料上一次外延N型InP缓冲层(厚度200nm、掺杂浓度约为1.1*1018cm-2)、100nm厚非晶掺杂晶格匹配InGaAsP波导层、应变InGaAsP多量子阱层(光荧光波长1.53um，7个量子阱：阱宽8nm，0.5％压应变；垒宽10nm，晶格匹配材料)、50nm厚的InGaAsP光栅材料层。
(2)制作基于重构-等效啁啾技术的DFB半导体激光器：先用全息干涉曝光的方法在光刻胶上制作出种子光栅结构，然后用制作的采样光栅版进行二次曝光，制作含有等效相移的采样光栅结构，并且用干法或湿法腐蚀的方法将光栅图案转移到InGaAsP光栅材料层上。
(3)用Butt-joint技术改变有源层，造成PL谱的蓝移：先长一层二氧化硅薄膜做保护膜，然后通过光刻的方法将MZM及MMI对应区域的二氧化硅薄膜腐蚀掉，然后接下去将该区域的量子阱材料腐蚀掉，接着外延生长PL谱蓝移100nm的新的量子阱材料形成无源的结构，从而定义有源及无源区域。
(4)生长二次外延结构：二次外延100nm厚的P型晶格匹配InGaAsP波导层(掺杂浓度约为1.1*1017cm-2)、1.7微米厚的p型InP限制层(掺杂浓度从3.5*1017cm-2逐渐变化为1*1018cm-2)和200nm厚的P型InGaAs欧姆接触层(掺杂浓度大于1*1019cm-2)。
激光器、MZM及MMI的S弯曲波导都采用脊波导结构，脊宽为2.5um，脊条两侧沟宽为20um、深1.8um。每段DFB激光器的长度都是350um，6个激光器分成3支，每支两个激光器，MMI耦合器的总长度为800um，MZM的总长度是2000um。MMI的结构如图5所示，由2个S弯曲波导，1个矩形干涉区域及2段直波导组合而成。MZM的结构如图5所示，由两个Y分支波导及MZM的两臂组成(两个Y分支波导的长度分别为500um，MZM的臂长为1000um)。只有激光器及MZM调制器的两臂上镀有电极，两个相邻的电极之间有50um的电隔离区域，器件的总长度是3600um。先在片子上刻蚀出脊条形貌，然后进行电隔离工艺，将50um电隔离区域上方的强导电层InGaAs材料通过湿法腐蚀的方法腐蚀掉。接着在表面生长200nm厚的SiO2做绝缘层或保护层，然后将激光器和MZM两臂区域对应脊条上面的SiO2腐蚀掉并且镀上Ti/Pt/Au做p电极(无源波导区域的二氧化硅不需要腐蚀掉，也不需要镀金属电极)，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％。
工作的时候在DFB激光器的电极上加直流电流，每一时刻有且仅有一个激光器工作(加的电流远在阈值之上)，另外五个激光器则设置在透明电流，用作无源波导，通过温度可以实现可调谐，6个DFB激光器可以实现18nm的调谐范围(1542.5nm～1560.5nm)。在MZM电极上面则可以加载调制信号，对激光器输出的光进行调制，可以实现复杂的调制格式。

Claims (10)

1.集成调制器的低成本可调谐DFB半导体激光器，DFB半导体激光器可调谐方案通过重构-等效啁啾技术制作，其特征是多个DFB半导体激光器共用一个调制器，并且可以通过增加激光器数目或有源无源集成的方法扩展可调谐的波长范围；集成的调制器是半导体光放大器调制器(SOA)、电吸收调制器(EAM)或马赫-曾德尔调制器(MZM)；可以通过量子阱混杂技术(QWI)、对接生长技术(Butt-joint)或选择区域生长技术(SAG)来实现，其中量子阱材料基于InP/InGaAsP或InP/AlGaInAs材料体系。
2.根据权利要求1所述的集成调制器的低成本可调谐DFB半导体激光器，其特征是集成的调制器是半导体光放大器调制器(SOA)，SOA的制备用的是和DFB半导体激光器相同的外延结构，SOA的长度在100um～500um的范围内，SOA是BH结构或者脊波导结构，脊宽在1.5um～3.5um之间，SOA上面镀有电极；集成的调制器是电吸收调制器(EAM)，EAM的制备通过量子阱混杂技术(QWI)、对接生长技术(Butt-joint)或选择区域生长技术(SAG)实现，EAM的长度在50um～300um的范围内，是BH结构或者脊波导结构，脊宽在1.5um～3.5um之间，EAM上镀有电极。
3.根据权利要求1所述的集成调制器的低成本可调谐DFB半导体激光器，其特征是集成的调制器是马赫-曾德尔调制器(MZM)，先通过量子阱混杂技术(QWI)或对接生长技术(Butt-joint)形成无源材料，然后在无源材料上制备Y分支波导及MZM的两臂，两臂的长度在0.5mm～5mm之间，激光器输出的光先通过Y分支波导分成两路，通过MZM的两臂之后再经过一个Y分支波导合波输出，MZM的两臂之上镀有电极，加电以后通过电光效应对光信号进行调制，能够实现复杂的调制格式。
4.根据权利要求2或3所述的集成调制器的低成本可调谐DFB半导体激光器的制备方法，其特征是所述量子阱混杂技术(QWI)能够改变量子阱结构，使有源区的荧光发光光谱(PL谱)发生蓝移，从而通过在未改变量子阱结构的区域制作DFB半导体激光器，在改变量子阱结构的区域制作EAM或者MZM实现可调谐激光器和调制器的集成；EAM或MZM的制作基于量子阱的荧光发光光谱(即PL谱)蓝移的区域，PL谱的蓝移通过QWI技术实现；QWI技术是指在需要通过改变量子阱结构来制作EAM或MZM的区域通过无杂质诱导(即通过生长二氧化硅或氮化硅薄膜)、杂质诱导、离子注入或激光诱导方式，在快速退火之后，能改变该区域的量子阱结构，造成该区域量子阱的PL谱蓝移；制作EAM的PL谱相对于未做改变的量子阱的PL谱的蓝移量为30nm～80nm的范围内，而制作MZM相应的蓝移量在50nm以上。
5.根据权利要求4所述的集成调制器的低成本可调谐DFB半导体激光器的制备方法，其特征是实现可调谐激光器和调制器的集成的方法是，通过在未改变量子阱结构的区域制作DFB半导体激光器，EAM或MZM的制作基于有源层的PL谱蓝移的区域，PL谱的蓝移通过对接生长技术(Butt-joint技术)实现，改变量子阱结构，使有源区的荧光发光光谱(PL谱)发生蓝移；对接生长技术是指在需要通过改变有源层结构来制作EAM或MZM的区域，先通过干法腐蚀或者湿法腐蚀的方法，将原来的量子阱有源层腐蚀掉，然后再通过外延生长的方法，在腐蚀掉原有有源层的区域生长PL谱蓝移的量子阱材料或者体材料；制作EAM的有源层的PL谱相对于未做改变的量子阱的PL谱的蓝移量为30nm～80nm的范围内，而制作MZM相应的蓝移量在50nm以上。
6.根据权利要求4或5所述的集成调制的低成本可调谐DFB半导体激光器的制备方法，其特征是EAM调制器的制作基于量子阱结构未做改变的区域，而DFB半导体激光器的制作基于有源层的PL谱红移的区域(PL谱的峰向长波长方向移动)，PL谱的红移通过SAG技术实现；SAG技术是指在需要通过改变有源层结构来制作DFB半导体激光器的区域，在外延生长量子阱材料之前，在该区域先生长二氧化硅薄膜，并腐蚀定义出相应的线条图案即二氧化硅掩膜的图案，然后进行量子阱材料的生长及相应的后续工艺，由于生长的二氧化硅的影响，会导致附近区域生长的量子阱材料的PL谱较完全没有二氧化硅区域生长的量子阱材料的PL谱产生红移；从而能够通过在红移的区域制作DFB半导体激光器，在量子阱结构没做改变的区域制作EAM来实现可调谐激光器和调制器的集成，要求相应得到的PL谱的红移量在30nm～80nm的范围内。
7.根据权利要求4所述的集成调制的低成本可调谐DFB半导体激光器的制备方法，其特征是可调谐激光器通过串联技术实现，在激光的输出端集成调制器(SOA、EAM或MZM)，即调制器制做在出光的一端，从而所有的激光器共用一个调制器；
所述可调谐激光器与调制器集成的方案，其中可调谐激光器通过串联/并联混合集成技术实现，在并联的每一支末端集成调制器，然后通过用平面光波导(PLC)混合集成的方式、单片集成多模干涉耦合器(MMI)或Y分支波导耦合输出，单片集成的无源器件通过QWI技术或者Butt-joint技术实现。
8.根据权利要求4所述的集成调制的低成本可调谐DFB半导体激光器的制备方法，其特征是所述可调谐激光器与调制器集成的方案，其中可调谐激光器通过串联/并联混合集成技术实现，先将可调谐激光器并联的每一支通过无源耦合器件(即单片集成多模干涉耦合器(MMI)或Y分支波导)将所在分支的光耦合成一路输出，然后在输出端集成调制器，所有激光器共用一个调制器，无源材料的定义可以通过QWI技术或者Butt-joint技术实现。
9.根据权利要求8所述的集成调制器的低成本可调谐DFB半导体激光器的制备方法，其特征是在光的输出端集成半导体光放大器(SOA)，实现光的放大输出，通过倾斜波导的方式，减小端面的反射率；或/以及集成器件解理后，两端镀抗反射膜，抗反射膜的端面反射率范围在10-5到10％范围以内。
10.根据权利要求8～9之一所述的集成调制器的低成本可调谐DFB半导体激光器的制备方法，其特征是电极之间通过电隔离区来减少串扰，通过腐蚀掉外延片最上层强导电的InGaAsP或InGaAs材料来实现电隔离，通过在电隔离区域进行离子注入而实现更好的电隔离效果，电隔离区域沿脊条方向的长度在5um到80um范围以内。
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Assignee: Wuxi dekeli Optoelectronic Technology Co.,Ltd.

Assignor: Nanjing Huafei Photoelectric Technology Co., Ltd

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Denomination of invention: Low cost tunable DFB semiconductor laser with integrated modulator and its fabrication method

Granted publication date: 20180831

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