CN104466674B - 基于光子晶体y波导的片上集成合束激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

基于光子晶体Y波导的片上集成合束激光器及其制作方法，属于光电半导体技术领域，为了解决半导体激光器单元器件不能很好的兼顾高输出功率和高光束质量的缺点，该激光器是在n型衬底上用金属有机化学气相沉积方法依次生长n型缓冲层、n型包层、下波导层、量子阱、上波导层、p型包层和p型盖层，其还包括三个激光器，该三个激光器与一矩形波导相连接，其中，两平行且有一定间距的激光器与矩形波导左侧连接，另一激光器与矩形波导右侧连接；一矩形波导，该矩形波导与三个激光器相互连接；所述的三个激光器和矩形波导均是在p型盖层上向下刻蚀至p型包层形成的；一Y波导二维光子晶体，该光子晶体位于矩形波导上。

Description

基于光子晶体Y波导的片上集成合束激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种基于光子晶体Y波导的片上集成合束激光器及其制作方法，属于光电半导体技术领域。

背景技术

半导体激光器被广泛应用于工业、军事、医疗、通讯等众多领域，其主要应用有材料加工、激光打印、光存贮的读入和写出、激光测距、泵浦固体激光器、光通信以及光互连等，但低功率限制了半导体激光器的更近一步应用。利用合束可提高输出功率，同时通过对快慢轴准直达到改善光束质量的目的，为更多更广泛的应用提供了可能性。然而合束需要大量的光学元件，不但增加了成本而且整个系统的体积也变大了。为了尽可能的减小系统体积和成本，增大单个管芯的输出功率是一种有效的方法。传统的宽条激光器是合束使用最为广泛的管芯，但是它在保持高输出功率的同时也面临光束质量差的问题，例如光束成丝、空间烧孔等。窄条激光器能实现单模输出，由于腔面承受的功率密度很高，所以输出功率不高。因此具有高功率高光束质量的半导体激光器是迫切需要的。

Y波导被广泛应用于波导干涉仪、光开关、光功分器等，是集成光电子器件中的重要单元器件之一，本发明采用Y波导来对三束激光在同一外延片上进行合束，保证光束质量的同时也提高了输出功率。传统的Y波导是利用全反射原理来对光进行限制的，由于小的折射率差，光在波导中传播的损耗很大，Y分支的角度很小，同时器件达到了几个毫米长。二维光子晶体Y波导，可大大提高器件设计的灵活度和减小损耗。它是利用光子的禁带特性，使得光束在线缺陷所形成的波导中传播，光子晶体弯曲波导可大幅度地减小弯曲处产生的损耗。

发明内容

本发明为了解决半导体激光器单元器件不能很好的兼顾高输出功率和高光束质量的缺点，提出一种基于光子晶体Y波导的片上集成合束激光器及其制作方法，以提供高功率和高光束质量的激光器。

为解决技术问题本发明采取的技术方案如下：

基于光子晶体Y波导的片上集成合束激光器，其包括：

一n型衬底；

一n型缓冲层，该n型缓冲层生长在n型衬底上；

一n型包层，该n型包层生长在n型缓冲层上；

一下波导层，该下波导层生长在n型包层上；

一量子阱，该量子阱生长在下波导层上；

一上波导层，该上波导层生长在量子阱上；

一p型包层，该p型包层生长在上波导层上；

一p型盖层，该p型盖层生长在p型包层上；

其特征是，其还包括三个激光器，该三个激光器与一矩形波导相连接，其中，两平行且有一定间距的激光器与矩形波导左侧连接，另一激光器与矩形波导右侧连接；

一矩形波导，该矩形波导与三个激光器相互连接；

所述的三个激光器和矩形波导均是在p型盖层上向下刻蚀至p型包层形成的；

一Y波导二维光子晶体，该光子晶体位于矩形波导上。

基于光子晶体Y波导的片上集成合束激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在n型衬底上用金属有机化学气相沉积方法依次生长n型缓冲层、n型包层、下波导层、量子阱、上波导层、p型包层和p型盖层；

步骤2，利用光刻和感应耦合等离子体刻蚀方法，在p型盖层上向下刻蚀至p型包层形成三个独立的激光器结构和矩形波导；两平行且有一定间距的激光器与矩形波导左侧连接，另一激光器与矩形波导右侧连接；

步骤3，利用等离子增强化学气相沉积方法，在P面上述得到的结构上继续生长一层二氧化硅绝缘层110；

步骤4，利用光刻和反应离子刻蚀得到激光器的电极窗口，同时去掉矩形波导上的二氧化硅；

步骤5，在矩形波导上，通过电子束曝光和感应耦合等离子体刻蚀得到有Y波导的二维光子晶体；

步骤6，制作p面电极；

步骤7，对n面衬底进行减薄、抛光处理；

步骤8，制作n面电极；

步骤9，解理芯片，在左侧两激光器的左端腔面均镀高反膜，在右侧激光器的右端腔面镀增透膜。

本发明的有益效果是：

本发明是在同一外延片上进行一系列工艺制作，这大大减小了工艺制作的成本和难度。同时由于激光器结构和矩形波导相互连接，避免了激光器与矩形波导之间的界面损耗。靠全反射来对光进行限制的传统Y波导结构，在弯曲波导部分光的损耗很严重，而二维光子晶体很好地解决了这一问题，在矩形波导上通过电子束曝光和感应耦合等离子体刻蚀制作二维三角点阵的空气孔结构可以将光束很好地限制在Y波导中。与此同时，Y波导二维光子晶体结构比传统的Y波导结构缩小了十倍以上，让整个系统的结构更为紧凑。通过引入电子束曝光和感应耦合等离子体刻蚀工艺，很好的解决了在高光束质量的前提下提高输出功率的问题。为半导体激光器的更广泛应用打下了基础。

附图说明

图1是本发明基于光子晶体Y波导的片上集成合束激光器的侧视图。

图2是本发明基于光子晶体Y波导的片上集成合束激光器的俯视图。

图3是本发明所述Y波导光子晶体区域的局部放大图。

具体实施方式

以下结合实施例及附图对本发明作一详细的描述。

如图1、图2及图3所示，本发明基于光子晶体Y波导的片上集成合束激光器，其包括：n型衬底102；n型缓冲层103，该n型缓冲层103生长在n型衬底102上；n型包层104，该n型包层104生长在n型缓冲层103上；下波导层105，该下波导层105生长在n型包层104上；量子阱106，该量子阱106生长在下波导层105上；上波导层107，该上波导层107生长在量子阱106上；p型包层108，该p型包层108生长在上波导层107上；p型盖层109，该p型盖层109生长在p型包层108上；其还包括三个激光器，该三个激光器与一矩形波导117相连接，其中，第一激光器114和第二激光器115平行且有一定间距设置在矩形波导117左侧，第三激光器116设置在矩形波导117右侧。

所述的三个激光器和矩形波导117均是在p型盖层109上向下刻蚀至p型包层108形成的。

Y波导二维光子晶体位于矩形波导117上。

基于光子晶体Y波导的片上集成合束激光器的制作方法，其中包括：

步骤1，选择一n型衬底102；在n型衬底102上用金属有机化学气相沉积方法依次生长n型缓冲层103、n型包层104、下波导层105、量子阱106、上波导层107、p型包层108和p型盖层109。

步骤2，利用光刻技术形成三个激光器和矩形波导掩膜图形；利用感应耦合等离子刻蚀方法从在p型盖层109上向下刻蚀至p型包层108，形成三个独立的激光器结构第一激光器114、第二激光器115、第三激光器116和一个矩形台面117。

步骤3，利用等离子增强化学气相沉积在P面生长一层二氧化硅绝缘层110。

步骤4，利用光刻和反应离子刻蚀得到激光器的电极窗口，同时将矩形波导17上的二氧化硅去掉；

步骤5，利用电子束曝光得到具有Y波导的二维光子晶体阵列掩膜图形；利用反应等离子刻蚀对上述掩膜图形进行刻蚀得到Y波导二维光子晶体图形；

步骤6，制作p面电极111；

步骤7，对n面衬底进行减薄、抛光处理；

步骤8，制作n面电极101；

步骤9，解理芯片，在左侧第一激光器114和第二激光器115的左端腔面均镀高反膜112，在右侧第三激光器的右端腔面镀增透膜113。

实施例：

一种基于光子晶体Y波导的片上集成合束激光器的制作方法，包括如下步骤：

步骤1，选择一镓砷衬底102；在n型镓砷衬底102上利用金属有机化学气相沉积的方法依次生长300nm的n型GaAs缓冲层103，1500nmAl0.6Ga0.4As的n型包层104，150nm的Al0.3Ga0.7As下波导层105，10nm的InGaAlAs单量子阱106，150nm的Al0.3Ga0.7As上波导层107，1500nmAl0.6Ga0.4As的p型包层108以及200nm的p型重掺杂盖层109，所得到的外延片激发波长为808nm；

步骤2，用丙酮、乙醇、异丙醇对外延片进行清洗；

步骤3，在洗好的外延片上涂上光刻胶，然后进行曝光、显影；

步骤4，利用感应耦合离子刻蚀的方法，在p型盖层109上向下刻蚀至p型包层108，达到1微米左右的刻蚀深度，得到三个激光器结构第一激光器114、第二激光器115、第三激光器116和矩形波导117，各个激光器结构的脊宽为10μm，矩形波导117的大小为30*50μm²；

步骤5，用丙酮、乙醇、异丙醇对片子进行超声清洗；

步骤6，利用等离子体增强化学气相沉积在P面生长一层250nm的绝缘层110；

步骤7，在洗好的外延片上涂上光刻胶，然后进行曝光、显影，然后利用反应离子刻蚀去除各个激光器中间的二氧化硅和矩形波导17的二氧化硅；

步骤8，在p面涂上光刻胶，利用电子束曝光在矩形波导上得到具有Y波导的二维光子晶体掩膜图形，然后利用感应耦合离子刻蚀的方法得到上述图形。该图形具有三角点阵结构，圆孔直径150nm，周期310nm，Y波导的宽度为5μm宽；

步骤9，利用磁控溅射设备在P面生长300nm的TiPtAu金111；

步骤10，对n面衬底进行减薄、抛光处理，将厚度减到120μm；

步骤11，利用磁控溅射设备在n面生长500nm的AuGeNi101，将芯片解理；

步骤12，在输入端的第一激光器114和第二激光器115的腔面上镀95％的高反膜112，在输出端的第三激光器116腔面上镀5％的增透膜113。

Claims (8)

1.基于光子晶体Y波导的片上集成合束激光器，其包括：

一n型衬底；

一n型缓冲层，该n型缓冲层生长在n型衬底上；

一n型包层，该n型包层生长在n型缓冲层上；

一下波导层，该下波导层生长在n型包层上；

一量子阱，该量子阱生长在下波导层上；

一上波导层，该上波导层生长在量子阱上；

一p型包层，该p型包层生长在上波导层上；

一p型盖层，该p型盖层生长在p型包层上；

其特征是，其还包括三个激光器，该三个激光器与一矩形波导相连接，其中，两平行且有一定间距的激光器与矩形波导左侧连接，另一激光器与矩形波导右侧连接；

一矩形波导，该矩形波导与三个激光器相互连接；

所述的三个激光器和矩形波导均是在p型盖层上向下刻蚀至p型包层形成的；

一Y波导二维光子晶体，该光子晶体位于矩形波导上。

2.如权利要求1所述的基于光子晶体Y波导的片上集成合束激光器，其特征在于，所述的Y波导二维光子晶体，是通过电子束曝光和感应耦合等离子体刻蚀得到的；Y波导二维光子晶体刻蚀深度不超过到量子阱的深度。

3.如权利要求1或2所述的基于光子晶体Y波导的片上集成合束激光器，其特征在于，所述的二维光子晶体是三角点阵晶格；所述的三角点阵晶格的大小和周期由激射波长和材料所决定。

4.如权利要求3所述的基于光子晶体Y波导的片上集成合束激光器，其特征在于，所述的材料包括GaAs/AlGaAs、GaAs/AlGaInP或InGaAs/AlGaAs材料。

5.如权利要求1所述的基于光子晶体Y波导的片上集成合束激光器，其特征在于，所述的量子阱可以是单一量子阱或多量子阱。

6.如权利要求1所述的基于光子晶体Y波导的片上集成合束激光器，其特征在于，所述位于矩形波导左侧的两个激光器作为输入端，位于矩形波导右侧的激光器作为输出端。

7.如权利要求1所述的基于光子晶体Y波导的片上集成合束激光器，其特征在于，所述左侧两个激光器的左端腔面镀高反膜，右侧的激光器的右端腔面镀增透膜。

8.基于光子晶体Y波导的片上集成合束激光器的制作方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1，在n型衬底上用金属有机化学气相沉积方法依次生长n型缓冲层、n型包层、下波导层、量子阱、上波导层、p型包层和p型盖层；

步骤2，利用光刻和感应耦合等离子体刻蚀方法在p型盖层上向下刻蚀至p型包层形成三个独立的激光器结构和矩形波导；两平行且有一定间距的激光器与矩形波导左侧连接，另一激光器与矩形波导右侧连接；

步骤3，利用等离子增强化学气相沉积方法，在上述得到的结构的P面上继续生长一层二氧化硅绝缘层110；

步骤4，利用光刻和反应离子刻蚀得到激光器的电极窗口，同时去掉矩形波导上的二氧化硅；

步骤5，在矩形波导上，通过电子束曝光和感应耦合等离子体刻蚀得到有Y波导的二维光子晶体；

步骤6，制作p面电极；

步骤7，对n面衬底进行减薄、抛光处理；

步骤8，制作n面电极；

步骤9，解理芯片，在左侧两激光器的左端腔面均镀高反膜，在右侧激光器的右端腔面镀增透膜。