CN104701734A - 一种半导体激光器及其制作方法及激光器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器，在激光器取样光栅位置对称的设置3个2π/3相移，3个2π/3相移分别对称的设置在激光器腔长L的1/4、1/2、3/4处；所述取样光栅为布拉格光栅，且是等效相移光栅。本发明还公开了一种半导体激光器的制作方法。本发明还公开了一种半导体激光器的多波长半导体激光器阵列。

Description

一种半导体激光器及其制作方法及激光器阵列

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及光纤通讯、光子集成以及其他光电信息处理。尤其是基于重构—等效啁啾技术的三相移DFB半导体激光器及其制作方法及激光器阵列。

背景技术

DFB(Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器半导体激光器是指分布反馈式激光器，由于内置布拉格光栅，具有良好的滤波特性，能够筛选出不同波长。高功率、单纵模、窄线宽的DFB半导体激光器是现代光纤通信的核心光源。为了提高DFB半导体激光器的单模成品率，通常在激光器腔的中间位置引入λ/4相移，然而这种λ/4相移使得激光器的光场分布不均匀，尤其在腔长中间位置出现尖峰，中间位置光场的高度集中导致此处的载流子大量消耗，从而导致有效折射率的改变引起空间烧孔效应。空间烧孔效应改变了激光器谐振腔内光反馈的强度及相位，引起增益谱的起伏波动，会导致对边模抑制作用的减弱，激光器光功率曲线呈现非线性，破坏单模工作方式。

为此，人们提出了多种特殊光栅结构的DFB半导体激光器来抑制空间烧孔效应，如周期调制(Corrugation Pitch Modulated)、多相移(Multiple phase-shift)、幅度调制耦合(Amplitude modulated coupling)DFB半导体激光器等方法。例如文献(M.Okai,N.Chinone,H.Taira,and T.Harada.Corrugation-pitch-modulated phase-shifted DFB laser(周期调制相移DFB激光器),IEEE Photonics Technology Letters,1989,1(8):200–201.)提出的周期调制CPM-DFB，通过在激光器腔中心引入一段周期与两侧不同的光栅，从而实现抑制空间烧孔效应、高功率下稳定单模工作的目的。文献(G.P.Agrawal,J.E.Geusic,and P.J.Anthony.Distributed feedback lasers with multiple phase-shift regions(多相移DFB激光器研究),Applied Physics Letters,1988,53(3):178–179.)通过相移的调整使得光场沿腔分布更加均匀，从而减小空间烧孔效应。文献(T.Fessant.Large signal dynamics ofdistributed feedback lasers with spatial modulation of their coupling coefficient and gratingpitch(耦合系数及周期调制DFB激光器的大信号特性研究),Applied Physics Letters,1997,71(20):2880–2882.)通过制作不同形状的光栅来实现耦合系数和幅度增益的调制，达到抑制空间烧孔效应的目的。虽然这些结构都能有效的改善DFB激光器的性能，但由于光栅结构比较复杂，实际制作起来工艺复杂、成品率低，目前主要的解决方法是利用电子束曝光技术来精确控制激光器的光栅结构。

另一方面，目前的光网络主要由各种分立的光子器件组成。随着信息容量爆炸式的增长，这种分立的光器件组合方式会带来很多问题，比如系统结构非常复杂而庞大、能耗大量增加、管理成本也迅速提高。这些问题导致了现有的网络实现方法将很难进一步的维持下去。为了解决这些问题，光子集成技术被普遍认为是该问题的主要解决方法而受到广泛的关注和研究。光子集成回路和目前的电子集成回路是等价的。它将很多个功能光子器件集成在同一个半导体衬底上，以实现一个特定的功能。比如美国英飞朗公司(Infinera Corp.)将10个光探测器、多波长DFB半导体激光器、电吸收调制器、放大器以及一个阵列波导光栅(AWG)集成在一个InP衬底上实现10*10Gb/s的波分复用(WDM)发射芯片(文献David F.Welch,et.al,Large-scale InP photonic integratedciruits:Enabling efficient scaling of optica；transport networks(大规模铟磷基光子集成回路：光传输网有效解决方案),IEEE Journal of selected topics in quantum electronics,2007,13(1):22-31.)。作为光子集成芯片的“发动机”，集成多波长DFB半导体激光器阵列是其中非常关键的元件(文献陈向飞，刘文，安俊明，刘宇，徐坤，王欣，刘建国，纪越峰，祝宁华，“多波长激光发射光子集成技术”科学通报,2011,56(25):2119-2126.)。但是，目前低成本制造还比较困难。DFB半导体激光器阵列的制造主要有两方面的关键问题。其一，DFB激光器阵列中每个激光器波长的准确以及单独的控制，这需要每个激光器光栅周期的准确控制。其二，一个多波长阵列的成品率是每个激光器成品率的激光器个数的指数倍，所以，如果整个阵列芯片有比较好的成品率，每个激光器需要很高的成品率。对于以上两个问题，目前主要的解决方法有，利用电子束曝光技术精确控制每一个激光器的光栅周期，同时在光栅中间位置插入π相移。同时，激光器两端镀增透膜或者制作倾斜的谐振腔波导，避免端面反射和端面随机相位的影响(文献Peter P.G.Mols,P.I.Kuindersma,Wilma Van Es-Spiekman,and InGrid A.F.Baele,Yieldand device characteristics of DFB lasers:statistics and novel coating design in theory andexperiment(DFB激光器的成品率与器件的特性：统计特性和新型镀膜的设计理论以及实验),IEEE Journal of quantum electronics,1989,25(6):1303-1313.)。这样每个激光器的激射波长完全处于Bragg光栅光谱的禁带中心。但是对于它的制造也面临同样的问题，相移需要纳米量级的控制，实际制作的时候比较困难。所以往往借助于电子束曝光技术。然而，电子束曝光的方法是将光栅条纹一条一条刻写，非常耗时，制作成本很高，限制了它的实际应用，如果是多波长激光器阵列，制作效率更低、成本更高。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种半导体激光器及其制作方法及激光器阵列。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种半导体激光器，在激光器取样光栅位置对称的设置3个2π/3相移，3个2π/3相移分别对称的设置在激光器腔长L的1/4、1/2、3/4处；所述取样光栅为布拉格光栅，且是等效相移光栅。

本发明中，所述的布拉格光栅结构是在种子光栅的周期、折射率调制恒定、取样周期相同的条件下制作的取样布拉格光栅；种子光栅是通过全息干涉曝光法、双光束干涉法、电子束或纳米压印法中的任意一种制作而成的种子光栅。

本发明中，选用取样光栅的±1级子光栅之一作为激射信道。

本发明中，该激光器的输入端面和输出端面均镀高透膜AR，且高透膜的端面反射率在1％以内。

本发明中，制作激光器的半导体材料的增益中心设置在所选择的激射信道布拉格波长处而远离零级信道布拉格波长。

本发明还公开了一种半导体激光器的制作方法，包括以下步骤：

在n型衬底材料上一次外延n型InP缓冲层、100nm厚的非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层作为下波导层、应变InGaAsP多量子阱和100nm厚的p型晶格匹配InGaAsP波导层作为上波导层；

通过具有三相移结构的取样图案的掩模板，运用全息干涉曝光的方法在上波导层形成激光器的光栅结构；

制作取样光栅，通过二次外延生长p型InP缓冲层和p型InGaAs波导层，刻蚀形成脊形波导和接触层；

通过等离子加强化学汽相沉积法将脊形周围填充SiO₂或有机物BCB形成绝缘层；

镀上Ti-Au构成金属P电极；

半导体器件两端面都镀上增透膜。

本发明半导体激光器的制作方法中，n型InP缓冲层厚度200nm、掺杂浓度1.1×10¹⁸cm^-2；应变InGaAsP多量子阱的光荧光波长1.52微米，含有7个量子阱，阱宽8nm，0.5％压应变，垒宽10nm，晶格匹配材料；p型晶格匹配InGaAsP波导层掺杂浓度约1.1×10¹⁷cm^-2；p型InGaAsP波导层厚度100nm，掺杂浓度大于1×10¹⁹cm^-2；脊波导长度为300微米，脊宽3微米，脊侧沟宽20微米，深1.5微米。

本发明有利于减小激光器在高温、高注入电流情况下的空间烧孔效应，此外，对称的相移结构能够控制激光器激射波长于布拉格波长位置。

本发明半导体激光器的制作方法中，取样光栅采用如下方法制作：

在光刻版即光掩膜上设计并制作三相移取样图案，即该取样图案结构具有对称的等效2π/3相移；

使用全息曝光技术在光刻胶上形成均匀光栅图案；

通过带有三相移结构的等效光栅对应的具有取样图案的光刻版进行曝光，把该光刻版的图案复制到晶片的光刻胶上；在光刻胶上形成取样图案，再腐蚀晶片在晶片上形成相应的DFB光栅图案。

本发明还公开了一种半导体激光器的多波长半导体激光器阵列，阵列中设置每个激光器的取样周期P来确定激射波长。通过设置不同的取样周期，从而控制激射波长，实现多波长三相移DFB激光器阵列。

本发明基于重构—等效啁啾(REC)技术设计三相移DFB激光器结构，这种分散的相移结构能够使得DFB激光器内部光场分布更加均匀，达到抑制空间烧孔效应的目的。同时，激光器两个端面镀增透膜，使得激射波长完全控制在布拉格波长位置，有利于波长的精确控制。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明等效三相移DFB激光器结构示意图。

图2a为本发明30mA注入电流下等效、实际三相移以及实际π相移DFB激光器内部光场图。

图2b为本发明30mA注入电流下等效、实际三相移DFB激光器光谱图。

图3为本发明四通道等效三相移DFB半导体激光器阵列每个激光器具有不同的取样周期P示意图。

图4为本发明取样光栅制作示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种半导体激光器，在激光器取样光栅位置对称的设置3个2π/3相移，3个2π/3相移分别对称的设置在激光器腔长L的1/4、1/2、3/4处；所述取样光栅为布拉格光栅，且是等效相移光栅。

本发明公开的一种半导体激光器，所述的布拉格光栅结构是在种子光栅的周期、折射率调制恒定、取样周期相同的条件下制作的取样布拉格光栅；种子光栅是通过全息干涉曝光法、双光束干涉法、电子束或纳米压印法中的任意一种制作而成的种子光栅。

本发明公开的一种半导体激光器，选用取样光栅的±1级子光栅之一作为激射信道。

本发明公开的一种半导体激光器，该激光器的输入端面和输出端面均镀高透膜，且高透膜的端面反射率在1％以内。

本发明公开的一种半导体激光器，制作激光器的半导体材料的增益中心设置在所选择的激射信道布拉格波长处而远离零级信道布拉格波长。

本发明还公开一种半导体激光器的制作方法，包括以下步骤：

在n型衬底材料上一次外延n型InP缓冲层、100nm厚的非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层作为下波导层、应变InGaAsP多量子阱和100nm厚的p型晶格匹配InGaAsP波导层作为上波导层；

通过具有三相移结构的取样图案的掩模板，运用全息干涉曝光的方法在上波导层形成激光器的光栅结构；

制作取样光栅，通过二次外延生长p型InP缓冲层和p型InGaAs波导层，刻蚀形成脊形波导和接触层；

通过等离子加强化学汽相沉积法将脊形周围填充SiO₂或有机物BCB形成绝缘层；

镀上Ti-Au构成金属P电极；

半导体器件两端面都镀上增透膜。

本发明所述的一种半导体激光器的制作方法，其特征在于，n型InP缓冲层厚度200nm、掺杂浓度1.1×10¹⁸cm^-2；应变InGaAsP多量子阱的光荧光波长1.52微米，含有7个量子阱，阱宽8nm，0.5％压应变，垒宽10nm，晶格匹配材料；p型晶格匹配InGaAsP波导层掺杂浓度约1.1×10¹⁷cm^-2；p型InGaAsP波导层厚度100nm，掺杂浓度大于1×10¹⁹cm^-2；脊波导长度为300微米，脊宽3微米，脊侧沟宽20微米，深1.5微米。

本发明所述的一种半导体激光器的制作方法，取样光栅采用如下方法制作：

在光刻版即光掩膜上设计并制作三相移取样图案，即该取样图案结构具有对称的等效2π/3相移；

使用全息曝光技术在光刻胶上形成均匀光栅图案；

通过带有三相移结构的等效光栅对应的具有取样图案的光刻版进行曝光，把该光刻版的图案复制到晶片的光刻胶上；在光刻胶上形成取样图案，再腐蚀晶片在晶片上形成相应的DFB光栅图案。

本发明阵列中设置每个激光器的取样周期P来确定激射波长。

本发明提出了一种半导体激光器及其制作方法及激光器阵列，其中使用重构—等效啁啾技术设计三相移DFB半导体激光器，即，相移、光栅折射率耦合系数等利用设计取样光栅的方法等效的实现。在本方案中，为了增加单模成品率和波长控制能力，激光器两端面镀增透膜三个等效2π/3相移对称地分布在激光器腔长中，这样有利于减小激光器在高温、高注入电流情况下的空间烧孔效应，同时对称的相移结构能够控制激光器激射波长于布拉格波长位置，消除端面随机相位对激光器的影响，增加单模成品率和波长控制能力。尤其是在制作DFB半导体激光器阵列中，可以提高单片集成半导体激光器阵列的单模稳定性，成品率和波长控制能力。

实施例

1、取样光栅的制作

本发明中DFB半导体激光器一般应用III-V族化合物半导体材料，如GaAlAs/GaAs，InGaAs/InGaP，GaAsP/InGaP，InGaAsP/InP，InGaAsP/GaAsP等。同时也可应用于II-VI族化合物半导体材料、IV-VI族化合物半导体材料等各种三元化合物、四元化合物半导体材料。此外，本发明也可应用于掺铝半导体材料(例如AlGaInAs)，用于制造无制冷、温度特性良好的半导体激光器。为了减小激光器端面反射的影响，可以在两侧端面镀上增透膜。本发明的激光器制造关键在于制作取样光栅结构，其具体的制造方法是：

(1)首先在光刻版(光掩膜)上设计并制作基于重构—等效啁啾技术的三相移取样图案，即该取样结构具有对称的等效2π/3相移；

(2)在晶片上刻光栅的方法是常规刻写取样光栅的方法，如图4所示，分两步：第一步，使用全息曝光技术在光刻胶上形成均匀光栅图案；第二步通过带有三相移结构的等效光栅对应的具有取样图案的光刻版进行普通曝光，把该模板的图案复制到晶片的光刻胶上；在光刻胶上形成取样图案，再腐蚀晶片在晶片上形成相应的DFB光栅图案。两步的曝光顺序可根据工艺互换。

2、基于REC技术的三相移结构DFB激光器以及阵列

分布反馈半导体激光器的结构是，在n型衬底材料上由外延n型InP缓冲层、非掺杂晶格匹配的InGaAsP波导层、应变InGaAsP多量子阱、InGaAsP光栅材料层、InGaAsP波导层、InP限制层和InGaAs欧姆接触层顺次构成；InGaAsP光栅材料层的光栅是取样布拉格光栅，即为用作激光激射的等效光栅；激光激射的等效光栅的表面采用200-400nm厚的SiO₂绝缘层。

下面描述工作波长在1550nm范围，基于重构—等效啁啾的三相移DFB激光器以及阵列的制作。

掩膜板制作：使用普通微电子工艺制作三相移取样结构所需要的取样掩模板。

器件的外延材料主要通过MOVPE技术制作，包括如下步骤：首先在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1.1×10¹⁸cm^-2)、100nm厚的非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层(下波导层)、应变InGaAsP多量子阱(光荧光波长1.52微米，7个量子阱：阱宽8nm，0.5％压应变，垒宽10nm，晶格匹配材料)和100nm厚的p型晶格匹配InGaAsP(掺杂浓度约1.1×10¹⁷cm^-2)上波导层。然后通过所设计的具有三相移结构的取样图案的掩模板和全息干涉曝光的方法在上波导层形成所需激光器的光栅结构。取样光栅制作好后，再通过二次外延生长p-InP和p型InGaAs(100nm，掺杂浓度大于1×10¹⁹cm^-2)，刻蚀形成脊形波导和接触层，脊波导长度为300微米，脊宽3微米，脊侧沟宽20微米，深1.5微米。再通过等离子加强化学汽相沉积法(PECVD)将脊形周围填充SiO₂或有机物BCB形成绝缘层。最后镀上Ti-Au金属P电极。器件两端面都镀上增透膜(AR)。激光器的阈值电流典型值为10mA左右，边模抑制比达到40dB以上。

1、等效三相移DFB半导体激光器的原理：

图1给出了等效三相移激光器的结构原理图，激光器两侧端面镀高透膜，通常我们采用取样光栅±1级子光栅作为工作信道，为保证±1级子光栅折射率调制强度最大，取样光栅占空比取0.5。对于±1级子光栅，取样周期改变ΔP会对应的引入2πΔP/P，其中P为取样光栅的周期，可以看出，当ΔP＝P/3时，±1级子光栅分别引入了2π/3相移，而取样周期一般而言是微米甚至几十微米级别，传统的光刻工艺完全可以实现。

2、等效三相移DFB半导体激光器的性能：

一般来说，为了实现DFB激光器的单模工作方式，通常会在激光器腔长中间引入大小为π的相移。图2a为注入电流30mA情况下，等效、实际三相移以及实际π相移DFB激光器内部光场图，可以看到实际π相移DFB激光器中间功率约为6.8mW，几乎为三相移激光器的两倍，这也意味着三相移激光器能比较好的抑制空间烧孔效应；图2b为注入电流30mA情况下等效与实际三相移DFB激光器光谱图，可以看到两者光谱几乎重叠，并且光场图也完全一致。

3、多波长等效三相移DFB半导体激光器阵列：

多波长等效三相移DFB半导体激光器阵列的光栅设计与传统对称的等效相移DFB半导体激光器阵列的设计时一样的。可以设计不同的激光器取样周期P来控制激射波长，如图3为四通道等效三相移DFB半导体激光器阵列每个激光器具有不同的取样周期P。具体可以根据“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)或者相关文献(PeterP.G.Mols,P.I.Kuindersma,Wilma Van Es-Spiekman,and InGrid A.F.Baele,Yield anddevice characteristics of DFB lasers:statistics and novel coating design in theory andexperiment(DFB激光器的成品率与器件的特性：统计特性和新型镀膜的设计理论以及实验),IEEE Journal of quantum electronics,1989,25(6):1303-1313.)来设计。

本发明提供了一种半导体激光器及其制作方法及激光器阵列，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种半导体激光器，其特征在于：在激光器取样光栅位置对称的设置3个2π/3相移，3个2π/3相移分别对称的设置在激光器腔长L的1/4、1/2、3/4处；所述取样光栅为布拉格光栅，且是等效相移光栅。

2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器，其特征在于：所述的布拉格光栅结构是在种子光栅的周期、折射率调制恒定、取样周期相同的条件下制作的取样布拉格光栅；种子光栅是通过全息干涉曝光法、双光束干涉法、电子束或纳米压印法中的任意一种制作而成的种子光栅。

3.根据权利要求1或2所述的一种半导体激光器，其特征在于：选用取样光栅的±1级子光栅之一作为激射信道。

4.根据权利要求3所述的一种半导体激光器，其特征在于：该激光器的输入端面和输出端面均镀高透膜，且高透膜的端面反射率在1％以内。

5.根据权利要求4所述的一种半导体激光器，其特征在于：制作激光器的半导体材料的增益中心设置在所选择的激射信道布拉格波长处而远离零级信道布拉格波长。

6.一种半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

在n型衬底材料上一次外延n型InP缓冲层、100nm厚的非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层作为下波导层、应变InGaAsP多量子阱和100nm厚的p型晶格匹配InGaAsP波导层作为上波导层；

通过具有三相移结构的取样图案的掩模板，运用全息干涉曝光的方法在上波导层形成激光器的光栅结构；

制作取样光栅，通过二次外延生长p型InP缓冲层和p型InGaAs波导层，刻蚀形成脊形波导和接触层；

通过等离子加强化学汽相沉积法将脊形周围填充SiO₂或有机物BCB形成绝缘层；

镀上Ti-Au构成金属P电极；

半导体器件两端面都镀上增透膜。

7.根据权利要求6所述的一种半导体激光器的制作方法，其特征在于，n型InP缓冲层厚度200nm、掺杂浓度1.1×10¹⁸cm^-2；应变InGaAsP多量子阱的光荧光波长1.52微米，含有7个量子阱，阱宽8nm，0.5％压应变，垒宽10nm，晶格匹配材料；p型晶格匹配InGaAsP波导层掺杂浓度约1.1×10¹⁷cm^-2；p型InGaAsP波导层厚度100nm，掺杂浓度大于1×10¹⁹cm^-2；脊波导长度为300微米，脊宽3微米，脊侧沟宽20微米，深1.5微米。

8.根据权利要求6所述的一种半导体激光器的制作方法，其特征在于，取样光栅采用如下方法制作：

在光刻版即光掩膜上设计并制作三相移取样图案，即该取样图案结构具有对称的等效2π/3相移；

使用全息曝光技术在光刻胶上形成均匀光栅图案；

通过带有三相移结构的等效光栅对应的具有取样图案的光刻版进行曝光，把该光刻版的图案复制到晶片的光刻胶上；在光刻胶上形成取样图案，再腐蚀晶片在晶片上形成相应的DFB光栅图案。

9.一种包括权利要求1～5中任意一种半导体激光器的多波长半导体激光器阵列，其特征在于：阵列中设置每个激光器的取样周期P来确定激射波长。