CN105140779B - 基于重构-等效啁啾技术的备份型半导体激光器 - Google Patents

Abstract

一种基于重构‑等效啁啾技术的备份型半导体激光器，备份型激光器中包含了两个并列的半导体DFB激光器，呈并列分布且距离间隔为15微米至50微米；其中每个激光器都是基于重构‑等效啁啾技术对取样布拉格光栅结构加入等效相移，并且激光器所使用的激射信道是由该取样布拉格光栅的+1级子光栅或‑1级子光栅提供。本发明使得并列的两个激光器中必有一个激光器是处在单模的工作状态，因此可以在不增加工艺成本的基础上，消除一般高反‑低反镀膜激光器单模成品率低的问题。

Description

基于重构-等效啁啾技术的备份型半导体激光器

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及光纤通讯和光子集成，提出了备份型半导体激光器的结构设计和制作方法，可在不增加制造成本的基础上提高单模成品率。

背景技术

光通信在近几十年发展迅速，也逐渐成为了最主流的信息传输方式，其主要原因有三个：一、光具有极大的带宽，一般有几百个THz远大于传统电磁波信号，因此可以同时传输大量的信息；二、光可以很容易被传导，用来传导光信号的光纤成本损耗都很低，同时抗干扰能力强；三、光的产生和探测得到了极大的发展，都可以在基于半导体的材料中实现，并且较容易制造[1]。而在光源部分，半导体激光器有着体积小、能耗低、可靠性高并且可高速调制等诸多优点，成为了光通信系统中的核心器件。半导体激光器有很多种类，可以按波长和结构分类。如630～680nm的InGaAlP激光器，通讯波段1310nm和1550nm的InGaAsP激光器，远红外的InGaAs/AlAsSb的量子级联激光器。根据有源区结构可以分为量子阱激光器，量子线激光器和量子点激光器，其中通信用的激光器主要为量子阱激光器。对于半导体激光器的谐振腔结构和功能，有法布里-泊罗(F-P)激光器，分布反馈式(DFB)激光器，分布布拉格反射式(DBR)激光器，垂直腔面发射激光器(VCSEL)等[2]。

由于良好的单模特性和优异的波长控制特性，DFB激光器成为了通讯上主流的激光器，其主要结构为在有源区附近增加一段光栅结构形成折射率耦合或者增益耦合，从而实现波长选择。其中折射率耦合是指光栅结构刻制在有源区旁，对激射后产生的光进行波长选择性的反馈；而增益耦合是指将光栅结构刻制在有源区，造成有源区的增益周期性变化，进而形成增益耦合。对于增益耦合的均匀光栅DFB激光器结构，在光栅的布拉格波长处，它的谐振腔损耗最小，也就意味着一个对应的激射模式，然而增益耦合的DFB激光器制造工艺复杂，制造陈本高且成品率低，同时，由于其原理是通过引入损耗的方法来引起增益变化，所以增益耦合激光器的阈值也相对较高。因此，增益耦合的DFB激光器并没有在实际的光通信系统中广泛应用。而对于均匀光栅的折射率耦合的DFB激光器结构，理论上存在两个波长距离很近的简并激射模，单模成品率很低从而在实际应用中色散过于严重而不合适远距离传输。但采用端面镀膜和加入相移的方法能大幅度地提高单模成品率。其中加入相移的方法可以在光光栅的反射谱中心产生一个缺陷，从而保证该激射的光被严格限制在这个波长位置，可以很好的保证单模的特性，也在产业上得到了很广泛的应用。然而，在光栅中间引入相移的方法也有不足，一方面，由于光栅的周期在250nm左右，相移的引入的尺寸一般在125nm，因此需要十分高精度的加工手段，一般是电子束曝光，该方法的加工成本高，而且效率低；另一方面，由于激光器两端都要进行低反镀膜(反射会影响其单模性质和波长准确性)，从而导致只有一个端面的光可以得到利用而另一端面的光会被浪费，其能量利用率下降。

采用端面镀膜的方法(一端高反，另一端低反)也可以很有效地提高单模成品率，其光栅即为均匀光栅，可以使用全息曝光的方法制造，其工艺流程有着速度快，均匀性好等优点；同时，端面镀膜的方法可以将一端的光发射回来而全部从另一端岀射，成倍地增大了能量的利用率。然而端面镀膜的方法也有一个问题，就是对高反端面光栅相位的高敏感性[3]。端面的光栅相位是光栅的起点位置在一个光栅周期中所在的位置，其中一整个光栅周期被认为是2π的相位。当高反端面的光栅相位为π附近时，该激光器可以获得良好的单模特性，而当该光栅相位为0或者2π附近时，该激光器的单模特性很差。

陈向飞等人在2006年提出的重构-等效啁啾技术[4]，能够通过常规全息曝光和微米级光刻等简单的技术，在激光器中实现等效相移从而产生单模的激光激射。同时，对于重构-等效啁啾技术，其原理是在取样光栅的±1级次的子光栅中等效实现相移或者其他光栅的响应谱形状，同时，对于取样光栅的±1级次的子光栅，其等效的端面相位是由取样光栅的端面相位和种子光栅的端面相位共同决定的。

参考文献：

[1]D.J.Klotzkin,Introduction to semiconductor lasers for opticalcommunications:An applied approach(光通信用半导体激光器概述：一个应用的方法),Springer,2014

[2]周亚亭，新型分布反馈式半导体激光器及其阵列研究，博士论文，2012

[3]L.A.Coldren,Diode lasers and photonic integrated circuits 2^ndedition(激光器二极管和集成光路),Wiley,2012

[4]陈向飞，“基于重构-等效啁啾技术制备半导体激光器的方法及装置”，中国发明专利申请：CN200610038728.9，国际PCT专利，申请号PCT/CN 2007/000601.

发明内容

本发明的目的在于，提出了用于基于重构-等效啁啾技术的备份型半导体激光器及制作方法，该结构通过备份技术可以有效地提高高反-低反镀膜激光器的单模成品率，同时不增加工艺成本。该方法的原理是利用重构-等效啁啾技术中取样的端面相位对激光器激射时的等效端面相位的调控来提高激光器激射的单模成品率。

本发明的技术方案：基于重构-等效啁啾技术的备份型半导体激光器及制作方法，其特征是该备份型激光器中包含了两个并列的半导体DFB激光器，呈并列分布且距离较短，为15微米至50微米；其中每个DFB激光器都是基于重构-等效啁啾技术，即光栅采用的是取样布拉格光栅结构，对取样布拉格光栅结构加入等效相移；并且激光器所使用的激射信道是由该取样光栅的+1级子光栅或-1级子光栅提供，通过改变该取样光栅的取样周期可以改变+1级和-1级子光栅的位置从而改变激射波长。该等效相移的大小为π/2至3π/2，该相移的位置为在激光器腔内中心区域，具体位置为激光器腔内中心偏左20％腔长至中心偏右20％腔长处。

该激光器中的两个激光器结构的取样光栅拥有不同的初始相位，这两个光栅的初始相位存在一个固定的差值，从π/2至3π/2，尤其是取π；该取样光栅的制作方法分为两步：第一步为全息曝光的方法制作均匀光栅，第二步为使用设计好的掩膜版通过普通的光刻来制作取样光栅的形状，因此只需通过改变取样掩膜版的结构就可以实现此不同相位的取样光栅。

在该备份型激光器的两个并列的激光器的光栅中，通过重构-等效啁啾的方法加入一个等效相移，该等效相移的大小为π/2至3π/2，该相移的位置为在激光器腔内中心区域，具体位置为激光器腔内中心偏左20％腔长至中心偏右20％腔长处。

在该激光器中取样结构中引入等效切趾结构，通过沿激光器腔长方向改变取样占空比实现切趾，具体为以激光器的高反端为起点向低反端面逐步降低或增加光栅的取样占空比，占空比从0.5线性变化到0.2或0.8，从而增加激光器的单模成品率。

所述的基于重构-等效啁啾技术的备份型半导体激光器的制造方法，其特征是将激光器顶部的电极安排为对称结构，即为以此二激光器的交界线为镜面对称，该方法可以在不改变电极大小的情况下，尽量增大表面的利用率，从而降低封装难度。

基于重构-等效啁啾技术的备份型半导体激光器多波长阵列的制造方法，多波长的实现是通过改变光栅的取样周期，对于4波长阵列或8波长阵列，可以使备份型激光器结构，从而在提高单模成品率的同时，增加激光器阵列的成品率。

备份型半导体激光器结构为两个并排紧靠的基于等效啁啾技术的分布反馈半导体激光器，其中每个激光器的端面镀膜都为一边高反一边低反，并且两个激光器中的取样光栅的取样相位相差一个固定值，例如π；此两并排激光器的距离为15微米至50微米之间取值，其电极的制作为对称型，在实际使用中仅选取其中某一个激光器作为工作激光器，这样并列的激光器并不会增加制造的成本。对于其中的某一个激光器，其折射率调制为

其中Δn₀是指光栅强度的折射率变化，z表示沿光栅长度方向的位置，φ为光栅的初始相位，c.c.表示复共轭，S(z)为周期性矩形取样函数，可以傅里叶展开为

其中P为取样函数的取样周期，Ψ为取样光栅的初始取样相位，F_m为傅里叶展开的系数，可以表示为

当m为奇数时，即对于奇数级子光栅来说，其相对光栅强度(相对于均匀的种子光栅)可以表示为|F_m|＝1/π|m|，在重构等效啁啾技术中，我们取±1级子光栅来提供我们的工作信道，也就意味着其光栅强度为均匀光栅的1/π。于是，对于该光栅，种子光栅的初始相位为φ，取样光栅的初始相位为Ψ，其折射率调制可以展开为

从而对于±1级子光栅，以+1级为例，其等效子光栅的折射率调制为

其等效的光栅周期为其等效的初始相位即为(Ψ+φ)。因此，在无法掌控种子光栅的初始相位的前提下，我们可以通过不同的取样光栅初始相位来对等效初始相位进行调节，从而保证激光器的单模激射。

另外，对于所涉及的并列半导体激光器，其相隔距离很近，仅有15微米至50微米，对于同一个解理面，其种子光栅相位虽然是完全随机，但是相差很小，即具有近乎相同的φ。同时，如附图1所示，对于一个高反-低反镀膜的激光器，其高反端的初始相位对激光器的单模特性的影响具有周期性和分段性，也就是说，对于在π附近一段区域内的相位，该激光器的两个模式的阈值增益相差很大，因此具有很好的单模特性；而在远离π的相位区域(0附近或2π附近时)，该激光器的两个模式的阈值增益差很小，导致激光器的单模特性很差[3]。因此，将并列的两个激光器的取样光栅的相位Ψ设计为相差一个固定值，例如π，则其等效后的相位(Ψ+φ)也同样相差一个固定值π，从而可以保证当其中一个激光器处于单模性差的区域(靠近0或2π)时，另一个激光器的高反端等效相位处于靠近π的位置，即单模性好的区域，从而可以达到两个并列激光器中必有一个激光器能够很好的单模激射。

本发明的有益效果是：由于对于大规模的微加工来说，该方案并不增加加工成本，同时，等效啁啾技术的取样光栅可以调节端面相位，从而使得并列的两个激光器中必有一个激光器是处在单模的工作状态，因此可以在不增加工艺成本的基础上，消除一般高反-低反镀膜激光器单模成品率低的问题。该方法并没有增加整个微加工的任何一步工艺的难度，也没有降低对材料的利用率(由于封装需要，单个的激光器之间的距离应该为250微米，因此可以在原来一个激光器的位置放上两个并列激光器，但只有一个激光器处于工作状态)，故该方法大幅提高激光器的单模成品率，从而降低了产品的成本。

附图说明

图1高反-低反激光器高反端面相位对激光器两个简并模的阈值增益的影响；

图2备份型激光器的光栅结构示意图；图中201.种子光栅；202.取样光栅；

图3备份型激光器的结构示意图；

101.金属n电极；102.InP缓冲层(衬底)；103.下波导层；104.多量子阱有源层MQWs；105.光栅层；106.上波导层；107.上包层(保护层)；108.脊波导；109.欧姆接触层；110.金属p电极；111.绝缘层。

图4基于重构-等效啁啾技术的取样光栅刻写方法示意图，左图为步骤1，右图为步骤2。

具体实施方式

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做取样光栅结构，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—等效啁啾技术的备份型激光器的光栅图样，如图2所示，并列的两个激光器的种子光栅完全相同而取样光栅不同，相差一个相位(例如π)。

(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；第二步通过带有备份型的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。图4是基于重构—等效啁啾技术(REC技术)的取样光栅刻写方法示意图，即取样光栅制作示意图。

2、基于REC技术的备份型DFB激光器

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—等效啁啾的备份型DFB激光器的制作。

掩膜板制作：使用普通微电子工艺制作备份型取样结构所需要的取样的掩模板。

本发明器件的外延材料主要通过MOVPE技术制作，描述如下：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1.1x10¹⁸cm^-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1.1x10¹⁷cm^-2)上波导层。接下来通过所设计的具有备份型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1x10¹⁹cm^-2)，刻蚀形成分开的两个脊形波导和接触层，其间距离为25微米，每个脊波导长度为400微米，脊宽3微米，脊侧沟宽20微米，两脊之间沟宽20微米，深都为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。

器件光栅一端面镀上增反膜(HR)另一端面都镀上增透膜(AR)。对于该并列的备份型激光器，一般而言对应着其中一个单模的激光器和一个双模的激光器，其中投入使用的为单模的激光器，其阈值电流典型值为10mA左右，边模抑制比达到40dB以上。

备份型半导体激光器的原理：通过设计两个并列的短间距(例如25微米)的双激光器，其中激光器为基于重构-等效啁啾技术的分布反馈型激光器，并且激光器两端为高反-低反镀膜，该两个激光器的取样光栅的高反端相位相差一个固定值，例如π，从而导致等效的光栅(即所使用的±1级子光栅)的高反端的等效相位相差π。根据图1所示的原理：相位在π附近的区域，激光器的两个模式的阈值增益差很大，激光器可以获得良好的单模输出，即很好的边模抑制比，而反之，在0相位或2π相位附近时，激光器的单模特性很差。因此，采用这种备份型的双激光器结构，在不增加加工成本和材料成本的基础上，能够保证这两个激光器中至少有一个激光器的相位在π附近，由于该备份型激光为单独一个器件，因而可以有效地提高高反低反激光器的单模成品率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于重构-等效啁啾技术的备份型半导体激光器，其特征是该备份型激光器中包含了两个并列的半导体分布反馈激光器，呈并列分布且距离间隔为15微米至50微米；其中每个激光器都是基于重构-等效啁啾技术对取样布拉格光栅结构加入等效相移，并且激光器所使用的激射信道是由该取样光栅结构的+1级子光栅或-1级子光栅提供，通过改变该取样光栅结构的取样周期可以改变+1级和-1级子光栅的位置从而改变激射波长；该等效相移的大小为π/2至3π/2，该相移的位置为在激光器腔内中心区域，具体位置为激光器腔内中心偏左20％腔长至中心偏右20％腔长处；该激光器中的两个激光器结构的取样光栅拥有不同的初始相位，这两个取样光栅的初始相位存在一个固定的差值，从π/2至3π/2。

2.根据权利要求1所述基于重构-等效啁啾技术的备份型半导体激光器，其特征是在该激光器的取样光栅结构中引入等效切趾结构，通过沿激光器腔长方向改变取样占空比实现切趾，具体为以激光器的高反端为起点向低反端面逐步降低或增加光栅的取样占空比，占空比从0.5线性变化到0.2或0.8，从而增加激光器的单模成品率。

3.根据权利要求2所述基于重构-等效啁啾技术的备份型半导体激光器，其特征是该等效相移的大小为π。

4.根据权利要求1-3之一所述的基于重构-等效啁啾技术的备份型半导体激光器的制造方法，其特征是分为两步：第一步为全息曝光的方法制作均匀光栅，第二步为使用设计好的掩膜版通过普通的光刻来制作取样光栅的形状，通过改变取样掩膜版的结构就实现此不同相位的取样光栅；该备份型激光器中包含了两个并列的半导体分布反馈激光器，呈并列分布且距离间隔为15微米至50微米；其中每个激光器都是基于重构-等效啁啾技术对取样布拉格光栅结构加入等效相移，并且激光器所使用的激射信道是由该取样光栅结构的+1级子光栅或-1级子光栅提供，通过改变该取样光栅结构的取样周期可以改变+1级和-1级子光栅的位置从而改变激射波长；该等效相移的大小为π/2至3π/2，该相移的位置为在激光器腔内中心区域，具体位置为激光器腔内中心偏左20％腔长至中心偏右20％腔长处；该激光器中的两个激光器结构的取样光栅拥有不同的初始相位，这两个取样光栅的初始相位存在一个固定的差值，从π/2至3π/2。

5.根据权利要求4所述的基于重构-等效啁啾技术的备份型半导体激光器的制造方法，其特征是在该激光器的取样光栅结构中引入等效切趾结构，通过沿激光器腔长方向改变取样占空比实现切趾，具体为以激光器的高反端为起点向低反端面逐步降低或增加光栅的取样占空比，占空比从0.5线性变化到0.2或0.8，从而增加激光器的单模成品率。

6.根据权利要求4所述的基于重构-等效啁啾技术的备份型半导体激光器的制造方法，其特征是将激光器顶部的电极安排为对称结构，即此二激光器的交界线为镜面对称，在不改变电极大小的情况下，增大表面利用率。