CN107453204A - 一种基于双曝光工艺的dfb激光器和制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光器技术领域，提供了一种基于双曝光工艺的DFB激光器和制作方法。本发明采用双曝光技术来制作DFB激光器中的部分光栅，即谐振腔长内并没有完全覆盖均匀光栅，而是在我们选择的两侧腔面留有一定长度的光栅间隔，从而提高了高调制频率的直调DFB激光器电特性的一致性分布且得到了更优的光谱特性。本发明利用双曝光技术来实现带有一定长度光栅间隔的非均匀光栅的制作，该方法结合全息干涉的光栅制作平台，以及用紫外光刻机和设计留有一定间隔的掩膜版图这两道曝光工艺来实现所设计的部分光栅。本发明利用折射率耦合的部分光栅配合脊型波导实现DFB激光器良好的光电特性和一致性的提升。

Description

一种基于双曝光工艺的DFB激光器和制作方法

【技术领域】

本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种基于双曝光工艺的DFB激光器和制作方法。

【背景技术】

普通结构的分布反馈(DFB)半导体激光器，如图1所示，光栅分布在整个谐振腔腔长度内。DFB激光器工作于动态单纵模状态下，在高速调制状态下可能会发生双模同时激射的现象，从而不能保持单模输出，而保持单纵模工作对于DFB激光器有着十分重要的意义，因为随着光纤通信向高速率长距离方向发展，光波群速度的色散影响和模分配噪声成为严重的问题。单模输出的DFB激光器可以大大限制激光器在高速调制时的动态谱线展宽，对输出电信号不产生调制畸变，激光器发光与输出脉冲电流之间的延迟时间小于比特率间隔，并且没有自持脉冲。在DFB激光器中存在两种基本的反馈方式，一种是折射率周期性变化引起的布拉格反射，即折射率耦合，另一种为增益周期性变化引起的分布反馈，即增益耦合。目前常用的DFB激光器多采用折射率耦合，折射率耦合DFB激光器在与布拉格波长相对称的位置上存在两个对称的损耗相同且最低的模式，也就是说其原理上是双模激射的，由于完全对称且均匀分布的周期光栅对称模式结构带来了两个主模的同时震荡。

为了将辐射功率集中到一个主模上扰动正、反行波反馈的对称性，往往采用在均匀分布的周期折射率光栅区引进一个四分之一波长相移，但此方法工艺较为繁琐且往往受限于设备。另外，因为这种相移的方式需要激光器谐振腔两端镀增透膜，两端输出功率相等且都效率比较低，此时激光器腔内的光场强度较高且改变剧烈，腔内位置相关的增益饱和，空间烧孔以及发热形成了非一致性的机制并导致激光器性能大幅下降。

【发明内容】

本发明实施例要解决的技术问题是常用的DFB激光器多采用折射率耦合，折射率耦合DFB激光器在与布拉格波长相对称的位置上存在两个对称的损耗相同且最低的模式，也就是说其原理上是双模激射的，由于完全对称且均匀分布的周期光栅对称模式结构带来了两个主模的同时震荡，从而降低了光场一致性和模式稳定性。

本发明实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种基于双曝光工艺的DFB激光器，DFB激光器包括长度为L的有源增益区，其中，所述有源增益区内包含长度为Lg的布拉格光栅；

所述布拉格光栅位于所述有源增益区的中间区域，所述布拉格光栅所在区域相对于DFB激光器的出光面距离为L1，并且相对于DFB激光器的反光面距离为L2。

优选的，所述L1和L2的总长度与所述布拉格光栅区域的长度占比为10％-30％。

优选的，所述有源增益区长度L具体为250um，其中，布拉格光栅长度Lg具体为200um；所述布拉格光栅所在区域相对于DFB激光器的出光面距离为L1为25um；所述布拉格光栅所在区域相对于DFB激光器的反光面距离为L2为25um。

优选的，所述出光面的端面上镀有增透膜，所述增透膜的反射率小于等于0.5％；所述反光面的端面上镀有反射膜，所述反射膜的反射率大于等于90％。

第二方面，本发明还提供了一种基于双曝光工艺的DFB激光器制作方法，在衬底上外延生长缓冲层、下限制层、多量子阱和上限制层，在所述上限制层上生长腐蚀停止层和用于构成光栅结构的材料层；

在所述用于构成光栅结构的材料层上涂敷光刻胶，并按照光栅周期的设定进行全息相干曝光；

利用带有部分掩蔽的光刻掩膜板对完成所述全息相干曝光后的外延片进行第二轮曝光；其中，光刻掩膜板上掩蔽的区域为设置布拉格光栅的区域；

将完成上述两轮曝光的外延片，用显影剂进行显影；其中，被曝光部分溶于所述显影剂，显影完成后光刻胶中形成布拉格光栅图形。

将完成显影后的外延片置入腐蚀液中进行腐蚀，并在完成所述腐蚀过程后去除外延片表面的光刻胶；

在所述光栅层之上完成DFB激光器后续加工工艺。

优选的，所述用于构成光栅结构的材料层具体包括第一磷化铟InP层、四元光栅InGaAsP层和第二磷化铟InP层，则所述在所述用于构成光栅结构的材料层上涂敷光刻胶，并按照光栅周期的设定进行全息相干曝光，具体包括：

在生长有第一磷化铟InP层、四元光栅InGaAsP层和第二磷化铟InP层的外延片上进行涂胶，控制涂胶较厚度为100nm；

将外延片进行全息相干曝光，控制全息相干曝光时间使得未曝透的底胶厚度小于10nm。

优选的，所述将完成显影后的外延片置入腐蚀液中进行腐蚀，并在完成所述腐蚀过程后去除外延片表面的光刻胶，具体包括：

用硝酸、饱和溴水和水配置腐蚀液，将外延片置入腐蚀液中进行腐蚀；

用丙酮加热并将外延片置入其中用以去胶。

优选的，外延片上用于制作的DFB激光器包括长度为L的有源增益区，其中，所述有源增益区内包含长度为Lg的布拉格光栅；

所述布拉格光栅位于所述有源增益区的中间区域，所述布拉格光栅所在区域相对于用于制作DFB激光器的出光面距离为L1，并且相对于用于制作DFB激光器的反光面距离为L2；则所述部分掩蔽的光刻掩膜板中，掩蔽部分的宽度为Lg，未掩蔽部分的宽度对应L1+L2的长度获得。

优选的，所述L1和L2的总长度与所述布拉格光栅区域的长度占比为10％-30％。

优选的，所述在所述光栅层之上完成DFB激光器后续加工工艺，具体包括：

脊波导制作、欧姆接触制作、电极制作、解理划片和端面镀膜的DFB激光器加工工艺。

本发明实施例所述的DFB激光器结构有效的改进了DFB激光器的光场一致性和模式稳定性问题。在本发明实施例中分布式布拉格光栅作为分布式反馈反射器，同时两侧还留有距离腔面预设长度的非光栅有源区域，提高了光场一致性和模式稳定性。

同时，在制作工艺上用紫外光刻机曝光结合基于相干光干涉效应的无掩模板，以及激光全息干涉技术曝光的双曝光方法，可以有效快捷的制作部分光栅结构。

另外，本发明若改变光栅间隔的位置，还可以实现对空间烧孔效应的抑制，提升DFB激光器的边模抑制比，优化其光谱模式。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的现有DFB激光器中光栅区结构横截面主视图；

图2是本发明实施例提供的一种基于双曝光工艺的DFB激光器和制作方法中光栅区结构剖面俯视图；

图3是本发明实施例提供的一种基于双曝光工艺的DFB激光器和制作方法中光栅区结构横截面主视图；

图4是本发明实施例提供的一种基于双曝光工艺的DFB激光器制作方法流程图；

图5是本发明实施例提供的一种基于双曝光工艺的DFB激光器制作方法显影流程图；

图6是本发明实施例提供的一种结合实际生产环境下的DFB激光器制作方法流程图；

图7是本发明实施例提供的一种完成光栅区域材料层制作的外延片结构示意图；

图8是本发明实施例提供的一种完成光栅区域光栅结构制作的单一DFB激光器区域结构俯视图；

图9是本发明实施例提供的由本发明实施例2制造的DFB激光器芯片SE分布图；

图10是本发明实施例提供的现有DFB激光器芯片SE分布图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1:

本发明实施例1提供了一种基于双曝光工艺的DFB激光器，如图2和图3所示，其中图2为DFB激光器位于光栅层的横截面俯视图，图3为DFB激光器中包含有源层1和光栅层2的截面主视图。具体的，DFB激光器包括长度为L的有源增益区，在本发明实施例中，所描述的有源增益区是指DFB激光器中包含有源层1的整个纵向的激光器区域，其中，所述有源增益区内包含长度为Lg的布拉格光栅；

所述布拉格光栅位于所述有源增益区的中间区域，所述布拉格光栅所在区域相对于DFB激光器的出光面距离为L1，并且相对于DFB激光器的反光面距离为L2。

本发明实施例所述的DFB激光器结构有效的改进了DFB激光器的光场一致性和模式稳定性问题。在本发明实施例中分布式布拉格光栅作为分布式反馈反射器，同时两侧还留有距离腔面预设长度的非光栅有源区域，其中，发明人在实现过程中发现光场的非一致性可以通过调整两侧留有的间隔距离，以及光栅耦合系数K，光栅长度L来进行改善优化，本发明实施例则是从调整两侧留有的间隔距离来实现。本发明实施例1所述的光栅结构可以通过实施例2中的双曝光工艺制作，因此，取名为基于双曝光工艺完成的DFB激光器，其双曝光方法将在实施例2中具体展开来描述。

在本发明实施例中，所述L1和L2的总长度与所述布拉格光栅区域的长度占比优选的为10％-30％。在本发明实施例中，可选的一种实现方案中，其中L1和L2长度相同。

本发明实施例所描述的部分光栅结构中，相比于镀反射膜HR膜的端面，布拉格光栅Lg部分可以等于或更靠近镀增透膜AR膜的端面，也就是L2≥L1时，可以更加有效的改善一致性问题。

在本发明实施例中，还针对特定波长的DFB激光器，给予了上述各参数一组可行的参数值组合。具体的，所述有源增益区长度L具体为250um，其中，布拉格光栅长度Lg具体为200um；所述布拉格光栅所在区域相对于DFB激光器的出光面距离为L1为25um；所述布拉格光栅所在区域相对于DFB激光器的反光面距离为L2为25um。由上述参数制作出来的DFB激光器可以覆盖激光波长从1300nm-1600nm的各规格的激光器。后续将通过实施例4中的对比实验，阐述该套参数设计得到的DFB激光器相比较现有的同类大小规格的DFB激光器，之间性能上的差异。

在本发明实施例中，通常对于DFB激光器的出光面和反光面都会进行增透膜和反射膜的镀膜工艺，具体的，所述出光面的端面上镀有增透膜，所述增透膜的反射率小于等于0.5％；所述反光面的端面上镀有反射膜，所述反射膜的反射率大于等于90％。

实施例2:

在提供了如实施例1所述的DFB激光器的光栅区结构之后，本发明还通过本实施例展开阐述一种基于双曝光工艺的DFB激光器的制作方法，用于完成包含实施例1所述光栅结构的DFB激光器。如图4所示，包括以下步骤：

在步骤201中，在衬底上外延生长缓冲层、下限制层、多量子阱和上限制层，在所述上限制层上生长腐蚀停止层和用于构成光栅结构的材料层。

在步骤202中，在所述用于构成光栅结构的材料层上涂敷光刻胶，并按照光栅周期的设定进行全息相干曝光。

在完成步骤202之后，便在外延片表面的光刻胶上，曝光得到光栅的图形，此时还没有在光刻胶上区别出光栅区域和非光栅区域，其中非光栅区域即实施例1中阐述的L1和L2对应的区域。

在步骤203中，利用带有部分掩蔽的光刻掩膜板对完成所述全息相干曝光后的外延片进行第二轮曝光；其中，光刻掩膜板上掩蔽的区域为设置布拉格光栅的区域。其中，光刻掩膜板中通光的区域为实施例1中对应L1和L2的区域，即可以去掉光栅结构的区域。

其中，第二轮曝光时可以采用现有的MA6光刻机实现。在完成第二轮曝光之后，对应于实施例1中L1和L2的区域上的光刻胶都被进行了曝光处理。即在第一轮曝光后在相应实施例1中L1和L2的区域形成的光栅图形都被破坏。

在步骤204中，将完成上述两轮曝光的外延片，用显影剂进行显影；其中，被曝光部分溶于所述显影剂，显影完成后光刻胶中形成布拉格光栅图形。

在步骤205中，将完成显影后的外延片置入腐蚀液中进行腐蚀，并在完成所述腐蚀过程后去除外延片表面的光刻胶。

其中，腐蚀液无法腐蚀光刻胶，因此，腐蚀液会沿着光刻胶中的光栅图形在光栅层材料中沿着表面向衬底方向腐蚀，在预设的时间内腐蚀形成光栅结构。

在步骤206中，在所述光栅层之上完成DFB激光器后续加工工艺。

所述DFB激光器后续加工工艺包括脊波导制作、欧姆接触制作、电极制作、解理划片和端面镀膜的DFB激光器加工工艺等等。

本发明实施例所述的DFB激光器制作方法所得到的光栅结构有效的改进了DFB激光器的光场一致性和模式稳定性问题。在本发明实施例中分布式布拉格光栅作为分布式反馈反射器，同时两侧还留有距离腔面预设长度的非光栅有源区域。同时，在制作工艺上用紫外光刻机曝光结合基于相干光干涉效应的无掩模版激光全息干涉技术曝光的双曝光方法，可以有效快捷的制作部分光栅结构。全息光刻是一种基于相干光干涉效应的无掩模版光刻技术。在这种技术中，使用多束激光在晶片表面重迭发生干涉效应从而产生各种由光亮区和暗区构成的干涉图形，图形以重复周期排列，图形的最小线宽可达波长的几分之一。

在本发明实施例中，存在一种可行的实现方式，其中，所述用于构成光栅结构的材料层具体包括：

第一磷化铟InP层、四元光栅InGaAsP层和第二磷化铟InP层，则所述在所述用于构成光栅结构的材料层上涂敷光刻胶，并按照光栅周期的设定进行全息相干曝光，具体包括：

在生长有第一磷化铟InP层、四元光栅InGaAsP层和第二磷化铟InP层的外延片上进行涂胶，控制涂胶较厚度为100nm；

将外延片进行全息相干曝光，控制全息相干曝光时间使得未曝透的底胶厚度小于10nm。

在生长有第一磷化铟InP层、四元光栅InGaAsP层和第二磷化铟InP层的外延片上进行涂胶，控制涂胶较厚度为100nm该工艺的目的是将光栅条纹的图案转移到光刻胶上。

在本发明实施例中，所述步骤205中所涉及的将完成显影后的外延片置入腐蚀液中进行腐蚀，并在完成所述腐蚀过程后去除外延片表面的光刻胶，如图5所示，具体包括：

在步骤2041中，用硝酸、饱和溴水和水配置腐蚀液，将外延片置入腐蚀液中进行腐蚀。

在步骤2042中，用丙酮加热并将外延片置入其中用以去胶。

在本发明实施例中，为了能够与实施例1所述的DFB激光器结构兼容，在本发明实施例实现过程中，外延片上用于制作的DFB激光器包括长度为L的有源增益区，其中，所述有源增益区内包含长度为Lg的布拉格光栅；

所述布拉格光栅位于所述有源增益区的中间区域，所述布拉格光栅所在区域相对于用于制作DFB激光器的出光面距离为L1，并且相对于用于制作DFB激光器的反光面距离为L2；则所述部分掩蔽的光刻掩膜板中，掩蔽部分的宽度为Lg，未掩蔽部分的宽度对应L1+L2的长度获得。考虑到外延片解理的时候会对边缘有一定的损失，因此，未掩蔽部分的宽度可以略大于L1+L2的长度。

进一步的，本发明实施例还提供了几组可选的所述L1和L2的总长度与所述布拉格光栅区域的长度比，具体为10％-30％。

实施例3：

在公开了如实施例1所述的DFB激光器和实施例2所述的DFB激光器制作方法外，本发明还通过实施例3结合具体的产品线生产环境，阐述如何使用本发明实施例2所提出的方法。如图6所示，所述方法包括以下执行步骤：

在步骤301：在衬底0上外延的激光器结构为生长缓冲层3、下限制层11、多量子阱12和上限制层13，在此之上生长腐蚀停止层4和构成光栅结构的材料层(具体为：第一磷化铟InP层21、四元光栅InGaAsP层22和第二磷化铟InP层23)。完成步骤301之后的外延片局部剖面结构图如图7所示。

在步骤302：在外延片上进行涂胶，涂胶机旋转速度为4000转每分钟，控制较厚为100nm。

在步骤303：将外延片进行全息相干曝光，控制曝光时间使未曝透的底胶小于10nm，该工艺的目的是将光栅条纹的图案转移到光刻胶上。

在步骤304：在MA6光刻机上用预先设计的带有部分掩蔽的光刻掩膜版对外延片进行曝光，二次曝光时将布拉格光栅区域3置于遮挡的暗区，布拉格光栅区域3距离镀有增透膜1和高反膜2的端面分别为L1和L2的间隔区域4和间隔区域5置于曝光区(以外延片上单一激光器所在区域结构为例，如图8所示)，进行合适时间的曝光。经过两次曝光后的外延片，接下来进行显影工艺，可以在合适的显影时间下，将所需的图2所示的部分光栅结构图案转移到所使用的光刻胶上。

在步骤305：将外延片用稀释的显影剂进行显影，将光刻掩膜版未掩蔽的部分，以及第一次全息相干曝光的部分全部去除。

在步骤306：用辉光机对外延片进行短时间辉光，完全去除尚未显影完全的残留底胶。

在步骤307：用硝酸、饱和溴水和水配置腐蚀液，并在冰点静置一小时。

在步骤308：将外延片置入腐蚀液中30秒进行腐蚀，并取出清洗。至此，部分光栅图案完全转移至四元材料InGaAsP中。

在步骤309：用丙酮加热并将外延片置入其中30分钟用以去胶。

实施例4：

本发明实施例还对通过实施例2和实施例3所制造得到的DFB激光器进行了实验对比测试。对该外延片的所有chip进行测试。数据与普通DFB激光器的数据比较。结果如图9和图10所示，其中图9是由本发明实施例2制造的DFB激光器芯片SE分布，图10是普通DFB激光器芯片SE分布。部分光栅激光器在同一外延片中，斜效率SE在0.38-0.44区间内集中了62％的芯片，而普通DFB激光器方面，斜效率SE在0.38-0.44区间内集中了40％的芯片，本发明实施例所提出的DFB激光器芯片一致性的提升具有显著性。

值得说明的是，上述装置和系统内的模块、单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明的处理方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于双曝光工艺的DFB激光器，其特征在于，DFB激光器包括长度为L的有源增益区，其中，所述有源增益区内包含长度为Lg的布拉格光栅；

所述布拉格光栅位于所述有源增益区的中间区域，所述布拉格光栅所在区域相对于DFB激光器的出光面距离为L1，并且相对于DFB激光器的反光面距离为L2。

2.根据权利要求1所述的基于双曝光工艺的DFB激光器，其特征在于，所述L1和L2的总长度与所述布拉格光栅区域的长度占比为10％-30％。

3.根据权利要求1所述的基于双曝光工艺的DFB激光器，其特征在于，所述有源增益区长度L具体为250um，其中，布拉格光栅长度Lg具体为200um；所述布拉格光栅所在区域相对于DFB激光器的出光面距离为L1为25um；所述布拉格光栅所在区域相对于DFB激光器的反光面距离为L2为25um。

4.根据权利要求1所述的基于双曝光工艺的DFB激光器，其特征在于，所述出光面的端面上镀有增透膜，所述增透膜的反射率小于等于0.5％；所述反光面的端面上镀有反射膜，所述反射膜的反射率大于等于90％。

5.一种基于双曝光工艺的DFB激光器制作方法，其特征在于，在衬底上外延生长缓冲层、下限制层、多量子阱和上限制层，在所述上限制层上生长腐蚀停止层和用于构成光栅结构的材料层；

在所述用于构成光栅结构的材料层上涂敷光刻胶，并按照光栅周期的设定进行全息相干曝光；

利用带有部分掩蔽的光刻掩膜板对完成所述全息相干曝光后的外延片进行第二轮曝光；其中，光刻掩膜板上掩蔽的区域为设置布拉格光栅的区域；

将完成上述两轮曝光的外延片，用显影剂进行显影；其中，被曝光部分溶于所述显影剂，显影完成后光刻胶中形成布拉格光栅图形。

将完成显影后的外延片置入腐蚀液中进行腐蚀，并在完成所述腐蚀过程后去除外延片表面的光刻胶；

在所述光栅层之上完成DFB激光器后续加工工艺。

6.根据权利要求5所述的基于双曝光工艺的DFB激光器制作方法，其特征在于，所述用于构成光栅结构的材料层具体包括第一磷化铟InP层、四元光栅InGaAsP层和第二磷化铟InP层，则在所述用于构成光栅结构的材料层上涂敷光刻胶，并按照光栅周期的设定进行全息相干曝光，具体包括：

在生长有第一磷化铟InP层、四元光栅InGaAsP层和第二磷化铟InP层的外延片上进行涂胶，控制涂胶较厚度为100nm；

将外延片进行全息相干曝光，控制全息相干曝光时间使得未曝透的底胶厚度小于10nm。

7.根据权利要求5所述的基于双曝光工艺的DFB激光器制作方法，其特征在于，所述将完成显影后的外延片置入腐蚀液中进行腐蚀，并在完成所述腐蚀过程后去除外延片表面的光刻胶，具体包括：

用硝酸、饱和溴水和水配置腐蚀液，将外延片置入腐蚀液中进行腐蚀；

用丙酮加热并将外延片置入其中用以去胶。

8.根据权利要求5所述的基于双曝光工艺的DFB激光器制作方法，其特征在于，外延片上用于制作的DFB激光器包括长度为L的有源增益区，其中，所述有源增益区内包含长度为Lg的布拉格光栅；

所述布拉格光栅位于所述有源增益区的中间区域，所述布拉格光栅所在区域相对于用于制作DFB激光器的出光面距离为L1，并且相对于用于制作DFB激光器的反光面距离为L2；则所述部分掩蔽的光刻掩膜板中，掩蔽部分的宽度为Lg，未掩蔽部分的宽度对应L1+L2的长度获得。

9.根据权利要求8所述的基于双曝光工艺的DFB激光器制作方法，其特征在于，所述L1和L2的总长度与所述布拉格光栅区域的长度占比为10％-30％。

10.根据权利要求5所述的基于双曝光工艺的DFB激光器制作方法，其特征在于，所述在所述光栅层之上完成DFB激光器后续加工工艺，具体包括：

脊波导制作、欧姆接触制作、电极制作、解理划片和端面镀膜的DFB激光器加工工艺。