CN108616034A - 基于模斑转换结构的超辐射发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,包括:n‑InP衬底;无源波导层,设置于n‑InP衬底上;有源区,设置于无源波导层上,用于发射激光,包括应变量子阱和设置于应变量子阱上的势垒层;波导结构,设置于有源区上,所述波导结构包括:斜三角吸收区,设置于一端;增益区,紧邻斜三角吸收区设置;以及模斑转换结构,紧邻增益区设置,是宽度渐变的楔形波导结构,用于将有源区发射的激光低损耗地耦合进无源波导层;以及电极,设置于超辐射发光二极管器件上部脊结构的表面,与波导结构的增益区上下对应,用于对超辐射发光二极管进行电注入,提高了超辐射发光二极管和外接光纤的耦合效率,又提高了其偏调允差,降低了耦合封装工艺难度。
Description
技术领域
本公开涉及半导体光电子器件领域,尤其涉及一种基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,超辐射发光二极管是光纤陀螺的核心器件,在惯性导航领域具有重要应用。
背景技术
光纤陀螺是一种能够精确地确定运动物体方位的仪器,它是航空航天、航海和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器。光纤陀螺基于萨格纳克(Sagnac)效应,是一种对角速度和角偏差极其敏感的传感器,由宽带光源、耦合器、Y波导、光纤环和逻辑电路等元部件组成。超辐射发光二极管是核心宽带光源,其带宽和功率均影响陀螺的精度和稳定性。
传统结构的超辐射发光二极管多采用掩埋异质结结构,波导一般采用斜波导或弯波导等方式抑制受激辐射。上述结构存在发光效率低,尤其是垂直发散角大等问题,无法满足光纤陀螺对高功率超辐射发光二极管的要求。
光纤的波导结构是对称的圆柱形结构,这样导致其本征模场是对称的圆形光斑,而超辐射发光二极管的本征模场是椭圆形光斑。因此,超辐射发光二极管和外接的光纤之间的本征模场的大小和形状的差别导致了二者之间有很大的模式失配,二者之间的耦合效率极低,而且对准允差较小。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题,本公开提供一种基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,以缓解现有技术中超辐射发光二极管发光效率低,垂直发散角度大,本征模场与外接光纤模场耦合效率低且对准允差小等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,包括:n-InP衬底10;无源波导层20,设置于n-InP衬底10上;有源区30,设置于无源波导层20上,用于发射激光,包括应变量子阱和设置于应变量子阱上的势垒层;
波导结构40,设置于有源区30上,所述波导结构40包括:斜三角吸收区41,设置于一端;增益区42,紧邻斜三角吸收区41设置;以及模斑转换结构43,紧邻增益区42设置,是宽度渐变的楔形波导结构,用以将有源区30发射的激光耦合进无源波导层20;以及电极50,所述电极50设置于超辐射发光二极管器件上部脊结构的表面,与波导结构40的增益区42上下对应,用于对超辐射发光二极管进行电注入。
在本公开的一些实施例中,所述的基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,其中,还包括SiO2掩膜,其覆盖于所述波导结构40的吸收区41和模斑转换结构43上。
在本公开的一些实施例中,所述的基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,其中,还包括增透膜,镀制于超辐射发光二极管器件的与波导结构40垂直的两个端面。
在本公开的一些实施例中,所述的基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,所述增透膜应用反应磁控溅射镀膜技术并采用离子源辅助镀膜制成,增透膜反射率不大于3%。
在本公开的一些实施例中,所述的基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,所述模斑转换结构43的长度c,其中,200μm≤c≤500μm。
在本公开的一些实施例中,所述的基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,所述斜三角吸收区41的长度为a,其中,100μm≤a≤500μm。
在本公开的一些实施例中,所述的基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,其中,所述增益区42的长度为b,其中,400μm≤b≤1500μm。
在本公开的一些实施例中,所述的基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,其中,所述应变量子阱材料为InGaAsP或InP。
在本公开的一些实施例中,所述的基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,所述无源波导层20的厚度为40nm~60nm。
在本公开的一些实施例中,以上所述的基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,其对应增益区42的部分没有SiO2掩膜覆盖。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出,本公开基于模斑转换结构的超辐射发光二极管至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分:
(1)在有源区下面生长一层无源波导层,光经过模斑转换结构的作用,扩展至无源波导层,改变了光斑纵向尺寸,使出射端面的近场光斑和外接光纤的模场匹配度高,减小了激光器远场发散角。
(2)波导结构的一端采用斜三角吸收区,能够抑制受激辐射,减小腔面的光反馈,实现超辐射光输出;
(3)与模斑转换结构的集成结构,可以将超辐射发光二极管的椭圆光斑转换为近圆形光斑,提高超辐射发光二极管与外接光纤的耦合效率和偏调允差;
(4)模斑转换结构采用宽度渐变的楔形波导设计,波导增益区采用直波导结构,这样有利于提高发光效率,提高耦合效率,降低耦合难度。
附图说明
图1是本公开实施例基于模斑转换结构的超辐射发光二极管的立体结构示意图。
图2为本公开实施例波导结构的斜三角吸收区、增益区和模斑转换结构的示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
10-n-InP衬底;20-无源波导层;30-有源区;
40-波导结构;
41-斜三角吸收区;42-增益区;43-模斑转换结构;
50-电极。
具体实施方式
本公开提供了一种基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,其波导结构包括斜三角吸收区、增益区和模斑转换结构,模斑转换结构采用宽度渐变的楔形波导结构,当有源区产生的光经过模斑转换结构传导,低损耗地耦合至无源波导层时,所述无源波导层使有源区所发出的光经传导形成的光斑纵向尺寸改变,减小了超辐射发光二极管远场发散角,实现将超辐射发光二极管不对称的模场椭圆光斑转换为对称的圆形光斑,提高了超辐射发光二极管和外接光纤的耦合效率,又提高了其偏调允差,降低了耦合封装工艺难度。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本公开作进一步的详细说明。
在本公开的一个实施例中,提供了一种基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,图1为本公开实施例超辐射发光二极管的立体结构示意图,如图1所示,本实施例提供的基于模斑转换结构的超辐射发光二极管包括:n-InP衬底10,设置于器件最底层;无源波导层20,设置于n-InP衬底10上,厚度为40nm~60nm;有源区30,设置于无源波导层20上,用于发射激光,包括应变量子阱和设置于应变量子阱上的势垒层;波导结构40,设置于有源区30上,所述波导结构40包括:斜三角吸收区41,设置于波导结构40的一端;增益区42,采用直波导结构,紧邻斜三角吸收区41设置;以及模斑转换结构43,紧邻增益区42设置,是宽度渐变的楔形波导结构,用以将有源区30产生的光耦合进无源波导层20;以及电极50,所述电极50对应波导结构40的增益区42制备而成,设置于增益区42上侧,用于对超辐射发光二极管进行电注入。
在本实施例中,如图1所示,所述无源波导层20设置于n-InP衬底10上,厚度为40nm~60nm。
在本实施例中,所述有源区30设置于无源波导层20上,包括采用InGaAsP或InP的应变量子阱,和设置于应变量子阱上侧的势垒层,所述势垒层厚度为15nm~30nm。
在本实施例中,如图1所示,超辐射发光二极管器件的上部由光刻和干法刻蚀工艺制备形成中间的脊和两侧的台面结构,脊结构与波导结构40平行设置,两侧的台面对中间的脊结构起到保护的作用;所述电极50对应波导结构40的增益区42制备而成,设置于超辐射发光二极管器件上部脊结构的表面,与波导结构40的增益区42上下对应,用于对超辐射发光二极管进行电注入。
在本实施例中,所述超辐射发光二极管还包括SiO2掩膜,其覆盖于波导结构40的斜三角吸收区41和模斑转换结构43上,而对应增益区42部分没有SiO2掩膜覆盖,这样能够提高增益区42的注入电流密度,提高光电转换效率。而斜三角吸收区41和模斑转换结构43所覆盖的SiO2掩膜,能够进一步抑制受激辐射,降低斜三角吸收区41的光反馈,提高自发辐射效率,实现超辐射光输出。
在本实施例中,所述超辐射发光二极管还包括增透膜,镀制于超辐射发光二极管器件的与波导结构40垂直的两个端面。所述增透膜应用反应磁控溅射镀膜技术并采用离子源辅助镀膜制成,有效提高了增透膜的致密性,降低了增透膜的反射率,增透膜反射率不大于3%。
在本公开实施例中,图2为本公开实施例波导结构的斜三角吸收区、增益区和模斑转换结构的示意图,如图2所示,所述波导结构40包括:斜三角吸收区41,增益区42,模斑转换结构43。
所述斜三角吸收区41的波导结构能够有效抑制受激辐射,减小超辐射发光二极管的出光端面的光反馈,如图所示,所述斜三角吸收区41的长度为a,其中,100μm≤a≤500μm。
所述增益区42紧邻斜三角吸收区41设置,如图所示,其长度为b,其中,400μm≤b≤1500μm。
所述模斑转换结构43是宽度渐变的楔形波导结构,其紧邻增益区42设置,如图所示,其长度为c,其中,200μm≤c≤500μm。
当有源区30产生的光经过模斑转换结构43传导,低损耗地耦合至无源波导层20时,所述无源波导层20使有源区30所发出的光经传导形成的光斑纵向尺寸改变,通过模斑转换结构43等共同作用下,减小了超辐射发光二极管远场发散角,实现将超辐射发光二极管不对称的模场椭圆光斑转换为对称的圆形光斑,提高超辐射发光二极管和外接光纤的耦合效率,又提高了其偏调允差,降低了耦合封装工艺难度。
至此,已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是,在附图或说明书正文中,未绘示或描述的实现方式,均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式,并未进行详细说明。此外,上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式,本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换,例如:
(1)模斑转换结构还可以用楔形波导结构来代替;
(2)增透膜还可以用减反膜来代替;
依据以上描述,本领域技术人员应当对本公开基于模斑转换结构的超辐射发光二极管有了清楚的认识。
综上所述,本公开提供了一种基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,当有源区产生的光经过模斑转换结构传导,低损耗地耦合至无源波导层时,所述无源波导层使有源区所发出的光经传导形成的光斑纵向尺寸改变,减小了超辐射发光二极管远场发散角,实现将超辐射发光二极管不对称的模场椭圆光斑转换为对称的圆形光斑,提高了超辐射发光二极管和外接光纤的耦合效率,又提高了其偏调允差,降低了耦合封装工艺难度。
还需要说明的是,实施例中提到的方向用语,例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等,仅是参考附图的方向,并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图,相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时,将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例,而仅示意本公开实施例的内容。另外,在权利要求中,不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者,单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词,以修饰相应的元件,其本身并不意味着该元件有任何的序数,也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序,该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外,除非特别描述或必须依序发生的步骤,上述步骤的顺序并无限制于以上所列,且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑,彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用,即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
类似地,应当理解,为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个,在上面对本公开的示例性实施例的描述中,本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而,并不应将该公开的方法解释成反映如下意图:即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说,如下面的权利要求书所反映的那样,公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此,遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式,其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例,对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本公开的具体实施例而已,并不用于限制本公开,凡在本公开的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,包括:
n-InP衬底(10);
无源波导层(20),设置于n-InP衬底(10)上;
有源区(30),设置于无源波导层(20)上,用于发射激光,包括应变量子阱和设置于应变量子阱上的势垒层;
波导结构(40),设置于有源区(30)上,所述波导结构(40)包括:
斜三角吸收区(41),设置于一端;
增益区(42),紧邻斜三角吸收区(41)设置;以及
模斑转换结构(43),紧邻增益区(42)设置,是宽度渐变的楔形波导结构,用以将有源区(30)发射的激光耦合进无源波导层(20);以及
电极(50),所述电极(50)设置于超辐射发光二极管器件上部脊结构的表面,与波导结构(40)的增益区(42)上下对应,用于对超辐射发光二极管进行电注入。
2.根据权利要求1所述的基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,其中,还包括SiO2掩膜,其覆盖于所述波导结构(40)的吸收区(41)和模斑转换结构(43)上。
3.根据权利要求1所述的基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,其中,还包括增透膜,镀制于超辐射发光二极管器件的与波导结构(40)垂直的两个端面。
4.根据权利要求3所述的基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,所述增透膜应用反应磁控溅射镀膜技术并采用离子源辅助镀膜制成,增透膜反射率不大于3%。
5.根据权利要求1所述的基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,所述模斑转换结构(43)的长度c,其中,200μm≤c≤500μm。
6.根据权利要求1所述的基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,所述斜三角吸收区(41)的长度为a,其中,100μm≤a≤500μm。
7.根据权利要求1所述的基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,其中,所述增益区(42)的长度为b,其中,400μm≤b≤1500μm。
8.根据权利要求1所述的基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,其中,所述应变量子阱材料为InGaAsP或InP。
9.根据权利要求1所述的基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,所述无源波导层(20)的厚度为40nm~60nm。
10.根据权利要求1至9任一项所述的基于模斑转换结构的超辐射发光二极管,其对应增益区(42)的部分没有SiO2掩膜覆盖。
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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