CN108649426A - 一种激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种激光器，包括：由下至上依次设置的N型电极、衬底、下限制层、下波导层，下波导层上方设有相互分离的第一有源波导区、第二无源滤波波导区和第三无源耦合波导区，第一有源波导区中设有量子阱层，量子阱层上设有一阶光栅，第一有源波导区的顶部设有P型电极；第二无源滤波波导区中设有光栅材料层，第二无源滤波波导区的顶部设有P型电极，第三无源耦合波导区中设有二阶光栅，量子阱层受激发所产生的光束在依次通过一阶光栅、光栅材料层和二阶光栅后，从第三无源耦合波导区的顶部输出；本发明装配工艺十分简单，且其有效地降低了器件的制作成本，提高了器件的整体稳定性，并缩小了封装后的尺寸。

Description

一种激光器
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种激光器。
背景技术
随着光纤通信网络的不断发展，它所需要的通信带宽也在不断增加，如今高速光模块已经成为市场发展的主流趋势。高速光模块中最为关键的器件是DFB(DistributedFeed Back)芯片。根据调制方式的不同，该芯片可以分为2大类，一类是外部调制型芯片，包括电吸收调制激光器(EML)和马赫增德尔调制器型分布反馈型激光器(MZ-DFB)；另外一类是直接调制型DFB芯片。外部调制型发射芯片在高速调制下产生的频率啁啾较小，传输途中由单模光纤色散引起的信号展宽也较低，这类光发射芯片最大的传输距离可以达到 80Km左右。直接调制型DFB芯片在高速调制下会产生较大的正啁啾，使信号在单模光纤中随传输距离的增加而迅速展宽，将最大的传输距离限制在10km 以内。外部调制型DFB只是在一定程度上减轻了信号啁啾的影响，为了达到 200km以上的传输距离还需要对色散进行补偿，导致这类器件的尺寸以及成本都远高于直接调制型DFB，除此之外EML还存在输出信号的功率较小，而 MZ-DFB也存在调制方式复杂和成品率低的一系列问题。
为了解决直接调制型DFB所产生的频率啁啾的问题，在现有技术中研发出了一种单纵模工作脊波导型分布反馈式半导体激光器(CML)，其具体结构包括DFB芯片、带通滤波器(0SR)以及温度控制系统。该CML芯片可以在直接调制工作模式下稳定传输200km以上。但是该CML仍具有一些不足之处，其在于，1.器件中带通滤波器尺寸较大；2.器件包括复杂的光路系统，并且对每个光学部件的稳定性有较高的要求；导致其对CML芯片的结构十分复杂，其生产成本较高昂。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明的目的即在于提供一种FP滤波波导型啁啾管理激光器。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明是一种激光器，包括：底层部分，所述底层部分包括：由下至上依次设置的N型电极、衬底、下限制层、下波导层，所述底层部分上方设有相互分离的第一有源波导区、第二无源滤波波导区和第三无源耦合波导区，所述第一有源波导区中设有量子阱层，所述量子阱层的上方设有一阶光栅，所述第一有源波导区的顶部设有第一P型电极；所述第二无源滤波波导区中设有光栅材料层，所述第二无源滤波波导区的顶部设有第二P型电极，所述第三无源耦合波导区中设有二阶光栅，所述量子阱层受激发所产生的光束在依次通过一阶光栅、光栅材料层和二阶光栅后，从第三无源耦合波导区的顶部输出。
本发明提供一种能够控制频率啁啾的单纵模工作脊波导型分布反馈式半导体激光器，内置二阶光栅监控光功率和电调节FP滤波波导透射峰位，使出射波长与FP滤波谱线相匹配，故其在封装时无需添加稳定性较差的外置滤波器和分束器，其装配工艺十分简单，且其有效地降低了器件的制作成本，提高了器件的整体稳定性，并缩小了封装后的尺寸。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作详细描述。
图1为本发明激光器的整体结构示意图；
图2为本发明中1.55um波段被隔离槽分离的波导之间耦合效率波形图；
图3为本发明中第二无源滤波波导区的透射谱以及它与信号的相对位置图；
图4为本发明通过第二无源滤波波导区之前和之后的信号啁啾变化示意图；
图5为本发明激光器的一个生产流程示意图；
图6为本发明激光器的另一个生产流程示意图。
标号说明：1、第一有源波导区；2、第二无源滤波波导区；3、第三无源耦合波导区；4、量子阱层；5、P型电极；6、下波导层；7、二阶光栅；8、接触层；9、上限制层；10、下限制层；11、衬底；12、一阶光栅；13、光栅材料层；14、上波导层。
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，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面以一个实施例对本发明的一种激光器进行具体描述，请参阅图1至图4，其包括：
底层部分，所述底层部分包括：由下至上依次设置的N型电极、衬底11、下限制层10、下波导层6，所述底层部分上方设有相互分离的第一有源波导区1、第二无源滤波波导区2和第三无源耦合波导区3，所述第一有源波导区 1中设有量子阱层4，所述量子阱层4的上方设有一阶光栅12，所述第一有源波导区1的顶部设有P型电极5；所述第二无源滤波波导区2中设有光栅材料层13，所述第二无源滤波波导区2的顶部也设有P型电极5，其中，设置于第一有源波导区1顶部的为第一P型电极，设置于第二无源滤波波导区 2顶部的为第二P型电极；所述第三无源耦合波导区3中设有二阶光栅7，所述量子阱层4受激发所产生的光束在依次通过一阶光栅12、光栅材料层13 和二阶光栅7后，从第三无源耦合波导区3的顶部输出；并由外置PD探测器接受信号。对比PD探测器信号和DFB背光信号的比值来监控FP滤波器透射谱与发射光谱的相对位置，如果存在偏差则通过第二无源滤波波导区2的偏压来做校正。
其中，第一有源波导区1中的量子阱层4为器件提供光增益，并由该波导内置的折射率耦合型一阶光栅提供单纵模工作模式，在高速电信号调制下输出强度变化的1.55um激光信号。第二无源滤波波导区2上设有第二P型电极，通过电极偏压对材料折射率进行调节，改变FP透射谱峰位。所述的第三无源耦合波导区3上表面输出光功率能够和背光功率进行比较，并根据比值调节第二无源滤波波导的偏压。一阶光栅12、二阶光栅7均通过在光栅材料层13中采用全息曝光等纳米级光刻工艺以及刻蚀工艺而形成。
衬底11由InP材料构成，上、下限制层9、10中均掺杂有InP，上限制层9材料包括但不限定为InP，掺杂水平在5E17以上，接触层材料包括但不限定为InGaAs，掺杂水平在5E19以上；波导层材料为AlInGaAs或InGaAsP，量子阱层4的材料为InGaAsP、AlGalnAs、InGaAs。量子阱数目根据需要的微分增益确定，在8到12层之间，量子阱层4应变在0到1.2％之间。
第二无源滤波波导区2两端不采用增透膜处理，保证滤波波导两端反射率大于30％。若反射率偏小，第二无源滤波波导区2的透射谱曲线斜率导致其啁啾控制能力变弱。第二无源滤波波导区2为器件的核心部件，图3为第二无源滤波波导区2的透射谱曲线，端面反射率为33％。当第二无源滤波波导区2与发射光谱的相对位置如图中所示，且斜率大于0.8dB/Ghz时，第二无源滤波波导区2会对信号的啁啾进行补偿。该滤波器使信号的前沿和后沿红移补偿DFB中的蓝移量，补偿后输出1信号脉宽中频率不变，啁啾近似为零。
在本实施例中，所述第一有源波导区1包括：由下而上依次设置的量子阱层4、一阶光栅12、上波导层14、上限制层9、接触层8和第一P型电极，所述量子阱层4设置于所述下波导层6的上方。
在本实施例中，所述第二无源滤波波导区2包括：由下而上依次设置的光栅材料层13、上波导层14、上限制层9、接触层8和第二P型电极，所述光栅材料层13设置于所述下波导层6的上方，第二无源滤波波导区2不包括量子阱层4和光栅结构。第二P型电极与第一P型电极相同，可以采用 Ti/Pt/Au金属制备。用来提供偏压改变波导区域的载流子浓度，通过载流子浓度调节波导材料的折射率对FP滤波透射谱进行调节。通过控制掺杂水平可以改变FP滤波波导的调节速度和调节精度。
在本实施例中，所述第三无源耦合波导区3包括：由下而上依次设置的二阶光栅7、上波导层14和上限制层9，所述二阶光栅7设置于所述下波导层6的上方，第三无源耦合波导区3不包含量子阱层4，第三无源耦合波导区3的上表面不包括P型电极，且其包含二氧化硅或其他的钝化层材料。
在本实施例中，所述二阶光栅7的光栅周期为所述一阶光栅12的光栅周期的两倍。其中，第一有源波导区1有一阶光栅12，光栅周期根据∧1＝λ/2neff给出，neff代表光栅处基模的有效折射率；其中第三无源耦合波导区3含有二阶光栅7，其光栅周期为2∧1。二阶光栅7与第三无源耦合波导区3的顶部平面有相对角度3°到12°，可以有效避免光栅反向耦合光进入DFB器件。其中第二无源滤波波导区2的波导层掺杂浓度根据材料组分确定，但需要小于1E18来避免自由载流子吸收。光栅层材料采用较高的折射率材料例如 InGaAs等，光栅的占空比在0.3到0.8之间。
在本实施例中，所述二阶光栅7的折射角度在0°至80°之间，其将有效地降低反射光。
在本实施例中，所述第一有源波导区1与所述第二无源滤波波导区2之间和所述第二无源滤波波导区2与所述第三无源耦合波导区3之间均设有隔离槽，所述隔离槽的底部与所述底层部分的上端面相接。第二无源滤波波导区2被前后两个隔离槽与第一有源波导区1和第三无源耦合波导区3所分离开，隔离槽的刻蚀深度大于量子阱层4的深度。
在本实施例中，所述隔离槽中填充有固体介质，所填充的固体介质为低折射率材料。
在本实施例中，所述隔离槽中不填充有固体介质。
在本实施例中，所述隔离槽的宽度在2um到5um之间。
为了便于理解，下面以一个实施例对本发明所述的激光器的生产方法，进行详细描述，请参看图5，其具体包括：
S501.准备衬底材料并划分区域
准备衬底材料InP，并在所述衬底材料的平面上分别划分出第一有源波导区、第二无源滤波波导区和第三无源耦合波导区；
S502.形成底层部分
在衬底上依次形成由InP构成的下限制层、由AlInGaAs或InGaAsP构成的下波导层和由InGaAsP、AIGalnAs或InGaAs构成的量子阱层，所述衬底、下限制层和下波导层构成了底层部分；
S503.去除部分区域上的量子阱层
采用光刻以及刻蚀工艺，除去所述底层部分上方除所述第一有源波导区外的所有量子阱层，刻蚀深度达到底层部分中的下波导层；
S504.形成第二、三区域的下波导层
采用清洗工艺以及外延工艺，在所述底层部分的下波导层上方生长波导层材料，生长波导层材料的厚度与上一步刻蚀深度相同，使得所述波导层材料的上表面与所述量子阱层的上表面相齐平，使得波导层材料与所述下波导层构成了第二无源滤波波导区和第三无源耦合波导区的下波导层；
S505.生长光栅材料和上波导层
在所述第一有源波导区的量子阱层和所述第二无源滤波波导区和第三无源耦合波导区的下波导层的上表面生长光栅材料，在生长光栅材料后，在所述光栅材料的上方继续生长波导材料，使其成为上波导层；
S506.在第三区域上制备二阶光栅
选用全息曝光等纳米级光刻工艺以及刻蚀工艺在所述第三无源耦合波导区上的光栅材料中制备二阶光栅；
S507.在第一区域上制备一阶光栅
利用钝化层材料对二阶光栅进行保护，选用全息曝光等纳米级光刻工艺以及刻蚀工艺在第一有源波导区上的光栅材料中制备一阶光栅；
S508.生长上限制层和接触层
在上波导层的上表面依次生长上限制层、接触层；
S509.制作出隔离槽
在第一有源波导区、第二无源滤波波导区和第三无源耦合波导区之间制作出隔离槽，得到激光器主体，该隔离槽深度大于量子阱层所在的深度；并在激光器主体上生长钝化层材料；
S510.第一、三区域镀上增透膜
在第一有源波导区和第三无源耦合波导区上镀上增透膜；其具体操作包括：采用光刻与刻蚀工艺去除隔离槽内的钝化层材料，并在激光器主体上镀增透膜材料，再次采用光刻与刻蚀工艺去除第二无源滤波波导区的增透膜，其中，增透膜可以是SiO2，Si3N4，Al2O3等。
S511.第一、二区域镀上制作电极
在第一有源波导区、第二无源滤波波导区的顶部制作电极；至此，激光器的生产完成。
为了便于理解，下面以另一个实施例对本发明所述的激光器的生产方法，进行详细描述，请参看图3，其具体包括：
为了便于理解，下面以另一个实施例对本发明所述的激光器的生产方法，进行详细描述，请参看图6，其具体包括：
S601.准备衬底材料并划分区域
准备衬底材料InP，并在所述衬底材料的平面上分别划分出第一有源波导区、第二无源滤波波导区和第三无源耦合波导区；
S602.形成底层部分
在衬底上依次形成由InP构成的缓冲层、由InP构成的下限制层、由 AlInGaAs或InGaAsP构成的下波导层、由InGaAsP、AlGalnAs或InGaAs构成的量子阱层和由InGaAs构成的光栅材料，所述衬底、下限制层和下波导层构成了底层部分；
S603.刻蚀第二、三区域
采用光刻加刻蚀工艺保护第一有源波导区，刻蚀第二无源滤波波导区和第三无源耦合波导区至底层部分中的下限制层；
S604.在第二、三区域生长下波导层和光栅材料
在第二无源滤波波导区和第三无源耦合波导区生长InGaAsP低掺杂浓度的下波导层和InGaAs光栅材料；
S605.在第三区域制备二阶光栅
采用全息曝光工艺在第三无源耦合波导区的光栅材料中制备二阶光栅；
S606.在第一区域制备一阶光栅
采用SiO2对激光器进行保护，然后去除第一有源波导区上的SiO2保护层，保留其他位置的保护层，再进行部分全息曝光工艺在第一有源波导区的光栅材料中制备一阶光栅；
S607.生长上波导层、上限制层和接触层
在光栅材料上进行InGaAsP上波导层材料，InP上限制层材料以及接触层材料InGaAs的生长；然后采用光刻和刻蚀工艺制备第一有源波导区、第二无源滤波波导区和第三无源耦合波导区之间的隔离槽；
S608.去除第二、三区域上的钝化层
采用SiO2对激光器的表面进行保护，使得在SiO2的表面生成钝化层，再采用光刻和湿法刻蚀工艺去除第二无源滤波波导区和第三无源耦合波导区截面上的钝化层；
S609.在第一、二区域表面制备电极
利用光刻刻蚀工艺在第一有源波导区和第二无源滤波波导区表面制备电极窗口，并沉积电极材料，分别得到第一P型电极和第二P型电极。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
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)

1.一种激光器，其特征在于，包括：底层部分，所述底层部分包括：由下至上依次设置的N型电极、衬底、下限制层、下波导层，所述底层部分上方设有相互分离的第一有源波导区、第二无源滤波波导区和第三无源耦合波导区，所述第一有源波导区中设有量子阱层，所述量子阱层的上方设有一阶光栅，所述第一有源波导区的顶部设有第一P型电极；所述第二无源滤波波导区中设有光栅材料层，所述第二无源滤波波导区的顶部设有第二P型电极，所述第三无源耦合波导区中设有二阶光栅，所述量子阱层受激发所产生的光束在依次通过一阶光栅、光栅材料层和二阶光栅后，从第三无源耦合波导区的顶部输出。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第一有源波导区包括：由下而上依次设置的量子阱层、一阶光栅、上波导层、上限制层、接触层和第一P型电极，所述量子阱层设置于所述下波导层的上方。
3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第二无源滤波波导区包括：由下而上依次设置的光栅材料层、上波导层、上限制层、接触层和第二P型电极，所述光栅材料层设置于所述下波导层的上方。
4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第三无源耦合波导区包括：由下而上依次设置的二阶光栅、上波导层和上限制层，所述二阶光栅设置于所述下波导层的上方。
5.根据权利要求2、3或4所述的激光器，其特征在于，所述二阶光栅的光栅周期为所述一阶光栅的光栅周期的两倍。
6.根据权利要求5所述的激光器，其特征在于，所述二阶光栅的折射角度在0°至80°之间。
7.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第一有源波导区与所述第二无源滤波波导区之间和所述第二无源滤波波导区与所述第三无源耦合波导区之间均设有隔离槽，所述隔离槽的底部与所述底层部分的上端面相接。
8.根据权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述隔离槽中填充有固体介质。
9.根据权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述隔离槽中不填充有固体介质。
10.根据权利要求8或9所述的激光器，其特征在于，所述隔离槽的宽度在2um到5um之间。
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