CN109616870A - 单片集成互注入型窄线宽半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种单片集成互注入型窄线宽半导体激光器。下包层、第一有源区、第二有源区、对接层、上包层、第一电极层和第二电极层；其中第一有源区、第二有源区通过对接层相连；第一有源区、第二有源区和对接层的下表面均与下包层的上表面相连，其中第一有源区、第二有源区和对接层的上表面均与上包层的下表面相连。本公开中第一有源区和第二有源区通过对接层实现互注入作用，在抑制频率噪声，压窄激光线宽的同时，对激射波长实现锁定，避免了传统的利用外腔压窄线宽结构的跳模危险，提高了频率的稳定性；同时本公开中采用的单片集成，利于完善器件的功能、提高器件的性能、减少器件的体积、降低器件的功耗，从而显著地降低了器件的成本，提高了器件的可靠性。

Description

单片集成互注入型窄线宽半导体激光器
技术领域
本公开涉及光电技术领域，尤其涉及一种单片集成互注入型窄线宽半导体激光器。
背景技术
光纤通信系统是现代通信网络的核心组成部分，随着单通道高阶调制解调技术和多通道密集复用技术的应用，光纤通信系统在进一步追求高速大容量干线传输的同时，也逐步向以集成化和智能化为特征，以城域网、接入网和智能光网络为发展重点的新一代光纤通信网络演进。在光通信系统中，对相干光通信光源的要求将越来越高。
光纤通信系统中作为光源的半导体激光器具有直接的电-光转换、快速直接调制等特点，并且具有寿命长、体积小、重量轻、低功耗、价格便宜、易于集成等优点。传统的基于相移光栅的DFB激光器和DBR激光器都具有很宽的光谱宽度，而基于长外腔的半导体激光器则很容易产生跳模，并且对外部环境如温度、震动等的影响较为敏感，因此都很难直接应用于可实现高速信号传输的高阶调制解调技术中。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种单片集成互注入型窄线宽半导体激光器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种单片集成互注入型窄线宽半导体激光器，包括：下包层；第一有源区，生长于所述下包层上；所述第一有源区自下而上包括：第一多量子阱层和第一相移光栅层；第二有源区，生长于所述下包层上；所述第二有源区自下而上包括：第二多量子阱层和第二相移光栅层；对接层，生长于所述下包层上，所述对接层两端分别与第一有源区和第二有源区连接；上包层，生长于所述第一有源区的第一相移光栅层、所述第二有源区的第二相移光栅层和对接层上；第一电极层和第二电极层，分别生长于所述上包层上，用于引导注入电流。
在本公开的一些实施例中，所述下包层自下而上包括：N电极层、基底、缓冲层和下限制层；所述第一有源区生长于所述下限制层上。
在本公开的一些实施例中，所述上包层自下而上包括：上限制层和刻蚀阻止层；上限制层生长于所述第一有源区的第一相移光栅层、所述第二有源区的第二相移光栅层和对接层上。
在本公开的一些实施例中，所述第一电极层自下而上包括：第一欧姆接触层和第一p电极层；所述第二电极层自下而上包括：第二欧姆接触层和第二p电极层；所述第一欧姆接触层和第二欧姆接触层分别生长于所述上包层上。
在本公开的一些实施例中，所述第一有源区的长度占所述下包层长度的20％～30％；所述第二有源区的长度占所述下包层长度的20％～30％。
在本公开的一些实施例中，所述对接层和所述上限制层为无源区，所述无源区的长度占所述下包层长度的40％～60％。
在本公开的一些实施例中，所述第一相移光栅层和第二相移光栅层分别进行单纵模激光输出；所述第一相移光栅层包括单个λ/4相移结构、两个λ/8相移结构、光栅周期调制结构和非对称相移光栅结构中任一种；所述第二相移光栅层包括单个λ/4相移结构、两个λ/8相移结构、光栅周期调制结构和非对称相移光栅结构中任一种。
在本公开的一些实施例中，所述第一相移光栅层不与所述对接层相连的一端镀有高反膜。
在本公开的一些实施例中，所述第二相移光栅层不与所述对接层相连的一端镀有高透膜。
在本公开的一些实施例中，所述第一相移光栅层和第二相移光栅层的光栅周期相同；所述第一多量子阱层和第二多量子阱层材料相同。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开单片集成互注入型窄线宽半导体激光器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本公开中第一有源区和第二有源区通过对接层实现互注入作用，在抑制频率噪声，压窄激光线宽的同时，对激射波长实现锁定，避免了传统的利用外腔压窄线宽结构的跳模危险，提高了频率的稳定性。
(2)本公开中采用单片集成，利于完善器件的功能、提高器件的性能、减少器件的体积、降低器件的功耗，从而显著地降低了器件的成本，提高了器件的可靠性。
附图说明
图1为本公开实施例单片集成互注入型窄线宽半导体激光器的结构示意图。
图2为本公开实施例单片集成互注入型窄线宽半导体激光器的典型光谱图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-基底； 2-缓冲层；
3-下限制层； 4-第一多量子阱层；
5-第一相移光栅层； 6-第二多量子阱层；
7-第二相移光栅层； 8-对接层；
9-上限制层； 10-刻蚀阻止层；
11-第一欧姆接触层； 12-第一p电极层；
13-第二欧姆接触层； 14-第二p电极层；
15-N电极层。
具体实施方式
本公开提供了一种单片集成互注入型窄线宽半导体激光器。下包层、第一有源区、第二有源区、对接层、上包层、第一电极层和第二电极层；其中第一有源区、第二有源区通过对接层相连；第一有源区、第二有源区和对接层的下表面均与下包层的上表面相连，其中第一有源区、第二有源区和对接层的上表面均与上包层的下表面相连。本公开中第一有源区和第二有源区通过对接层实现互注入作用，在抑制频率噪声，压窄激光线宽的同时，对激射波长实现锁定，避免了传统的利用外腔压窄线宽结构的跳模危险，提高了频率的稳定性；同时本公开中采用的单片集成，利于完善器件的功能、提高器件的性能、减少器件的体积、降低器件的功耗，从而显著地降低了器件的成本，提高了器件的可靠性。
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，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种单片集成互注入型窄线宽半导体激光器。图1为本公开实施例单片集成互注入型窄线宽半导体激光器的结构示意图。如图1所示，本公开单片集成互注入型窄线宽半导体激光器包括：下包层、第一有源区、第二有源区、对接层8、上包层、第一电极层和第二电极层；其中第一有源区、第二有源区通过对接层8相连；第一有源区、第二有源区和对接层8的下表面均与下包层的上表面相连，其中第一有源区、第二有源区和对接层8的上表面均与上包层的下表面相连。具体地，下包层自上而下包括：N电极层15、基底1、缓冲层2和下限制层3。所述第一有源区自下而上包括：第一多量子阱层4和第一相移光栅层5；第一多量子阱层4生长于下限制层3上，如图1的限制层左端。所述第二有源区自下而上包括：第二多量子阱层6和第二相移光栅层7；第二多量子阱层6生长于下限制层3上，如图1的限制层右端。对接层8生长于所述下包层上，对接层8两端分别与第一有源区和第二有源区连接。上包层自下而上包括：上限制层9和刻蚀阻止层10，其中上限制层9分别与第一相移光栅层5、对接层8的上表面和第二相移光栅层7相连。所述第一电极层自下而上包括：第一欧姆接触层11和第一p电极层12，其中第一欧姆接触层11生长于刻蚀阻止层10；所述第二电极层自下而上包括：第二欧姆接触层13和第二p电极层14，其中第二欧姆接触层13生长于刻蚀阻止层10。
具体地，本发明提供的这种单片集成互注入型窄线宽半导体激光器，是在基底1上依次外延N型InP缓冲层2、非掺杂晶格匹配的InGaAsP下限制层3、应变InGaAsP第一多量子阱层4、InGaAsP第一相移光栅层5、InGaAsP对接层8、InGaAsP第二多量子阱层6、InGaAsP第二相移光栅层77和InGaAsP上限制层9，其中第一多量子阱层4、第一相移光栅层5和上限制层9构成第一有源区，第二多量子阱层6、第二相移光栅层7和上限制层9构成第二有源区。对接层8和上限制层9构成该单片集成互注入型窄线宽半导体激光器的无源区。
在图1中，第一相移光栅层5不与所述对接层8相连的一端，如图中左端镀有高反膜。第二相移光栅层7不与所述对接层8相连的一端，如图中右端镀有高透膜。第一有源区和第二有源区通过对接层8实现互注入作用，在抑制频率噪声，压窄激光线宽的同时，对激射波长实现锁定，避免了传统的利用外腔压窄线宽结构的跳模危险，提高了频率的稳定性。图2示出了依照本发明实施例的单片集成互注入窄线宽半导体激光器的典型光谱图。
第一相移光栅层5或第一相移光栅层7采用纳米压印、电子束曝光或全息曝光的方法制作而成，且第一相移光栅层5或第一相移光栅层7的光栅周期相同。第一多量子阱层4和第二多量子阱层6采用的材料相同。本公开提供的单片集成互注入窄线宽半导体激光器的激射波长与第一相移光栅层5和第二相移光栅7的光栅周期有关，通过同时改变第一相移光栅层5和第二相移光栅7的光栅周期能够改变本公开提供的单片集成互注入窄线宽半导体激光器的激射波长。
本发明提供的这种单片集成互注入型窄线宽半导体激光器，其第一相移光栅层5和第二相移光栅层7可以选择λ/4相移结构、两个λ/8相移结构、光栅周期调制(CPM)结构或非对称相移光栅结构等不同的光栅结构，从而达到单纵模激光输出。第一相移光栅层5和第二相移光栅层7的制作可采用纳米压印的方法，也可采用电子束曝光或全息曝光的方法。在制作过程使第一相移光栅层5和第二相移光栅层7的光栅周期相同。激射波长与光栅周期有关，改变激射波长可通过同时改变第一相移光栅层5和第二相移光栅层7的光栅周期来实现。为了增加有源区和无源区的耦合效率，无源区与有源区采用相同的材料生长，且通过对接生长或量子阱混杂技术实现与无源区的耦合。使第一相移光栅层5和第二相移光栅层7的刻蚀位置在同一水平位置。
为了保证单片集成耦合腔窄线宽半导体激光器产生单纵模、窄线宽激光输出，使第一有源区及上限制层9的长度占本公开提供的单片集成互注入型窄线宽半导体激光器的总长度的20％～30％，第二有源区及上限制层9的长度占本公开提供的单片集成互注入型窄线宽半导体激光器的总长度的20％～30％，对接层8和上限制层9构成的该无源区长度占器件总长度的40％～60％。这里需要说明的是，上述单片集成互注入型窄线宽半导体激光器的总长度为如图1视图方向上单片集成互注入型窄线宽半导体激光器的总长度。
本公开的制作过程中，材料的外延生长是价格昂贵的一步工艺。采用侧向耦合光栅可以避免制作内置光栅，从而减小外延次数。为了简化制作过程，第一相移光栅层5和第二相移光栅层7可以采用侧向耦合光栅结构，其光栅位于脊波导两侧。这种结构的激光器可以只进行一次材料外延生长，然后制作侧向耦合光栅和光波导结构。
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。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开单片集成互注入型窄线宽半导体激光器有了清楚的认识。
综上所述，本公开中第一有源区和第二有源区通过对接层实现互注入作用，在抑制频率噪声，压窄激光线宽的同时，对激射波长实现锁定，避免了传统的利用外腔压窄线宽结构的跳模危险，提高了频率的稳定性。
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。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
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。
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)

1.一种单片集成互注入型窄线宽半导体激光器，包括：
下包层；
第一有源区，生长于所述下包层上；所述第一有源区自下而上包括：第一多量子阱层和第一相移光栅层；
第二有源区，生长于所述下包层上；所述第二有源区自下而上包括：第二多量子阱层和第二相移光栅层；
对接层，生长于所述下包层上，所述对接层两端分别与第一有源区和第二有源区连接；
上包层，生长于所述第一有源区的第一相移光栅层、所述第二有源区的第二相移光栅层和对接层上；
第一电极层和第二电极层，分别生长于所述上包层上，用于引导注入电流。
2.根据权利要求1所述的单片集成互注入型窄线宽半导体激光器，其中，所述下包层自下而上包括：N电极层、基底、缓冲层和下限制层；所述第一有源区生长于所述下限制层上。
3.根据权利要求1所述的单片集成互注入型窄线宽半导体激光器，其中，所述上包层自下而上包括：上限制层和刻蚀阻止层；上限制层生长于所述第一有源区的第一相移光栅层、所述第二有源区的第二相移光栅层和对接层上。
4.根据权利要求1所述的单片集成互注入型窄线宽半导体激光器，其中，所述第一电极层自下而上包括：第一欧姆接触层和第一p电极层；所述第二电极层自下而上包括：第二欧姆接触层和第二p电极层；所述第一欧姆接触层和第二欧姆接触层分别生长于所述上包层上。
5.根据权利要求1所述的单片集成互注入型窄线宽半导体激光器，其中，所述第一有源区的长度占所述下包层长度的20％～30％；所述第二有源区的长度占所述下包层长度的20％～30％。
6.根据权利要求3所述的单片集成互注入型窄线宽半导体激光器，其中，所述对接层和所述上限制层为无源区，所述无源区的长度占所述下包层长度的40％～60％。
7.根据权利要求1所述的单片集成互注入型窄线宽半导体激光器，其中，所述第一相移光栅层和第二相移光栅层分别进行单纵模激光输出；所述第一相移光栅层包括单个λ/4相移结构、两个λ/8相移结构、光栅周期调制结构和非对称相移光栅结构中任一种；所述第二相移光栅层包括单个λ/4相移结构、两个λ/8相移结构、光栅周期调制结构和非对称相移光栅结构中任一种。
8.根据权利要求1所述的单片集成互注入型窄线宽半导体激光器，其中，所述第一相移光栅层不与所述对接层相连的一端镀有高反膜。
9.根据权利要求1所述的单片集成互注入型窄线宽半导体激光器，其中，所述第二相移光栅层不与所述对接层相连的一端镀有高透膜。
10.根据权利要求1所述的单片集成互注入型窄线宽半导体激光器，其中，所述第一相移光栅层和第二相移光栅层的光栅周期相同；所述第一多量子阱层和第二多量子阱层材料相同。
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