CN110401105A - 单片集成的窄线宽激光器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单片集成的窄线宽激光器及制作方法，其中窄线宽激光器包含DFB激光器和无源波导，两者之间设有空气隔离区。当在DFB激光器端加上正向电压后激射出来的一部分光通过空气隔离区进入无源波导层，通过增加有效腔长来增加光子的寿命。本发明还通过单片集成的方式并利用二次外延生长使得DFB激光器波导与无源区波导可以实现精密对准，不需要外部额外的透镜来进行耦合。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器，尤其涉及一种单片集成的窄线宽激光器及制作方法。
背景技术
密集波分复用(Dense wavelength division multiplexing)DWDM的应用使得光纤通信网络容量快速增加，在光传输方面相干检测的发展使得光通信网络在传输速率，传输容量和传输距离方面飞速发展。随着光通信网络的发展，对于窄线宽激光器的需求日益凸显，激光器的线宽越窄从而相干长度越长，借助相干检测能够实现高精度远距离的信号发射与检测。
在相干光通信系统中，需要利用载波的相位来传输信息，DWDM系统的发射端和接收端都需要一个光源，因此，具有低相位噪声的窄线宽激光器成为了相干光通信系统里理想光源。在光通信的测试系统中，窄线宽激光器也有着广泛的应用，窄线宽激光器可以应用于高分辨率光谱仪中，利用相干检测的方式可以达到很高的分辨率，其分辨率明显高于普通的光栅型光谱仪。
激光器的线宽跟激光器谐振腔自发辐射噪声和光子寿命成正比，为了减小激光器的线宽，增加激光器有效腔长是一种常用的方式。近年来，实现窄线宽的方式按照集成度来讲主要可以分为两大类：混合集成，单片集成。
混合集成的实现方式主要是：1)半导体激光器和硅波导的混合集成或者异质集成，2)在DFB激光器(Distributed Feedback Laser,即分布式反馈激光器)引入负反馈的方式，采用DFB激光器尾部引入FP etalon进行光反馈的方法，其结构示意图如图1所示。目前这种方式实现了激光器线宽<3kHz，但这种方式需要DFB，rod lens以及FP etalon精密对准，在封装工艺的精度和稳定性上有很高的要求，对于生产的实现难度比较大。
单片集成的实现方法主要是利用长腔长DFB/DBR半导体激光器的方式来实现窄线宽的目的。但其实现外加腔长的方式是通过透镜耦合，然后在外部接上一个无源波导部分，无法在单片集成上来耦合无源波导。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以实现精密对准，不需要外部额外的透镜来进行耦合的单片集成的窄线宽激光器及制作方法。
本发明为达目的所采用的技术方案是：
提供一种单片集成的窄线宽激光器，包含DFB激光器和无源波导，两者之间设有空气隔离区。
接上述技术方案，该DFB激光器自下而上依次包括基底、有源区下光限制层、光栅层、量子阱、有源区上光限制层、间隔层、腐蚀停止层、覆盖层、欧姆接触层、电极层，该DFB激光器的端面镀有AR增透膜。
接上述技术方案，该无源波导自下而上依次包括基底、无源区下光限制层、无源波导层、无源区上光限制层，该无源波导的端面镀有HR高反膜。
接上述技术方案，DFB激光器和无源波导共用一公共基底，中间通过空气隔离区隔开，公共基底的底部镀有金属电极层。
接上述技术方案，在DFB激光器区域电极加正向偏压，在DFB激光器激射的一部分光从空气隔离区域进入无源波导部分的波导层。
接上述技术方案，无源波导的波导层材料的能带间隙比DFB激光器的量子阱材料的能带间隙大。
接上述技术方案，间隔层的厚度为150～200nm，欧姆接触层的厚度为200～250nm。
接上述技术方案，无源波导和空气隔离区均无电极。
本发明还提供了一种单片集成的窄线宽激光器的制作方法，主要包括以下步骤：
DFB部分的外延结构生长；
对生长好的DFB部分进行一次光刻，用介质膜挡住DFB部分需要的图形，漏出空气隔离区和无源波导区域的部分，腐蚀出无源波导和空气隔离部分；
在无源波导和空气隔离部分进行无源波导的生长；
利用干法刻蚀，在靠近DFB部分的无源波导上将空气隔离区域刻蚀出来。
接上述技术方案，该制作方法具体包括：
DFB的外延结构生长：
Step 1：在基底上面外延生长一层有源区下光限制层；
Step 2：在有源区下光限制层上刻蚀出光栅；
Step 3：在光栅层上面外延生长量子阱作为有源区；
Step 4：在有源区上面外延生长一层上光限制层；
Step 5：在有源区上限制层上面生间隔层以及作为腐蚀停止层；
Step 6：在腐蚀停止层上面外延生长一层掺杂浓度逐步增加的覆盖层；
无源波导生长：
Step7：进行一次光刻，用介质膜挡住DFB部分需要的图形，漏出空气隔离区和无源波导区域的部分，选择合理比例的腐蚀液搭配，将外延片腐蚀；
Step8：采用对接生长的方法，再次外延生长，在无源波导和中间空气隔离部分的区域依次外延生长无源区波导下光限制层，无源波导层，无源区波导上光限制层；
空气隔离区域的制作：
Step9：利用光刻的方法，将需要干法刻蚀的部分图形暴露出来，需要保留的部分用介质膜遮挡住，利用干法刻蚀，在DFB激光器和无源波导之间，将空气隔离区域刻蚀出来，从无源区波导上光限制层开始，一直刻蚀到基底；
该制作方法还包括步骤：
Step10：DFB激光器区域的外延生长还包括在覆盖层的上面生长欧姆接触层；
Step11：在DFB激光器区域用湿法腐蚀的方法，在覆盖层腐蚀出脊波导的双沟，沉积介质膜后，再在脊波导上面开出介质膜窗口形成限制电流的结构，制作金属电极；
Step12：最后将整个外延片减薄做n面电极，解理后在两个端面上分别镀膜AR增透膜和HR高反膜。
本发明产生的有益效果是：本发明的窄线宽半导体激光器在DFB激光器和无源波导两者之间设置空气隔离区，当DFB激光器端加上正向电压后激射出来的光，一部分进入无源波导层，通过增加有效腔长来增加光子的寿命。本发明通过单片集成的方式并利用二次外延生长使得DFB激光器波导与无源区波导可以实现精密对准，不需要外部额外的透镜来进行耦合。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是现有技术中混合集成的激光器结构示意图；
图2是本发明实施例的单片集成的窄线宽半导体激光器的示意图；
图3是本发明实施例腐蚀出空气隔离区和无源波导区域部分的示意图；
图4是在图3的基础上生长出无源波导区域的示意图；
图5是在图4中的无源波导区域刻蚀出空气隔离区的示意图。
其中图2中：
1:基底，2:有源区下光限制层，3:光栅层，4:量子阱，5:有源区上光限制层，6:间隔层，7:腐蚀停止层，8:覆盖层，9:欧姆接触层，10:金属电极层，11:无源区下光限制层，12:无源波导层，13:无源区上光限制层，14:金属电极层，15:AR增透膜，16:HR高反膜
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明结合混合集成和单片集成的特点，提出一种通过DFB激光器单片集成无源波导来增加有效腔长的方式来实现窄线宽的需求，在DFB激光器的一端集成一段无源波导来实现光反馈，增加有效腔长来增加光子的寿命。此外，通过单片集成的方式，利用二次外延生长使得DFB激光器波导与无源区波导可以实现精密对准，不需要外部额外的透镜来进行耦合。
如图2所示，为本发明的单片集成的窄线宽半导体激光器的示意图，主要包含DFB激光器A、无源波导B和中间空气隔离C三个部分。空气隔离区设置在DFB激光器和无源波导两者之间。在工作状态时，在DFB激光器区域电极加正向偏压，在DFB激光器激射的一部分光可以从空气隔离区域进入无源波导部分的波导层，这一部分无源波导层作为在单片集成的基础上引入的额外有效腔长可以有效的减小半导体激光器的线宽。
其中，该DFB激光器自下而上依次包括基底1、有源区下光限制层2、光栅层3、量子阱4、有源区上光限制层5、间隔层6、腐蚀停止层7、覆盖层8、欧姆接触层9、金属电极层10，该DFB激光器的端面镀有AR增透膜14。
该无源波导自下而上依次包括基底1、无源区下光限制层11、无源波导层12、无源区上光限制层13，该无源波导的端面镀有HR高反膜16。
DFB激光器和无源波导共用一公共基底，中间通过空气隔离区隔开，公共基底的底部镀有金属电极层14。
进一步地，间隔层的厚度为150～200nm，欧姆接触层的厚度为200～250nm。
无源波导和空气隔离区均无电极。
为了实现无源波导层对于DFB激光器部分增益光谱的低损耗，无源波导的波导层材料的能带间隙要比DFB激光器MQW量子阱材料的能带间隙大。MQW量子阱的材料选择1.55Q的InGaAsP/InAlGaAs，无源波导的材料可以选择1.4Q的InGaAsP来作为波导层材料，这样来实现无源波导对增益光谱的透明低损耗。
本发明的一个实施例中，基底可选用n型InP衬底，间隔层可选用InP，腐蚀停止层可选用InGaAsP，覆盖层可选用InP，欧姆接触层可选用InGaAs。
上述实施例的窄线宽半导体激光器的制作方法，主要包括以下步骤：
步骤1、DFB部分的外延结构生长；
步骤2、对生长好的DFB部分进行一次光刻，用介质膜挡住DFB部分需要的图形，漏出空气隔离区和无源波导区域的部分，腐蚀出无源波导和空气隔离部分；
步骤3、在无源波导和空气隔离部分进行无源波导的生长；
步骤4、利用干法刻蚀，在靠近DFB部分的无源波导上将空气隔离区域刻蚀出来。
本发明的一个较佳实施例中，DFB的外延结构生长具体包括以下步骤：
Step 1：在n型InP衬底上面先外延生长一层有源区下光限制层。
Step 2：在有源区下光限制层上面利用电子束刻蚀EBL技术制作出光栅。
Step 3：在光栅层上面外延生长InAlGaAs量子阱MQW作为有源区，此时外延生长的有源区还可以起到覆盖掩埋光栅层的作用。
Step 4：在MQW有源区上面外延生长一层上光限制层。
Step 5：在有源区上限制层上面和覆盖层InP cladding之间生长150～200nm的InP作为间隔层以及20nm的InGaAsP作为后续脊波导工艺制作时湿法腐蚀双沟的腐蚀停止层。InP覆盖层上面的InGaAs是为了后续做电极时候在脊波导的脊上面有好的欧姆接触，腐蚀双沟把脊旁边的两边腐出沟，脊上的InP覆盖层和InGaAs欧姆接触层保留。
Step 6：在腐蚀停止层上面外延生长一层掺杂浓度逐步增加的覆盖层InPcladding。
以上步骤作为DFB外延结构生长的主要部分，生长完成DFB激光器外延部分后，进行一次光刻，用介质膜挡住DFB部分需要的图形，漏出空气隔离区和无源波导区域的部分，利用HCl和H2SO4对于InP和InGaAsP/InAlGaAs不同腐蚀选择比的特性，选择合理比例的腐蚀液搭配，将外延片腐蚀成如图3所示结构示意图所示。
采用对接生长(BJ)的方法，再次外延生长，在无源波导和中间空气隔离部分的区域依次外延生长无源区波导下光限制层，InGaAsP无源波导层，无源区波导上光限制层，如图4所示。可以通过控制不同外延层厚度的方式来实现DFB波导与无源区波导的高效耦合。在对接生长时，根据DFB部分的有源区部分的厚度来生长控制无源区光波导的厚度，使得在DFB部分的增益光谱的光场在进入无源波导时刚好在无源区光波导上面，从而可以实现DFB波导与无源区波导的高效耦合。制作空气隔离区域主要包括：
利用光刻的方法，将需要干法刻蚀RIE(Reactive Ion Etching，反应离子刻蚀)的部分图形暴露出来，需要保留的部分用介质膜遮挡住，利用干法刻蚀，在DFB激光器和无源波导之间，将空气隔离区域刻蚀出来，从P型InP层开始，一直刻蚀到n型InP衬底，如图5所示。
作为一个完整的外延芯片生长过程，DFB激光器区域的外延生长还包括在InPcladding层的上面也就是芯片最外层生长一层200～250nm的InGaAs做为接触层，使DFB激光器的金属电极跟芯片实现良好的欧姆接触。
外延结构生长完成后，在DFB激光器区域用湿法腐蚀的方法，在上面p型掺杂的InPcladding层腐蚀出脊波导的双沟，然后沉积介质膜后再在脊波导上面开出介质膜窗口形成限制电流的结构，然后做上金属电极，最后将整个外延片减薄做n面电极，解理后，端面在DFB的一端镀AR增透膜，端面在FP无源波导的那一端镀HR高反膜。将镀膜完成的条解理单管后就可以进行后续的封装测试。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种单片集成的窄线宽激光器，其特征在于，包含DFB激光器和无源波导，两者之间设有空气隔离区。
2.根据权利要求1所述的单片集成的窄线宽激光器，其特征在于，该DFB激光器自下而上依次包括基底、有源区下光限制层、光栅层、量子阱、有源区上光限制层、间隔层、腐蚀停止层、覆盖层、欧姆接触层、电极层，该DFB激光器的端面镀有AR增透膜。
3.根据权利要求1所述的单片集成的窄线宽激光器，其特征在于，该无源波导自下而上依次包括基底、无源区下光限制层、无源波导层、无源区上光限制层，该无源波导的端面镀有HR高反膜。
4.根据权利要求1所述的单片集成的窄线宽激光器，其特征在于，DFB激光器和无源波导共用一公共基底，中间通过空气隔离区隔开，公共基底的底部镀有金属电极层。
5.根据权利要求1所述的单片集成的窄线宽激光器，其特征在于，在DFB激光器区域电极加正向偏压，在DFB激光器激射的一部分光从空气隔离区域进入无源波导部分的波导层。
6.根据权利要求1所述的单片集成的窄线宽激光器，其特征在于，无源波导的波导层材料的能带间隙比DFB激光器的量子阱材料的能带间隙大。
7.根据权利要求2所述的单片集成的窄线宽激光器，其特征在于，间隔层的厚度为150~200nm，欧姆接触层的厚度为200~250nm。
8.根据权利要求1所述的单片集成的窄线宽激光器，其特征在于，无源波导和空气隔离区均无电极。
9.一种单片集成的窄线宽激光器的制作方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
DFB部分的外延结构生长；
对生长好的DFB部分进行一次光刻，用介质膜挡住DFB部分需要的图形，漏出空气隔离区和无源波导区域的部分，腐蚀出无源波导和空气隔离部分；
在无源波导和空气隔离部分进行无源波导的生长；
利用干法刻蚀，在靠近DFB部分的无源波导上将空气隔离区域刻蚀出来。
10.根据权利要求9所述的单片集成的窄线宽激光器的制作方法，其特征在于， 该制作方法具体包括：
DFB的外延结构生长：
Step 1：在基底上面外延生长一层有源区下光限制层；
Step 2：在有源区下光限制层上刻蚀出光栅；
Step 3：在光栅层上面外延生长量子阱作为有源区；
Step 4：在有源区上面外延生长一层上光限制层；
Step 5：在有源区上限制层上面生间隔层以及作为腐蚀停止层；
Step 6：在腐蚀停止层上面外延生长一层掺杂浓度逐步增加的覆盖层；
无源波导生长：
Step7：进行一次光刻，用介质膜挡住DFB部分需要的图形，漏出空气隔离区和无源波导区域的部分，选择合理比例的腐蚀液搭配，将外延片腐蚀；
Step8：采用对接生长的方法，再次外延生长，在无源波导和中间空气隔离部分的区域依次外延生长无源区波导下光限制层，无源波导层，无源区波导上光限制层；
空气隔离区域的制作：
Step9：利用光刻的方法，将需要干法刻蚀的部分图形暴露出来，需要保留的部分用介质膜遮挡住，利用干法刻蚀，在DFB激光器和无源波导之间，将空气隔离区域刻蚀出来，从无源区波导上光限制层开始，一直刻蚀到基底；
该制作方法还包括步骤：
Step10：DFB激光器区域的外延生长还包括在覆盖层的上面生长欧姆接触层；
Step11：在DFB激光器区域用湿法腐蚀的方法，在覆盖层腐蚀出脊波导的双沟，沉积介质膜后，再在脊波导上面开出介质膜窗口形成限制电流的结构，制作金属电极；
Step12：最后将整个外延片减薄做n面电极，解理后在两个端面上分别镀膜AR增透膜和HR高反膜。
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