CN110661172A - 一种表面发射的dfb半导体激光器阵列及制作方法 - Google Patents

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张梓铭
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Abstract

本发明提供了一种表面发射的DFB半导体激光器阵列及制作方法，将边发射DFB半导体激光器或激光器阵列的出光方向通过一定的结构转换为表面发射的，能够充分利用PWB技术在芯片横向平面上的高分辨率，便于三维聚合物波导的设计和制作，提高激光器阵列与SOI波导阵列集成的耦合效率和综合性能，有利于大规模硅基光子集成芯片的生产和应用；表面发射可以在不解理的情况下对激光器阵列芯片进行测试和挑选，过滤掉一些性能不满足要求的激光器，提高了集成芯片的处理和制作效率。

Description

一种表面发射的DFB半导体激光器阵列及制作方法
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种表面发射的DFB半导体激光器阵列及制作方法。
背景技术
近年来硅基光子技术发展非常迅速，硅基光子集成芯片在数据中心、超级计算机、5G通信、生物和气体传感等领域得到了大量应用。由于硅是间接带隙半导体，随着硅基调制器和锗探测器的不断发展和成熟，光源集成成为硅基光子技术的最后一个瓶颈。目前业界尝试过拉曼激光器、GeSn激光器、III-V族材料直接生长、芯片键合(包括分子力、BCB、金属等键合方式)、转移印刷(Transfer printing)、混合封装(倒装焊、透镜耦合、光栅耦合等)等多种形式的硅基光源，获得了一定的效果，出现了一些基于混合封装或芯片键合的光模块产品。然而，目前的硅基光子集成芯片集成度还很低，涉及到的光源一般是单通道或四通道的，当需要更多通道激光器同时工作时，例如在DWDM系统中，光源数目的增加是一个非常大的挑战。
光学引线键合(Photonics wire bonding,PWB)是一种极具潜力的大规模硅基光源集成方案，借鉴集成电路中金属打线的思路，采用聚合物制作的光波导实现不同光芯片、芯片与光纤之间的互连。其基本思路是通过控制高能量的脉冲光束，使光刻胶特定位置处发生多光子聚合作用，形成三维的聚合物波导。聚合物波导的尺寸根据芯片上波导的模场大小设计，其位置由自动化的成像系统和计算机设备进行定位。该方法与3D激光直写波导非常相似，区别在于所选取的材料，PWB的材料为光刻胶，形成波导后会清洗掉没有曝光的光刻胶，而激光直接波导通常选取的材料为玻璃。该方案避免了传统混合封装方案中耗时较多的对准调节，节省了光束整形所需的透镜等，并且制备简单快捷，利于PCBA加工制造企业大规模的生产。
边发射的DFB半导体激光器具有体积小、单模特性好、稳定性高等诸多优点，是通信领域最常用的激光光源，采用重构-等效啁啾技术【见专利CN 101369718 A】能够实现大规模的DFB激光器阵列，通过PWB技术将其与硅基芯片集成能够实现真正的大规模光子集成。然而，PWB技术在操作过程中需要识别激光器的出光波导位置，以此来计算和优化聚合物波导的位置和形状。目前所采用的图像识别技术中，对于横向平面的位点定位能够满足所要求的分辨率，但是在纵向上仍然存在分辨率不足的问题，也就是说很难识别边发射激光器的出光波导和模式，这限制了PWB技术在大规模光子集成中的应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供了一种表面发射的DFB半导体激光器阵列及制作方法，将边发射DFB半导体激光器或激光器阵列的出光方向通过一定的结构转换为表面发射的，从而利用PWB横向较高的模式分辨率来获得高性能的聚合物波导。
本发明提供一种表面发射的DFB半导体激光器阵列，包括DFB激光器阵列和出光窗口阵列，所述出光窗口阵列设置在DFB激光器阵列旁，且DFB激光器阵列和出光窗口阵列位于相同的外延片上，所述外延片包括N电极、衬底、下限制层、多量子阱层、上限制层、光栅层、腐蚀阻止层、脊波导层、欧姆接触层和P电极，所述衬底设置在N电极上端，所述下限制层设置在衬底上端，所述多量子阱层设置在下限制层上端，所述上限制层设置在多量子阱层上端，所述光栅层设置在上限制层上端，所述腐蚀阻止层设置在光栅层上端，所述脊波导层设置在腐蚀阻止层上端，所述欧姆接触层设置在脊波导层上，所述P电极设置在欧姆接触层上端，所述DFB激光器阵列和出光窗口阵列的数量至少为一个，且一个DFB激光器阵列对应一个出光窗口阵列。
进一步改进在于：所述出光窗口阵列处不设置欧姆接触层和P电极，所述光栅层上设置有掩埋光栅，所述出光窗口阵列处的光栅层上不设置掩埋光栅。
进一步改进在于：所述出光窗口阵列处的脊波导层上设置有脊光栅，所述脊光栅的数量至少为一个，且使激光从芯片表面射出。
进一步改进在于：所述脊光栅具有切趾结构，从芯片表面发射的激光模式为高斯型。
进一步改进在于：所述出光窗口阵列处的下限制层、多量子阱层、上限制层、光栅层、腐蚀阻止层和脊波导层被刻蚀成倾斜状，成为端面倾斜角，所述刻蚀端面上设置有高反射膜，将DFB激光器输出的光反射到芯片表面。
进一步改进在于：所述DFB激光器阵列采用具有真实相移或等效相移的一阶光栅结构。
本发明还提供一种表面发射的DFB半导体激光器阵列的制作方法，所述制作方法步骤如下：
步骤一：设计并生长一次外延片；
步骤二：制备DFB激光器阵列的掩埋光栅；
步骤三：完成二次外延及刻蚀脊波导；
步骤四：制作出光窗口的脊光栅；
步骤五：完成DFB激光器的后续工艺。
本发明还提供一种表面发射的DFB半导体激光器阵列的制作方法，所述制作方法步骤如下：
步骤一：设计并生长一次外延片；
步骤二：制备DFB激光器阵列的掩埋光栅；
步骤三：完成二次外延及刻蚀脊波导；
步骤四：去除出光窗口的欧姆接触层；
步骤五：完成DFB激光器的后续工艺；
步骤六：制作出光窗口的倾斜端面并镀膜。
技术方案是在激光器的脊波导上留出一个出光窗口，去除掉上方的欧姆解除层，然后在脊波导上刻蚀高阶衍射光栅或者将出光窗口刻蚀成一定的倾斜角，从而改变激光器的出光方向，使之与波导平面垂直或成一定的倾斜角。
所述的表面发射DFB半导体激光器阵列包含DFB激光器阵列和出光窗口阵列，DFB激光器在外延材料平面内产生谐振，通过出光窗口处的微结构将出光方向转换为表面发射，外延层材料包含N电极、衬底、下限制层、多量子阱层、上限制层、光栅层、腐蚀阻止层、脊波导层、欧姆接触层、P电极。
在上述表面发射的DFB半导体激光器阵列中，多量子阱可以是InGaAsP材料，也可以是温度特性更好的AlGaInAs材料；光栅层上在DFB激光器阵列区域有使激光器产生谐振的掩埋光栅，出光窗口阵列处没有掩埋光栅。
在上述表面发射的DFB半导体激光器阵列中，出光窗口阵列的欧姆接触层被刻蚀掉，并且没有生长P电极。
在上述表面发射的DFB半导体激光器阵列中，DFB激光器阵列的掩埋光栅为具有真实相移结构的一阶布拉格光栅，所述相移大小大于等于0，小于等于2π。
在上述表面发射的DFB半导体激光器阵列中，DFB激光器阵列的掩埋光栅为具有等效相移结构的一阶布拉格光栅，所述等效相移结构采用重构-等效啁啾技术设计。
在上述表面发射的DFB半导体激光器阵列中，出光窗口具有脊波导上的衍射光栅结构，称为脊光栅，或具有倾斜端面结构，具有一定的端面倾斜角。
在上述表面发射的DFB半导体激光器阵列中，出光窗口处的脊光栅为均匀高阶布拉格光栅，光栅阶数大于等于1。根据布拉格公式mλ＝2neffΛ，其中m为光栅阶数，λ为工作波长，neff为模式有效折射率，Λ为光栅周期，脊光栅的周期为一阶布拉格光栅的m倍，大于脊波导上光刻的最小加工精度，便于后续工艺中脊光栅制作。
在上述表面发射的DFB半导体激光器阵列中，出光窗口处的脊光栅传播常数满足βo⊥＝βl+βB，其中βi为DFB激光器的传播常数，βg为光栅矢量，βo⊥为出射光的传播常数在芯片上的投影。
在上述表面发射的DFB半导体激光器阵列中，出光方向与芯片垂直或成一定夹角，由光栅阶数及包层材料的性质决定，包层材料为SiO2等介电材料。
在上述表面发射的DFB半导体激光器阵列中，出光窗口处的脊光栅周期对于不同波长的DFB激光器是不同的，使它们具有相同的出光方向。
在上述表面发射的DFB半导体激光器阵列中，出光窗口处的脊光栅具有切趾结构，从芯片表面发射的激光模式为高斯型，使之与PWB的聚合物波导有更高的耦合效率。
在上述表面发射的DFB半导体激光器阵列中，出光窗口处的下限制层、多量子阱层、上限制层、光栅层、腐蚀阻止层和脊波导层被刻蚀成一定的角度，称为端面倾斜角，大小在0到90度之间，端面上镀有高反射膜，反射率大于99％。
本发明的有益效果是：能够充分利用PWB技术在芯片横向平面上的高分辨率，便于三维聚合物波导的设计和制作，提高激光器阵列与SOI波导阵列集成的耦合效率和综合性能，有利于大规模硅基光子集成芯片的生产和应用；表面发射可以在不解理的情况下对激光器阵列芯片进行测试和挑选，过滤掉一些性能不满足要求的激光器，提高了集成芯片的处理和制作效率。
附图说明
图1是本发明的DFB半导体激光器阵列示意图。
图2是本发明的采用脊光栅进行出光方向变换的DFB激光器示意图。
图3是本发明的采用倾斜端面进行出光方向变换的DFB激光器示意图。
图4是本发明的脊光栅的传播常数原理图。
图5是本发明的采用脊光栅进行出光方向变换的DFB激光器制作方法流程图。
图6是本发明的采用倾斜端面进行出光方向变换的DFB激光器制作方法流程图。
其中：1-DFB激光器阵列，2-出光窗口阵列，3-N电极，4-衬底，5-下限制层，6-多量子阱层，7-上限制层，8-光栅层，9-腐蚀阻止层，10-脊波导层，11-欧姆接触层，12-P电极，13-掩埋光栅，14-脊光栅，15-端面倾斜角，16-高反射膜。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。本实施例提供一种表面发射的DFB半导体激光器阵列，如图1所示，包括DFB激光器阵列1和出光窗口阵列2，所述出光窗口阵列2设置在DFB激光器阵列1旁，且DFB激光器阵列1和出光窗口阵列2位于相同的外延片上，如图2所示，所述外延片包括N电极3、衬底4、下限制层5、多量子阱层6、上限制层7、光栅层8、腐蚀阻止层9、脊波导层10、欧姆接触层11和P电极12，所述衬底4设置在N电极3上端，所述下限制层5设置在衬底4上端，所述多量子阱层6设置在下限制层5上端，所述上限制层7设置在多量子阱层6上端，所述光栅层8设置在上限制层7上端，所述腐蚀阻止层9设置在光栅层8上端，所述脊波导层10设置在腐蚀阻止层9上端，所述欧姆接触层11设置在脊波导层10上，所述P电极12设置在欧姆接触层11上端，所述DFB激光器阵列1和出光窗口阵列2的数量至少为一个，且一个DFB激光器阵列1对应一个出光窗口阵列2。
所述出光窗口阵列2处不设置欧姆接触层11和P电极12，所述光栅层8上设置有掩埋光栅13，所述出光窗口阵列2处的光栅层8上不设置掩埋光栅13。
所述出光窗口阵列2处的脊波导层10上设置有脊光栅14，所述脊光栅14的数量至少为一个，且使激光从芯片表面射出。
所述脊光栅14具有切趾结构，从芯片表面发射的激光模式为高斯型。所述出光窗口阵列2处的下限制层5、多量子阱层6、上限制层7、光栅层8、腐蚀阻止层9和脊波导层10被刻蚀成倾斜状，成为端面倾斜角15，所述刻蚀端面上设置有高反射膜16，将DFB激光器输出的光反射到芯片表面。
所述脊光栅14为高阶衍射光栅，光栅阶数大于等于1，传播常数满足βo⊥＝βl+βg，其中βl为DFB激光器的传播常数，βg为光栅矢量，βo⊥为出射光的传播常数在芯片上的投影，原理如图4，激光从芯片表面发射，出光方向与芯片垂直，角度由光栅阶数以及包层材料的性质决定，包层材料采用SiO2。
所述脊光栅14具有切趾结构，从芯片表面发射出的光模式为高斯型，便于设计和制作适合PWB的聚合物波导，获得更高的耦合效率。
所述DFB激光器阵列1采用具有真实相移或等效相移的一阶光栅结构，所述相移大小大于等于0，小于等于2π，等效相移结构是采用重构-等效啁啾技术设计的。
本实施例还提供一种表面发射的DFB半导体激光器阵列的制作方法，所述制作方法步骤如下：
步骤一：设计并生长一次外延片；
步骤二：制备DFB激光器阵列的掩埋光栅；
步骤三：完成二次外延及刻蚀脊波导；
步骤四：制作出光窗口的脊光栅；
步骤五：完成DFB激光器的后续工艺。
本实施例还提供一种表面发射的DFB半导体激光器阵列的制作方法，所述制作方法步骤如下：
步骤一：设计并生长一次外延片；
步骤二：制备DFB激光器阵列的掩埋光栅；
步骤三：完成二次外延及刻蚀脊波导；
步骤四：去除出光窗口的欧姆接触层；
步骤五：完成DFB激光器的后续工艺；
步骤六：制作出光窗口的倾斜端面并镀膜。

Claims (8)

1.一种表面发射的DFB半导体激光器阵列，其特征在于：包括DFB激光器阵列(1)和出光窗口阵列(2)，所述出光窗口阵列(2)设置在DFB激光器阵列(1)旁，且DFB激光器阵列(1)和出光窗口阵列(2)位于相同的外延片上，所述外延片包括N电极(3)、衬底(4)、下限制层(5)、多量子阱层(6)、上限制层(7)、光栅层(8)、腐蚀阻止层(9)、脊波导层(10)、欧姆接触层(11)和P电极(12)，所述衬底(4)设置在N电极(3)上端，所述下限制层(5)设置在衬底(4)上端，所述多量子阱层(6)设置在下限制层(5)上端，所述上限制层(7)设置在多量子阱层(6)上端，所述光栅层(8)设置在上限制层(7)上端，所述腐蚀阻止层(9)设置在光栅层(8)上端，所述脊波导层(10)设置在腐蚀阻止层(9)上端，所述欧姆接触层(11)设置在脊波导层(10)上，所述P电极(12)设置在欧姆接触层(11)上端，所述DFB激光器阵列(1)和出光窗口阵列(2)的数量至少为一个，且一个DFB激光器阵列(1)对应一个出光窗口阵列(2)。
2.如权利要求1所述的一种表面发射的DFB半导体激光器阵列，其特征在于：所述出光窗口阵列(2)处不设置欧姆接触层(11)和P电极(12)，所述光栅层(8)上设置有掩埋光栅(13)，所述出光窗口阵列(2)处的光栅层(8)上不设置掩埋光栅(13)。
3.如权利要求1所述的一种表面发射的DFB半导体激光器阵列，其特征在于：所述出光窗口阵列(2)处的脊波导层(10)上设置有脊光栅(14)，所述脊光栅(14)的数量至少为一个，且使激光从芯片表面射出。
4.如权利要求3所述的一种表面发射的DFB半导体激光器阵列，其特征在于：所述脊光栅(14)具有切趾结构，从芯片表面发射的激光模式为高斯型。
5.如权利要求1所述的一种表面发射的DFB半导体激光器阵列，其特征在于：所述出光窗口阵列(2)处的下限制层(5)、多量子阱层(6)、上限制层(7)、光栅层(8)、腐蚀阻止层(9)和脊波导层(10)被刻蚀成倾斜状，成为端面倾斜角(15)，所述刻蚀端面上设置有高反射膜(16)，将DFB激光器输出的光反射到芯片表面。
6.如权利要求1所述的一种表面发射的DFB半导体激光器阵列，其特征在于：所述DFB激光器阵列(1)采用具有真实相移或等效相移的一阶光栅结构。
7.一种如权利要求1-4或6任意一项所述的表面发射的DFB半导体激光器阵列的制作方法，其特征在于：所述制作方法步骤如下：
步骤一：设计并生长一次外延片；
步骤二：制备DFB激光器阵列的掩埋光栅；
步骤三：完成二次外延及刻蚀脊波导；
步骤四：制作出光窗口的脊光栅；
步骤五：完成DFB激光器的后续工艺。
8.一种如权利要求5所述的表面发射的DFB半导体激光器阵列的制作方法，其特征在于：所述制作方法步骤如下：
步骤一：设计并生长一次外延片；
步骤二：制备DFB激光器阵列的掩埋光栅；
步骤三：完成二次外延及刻蚀脊波导；
步骤四：去除出光窗口的欧姆接触层；
步骤五：完成DFB激光器的后续工艺；
步骤六：制作出光窗口的倾斜端面并镀膜。
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