CN111313229A - 窄线宽分布反馈半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种分布反馈半导体激光器，所述激光器自下而上依次包括N面电极层、衬底层、缓冲层、下波导层、有源层、上波导层、二次外延光栅层、刻蚀自停止层、包层、欧姆接触层、钝化层和P面电极层；包层和欧姆接触层构成波导结构，所述波导结构为脊波导结构。本发明利用垂直方向上下两层光栅结构，共同反馈选模。分布在有源区附近的二次外延光栅与光场高效耦合，实现频率选择和压窄线宽。电极取样光栅单一反射峰线宽窄，与波导内光场充分耦合反馈，能够进一步稳定工作波长，提高边模抑制比，减小线宽因子，有效压窄激光线宽。

Description

窄线宽分布反馈半导体激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种窄线宽分布反馈半导体激光器及其制备方法。
背景技术
窄线宽激光器在相干光通信，激光雷达，密集波分复用，光纤传感，精密光学测量，全息摄影等领域有着非常广阔的应用前景。随着近几年光通信网络和智能出行的快速发展，对于窄线宽激光器的需求日益凸现。其中，窄线宽半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、可直接电流驱动、光谱线宽窄、相干性好等优势,成为单纵模，波长稳定，窄线宽激光器的理想光源。
窄线宽半导体激光器主要包括分布反馈半导体激光器，分布布拉格反射半导体激光器，耦合腔半导体激光器，外腔反馈半导体激光器。其中分布反馈半导体激光器结构简单，工艺成熟，最易实现产业化。但是一般的分布反馈半导体激光器的线宽在MHz量级，不能满足高进制的相干光通信与高精度探测雷达等方面的应用。因此有必要提出一种结构简单，工艺难度低，能够实现较大线宽压缩效果的分布反馈半导体激光器。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种分布反馈半导体激光器及其制备方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的第一方面，提供了一种分布反馈半导体激光器，所述激光器自下而上依次包括N面电极层、衬底层、缓冲层、下波导层、有源层、上波导层、二次外延光栅层、刻蚀自停止层、包层、欧姆接触层、钝化层和P面电极层；包层和欧姆接触层构成波导结构，所述波导结构为脊波导结构。
其中，所述激光器还包括电极取样光栅，所述二次外延光栅和电极取样光栅具有相等的布拉格波长。
其中，所述二次外延光栅的光栅结构包括一阶布拉格均匀光栅或相移光栅，占空比在40％至60％之间
其中，所述电极取样光栅由欧姆接触层、钝化层和P面电极层构成，钝化层在脊波导上为空间周期性取样光栅分布，使P面电极层与欧姆接触层之间形成的欧姆接触在脊波导上为取样光栅结构。
其中，所述电极取样光栅的光栅阶数在1至10之间，占空比在30％至70％之间，取样长度在1um至10um之间，取样周期为10um至60um之间。
其中，
所述衬底层的材料选用InP；
所述缓冲层的材料选用掺杂了Si的InP；
所述下波导层的材料选用InGaAsP；
所述有源层的材料选用InGaAsP，采用多量子阱结构；
所述上波导层的材料选用InGaAsP；
所述二次外延光栅层的材料选用InGaAsP；
所述刻蚀自停止层的材料选用InGaAsP；
所述包层的材料选用InGaAs；
所述欧姆接触层的材料选用InGaAsP。
其中，所述激光器的出光面镀有增透膜，背光面镀有增反膜。
其中，所述钝化层的厚度在200nm至250nm之间。
其中，所述P面电极层的厚度在300nm至500nm之间。
作为本发明的另一方面，还提供了一种分布反馈半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：设计一版光刻和二版光刻的版图，并在脊波导上制备出空间周期性取样光栅分布的钝化层；
步骤2：采用MOCVD技术进行材料生长，材料生长过程为依次在InP衬底层上外延生长掺杂了Si的InP缓冲层，InGaAsP下波导层、InGaAsP有源层、InGaAsP上波导层、InGaAsP二次外延光栅层；
步骤3：采用全息曝光或电子束曝光技术光刻二次外延光栅，ICP刻蚀二次外延光栅层；
步骤4；采用MOCVD技术在刻蚀后的二次外延光栅层上外延生长InGaAsP刻蚀自停止层、InGaAs包层、InGaAsP欧姆接触层；
步骤5：采用PECVD技术在欧姆接触层之上淀积200nm的SiO2，一版光刻，RIE刻蚀SiO2，以SiO2作为硬掩膜，ICP刻蚀与湿法腐蚀相结合，制备出脊波导和沟道，BOE清洗SiO2；
步骤6：PECVD淀积SiO2钝化层，厚度在200nm至250nm之间。利用电子束曝光或紫外曝光技术进行二版光刻，RIE刻蚀脊波导上的SiO2，开电极窗口，制备出在脊波导上为空间周期性取样光栅分布的钝化层；
步骤7：P面预处理，在钝化层之上溅射P面电极层，P面电极层的厚度在300nm至500nm之间，退火，欧姆接触层与P面电极层形成P面欧姆接触；
步骤8：对衬底层进行减薄，抛光，N面预处理，在衬底层之上溅射N面电极层，N面电极层的厚度在500nm至700nm之间，退火，衬底层与N面电极层形成N面欧姆接触；
步骤9：划片，镀膜，出光面镀增透膜，背光面镀增反膜，裂片。
基于上述技术方案可知，本发明的分布反馈半导体激光器及其制备方法相对于现有技术至少具有如下有益效果的一部分：
本发明利用垂直方向上下两层光栅结构，共同反馈选模。分布在有源区附近的二次外延光栅与光场高效耦合，实现频率选择和压窄线宽。电极取样光栅单一反射峰线宽窄，与波导内光场充分耦合反馈，能够进一步稳定工作波长，提高边模抑制比，减小线宽因子，有效压窄激光线宽。
附图说明
图1是本发明实施例的窄线宽分布反馈半导体激光器结构侧视图；
图2是本发明实施例的窄线宽分布反馈半导体激光器结构主视图。
上述附图中，附图标记含义具体如下：
1、衬底层；2、缓冲层；3、下波导层；4、有源层；5、上波导层；
6、二次外延光栅层；7、刻蚀自停止层；8、包层；9、欧姆接触层；
10、电极取样光栅；11、P面电极层；12、钝化层；13、脊波导。
具体实施方式
本发明提出一种具有两层光栅结构的窄线宽分布反馈半导体激光器。其中分布反馈光栅包括有源区附近的二次外延分布反馈光栅以及电极周期性欧姆接触构成的电极取样光栅。具体来说，激光器的芯片结构自下而上依次包括N面电极层、衬底层、缓冲层、下波导层、有源层、上波导层、二次外延光栅层、刻蚀自停止层、包层、欧姆接触层、钝化层和P面电极层。包层和欧姆接触层构成波导结构，所述波导结构为脊波导结构，激光器的光栅结构包括二次外延光栅和电极取样光栅。激光器的出光面都有增透膜，背光面镀有增反膜。
激光器的二次外延光栅和电极取样光栅具有相等的布拉格波长。
二次外延光栅位于上波导层和刻蚀自停止层之间，二次外延光栅结构包括一阶布拉格均匀光栅或相移光栅，占空比在40％至60％之间。电极取样光栅由欧姆接触层、钝化层和P面电极层构成，钝化层在脊波导上为空间周期性取样光栅分布，使P面电极层与欧姆接触层之间形成的欧姆接触在脊波导上为取样光栅结构。电极取样光栅的光栅阶数在1至10之间，占空比在30％至70％之间，取样长度在1um至10um之间，取样周期为10um至60um之间。钝化层厚度在200nm至250nm之间，P面电极层厚度在300nm至500nm之间。
为使本发明的目的、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，对本发明作进一步的详细说明。
图1是根据本发明实施例窄线宽分布反馈半导体激光器的侧视图，图2是图1的一个主视图。分布反馈光栅包括二次外延光栅层6与电极取样光栅10两部分。如图1、图2所示，所述激光器自下而上依次包括N面电极层、衬底层1、缓冲层2、下波导层3、有源层4、上波导层5、二次外延光栅层6、刻蚀自停止层7、包层8、欧姆接触层9、钝化层12和P面电极层11。激光器的出光面镀有增透膜，背光面镀有增反膜。
如图1所示，二次外延光栅层6位于上波导层5和刻蚀自停止层7之间。二次外延光栅结构包括一阶布拉格均匀光栅或相移光栅，占空比在40％至60％之间。电极取样光栅10由欧姆接触层9、钝化层12和P面电极层11构成，钝化层在脊波导上为空间周期性取样光栅分布，使P面电极层与欧姆接触层之间形成的欧姆接触在脊波导上为取样光栅结构。电极取样光栅的光栅阶数在1至10之间，占空比在30％至70％之间，取样长度在1um至10um之间，取样周期在10um至60um之间。钝化层厚度在200nm至250nm之间，电极层厚度在300nm至500nm之间。
在该实施例中，激光器的腔长为500um，宽度为250um，衬底层采用的是InP衬底材料，缓冲层采用的是掺杂了Si的InP材料，下波导层采用的是InGaAsP材料，有源层采用的是InGaAsP多量子阱结构，具有5个量子阱，激射波长为1310nm，上波导层采用的是InGaAsP材料，二次外延光栅层采用的是InGaAsP材料，刻蚀自停止层采用的是InGaAsP材料，包层采用的是InGaAs材料，欧姆接触层采用的是GaInAsP材料。
工艺步骤：
步骤1：设计一版光刻和二版光刻的版图，一版光刻版图为了制备出脊波导与沟道，二版光刻版图为了对脊波导开电极窗口，并在脊波导上制备出空间周期性取样光栅分布的钝化层；
步骤2：采用MOCVD技术进行材料生长，材料生长过程为依次在InP衬底层上外延生长掺杂了Si的InP缓冲层，InGaAsP下波导层、InGaAsP有源层、InGaAsP上波导层、InGaAsP二次外延光栅层，有源层采用多量子阱结构，具有5个量子阱，激射波长为1310nm；
步骤3：采用全息曝光或电子束曝光技术光刻二次外延光栅，ICP刻蚀二次外延光栅层，二次外延光栅周期为200nm,占空比为50％，对应的中心波长为1310nm；
步骤4；采用MOCVD技术在刻蚀后的二次外延光栅层上外延生长InGaAsP刻蚀自停止层、InGaAs包层、InGaAsP欧姆接触层；
步骤5：采用PECVD技术在欧姆接触层之上淀积200nm的SiO2，一版光刻，RIE刻蚀SiO2，以SiO2作为硬掩膜，ICP刻蚀与湿法腐蚀相结合，制备出脊波导和沟道，脊波导的宽度为2um，脊波导两侧沟道宽度为24um，深度为1.8um。脊波导的作用是为了实现光的限制作用，获得单横模输出。BOE清洗SiO2；
步骤6：PECVD淀积SiO2钝化层，厚度为200nm。利用紫外曝光技术进行二版光刻，RIE刻蚀脊波导上的SiO2，开电极窗口，制备出在脊波导上为空间周期性取样光栅分布的SiO2钝化层；脊波导上的取样光栅为三阶取样光栅，光栅周期为600nm，占空比为50％，取样长度为6um，取样周期为30um，对应的中心波长为1310nm；
步骤7：P面预处理，在钝化层之上溅射P面电极层，P面电极层的厚度在300nm至500nm之间，退火，欧姆接触层与P面电极层形成P面欧姆接触。钝化层在脊波导上为空间周期性取样光栅分布，使P面电极层与欧姆接触层之间形成的欧姆接触在脊波导上为取样光栅结构，制备出电极取样光栅。电极取样光栅为三阶取样光栅，光栅周期为600nm，占空比为50％，取样长度为6um，取样周期为30um，对应的中心波长为1310nm；
步骤8：对衬底层进行减薄，抛光，N面预处理，在衬底层之上溅射N面电极层，N面电极层的厚度在500nm至700nm之间，退火，衬底层与N面电极层形成N面欧姆接触；
步骤9：划片，镀膜，出光面镀增透膜，背光面镀增反膜，裂片。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分布反馈半导体激光器，其特征在于，所述激光器自下而上依次包括N面电极层、衬底层、缓冲层、下波导层、有源层、上波导层、二次外延光栅层、刻蚀自停止层、包层、欧姆接触层、钝化层和P面电极层；包层和欧姆接触层构成波导结构，所述波导结构为脊波导结构。
2.根据权利要求1所述的分布反馈半导体激光器，其特征在于，所述激光器还包括电极取样光栅，所述二次外延光栅和电极取样光栅具有相等的布拉格波长。
3.根据权利要求1所述的分布反馈半导体激光器，其特征在于，所述二次外延光栅的光栅结构包括一阶布拉格均匀光栅或相移光栅，占空比在40％至60％之间。
4.根据权利要求2所述的分布反馈半导体激光器，其特征在于，所述电极取样光栅由欧姆接触层、钝化层和P面电极层构成，钝化层在脊波导上为空间周期性取样光栅分布，使P面电极层与欧姆接触层之间形成的欧姆接触在脊波导上为取样光栅结构。
5.根据权利要求2所述的分布反馈半导体激光器，其特征在于，所述电极取样光栅的光栅阶数在1至10之间，占空比在30％至70％之间，取样长度在1um至10um之间，取样周期为10um至60um之间。
6.根据权利要求1所述的分布反馈半导体激光器，其特征在于，
所述衬底层的材料选用InP；
所述缓冲层的材料选用掺杂了Si的InP；
所述下波导层的材料选用InGaAsP；
所述有源层的材料选用InGaAsP，采用多量子阱结构；
所述上波导层的材料选用InGaAsP；
所述二次外延光栅层的材料选用InGaAsP；
所述刻蚀自停止层的材料选用InGaAsP；
所述包层的材料选用InGaAs；
所述欧姆接触层的材料选用InGaAsP。
7.根据权利要求1所述的分布反馈半导体激光器，其特征在于，所述激光器的出光面镀有增透膜，背光面镀有增反膜。
8.根据权利要求1所述的分布反馈半导体激光器，其特征在于，所述钝化层的厚度在200nm至250nm之间。
9.根据权利要求1所述的分布反馈半导体激光器，其特征在于，所述P面电极层的厚度在300nm至500nm之间。
10.一种如权利要求1-9任一所述的分布反馈半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：设计一版光刻和二版光刻的版图，并在脊波导上制备出空间周期性取样光栅分布的钝化层；
步骤2：采用MOCVD技术进行材料生长，材料生长过程为依次在InP衬底层上外延生长掺杂了Si的InP缓冲层，InGaAsP下波导层、InGaAsP有源层、InGaAsP上波导层、InGaAsP二次外延光栅层；
步骤3：采用全息曝光或电子束曝光技术光刻二次外延光栅，ICP刻蚀二次外延光栅层；
步骤4；采用MOCVD技术在刻蚀后的二次外延光栅层上外延生长InGaAsP刻蚀自停止层、InGaAs包层、InGaAsP欧姆接触层；
步骤5：采用PECVD技术在欧姆接触层之上淀积200nm的SiO2，一版光刻，RIE刻蚀SiO2，以SiO2作为硬掩膜，ICP刻蚀与湿法腐蚀相结合，制备出脊波导和沟道，BOE清洗SiO2；
步骤6：PECVD淀积SiO2钝化层，厚度在200nm至250nm之间。利用电子束曝光或紫外曝光技术进行二版光刻，RIE刻蚀脊波导上的SiO2，开电极窗口，制备出在脊波导上为空间周期性取样光栅分布的钝化层；
步骤7：P面预处理，在钝化层之上溅射P面电极层，P面电极层的厚度在300nm至500nm之间，退火，欧姆接触层与P面电极层形成P面欧姆接触；
步骤8：对衬底层进行减薄，抛光，N面预处理，在衬底层之上溅射N面电极层，N面电极层的厚度在500nm至700nm之间，退火，衬底层与N面电极层形成N面欧姆接触；
步骤9：划片，镀膜，出光面镀增透膜，背光面镀增反膜，裂片。
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