CN111326950B - 基于电极光栅的双波长可调谐半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

一种双波长可调谐半导体激光器，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、刻蚀自停止层、包层、欧姆接触层、钝化层和P面电极层，其中，包层和欧姆接触层构成波导结构，所述波导结构为Y分支波导结构，所述激光器的光栅结构为电极光栅。本发明利用Y分支波导结构在出光面同一位置实现双波长输出。本发明的电极光栅结构包括高阶均匀光栅结构、高阶取样光栅结构、啁啾重构光栅结构，降低了工艺制造过程中的精度要求，易于制备。

Description

基于电极光栅的双波长可调谐半导体激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种基于电极光栅的双波长可调谐半导体激光器。
背景技术
双波长可调谐激光器在波分复用，太赫兹光源，光学遥感，光载微波的等方面具有广泛应用。其中双波长半导体激光器相比于其他类型的激光器，具有体积小，功率高，输出波长稳定，易于制备等优点，是双波长激光器的重要研究方向。
目前可以通过共振耦合腔、双谐振腔以及Y分支波导等结构来双波长激光的激射。而这些双波长半导体激光器光栅的制备都需要复杂且昂贵的电子束光刻技术及二次外延技术。这就限制了双波长半导体激光器的大规模生产应用。因此有必要提出一种不需要二次外延，且能够降低制造工艺中的精度要求，输出波长稳定的双波长可调谐半导体激光器。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种双波长可调谐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，提供了一种双波长可调谐半导体激光器，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、刻蚀自停止层、包层、欧姆接触层、钝化层和P面电极层，其中，包层和欧姆接触层构成波导结构，所述波导结构为Y分支波导结构，所述激光器的光栅结构为电极光栅。
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Y分支波导结构的两路分支的光栅周期不同，不同分支具有不同的布拉格波长，能够在出光面同一位置实现稳定的双波长输出。
其中，所述电极光栅由欧姆接触层、钝化层和P面电极层构成，钝化层在Y分支波导的两路分支上为空间周期性光栅分布，使P面电极层与欧姆接触层之间形成的欧姆接触在Y分支波导的两路分支上为空间周期性光栅结构。
其中，所述电极光栅结构包括以下任意一种：
光栅结构为均匀光栅结构，光栅阶数在5至20之间，占空比在30％～70％之间，由普通光刻技术制备；
光栅结构为取样光栅结构，光栅阶数在5至20之间，占空比在30％至70％之间，取样长度在5um至20um之间，取样周期在10um至120um之间，由普通光刻技术制备；
光栅结构为啁啾重构光栅结构，由全息曝光和普通光刻技术制备。
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。
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Y分支双波导结构的波导的宽度为2-4um，波导两侧沟道宽度为5-10um，深度为1-2um。
作为本发明的另一方面，还提供了一种双波长可调谐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，一版光刻版图为了制备出Y分支波导与沟道，二版光刻版图为了对Y分支波导开电极窗口，并在Y分支波导的两路分支上制备出空间周期性光栅分布的钝化层；
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刻蚀自停止层、InGaAs包层、InGaAsP欧姆接触层；
步骤3：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Y分支波导和沟道，Y分支双波导结构的波导的宽度为2-4um，波导两侧沟道宽度为5-10um，深度为1-2um，BOE清洗SiO2；
步骤4：PECVD淀积SiO2钝化层，厚度在200nm至250nm之间；
可选的，光栅结构为均匀光栅结构或取样光栅结构，二版光刻，RIE刻蚀Y分支波导上的SiO2，开电极窗口，制备出在Y分支波导的两路分支上为空间周期性光栅分布的钝化层；
可选的，光栅结构为啁啾光栅结构，全息曝光，RIE刻蚀SiO2，之后进行二版光刻，RIE刻蚀Y分支波导上的SiO2，开电极窗口，制备出在Y分支波导的两路分支上为空间周期性光栅分布的钝化层；
步骤5：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6：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7：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，本发明的双波长可调谐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：
1、本发明利用Y分支波导结构在出光面同一位置实现双波长输出。利用周期性电极光栅实现周期性电流注入，对波导内光场进行空间周期性调制，实现波长选择，并通过调节注入电流，改变波导层的有效折射率，实现激光器波长的调谐，这种光栅设计不需要二次外延，工艺简单。
2、本发明的电极光栅结构包括高阶均匀光栅结构、高阶取样光栅结构、啁啾重构光栅结构，降低了工艺制造过程中的精度要求，易于制备。
附图说明
图1是本发明实施例的基于电极光栅的双波长可调谐半导体激光器结构主视图；
图2是本发明实施例的基于电极光栅的双波长可调谐半导体激光器结构俯视图；
图3是本发明实施例的基于电极光栅的双波长可调谐半导体激光器Y分支波导的单路分支侧视图。
上述附图中，附图标记含义如下：
1、衬底层；2、缓冲层；3、下波导层；4、有源层；5、上波导层；
6、刻蚀自停止层；7、包层；8、欧姆接触层；9、电极光栅；
10、Y分支波导；11、沟道；12、出光面；13、背光面；
14、P面电极层；15钝化层。
具体实施方式
本发明公开了一种基于电极光栅的双波长可调谐半导体激光器，其中波导结构为Y分支波导结构，两路分支电极光栅周期不同。电极光栅由欧姆接触层、钝化层和电极层构成，其特征在于钝化层在Y分支波导的两路分支上为空间周期性光栅结构，使P面电极层与欧姆接触层之间形成的欧姆接触在Y分支波导的两路分支上为空间周期性光栅结构。电极光栅结构包括均匀光栅结构、取样光栅结构、啁啾重构光栅结构。本发明利用Y分支波导结构在出光面同一位置实现双波长输出，利用电极光栅实现周期性电流注入，对波导内光场进行空间周期性调制，实现波长选择，并通过调节注入电流，改变波导层的有效折射率，实现激光器波长的调谐。这种设计不需要二次外延或电子束光刻，工艺简单，易于实现。
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的，双波长可调谐半导体激光器的主视图，图2是双波长可调谐半导体激光器的俯视图，图3是双波长可调谐半导体激光器Y分支波导的单路分支侧视图。如图1、图2、图3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、刻蚀自停止层6、包层7、欧姆接触层8、钝化层15、P面电极层14。激光器的波导结构为Y分支波导10，光栅结构为电极光栅9。激光器的出光面12都有增透膜，背光面13镀有增反膜。
如图1所示，激光器的波导结构由包层7和欧姆接触层8构成，采用Y分支波导结构。Y分支波导两路分支的电极光栅周期不同，不同分支具有不同的布拉格波长，可在出光面同一位置实现稳定的双波长输出。电极光栅9由欧姆接触层8、钝化层15和P面电极层14构成，钝化层在Y分支波导的两路分支上为空间周期性光栅结构，使P面电极层与欧姆接触层之间形成的欧姆接触在Y分支波导的两路分支上为空间周期性光栅结构。所述电极光栅结构包括以下任意一种：光栅结构为均匀光栅结构，光栅阶数在5至20之间，占空比在30％～70％之间，由普通光刻技术制备；光栅结构为取样光栅结构，光栅阶数在5至20之间，占空比在30％至70％之间，取样长度在5um至20um之间，取样周期在10um至120um之间，由普通光刻技术制备；光栅结构为啁啾重构光栅结构，由全息曝光和普通光刻技术制备。钝化层厚度在200nm至250nm之间，P面电极层厚度在300nm至500nm之间。
在该实施例中，激光器的腔长为1000um，宽度为350um，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，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Y分支波导与沟道，二版光刻版图为了对Y分支波导开电极窗口，并在Y分支波导的两路分支上制备出空间周期性光栅分布的钝化层；
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刻蚀自停止层、InGaAs包层、InGaAsP欧姆接触层。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Y分支波导和沟道，Y分支双波导结构的波导的宽度为3um，波导两侧沟道宽度为8um，深度为1.8um，BOE清洗SiO2；
步骤4：PECVD淀积SiO2钝化层，厚度为220nm。电极光栅结构为20阶均匀光栅结构，二版光刻，RIE刻蚀Y分支波导上的SiO2，开电极窗口，SiO2在Y分支波导的两路分支上的分布为空间周期性光栅结构。Y分支波导的两路分支上的光栅周期分别为4um和4.1um，占空比为50％，对应的两路中心波长分别为1310nm和1343nm；
步骤5：P面预处理，在钝化层之上溅射P面电极层，P面电极的材料为TiPtAu，P面电极层的厚度为400nm，退火，欧姆接触层与P面电极层形成P面欧姆接触。SiO2钝化层在Y分支波导的两路分支上为空间周期性光栅结构，使P面电极层与欧姆接触层之间形成的欧姆接触在Y分支波导的两路分支上为空间周期性光栅结构。在Y分支波导的两路分支上制备出电极光栅，两路电极光栅周期分别为4um和4.1um，占空比为50％，对应激光的中心波长分别为1310nm和1343nm；
步骤6：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面电极的材料为AuGeNi，N面电极层的厚度为600nm，退火，衬底层与N面电极层形成N面欧姆接触；
步骤7：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)

1.一种双波长可调谐半导体激光器，其特征在于，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、刻蚀自停止层、包层、欧姆接触层、钝化层和P面电极层，其中，包层和欧姆接触层构成波导结构，所述波导结构为Y分支波导结构，所述激光器的光栅结构为电极光栅；
所述双波长可调谐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，一版光刻版图为了制备出Y分支波导与沟道，二版光刻版图为了对Y分支波导开电极窗口，并在Y分支波导的两路分支上制备出空间周期性光栅分布的钝化层；
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刻蚀自停止层、InGaAs包层、InGaAsP欧姆接触层；
步骤3：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Y分支波导和沟道，Y分支双波导结构的波导的宽度为2-4um，波导两侧沟道宽度为5-10um，深度为1-2um，BOE清洗SiO2；
步骤4：PECVD淀积SiO2钝化层，厚度在200nm至250nm之间；
光栅结构为均匀光栅结构或取样光栅结构，二版光刻，RIE刻蚀Y分支波导上的SiO2，开电极窗口，制备出在Y分支波导的两路分支上为空间周期性光栅分布的钝化层；
光栅结构为啁啾光栅结构，全息曝光，RIE刻蚀SiO2，之后进行二版光刻，RIE刻蚀Y分支波导上的SiO2，开电极窗口，制备出在Y分支波导的两路分支上为空间周期性光栅分布的钝化层；
步骤5：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6：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7：划片，镀膜，出光面镀增透膜，背光面镀增反膜，裂片。
2.根据权利要求1所述的双波长可调谐半导体激光器，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。
3.根据权利要求1所述的双波长可调谐半导体激光器，其特征在于，所述Y分支波导结构的两路分支的光栅周期不同，不同分支具有不同的布拉格波长，能够在出光面同一位置实现稳定的双波长输出。
4.根据权利要求1所述的双波长可调谐半导体激光器，其特征在于，所述电极光栅由欧姆接触层、钝化层和P面电极层构成，钝化层在Y分支波导的两路分支上为空间周期性光栅分布，使P面电极层与欧姆接触层之间形成的欧姆接触在Y分支波导的两路分支上为空间周期性光栅结构。
5.根据权利要求1所述的双波长可调谐半导体激光器，其特征在于，所述电极光栅结构包括以下任意一种：
光栅结构为均匀光栅结构，光栅阶数在5至20之间，占空比在30％～70％之间，由普通光刻技术制备；
光栅结构为取样光栅结构，光栅阶数在5至20之间，占空比在30％至70％之间，取样长度在5um至20um之间，取样周期在10um至120um之间，由普通光刻技术制备；
光栅结构为啁啾重构光栅结构，由全息曝光和普通光刻技术制备。
6.根据权利要求1所述的双波长可调谐半导体激光器，其特征在于，所述钝化层的厚度在200nm至250nm之间。
7.根据权利要求1所述的双波长可调谐半导体激光器，其特征在于，所述P面电极层的厚度在300nm至500nm之间。
8.根据权利要求1所述的双波长可调谐半导体激光器，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。
9.根据权利要求1所述的双波长可调谐半导体激光器，其特征在于，所述Y分支双波导结构的波导的宽度为2-4um，波导两侧沟道宽度为5-10um，深度为1-2um。
10.一种如权利要求1-9任一所述的双波长可调谐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，一版光刻版图为了制备出Y分支波导与沟道，二版光刻版图为了对Y分支波导开电极窗口，并在Y分支波导的两路分支上制备出空间周期性光栅分布的钝化层；
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刻蚀自停止层、InGaAs包层、InGaAsP欧姆接触层；
步骤3：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Y分支波导和沟道，Y分支双波导结构的波导的宽度为2-4um，波导两侧沟道宽度为5-10um，深度为1-2um，BOE清洗SiO2；
步骤4：PECVD淀积SiO2钝化层，厚度在200nm至250nm之间；
光栅结构为均匀光栅结构或取样光栅结构，二版光刻，RIE刻蚀Y分支波导上的SiO2，开电极窗口，制备出在Y分支波导的两路分支上为空间周期性光栅分布的钝化层；
光栅结构为啁啾光栅结构，全息曝光，RIE刻蚀SiO2，之后进行二版光刻，RIE刻蚀Y分支波导上的SiO2，开电极窗口，制备出在Y分支波导的两路分支上为空间周期性光栅分布的钝化层；
步骤5：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6：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7：划片，镀膜，出光面镀增透膜，背光面镀增反膜，裂片。
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