CN111342341A - 一种激光器结构及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种激光器结构及其制备方法和应用，所述激光器结构包括：衬底；外延层，设置在所述衬底上，所述外延层包括层叠的下包层、有源层、上包层和欧姆接触层；脊型波导，形成在所述上包层上；第一布拉格光栅，形成在所述上包层上，并位于所述脊型波导的一侧；第二布拉格光栅，形成在所述上包层上，并位于所述脊型波导的另一侧；其中，所述第一布拉格光栅的光栅结构不同于所述第二布拉格光栅的光栅结构。本发明提出的激光器结构结构稳定、光学损耗小、工艺简单易实现，可以有效提高所述太赫兹波光源的信号强度、稳定性和光谱质量。

Description

一种激光器结构及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种激光器结构结构及其制备方法和应用。
背景技术
激光器以其较窄的谱宽和稳定的光学性能，在太赫兹波(THz)辐射领域展现出巨大应用前景。目前，采用差频技术产生THz波得到了广泛应用，例如外腔光学调制、双分布反馈半导体激光器(DFB-LD)光源技术等均是采用差频技术得到THz波。
但是，由于以上技术需要复杂的光路系统搭建，波长调节的稳定性差。光源系统体积庞大，成本高。激光器功率和单模特性较差，性能不稳定，制作工艺难度大。因此，十分有必要提供一种新型的激光器用于产生THz波。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种激光器结构，该激光器结构稳定、光学损耗小、功率大，可以同时发射两个纯净波长的激光，即双单模激光。该激光器结构可以有效提高所述THz光源的信号强度、稳定性和光谱质量。
本发明的另一个目的在于，提供一种如上所述激光器结构的制备方法。
本发明的另一个目的在于，提供一种如上所述激光器结构的运用。
为实现上述目的及其他目的，本发明的第一方面提出一种激光器结构，所述激光器结构包括：衬底；外延层，设置在所述衬底上，所述外延层包括层叠的下包层、有源层上包层和欧姆接触层；脊型波导，形成在所述上包层上；第一布拉格光栅，形成在所述上包层上，并位于所述脊型波导的一侧；第二布拉格光栅，形成在所述上包层上，并位于所述脊型波导的另一侧；其中，所述第一布拉格光栅的光栅结构不同于所述第二布拉格光栅的光栅结构。
可选地，所述激光器结构的输出差频为0.2nm～80nm，可以实现的THz波长为3mm～0.03mm。
可选地，所述第一布拉格光栅的周期不同于所述第二布拉格光栅的周期。
可选地，所述第一布拉格光栅的周期与所述第二布拉格光栅的周期的差值为0.1～20nm。
可选地，所述第一布拉格光栅与所述有源层之间具有预设距离，所述预设距离为50～200nm。
可选地，所述第一布拉格光栅的高度为30～350nm。
可选地，所述第一布拉格光栅和/或第二布拉格光栅的填充介质为硅基化合物或高分子聚合物。
可选地，所述第一布拉格光栅和/或第二布拉格光栅的占空比为0.1～0.9。
本发明另一方面还提供了一种激光器结构的制备方法，所述方法包括以下步骤：
提供一衬底，于所述半导体衬底上形成外延层，所述外延层包括层叠的下包层、有源层、上包层和欧姆接触层；刻蚀所述上包层和欧姆接触层以形成一脊型波导；于所述上包层上形成第一布拉格光栅，且位于所述脊型波导的一侧；于所述上包层上形成第二布拉格光栅，且位于所述脊型波导的另一侧；其中，所述第一布拉格光栅的光栅结构不同于所述第二布拉格光栅的光栅结构。
本发明另一方面提供了一种激光模组，所述激光模组包括：电路板；激光器结构，设置于所述电路板上；其中，所述激光器结构包括，衬底；外延层，设置在所述衬底上，所述外延层包括层叠的下包层、有源层、上包层和欧姆接触层；脊型波导，形成在所述上包层上；第一布拉格光栅，形成在所述上包层上，并位于所述脊型波导的一侧；第二布拉格光栅，形成在所述上包层上，并位于所述脊型波导的另一侧；所述第一布拉格光栅的光栅结构不同于所述第二布拉格光栅的光栅结构。
综上所述，本发明提出一种激光器结构及其制备方法和应用，该激光器结构，经一次外延结构和将不同结构的布拉格光栅浅刻蚀在脊型波导的两侧，可以获得不同频率的THz波。而且，器件在结构设计上具备更大的灵活性，大大降低了工艺难度，光栅保证度高，提高了THz光源的信号强度、稳定性和光谱质量。此外，本发明的激光器结构通过一次外延即可完成，减少了外延片的缺陷和损耗，提高了外延片的质量，简化了外延流程，缩减了制造成本。将光栅浅刻蚀在脊型波导根部的左右两侧，大大减轻了激光器的工艺制作难度，为该激光器结构的产业化奠定了基础。其他的特征、优势、益处可以参考本公开的权利要求书和说明书的内容。
附图说明
图1显示为本实施提出的激光模组的整体框图。
图2显示为本实施提出的激光器结构的制备方法流程图。
图3显示为本实施例中分布反馈激光器结构的衬底的示意图。
图4显示为形成外延层的示意图。
图5显示为形成掩膜层和光刻胶层的示意图。
图6显示为刻蚀所述光刻胶层和掩膜层的示意图。
图7显示为形成脊型波导的示意图。
图8显示为形成电子束胶层的示意图。
图9显示为图8的侧视图。
图10显示为制备光栅图案的示意图。
图11显示为刻蚀所述上包层的示意图。
图12显示为形成光栅的示意图。
图13显示为去除掩膜层后的示意图。
图14显示为图13中的俯视图。
图15显示为本实施例中提供的布拉格光栅的结构示意图。
图16显示为另一实施例中提供的布拉格光栅的结构示意图。
图17显示为图16中的俯视图。
图18显示为本另一实施例中提供的布拉格光栅的结构示意图。
图19显示为图18中的俯视图。
图20显示为本另一实施例中提供的布拉格光栅的结构示意图。
图21显示为为图20中的俯视图。
图22显示为形成填充层和绝缘层的示意图。
图23显示为图22的主视图。
图24显示为形成上电极区域的示意图。
图25显示为图24的俯视图。
图26显示为形成上电极和下电极的示意图。
图27显示为图26中的侧视图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供了一示例性激光模组100的框图，激光模组100作为光发射组件，其利用接收到的电信号发射出激光信号。所述激光模组100例如包括电路板，例如包括输入电路200、驱动电路300，和设置于所述电路板上的激光器结构400。应该理解的是，激光模组100仅用于图示的目的并且本发明不限于特定光激光模组100。例如，可以实现与本发明相关联的益处和能力，而不管输入电路200、驱动电路300和激光器结构400的类型和尺寸，以及接口如何，所有这些都可以基于特定要求和预期的使用而变化。
如图1所示，在激光模组100中，输入电路200对输入的电信号进行扰码和编码操作。所述驱动电路300电连接所述输入电路200，用于将扰码和编码后的所述电信号进行调制，形成调制信号。所述激光器结构400电连接所述驱动电路300，用于根据调制信号驱动所述激光器结构400并产生光信号，所述激光器结构400发射的激光经过驱动电路300的调制，发射激光。
如图1所示，在激光模组100中，所述激光器结构400用于发射激光。在本发明的一些实施例中，所述激光器结构400的输出双单模，波长范围为1260～1600nm，经过双单模差频技术，即，双单模激光照射到差频晶体(例如石英晶体、GaP晶体，ZnGeP晶体等)上产生THz波，例如波长为0.03mm～3mm的THz波，例如0.3mm、0.5mm，进一步地，输出频率为0.1～10THz。该激光器结构为THz脉冲的产生提供稳定、可靠的激发光源，从而可以广泛运用于高精度的材料分析和测试、成像技术、雷达、光通信领域中。
如图2至21所示，本发明提供了一种激光器结构400的制备方法，所述方法包括但不限于以下步骤S1～S4。
如图2及图3所示，进行所述步骤S1，提供一衬底410。
如图3所示，所述衬底410例如可由III-V化合物类型或其合金形成，其可为适当掺杂的衬底，例如硅(Si)掺杂的砷化镓(GaAs)、蓝宝石衬底、硅、硅碳化物，铝氮化物，镓氮化物，在其上形成所述外延层420。所述衬底410减薄后的厚度例如为10-200μm，例如100μm、70μm。
如图2及图4所示，进行所述步骤S2，于所述衬底410上形成外延层420，所述外延层420包括层叠的下包层421、有源层422、上包层423和欧姆接触层424。
在一些实施例中，所述下包层421包括N型半导体层，具体地材料可以包括含铝材料，例如可以列举n-Al0.3Ga0.7As、n-Al0.25 Ga0.75As等，所述下包层421的所述厚度例如为1000-5000nm，例如2800nm、3000nm。
在一些实施例中，所述有源层422包括层叠设置的量子点复合结构。具体地，可以列举砷化铟/铟镓砷/砷化镓(InAs/InGaAs/GaAs)量子点结构，该量子点结构包括例如8层量子点，每层量子点例如可以被33nm的GaAs间隔层隔开，每层量子点含有2.7ML(monolayer)InAs，InAs上覆盖有6nm的InGaAs应力释放层。进一步地，所述有源层422还可以例如进行p型调制掺杂，例如采用铍(Be)、碳(C)、锌(Zn)、硅(Si)等元素，以提高模式增益和光学稳定性，具体地例如掺杂浓度为3×1017cm-3，掺杂区域在InAs/InGaAs量子点层以上17nm的GaAs层里，掺杂区域的宽度为6nm。在上述范围内的量子点结构，所述有源层422的载流子数理想，且所述400温度稳定性好和外量子效率高，提高所述激光器结构400的性能。当然并不限定于此，在本发明的一些实施例中所述有源层422还可以采用5～12层量子点复合结构。所述有源层422通过该量子点复合结构的半导体物质(即利用电子)在能带间跃迁发光，并用半导体晶体的解理面或者腔面镀膜形成两个平行反射镜面4221、4222作为反射镜组成谐振腔，从而使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，从侧面4221a和/或4222输出激光。在一些实施例中，所述有源层422的材料对应1260～1600nm的输出波长，例如1310nm。
在一些实施例中，所述上包层423包括P型半导体层，具体地材料可以包括含铝材料，例如可以列举p-Al0.3Ga0.7As、p-Al0.25 Ga0.75As等，所述上包层404的厚度为1000-3000nm，例如1800nm、2100nm。
在一些实施例中，所述欧姆接触层424位于所述上包层423上，进一步地，在如上所述如下详述的脊型波导430上，用于连接后续形成的电极。在本发明的一些实施例中，所述欧姆接触层424例如可以采用重掺杂的p型GaAs，所述欧姆接触层424的厚度例如为100μm-500μm，例如200μm、230μm、250μm、300μm，并没有特别的限定。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述外延层420还可以包括一阻挡层(图中未示出)所述阻挡层位于所述上包层423上，以在刻蚀如上所述如下详述的脊型波导430时，保证刻蚀的深度，所述阻挡层的厚度为30～200nm，例如50nm、85nm、120nm。
在一些实施例中，采用分子束外延(MBE)工艺在衬底410上依次生长形成所述外延层420，当然并不限定于此，例如还可以通过例如等离子增强化学气相沉积(PEVCD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)的外延沉积形成于所述衬底410上。
如图2及图5～7所示，进行所述步骤S3中，刻蚀所述上包层423和欧姆接触层424以形成一脊型波导430，所述脊型波导430可以限制电流和光斑整形。
如图5～7所示，所述脊型波导430位于所述上包层423上，所述脊型波导430与所述有源层422之间距离为230～400nm，进一步地，例如230～300nm，更进一步的例如270～295nm，例如可以列举295nm、290nm、280nm、275nm，当所述距离在上述范围内时，在所述脊型波导430的两侧的沟槽底部形成如下结构的多个布拉格光栅，例如第一布拉格光栅440a、第二布拉格光栅440b时，所述布拉格光栅440a、440b可以与所述脊型波导430之间连接紧密而不受所述脊型波导430的脊高的影响，使得所述有源层422外的倏逝场与布拉格光栅440a、440b，可以形成理想的耦合效果，进而完成对光模式的筛选。所述脊型波导430的脊宽例如为2～5μm，例如2μm、3μm、3.5μm。
如图5所示，在本发明的一些实施例中，所述脊型波导430可以通过例如光刻工艺、干法刻蚀工艺和湿法刻蚀工艺形成于所述上包层423上。为了保护欧姆接触层，在进行制备脊型波导430和所述多个布拉格之前，可以于所述外延层420上形成一掩膜层450。所述掩膜层450的材料例如可以列举二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)。所述掩膜层450的厚度例如为50nm-100nm，例如50nm、60nm、70nm、80nm，在上述范围内的掩膜层450的厚度，可以充分保护如上所述如下详述的脊型波导430而免于在制备布拉格光栅440a、440b的过程中被破坏，且进一步地，避免了所述激光器结构400在生长电极时，电流注入窗口表面粗糙度增大和电极粘附性不好的问题。
如图5所示，在本发明的一些实施例中，可以采用PECVD工艺制备所述掩膜层450。
如图6所示，在本发明的一些实施例中，于所述掩膜层450上涂覆光刻胶460，图形化所述光刻胶460以显影出脊型波导430的刻蚀窗口，并采用干法刻蚀，例如反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)工艺首先刻蚀所述掩膜层450的一部分。
如图6所示，在本发明的一些实施例中，采用干法刻蚀，例如电感耦合等离子体(inductively coupled plasma,ICP)刻蚀工艺和湿法刻蚀工艺结合的方法接着沿所述欧姆接触层424和上包层423向下刻蚀并停止在所述上包层423上，并去除所述光刻胶460。即，于所述上包层423上形成脊型波导430。
如图2及图8～21所示，进行所述步骤S4，于所述上包层423上分别形成第一布拉格光栅440a和第二布拉格光栅440b，进一步地，例如采用周期调制的布拉格光栅，所述第一布拉格光栅440a位于所述脊型波导430的一侧，第二布拉格光栅440b位于所述脊型波导430的另一侧。所述第一布拉格光栅440a的光栅结构不同于所述第二布拉格光栅440b的光栅结构。
在一些实施例中，所述第一布拉格光栅440a的高度为30～350nm，进一步地，例如50～200nm，例如130nm、140nm、145nm、150nm，占空比0.1～0.9，例如0.4、0.5。周期为150～500nm，进一步地，例如为150～200nm，例如190nm、196nm、197nm、198nm。
在一些实施例中，所述第二布拉格光栅440b的高度为30～350nm，进一步地，例如50～200nm，例如130nm、140nm、145nm、150nm，占空比0.3～0.9，例如0.4、0.5、0.7。周期为150～500nm，进一步地，例如为150～200nm，例如190nm、196nm、197nm、198nm。
如图12～15所示，所述第一布拉格光栅440a的光栅结构不同于所述第二布拉格光栅440b的光栅结构。在一些实施例中，例如为，所述第一布拉格光栅440a的周期不同于所述第二布拉格光栅440b的周期，通过二者周期的差值，所述激光器结构400输出双单模激光，进一步地，该双单模激光照射到差频晶体(例如石英晶体、GaP晶体，ZnGeP晶体等)，从而可以获得不同频率的THz波。所述周期的差值例如为0.1～20nm，例如1nm、2nm、10nm、具体地，可以列举所述第一布拉格光栅440的周期λ1为196nm、200nm，所述第二布拉格光栅440b的周期λ2为197nm、196nm，当然并不限定于此。
如图16～21所示，还可以例如为，所述第一布拉格光栅440a的光栅形状不同于所述第二布拉格光栅440b，通过二者刻蚀形状的差异，可以进一步地调制光线的出射角度，调整光栅的输出波形。
如图16～17所示，具体地，在一些实施例中，可以列举所述第二布拉格光栅440b例如具有棱台形状，与所述第一布拉格光栅440a的长条形状不同，并分别平均地布置于所述脊型波导430的两侧。
如图20～21所示，具体地，在一些实施例中，可以列举所述第二布拉格光栅440b例如形成为具有一定倾斜角度的长条形状，与所述第一布拉格光栅440a的长条形状的布置方式不相同。
需要说明的是，所述第一布拉格光栅440a的光栅结构不同于所述第二布拉格光栅440b的光栅结构，例如还可以包括所述第一布拉格光栅440a的光栅高度不同于所述第二布拉格光栅440b的高度，具体地，所述第一布拉格光栅440a的高度例如为140nm，所述第二布拉格光栅440b的高度例如为120nm。例如还可以包括，所述第一布拉格光栅440a的光栅占空比不同于所述第二布拉格光栅440b的光栅占空比，具体地，所述第一布拉格光栅440a的占空比例如为0.5，所述第二布拉格光栅440b的占空比例如为0.3。应当理解，任何所述第一布拉格光栅440a的光栅结构不同于所述第二布拉格光栅440b的光栅结构，均应当涵盖在本发明要求保护的范围内。
如图13所示，在一些实施例中，所述第一布拉格光栅440a和/或第二布拉格光栅440b的底部与所述有源层422之间的预设距离H的值，进一步地例如为100～200nm，更进一步地例如100～150nm，例如可以列举120nm、135nm、140nm、145nm、150nm，当所述预设距离H在上述范围内时，所述第一布拉格光栅440a和/或第二布拉格光栅440b刻蚀在所述上包层423上，即内置在所述有源区附近，且进一步地，在上述范围内的光栅刻蚀深宽比的减小，使得这种浅刻蚀结构可以采用一阶光栅，光栅可以对光形成较好的耦合，进而实现理想的边模抑制比，提高激光器结构400调制速度和出光功率。
如图8～10所示，在一些实施例中，例如采用电子束光刻(electron beamlirhography,EBL)工艺制备所述掩膜图案，即光栅图案。基于保证所述光栅的质量，提高耦合效果的观点，所述EBL的电子束胶层470的厚度例如为50nm-100nm，例如50nm、60nm、70nm、75nm，当所述厚度低于50nm时，所述电子束胶层470过薄，在刻蚀形成所述第一布拉格光栅440a和/或第二布拉格光栅440b的过程中易导致受破坏而无法形成所述光栅，当所述厚度高于所述100nm时，所述电子束胶层470过厚，在脊型波导430处易出现侧壁堆胶的情况，在刻蚀形成所述第一布拉格光栅440a和/或第二布拉格光栅440b的过程中易导致与脊型波导430连接不紧密，而降低所述第一布拉格光栅440a和/或第二布拉格光栅440b的耦合能力，所述EBL的电子束胶层470的材料例如可以采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、氢硅倍半环氧乙烷(HSQ)，以及ZEP材料，例如PMMA。需要注意的是，可以采用例如原子力显微镜(AFM)以检测所述掩膜图案。根据本发明提供的EBL工艺简单易操作，可以根据所需要的光栅的形状进行掩膜图案的制备，并且可以有效提高光栅的保真度,使其在刻蚀过程中不易变形。此外，本发明采用极薄的电子束胶，可以大幅度缩减EBL时间，节省工艺成本。
如图11～12所示，在一些实施例中，采用干法刻蚀，例如ICP刻蚀工艺在所述脊型波导430的两侧沿所述上包层423向下刻蚀并停止在所述上包层423上，并去除电子束胶层470。即，于所述上包层423上形成所述第一布拉格光栅440a和第二布拉格光栅440b。需要注意的是，采用台阶仪和AFM确定光栅质量。
如图13～21所示，在本发明的一些实施例中，所述第一布拉格光栅440a和第二布拉格光栅440b制作完成之后，去除掩膜层450的剩余部分，例如采用缓冲氧化物刻蚀液(Buffered Oxide Etch，BOE)腐蚀所述掩膜层450，显露所述脊型波导430的脊，所述脊型波导430位于所述上包层423上。
如图13～22所示，在本发明的一些实施例中，采用PECVD工艺在所述第一布拉格光栅440a和第二布拉格光栅440b，以及欧姆接触层424上制备所述填充层480和绝缘层490。
如图22～23所示，所述填充层480填充于所述第一布拉格光栅440a和第二布拉格光栅440b，进而使得使光栅区的有效折射率和有源区的折射率产生差异，利用有源区外的倏逝场与布拉格光栅的耦合作用完成对光模式的筛选，基于实现理想耦合效果的观点，所述填充层480采用硅基化合物、或者高分子聚合物等介质等折射率较小的介质材料，具体的例子可以列举SiO2、SiN、苯并环丁烯(BCB)、聚酰亚胺。厚度为200～600nm，例如400nm当然并不限定于此。进一步地，所述第一布拉格光栅440a和第二周期光栅440b的填充材料可以相同也可以不相同，并没有特别的限定。
如图22～23所示，所述绝缘层490位于所述填充层480上，并覆盖整个脊型波导430。在一些实施中，所述绝缘层490的材料例如与所述填充层480采用相同的材料并通过所述PECVD工艺或其他工艺一体成型，所述绝缘层490位于脊型波导430上，用于形成电流注入窗口。如图24～27所示，在一些实施例中，可以于本发明提供的激光器结构400表面生长电极，通电后以进行发射激光作业，所述电极包括上电极510和下电极520。
在一些实施例中，所述上电极510和所述下电极520的材料可包括Au金属，Ag金属，Pt金属，Ge金属，Ti金属及Ni金属中的一种或组合。
如图24～27所示，在一些实施例中，采用干法刻蚀，例如反应离子刻蚀(ReactiveIon Etching，RIE)工艺刻蚀于所述脊型波导430上刻蚀所述部分绝缘层490，以显露出所述所述欧姆接触层424，于所述欧姆接触层424形成上电极510。
如图26～27所示，在本发明的一些实施例中，采用先减薄、抛光所述衬底410背面，然后于所述衬底410背面形成所述下电极520，并退火。
如图26～27所示，所述激光器结构400在进行工作时，通电后电流从上电极510注入，经过上包层423，进入有源层422，所述有源层422内的半导体物质在能带间跃迁发光，在所述反射面4221、4222组成的所述谐振腔内形成激光振荡，反馈，产生光的辐射放大，并利用有源层外的倏逝场与布拉格光栅的耦合作用完成对光模式的筛选，最后侧向输出激光。本发明通过一次外延的方法，提高了外延质量；且采用光栅浅刻蚀，制备得到所述光栅的结构，缩减了制造成本。
需要说明的是，本发明提供的激光器结构400为实现理想的出射激光，可以包括多种的封装方式，以及适当地增添现有的结构，以满足各个领域例如高精度的材料分析和测试、成像技术、雷达、光通信领域，例如THz通信领域中的实际需要，应当理解，这些应当涵盖在本发明要求的保护的范围内。
如上所述，根据本发明提供的激光器结构的制备方法，在制备光栅时其外延层上已提前制备了脊型波导结构。经一次外延结构和将不同结构的布拉格光栅浅刻蚀在脊型波导的两侧，形成最佳的光场耦合效果，保证了光栅质量，提升了激光器结构性能。此外，通过布置不同结构的布拉格光栅，利用两个频率相近但不同的光波干涉，获得不同频率的THz波，而且器件在结构设计上具备更大的灵活性，大大降低了工艺难度，光栅保证度高，提高了THz光源的信号强度、稳定性和光谱质量。此外，本发明的激光器结构通过一次外延即可完成，减少了外延片的缺陷和损耗，提高了外延片的质量，简化了外延流程和制作工艺，缩减了制造成本。将光栅浅刻蚀在有源层上方和下方，为该激光器结构的产业化奠定了基础。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案，例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种激光器结构，其特征在于，所述激光器结构包括：
衬底；
外延层，设置在所述衬底上，所述外延层包括层叠的下包层、有源层、上包层和欧姆接触层；
脊型波导，形成在所述上包层上；
第一布拉格光栅，形成在所述上包层上，并位于所述脊型波导的一侧；
第二布拉格光栅，形成在所述上包层上，并位于所述脊型波导的另一侧；
其中，所述第一布拉格光栅的光栅结构不同于所述第二布拉格光栅的光栅结构。
2.根据权利要求1所述的激光器结构，其特征在于，所述激光器结构的输出差频为0.2nm～80nm，可以实现的THz波长为3mm～0.03mm。
3.根据权利要求1所述的激光器结构，其特征在于，所述第一布拉格光栅的周期不同于所述第二布拉格光栅的周期。
4.根据权利要求3所述的激光器结构，其特征在于，所述第一布拉格光栅的周期与所述第二布拉格光栅的周期的差值为0.1～20nm。
5.根据权利要求1所述的激光器结构，其特征在于，所述第一布拉格光栅与所述有源层之间具有预设距离，所述预设距离为50～200nm。
6.根据权利要求1所述的激光器结构，其特征在于，所述第一布拉格光栅的高度为30～350nm。
7.根据权利要求1所述的激光器结构，其特征在于，所述第一布拉格光栅和/或第二布拉格光栅的填充介质硅基化合物或者高分子聚合物。
8.根据权利要求1所述的激光器结构，其特征在于，所述第一布拉格光栅和/或第二布拉格光栅的占空比为0.1～0.9。
9.一种激光器结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
提供一衬底，
于所述半导体衬底上形成外延层，所述外延层包括层叠的下包层、有源层、上包层和欧姆接触层；
刻蚀所述上包层和所述欧姆接触层以形成一脊型波导；
于所述上包层上形成第一布拉格光栅，且位于所述脊型波导的一侧；
于所述上包层上形成第二布拉格光栅，且位于所述脊型波导的另一侧；
其中，所述第一布拉格光栅的光栅结构不同于所述第二布拉格光栅的光栅结构。
10.一种激光模组，其特征在于，所述激光模组包括：
电路板；
激光器结构，设置于所述电路板上；
其他光学元件；
其中，所述激光器结构包括，
衬底；
外延层，设置在所述衬底上，所述外延层包括层叠的下包层、有源层、上包层和欧姆接触层；
脊型波导，形成在所述上包层上；
第一布拉格光栅，形成在所述上包层上，并位于所述脊型波导的一侧；
第二布拉格光栅，形成在所述上包层上，并位于所述脊型波导的另一侧；
所述第一布拉格光栅的光栅结构不同于所述第二布拉格光栅的光栅结构。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI822179B (zh) * 2022-07-13 2023-11-11 華星光通科技股份有限公司 一種分散式回饋雷射發光結構之製造方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080069496A1 (en) * 2006-09-12 2008-03-20 Onechip Photonics Inc. Coupling-enhanced surface etched gratings
CN101247025A (zh) * 2007-02-16 2008-08-20 富士通株式会社 具有与导波耦合的衍射光栅的光学器件及其制造方法
US20160049770A1 (en) * 2014-08-12 2016-02-18 California Institute Of Technology Single-mode, distributed feedback interband cascade lasers
CN106953235A (zh) * 2016-03-17 2017-07-14 中国科学院半导体研究所 单模GaSb基半导体激光器及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080069496A1 (en) * 2006-09-12 2008-03-20 Onechip Photonics Inc. Coupling-enhanced surface etched gratings
CN101247025A (zh) * 2007-02-16 2008-08-20 富士通株式会社 具有与导波耦合的衍射光栅的光学器件及其制造方法
US20160049770A1 (en) * 2014-08-12 2016-02-18 California Institute Of Technology Single-mode, distributed feedback interband cascade lasers
CN106953235A (zh) * 2016-03-17 2017-07-14 中国科学院半导体研究所 单模GaSb基半导体激光器及其制备方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI822179B (zh) * 2022-07-13 2023-11-11 華星光通科技股份有限公司 一種分散式回饋雷射發光結構之製造方法

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