CN111418121B - 波长可调谐激光器 - Google Patents

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Abstract

根据实施方式，公开了包括增益区和波长可调谐区的波长可调谐激光器。该波长可调谐区包括：下包层；位于下包层上的无源光波导；位于无源光波导上的上包层；位于上包层上的驱动电极；位于驱动电极上的电流阻挡层；位于电流阻挡层上的加热器；彼此相对设置的第一绝缘槽和第二绝缘槽，并且第一绝缘槽和第二绝缘槽之间设置有无源光波导。

Description

波长可调谐激光器
技术领域
本发明的实施方式涉及波长可调谐激光器。
背景技术
通常，当使用输出单个波长的激光源时，由于需要与通道数一样多的激光源，因此在光通信系统中不能有效地使用波长资源。因此，光通信系统，如密集波分复用(DWDM)等，需要波长可调谐激光器以有效地使用波长资源。
通常，波长可调谐激光器具有在一个芯片中构成波长可调谐激光器的单集成方法(single integration method)，以及在制造两个或更多个芯片之后组合两个或更多个芯片的外部共振方法(external resonance method)。
单集成方法中的波长可调谐激光器由一个芯片组成，因此可以实现小型化和低功耗，但是外部共振方法中的波长可调谐激光器的缺点在于需要大功率并且体积增大。
波长可调谐激光器可以包括用于产生光的增益区和用于波长调谐的波长可调谐区。有施加电流的方法和利用微型加热器施加热量的方法，作为调谐半导体激光器波长的方法。
在上述施加热量的方法的情况下，由于需要施加大的电压以将单波长带的光调节至期望的波长，因而存在的缺点在于用于调谐波长的热效率较低。
在半导体激光器芯片中插入蚀刻防止层(例如，砷化铟镓(InGaAs)层)以增加波长调谐的热效率，之后可以通过选择性蚀刻，甚至选择性蚀刻该蚀刻防止层从而在波长可调谐区中形成绝缘槽。但是由于蚀刻防止层存在于激光器的所有区域(特别是增益区)中，所以存在激光器的特性劣化问题。
此外，在常规结构中，由于仅可以选择性使用施加电流的方法和施加热量的方法中的一种作为调谐波长的方法，因此存在选择范围狭窄的问题。
发明内容
技术问题
实施方式旨在提供不具有用于形成绝缘槽的蚀刻防止层的波长可调谐激光器。
实施方式旨在提供施加热量的方法和施加电流的方法两者均可适用的波长可调谐激光器。
本发明要解决的问题不限于上述问题，并且还包括从以下描述的解决方案和实施方式中所理解的目的和效果。
技术方案
本发明一方面提供了波长可调谐激光器，包括：波长可调谐激光器，包括：增益区；和波长可调谐区，其中，波长可调谐区包括下包层；无源光波导，设置在下包层上；上包层，设置在无源光波导上；驱动电极，设置在上包层上；电流阻挡层，设置在驱动电极上；加热器，设置在电流阻挡层上；和彼此相对设置的第一绝缘槽和第二绝缘槽，并且第一绝缘槽和第二绝缘槽之间设置有无源光波导。
下包层可以包括通过第一绝缘槽和第二绝缘槽之间的连接而形成的突出部，该突出部可以具有第一突出部，该第一突出部的宽度沿第二方向上变窄，其中该第二方向可以为从上包层到下包层的方向。
突出部可以具有第二突出部，该第二突出部的宽度沿第二方向变宽。
第二突出部可以设置在第一突出部的下方。
第一突出部的面积可以大于第二突出部的面积。
在突出部中，具有最大宽度的第一区域与具有最小宽度的第二区域的宽度之比为1：0.1至1：0.5。
当通过第一电极输入电流或通过加热器输入热量时，可以改变无源光波导的折射率。
本发明另一方面提供了波长可调谐激光器，其包括增益区和波长可调谐区，其中，波长可调谐区包括下包层，设置在下包层之间的无源光波导，设置在无源光波导上的上包层，设置在上包层上的加热器，以及设置在下包层上的第一绝缘槽和第二绝缘槽，第一绝缘槽和第二绝缘槽与无源光波导彼此相对设置，并且在所述第一绝缘槽和所述第二绝缘槽之间设置有所述无源光波导，所述下包层包括通过第一绝缘槽和第二绝缘槽之间的连接而形成的突起部，该突起部的宽度在远离无源光波导的方向上变窄。
突出部的下部边缘角的角度可以是50°至70°。
有益效果
根据本发明的实施方式，可以在没有单独的蚀刻停止层的情况下形成绝缘槽。因此，具有的优点是，可以在不降低波长可调谐激光器的性能的情况下进行低功率波长调谐。
此外，由于省略了蚀刻停止层，所以具有简化外延生长，以及简化形成绝缘槽的工序的优点。
另外，由于绝缘槽仅通过调节半导体材料的蚀刻速率来形成，所以具有确保芯片的均匀性的优点。
另外，具有可以通过选择性输入热量或电流来调节波长的优点。
本发明的多种优点和效果并不限于以上描述，并且可以在描述本发明的示例性实施方式的过程中相对容易地理解。
附图说明
图1是根据本发明的一种实施方式的波长可调谐激光器的平面图。
图2是根据本发明的一种实施方式的波长可调谐激光器的剖视图。
图3是图2的修改示例。
图4是图1在B-B方向的剖视图。
图5是图1在C-C方向的剖视图。
图6和图7是示出在下包层中形成绝缘槽的过程的视图。
图8是传统的波长可调谐激光器的波长可调谐区的剖视图。
图9是图8的修改示例。
图10是传统的波长可调谐激光器的增益区的剖视图。
图11是图5的修改示例。
图12是根据本发明另一实施方式的波长可调谐激光器的平面图。
图13是图12在D-D方向的剖视图。
具体实施方式
可以将实施方式修改为其他形式，或者可以将某些实施方式组合，并且本发明的范围不限于以下描述的实施方式。
虽然在其他实施方式中没有描述在特定实施方式中描述的事项，但是除非在其他实施方式中存在与该事项相反或矛盾的描述，否则这些事项可以理解为与其他实施方式有关的描述。
例如，当在特定的实施方式中描述了组件A的特征，而在另一实施方式中描述了组件B的特征，除非有相反或矛盾的描述，否则即使当组件A和组件B的组合的实施方式没有明确公开时，这些组件的特征落在本发明的范围内。
在实施方式的描述中，当一个元件被披露为在另一元件“上或下”形成时，术语“上或下”既包括两个元件彼此直接接触的情况，又包括至少另一个元件设置在两个元件之间(间接接触)的情况。此外，当表达为术语“上或下”时，不仅可以包括相对于一个元件的向上方向，而且可以包括相对于一个元件的向下方向的含义。
以下将参考附图详细描述本发明的实施方式，以使本领域技术人员可以容易地实施本发明的实施方式。
在实施方式中，尽管将基于单集成的波长可调谐激光器来描述本发明的技术精神，但是本发明的精神不限于单集成波长可调谐激光器，并且还可以应用于其他类型的波长可调谐激光器。
图1是根据本发明一种实施方式的波长可调谐激光器的平面图。图2是根据本发明一种实施方式的波长可调谐激光器的剖视图。图3是图2的修改示例。图4是图1在B-B方向的剖视图。图5是图1在C-C方向的剖视图。图6和图7是示出在下包层中形成绝缘槽的过程的视图。
参照图1和图2，根据实施方式的波长可调谐激光器可以包括下电极15、上包层120b、下包层120a、光波导130和第一电极13a。
波长可调谐激光器可以包括增益区10和波长可调谐区20。光波导130可以分为设置在增益区10处的光波导(以下称为有源光波导)和设置在该波长可调谐区20处的光波导(无源光波导)，并且有源光波导130a和无源光波导130b可以光学连接，例如，有源光波导130a和无源光波导130b可以以对接(Butt-Joint)方式或集成双波导方式彼此连接，但并不限于上述连接方式。
增益区10可以通过外延生长多个半导体层来产生。多个半导体层的构造没有特别限制。例如，可以调节增益区10的半导体层的合适的组成比和掺杂浓度，以产生在期望的波长范围内的光。例如，增益区10的有源光波导130a可以具有其中阱层和势垒层交替堆叠的多量子阱(MQW)结构。阱层和势垒层的组合可以包括砷化铟铝镓(InAlGaAs)或磷化砷化铟镓(InGaAsP)，但不限于此。
波长可调谐区20可以改变由增益区10产生的光的波长。波长可调谐区20需要波长可调谐滤光器来调谐波长，并且作为示例，可以具有分布式布拉格反射器(DBR)结构122。在分布式布拉格反射器(DBR)结构122中，当输入热量或电流时，衍射光栅的折射率改变以调谐波长。
在这种情况下，DBR结构122示出为仅设置在增益区10的前端，但是不限于此，并且取样光栅分布式布拉格反射器(SG-DBR)可以设置在增益区10的前端和后端的每一个处。
第一绝缘槽211和第二绝缘槽212可以彼此相对地设置，并且在第一绝缘槽211和第二绝缘槽212之间设置有无源光波导130b。即，在平面图中，无源光波导130b可以设置在第一绝缘槽211和第二绝缘槽212之间。第一绝缘槽211和第二绝缘槽212可以设置为多个，但不限于此。
光波导130可以设置在下包层120a上，上包层120b可以设置在光波导130上。上包层120b和下包层120a可以包括磷化铟(InP)，但是不限于此。
第一电极13a可以设置在上包层120b上。第一电极13a可以通过将电流施加到增益区10来产生光。加热器22可以通过将热施加到无源光波导130b并改变折射率来调节光的波长。
参照3，根据实施方式所述的波长可调谐激光器可以具有集成双波导结构，其中有源光波导130a设置在无源光波导130b上。此外，DBR结构122可以设置在无源光波导130b上。另外，可以进一步设置子电极13b。子电极13b可以是用于相位控制、热控制和光控制中的至少一种的电极。
参照4，上包层120b可以设置在有源光波导130a的部分区域上。即，上包层120b可以仅通过蚀刻工艺设置在波导模221上。根据实施方式，由于增益区不具有蚀刻防止层，所以可以改善激光器的光学特性和/或电特性。
参照5，在波长可调谐区中，第一绝缘槽211和第二绝缘槽212中的每一个可以具有倒置的台面形状，该倒置的台面形状的宽度随着靠近下电极15而变宽。此外，第一绝缘槽211和第二绝缘槽212可以在下包层120a中彼此连接，以形成围绕无源光波导130b的一个凹槽。第一绝缘槽211和第二绝缘槽212中的每一个可以具有设置在其上的单独的绝缘材料，但是不限于此。
第一绝缘槽211和第二绝缘槽212中的每一个可以具有第一部分C1和第二部分C3，第一部分C1的面积随着靠近下电极15而逐渐增大，而第二部分C3部分的面积随着靠近下电极15而逐渐减小。第一部分C1和第二部分C3中的每一个的深度、面积等可以根据蚀刻溶液的类型而改变。此外，第一绝缘槽211和第二绝缘槽212的下表面可以具有平坦表面C2。
下包层120a可以包括被第一绝缘槽211和第二绝缘槽212围绕的突出部123。波长可调谐区可以包括由上包层120b、无源光波导130b和下包层120a的突出部123组成的控制区域222。控制区域222可以是折射率通过热输入而改变的区域。即，控制区域222可以是控制波长的区域。
加热器22可以设置在控制区域222上。加热器22可以包括以下金属中的至少一种：铬(Cr)、钛(Ti)、铂(Pt)、镍(Ni)和金(Au)，但不限于此。
由于当控制区域222的突出部123连接到下包层120a时，从加热器22输入的一部分热量散逸到下包层120a，因此施加到无源光波导130b的热效率可能降低。
然而，在该实施方式中，传递到突出部123的热量可以被第一绝缘槽211和第二绝缘槽212阻挡。因此，由于无源光波导130b的折射率的变化增大，所以波长可调谐范围可能会增加。此外，可以减小输入电流。
根据实施方式，可以通过控制蚀刻溶液的暴露时间来形成第一绝缘槽211和第二绝缘槽212。当选择能蚀刻下包层120a的蚀刻溶液且确定该蚀刻溶液的蚀刻角度时，可以计算出形成突出部123的蚀刻深度和蚀刻时间。可以选择Hbr等作为蚀刻溶液，但不限于此。
参照6，当使用蚀刻溶液首次蚀刻下包层120a时，可以形成均具有第一尺寸的第一绝缘槽R1和第二绝缘槽R2。以下如图7所示，当蚀刻时间增加时，第一绝缘槽R1和第二绝缘槽R2逐渐变大，从而可以彼此连接。因此，可以形成突出部123。由于确定了蚀刻溶液的蚀刻角度，因此可以计算出用于形成突出部的蚀刻时间。
根据实施方式，由于仅通过调节蚀刻溶液的蚀刻速率来形成突出部123，所以可以省略停止蚀刻的蚀刻停止层(例如，砷化铟镓(InGaAs)层)。因此，可以简化外延生长并且可以提高激光效率。
图8是传统的波长可调谐激光器的波长可调谐区的剖视图。图9是图8的修改示例。图10是传统的波长可调谐激光器的增益区的剖视图。图11是图5的修改示例。
参照8，可以在波长可调谐区20的下包层120a上设置单独的蚀刻停止层16。在这种情况下，可以通过将包层蚀刻至蚀刻停止层16然后去除蚀刻停止层16而最终形成绝缘槽21。因此，需要两步的蚀刻。在这种情况下，如图9所示，绝缘槽可以以倒置的台面结构形成。
然而，如图10所示，在单集成结构中，由于增益区10和波长可调谐区20具有相同的外延结构，因此存在的问题是，增益区10不可避免地具有蚀刻停止层16。因而，蚀刻停止层16保留在增益区10中，从而可能导致激光器的特性劣化。此外，可能存在外延制造工艺较复杂的问题。
然而，根据实施方式，由于仅通过调节蚀刻溶液的蚀刻速率来形成控制区域222，因此可以省略停止蚀刻的蚀刻停止层。因此，可以简化外延生长并且可以提高激光效率。
再次参照5，根据实施方式的突出部123的宽度可以在向下方向上变窄。在这种情况下，突出部123的横截面可以是三角形，但不限于此。
具有三角形横截面的突出部123可以包括最靠近下电极15的第一边缘角222a。在这种情况下，第一边缘角222a的第一角度θ1可以是30°至70°。第一边缘角的第一角度θ1和第二角度θ2可以通过蚀刻溶液的蚀刻角度确定。
然而，由于具有蚀刻停止层的传统结构是仅蚀刻部分包层然后再去除蚀刻停止层的结构，所以控制区域222的下表面并不尖锐并且可以具有平坦的表面(图8和9中的B1)。从热效率的观点来看，平坦表面可能并不是有利的。
参照11，根据实施方式的第一绝缘槽211和第二绝缘槽212在下包层120a中可以是并不彼此连接。即，控制区域222的突出部123可以连接到下包层120a。
突出部123可以包括具有在向下方向上变窄的宽度的第一突出部123a和具有在向下方向上变宽的宽度的第二突出部123b。根据上述结构，由于第二突出部123b支撑第一突出部123a，因此可以稳定地驱动控制区域222。具体地，当在第一绝缘槽211和第二绝缘槽212中的每一个上并未设置单独的绝缘材料时，支撑结构可以更有效。
第一突出部123a的面积可以大于第二突出部123b的面积。然而，本发明不限于此，并且第一突出部123a的面积可以小于或等于第二突出部123b的面积。即，第一突出部123a和第二突出部123b的高度和面积可以根据蚀刻溶液的类型而改变。
在突出部123中，具有最大宽度的第一区域W1与具有最小宽度的第二区域W2的宽度之比(W1：W2)可以是1：0.1至1：0.5。具有最大宽度的第一区域W1可以是第一突出部123a的上表面，并且具有最小宽度的第二区域W2可以是位于第一突出部123a与第二突出部123b之间的边界124。
当宽度之比小于1：0.1时，第二区域W2的宽度变得过小，因而可能难以稳定地支撑第一突出部123a。此外，当宽度之比大于1：0.5时，通过第二区域W2的热损失增加。例如，第二区域W2的宽度可以是0.1μm至0.5μm，但是不限于此。
图12是根据本发明的另一实施方式的波长可调谐激光器的平面图。图13是图12在D-D方向的剖视图。图12和图13是示出了当蚀刻时间增加时，反射层的蚀刻区域增加的状态视图。
参照图12和图13，波长可调谐激光器可以包括增益区10和波长可调谐区20。光波导130可以被分类为设置在增益区10处的光波导(以下称为有源光波导)和设置在波长可调谐区20处的光波导(无源光波导)。有源光波导130a和无源光波导130b可以光学连接。例如，有源光波导130a和无源光波导130b可以以集成双波导方式或对接方式彼此连接，但不限于此。
参照图13，波长可调谐区20可以包括：设置在下包层120a上的无源光波导130b、设置在无源光波导130b上的上包层120b、设置在上包层120b上的第三电极23、设置在第三电极23上的电流阻挡层24、设置在电流阻挡层24上的加热器22、和彼此相对设置的第一绝缘槽211和第二绝缘槽212，并且第一绝缘槽211和第二绝缘槽212之间设置有无源光波导130b。
根据实施方式的第一绝缘槽211和第二绝缘槽212可以形成在下包层120a的部分区域。在这种情况下，第一绝缘槽211和第二绝缘槽212在下包层120a中可以并不彼此连接。即，控制区域222的突出部123可以连接至下包层120a。因此，可以根据输入电流来控制折射率。
突出部123可以包括具有在向下方向上变窄的宽度的第一突出部123a和具有在向下方向上变宽的宽度的第二突出部123b。根据上述结构，由于第二突出部123b支撑第一突出部123a，因此可以稳定地驱动控制区域。具体地，当在第一绝缘槽123a和第二绝缘槽123b的每一个上未设置单独的绝缘材料时，支撑结构可以更有效。第一突出部123a和第二突出部123b的高度可以根据蚀刻溶液的类型而改变。
第三电极(驱动电极)23可以设置在上包层120b上。当电流输入至第三电极23和下电极15中时，无源光波导130b的折射率发生改变，因此波长可以被调谐。电流阻挡层24可以设置在第三电极23和加热器22之间。
根据实施方式，可以通过将加热器23的热量施加到控制区域222以改变无源光波导130b的折射率来调谐波长，并且还可以通过输入电流来改变无源光波导130b的折射率来调谐波长。
即，为了调谐波长，可以将电流输入到第三电极23或者可以将电压施加到加热器22。根据实施方式，在热施加方式中，可以仅控制加热器22以控制波长，并且在电流施加方式中，电流可以输入到第三电极23以控制波长。
然而，本发明不限于此，并且可以通过将电压施加到加热器22并且将电流输入到第三电极23来同时施加热量和电流。在这种情况下，由于可以通过热量和电流控制折射率，波长的可调谐范围可能会增加。
在突出部123中，具有最大宽度的第一区域W1与具有最小宽度的第二区域W2之间的宽度之比(W1：W2)可以是1：0.1至1：0.5。当该宽度之比小于1：0.1时，第二区域W2的宽度变得过小，因此可能难以稳定地支撑第一突出部123a。此外，当施加第三电极23的电流时，第二区域W2的宽度变得过小并且因此电阻增加。
当该宽度之比大于1：0.5时，通过第二区域W2的热损失增加。例如，为了使波导模(waveguide mode)不受绝缘槽的影响，第一区域W1可以为约10μm或以上。此外，第二区域124的宽度可以为0.1μm至0.5μm，但是不限于此。
尽管主要参考本发明的实施方式描述了上述实施方式，但是以上描述仅是示例性的，并且应当理解的是本领域技术人员可以在实施方式的原理内进行各种修改和应用。例如，可以修改实施方式中具体示出的元件。此外，与修改和改变相关的不同之处应该理解为包括在权利要求书中限定的本发明的范围内。

Claims (6)

1.波长可调谐激光器，包括：
增益区；和
波长可调谐区，
其中，所述波长可调谐区包括
下包层；
无源光波导，设置在所述下包层上；
上包层，设置在所述无源光波导上；
驱动电极，设置在所述上包层上；
电流阻挡层，设置在所述驱动电极上；
加热器，设置在所述电流阻挡层上；和
彼此相对设置的第一绝缘槽和第二绝缘槽，并且所述第一绝缘槽和所述第二绝缘槽之间设置有所述无源光波导；
其中，所述下包层包括通过所述第一绝缘槽和所述第二绝缘槽之间的连接而形成的突出部；
其中，在所述突出部中，具有最大宽度的第一区域与具有最小宽度的第二区域的宽度之比为1：0.1至1：0.5；
其中，当通过所述驱动电极输入电流或通过所述加热器输入热量时，所述无源光波导的折射率发生改变。
2.根据权利要求1所述的波长可调谐激光器，其中，
所述突出部具有第一突出部，所述第一突出部的宽度沿第二方向变窄，其中所述第二方向为所述上包层到所述下包层的方向。
3.根据权利要求2所述的波长可调谐激光器，其中，
所述突出部具有第二突出部，所述第二突出部的宽度沿所述第二方向变宽。
4.根据权利要求3所述的波长可调谐激光器，其中，
所述第二突出部设置在所述第一突出部下方。
5.根据权利要求4所述的波长可调谐激光器，其中，
所述第一突出部的面积大于所述第二突出部的面积。
6.波长可调谐激光器，包括：
增益区；和
波长可调谐区，
其中，所述波长可调谐区包括
下包层；
无源光波导，设置在所述下包层之间；
上包层，设置在所述无源光波导上；
加热器，设置在所述上包层上；和
第一绝缘槽和第二绝缘槽，设置在所述下包层上，
所述第一绝缘槽和第二绝缘槽彼此相对设置，并且在所述第一绝缘槽和所述第二绝缘槽之间设置有所述无源光波导，
所述下包层包括通过所述第一绝缘槽和所述第二绝缘槽之间的连接而形成的突出部，以及
所述突出部的宽度在远离所述无源光波导的方向上变窄；
其中，突出部的横截面是三角形；
其中，所述突出部的第一边缘角的角度为50°至70°。
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