CN111600198B - 一种通讯用超大功率激光器及其制备方法 - Google Patents

一种通讯用超大功率激光器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种通讯用超大功率激光器及其制备方法，激光器包括基板，所述基板上设置有高光子密度相移光栅结构层，高光子密度相移光栅结构层上方自下至上依次覆盖第二包层、有源层、第三包层和接触层，接触层上覆盖p‑金属电极层，基板下表面镀有n‑金属电极层；采用底部光栅结构及高光子密度相移光栅设计，来增加光子密度与光子分布均匀性以满足硅光子集成方案中激光器光功率70mW以上的超大光功率输出要求。

Description

一种通讯用超大功率激光器及其制备方法
技术领域
本发明属于通讯用半导体激光器技术领域，具体涉及一种通讯用超大功率激光器及其制备方法。
背景技术
随着人工智能，量子计算和5G网络的应用普及，通讯网络的容量需求呈现爆炸式增长。尤其在疫情期间，全球视频会议，在线教育和无线通讯等应用都出现井喷式增长。这些应用的实现都仰仗于数据中心的光网络传输容量支撑。目前数据中心光网络采用的是以传统超高速25G直调激光器为光源的100G光模块。随着数据中心容量的快速扩容，数据中心的光网络将向400G，800G及1.6T技术方案迁移。传统直调式光模块方案在400G以上的光网络应用中面临着巨大挑战，其核心瓶颈是直调式激光器的调制速率很难进一步提升。而硅光子集成技术由于其可将光学器件与电器件整合到一个独立的芯片单元中，光芯片只负责提供信号光源，把高速调制功能从激光器中分离到硅基光波导中，硅基光波导的调制速率非常容易提高到100G以上，从而解决直调激光器的高速调制瓶颈。此外硅光子集成方案还具备低功耗、高速率、体积小等诸多优势，已成为目前400G以上光网络的主流解决方案。根据权威机构预测，到2025年硅光模块市场容量将达到40亿美元，占整个光模块市场的30％以上。
在硅光子集成方案中，硅基波导及硅基电路工艺已经非常成熟，其工艺核心在于光源激光器与硅基波导间的键合与硅基波导制造。键合工艺及硅基光波导制造引起中的损耗会直接影响硅光集成模块中的光路集成密度，最终影响单一光模块的传输容量。如果光源激光器可以提供足够大的光功率就可提高键合工艺的容错空间，降低硅基波导的损耗要求，从而增加单一模块中的光路集成密度，则可以实现单一模块400G以上的传输容量。目前硅光集成方案中的超大功率激光器的成本约占整个硅光集成模块的40％，且其技术完全被美国及日本公司垄断。本发明开发的超大功率激光器可实现硅光集成方案的国产化批量生产，摆脱硅光子技术的进口依赖，推动国内5G网络的快速部署。
发明内容
针对通讯用超大功率激光器，本发明采用底部光栅结构及高光子密度相移光栅设计，来增加光子密度与光子分布均匀性以满足硅光子集成方案中激光器光功率70mW以上的超大光功率输出要求。
一种通讯用超大功率激光器，包括基板，基板上设置有高光子密度相移光栅结构层，高光子密度相移光栅结构层上方自下至上依次覆盖第二包层、有源层、第三包层和接触层，接触层上覆盖p-金属电极层，基板下表面镀有n-金属电极层；高光子密度相移光栅结构层由衍射光栅层及第一包层和衍射光栅层经过相移光栅制作后形成，高光子密度相移光栅结构层包括在水平方向依次设置的第一均匀光栅、相位移光栅和第二均匀光栅，相位移光栅设置在第一均匀光栅和第二均匀光栅之间，相位移光栅的位置比例Rp的取值范围为0.2～0.8，
Figure BDA0002509497650000021
L1为第一均匀光栅的长度，L2为第二均匀光栅的长度。
进一步的，相位移光栅的周期Wp为1*Λ～2*Λ，Λ为高光子密度相移光栅结构层的周期。
进一步的，衍射光栅层的材料为In1-xGaxAsyP1-y，x的取值范围是0.05～0.6，y的取值范围是0.05～0.95。
进一步的，衍射光栅层的厚度Dg为10nm～100nm，第一包层的厚度Dc为5nm～1um，第二包层厚度Db为10nm～500nm。
进一步的，衍射光栅层的厚度Dg为50nm；第一包层厚度Dc为100nm；第二包层的厚度Db为100nm。
进一步的，激光器一端镀有抗反射镀膜层，另一端镀有高反射镀膜层。
一种上述的一种通讯用超大功率激光器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在基板上沉积衍射光栅层和第一包层；
步骤2、使用通用相移光刻技术，将高光子密度相移光栅图案转印至第一包层上方，然后通过光栅刻蚀技术，刻蚀第一包层和衍射光栅层，形成高光子密度相移光栅结构层；
步骤3、使用金属有机化学气相沉积法在高光子密度相移光栅结构层上依次沉积第二包层、有源层、第三包层和接触层；其中第二包层的材料为InP，接触层材料为InGaAs，本步骤完成后得到晶圆；
步骤4、首先使用通用光刻技术在晶圆上方形成波导结构，然后在波导结构表面形成一层绝缘层，之后去除波导上表面的绝缘层，露出接触层，然后在接触层与绝缘层上方形成p-金属电极层，之后将基板背面减薄抛光，并在基板背面镀上n-金属电极层，然后切割晶圆，得到多个通讯用超大功率激光器芯片。
进一步的，步骤4中，切割晶圆后，在切割后的产品一端镀抗反射镀膜层，另一端镀上高反射镀膜层。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明通过优化激光器在平行激光器波导方向的光子密度及分布，以及垂直激光器波导方向的光子密度及分布来实现超大光功率输出的要求。
在平行于激光器波导方向上：通过调整相移光栅的宽度及相移光栅延波导方向的位置来改变光子相位与光子分布来实现提高激光器横向光子密度的目的；调整相移光栅的宽度可以改变激光器波导中横向的折射率分布，从而影响光子密度的分布及光子相位，避免出现局部的烧孔现象，实现提高激光器的横向光子密度增加的目的。
而在垂直于激光器波导方向上：通过调整衍射光栅层相对于有源区的位置、衍射光栅层的材料组分及衍射光栅层、第一包层、第二包层的厚度来改变光子强度、损耗与分布来实现增加激光器垂直激光器波导方向的光子密度的目的。通过调整上述层的厚度及位置可以改变激光器波导纵向的折射率分布，从而影响光场在有源区的分布比例从而实现增加光子密度的目的。
本发明所述的方法，利用现有的成熟工艺，制备出具有超大光功率输出的激光器，实现方法简单，不增加额外的制造成本，便于新的结构得到推广应用。
附图说明
图1为本发明激光器的结构示意图；
图2为本发明传统顶部光栅结构的激光器示意图；
图3a为衍射光栅层及第一包层生长工艺图；
图3b为高光子密度相移光栅制作工艺图；
图3c为第二包层、有源层、第三包层及接触层再生长工艺图；
图4为衍射光栅层及第一包层厚度示意图；
图5为高光子密度相移光栅周期、相移比例示意图；
图6为第二包层厚度示意图；
图7a为衍射光栅层不同生长位置光功率图；
图7b为光栅衍射层材料In1-xGaxAsyP1-y不同组分光功率图；
图7c为不同Dg厚度光功率图；
图7d为不同Rp比例光功率图。
附图中：10-基板，11-衍射光栅层，12-第一包层，13-第二包层，14-有源层，15-第三包层，16-接触层，17-p-金属电极，18-n-金属电极，20-高光子密度相移光栅结构层，21-抗反射镀膜层，22-高反射镀膜层，201、第一均匀光栅，202、相位移光栅，203、第二均匀光栅。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的通讯用超大功率激光器结构如图1所示：包括基板10、高光子密度相移光栅结构层20、第二包层13、有源层14、第三包层15、接触层16、p-金属电极层17、n-金属电极层18、抗反射镀膜层21和高反射镀膜层22。
基板10上设置有高光子密度相移光栅结构层20，高光子密度相移光栅结构层20上方自下至上依次覆盖第二包层13、有源层14、第三包层15和接触层16，接触层16上覆盖p-金属电极层17，基板10下表面镀有n-金属电极层18；激光器一端镀有抗反射镀膜层21，另一端镀有高反射镀膜层22。
高光子密度相移光栅结构层20由衍射光栅层及第一包层12和衍射光栅层11经过相移光栅制作后形成，高光子密度相移光栅结构层20包括在水平方向依次设置的第一均匀光栅201、相位移光栅202和第二均匀光栅203，相位移光栅设置在第一均匀光栅201和第二均匀光栅203之间。
如图4所示，衍射光栅层11的材料为In1-xGaxAsyP1-y，材料组分x的取值范围是0.05～0.6，最佳值x＝0.33，y的取值范围是0.05～0.95，最佳值y＝0.75；衍射光栅层11的厚度Dg取值范围为10nm～100nm，衍射光栅层的厚度Dg的最佳值为50nm；第一包层12的材料为InP，第一包层12厚度Dc的取值范围为5nm～1um，第一包层12厚度Dc的最佳值为100nm；第二包层厚度Db取值范围为10nm～500nm。
如图5所示，高光子密度相移光栅结构层20的周期Λ的取值范围是190nm～300nm；相位移光栅的周期Wp的取值范围为1*Λ～2*Λ，最佳值Wp＝1.5*Λ；相移光栅的位置比例
Figure BDA0002509497650000061
的取值范围为0.2～0.8，最佳值Rp＝0.5；L1为第一均匀光栅201的长度，L2为第二均匀光栅203的长度。
如图6所示，第二包层13的材料为InP，其厚度Db取值范围是10nm～500nm，最佳值Db＝100nm。
在本发明的实施例：
实施例1：光栅层设置于有源层下方(底部光栅)，光栅衍射层材料In1-xGaxAsyP1-y中，x＝0.33，y＝0.75；衍射光栅层厚度Dg＝50nm；第一包层厚度Dc＝100nm；第二包层厚度Db＝100nm；相位移光栅宽度Wp＝1.5*Λ；相移位光栅的位置比例Rp＝0.5。参照图7a，与传统的顶部光栅(光栅层放置于有源层上方，见图2)相比，其输出光功率增加40％，完全满足硅光子集成方案对激光器70mW以上输出功率的需求。
实施例2：采用底部光栅结构，光栅衍射层材料In1-xGaxAsyP1-y中，x＝0.07，y＝0.15；衍射光栅层厚度Dg＝50nm；第一包层厚度Dc＝100nm；第二包层厚度Db＝100nm；相移光栅宽度Wp＝1.5*Λ；相移光栅的位置比例Rp＝0.5。
实施例3：如图7a所示，采用底部光栅结构，光栅衍射层材料组分In1-xGaxAsyP1-y中，x＝0.55，y＝0.85；衍射光栅层厚度Dg＝50nm；第一包层厚度Dc＝100nm；第二包层厚度Db＝100nm；相移光栅宽度Wp＝1.5*Λ；相移光栅的位置比例Rp＝0.5。
图7b是不同光栅衍射层材料组分激光器输出光功率曲线，三种组分都可以实现70mW以上输出功率的需求，但最优值为x＝0.33，y＝0.75；
实施例4：如图7a所示，采用底部光栅结构，光栅衍射层材料组分In1-xGaxAsyP1-y中，x＝0.33，y＝0.75；衍射光栅层厚度Dg＝10nm；第一包层厚度Dc＝100nm；第二包层厚度Db＝100nm；相移光栅宽度Wp＝1.5*Λ；相移光栅的位置比例Rp＝0.5；
实施例5：如图7a所示，采用底部光栅结构，光栅衍射层材料组分In1-xGaxAsyP1-y中，x＝0.33，y＝0.75；衍射光栅层厚度Dg＝90nm；第一包层厚度Dc＝100nm；第二包层厚度Db＝100nm；相移光栅宽度Wp＝1.5*Λ；相移光栅的位置比例Rp＝0.5。
图7c是不同光栅衍射层厚度的激光器输出光功率曲线，三种厚度都可以实现70mW以上输出功率的需求，但最优值为Dg＝50nm；
实施例6：如图7a所示，采用底部光栅结构，光栅衍射层材料组分In1-xGaxAsyP1-y中，x＝0.33，y＝0.75；衍射光栅层厚度Dg＝50nm；第一包层厚度Dc＝100nm；第二包层厚度Db＝100nm；相移光栅宽度Wp＝1.5*Λ；相移光栅的位置比例Rp＝0.25。
实施例7：如图7a所示，采用底部光栅结构，光栅衍射层材料组分In1-xGaxAsyP1-y中，x＝0.33，y＝0.75；衍射光栅层厚度Dg＝50nm；第一包层厚度Dc＝100nm；第二包层厚度Db＝100nm；相移光栅宽度Wp＝1.5*Λ；相移光栅的位置比例Rp＝0.75。
图7d是相移光栅的位置比例的激光器输出光功率曲线，三种比例都可以实现70mW以上输出功率的需求，但最优值为Rp＝0.5。
参照图3a至图3c，本发明的通讯用超大功率激光器的制造方法，包括以下工序：
工序一：使用MOCVD(金属有机化学气相沉积)的方法在InP衬底(即基板10)上沉积衍射光栅层11和第一包层12，沉积衍射光栅层11所用的材料为In1-xGaxAsyP1-y；其中x的取值范围是0.05～0.6，y的取值范围是0.05～0.95，衍射光栅层的厚度Dg的取值范围为10nm～100nm；第一包层12的材料是InP，第一包层厚度Dc的取值范围为5nm～1μm；
工序二，使用通用相移光刻技术，将高光子密度相移光栅图案转印至工序一完成的第一包层12上方，然后通过光栅刻蚀技术，刻蚀第一包层12与衍射光栅层11，形成高光子密度相移光栅结构层20，高光子密度相移光栅结构层20包括在水平方向依次设置的第一均匀光栅201、相位移光栅202和第二均匀光栅203，相位移光栅设置在第一均匀光栅201和第二均匀光栅203之间。其中，高光子密度相移光栅结构层20周期Λ的取值范围是190nm～300nm，相移光栅202的宽度Wp为1*Λ～2*Λ，相移光栅的位置比例
Figure BDA0002509497650000081
的取值范围为0.2～0.8；
工序三，使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在高光子密度相移光栅上依次沉积第二包层13、有源层14、第三包层15和接触层16；其中第二包层15的材料为InP，其厚度Db取值范围是10nm～500nm，接触层16材料为InGaAs，本工序完成后得到晶圆；
工序四，在工序三后，首先使用通用光刻技术在晶圆上方形成波导结构，然后在其表面使用PECVD(等离子体化学气相沉积)形成一层绝缘层，之后再用刻蚀方法去除波导上表面的绝缘层，露出接触层16，然后在接触层16与绝缘层上方形成p-金属电极层17，之后将基板10背面减薄抛光至100um，并镀上n-金属电极层18；晶圆经过切割后，一端镀抗反射镀膜层21，另一端镀上高反射镀膜层20，至此，工艺完成，得到通讯用超大功率激光器芯片。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种通讯用超大功率激光器，其特征在于，包括基板（10），所述基板（10）上设置有高光子密度相移光栅结构层（20），高光子密度相移光栅结构层（20）上方自下至上依次覆盖第二包层（13）、有源层（14）、第三包层（15）和接触层（16），所述接触层（16）上覆盖p-金属电极层（17），所述基板（10）下表面镀有n-金属电极层（18）；
所述高光子密度相移光栅结构层（20）由第一包层（12）和衍射光栅层（11）经过相移光栅制作后形成，所述高光子密度相移光栅结构层（20）包括在水平方向依次设置的第一均匀光栅（201）、相位移光栅（202）和第二均匀光栅（203），所述相位移光栅（202）设置在第一均匀光栅（201）和第二均匀光栅（203）之间，所述相位移光栅（202）的位置比例Rp的取值范围为0.2~0.8，Rp=L1/L2；L1为第一均匀光栅（201）的长度，L2为第二均匀光栅（203）的长度；
所述相位移光栅（202）的周期Wp为1*Λ~2*Λ，Λ为高光子密度相移光栅结构层（20）的周期。
2.根据权利要求1所述的一种通讯用超大功率激光器，其特征在于，所述衍射光栅层（11）的材料为In1-xGaxAsyP1-y，x的取值范围是0.05~0.6，y的取值范围是0.05~0.95。
3.根据权利要求1所述的一种通讯用超大功率激光器，其特征在于，所述衍射光栅层（11）的厚度Dg为10nm~100nm，第一包层（12）的厚度Dc为5nm~1um，第二包层（13）厚度Db为10nm~500nm。
4.根据权利要求3所述的一种通讯用超大功率激光器，其特征在于，所述衍射光栅层的厚度Dg为50nm；第一包层（12）厚度Dc为100nm；第二包层（13）的厚度Db为100nm。
5.根据权利要求1所述的一种通讯用超大功率激光器，其特征在于，所述激光器一端镀有抗反射镀膜层（21），另一端镀有高反射镀膜层（22）。
6.一种权利要求1所述的一种通讯用超大功率激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在基板（10）上沉积衍射光栅层（11）和第一包层（12）；
步骤2、使用通用相移光刻技术，将高光子密度相移光栅图案转印至第一包层（12）上方，然后通过光栅刻蚀技术，刻蚀第一包层（12）和衍射光栅层（11），形成高光子密度相移光栅结构层（20）；
步骤3、使用金属有机化学气相沉积法在高光子密度相移光栅结构层（20）上依次沉积第二包层（13）、有源层（14）、第三包层（15）和接触层（16）；其中第二包层（15）的材料为InP，接触层（16）材料为InGaAs，本步骤完成后得到晶圆；
步骤4、首先使用通用光刻技术在晶圆上方形成波导结构，然后在波导结构表面形成一层绝缘层，之后去除波导上表面的绝缘层，露出接触层（16），然后在接触层（16）与绝缘层上方形成p-金属电极层（17），之后将基板（10）背面减薄抛光，并在基板（10）背面镀上n-金属电极层（18），然后切割晶圆，得到多个通讯用超大功率激光器芯片。
7.根据权利要求6所述的一种通讯用超大功率激光器的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，切割晶圆后，在切割后的产品一端镀抗反射镀膜层（21），另一端镀上高反射镀膜层（20）。
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