CN111711071A - 可调谐激光器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种可调谐激光器及其制作方法，所述可调谐激光器包括位于同一衬底上、等高且贴合的增益区和分布式布拉格反射区；其中，增益区和分布式布拉格反射区，分别为双台脊波导结构，包括下台脊波导和上台脊波导；所述增益区的下台脊波导和分布式布拉格反射区的下台脊波导分别自下而上依次包括光斑放大层、间隔层和有源层；所述增益区的上台脊波导和分布式布拉格反射区的上台脊波导分别自下而上包括包层和盖层；其中，所述增益区的上台脊波导为楔形波导；所述分布式布拉格反射区的上台脊波导为侧壁光栅波导。本发明的可调谐激光器在实现波长调谐的功能的同时可以放大激光器端面的光斑尺寸，提高激光器与光纤的耦合效率。

Description

可调谐激光器及其制作方法
技术领域
本发明涉及光电子器件领域，尤其涉及一种可调谐激光器及其制作方法。
背景技术
激光作为20世纪以来继计算机和半导体之后的又一伟大发明，具有亮度高、方向性好、相干强等优点。长距离、超长距离、高速、超高速、超大容量的光纤通信系统是现代信息社会发展的需要。无论是长途通信的干线网、广域网，还是短途通信的局域网、接入网、短途数据联接光交换等都需要大量的高性能、低成本的光电子器件来支撑光网络的功能。与其它激光器比，半导体激光器具有体积小，效率高、寿命长、可批量生产、可直接调制、可单片集成等优点，引起了国内外学者的广泛的研究。
可调谐激光器是光通信波分复用系统的重要器件之一，有助于减少系统筹建和维护的投入。可调谐激光器的使用可以实现WDM-PON网络化中的光网络单元无色化，有利于简化系统，降低系统成本。DBR可调谐激光器一般包括增益区、相位区区和分布式布拉格反射区(DBR区)三部分。通过改变DBR区的注入电流，DBR区波导的有效折射率发生改变，从而实现对激光器工作波长的调谐。对相位区加载电流，可以调节相位，实现激光器的连续调谐。传统的DBR激光器采用掩埋光栅，这种方案不仅需要增加外延生长次数，影响成品率，还对有源层的材料选择有一定的限制性。采用表面耦合光栅结构可以减少外延生长次数，简化工艺步骤，降低制作成本。
半导体有源器件不对称的外延结构和较大的折射率差，造成了有源器件端面具有小而椭圆的近场分布。当半导体有源器件的光直接耦合进入光纤或者光纤传输的光耦合进入半导体有源器件时，由于光纤和半导体有源器件的模场不匹配，耦合损耗可能高达10dB。借助透镜或者拉锥光纤可以提高他们之间的耦合效率，然而这些方案仍然具有模场不匹配的问题。这些方案只能改变模场的大小却不能改变模场的形状，同时对准容差小，这无疑增加了封装成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种可调谐激光器及其制作方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
作为本发明的一个方面，提供一种可调谐激光器，包括位于同一衬底上、等高且贴合的增益区和分布式布拉格反射区；其中，
增益区和分布式布拉格反射区，分别为双台脊波导结构，包括下台脊波导和上台脊波导；
所述增益区的下台脊波导和分布式布拉格反射区的下台脊波导分别自下而上依次包括光斑放大层、间隔层和有源层；所述增益区的上台脊波导和分布式布拉格反射区的上台脊波导分别自下而上包括包层和盖层；其中，
所述增益区的上台脊波导为楔形波导；
所述分布式布拉格反射区的上台脊波导为侧壁光栅波导。
作为本发明的另一个方面，还提供一种可调谐激光器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上依次外延生长光斑放大层、间隔层、有源层、包层和盖层；
步骤2：将包层和盖层制作为上台脊波导，包括增益区的楔形波导和分布式布拉格反射区的侧壁光栅波导；
步骤3：将有源层、间隔层和光斑放大层制作为增益区和分布式布拉格反射区的下台脊波导。
从上述技术方案中可以看出，本发明相较于现有技术，至少具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：
传统分布式布拉格反射(DBR)激光器采用掩埋光栅结构，需要多次外延生长，这对外延片洁净度和外延层材料有很高的要求，分布式布拉格反射区的上台脊波导采用侧壁光栅波导，可以减少外延生长的次数以提高成品率，降低成本；分布式布拉格反射区的侧壁光栅一方面可以为激光器的增益区提供必要的光反馈，同时对DBR区加载电流调制后，可改变激光器的输出波长，实现波长调谐作用；激光器的上台脊波导中的增益区楔形波导部分既可以保证激光器的基横模工作，又可以降低上台脊波导的有效折射率，在波导宽度逐渐变窄的过程中，光场逐渐从上台脊波导耦合进入下方的宽台的下台脊波导，光斑尺寸得到放大，功率密度降低，提高了激光器光学灾变损伤(Catastrophic Optical Damage，COD)的阈值，有利于激光器在大功率情况下工作；在远场缩减层和楔形波导的共同作用下，光场耦合到下台脊波导，减小了光场与有源层和p型包层的交叠，从而减小了掺杂引起的吸收损耗，增大了激光器的输出功率；同时激光器的远场发散角减小，提高了激光器与光纤的耦合效率，降低了封装成本；
有源层可以采用具有更大导带偏移量(ΔEc＝0.72ΔEg，其中，ΔEc指InP材料和InGaAlAs材料导带的能量差值；ΔEg指InP材料和InGaAlAs材料禁带宽度的能量差)的InGaAlAs材料，该材料对电子限制能力更强，有利于增大激光器的输出功率和调制带宽，同时该材料的激光器线宽更窄；
感应耦合等离子体刻蚀(Inductively Coupled Plasma，ICP)刻蚀上台脊波导结构时，有源层的InGaAlAs材料可作为干法刻蚀的刻蚀停止层，可以保证干法刻蚀深度的均匀性。
附图说明
图1为本发明实施例1的可调谐激光器制作方法流程示意图；
图2为本发明实施例1的步骤1形成的层结构示意图；
图3为本发明实施例1的步骤2形成的层结构示意图；
图4为本发明实施例1的步骤4形成的层结构示意图；
图5为本发明实施例1的步骤4形成的层结构立体示意图；
图6为本发明实施例1的步骤6形成的层结构立体示意图；
图7为本发明实施例1的可调谐激光器示意图；
图8为本发明实施例1的侧壁光栅波导的光栅结构示意图。
以上附图中，附图标记含义如下：
1：n型InP衬底；2：n型InP缓冲层；3：光斑放大层；4：InP间隔层；5：InGaAlAs有源层；6：InP牺牲层；7：p型InP包层；8：InGaAs盖层；9：SiO2层；10：SiO2钝化层；11：Ti/Au正面电极层；12：AuGeNi/Au背面电极层。
具体实施方式
本发明涉及一种分布布拉格发射器(Distributed Bragg Reflector，DBR)半导体激光器(DBR-LD)的制作方法。本发明提供一种可调谐激光器，本发明的可调谐激光器在实现波长调谐的功能的同时可以放大激光器端面的光斑尺寸，提高激光器与光纤的耦合效率。
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。
作为本发明的一个方面，提供一种可调谐激光器，包括位于同一衬底上、等高且贴合的增益区和分布式布拉格反射区；其中，
增益区和分布式布拉格反射区，分别为双台脊波导结构，包括下台脊波导和上台脊波导；
增益区的下台脊波导和分布式布拉格反射区的下台脊波导分别自下而上依次包括光斑放大层、间隔层和有源层；增益区的上台脊波导和分布式布拉格反射区的上台脊波导分别自下而上包括包层和盖层；其中，
增益区的上台脊波导为楔形波导；
分布式布拉格反射区的上台脊波导为侧壁光栅波导。
在本发明的实施例中，可调谐激光器还包括位于衬底上的相位区，相位区等高且贴合的位于增益区和分布式布拉格反射区之间；
相位区为双台脊波导结构，包括下台脊波导和上台脊波导；
相位区的下台脊波导自下而上依次包括光斑放大层、间隔层和有源层；相位区的上台脊波导自下而上包括包层和盖层；其中，相位区的上台脊波导为直波导。
在本发明的实施例中，在盖层的增益区、相位区和分布式布拉格反射区之间分别具有电隔离沟，用于各区间的电隔离。
在本发明的实施例中，可调谐激光器还包括正面电极和背面电极，正面电极形成于增益区、相位区、分布式布拉格反射区的盖层上；背面电极形成于衬底的背面。
在本发明的实施例中，增益区、相位区、分布式布拉格反射区的光斑扩大层为远场缩减层或者稀释波导层。
在本发明的实施例中，光斑放大层可以选用远场缩减层实现其功能，但并不局限于此，在本发明的其他实施例中，光斑放大层还可以选用稀释波导层。
更为具体的，在本发明的实施例中，当光斑放大层选用远场缩减层时，远场缩减层的厚度相对于激光器的其他外延层厚度要薄。当远场缩减层选用InGaAsP材料时，厚度为40～60nm；且InGaAsP材料折射率相比其他外延层材料(除InP材料外)折射率要小。
在本发明的其他实施例中，当光斑放大层选用稀释波导层时，稀释波导层采用60nm厚的InGaAsP层和300nm厚的InP层交替生长3～5个周期。
在本发明的实施例中，分布式布拉格反射区和相位区的有源层采用P离子诱导的量子阱混杂方法形成。
在本发明的实施例中，增益区、相位区、分布式布拉格反射区的下台脊波导可以为直波导，但并不局限于此，还可以为楔形波导或者梯形波导；只要增益区、相位区、分布式布拉格反射区的下台脊波导的最小宽度大于增益区、相位区、分布式布拉格反射区的上台脊波导的最大宽度即可。但是，出于实际加工工艺的考虑，本发明的优选实施例的增益区、相位区、分布式布拉格反射区的下台脊波导采用直波导。
在本发明的实施例中，分布式布拉格反射区的侧壁光栅波导的宽度在长度方向上周期性变化；
相位区的直波导的宽度在长度方向上不变。
增益区的楔形波导的宽度沿远离分布式布拉格反射区的方向上逐渐缩小。
作为本发明的另一个方面，还提供一种可调谐激光器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上依次外延生长光斑放大层、间隔层、有源层、包层和盖层；
步骤2：将包层和盖层制作为上台脊波导，包括增益区的楔形波导和分布式布拉格反射区的侧壁光栅波导；
步骤3：将有源层、间隔层和光斑放大层制作为增益区和分布式布拉格反射区的下台脊波导。
在本发明的实施例中，步骤2中，将包层和盖层制作为上台脊波导，包括增益区的楔形波导、相位区的直波导和分布式布拉格反射区的侧壁光栅波导。
在本发明的实施例中，步骤2中，采用感应耦合等离子体刻蚀，在包层和盖层上形成上台脊波导；
其中，刻蚀气氛为CH4/H2/O2，有源层的材料为InGaAlAs，有源层作为干法刻蚀上台脊波导的刻蚀停止层。
在本发明的实施例中，步骤3中，将有源层、间隔层和光斑放大层制作为增益区、相位区和分布式布拉格反射区的下台脊波导。
在本发明的实施例中，步骤3之后，还包括步骤4和步骤5：
步骤4：在盖层上制作正面电极；
步骤5：在衬底背面制作背面电极。
在本发明的实施例中，步骤1包括如下子步骤：
子步骤1.1：在衬底上依次外延生长光斑放大层、间隔层、有源层和牺牲层；
子步骤1.2：向相位区和分布式布拉格反射区的牺牲层上注入P离子；
子步骤1.3：快速退火处理；
子步骤1.4：采用湿法腐蚀去除牺牲层；
子步骤1.5：依次外延生长包层和盖层。
在本发明的实施例中，在进行步骤1之后、步骤2之前，还包括在盖层上制作电隔离沟，并向电隔离沟内注入He离子的步骤。
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。
实施例1
本发明提供一种可调谐激光器的制作方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1：在n型InP衬底1上通过金属有机化学气相沉积方法(Metal-organicChemical Vapor Desposition，MOCVD)外延生长n型InP缓冲层2(500nm厚)、光斑放大层3、InP间隔层4(1.5～2.5μm厚)、InGaAlAs有源层5(包括InAlAs上下限制层和InGaAlAs量子阱层，200nm～300nm厚)和InP牺牲层6(300nm厚)，如图2；
其中，光斑放大层3为远场缩减层，40～60nm厚的InGaAsP层形成；
步骤2：采用离子注入设备在DBR区和相位区的InP牺牲层6中注入P离子，引入大量点缺陷，快速热退火使点缺陷向InGaAlAs有源层5移动，促进InGaAlAs有源层5的量子阱及量子垒中元素互扩散，使其发光波长变短，从而光可以在DBR区和相位区低损耗的传输；而增益区中由于没有离子注入，InGaAlAs有源层5发光波长不变，如图3；
步骤3：利用MOCVD大面积二次外延生长p型InP包层7(1.5μm厚)和InGaAs盖层8(200nm厚)；
步骤4：利用等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，PECVD)生长SiO2层9，在增益区与相位区，相位区与分布式布拉格反射区(DBR区)之间定义电隔离沟，湿法腐蚀去除隔离区的InGaAs盖层8，采用离子注入设备向电隔离沟注入He离子，增大该区域的电阻，从而避免了由于电流注入而带来不同区域的电学串扰问题，如图4和图5；使用氢氟酸腐蚀去除剩余SiO2层9；
步骤5：利用电子束曝光定义出激光器的上台脊波导，包括增益区的楔形波导(宽度由2.5μm逐渐减小到端面0.5μm，500μm长)、相位区的直波导(2.5μm宽，100μm长)和分布式布拉格反射区的侧壁光栅波导(光栅周期长度203nm，光栅侧向深度500nm，总宽度2.5μm，占空比1∶1，光栅区长度300μm，如下图8所示)；通过感应耦合等离子体刻蚀(InductivelyCoupled Plasma，ICP)将上台脊波导图案转移到SiO2掩壁层上，再次利用ICP刻蚀去除未被保护的InGaAs盖层8和InP包层7，其中ICP刻蚀气氛采用CH4/H2/O2，由于O2的引入，当ICP刻蚀至InGaAlAs有源层5后，Al元素与O元素反应生成钝化层，刻蚀速率大大减慢，从而可以保证ICP刻蚀上台脊波导时增益区和DBR区的深度均匀性和侧壁光栅波导陡直性；通过RIE打氧和氢氟酸腐蚀液分别去除覆盖在上台脊波导顶层的剩余光刻胶和SiO2掩壁层；
步骤6：利用InGaAlAs有源层5，InP间隔层4和光斑放大层3制作激光器的下台脊波导，脊宽10μm，如图6；
步骤7：PECVD生长SiO2钝化层10激光器，自对准工艺腐蚀去除上台脊波导的SiO2钝化层10后利用磁控溅射生长Ti/Au正面电极层11；
步骤8：将n型InP衬底1减薄后抛光；
步骤9：利用磁控溅射生长AuGeNi/Au背面电极层12，如图7。
实施例2
本实施例2与实施例1的制备方法相同，其不同点在于本实施例2的光斑放大层3为稀释波导层，采用60nm厚的InGaAsP层和300nm厚的InP层交替生长3～5个周期形成。
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)

1.一种可调谐激光器，其特征在于，包括位于同一衬底上、等高且贴合的增益区和分布式布拉格反射区；其中，
增益区和分布式布拉格反射区，分别为双台脊波导结构，包括下台脊波导和上台脊波导；
所述增益区的下台脊波导和分布式布拉格反射区的下台脊波导分别自下而上依次包括光斑放大层、间隔层和有源层；所述增益区的上台脊波导和分布式布拉格反射区的上台脊波导分别自下而上包括包层和盖层；其中，
所述增益区的上台脊波导为楔形波导；
所述分布式布拉格反射区的上台脊波导为侧壁光栅波导。
2.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于，所述可调谐激光器还包括位于所述衬底上的相位区，所述相位区等高且贴合的位于所述增益区和分布式布拉格反射区之间；
所述相位区为双台脊波导结构，包括下台脊波导和上台脊波导；
所述相位区的下台脊波导自下而上依次包括光斑放大层、间隔层和有源层；所述相位区的上台脊波导自下而上包括包层和盖层；其中，所述相位区的上台脊波导为直波导。
3.根据权利要求2所述的可调谐激光器，其特征在于，在所述盖层的增益区、相位区和分布式布拉格反射区之间分别具有电隔离沟，用于各区间的电隔离。
4.根据权利要求3所述的可调谐激光器，其特征在于，所述可调谐激光器还包括正面电极和背面电极，所述正面电极形成于所述增益区、相位区、分布式布拉格反射区的盖层上；所述背面电极形成于所述衬底的背面。
5.根据权利要求4所述的可调谐激光器，其特征在于，所述增益区、相位区、分布式布拉格反射区的光斑扩大层为远场缩减层或者稀释波导层。
6.根据权利要求5所述的可调谐激光器，其特征在于，所述分布式布拉格反射区和相位区的有源层采用P离子诱导的量子阱混杂方法形成。
7.根据权利要求1所述的可调激光器，其特征在于，所述分布式布拉格反射区的侧壁光栅波导的宽度在长度方向上周期性变化；
所述相位区的直波导的宽度在长度方向上不变；
所述增益区的楔形波导的宽度沿远离分布式布拉格反射区的方向上逐渐缩小。
8.一种可调谐激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上依次外延生长光斑放大层、间隔层、有源层、包层和盖层；
步骤2：将包层和盖层制作为上台脊波导，包括增益区的楔形波导和分布式布拉格反射区的侧壁光栅波导；
步骤3：将有源层、间隔层和光斑放大层制作为增益区和分布式布拉格反射区的下台脊波导。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，
所述步骤2中，将包层和盖层制作为上台脊波导，包括增益区的楔形波导、相位区的直波导和分布式布拉格反射区的侧壁光栅波导；
所述步骤3中，将有源层、间隔层和光斑放大层制作为增益区、相位区和分布式布拉格反射区的下台脊波导；
所述步骤3之后，还包括步骤4和步骤5：
步骤4：在所述盖层上制作正面电极；
步骤5：在衬底背面制作背面电极。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，
所述步骤1包括如下子步骤：
子步骤1.1：在衬底上依次外延生长光斑放大层、间隔层、有源层和牺牲层；
子步骤1.2：向相位区和分布式布拉格反射区的牺牲层上注入P离子；
子步骤1.3：快速退火处理；
子步骤1.4：采用湿法腐蚀去除牺牲层；
子步骤1.5：依次外延生长包层和盖层；
在进行步骤1之后、步骤2之前，还包括在盖层上制作电隔离沟，并向电隔离沟内注入He离子的步骤；
所述步骤2中，采用感应耦合等离子体刻蚀，在所述包层和盖层上形成上台脊波导；
其中，刻蚀气氛为CH4/H2/O2，所述有源层的材料为InGaAlAs，所述有源层作为干法刻蚀上台脊波导的刻蚀停止层。
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