CN111711074B - 激光器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光器及其制作方法，其激光器包括：衬底和双台脊波导；其中，双台脊波导，包括下台脊波导和上台脊波导；其中，下台脊波导，形成于所述衬底上，由下至上依次包括光斑放大层、第一间隔层、光栅层、第二间隔层和有源层；上台脊波导，形成于所述下台脊波导上，由下至上包括包层和盖层；所述上台脊波导包括两段楔形波导和一段直波导，所述两段楔形波导分别分布于所述直波导的两端。本发明实现大功率激光器的同时提高激光器与光纤的耦合效率，有效降低功耗和成本。

Description

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。
大功率半导体激光器因具有体积小、结构灵活、可靠性好、转换效率高、驱动简单、能直接调制等优点具有广泛应用。经过多年的探索取得了突破性进展，大功率半导体激光器已成为解决微波通信瓶颈、构建天际宽带网、实现对地观测海量数据实时传输的有效手段，具有巨大的民用和军用潜力。
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，提供一种激光器，包括：衬底和双台脊波导；其中，
双台脊波导，包括下台脊波导和上台脊波导；其中，
下台脊波导，形成于所述衬底上，由下至上依次包括光斑放大层、第一间隔层、光栅层、第二间隔层和有源层；
上台脊波导，形成于所述下台脊波导上，由下至上包括包层和盖层；所述上台脊波导包括两段楔形波导和一段直波导，所述两段楔形波导分别分布于所述直波导的两端。
作为本发明的另一个方面，还提供一种激光器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底正面依次外延生长光斑放大层、第一间隔层、光栅层、第二间隔层、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，包括直波导和位于直波导两端的楔形波导；
步骤3：将有源层、第二间隔层、光栅层、第一间隔层和光斑放大层制作为下台脊波导。
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：
本发明采用上台脊波导和下台脊波导的双台脊波导结构；并且上台脊波导为中间直波导，两端楔形波导；上台脊波导中的楔形波导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宽度更大的下台脊波导，保证光从两端楔形波导下方的下台脊波导端面出射；由于光斑放大层的等效折射率小，对光的限制较弱，所以光斑尺寸得到放大，功率密度降低，提高了激光器光学灾变损伤(CatastrophicOptical Damage，COD)的阈值，有利于激光器在大功率情况下工作；并且在减小远场发散角的同时可以保证激光器的单模操作；
在光斑放大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；
下台脊波导的光栅层具有布拉格光栅结构，在光传播方向上形成折射率调制，可以实现激光器的单纵模操作，同时为激光器的有源层提供较大的光反馈；
光栅层制作在有源层下方，故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，同时有利于减小激光器的线宽；
采用感应耦合等离子体刻蚀方法(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，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3形成的层结构示意图；
图5为本发明实施例1的步骤4形成的层结构示意图；
图6为本发明实施例1的步骤5形成的层结构立体示意图；
图7为本发明实施例1的激光器示意图。
上述附图中，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、6：InP间隔层；5：InGaAsP光栅层；7：InGaAlAs有源层；8：P型InP包层；9：P型InGaAs盖层；10、11：SiO2层；12：Ti/Au正面电极层；13：Au/AuGeNi背面电极层。
具体实施方式
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，提供一种激光器，包括：衬底和双台脊波导；其中，
双台脊波导，包括下台脊波导和上台脊波导；其中，
下台脊波导，形成于衬底上，由下至上依次包括光斑放大层、第一间隔层、光栅层、第二间隔层和有源层；
上台脊波导，形成于下台脊波导上，由下至上包括包层和盖层；上台脊波导包括两段楔形波导和一段直波导，两段楔形波导分别分布于直波导的两端。
在本发明的实施例中，激光器还包括正面电极层和背面电极层；其中，
正面电极层，形成于上台脊波导上；
背面电极层，形成于衬底的背面。
在本发明的实施例中，激光器还包括缓冲层；缓冲层形成于衬底与光斑放大层之间。
在本发明的实施例中，两段楔形波导以直波导为中心对称或者非对称设置；楔形波导与直波导相接触的端面与直波导的端面匹配贴合。其“匹配贴合”指楔形波导与直波导相接触的端面与直波导的端面在宽度和高度上均相同。
在本发明的其他实施例中，激光器的上台脊波导还可以为一段楔形波导和一段直波导的组合，但是由于光栅层的光栅的反射作用，楔形波导对应的下台脊波导仅有很弱的光出射，大部分光将会从上台脊波导的直波导端出射，上台脊波导的直波导端无法放大光斑尺寸，进而降低远场发散角的能力弱于两段楔形波导结构的激光器。
在本发明的实施例中，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；只要下台脊波导的最小宽度大于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下台脊波导采用直波导。
在本发明的实施例中，楔形波导沿远离直波导方向宽度逐渐缩小。
在本发明的实施例中，直波导沿长度方向上宽度不变。
在本发明的实施例中，下台脊波导采用直波导时，其宽度为6～12μm，上台脊波导的直波导宽度为2.5μm，楔形波导宽度由2.5μm逐渐减小到末端端面的0.3～0.6μm。
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，光栅层的光栅为布拉格光栅结构，光栅制作于光栅层的全部区域或者部分区域。
作为本发明的另一个方面，还提供一种激光器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底正面依次外延生长光斑放大层、第一间隔层、光栅层、第二间隔层、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，包括直波导和位于直波导两端的楔形波导；
步骤3：将有源层、第二间隔层、光栅层、第一间隔层和光斑放大层制作为下台脊波导。
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，有源层材料为InGaAlAs，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，下台脊波导的形成包括如下子步骤：
子步骤3.1：采用等离子体增强化学气相沉积法在上台脊波导和有源层的裸露区域淀积掩膜层；
子步骤3.2：利用自对准光刻工艺在掩膜层上形成图形化的光刻胶；
子步骤3.3：去除裸露的掩膜层；
子步骤3.4：以掩膜层为掩膜，采用感应耦合等离子体刻蚀有源层、第一间隔层、光栅层、第二间隔层和光斑放大层，形成下台脊波导。
在本发明实施例中，步骤3之后，制作方法还包括步骤4和步骤5；具体包括：
步骤4：在上台脊波导上制作正面电极；
步骤5：在衬底的背面制作背面电极。
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
图1为本发明实施例1的激光器制作方法流程示意图。如图1所示，步骤1：利用金属有机气相外延(Metal-organic Chemical Vapor Desposition，MOCVD)在n型InP衬底1上依次外延生长500～1000nm厚的n型InP缓冲层2，光斑放大层3，20～50nm厚的InP间隔层4，30nm厚的InGaAsP光栅层5，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：利用全息曝光技术和干法刻蚀技术在InGaAsP光栅层5制作大面积光栅；使用全息曝光制作均匀光栅，反应离子刻蚀方法(Reactive Ion Etching，RIE)刻蚀光栅层后将外延片浸泡在光栅溴中修复RIE刻蚀带来的损伤，如图3；
步骤3：利用MOCVD二次外延生长1.5～2.5μm厚的InP间隔层6，200～300nm厚的InGaAlAs有源层7，1.5～1.7μm厚的P型InP包层8和200nm厚的P型InGaAs盖层9，如图4；
步骤4：利用P型InGaAs盖层9和P型InP包层8制作激光器的上台脊波导；利用感应耦合等离子体刻蚀(Inductively Coupled Plasma，ICP)形成两段楔形波导和一段直波导，其中楔形波导分布在直波导两侧，其中直波导宽度为2.5μm，楔形波导宽度由2.5μm逐渐减小到端面的0.5μm；其中，ICP刻蚀气氛为CH4/H2/O2，由于刻蚀气体氛围中引入少量氧气，当刻蚀到InGaAlAs有源层7材料时，O2与Al反应形成钝化层，使刻蚀速率变慢，从而起到干法刻蚀停止层的作用；
步骤5：利用InGaAlAs有源层7，InP间隔层6，InGaAsP光栅层5，InP间隔层4，光斑放大层3制作激光器的下台宽脊波导结构；下台脊波导脊宽为10μm；利用等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)一层SiO2层10覆盖外延片，如图5；自对准法光刻定义出下台脊波导，HF酸去除多余的SiO2后，使用ICP刻蚀去除InGaAlAs有源层7、InP间隔层6、InGaAsP光栅层5、InP间隔层4和光斑放大层3；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层10，如图6；
步骤6：生长制作激光器的正面电极层；PECVD生长SiO2层11覆盖双台脊波导，光刻显影后将上台脊波导顶部露出，腐蚀去除露出的SiO2后磁控溅射生长Ti/Au正面电极层12；
步骤7：减薄抛光；将n型InP衬底1减薄至120μm后抛光；
步骤8：制作背面电极层；利用磁控溅射生长Au/AuGeNi背面电极层13，如图7。
实施例2
本实施例2与实施例1的制作方法相同，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 (8)

1.一种激光器，其特征在于，包括：衬底和双台脊波导；其中，
双台脊波导，包括下台脊波导和上台脊波导；其中，
下台脊波导，形成于所述衬底上，由下至上依次包括光斑放大层、第一间隔层、光栅层、第二间隔层和有源层；其中，所述光斑放大层为稀释波导层；其中，所述光栅层的光栅为布拉格光栅结构，所述光栅制作于光栅层的全部区域；
其中，所述第二间隔层的厚度为1.5μm～2.5μm；
其中，所述有源层的材料为InGaAlAs；
上台脊波导，形成于所述下台脊波导上，由下至上包括包层和盖层；所述上台脊波导包括两段楔形波导和一段直波导，所述两段楔形波导分别分布于所述直波导的两端。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述两段楔形波导以所述直波导为中心对称或者非对称设置；
所述楔形波导的与所述直波导相接触的端面与所述直波导的端面匹配贴合；
所述楔形波导沿远离直波导方向宽度逐渐缩小；
所述直波导沿长度方向上宽度不变。
3.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于，所述下台脊波导为直波导、楔形波导或者梯形波导。
4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括正面电极层和背面电极层；其中，
正面电极层，形成于所述上台脊波导上；
背面电极层，形成于所述衬底的背面。
5.一种激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在衬底正面依次外延生长光斑放大层、第一间隔层、光栅层、第二间隔层、有源层、包层和盖层；其中，所述光斑放大层为稀释波导层；其中，所述光栅层的光栅为布拉格光栅结构，所述光栅制作于光栅层的全部区域；其中，所述第二间隔层的厚度为1.5μm～2.5μm；其中，所述有源层的材料为InGaAlAs；
步骤2：将包层和盖层制作为上台脊波导，包括直波导和位于直波导两端的楔形波导；
步骤3：将有源层、第二间隔层、光栅层、第一间隔层和光斑放大层制作为下台脊波导。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，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，所述有源层作为干法刻蚀上台脊波导的刻蚀停止层。
7.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述步骤3中，下台脊波导的形成包括如下子步骤：
子步骤3.1：采用等离子体增强化学气相沉积法在上台脊波导和有源层的裸露区域淀积掩膜层；
子步骤3.2：利用自对准光刻工艺在掩膜层上形成图形化的光刻胶；
子步骤3.3：去除裸露的掩膜层；
子步骤3.4：以掩膜层为掩膜，采用感应耦合等离子体刻蚀有源层、第一间隔层、光栅层、第二间隔层和光斑放大层，形成下台脊波导。
8.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述步骤3之后，所述制作方法还包括步骤4和步骤5；具体包括：
步骤4：在所述上台脊波导上制作正面电极；
步骤5：在所述衬底的背面制作背面电极。
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