CN111934201A - 可调谐激光器硅基混合集成及可调谐激光器及其制备方法 - Google Patents

可调谐激光器硅基混合集成及可调谐激光器及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111934201A
CN111934201A CN202011046653.5A CN202011046653A CN111934201A CN 111934201 A CN111934201 A CN 111934201A CN 202011046653 A CN202011046653 A CN 202011046653A CN 111934201 A CN111934201 A CN 111934201A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ridge
laser
epitaxial structure
silicon
waveguide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202011046653.5A
Other languages
English (en)
Inventor
韩宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan Yunling Photoelectric Co ltd
Original Assignee
Wuhan Yunling Photoelectric Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan Yunling Photoelectric Co ltd filed Critical Wuhan Yunling Photoelectric Co ltd
Priority to CN202011046653.5A priority Critical patent/CN111934201A/zh
Publication of CN111934201A publication Critical patent/CN111934201A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/0607—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying physical parameters other than the potential of the electrodes, e.g. by an electric or magnetic field, mechanical deformation, pressure, light, temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/065—Mode locking; Mode suppression; Mode selection ; Self pulsating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/3434—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer comprising at least both As and P as V-compounds

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

本发明涉及一种可调谐激光器硅基混合集成及可调谐激光器及其制备方法，可调谐激光器硅基混合集成包括硅基衬底以及可调谐面发射水平腔激光器，可调谐面发射水平腔激光器包括外延结构本体，外延结构本体的上端沿波导传输方向间隔设置有长度不同的多段脊型波导，实现不同间距的梳状谱的叠加，外延结构本体的上端设有N电极和多个P电极，外延结构本体的水平腔脊型波导上设有面发射垂直耦合光栅，用于实现水平谐振腔激光的垂直耦合面发射，可调谐面发射激光器倒装在硅基衬底上，硅基衬底上设有的多个焊盘，多个焊盘的上端用于分别与可调谐面发射激光器的N电极、多个P电极一一对应焊接。其通过失谐多阶光栅的垂直耦合以实现面发射与硅基混合集成。

Description

可调谐激光器硅基混合集成及可调谐激光器及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域及光纤通信技术领域，具体涉及一种可调谐激光器硅基混合集成及可调谐激光器及其制备方法。
背景技术
用户侧ONU设备在大容量接入网中数量众多，低成本的ONU技术在降低接入成本方面具有关键性的作用。在大容量波分时分混合复用光接入网中，要求ONU设备具备“无色”和“兼容”特性，即所有ONU的光模块与波长无关，物理结构保持一致，并且与标准TDM-PON ONU结构保持兼容，这样才可能避免因存在多种型号的ONU设备带来的安装、运营及维护成本增加。在众多具代表性“无色” ONU技术中，注入锁定FP激光器方案工作速率受限，反射式光放大器（RSOA）噪声性能不佳，且两者均需局端供光，系统结构复杂，而且与已建设的TDM-PON设备不兼容。波长可调谐激光器方案性能优越，并且标准TDM-PON在设备和系统层面的兼容最好，是无色ONU光源的最佳技术方案。
按照集成度可将现有可调谐激光器分为单片集成和混合集成两种，单片集成可调谐激光器主要分为可调谐的分布反馈（DFB）激光器阵列、分布布拉格反射器（DBR）激光器；混合集成可调谐激光器主要分为阵列DFB+MEMS 转镜、自由空间光学外腔和集成式外腔可调谐激光器。其中，单片集成的分布布拉格反射DBR激光器主要通过电流注入改变光栅有效折射率，从而实现波长可调谐，主要问题是调谐范围窄且制作难度高，需要多次外延生长和对接耦合，混合集成的DFB+MEMS偏转主要使用机械可移动部件作为波长调节单元的系统部件，其问题在于抗干扰能力差，性能不稳定。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种可调谐激光器硅基混合集成及可调谐激光器及其制备方法，其具有单模出光、宽可调谐范围、易与硅基波导混合集成的面发射的特点，通过多电流注入的游标效应实现波长可调谐和单模出光特性，通过失谐六阶光栅的垂直耦合以实现面发射与硅基混合集成的特性。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种可调谐激光器硅基混合集成，包括硅基衬底以及可调谐面发射水平腔激光器，所述可调谐面发射水平腔激光器包括外延结构本体，所述外延结构本体的上端沿波导传输方向间隔设置有长度不同的多段脊型波导，形成腔长不同的多个FP腔激光器，实现不同间距的梳状谱的叠加，所述外延结构本体的上端设有N电极和多个P电极，P电极与N电极同面设置，多个P电极分别与多段脊型波导一一对应电连接，所述N电极与外延结构本体的衬底电连接，外延结构本体的水平腔脊型波导上设有面发射垂直耦合光栅，用于实现水平谐振腔激光的垂直耦合面发射，所述可调谐面发射激光器倒装在硅基衬底上，所述硅基衬底上设有的多个焊盘，多个焊盘的上端用于分别与可调谐面发射激光器的N电极以及多个P电极一一对应焊接。
进一步地，硅基衬底上设有匹配电路，多个焊盘分别与匹配电路电连接，所述匹配电路用于分别给可调谐面发射激光器的多个P电极提供不同的注入电流，通过电流注入控制和游标效应实现大范围波长可调谐和单模输出。
进一步地，所述硅基衬底上设有垂直耦合光栅、硅基波导，所述垂直耦合光栅用于将激光器发射的光垂直耦合到硅基波导里面去。
进一步地，相邻两段脊型波导之间通过隔离槽隔开，隔离槽内沉积二氧化硅作为电隔离层；外延结构本体上端的脊型波导为三段。
进一步地，所述外延结构本体的上端刻蚀开口，刻蚀停止在外延结构本体的衬底上端，该开口内沉积有电极金属，形成N电极；所述N电极位于脊型波导的一侧；P电极位于脊型波导上端，并向脊型波导的另一侧延伸；
所述外延结构本体包括从下至上依次设置的衬底、有源层、脊型腐蚀停止层、脊型层和表面接触层；刻蚀外延结构本体上端形成脊型波导时，刻蚀停止在脊型腐蚀停止层上端；
所述有源层包括多量子阱层以及上、下波导限制层，上、下波导限制层分别位于多量子阱层的上、下端；
多量子阱层为InGaAsP多量子阱层；脊型腐蚀停止层为InGaAsP脊型腐蚀停止层；脊型层为P掺杂InP脊型层；表面接触层为InGaAs表面接触层；衬底为掺铁InP绝缘衬底。
进一步地，所述外延结构本体沿波导传输方向的同向一侧镀有第一反射膜，所述外延结构本体沿波导传输方向的反向一侧镀有第二反射膜。
进一步地，面发射垂直耦合光栅是通过刻蚀掉部分脊波导材料形成的光栅结构；面发射垂直耦合光栅位于有源区上方；面发射垂直耦合光栅用于将水平谐振腔的激光水平激光器的激光垂直发射出去散射到垂直方向上，使激光从水平腔激光器的上表面垂直耦合输出，便于与硅基传输波导高效耦合集成；
所述面发射垂直耦合光栅制作在靠近待解理面的脊型波导上。
面发射垂直耦合光栅制作在外延结构本体的脊型层上。
本发明公开了一种可调谐激光器，包括外延结构本体，所述外延结构本体的上端沿波导传输方向间隔设置有长度不同的多段脊型波导，形成腔长不同的多个FP腔激光器，通过腔长不同的多个FP腔激光器相互之间平移重叠梳状峰而选模达到波长可调谐的目标，设计不同的腔长使得输出光谱梳状峰之间中心间距不同，通过注入载流子密度的增大使得有源区等效折射率改变从而影响FP激光器输出光谱梳状谱红移的特性，实现该激光器精密波长调谐功能,所述外延结构本体的上端设有多个P电极，多个P电极分别与多段脊型波导一一对应电连接，所述外延结构本体上还设有N电极，所述N电极与外延结构本体的衬底电连接。
本发明公开了一种可调谐激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
生长外延结构，包括：在衬底上依次生长有源层、脊型腐蚀停止层、脊型层和表面接触层；
制作脊型波导，包括：在外延结构上通过脊型光刻及刻蚀技术形成沿波导传输方向间隔分布的多段长度不同的脊型波导，刻蚀停止在脊型腐蚀停止层上端，相邻两段脊型波导之间为隔离槽；
在脊型波导上制做面发射垂直耦合光栅；
电注入通道制作，包括：在外延结构表面沉积钝化层二氧化硅并刻蚀脊型台面上的钝化层二氧化硅，形成P型电注入通道，在外延结构上端位于脊型台面一侧选定的N型隔离区刻蚀材料至衬底，形成N型电注入通道；
电极制作，包括：在外延结构表面沉积电极金属，金属覆盖脊上P型电注入通道和N型电注入通道，形成PN结电流注入回路；
镀膜制作，包括：将衬底减薄，解理后得到激光器bar条，在激光器bar条两侧镀反射膜。
可调谐激光器的制备方法还包括如下步骤：将bar条划裂解理成单个芯片，采用倒装焊焊接至带有焊盘的硅基衬底上，加电测试；硅基衬底上设有匹配电路和带有垂直耦合光栅的硅基波导。
本发明至少具有如下有益效果：本发明采用腔长不同的多个FP腔激光器L1、L2、L3相互之间平移重叠梳状峰而选模达到波长可调谐的目标，设计不同的腔长使得输出光谱梳状峰之间中心间距略有不同，通过注入载流子密度的增大使得有源区等效折射率改变从而影响FP激光器输出光谱梳状谱红移的特性，实现该激光器精密波长调谐功能。
本发明采用多段式级联FP型激光器制作工艺简单，相较传统光栅型可调谐激光器结构简单制作成本低，通过精准电流注入控制和游标效应实现大范围波长可调谐和单模输出；且本发明由高阶表面失谐光栅用于将水平腔激光器的激光垂直发射出去，高阶表面失谐光栅相比传统掩埋光栅简化制作工艺，光栅周期大，具有较高稳定性，且制作成本低廉。
本发明通过将级联FP型可调谐激光器和高阶表面光栅相结合，实现激光的面发射，且通过激光器的PN同面电极设计，可与硅基器件耦合混合集成。
总之，本发明采用单片集成的可调谐激光器，通过多段不同腔长的FP型激光器级联注入电流的游标效应实现波长可调谐，其可调范围宽，不需要二次外延和选模光栅制作，结构相对简单。此外，通过失谐六阶光栅的垂直衍射分量实现可调谐激光器的垂直出光，可与硅基波导实现低损耗的混合集成耦合出光，是无色ONU低成本光源的最佳技术方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的可调谐激光器的外延结构生长后的截面示意图；
图2为本发明实施例提供的可调谐激光器的外延结构脊型波导制作后的截面示意图；
图3为本发明实施例提供的可调谐激光器的电极制作后的侧视图；
图4为本发明实施例提供的可调谐激光器的面发射垂直耦合光栅制作后的截面示意图；
图5为图4结构沉积钝化层二氧化硅后的截面示意图；
图6为本发明实施例提供的可调谐激光器的电注入通道制作后的截面示意图；
图7为本发明实施例提供的可调谐激光器的电极制作后的俯视图；
图8为本发明实施例提供的可调谐激光器的镀膜制作后的截面示意图；
图9为本发明实施例提供的面发射可调谐激光器与硅波导混合集成示意图。
附图中，1为衬底，2为下波导限制层，3为多量子阱层，4为上波导限制层，5为脊型腐蚀停止层，6为脊型层，7为表面接触层，8为面发射垂直耦合光栅，9为二氧化硅，10为电极金属，11为反射膜，12为焊盘，13为垂直耦合光栅，14为硅基波导，15为硅基衬底，16为隔离槽。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
参见图1至图8，本发明实施例提供一种可调谐面发射激光器，包括外延结构本体，所述外延结构本体的上端沿波导传输方向间隔设置有多段脊型波导，所述外延结构本体的上端设有多个P电极，多个P电极分别与多段脊型波导一一对应电连接，所述外延结构本体上还设有N电极，所述N电极与外延结构本体的衬底电连接。
进一步地，多段脊型波导沿波导传输方向的长度不同。多段脊型波导是为了得到不同间距的梳状谱的叠加，这样可以在某些电注入的条件下获得单模光谱，又因为FP型激光器的梳状谱是会随着注入电流的增大而红移，从而实现芯片波长调谐的功能。且多段脊型波导长度必须不同，长度和每一段的梳状谱光谱的间距是直接相关，在多段光谱叠加时，只有各个梳状谱间距略有不同时，才能在某些条件下得到单模光谱。
相邻两段脊型波导之间通过隔离槽隔开，隔离槽内沉积二氧化硅作为电隔离层，避免不同段的P电极电流注入时会有相互之间的串扰，极大影响调谐性能。
优选地，本实施例的外延结构本体上端的脊型波导为三段。通过设置两个隔离槽16将外延结构本体的上端设置的整个条形脊型波导分为长度不同的三段，作为第一段FP电流注入面L1、第二段FP电流注入面L2、第三段FP电流注入面L3。本实施例中L1、L2、L3之间的长度略有差异就行。本发明的L1、L2、L3三段均为增益区，本身就提供三种不同的梳状谱增益（而不是宽光谱增益），通过三种不同的梳状谱增益的叠加来实现单纵模和调谐功能。
本发明采用腔长不同的多个FP腔激光器L1、L2、L3相互之间平移重叠梳状峰而选模达到波长可调谐的目标，设计不同的腔长使得输出光谱梳状峰之间中心间距略有不同，通过注入载流子密度的增大使得有源区等效折射率改变从而影响FP激光器输出光谱梳状谱红移的特性，实现该激光器精密波长调谐功能。
FP激光器的每个腔与FP激光器输出光梳状谱间距离的关系为： Δλi=λ^2/2ngLi,i=1,2,3 。Δλi为梳状谱的间隔，λ为梳状谱的中心波长，
ng为材料的有效折射率，Li为三段FP各自脊型波导的长度。
由于不同的注入电流会影响激光器的有效折射率，故FP激光器的输出光梳状谱中心波长会随着其注入电流的改变而改变。低成本FP激光器实现宽的波长可调谐的原理是基于不同间距的梳状谱相互之间平移叠加而得到不同的输出光波长。
外延结构本体的水平腔脊型波导上设有面发射垂直耦合光栅8，用于实现水平谐振腔激光的垂直耦合面发射。
进一步地，面发射垂直耦合光栅是通过刻蚀掉部分脊波导材料形成的光栅结构；面发射垂直耦合光栅位于有源区上方；面发射垂直耦合光栅用于将水平谐振腔的激光水平激光器的激光垂直发射出去散射到垂直方向上，使激光从水平腔激光器的上表面垂直耦合输出，便于与硅基传输波导高效耦合集成；
所述面发射垂直耦合光栅制作在靠近待解理面的脊型波导上。
面发射垂直耦合光栅制作在外延结构本体的脊型层上。
进一步地，因为本实施例设置面发射垂直耦合光栅从面发射出光，那么外延结构本体两侧都要镀高反射膜。具体地，所述外延结构本体沿波导传输方向的同向一侧镀有第一反射膜，所述外延结构本体沿波导传输方向的反向一侧镀有第二反射膜。
形成稳定的单模激光振荡后，激光通过位于有源区上方的表面失谐相移高阶光栅时，由于高阶光栅具有辐射特性，将水平激光散射到垂直方向上，形成表面激光输出。
面发射垂直耦合光栅采用表面失谐相移六阶光栅，该光栅是高折射率差（n1与n2的折射率差）的空气光栅，n1是脊波导的三五族材料,n2是空气，占空比为50%，高度约100~200nm，光栅周期为偶数阶次的失谐高阶光栅，失谐量约为光栅周期的5%~10%。这样可以得到最优的垂直耦合输出效果，便于与硅基传输波导耦合集成。此外为保证混合集成的电注入，激光器采用PN同面电极设计和制作工艺。
进一步地，所述外延结构本体的上端刻蚀开口，刻蚀停止在外延结构本体的衬底上端，该开口内沉积有电极金属，形成N电极；所述N电极位于脊型波导的一侧；P电极位于脊型波导上端，并向脊型波导的另一侧延伸。
进一步地，所述外延结构本体包括从下至上依次设置的衬底1、有源层、脊型腐蚀停止层5、脊型层6和表面接触层7；刻蚀外延结构本体上端形成脊型波导时，刻蚀停止在脊型腐蚀停止层上端；
所述有源层包括多量子阱3以及上、下波导限制层2、4，上、下波导限制层分别位于多量子阱层的上、下端。外延结构本体的各外延层的厚度根据实际需要设置。
多量子阱层3为InGaAsP多量子阱层；脊型腐蚀停止层5为InGaAsP脊型腐蚀停止层；脊型层6为P掺杂InP脊型层；表面接触层7为InGaAs表面接触层；衬底为掺铁InP绝缘衬底。
实施例二
本发明实施例提供一种可调谐边发射激光器，本实施例不设置面发射垂直耦合光栅，且所述外延结构本体沿波导传输方向的同向一侧即出光端一侧镀增透膜，外延结构本体沿波导传输方向的反向一侧即背光端一侧镀高反射膜。本实施例的其他技术特征与实施例一相同。
实施例三
参见图9，本发明公开了一种可调谐激光器硅基混合集成，包括硅基衬底以及可调谐面发射水平腔激光器，所述可调谐面发射水平腔激光器包括外延结构本体，所述外延结构本体的上端沿波导传输方向间隔设置有长度不同的多段脊型波导，形成腔长不同的多个FP腔激光器，实现不同间距的梳状谱的叠加，所述外延结构本体的上端设有N电极和多个P电极，P电极与N电极同面设置，多个P电极分别与多段脊型波导一一对应电连接，所述N电极与外延结构本体的衬底电连接，外延结构本体的水平腔脊型波导上设有面发射垂直耦合光栅，用于实现水平谐振腔激光的垂直耦合面发射，所述可调谐面发射激光器倒装在硅基衬底上，所述硅基衬底上设有的多个焊盘，多个焊盘的上端用于分别与可调谐面发射激光器的N电极以及多个P电极一一对应焊接。
可调谐面发射激光器采用实施例一所述的可调谐面发射激光器。
本发明设计可调谐面发射激光器目的是为了高效率的与硅基波导集成，与硅基的混合集成是光通信芯片未来发展方向。而可调谐是为了多通道传输信息，本发明的可调谐在提高传输带宽的同时也是一个低成本的新解决方案。本发明硅基混合集成的耦合方式采用高阶光栅垂直耦合，面发射垂直耦合光栅是为了提高和硅基混合集成的垂直耦合效率，且在优化面发射垂直耦合光栅和硅基波导光栅的基础上，可以做到很高的耦合效率。
进一步地，硅基衬底上设有匹配电路，多个焊盘分别与匹配电路电连接，所述匹配电路用于分别给可调谐激光器的多个P电极提供不同的注入电流，实现激光器驱动，通过电流注入控制和游标效应实现大范围波长可调谐和单模输出；单模输出就是通过游标卡尺效应，叠加不同间距的梳状谱光谱而形成的。
所述硅基衬底上设有垂直耦合光栅、硅基波导，所述垂直耦合光栅用于将可调谐激光器输出的激光折转后耦合进硅基波导。硅基波导是为了把垂直发射的激光器的光耦合到硅基里面去，便于硅基后续的操作（信号调制，分波合波等）。
多个P电极的注入电流的具体值可以根据实验确定。
实施例四
参见图1至图9，本发明公开了一种可调谐激光器的制备方法，包括如下步骤：
生长外延结构，包括：在掺铁InP绝缘衬底1上由MOCVD外延生长有源层、InGaAsP脊型腐蚀停止层5、P掺杂InP脊型层6和InGaAs表面接触层7。有源层包括InGaAsP多量子阱层3及其上、下波导限制层2、4。
制作脊型波导，包括：通过脊型光刻及刻蚀在外延结构上形成脊型台面，选择性腐蚀液停止在脊型腐蚀停止层上端，脊型版图设计为三段式脊型，脊型之间沿波导传输方向留有两个5um左右宽凹槽，把整个脊型分为长度不同的三段L1、L2和L3。
面发射垂直耦合光栅制作，包括：在脊型波导上制做面发射垂直耦合光栅；将面发射垂直耦合光栅制作在靠近待解理面的脊型波导即端部的脊型波导上，光强强度大一些，能够耦合出来的光功率也大一些，将面发射垂直耦合光栅制作在中间段脊型波导上出光功率偏小。
本实施例在脊波导中较长的L3段靠近待解理面处，用EBL制做失谐高阶垂直耦合光栅8。本实施例的失谐高阶垂直耦合光栅优选为6阶，当然，也可以为2、4、8等偶数阶。本实施例通过刻蚀掉部分脊波导材料形成光栅结构。
N型隔离区制作，包括：在外延结构的脊波导一侧刻蚀有源层材料至N型InP衬底，待同面电极制作。
电注入通道制作，包括：在外延结构上沉积钝化层二氧化硅9并在脊上刻蚀开口，形成P型电注入通道。在N型隔离区刻蚀开口，形成N型电注入通道。除脊型波导和N面电极下方，其余所有地方都要覆盖钝化层二氧化硅，做绝缘层电隔离用。
在芯片的周围刻蚀钝化层二氧化硅以便于芯片的解理工艺制作。
电极制作，包括：在芯片表面沉积电极金属10，金属覆盖脊上P型电注入通道和N型隔离区，形成PN结电流注入回路。除了面发射失谐高阶光栅不能覆盖金属，其余区域均可覆盖金属，P1、P2、P3、N电极不得在激光器表面连通即可。P电极主要覆盖脊型波导。
镀膜制作，包括：晶圆背面经过机械研磨减薄至约100um厚，晶圆划裂解理成bar条，在bar条两侧用光学镀膜机镀反射膜11。反射膜采用高反射率介质膜。
贴片测试，包括：bar条划裂解理成单个芯片，采用倒装焊焊接至带有焊盘12、匹配电路和带有垂直耦合光栅13的硅基波导14的硅基衬底15上，加电测试。
本发明为基于三段式FP谐振腔及失谐六阶光栅的可用于硅基混合集成的面发射激光器，具有结构简单、制作成本低、单模出光、宽可调谐范围、易与硅基波导混合集成的面发射的特点，通过多电流注入的游标效应实现波长可调谐和单模出光特性，通过失谐六阶光栅的垂直耦合以实现面发射与硅基混合集成的特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可调谐激光器硅基混合集成，其特征在于：包括硅基衬底以及可调谐面发射水平腔激光器，所述可调谐面发射水平腔激光器包括外延结构本体，所述外延结构本体的上端沿波导传输方向间隔设置有长度不同的多段脊型波导，形成腔长不同的多个FP腔激光器，实现不同间距的梳状谱的叠加，所述外延结构本体的上端设有N电极和多个P电极，P电极与N电极同面设置，多个P电极分别与多段脊型波导一一对应电连接，所述N电极与外延结构本体的衬底电连接，外延结构本体的水平腔脊型波导上设有面发射垂直耦合光栅，用于实现水平谐振腔激光的垂直耦合面发射，所述可调谐面发射激光器倒装在硅基衬底上，所述硅基衬底上设有的多个焊盘，多个焊盘的上端用于分别与可调谐面发射激光器的N电极以及多个P电极一一对应焊接，硅基衬底上设有匹配电路，多个焊盘分别与匹配电路电连接，所述匹配电路用于分别给可调谐面发射激光器的多个P电极提供不同的注入电流，通过电流注入控制和游标效应实现大范围波长可调谐和单模输出，所述硅基衬底上设有垂直耦合光栅、硅基波导，所述垂直耦合光栅用于将激光器发射的光垂直耦合到硅基波导。
2.如权利要求1所述的可调谐激光器硅基混合集成，其特征在于：相邻两段脊型波导之间通过隔离槽隔开，隔离槽内沉积二氧化硅作为电隔离层；外延结构本体上端的脊型波导为三段。
3.如权利要求1所述的可调谐激光器硅基混合集成，其特征在于：所述外延结构本体的上端刻蚀开口，刻蚀停止在外延结构本体的衬底上端，该开口内沉积有电极金属，形成N电极；所述N电极位于脊型波导的一侧；P电极位于脊型波导上端，并向脊型波导的另一侧延伸；
所述外延结构本体包括从下至上依次设置的衬底、有源层、脊型腐蚀停止层、脊型层和表面接触层；刻蚀外延结构本体上端形成脊型波导时，刻蚀停止在脊型腐蚀停止层上端；
所述有源层包括多量子阱层以及上、下波导限制层，上、下波导限制层分别位于多量子阱层的上、下端；
多量子阱层为InGaAsP多量子阱层；脊型腐蚀停止层为InGaAsP脊型腐蚀停止层；脊型层为P掺杂InP脊型层；表面接触层为InGaAs表面接触层；衬底为掺铁InP绝缘衬底。
4.如权利要求1所述的可调谐激光器硅基混合集成，其特征在于：所述外延结构本体沿波导传输方向的同向一侧镀有第一反射膜，所述外延结构本体沿波导传输方向的反向一侧镀有第二反射膜。
5.如权利要求1所述的可调谐激光器硅基混合集成，其特征在于：面发射垂直耦合光栅是通过刻蚀掉部分脊波导材料形成的光栅结构；面发射垂直耦合光栅位于有源区上方；面发射垂直耦合光栅用于将水平谐振腔的激光水平激光器的激光垂直发射出去散射到垂直方向上，使激光从水平腔激光器的上表面垂直耦合输出，便于与硅基传输波导高效耦合集成；
所述面发射垂直耦合光栅制作在靠近待解理面的脊型波导上。
6.一种可调谐激光器，其特征在于：包括外延结构本体，所述外延结构本体的上端沿波导传输方向间隔设置有长度不同的多段脊型波导，形成腔长不同的多个FP腔激光器，通过腔长不同的多个FP腔激光器相互之间平移重叠梳状峰而选模达到波长可调谐的目标，设计不同的腔长使得输出光谱梳状峰之间中心间距不同，通过注入载流子密度的增大使得有源区等效折射率改变从而影响FP激光器输出光谱梳状谱红移的特性，实现该激光器精密波长调谐功能,所述外延结构本体的上端设有多个P电极，多个P电极分别与多段脊型波导一一对应电连接，所述外延结构本体上还设有N电极，所述N电极与外延结构本体的衬底电连接。
7.一种可调谐激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
生长外延结构，包括：在衬底上依次生长有源层、脊型腐蚀停止层、脊型层和表面接触层；
制作脊型波导，包括：在外延结构上通过脊型光刻及刻蚀技术形成沿波导传输方向间隔分布的多段长度不同的脊型波导，刻蚀停止在脊型腐蚀停止层上端，相邻两段脊型波导之间为隔离槽；
在脊型波导上制做面发射垂直耦合光栅；
电注入通道制作，包括：在外延结构表面沉积钝化层二氧化硅并刻蚀脊型台面上的钝化层二氧化硅，形成P型电注入通道，在外延结构上端位于脊型台面一侧选定的N型隔离区刻蚀材料至衬底，形成N型电注入通道；
电极制作，包括：在外延结构表面沉积电极金属，金属覆盖脊上P型电注入通道和N型电注入通道，形成PN结电流注入回路；
镀膜制作，包括：将衬底减薄，解理后得到激光器bar条，在激光器bar条两侧镀反射膜；将bar条划裂解理成单个芯片，采用倒装焊焊接至带有焊盘的硅基衬底上，加电测试；硅基衬底上设有匹配电路和带有垂直耦合光栅的硅基波导。
CN202011046653.5A 2020-09-29 2020-09-29 可调谐激光器硅基混合集成及可调谐激光器及其制备方法 Pending CN111934201A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011046653.5A CN111934201A (zh) 2020-09-29 2020-09-29 可调谐激光器硅基混合集成及可调谐激光器及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011046653.5A CN111934201A (zh) 2020-09-29 2020-09-29 可调谐激光器硅基混合集成及可调谐激光器及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111934201A true CN111934201A (zh) 2020-11-13

Family

ID=73333703

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011046653.5A Pending CN111934201A (zh) 2020-09-29 2020-09-29 可调谐激光器硅基混合集成及可调谐激光器及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111934201A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114421280A (zh) * 2022-03-29 2022-04-29 武汉云岭光电有限公司 半导体激光器及其制作方法
CN115579735A (zh) * 2022-12-07 2023-01-06 福建慧芯激光科技有限公司 一种单片集成二维dfb阵列芯片的制备方法

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07249824A (ja) * 1994-03-10 1995-09-26 Hitachi Ltd 半導体レーザ素子及びその製造方法
CN1377107A (zh) * 2001-03-26 2002-10-30 精工爱普生株式会社 面发光激光器、光电二极管、制造方法及光电混载电路
CN201332218Y (zh) * 2008-11-17 2009-10-21 潘锡光 双波长半导体激光器
CN102201648A (zh) * 2011-04-14 2011-09-28 中国科学院半导体研究所 Fp腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器
CN102545045A (zh) * 2012-02-15 2012-07-04 浙江大学 一种基于深刻蚀槽的多段式fp腔单波长激光器
CN103227416A (zh) * 2013-03-25 2013-07-31 中国科学院半导体研究所 基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器
CN104466668A (zh) * 2014-12-11 2015-03-25 北京工业大学 一种表面型半导体激光器件防短路结构
CN106340809A (zh) * 2016-10-26 2017-01-18 中国科学院半导体研究所 一种共面电极的边发射半导体激光器
WO2017076903A1 (de) * 2015-11-02 2017-05-11 Osram Opto Semiconductors Gmbh Halbleiterlaseranordnung und projektor
CN106848836A (zh) * 2017-03-27 2017-06-13 华中科技大学 一种高阶表面光栅面发射半导体激光器
CN108398745A (zh) * 2017-02-07 2018-08-14 武汉光迅科技股份有限公司 一种平面光波导基板的结构、模块和制造方法
CN108701962A (zh) * 2015-12-17 2018-10-23 菲尼萨公司 表面耦合系统

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07249824A (ja) * 1994-03-10 1995-09-26 Hitachi Ltd 半導体レーザ素子及びその製造方法
CN1377107A (zh) * 2001-03-26 2002-10-30 精工爱普生株式会社 面发光激光器、光电二极管、制造方法及光电混载电路
CN201332218Y (zh) * 2008-11-17 2009-10-21 潘锡光 双波长半导体激光器
CN102201648A (zh) * 2011-04-14 2011-09-28 中国科学院半导体研究所 Fp腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器
CN102545045A (zh) * 2012-02-15 2012-07-04 浙江大学 一种基于深刻蚀槽的多段式fp腔单波长激光器
CN103227416A (zh) * 2013-03-25 2013-07-31 中国科学院半导体研究所 基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器
CN104466668A (zh) * 2014-12-11 2015-03-25 北京工业大学 一种表面型半导体激光器件防短路结构
WO2017076903A1 (de) * 2015-11-02 2017-05-11 Osram Opto Semiconductors Gmbh Halbleiterlaseranordnung und projektor
CN108701962A (zh) * 2015-12-17 2018-10-23 菲尼萨公司 表面耦合系统
CN106340809A (zh) * 2016-10-26 2017-01-18 中国科学院半导体研究所 一种共面电极的边发射半导体激光器
CN108398745A (zh) * 2017-02-07 2018-08-14 武汉光迅科技股份有限公司 一种平面光波导基板的结构、模块和制造方法
CN106848836A (zh) * 2017-03-27 2017-06-13 华中科技大学 一种高阶表面光栅面发射半导体激光器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JIALIN ZHAO等: "Theoretical Analysis of Tunable Three-Section Slotted Fabry–Perot Lasers Based on Time-Domain Traveling-Wave Model", 《IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114421280A (zh) * 2022-03-29 2022-04-29 武汉云岭光电有限公司 半导体激光器及其制作方法
CN114421280B (zh) * 2022-03-29 2022-08-09 武汉云岭光电有限公司 半导体激光器及其制作方法
CN115579735A (zh) * 2022-12-07 2023-01-06 福建慧芯激光科技有限公司 一种单片集成二维dfb阵列芯片的制备方法
CN115579735B (zh) * 2022-12-07 2023-03-10 福建慧芯激光科技有限公司 一种单片集成二维dfb阵列芯片的制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1368870B1 (en) Asymmetric waveguide electroabsorption-modulated laser
KR101797624B1 (ko) 수퍼루미네센트 다이오드 및 그의 제조방법과, 그를 구비한 파장가변 외부공진레이저
US9484711B2 (en) Semiconductor laser apparatus and manufacturing method thereof
CN107230931B (zh) 分布反馈半导体激光芯片及其制备方法、光模块
US20130322478A1 (en) Semiconductor Laser Device
CN103199435B (zh) 超低发散角倾斜光束的单纵模人工微结构激光器
US10554013B2 (en) Semiconductor laser apparatus
JP2017085007A (ja) 半導体光素子、アレイ半導体光素子、及び光モジュール
JPWO2008053672A1 (ja) 半導体光素子及び該半導体光素子を用いる半導体レーザ及び該半導体レーザを用いる光トランスポンダ
CN111934201A (zh) 可调谐激光器硅基混合集成及可调谐激光器及其制备方法
US7949020B2 (en) Semiconductor laser and optical integrated semiconductor device
US11489315B2 (en) On-chip integrated semiconductor laser structure and method for preparing the same
US8649410B2 (en) Semiconductor laser and method for manufacturing the same
EP1454393B1 (en) Phase shifted surface emitting dfb laser structures with gain or absorptive gratings
CN109638645B (zh) 可调谐耦合腔半导体激光器
KR100918400B1 (ko) 장파장 표면 방출 레이저 소자 및 그 제조 방법
JP3576764B2 (ja) グレーティング結合型面発光装置
US7852897B2 (en) Semiconductor laser optical integrated semiconductor device
WO2021148120A1 (en) Single-mode dfb laser
CN112003125A (zh) 一种采用高阶表面光栅的直接调制半导体激光器
KR20030045252A (ko) 장파장 면발광 반도체 레이저 다이오드
CN213278692U (zh) 一种窄线宽激光器
CN220138931U (zh) 半导体激光器及包含其的光芯片
CN220042577U (zh) 半导体激光器及包含其的光芯片
KR20010054750A (ko) 흡수 파장 대역이 다른 다수개의 모니터 광검출기가집적된 단일파장 반도체 레이저

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20201113

RJ01 Rejection of invention patent application after publication