CN112003125B - 一种采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器及其制备方法，包括：三层平板波导(1000)，包括至上而下的上波导层(1100)、芯层(1200)及下波导层(1300)，其中，上波导层(1100)为脊形，其脊背或脊侧面上形成有表面高阶光栅(1111)；金属电极(2000)，包括上表面金属(2100)和下表面金属(2200)，上表面金属(2100)形成在上波导层(1100)的上表面，下表面金属(2200)形成在下波导层(1300)的下表面；电绝缘层(3000)，其形成在表面高阶光栅(1111)凹槽表面以及上表面金属(2100)和上波导层(1100)之间。本发明提供的采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器可以使用普通的接触式光刻制作，可以大幅度降低激光器的成本和提高激光器产量。

Description

一种采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，具体涉及一种采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器及其制备方法。
背景技术
为了满足人们日益增长的对更高带宽的需求，越来越多的新技术应用于网络通信中，其中光通信技术发挥了巨大作用。相比于电缆，光通信采用的光纤具有带宽高、损耗低、成本低、重量轻、占空间小、抗干扰性好和保密性好等优点，已经在远距离传输和数据中心的中短距离传输中取代了电缆。在光通信中，直接调制半导体激光器是不可或缺的光源，相比于电吸收和马赫-曾德尔干涉仪，直接调制半导体激光器具有成本低、系统简易、能量转换效率高等优点。
以往的直接调制半导体激光器大多采用分布反馈布拉格反射镜(DFB，一种一阶光栅)结构，此外还有侧向光栅(一般也是一阶光栅)和垂直腔面发射激光器(VCSEL)。由于一阶光栅对应周期很短(百纳米量级)所以采用一阶光栅的激光器需要精确度很高的光刻来制作，比如电子束曝光，这是一种耗时长，生产效率低的工艺。如果采用DFB结构，还需要二次外延，这又增加了成本，降低了生产效率。虽然侧向光栅不需要二次外延，但是传统的侧向光栅还是一阶的，这就无法避免使用电子束曝光。而VCSEL需要采用复杂的外延技术，尤其是C波段的VCSEL，其外延难度非常大。
综上所述，人们迫切地需要一种低成本、生产效率高的直接调制半导体激光器。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述问题，本发明提供了一种采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器，用于至少部分解决传统方法耗时长、生产效率低等技术问题。
(二)技术方案
本发明一方面提供了一种采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器，包括：三层平板波导1000，包括至上而下的上波导层1100、芯层1200及下波导层1300，其中，上波导层1100为脊形，其脊背或脊侧面上形成有表面高阶光栅1111；金属电极2000，包括上表面金属2100和下表面金属2200，上表面金属2100形成在上波导层1100的上表面，下表面金属2200形成在下波导层1300的下表面；电绝缘层3000，其形成在表面高阶光栅1111凹槽表面以及上表面金属2100和上波导层1100之间。
进一步地，表面高阶光栅1111可以设置于腔长任意位置，包括靠近前腔面、远离前腔面。
进一步地，表面高阶光栅1111的特征尺寸大于1微米。
进一步地，表面高阶光栅1111制作方法包括接触式光刻、电子束曝光制作。
进一步地，采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器为单次外延器件。
进一步地，芯层1200的结构可以是量子阱、量子点、纳米线。
进一步地，上表面金属2100用于实现激光器P面的电注入，材料包括TiAu、TiPtAu等。
进一步地，下表面金属2200用于N面实现欧姆接触，材料包括TiAu、AuGeNi/Au等。
进一步地，上波导层1100上的脊形波导1110沿着腔长的宽度是可变化的。
本发明另一方面提供了一种采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器的制备方法，包括：S1，在外延片上生长二氧化硅或氮化硅等掩模材料；S2，在所述二氧化硅或氮化硅等掩模材料上采用光刻或电子束曝光等工艺实现图形转移以制作脊形波导(1110)；S3，在所述脊形波导(1110)上采用刻蚀或腐蚀方法制作表面高阶光栅(1111)，去除二氧化硅或氮化硅等掩模材料；S4，重复S1至S3，制作脊型波导(1110)；S5，再次生长二氧化硅或氮化硅等绝缘材料作为电隔离层，在脊型波导(1110)上表面没有凹槽的地方开电注入窗口(通过光刻或电子束曝光转移图形，用刻蚀或腐蚀的方法去掉窗口处的二氧化硅或氮化硅等绝缘材料)；S6，制作P面金属电极(2100)，通过光刻或电子束曝光转移图形，采用腐蚀或剥离等工艺将P面金属图形化；S7，磨抛N面衬底，制作N面电极(2200)，最后快速热退火使N面衬底和N面金属形成欧姆接触。
(三)有益效果
本发明实施例提供的一种采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器及其制备方法，表面高阶光栅的特征尺寸可以大于1微米，所以可以采用普通光刻制作，可以避免使用电子束曝光等成本高、耗时长的工艺，因此可以大大提高产量，降低成本；其次该激光器是一种单次外延器件，避免了二次外延，器件可靠性得到提升，而且缩减了工艺步骤，提高了生产效率、降低了生产成本。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明实施例采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器的的结构示意图；
图2示意性示出了根据本发明实施例采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器的剖视图；
图3示意性示出了根据本发明实施例采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器的高阶光栅反射谱；
图4示意性示出了根据本发明实施例采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器的高阶光栅损耗谱；
附图标记说明
1000-三层平板波导；
1100-上波导层；
1110-脊形波导；
1111-表面高阶光栅
1200-有源区或称芯层；
1300-下波导层；
2000-金属电极；
2100-上表面金属或称P面金属；
2200-下表面金属或称N面金属；
3000-电绝缘层。
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，对本发明进一步详细说明。
本发明提供一种采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器，利用三层平板波导实现横向光场限制，脊形波导实现侧向光场限制，前后腔解理面实现纵向光场限制表面高阶光栅也可以提供光反射，芯层提供增益，表面高阶光栅选纵模，电隔离层和金属层共同作用实现电流在脊形条上注入，最终得到这种采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器。
本发明的实施例提供了一种采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器，请参见图1，包括：三层平板波导1000，包括至上而下的上波导层1100、芯层1200及下波导层1300，其中，上波导层1100为脊形，其脊背或脊侧面上形成有表面高阶光栅1111；金属电极2000，包括上表面金属2100和下表面金属2200，上表面金属2100形成在上波导层1100的上表面，下表面金属2200形成在下波导层1300的下表面；电绝缘层3000，其形成在表面高阶光栅1111凹槽表面以及上表面金属2100和上波导层1100之间。
三层平板波导1000，用于实现横向或称外延方向的光场限制，保证光场是单横模，这里三层平板波导是根据外延片中各层发挥的作用等效成的三层，其中用来限制光场且提供增益的外延层等效成有源层，处于有源层上方的是上波导层，处于有源层下方的是下波导层，这两层都参与光场限制；上波导层1100上具有脊形波导1110，用于实现侧向光场限制；脊形波导1110上具有表面高阶光栅1111，表面高阶光栅1111引入的反射率或损耗对不同波长差异很大，可用于选择单波长，实现单纵模激射。光栅周期为半波长n倍的光栅称为n阶光栅，一阶光栅的特点或优点为光场分量只有前向波和后向波，理论上没有损耗，高阶光栅的特点是尺寸比一阶光栅大很多，光场分量含有非腔长方向的分量，因此理论上具有损耗。一阶光栅需要高精度的电子束曝光、二次外延等复杂、高难度、低效率的工艺，这里的表面高阶光栅1111特征尺寸大于1微米，因而对工艺要求较低，不需要以上工艺，而是采用低难度、高效率的普通光刻，可提高生产效率，降低成本。金属电极2000，用于电注入、导电；电绝缘层3000，用于限制电流注入区域，实现P面电流从脊形波导上注入，请参见图1、图2，电绝缘层形成在脊形波导1110的表面高阶光栅1111凹槽表面、脊形波导1110的两侧面以及上波导层1100除脊形波导1110外的其他部分的表面，使得电流只能从脊形波导上表面无刻槽区域注入。
表面高阶光栅也可以提供光反射，此器件具有可扩展性，还可以实现光子集成，比如表面高阶光栅在前腔面附近时可以作为反射镜，在前腔面集成电吸收调制器或混合集成马赫-曾德尔干涉仪，采用端面耦合、耦合光栅耦合或片上键合等方式制作片上光源。
在上述实施例的基础上，表面高阶光栅1111可以设置于腔长任意位置，包括靠近前腔面、远离前腔面。
表面高阶光栅1111可以如图1所示刻在脊形波导上面，也可以刻在脊形波导侧面侧向光栅，既可以在前腔面附近，也可以在腔长任意位置。表面高阶光栅1111位于前腔面附近时，会改变发散角，比如使快轴发散曲线上产生许多小峰；表面高阶光栅1111远离前腔面时，不会产生上述效果；表面高阶光栅1111的具体结构参数可以用散射矩阵法(ScatteringMatrix Method，SMM)或者有限时域差分法(Finite Difference Time Domain，FDTD)等方法计算得到。
在上述实施例的基础上，表面高阶光栅1111制作方法包括接触式光刻、电子束曝光制作。
接触式光刻具有设备价格低、维护成本低、工艺要求相对低、生产效率高的特点；电子束曝光具有设备成本高、工艺要求高、工艺精度高、生产效率低的特点。当表面高阶光栅1111的特征尺寸可以大于1微米时，采用接触式光刻的制作方法可以大大提高产量，降低成本。
在上述实施例的基础上，采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器为单次外延器件。
单次外延器件的制备方法简单、性能稳定，二次外延器件，尤其是含铝组分的材料容易被氧化，影响器件性能。本发明采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器为单次外延器件，避免了二次外延，器件可靠性得到提升，而且缩减了工艺步骤，提高了生产效率、降低了生产成本。
在上述实施例的基础上，芯层1200的结构可以是量子阱、量子点、纳米线。
三层平板波导1000是将外延片简化后的等效模型，根据折射率可区分为上波导层、芯层和下波导层，芯层折射率最高，其余两层折射率较低，芯层提供增益。此激光器外延片的材料体系包括所有可提供增益的材料体系，如InP和GaAs，芯层1200可采用量子阱、量子点或纳米线等结构。
在上述实施例的基础上，上表面金属2100用于实现激光器P面的电注入，材料包括TiAu、TiPtAu等。
上表面金属2100采用TiAu、TiPtAu等材料具有引导电流注入的技术效果。为了降低寄生电容，P面的金属面积往往会做的很小，比如采用腐蚀或剥离等工艺，而且在其下面会填充苯丙环丁烯BCB等低介电常数的材料。
在上述实施例的基础上，下表面金属2200用于N面实现欧姆接触，材料包括TiAu、AuGeNi/Au等。
下表面金属2200采用TiAu、AuGeNi/Au等材料具有形成欧姆接触，降低开启电压的技术效果。
在上述实施例的基础上，上波导层1100上的脊形波导1110的结构包括掩埋异质结、增益导引型。
脊形波导1110是采用刻蚀或腐蚀等方法制作而成，其沿着腔长的宽度可固定也可变化，又或者可以是掩埋异质结、增益导引型等结构。脊形波导1110的宽度变化时，可能产生高阶侧模，为了实现高调制速率，可以通过无源模拟确定脊条宽度和高度，以抑制高阶侧模。
三层平板波导1000的前后腔面还包括薄膜结构。前后腔面是自然解理面，是一对严格平行的平面，用于实现纵向光场限制。为实现更好的性能以及保证器件寿命，前后腔面会镀膜，例如前腔面镀增透膜，后腔面镀高反膜。
以下结合具体实施例对本公开提供的一种采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器作进一步说明。
在本实施例中，采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器采用以InP为基底的商用1550nm外延材料，通过光刻、刻蚀等步骤制作而成，步骤包括：
S1，在外延片上生长二氧化硅或氮化硅等掩模材料；
S2，在所述二氧化硅或氮化硅等掩模材料上采用光刻或电子束曝光等工艺实现图形转移以制作脊形波导(1110)；
S3，在所述脊形波导(1110)上采用刻蚀或腐蚀方法制作表面高阶光栅(1111)，去除二氧化硅或氮化硅等掩模材料；
S4，重复S1至S3，制作脊型波导(1110)；
S5，再次生长二氧化硅或氮化硅等绝缘材料作为电隔离层，在脊型波导(1110)上表面没有凹槽的地方开电注入窗口(通过光刻或电子束曝光转移图形，用刻蚀或腐蚀的方法去掉窗口处的二氧化硅或氮化硅等绝缘材料)；
S6，制作P面金属电极(2100)，通过光刻或电子束曝光转移图形，采用腐蚀或剥离等工艺将P面金属图形化；
S7，磨抛N面衬底，制作N面电极(2200)，最后快速热退火使N面衬底和N面金属形成欧姆接触。
其脊型波导宽度为3微米，脊型波导高度1.7微米，腔长500微米。
图3为53阶表面高阶光栅的反射谱，采用散射矩阵法SMM计算得到，其周期约为12.8微米，占空比89.6％。
图4为53阶表面高阶光栅的损耗谱，采用散射矩阵法SMM计算得到，可见不同波长的损耗差异很大。
图3的反射谱和图4的损耗谱都可以用来选单纵模，不同波长的反射率和损耗差异很大，再结合激光器自身的增益谱，增益和损耗的差值最大的腔模就会激射，其他腔模被抑制。
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，所应理解的是，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 (9)

1.一种采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器，其特征在于，包括：
三层平板波导(1000)，包括至上而下的上波导层(1100)、芯层(1200)及下波导层(1300)，其中，所述上波导层(1100)为脊形，其脊背或脊侧面上形成有表面高阶光栅(1111)；所述表面高阶光栅(1111)的特征尺寸大于1微米；
金属电极(2000)，包括上表面金属(2100)和下表面金属(2200)，所述上表面金属(2100)形成在所述上波导层(1100)的上表面，所述下表面金属(2200)形成在所述下波导层(1300)的下表面；
电绝缘层(3000)，其形成在脊形波导(1110)的所述表面高阶光栅(1111)凹槽表面、脊形波导(1110)的两侧面以及上波导层(1100)除脊形波导(1110)外的其它部分的表面，使得电流只能从脊形波导上表面无刻槽区域注入；所述表面高阶光栅(1111)的总长度大于所述脊形波导(1110)的宽度。
2.根据权利要求1所述的采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器，其特征在于，所述表面高阶光栅(1111)可以设置于腔长任意位置，包括靠近前腔面、远离前腔面。
3.根据权利要求1所述的采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器，其特征在于，所述表面高阶光栅(1111)制作方法包括接触式光刻、电子束曝光制作。
4.根据权利要求1所述的采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器，其特征在于，所述采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器为单次外延器件。
5.根据权利要求1所述的采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器，其特征在于，所述芯层(1200)的结构可以是量子阱、量子点、纳米线。
6.根据权利要求1所述的采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器，其特征在于，所述上表面金属(2100)用于实现激光器P面的电注入，材料包括TiAu、TiPtAu。
7.根据权利要求1所述的采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器，其特征在于，所述下表面金属(2200)用于N面实现欧姆接触，材料包括TiAu、AuGeNi/Au。
8.根据权利要求1所述的采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器，其特征在于，所述上波导层(1100)上的脊形波导(1110)的结构包括掩埋异质结、增益导引型。
9.一种采用表面高阶光栅的直接调制半导体激光器的制备方法，包括：
S1，在外延片上生长二氧化硅或氮化硅掩模材料；
S2，在所述二氧化硅或氮化硅掩模材料上采用光刻或电子束曝光工艺实现图形转移以制作脊形波导(1110)；
S3，在所述脊形波导(1110)上采用刻蚀或腐蚀方法制作表面高阶光栅(1111)，去除二氧化硅或氮化硅掩模材料；所述表面高阶光栅(1111)的特征尺寸大于1微米；
S4，重复S1至S3，制作脊型波导(1110)；
S5，再次生长二氧化硅或氮化硅绝缘材料作为电绝缘层(3000)，在脊型波导(1110)上表面没有凹槽的地方开电注入窗口；所述电绝缘层(3000)形成在脊形波导(1110)的所述表面高阶光栅(1111)凹槽表面、脊形波导(1110)的两侧面以及上波导层(1100)除脊形波导(1110)外的其它部分的表面，使得电流只能从脊形波导上表面无刻槽区域注入；所述表面高阶光栅(1111)的总长度大于所述脊形波导(1110)的宽度；
S6，制作上表面金属(2100)，通过光刻或电子束曝光转移图形，采用腐蚀或剥离工艺将P面金属图形化；
S7，磨抛N面衬底，制作下表面金属(2200)，最后快速热退火使N面衬底和N面金属形成欧姆接触。
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CN105826813A (zh) * 2016-05-06 2016-08-03 华中科技大学 一种基于高阶表面光栅的单模激光器

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基于高阶光栅的高功率单纵模半导体激光器研究;贾鹏;《中国博士学位论文全文库》;20151015;第57-88页 *

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