CN112072463A - 一种采用可吸收光栅的抗反射激光器 - Google Patents

一种采用可吸收光栅的抗反射激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种采用可吸收光栅的抗反射激光器，主要由缓冲层、下层分别限制异质结、有源区、上层分别限制异质结、盖层、接触层、P面金属电极、N面金属电极、高反射膜、增透膜和衍射光栅层组成。衍射光栅层采用双层结构，使得衍射光栅层在具备对激光器光谱的选择特性的同时，能够对于反射光存在一定的吸收作用，以降低对激光器腔内原谐振光的干扰，提高激光器调制带宽的稳定性和降低调制的误码率。此外，衍射光栅层采用部分光栅结构与完整光栅结构相比，通过缩短整个光栅长度来达到增加光栅层的高度的目的，从而能够为衍射光栅层特别是激光吸收层提供足够的高度空间，以达到进一步有效增强反射光吸收效果的目的。

Description

一种采用可吸收光栅的抗反射激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种采用可吸收光栅的抗反射激光器。
背景技术
近年来随着高速光通信需求的发展，需要更大容量的长距离信息传输用的半导体激光器。考虑到从激光器出光端面出射的光在经过聚焦透镜耦合进光纤过程中，会有一部分光沿着原光路反射回激光器腔内对正常谐振光产生干扰，这不仅降低了激光器的调制带宽，而且增加了光芯片的误码率，因此常在激光器出光端面与光纤头中间加入光隔离器。光隔离器的作用是在光通路中防止光反射回光源，即只允许光单向传输的无源器件，要求光隔离器对于正向入射光有低的插入损耗，对于反向反射光有大的隔离度。虽然隔离器的加入提高了光模块的稳定性，但同时也增加了模块的封装成本，并且降低了模块内部的紧凑性。如果能在半导体激光器本身进行新结构设计以降低反射光干扰，将有利于提高光模块的紧凑性，且降低光模块的综合封装成本。
发明内容
本发明所要解决的是现有半导体激光器需要使用光隔离器来防止光反射回光源，从而造成封装成本增加和紧凑性降低的问题，提供一种采用可吸收光栅的抗反射激光器。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种采用可吸收光栅的抗反射激光器，主要由缓冲层、下层分别限制异质结、有源区、上层分别限制异质结、盖层、接触层、P面金属电极、N面金属电极、高反射膜和增透膜组成。其中缓冲层、下层分别限制异质结、有源区、上层分别限制异质结、盖层和接触层自下而上纵向叠置形成晶圆主体。高反射膜位于晶圆主体的背光端面，增透膜位于晶圆主体的出光端面。P面金属电极位于晶圆主体的上表面，N面金属电极位于晶圆主体的下表面。其不同之处是，还进一步增设有衍射光栅层。衍射光栅层由多个相同的光栅体横向周期性排列形成。每个光栅体均为类梯形，并由激光衍射层和激光吸收层叠置而成，即激光衍射层位于光栅体的下层，而激光吸收层位于光栅体的上层，或者激光衍射层位于光栅体的上层，而激光吸收层位于光栅体的下层。激光衍射层的带隙波长小于激光器的激射波长，激光吸收层的带隙波长大于激光器的激射波长。衍射光栅层位于盖层的下部，且其下表面与上层分别限制异质结的上表面相贴。或者衍射光栅层位于缓冲层的上部，并其上表面与下层分别限制异质结的下表面相贴。
上述方案中，激光衍射层由InGaAsP材料制成，激光吸收层由InGaAsP材料或InGaAs材料制成。
上述方案中，激光衍射层和激光吸收层为晶格匹配材料或应力的范围为±3000ppm的微应变材料。
上述方案中，衍射光栅层的占空比介于3/10～3/5之间。
上述方案中，衍射光栅层为一阶衍射光栅或二阶衍射光栅。
上述方案中，衍射光栅层的长度小于晶圆主体的长度。
上述方案中，衍射光栅层的长度与晶圆主体的长度的比值介于3/10～7/10之间。
上述方案中，衍射光栅层位于晶圆主体的出光端面，且其侧面与增透膜相贴。
上述方案中，光栅体靠近下层分别限制异质结的下表面或上层分别限制异质结的上表面。
上述方案中，衍射光栅层的高度也即光栅体的高度为10nm～70nm。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、衍射光栅层采用双层结构，使得衍射光栅层在具备对激光器光谱的选择特性的同时，由于激光吸收层能够对于反射光存在一定的吸收作用，因此当外界反射光沿原光路返回器件中时，激光吸收层会对该反射光进行吸收而实现衰减效果，以降低对激光器腔内原谐振光的干扰，提高激光器的调制带宽稳定性和降低调制的误码率。
2、衍射光栅层采用部分光栅结构，该结构与完整光栅结构相比，通过缩短整个光栅长度来达到增加光栅层的高度的目的，从而能够为衍射光栅层特别是激光吸收层提供足够的高度空间，以达到进一步有效增强反射光吸收效果的目的。
附图说明
图1为本发明一种采用可吸收光栅的抗反射激光器的结构示意图。
图2为衍射光栅层的占空比示意图。
图3为本发明首次外延生长结束后示意图。
图4为本发明部分光栅结构衍射光栅层制作完成后的示意图。
图5为本发明进行二次外延生长结束后将光栅掩埋后的示意图。
图6为本发明的激光器纵向截面的带隙分布情况。
图7为本发明的激光器前后端面的反射率情况。
图中标号：1、N面金属电极；2、缓冲层；3、下层分别限制异质结；4、有源区；5、上层分别限制异质结；6、激光衍射层；7、激光吸收层；8、盖层、9、接触层；10、P面金属电极；11、高反射膜；12、增透膜；13、光栅表面盖层；14、顶部保护层。
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，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
参见图1，一种采用可吸收光栅的抗反射激光器，由缓冲层2、下层分别限制异质结3(Separate Confinement Heterojunction SCH)、有源区4、上层分别限制异质结5、盖层8、接触层9、P面金属电极10、N面金属电极1、高反射膜11和增透膜12组成。缓冲层2、下层分别限制异质结3、有源区4、上层分别限制异质结5、盖层8和接触层9自下而上纵向叠置形成晶圆主体。在本发明中，缓冲层2和盖层8采用InP(磷化铟)材料制成；下层分别限制异质结3、有源区4和上层分别限制异质结5均由InAlGaAs(铟铝镓砷)材料制成，其结构也可以由InGaAsP(铟镓砷磷)材料制作而成；接触层9由InGaAs(铟镓砷)材料制成。高反射膜11位于晶圆主体的背光端面，其反射率约为83％；增透膜12位于晶圆主体的出光端面，其反射率小于1％。P面金属电极10位于晶圆主体的上表面，N面金属电极1位于晶圆主体的下表面。在本发明优选实施例中，激光器整个腔长范围为100μm-3000μm。为能够避免沿着原光路反射回激光器腔内的反射光对腔内的正常谐振光产生干扰，所述晶圆主体内还增设有包括可吸收材料的衍射光栅层。
衍射光栅层由多个相同的光栅体横向周期性排列形成。每个光栅体均为类梯形，如为规则梯形、拱形、三角型、正弦型等。当衍射光栅层位于上层分别限制异质结5的上表面时，每个光栅体的上底面的长度大于其下底面(即与上层分别限制异质结5相贴的一面)的长度，此时每2个光栅体之间形成倒梯形的间隙。当衍射光栅层位于下层分别限制异质结3的上表面时，情形与上述描述一致。按照不同的工作波长制作不同周期的光栅，已知光栅的周期Λ＝λ/(2*n)，n为光栅材料的有效折射率，λ为光栅作用的波长。衍射光栅层为一阶衍射光栅或二阶衍射光栅，在本发明优选实施例中，衍射光栅层为一阶衍射光栅。在本发明优选实施例中，如图2所示，衍射光栅层的占空比x/y介于3/10～3/5之间。当衍射光栅层位于上层分别限制异质结5的上表面时，其占空比即为每个光栅体的上底面的长度与2个光栅体之间的距离的比值。当衍射光栅层位于下层分别限制异质结3的上表面时，其占空比即为每个光栅体的下底面的长度与2个光栅体之间的距离的比值。
衍射光栅层的每个光栅体均由激光衍射层6和激光吸收层7叠置而成。激光衍射层6和激光吸收层7的上下层位置关系可以根据需要进行设计：其可以是激光衍射层6位于光栅体的上层，激光吸收层7位于光栅体的下层；也可以是是激光衍射层6位于光栅体的下层，激光吸收层7位于光栅体的上层。在本发明优选实施例中，激光衍射层6位于光栅体的下层，激光吸收层7位于光栅体的上层。激光衍射层6的带隙波长小于激光器的激射波长(即激射的光子能量)，其对处于工作波长的激光不存在吸收作用。激光吸收层7的带隙波长大于激光器的激射波长(即激射的光子能量)，其对处于工作波长的激光具有吸收作用。由于激光衍射层6对处于工作波长的激光不存在吸收作用，而激光吸收层7对激光波长具有吸收作用，因此可以让衍射光栅层在保证光栅的衍射作用的前提下，增加对外界反射光的吸收效果。此外，在保证衍射光栅层整体高度的前提下，通过调整激光衍射层6和激光吸收层7的厚度关系，能够达到抗反射吸收光栅的吸收效率的目的。激光衍射层6由InGaAsP材料制成，激光吸收层7由InGaAsP材料，或者InGaAs材料(即将InGaAsP材料中的P的含量降为0)制成。激光衍射层6和激光吸收层7可以设计为与InP晶格匹配或者存在微应力，应力的范围为±3000ppm。
在纵向方向上，衍射光栅层位于盖层8的下部，且其下表面与上层分别限制异质结5的上表面相贴；或者衍射光栅层位于缓冲层2的上部，并其上表面与下层分别限制异质结3的下表面相贴。在横向方向上，衍射光栅层可以为完整光栅结构或部分光栅结构。当衍射光栅层为完整光栅结构时，衍射光栅层的长度可以与晶圆主体的长度相等，即衍射光栅层完整覆盖于上层分别限制异质结的上表面，或衍射光栅层完整覆盖于下层分别限制异质结3的下表面。当衍射光栅层为部分光栅结构时，衍射光栅层的长度小于晶圆主体的长度，即衍射光栅层部分覆盖于上层分别限制异质结5的上表面，或衍射光栅层部分覆盖于下层分别限制异质结3的下表面。在本发明优选实施例中，衍射光栅层为部分光栅结构，且衍射光栅层的长度小于晶圆主体的长度，其比值介于3/10～7/10之间。在制作部分光栅结构的衍射光栅层时，首先采用全息曝光方式和化学刻蚀的方式在上层分别限制异质结5的上表面或下层分别限制异质结3的下表面制作均匀光栅，接下来利用光刻版掩膜曝光加刻蚀的方式将均匀光栅去除一部分，制作成部分光栅结构的衍射光栅层。根据光栅衍射理论，光栅长度L与光栅耦合系数κ之间需要满足κ*L＝0.5～1.5的关系，因此当采用部分光栅结构的衍射光栅层时，需要将衍射光栅层的耦合系数提高，而提高耦合系数需要增加衍射光栅层的高度，因此能够增加衍射光栅层的整体厚度，从而能够为激光吸收层7提供足够的高度空间，以进一步增强反射光吸收效果。在本发明优选实施例中，衍射光栅层的高度也即总刻蚀深度设计为10nm～70nm。由于衍射光栅层的高度决定光栅体的高度，当衍射光栅层的高度为10nm～70nm时，每个光栅体的高度均等高，且其高度均为10nm～70nm。部分光栅结构的衍射光栅层位于晶圆主体的出光端面，且其侧面与增透膜12相贴，将衍射光栅层设在出光端面一侧能够更为有效地吸收反射光，以降低反射光进入光腔内部对原腔内谐振光的影响。
上述采用可吸收光栅的抗反射激光器，制备步骤包括以下三个主要步骤：
步骤1：首先利用金属有机物化学气相外延技术(Metal Organic Chemical VaporDeposition MOCVD)在InP衬底上面生长N型掺杂InP缓冲层2、InAlGaAs下层分别限制异质结3、InAlGaAs有源区4、InAlGaAs上层分别限制异质结5、InGaAsP激光衍射层6、InGaAsP或InGaAs激光吸收层7。此外，在第一次外延生长时会在光栅表面生长一层厚度约为10nm-25nm的InP光栅表面盖层13用以保护底部的光栅材料。如图3所示。
步骤2、首先，按照不同的工作波长制作不同周期的光栅，已知光栅的周期Λ＝λ/(2*n)，n为光栅材料的有效折射率，λ为光栅作用的波长。衍射光栅层的总蚀刻深度为10nm～70nm，占空比为3/10～3/5。利用全息曝光加化学刻蚀的方式将InGaAsP激光衍射层6、InGaAsP或InGaAs激光吸收层7制作成为一阶、二阶衍射光栅，由此得到完整的光栅结构的衍射光栅层。然后，采用二次套刻技术利用光刻版掩膜的方式将衍射光栅层中靠近背光端面的一部分光栅去除，最终制作成有光栅长度占整个腔长的比例为3/10～7/10的部分光栅结构的衍射光栅层。如图4所示。
步骤3、将制作好部分光栅结构的衍射光栅层的样品放入MOCVD中进行二次外延生长，为了保证在加热过程中光栅表面不会因温度升高而分解变形，在步骤1中光栅材料表面的InP在制作光栅完成后依然保留在每个光栅齿牙表面即上表面，在升温过程中反应室内通入一定量的PH3起到抑制表面材料分解的作用，同时升温导致的表面InP会迁移至光栅凹槽内实现对光栅表面形貌的保护，并且在反应室温度接近生长温度时采用边升温边生长的方式将光栅表面快速用InP覆盖，开始生长的温度采用570℃，并逐渐升高至600℃，之后完成InP盖层8和InGaAs接触层9以及最顶部的InP顶部保护层14的生长。如图5所示。
步骤4、用紫外光刻加化学刻蚀的方式在晶圆表面制作出宽度为2μm的脊型结构，除去脊波导表面的InP保护层，用PECVD镀一层SiO2或Si3N4，去除脊型InGaAs上面的SiO2或Si3N4，在重掺杂的InGaAs材料表面制作P型电极，并采用化学电镀的方式将P面金属电极10加厚，将晶圆背面减薄至约100μm后在表面制作N型电极,将晶圆切割成为Bar条后，在有光栅一侧镀增透膜12，反射率小于1％，无光栅一侧镀高反射膜11，反射率约为83％，最后经过裂片制作成为单个激光器芯片。
本发明提出的双层结构的衍射光栅层，可采用已经存在的成熟工艺进行制作，制作工艺简单，可实现晶圆级别的大规模制作，成品率高。另外，可以通过调整衍射光栅层中两种材料的厚度关系优化光栅的抗反射的效果，也可以调整有衍射光栅层的长度占整个激光器腔长的比例优化激光器性能。再者，由于出射光经光纤头反射后返回激光器腔内过程中经过衍射光栅层时能被有效吸收，反射光可以衰减至不影响激光器腔内原有的谐振光，因此本发明可以在封装时省去价格昂贵的隔离器，降低封装成本，提高封装的紧凑性。
根据我们建立的模型进行的模拟仿真，激光器纵向截面的带隙分布情况如图6，激光器前后端面的反射率情况如图7。当采用本发明提出的双层结构的衍射光栅层时，反射光沿着光栅右侧向内传输至光栅左侧时，反射光强度的吸收损耗达到了12dB，可有效降低反射光对腔内原谐振光的影响，本发明专利采用的组合材料衍射光栅可有效降低反射光的影响，提高激光器对光纤的耦合效率，提高调制带宽。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种采用可吸收光栅的抗反射激光器，主要由缓冲层(2)、下层分别限制异质结(3)、有源区(4)、上层分别限制异质结(5)、盖层(8)、接触层(9)、P面金属电极(10)、N面金属电极(1)、高反射膜(11)和增透膜(12)组成；其中缓冲层(2)、下层分别限制异质结(3)、有源区(4)、上层分别限制异质结(5)、盖层(8)和接触层(9)自下而上纵向叠置形成晶圆主体；高反射膜(11)位于晶圆主体的背光端面，增透膜(12)位于晶圆主体的出光端面；P面金属电极(10)位于晶圆主体的上表面，N面金属电极(1)位于晶圆主体的下表面；
其特征是，还进一步增设有衍射光栅层；
衍射光栅层由多个相同的光栅体横向周期性排列形成；每个光栅体均为类梯形，并由激光衍射层(6)和激光吸收层(7)叠置而成，即激光衍射层(6)位于光栅体的下层，而激光吸收层(7)位于光栅体的上层，或者激光衍射层(6)位于光栅体的上层，而激光吸收层(7)位于光栅体的下层；激光衍射层(6)的带隙波长小于激光器的激射波长，激光吸收层(7)的带隙波长大于激光器的激射波长；
衍射光栅层位于盖层(8)的下部，且其下表面与上层分别限制异质结(5)的上表面相贴；或者衍射光栅层位于缓冲层(2)的上部，并其上表面与下层分别限制异质结(3)的下表面相贴。
2.根据权利要求1所述的一种采用可吸收光栅的抗反射激光器，其特征是，激光衍射层(6)由InGaAsP材料制成，激光吸收层(7)由InGaAsP材料或InGaAs材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种采用可吸收光栅的抗反射激光器，其特征是，激光衍射层(6)和激光吸收层(7)为晶格匹配材料或应力的范围为±3000ppm的微应变材料。
4.根据权利要求1所述的一种采用可吸收光栅的抗反射激光器，其特征是，衍射光栅层的占空比介于3/10～3/5之间。
5.根据权利要求1所述的一种采用可吸收光栅的抗反射激光器，其特征是，衍射光栅层为一阶衍射光栅或二阶衍射光栅。
6.根据权利要求1所述的一种采用可吸收光栅的抗反射激光器，其特征是，衍射光栅层的长度小于晶圆主体的长度。
7.根据权利要6所述的一种采用可吸收光栅的抗反射激光器，其特征是，衍射光栅层的长度与晶圆主体的长度的比值介于3/10～7/10之间。
8.根据权利要求1或6所述的一种采用可吸收光栅的抗反射激光器，其特征是，衍射光栅层位于晶圆主体的出光端面，且其侧面与增透膜(12)相贴。
9.根据权利要求1所述的一种采用可吸收光栅的抗反射激光器，其特征是，光栅体靠近下层分别限制异质结(3)的下表面或上层分别限制异质结(5)的上表面。
10.根据权利要求1所述的一种采用可吸收光栅的抗反射激光器，其特征是，衍射光栅层的高度也即光栅体的高度为10nm～70nm。
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