CN112072470A - 多波长激光器阵列及其制作方法 - Google Patents

多波长激光器阵列及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多波长激光器阵列及其制作方法，其中，该多波长激光器阵列，包括至少三个激光器设置于同一衬底上，其中，每个激光器包括：在所述衬底上依次生长的下脊波导层、中间有源层和上脊波导层；其中，至少三个激光器的中间有源层的有源材料的发光波长不同。本发明提供的该多波长激光器阵列及其制作方法，采用对接生长技术获得具有不同发光波长的增益材料，有利于提高激光器阵列光电性能的一致性。

Description

多波长激光器阵列及其制作方法
技术领域
本发明涉及光电子器件领域，特别涉及一种多波长激光器阵列及其制作方法。
背景技术
随着光电子技术的快速发展，越来越多具有不同功能的激光器件逐渐深入各个领域。在相关技术中，相对于多个分立的激光器，单片集成多波长激光器阵列的使用可以有效的降低光纤通信系统功耗，提高系统可靠性和可维护性及减小系统体积，从而显著提升系统性能。
在实现本发明构思的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题，当激光器阵列信道数量较多，或者信道间隔较大时，其不同信道单元发光波长跨度较大，采用单一的有源区材料时会导致部分激光器工作波长偏离增益波长较远，引起激光器阵列中部分单元激光器性能恶化。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种多波长激光器阵列及其制作方法，以至少部分解决以上技术问题。
本发明在一方面提供了一种多波长激光器阵列，包括至少三个激光器设置于同一衬底上，其中，每个所述激光器包括：在所述衬底上依次生长的下脊波导层、中间有源层和上脊波导层；其中，至少三个所述激光器的中间有源层的有源材料的发光波长不同。
可选地，所述上脊波导层包括：具有渐变波导宽度的第一模斑转换器脊波导，所述第一模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由第一波导宽度减小至第二波导宽度，具有所述第二波导宽度的端面为激光器发光端面。
可选地，所述上脊波导层还包括：具有渐变波导宽度的第二模斑转换器脊波导，所述第二模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由第一波导宽度减小至所述第二波导宽度或第三波导宽度，具有所述第二波导宽度或所述第三波导宽度的端面为激光器发光端面。
可选地，所述上脊波导层还包括：具有所述第一波导宽度的有源器件区脊波导，与所述第一模斑转换器脊波导和/或所述第二模斑转换器脊波导的具有所述第一波导宽度的端面相连接。
可选地，所述上脊波导层的宽度小于所述下脊波导层的宽度。
可选地，所述中间有源层自所述下脊波导层至上依次包括下限制层、量子阱层、上限制层和光栅层。
本发明另一方面提供了一种多波长激光器阵列的制作方法，包括：在衬底上依次生长缓冲层、远场缩减层、间隔层和第一有源材料层；对所述衬底进行阵列划分，选择性腐蚀掉部分阵列区域的所述第一有源材料层；在被腐蚀掉的所述部分阵列区域上对接生长第二有源材料层，所述第二有源材料层和所述第一有源材料层具有不同的发光波长；重复所述选择性腐蚀和所述对接生长的过程，得到具有至少三种发光波长的有源材料层构成的多波长激光器阵列基片；在所述多波长激光器阵列基片上生长包层和接触层；根据所述包层和所述接触层制作每个所述激光器的上脊波导；以及根据部分的所述具有至少三种发光波长的有源材料层、所述间隔层、所述远场缩减层和部分的所述缓冲层制作每个所述激光器的下脊波导。
可选地，根据所述包层和所述接触层制作每个所述激光器的上脊波导包括：将所述多波长激光器阵列基片划分为多个区域，每个所述区域确定一个激光器，且每个所述区域中包括具有单一发光波长的有源材料层；根据每个所述区域中的具有单一发光波长的有源材料层上的所述包层和所述接触层，制作具有第一波导宽度的有源器件区脊波导和与所述有源器件区脊波导连接的具有渐变波导宽度的模斑转换器脊波导；以及将所述有源器件区脊波导和所述模斑转换器脊波导作为所述区域的激光器的上脊波导。
可选地，制作与所述有源器件区脊波导连接的具有渐变波导宽度的模斑转换器脊波导包括：制作具有渐变波导宽度的第一模斑转换器脊波导，其中，所述第一模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由所述第一波导宽度减小至第二波导宽度，且所述有源器件区脊波导的第一端面与所述第一模斑转换器脊波导的具有所述第一波导宽度的端面相连接；和/或制作具有渐变波导宽度的第二模斑转换器脊波导，其中，所述第二模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由所述第一波导宽度减小至所述第二波导宽度或第三波导宽度，且所述有源器件区脊波导的第二端面与所述第二模斑转换器脊波导的具有所述第一波导宽度的端面相连接。
可选地，制作每个所述激光器的下脊波导还包括：根据与所述第一模斑转换器脊波导和/或所述第二模斑转换器脊波导垂直对应位置下的所述具有单一发光波长的有源材料层、所述间隔层、所述远场缩减层和部分的所述缓冲层制作下脊波导。
本发明提供的该多波长激光器阵列及其制作方法，具有以下有益效果：
(1)采用对接生长技术获得具有不同发光波长的增益材料，有利于提高激光器阵列光电性能的一致性；
(2)用于模斑转换器制作的远场缩减层为整个激光器阵列共用，简化了器件制作工艺；
(3)为激光器阵列单元集成了模斑转换器以提高器件与光纤及其他波导的耦合效率。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明实施例的多波长激光器阵列的三维结构示意图；
图2示意性示出了根据本发明实施例的多波长激光器阵列的截面图；以及
图3示意性示出了根据本发明实施例的多波长激光器阵列的制作方法的流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
发明人在实现本发明构思的过程中发现，单片集成多波长激光器阵列在制作和使用方面仍然面临一些难题。首先，当激光器阵列信道数量较多，或者信道间隔较大时，其不同信道单元发光波长跨度较大，采用单一的有源区材料时会导致部分激光器工作波长偏离增益波长较远，引起激光器阵列中部分单元激光器性能恶化。其次，基于化合物半导体材料的波导的近场光斑小且不对称，导致远场发散角大且不对称。当半导体器件与光纤直接耦合时，由于光纤和半导体波导的模场不匹配，耦合损耗可高达10dB，同时对准容差较小，这无疑增加了封装难度和成本。
有鉴于此，本发明公开了一种多波长激光器阵列及其制作方法，该激光器阵列包括：至少三个激光器设置于同一衬底上，其中，每个激光器包括：在所述衬底上依次生长的下脊波导层、中间有源层和上脊波导层；其中，至少三个激光器的中间有源层的有源材料的发光波长不同。
通过本发明的上述实施例，由于采用对接生长技术获得具有不同发光波长的增益材料，以实现在多波长激光器阵列中对不同单元激光器针对性的设置具有不同发光波长的中间有源层，有利于提高具有不同信道单元的激光器阵列光电性能的一致性。
图1示意性示出了根据本发明实施例的多波长激光器阵列的三维结构示意图。
图2示意性示出了根据本发明实施例的多波长激光器阵列的截面图。
如图1和图2所示，示意性示出了具有两个激光器单元的激光器阵列，该激光器阵列包括衬底10、缓冲层20、远场缩减层30、间隔层40、第一有源材料层50、第二有源材料层60、包层70和接触层80。
根据本发明的实施例，形成上述第一有源材料层50和第二有源材料层60的有源材料的发光波长不同，分别用于制作具有不同发光波长的两个激光器，得到一个针对不同信道的激光器单元制备的具有不同发光波长的激光器阵列。
根据本发明的实施例，包层70和接触层80形成具有W1和W2(W2＜W1)宽度的上脊波导，其中，该上脊波导包括有源器件区脊波导L，其波导宽度为W1，以及具有渐变波导宽度的模斑转换器脊波导T，其波导宽度表现为从W1逐渐减小为W2的结构，并以具有W2宽度的面作为激光器发光端面。
需要说明的是，上述模斑转换器脊波导T可以为两个，分别设置于有源器件区脊波导L的两端，两个模斑转换器脊波导均具有从W1逐渐减小为W2或W2’的渐变波导宽度。其中，W2≠W2’，以适应更多样化的出光需求。
根据本发明的实施例，上述部分缓冲层20、远场缩减层30、间隔层40、部分第一有源材料层50和部分第二有源材料层60形成具有W3宽度的下脊波导。
需要说明的是，衬底10、缓冲层20和远场缩减层30可为激光器阵列中不同的激光器单元间共用，以简化器件制作工艺。且其中，W1、W2均小于W3。
根据本发明的实施例，上述第一有源材料层50和第二有源材料层60均包括上下限制层和位于两者之间的多量子阱层，以及位于限制层之上的光栅结构。
通过本发明的上述实施例，根据模斑转换器可以几乎绝热地将波导的不对称近场分布转换为对称的输入或输出近场的能力，本发明为激光器阵列单元集成了模斑转换器，有效解决了基于化合物半导体材料的波导的近场光斑小且不对称，导致远场发散角大且不对称，尤其是当半导体器件与光纤直接耦合时，由于光纤和半导体波导的模场不匹配，耦合损耗可高达10dB，同时对准容差较小，增加封装难度和成本的问题，从而提高了器件与光纤及其他波导的耦合效率。
图3示意性示出了根据本发明实施例的多波长激光器阵列的制作方法的流程图。
参见图1和图3所示，该方法包括操作S301～S307。
在操作S301，在衬底上依次生长缓冲层、远场缩减层、间隔层和第一有源材料层。
根据本发明的实施例，以InP基材料体系为例，衬底10为InP衬底，缓冲层20为InP缓冲层，远场缩减层30为InGaAsP远场缩减层，间隔层40为InP间隔层。
在操作S302，对衬底进行阵列划分，选择性腐蚀掉部分阵列区域的第一有源材料层。
根据本发明的实施例，将第一有源材料层及其下的间隔层40、远场缩减层30、缓冲层20和衬底10作为基片，利用光刻胶或者SiO2介质掩膜保护基片上激光器L1所在的区域A1，选择性腐蚀去掉未保护的激光器L2所在区域A2的第一有源材料层。
在操作S303，在被腐蚀掉的部分阵列区域上对接生长第二有源材料层，第二有源材料层和第一有源材料层具有不同的发光波长。
根据本发明的实施例，第一有源材料层50和第二有源材料层60均为InGaAsP有源材料层。需要说明的是，InGaAsP有源材料层的最上部可设置InGaAsP光栅层，用于制作光栅，InGaAsP有源材料层的InGaAsP光栅层下为InGaAsP或InGaAlAs量子阱材料，包括上/下分别限制层及两者间的多量子阱层。
根据本发明的实施例，对接生长InGaAsP有源材料层60，但其发光波长与InGaAsP有源材料层50的发光波长不同。
在操作S304，重复选择性腐蚀和对接生长的过程，得到具有至少三种发光波长的有源材料层构成的多波长激光器阵列基片。
根据本发明的实施例，重上述操作S302和S303，即保护部分基片区域，选择性腐蚀去掉未保护部分的已有有源材料，通过对接生长可以获得三种以上的具有不同发光波长的有源材料。
在操作S305，在多波长激光器阵列基片上生长包层和接触层。
根据本发明的实施例，将新生长的有源材料层(包括有源材料层50、60和其他新生长的有源材料层等)及其下的间隔层40、远场缩减层30、缓冲层20和衬底10作为基片，在基片上依次生长InP包层70及InGaAs接触层80。
在操作S306，根据包层和接触层制作每个激光器的上脊波导。
在操作S307，根据部分的上述具有至少三种发光波长的有源材料层、间隔层、远场缩减层和部分的缓冲层制作每个激光器的下脊波导。
通过本发明的上述实施例，可以使阵列中各激光器单元工作波长与有源材料增益波长接近，有利于提高激光器阵列的光电性能。
进一步的，在一些实施例中，上述操作S306还包括：将多波长激光器阵列基片划分为多个区域，每个区域确定一个激光器，且每个区域中包括具有单一发光波长的有源材料层；根据每个区域中的具有单一发光波长的有源材料层上的包层和接触层，制作具有第一波导宽度的有源器件区脊波导和与有源器件区脊波导连接的具有渐变波导宽度的模斑转换器脊波导；以及将有源器件区脊波导和模斑转换器脊波导作为区域的激光器的上脊波导。
根据本发明的实施例，使用干法或湿法刻蚀技术在包层70及接触层80制作脊型波导，其中有源器件区脊波导L(即图1中的LD区域)宽度W1不变，模斑转换器脊波导T(即图1中的SSC区域)宽度由有源器件端的W1向器件发光端面S逐渐减小至W2。
更进一步的，在一些实施例中，上述制作与有源器件区脊波导连接的具有渐变波导宽度的模斑转换器脊波导包括：制作具有渐变波导宽度的第一模斑转换器脊波导，其中，第一模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由第一波导宽度减小至第二波导宽度，且有源器件区脊波导的第一端面与第一模斑转换器脊波导的具有第一波导宽度的端面相连接；和/或制作具有渐变波导宽度的第二模斑转换器脊波导，其中，第二模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由第一波导宽度减小至第二波导宽度或第三波导宽度，且有源器件区脊波导的第二端面与第二模斑转换器脊波导的具有第一波导宽度的端面相连接。
根据本发明的实施例，模斑转换器脊波导可仅制作于有源器件区的一侧，也可以制作于有源器件区脊波导的两侧，以供器件两端同时与光纤耦合使用，同时可适应不同种光纤耦合需求。
进一步的，在一些实施例中，上述操作S307还包括：根据与第一模斑转换器脊波导和/或第二模斑转换器脊波导垂直对应位置下的具有单一发光波长的有源材料层、间隔层、远场缩减层和部分的缓冲层制作下脊波导。
根据本发明的实施例，利用间隔层40、远场缩减层30及部分缓冲层10制作下脊波导X。
需要说明的是，在本发明的多波长激光器阵列中，有源器件区脊波导L及模斑转换器脊波导T的宽度小于下脊波导X的宽度W3，并可位于下脊波导X中间位置，下脊波导X可以仅在模斑转换器脊波导对应的位置下制作，也可以在包括有源器件区脊波导在内的整个芯片区域制作。
通过本发明的上述实施例，在器件发光端面S，由于模斑转换器脊波导T宽度小，有效折射率减小，光场强度主要分布于下脊波导X。同时，由于远场缩减层厚度较小，下脊波导X的主要部分是厚度较大的InP间隔层，这使器件耦合端面S处波导的近场光斑较大，从而可以获得小且对称的远场发散角，提高与光纤的耦合效率。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种多波长激光器阵列，包括至少三个激光器设置于同一衬底上，其中，每个所述激光器包括：
在所述衬底上依次生长的下脊波导层、中间有源层和上脊波导层；
其中，至少三个所述激光器的中间有源层的有源材料的发光波长不同。
2.根据权利要求1所述的激光器阵列，其中，所述上脊波导层包括：
具有渐变波导宽度的第一模斑转换器脊波导，所述第一模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由第一波导宽度减小至第二波导宽度，具有所述第二波导宽度的端面为激光器发光端面。
3.根据权利要求2所述的激光器阵列，其中，所述上脊波导层还包括：
具有渐变波导宽度的第二模斑转换器脊波导，所述第二模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由第一波导宽度减小至所述第二波导宽度或第三波导宽度，具有所述第二波导宽度或所述第三波导宽度的端面为激光器发光端面。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的激光器阵列，其中，所述上脊波导层还包括：
具有所述第一波导宽度的有源器件区脊波导，与所述第一模斑转换器脊波导和/或所述第二模斑转换器脊波导的具有所述第一波导宽度的端面相连接。
5.根据权利要求4所述的激光器阵列，其中，所述上脊波导层的宽度小于所述下脊波导层的宽度。
6.根据权利要求1所述的激光器阵列，其中，所述中间有源层自所述下脊波导层至上依次包括下限制层、量子阱层、上限制层和光栅层。
7.一种多波长激光器阵列的制作方法，包括：
在衬底上依次生长缓冲层、远场缩减层、间隔层和第一有源材料层；
对所述衬底进行阵列划分，选择性腐蚀掉部分阵列区域的所述第一有源材料层；
在被腐蚀掉的所述部分阵列区域上对接生长第二有源材料层，所述第二有源材料层和所述第一有源材料层具有不同的发光波长；
重复所述选择性腐蚀和所述对接生长的过程，得到具有至少三种发光波长的有源材料层构成的多波长激光器阵列基片；
在所述多波长激光器阵列基片上生长包层和接触层；
根据所述包层和所述接触层制作每个所述激光器的上脊波导；以及
根据部分的所述具有至少三种发光波长的有源材料层、所述间隔层、所述远场缩减层和部分的所述缓冲层制作每个所述激光器的下脊波导。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其中，根据所述包层和所述接触层制作每个所述激光器的上脊波导包括：
将所述多波长激光器阵列基片划分为多个区域，每个所述区域确定一个激光器，且每个所述区域中包括具有单一发光波长的有源材料层；
根据每个所述区域中的具有单一发光波长的有源材料层上的所述包层和所述接触层，制作具有第一波导宽度的有源器件区脊波导和与所述有源器件区脊波导连接的具有渐变波导宽度的模斑转换器脊波导；以及
将所述有源器件区脊波导和所述模斑转换器脊波导作为所述区域的激光器的上脊波导。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其中，制作与所述有源器件区脊波导连接的具有渐变波导宽度的模斑转换器脊波导包括：
制作具有渐变波导宽度的第一模斑转换器脊波导，其中，所述第一模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由所述第一波导宽度减小至第二波导宽度，且所述有源器件区脊波导的第一端面与所述第一模斑转换器脊波导的具有所述第一波导宽度的端面相连接；和/或
制作具有渐变波导宽度的第二模斑转换器脊波导，其中，所述第二模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由所述第一波导宽度减小至所述第二波导宽度或第三波导宽度，且所述有源器件区脊波导的第二端面与所述第二模斑转换器脊波导的具有所述第一波导宽度的端面相连接。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其中，制作每个所述激光器的下脊波导还包括：
根据与所述第一模斑转换器脊波导和/或所述第二模斑转换器脊波导垂直对应位置下的所述具有单一发光波长的有源材料层、所述间隔层、所述远场缩减层和部分的所述缓冲层制作下脊波导。
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