CN112152076A - 可调谐激光器芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可调谐激光器芯片。本发明的可调谐激光器芯片，包括：一光电发射单元，发射激光；一波长调谐单元，与所述光电发射单元电性分隔，调谐所述激光的波长；所述波长调谐单元包括至少一薄膜热电堆，所述薄膜热电堆间相互串联；所述波长调谐单元直接集成在所述光电发射单元中。本发明的可调谐激光器芯片可独立工作并实现波长的调谐，芯片及其封装模块集成度高，调制速率高，调制波长范围大。

Description

可调谐激光器芯片
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，尤其涉及一种可调谐激光器芯片。
背景技术
与本案相关的现有技术可以参考如下几种可调谐激光器的技术：主要有垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称VCSEL）、分布式反馈激光器（Distributed Feedback Laser，简称DFB）、分布布拉格反射激光器（Distributed BraggReflection，简称DBR）以及取样光栅分布布拉格反射激光器（Sampled GratingDistributed BraggReflector，简称SGDBR）等技术。
可调谐方式主要有三种：微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)调谐、电流调谐、以及温度调谐。基于MEMS技术的调谐方法是通过在谐振腔上方形成悬臂梁或薄膜结构，在悬臂梁或薄膜与固定器件之间施加偏压形成静电力，悬臂梁或薄膜上下移动，谐振腔长度改变，进而实现波长调谐，但器件结构复杂易失效，成品率低；电流调谐是通过给上下DBR注入不同电流，使材料折射率改变，从而改变腔的谐振波长，使器件输出不同波长的激光，但注入电流会与工作电流互扰，影响其稳定性；温度调谐技术的原理是调整有源区折射率和量子阱温度，进而改变输出波长，是最简便、可靠、经济的调谐技术路线，但裸芯片必须配合温度控制单元使用才能实现调制功能，该温度控制单元通常为半导体制冷器(Thermal electric cooler, 简称TEC)，两个独立的部件配合使用，体积大，芯片、器件及模块的集成度低，调制速率慢，调制波长范围小，调谐效果差。
所以，有必要设计一种新的可调谐激光器芯片以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种可调谐激光器芯片。
为实现前述目的，本发明采用如下技术方案：一种可调谐激光器芯片，包括：一光电发射单元，发射激光；一波长调谐单元，与所述光电发射单元电性分隔，调谐所述激光的波长；所述波长调谐单元包括至少一薄膜热电堆，所述薄膜热电堆间相互串联；所述波长调谐单元直接集成在所述光电发射单元中。
作为本发明的进一步改进，所述光电发射单元和所述波长调谐单元通过键合或直接生长的方式集成。
作为本发明的进一步改进，所述薄膜热电堆包括：一绝缘热阻层；至少两个P型热电臂，生长在所述绝缘热阻层一侧；至少两个N型热电臂，与所述P型热电臂呈电串联、热并联连接，生长在所述绝缘热阻层另一侧。
作为本发明的进一步改进，所述N型热电臂与P型热电臂的电串联节点分布在绝缘热阻层的上下表面。
作为本发明的进一步改进，所述光电发射单元为垂直腔面发射激光器VCSEL芯片。
作为本发明的进一步改进，所述VCSEL芯片单元包括外延晶圆，所述外延晶圆包括：一N型单晶衬底，以及依次外延生长在所述N型单晶衬底上的：N型布拉格反射层、多量子阱有源区、选择性氧化限制层、P型布拉格反射层、P型重掺电流扩展层；所述VCSEL芯片单元还包括依次生长在所述外延晶圆正面的P型欧姆接触层、介电薄膜光学钝化层、沟槽填平层；所述VCSEL芯片单元还包括生长在所述外延晶圆背面的SiON应力补偿层，经刻蚀形成刻蚀沟槽，所述刻蚀沟槽内生长有N型欧姆接触层，所述N型欧姆接触层与所述N型单晶衬底背面形成欧姆接触。
作为本发明的进一步改进，所述刻蚀沟槽呈叉指状，所述N型欧姆接触层为叉指N型欧姆接触层。
作为本发明的进一步改进，所述薄膜热电堆直接生长或键合在所述SiON应力补偿层上。
作为本发明的进一步改进，所述光电发射单元的中心激射波长为800-1600nm。
作为本发明的进一步改进，所述N型欧姆接触层引出第一电极焊片，所述第一电极焊片位于所述N型单晶衬底背面一侧，所述薄膜热电堆引出第二电极焊片、第三电极焊片，所述第二电极焊片、第三电极焊片位于所述SiON应力补偿层上，且与所述N型欧姆接触层及所述第一电极焊片绝缘。
本发明的积极进步效果如下。
（1）本发明采用温度调谐技术原理调谐激光的波长，现有技术采用温度调谐时，裸芯片必须配合温度控制单元使用，该温度控制单元通常为TEC，体量大，占用空间大，与现有技术相比，本发明的可调谐激光器芯片无需与TEC配合封装，可独立工作并实现波长调谐，芯片及其封装模块集成度高，大大减小了设备体积，更加方便，调制速率高，调制波长范围大，有利于批量化生产。
（2）本发明将薄膜热电堆作为激光器芯片的波长调谐单元，现有技术中薄膜热电堆只应用于热探测领域，还未有应用于激光器波长调谐上的先例，本发明将薄膜热电堆应用在激光器温度上，实现了激光波长的可调谐，是一次重大突破。
（3）本发明将光电发射单元和波长调谐单元集成在激光器芯片中，现有技术中实现温度调谐基于宏观热电材料组成的半导体制冷模块TEC，器件变温和波长调谐灵敏度差，波长调谐滞后，本发明采用微观薄膜热电堆并与光电发射芯片集成，芯片变温响应灵敏度高，波长调谐速度更快。
附图说明
图1为本发明可调谐激光器芯片实施例中VCSEL芯片单元的整体结构示意图；
图2 为本发明可调谐激光器芯片实施例中薄膜热电堆的结构示意图；
图3为本发明可调谐激光器芯片实施例中SiON应力补偿层结构示意图；
图4为本发明可调谐激光器芯片实施例中N型欧姆接触层结构示意图；
图5为本发明可调谐激光器芯片实施例中光电发射单元与波长调谐单元结合示意图。
附图标号说明： N型单晶衬底11、N型布拉格反射层12、多量子阱有源区13、选择性氧化限制层14、P型布拉格反射层15、P型重掺电流扩展层16、P型欧姆接触层17、介电薄膜光学钝化层18、沟槽填平层19、薄膜热电堆20、第二电极焊片21、第三电极焊片 22、绝缘热阻层23、P型热电臂24、N型热电臂25、SiON应力补偿层30、N型欧姆接触层31、第一电极焊片32。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对技术方案进行清楚、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他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-5所示，本发明可调谐激光器芯片，包括光电发射单元和波长调谐单元，光电发射单元用于发射激光，波长调谐单元调谐激光波长。光电发射单元与波长调谐单元电性分隔，波长调谐单元集成在光电发射单元的背面。波长调谐单元由若干薄膜热电堆20相互串联组成。
优选地，光电发射单元发射的激光中心激射波长为850 nm、940 nm、980 nm、1310nm或1550 nm。
具体的，光电发射单元为VCSEL芯片单元，所述VCSEL芯片单元包括外延晶圆，所述外圆晶圆包括N型单晶衬底11，以及在N型单晶衬底上依次外延生长的N型布拉格反射层12、多量子阱有源区13、选择性氧化限制层14、P型布拉格反射层15、P型重掺电流扩展层16。VCSEL芯片单元还包括在外延晶圆正面生长的P型欧姆接触层17、介电薄膜光学钝化层18和沟槽填平层19。外延晶圆背面选择性刻蚀SiON应力补偿层30，刻蚀形成刻蚀沟槽，所述刻蚀沟槽内生长有N型欧姆接触层31，所述N型欧姆接触层31与所述N型单晶衬底11背面形成欧姆接触。优选的，所述刻蚀沟槽呈叉指状，所述N型欧姆接触层31为叉指N型欧姆接触层。N型欧姆接触层31引出第一电极焊片32，第一电极焊片32位于N型单晶衬11底背面的左侧。
薄膜热电堆20包括绝缘热阻层23、P型热电臂24和N型热电臂25。P型热电臂24和N型热电臂25分别生长在绝缘热阻层23两侧。P型热电臂24和N型热电臂25呈电串联、热并联结构，电串联节点分布在绝缘热阻层23的上下表面。
薄膜热电堆20直接生长或键合在SiON应力补偿层30上，薄膜热电堆20引出第二电极焊片21、第三电极焊片22，且第二电极焊片21位于SiON应力补偿层30上，与N型欧姆接触层31及其引出的第一电极焊片32相互绝缘。
综上所述，本发明可调谐激光器芯片，包括：光电发射单元，发射激光；波长调谐单元，与所述光电发射单元电性分隔，调谐所述激光的波长；所述波长调谐模块包括至少一薄膜热电堆20，所述薄膜热电堆20间相互串联；所述波长调谐单元直接集成在所述光电发射单元中。本发明的可调谐激光器芯片无需与TEC配合封装，可独立工作并实现波长的调谐，芯片及其封装模块集成度高，调制速率高，调制波长范围大。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (10)

1.一种可调谐激光器芯片，其特征在于：包括：
一光电发射单元，发射激光；
一波长调谐单元，与所述光电发射单元电性分隔，调谐所述激光的波长；
所述波长调谐单元包括至少一薄膜热电堆，所述薄膜热电堆间相互串联；所述波长调谐单元直接集成在所述光电发射单元中。
2.根据权利要求1所述的可调谐激光器芯片，其特征在于：所述光电发射单元和所述波长调谐单元通过键合或直接生长的方式集成。
3.根据权利要求1所述的可调谐激光器芯片，其特征在于：所述薄膜热电堆包括：
一绝缘热阻层；
至少两个P型热电臂，生长在所述绝缘热阻层一侧；
至少两个N型热电臂，与所述P型热电臂呈电串联、热并联连接，生长在所述绝缘热阻层另一侧。
4.根据权利要求3所述的可调谐激光器芯片，其特征在于：所述N型热电臂与P型热电臂的电串联节点分布在绝缘热阻层的上下表面。
5.根据权利要求1所述的可调谐激光器芯片，其特征在于：所述光电发射单元为垂直腔面发射激光器VCSEL芯片。
6.根据权利要求5所述的可调谐激光器芯片，其特征在于：所述VCSEL芯片单元包括外延晶圆，所述外延晶圆包括：
一N型单晶衬底，
以及依次外延生长在所述N型单晶衬底上的：N型布拉格反射层、多量子阱有源区、选择性氧化限制层、P型布拉格反射层、P型重掺电流扩展层；
所述VCSEL芯片单元还包括依次生长在所述外延晶圆正面的P型欧姆接触层、介电薄膜光学钝化层、沟槽填平层；
所述VCSEL芯片单元还包括生长在所述外延晶圆背面的SiON应力补偿层，经刻蚀形成刻蚀沟槽，所述刻蚀沟槽内生长有N型欧姆接触层，所述N型欧姆接触层与所述N型单晶衬底背面形成欧姆接触。
7.根据权利要求6所述的可调谐激光器芯片，其特征在于：所述刻蚀沟槽呈叉指状，所述N型欧姆接触层为叉指N型欧姆接触层。
8.根据权利要求6所述的可调谐激光器芯片，其特征在于：所述薄膜热电堆直接生长或键合在所述SiON应力补偿层上。
9.根据权利要求1所述的可调谐激光器芯片，其特征在于：所述光电发射单元的中心激射波长为800-1600nm。
10.根据权利要求6所述的可调谐激光器芯片，其特征在于：所述N型欧姆接触层引出第一电极焊片，所述第一电极焊片位于所述N型单晶衬底背面一侧，所述薄膜热电堆引出第二电极焊片、第三电极焊片，所述第二电极焊片、第三电极焊片位于所述SiON应力补偿层上，且与所述N型欧姆接触层及所述第一电极焊片绝缘。
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