CN112260060B - 一种分布式反馈激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分布式反馈激光器，利用纵向载流子阻挡区域限制了载流子的纵向扩展，从而使有源及无源层对应于纵向载流子阻挡区域的部分形成无源区，减小了有源区的有效长度，从而降低有源区产生的热量，进而降低了热效应对激光器性能的影响，也有效地消除分布式反馈激光器中载流子‑光子谐振频率对直接调制带宽的限制，并且制作工艺简单；同时激光器的谐振腔的腔长没有改变，避免了缩短腔长而带来的解离困难的问题。

Description

一种分布式反馈激光器
技术领域
本发明涉及半导体发光器领域，特别涉及一种分布式反馈激光器。
背景技术
近年来，网络数据信息爆炸式的增长亟需提升光通信、光互连网络系统中传输容量，增加了对高速及低成本光源需求。低成本高速直接调制的半导体激光器具有体积小、功耗低、易于集成等优点成为了现在光互连、短距离光通信的首选光源。
传统的直接调制半导体激光器受到内部载流子传输时间、光子寿命及量子阱材料的微分增益等的影响，其弛豫频率相对较低，已经难以满足光通信、光互连领域对调制带宽的需求。为了提高调制带宽，研究人员提出了缩短腔长的方法。但是，缩小激光器的谐振腔的腔长会导致热效应而影响激光器的性能，并且严重依赖于解离能力，制备工艺复杂。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种分布式反馈激光器，主要目的在于解决以上现有技术中至少一项技术问题。
根据本发明的实施例，提供了一种分布式反馈激光器，包括谐振腔，所述谐振腔包括衬底以及在衬底上由下至上依次生长的下缓冲层、光栅层、下限制层、有源及无源层、上限制层及腐蚀停层；
所述腐蚀停层上形成有脊条结构，所述脊条结构包括由下至上依次生长的纵向载流子扩展限制层、上缓冲层、欧姆接触层及电极层；
所述纵向载流子扩展限制层的中部设有能够使载流子沿纵向扩展的纵向载流子流通区域，所述纵向载流子流通区域的两端分别设有阻挡载流子沿纵向扩展的纵向载流子阻挡区域；所述有源及无源层中对应于所述纵向载流子流通区域的部分为有源区，所述有源及无源层中对应于所述纵向载流子阻挡区域的部分为无源区，其中，所述纵向为所述脊条结构的长度方向。
具体地，所述纵向载流子阻挡区域由高铝材料通过湿氮氧化方式得到的绝缘氧化物所构成的，所述高铝材料可为掺杂Al的摩尔比为不小于0.9的AlGaAs或AlInGaAs。
具体地，所述纵向载流子阻挡区域由低铝材料通过注入质子的方式所得到的，所述低铝材料可为掺杂Al的摩尔比在0.3-0.6的AlGaAs或AlInGaAs，所述质子为锌质子。
具体地，每个所述纵向载流子阻挡区域的长度均不超过40μm。
具体地，所述纵向载流子流通区域的长度不超过160μm。
具体地，所述谐振腔的纵向的相对两端面均为解离面。
具体地，所述谐振腔的纵向的相对两端面分别设有高反膜和低反膜。
具体地，所述有源区为量子阱结构或量子点结构。
具体地，所述光栅层为波长选择光栅或一维度光子晶体。
具体地，所述波长选择光栅为均匀光栅、啁啾光栅、插值光栅或相移光栅。
本发明实施例提供了一种分布式反馈激光器，利用纵向载流子阻挡区域限制了载流子的纵向扩展，从而使有源及无源层对应于纵向载流子阻挡区域的部分形成无源区，减小了有源区的有效长度，从而降低有源区产生的热量，进而降低了热效应对激光器性能的影响，也有效地消除分布式反馈激光器中载流子-光子谐振频率对直接调制带宽的限制，并且制作工艺简单；同时激光器的谐振腔的腔长没有改变，避免了缩短腔长而带来的解离困难的问题。
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他的附图。
图1为本发明提供的一种分布式反馈激光器的纵向剖面图；
图2为载流子注入至有源区的示意图；
图3为本发明提供的一种分布式反馈激光器的经由有源区的横向剖面图；
图4为本发明提供的一种分布式反馈激光器的经由无源区的横向剖面图。
其中，1-衬底，2-下缓冲层，3-光栅层，4-下限制层，5-有源及无源层，501-无源区，502-有源区，6-上限制层，7-腐蚀停层，8-脊条结构，801-纵向载流子扩展限制层，8011-纵向载流子阻挡区域，8012-纵向载流子流通区域，802-上缓冲层，803-欧姆接触层，804-电极层，9-高反膜，10-低反膜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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。
如图1、图3和图4所示，根据本发明的实施例，提供了一种分布式反馈激光器，包括谐振腔，谐振腔包括衬底1以及在衬底1上由下至上依次生长的下缓冲层2、光栅层3、下限制层4、有源及无源层5、上限制层6及腐蚀停层7；腐蚀停层7上形成有脊条结构8，脊条结构8包括由下至上依次生长的纵向载流子扩展限制层801、上缓冲层802、欧姆接触层803及电极层804；纵向载流子扩展限制层801的中部设有在能够使载流子沿纵向扩展的纵向载流子流通区域8012，纵向载流子流通区域8012的两端分别设有阻挡载流子沿纵向扩展的纵向载流子阻挡区域8011；有源及无源层5中对应于纵向载流子流通区域8012的部分为有源区502，有源及无源层5中对应于纵向载流子阻挡区域8011的部分为无源区501，其中，纵向为脊条结构8的长度方向。
其中，衬底1起到支撑整体结构的作用，衬底1可采用蓝宝石衬底、硅基衬底、碳化硅衬底或上述衬底的复合衬底。
下缓冲层2和上缓冲层802起到缓冲并减低电阻的作用，下缓冲层2可采用的N型掺杂的InP，上缓冲层802可采用P型掺杂的InP。
上限制层6及下限制层4起到减小光损耗，同时限制载流子的扩散，减小空穴漏电流，以降低器件的阈值电流，提高效率；上限制层6和下限制层4可采用InGaAlAs材料。
光栅层3对特定波长的光进行反射，从而选择特定波长，实现分布式反馈；光栅层3为波长选择光栅或一维度光子晶体。可选地，波长选择光栅为均匀光栅、啁啾光栅、插值光栅或相移光栅。
腐蚀停层7起到腐蚀隔离的作用，可采用P型掺杂的InGaAsP。
欧姆接触层803起到传输激光器所需的电流值的作用，欧姆接触层803的金属中常用的是Ti-Pt-Au，其中，Ti起到粘附剂的作用，Pt是起到过渡和阻挡的作用，有利于提高器件的稳定性和可靠性，由于Ti、Pt、Au都是高熔点金属，常用溅射方法成膜。
电极层804用来接入外部电源，以提供电激励。
在纵向载流子扩展限制层801的纵向载流子流通区域8012，载流子可纵向扩展，从而载流子通过纵向载流子流通区域8012注入至有源及无源层5的有源区502，具体如图2所示，其中，箭头方向为载流子的注入方向，在有源区502内光子-载流子之间进行相互作用，形成发光区域，在纵向载流子扩展限制层801的纵向载流子阻挡区域8011，载流子不能进行纵向扩展，并有效限制载流子向有源及无源层5的注入，从而使有源及无源层5对应于纵向载流子阻挡区域8011的部分形成无源区501，在无源区501中，仅有光子与光子之间的相互作用，这样就会降低载流子-光子的谐振峰，从而消除了载流子-光子谐振频率对直接调制带宽的限制，而且制作工艺简单。并且，在有源区502的两端形成无源区501，减小了有源区502的有效长度，也就是减小光子-载流子相互作用的区域，从而降低有源区502所产生的热量，进而降低了热效应对激光器性能的影响。另外，谐振腔的整体长度并没有改变，从而避免了缩短腔长而带来的解离困难的问题。
本实施例提供了一种分布式反馈激光器，利用纵向载流子阻挡区域8011限制了载流子的纵向扩展，从而使有源及无源层5对应于纵向载流子阻挡区域8011的部分形成无源区501，减小了有源区502的有效长度，从而降低有源区502产生的热量，进而降低了热效应对激光器性能的影响，也有效地消除分布式反馈激光器中载流子-光子谐振频率对直接调制带宽的限制，并且制作工艺简单；同时激光器的谐振腔的腔长没有改变，避免了缩短腔长而带来的解离困难的问题。其中，有源区502为量子阱结构或量子点结构。
在上述实施例中，纵向载流子阻挡区域8011可采用以下两种方式制作：
第一种方式为：纵向载流子阻挡区域8011由高铝材料通过湿氮氧化方式得到的绝缘氧化物所构成的，高铝材料可为掺杂Al的摩尔比为不小于0.9的AlGaAs或InGaAlAs。
第二中方式为：纵向载流子阻挡区域8011由低铝材料通过注入质子的方式所得到的，低铝材料可为掺杂Al的摩尔比在0.3-0.6的AlGaAs或InGaAlAs，质子为锌质子。
进一步地，每个纵向载流子阻挡区域8011的长度均不超过40μm。纵向载流子阻挡区域8011的长度小于或等于40μm，以避免湿氮氧化工艺时间过长，影响激光器的性能。
纵向载流子流通区域8012的长度不超过160μm。纵向载流子流通区域8012的长度小于或等于160μm，从而提高其谐振频率，进而提升激光器的直接调制带宽。
进一步地，为了使激光器能够激射，谐振腔的纵向的相对两端面均为解离面，或者如图1所示，谐振腔的纵向的相对两端面分别设有高反膜9和低反膜10，从而增强一个端面的通透性，将发射谐振腔外部的光子成为所需的激光。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种分布式反馈激光器，其特征在于，包括谐振腔，所述谐振腔包括衬底以及在衬底上由下至上依次生长的下缓冲层、光栅层、下限制层、有源及无源层、上限制层及腐蚀停层；
所述腐蚀停层上形成有脊条结构，所述脊条结构包括由下至上依次生长的纵向载流子扩展限制层、上缓冲层、欧姆接触层及电极层；
所述纵向载流子扩展限制层的中部设有能够使载流子沿纵向扩展的纵向载流子流通区域，所述纵向载流子流通区域的两端分别设有阻挡载流子沿纵向扩展的纵向载流子阻挡区域；所述有源及无源层中对应于所述纵向载流子流通区域的部分为有源区，所述有源及无源层中对应于所述纵向载流子阻挡区域的部分为无源区，其中，所述纵向为所述脊条结构的长度方向；
所述纵向载流子阻挡区域由高铝材料通过湿氮氧化方式得到的绝缘氧化物所构成的，所述高铝材料可为掺杂Al的摩尔比为不小于0.9的AlGaAs或AlInGaAs；
或者所述纵向载流子阻挡区域由低铝材料通过注入质子的方式所得到的，所述低铝材料可为掺杂Al的摩尔比在0.3-0.6的AlGaAs或AlInGaAs，所述质子为锌质子；
所述纵向载流子流通区域的长度不超过160μm。
2.根据权利要求1所述的分布式反馈激光器，其特征在于，每个所述纵向载流子阻挡区域的长度均不超过40μm。
3.根据权利要求1所述的分布式反馈激光器，其特征在于，所述谐振腔的纵向的相对两端面均为解离面。
4.根据权利要求1所述的分布式反馈激光器，其特征在于，所述谐振腔的纵向的相对两端面分别设有高反膜和低反膜。
5.根据权利要求1所述的分布式反馈激光器，其特征在于，所述有源区为量子阱结构或量子点结构。
6.根据权利要求1所述的分布式反馈激光器，其特征在于，所述光栅层为波长选择光栅或一维度光子晶体。
7.根据权利要求6所述的分布式反馈激光器，其特征在于，所述波长选择光栅为均匀光栅、啁啾光栅、插值光栅或相移光栅。
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