CN112636166B - 一种可调谐单纵模激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种可调谐单纵模半导体激光器，包括：多层半导体层，其用于产生不同频率间隔的多纵模激光；包层，其设置在多层半导体层之上，用于限制光场和载流子扩散；欧姆接触层，其设置在包层之上；其中，在包层及欧姆接触层上光刻及刻蚀形成有第一脊型波导及第二脊型波导，第一脊型波导中心位置及第二脊型波导中心位置十字正交弯曲连接，第一脊型波导及第二脊型波导用于将不同频率间隔的多纵模激光实现特定频率的单纵模激光发射；多层半导体层与第一脊型波导构成第一法布里珀罗腔半导体激光器，多层半导体层与第二脊型波导构成第二法布里珀罗腔半导体激光器。本公开还提供了一种可调谐单纵模激光器的制备方法。

Description

一种可调谐单纵模激光器及其制备方法
技术领域
本公开涉及半导体光电子器件技术领域，具体涉及一种可调谐单纵模激光器及其制备方法。
背景技术
单纵模可调谐半导体高速半导体激光器是现代光通信网络的核心器件，尤其是在波分复用系统中的应用。通常采用布拉格光栅结构来实现半导体激光器的单模激射，常用的布拉格光栅结构有均匀光栅、四分之一相移光栅、取样光栅。均匀光栅一般采用全息技术获得，四分之一相移光栅和取样光栅由电子束光刻获得；布拉格光栅进行选模的缺点是需要对芯片进行二次外延，以及需要高分辨率的光刻机进行光栅结构的制作，增加了制作的时间和成本。一般还需要对激光器进行端面镀膜，以实现高功率的单模输出。
光通信系统中，1.3微米和1.55微米波长激光为光通信窗口的主要发射源。激光器的量子阱结构主要有InGaAsP和AlGaInAs两种材料体系，AlGaInAs材料的量子效率较高。一般采用窄脊波导结构来对光场的横向模式进行限制。
发明内容
为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种可调谐单纵模激光器及其制备方法，基于游标效应筛选出激光模式中的单纵模，输出激射波长的边模抑制比较高，实现了可调谐单纵模的激光输出。
本公开的一个方面提供了一种可调谐单纵模半导体激光器，包括：多层半导体层，其设置在衬底上，其用于产生不同频率间隔的多纵模激光；包层，其设置在多层半导体层之上，用于限制光场和载流子扩散；欧姆接触层，其设置在包层之上；其中，在包层及欧姆接触层上光刻及刻蚀形成有第一脊型波导及第二脊型波导，第一脊型波导中心位置及第二脊型波导中心位置十字正交弯曲连接，第一脊型波导及第二脊型波导用于将不同频率间隔的多纵模激光实现特定频率的单纵模激光发射；多层半导体层与第一脊型波导构成第一法布里珀罗腔半导体激光器，多层半导体层与第二脊型波导构成第二法布里珀罗腔半导体激光器。
进一步地，第一脊型波导及第二脊型波导为条状型结构，其中，第一脊型波导的长度与第二脊型波导的长度不等。
进一步地，第一脊型波导及第二脊型波导的长度为600μm～1100μm，其宽度为2μm～4μm。
进一步地，第一脊型波导及第二脊型波导十字正交处弯曲连接的曲率半径为300μm～700μm。
进一步地，第一法布里珀罗腔半导体激光器及第二法布里珀罗腔半导体激光器采用独立的电激励。
进一步地，该激光器四个侧腔面为解理面，解理面不镀膜或镀膜，其中，解理面不镀膜时，其四个侧腔面均能面发射激光；解理面镀膜时，其一个或多个面作为出光面镀增透膜，其他面镀作为背光面镀高反膜。
进一步地，包层为InGsAsP层，其层厚为1.6μm；欧姆接触层为Zn高掺杂的InGaAsP层，掺杂浓度为3×108～1×109cm-3，其层厚为50nm～100nm。
进一步地，多层半导体层包括生长缓冲层、下波导层、多量子阱有源层、上波导层及刻蚀自停止层，其中，生长缓冲层、下波导层、多量子阱有源层、上波导层及刻蚀自停止层依次设置在衬底上。
本公开的另一个方面提供了一种可调谐单纵模激光器的制备方法，包括：S1，在衬底上依次生长多层半导体层、包层及欧姆接触层；S2，在包层及欧姆接触层上光刻及刻蚀形成第一脊型波导及第二脊型波导，其中，第一脊型波导中心位置与第二脊型波导中心位置十字正交弯曲连接，第一脊型波导及第二脊型波导用于将不同频率间隔的多纵模激光实现特定频率的单纵模激光发射；多层半导体层与第一脊型波导构成第一法布里珀罗腔半导体激光器，多层半导体层与第二脊型波导构成第二法布里珀罗腔半导体激光器。
本公开的另一个方面提供了一种如上所述的可调谐单纵模激光器在光通信领域的应用。
本公开提供了一种可调谐单纵模激光器及其制备方法，其通过相互垂直且对称设计的第一法布里珀罗腔半导体激光器及第二法布里珀罗腔半导体激光器模式耦合过程中的游标效应进行选模，通过控制第一脊型波导与第二脊型波导的长度实现了激射波长的可调谐，通过将第一法布里珀罗腔半导体激光器及第二法布里珀罗腔半导体激光器外加独立的不同电激励实现了对该激光器的输出功率以及输出波长的控制；根据游标效应筛选出激光模式中的单纵模，输出激射波长的边模抑制比较高。此外，该激光器在外延和制程工艺上相对简单，成本较低。该激光器无需端面镀膜，也大大简化了激光器制作工艺。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了根据本公开实施例的可调谐单纵模激光器的立体图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的可调谐单纵模激光器的俯视图；
图3和图4示意性示出了根据本公开实施例的可调谐单纵模激光器的制备流程图。
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。
应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。
图1示意性示出了根据本公开实施例的可调谐单纵模激光器的立体图。
如图1所示，该可调谐单纵模激光器包括：多层半导体层100，其设置在衬底1上，其用于产生不同频率间隔的多纵模激光；包层7，其设置在多层半导体层之上，用于限制光场和载流子扩散；欧姆接触层8，其设置在包层7之上；其中，在包层7及欧姆接触层8上光刻及刻蚀形成有第一脊型波导9及第二脊型波导10，第一脊型波导9中心位置及第二脊型波导10中心位置十字正交弯曲连接，第一脊型波导9及第二脊型波导10用于将不同频率间隔的多纵模激光实现特定频率的单纵模激光发射；多层半导体层100与第一脊型波导9构成第一法布里珀罗腔半导体激光器，多层半导体层100与第二脊型波导10构成第二法布里珀罗腔半导体激光器。
根据本公开的实施例，多层半导体层100包括生长缓冲层2、下波导层3、多量子阱有源层4、上波导层5及刻蚀自停止层6，其中，生长缓冲层2、下波导层3、多量子阱有源层4、上波导层5及刻蚀自停止层6依次设置在衬底1上。其中，衬底1为InP衬底，厚度为400μm；缓冲层2为硅掺杂的InP层，掺杂浓度为3×108，层厚为300nm，其用于用于改善晶格质量和载流子注入作用；下波导层3为AlGaInAs，N型掺杂浓度为1×108，层厚为60nm，其用于限制光场；多量子阱有源层4为AlGaInAs多量子阱结构，具有8个量子阱，激射波长为1.5μm，其用于光的受激辐射；上波导层5为AlGaInAs，N型掺杂浓度为1×108，层厚为60nm，其用于限制光场；刻蚀自停止层6为InGaAsP，其用于控制刻蚀深度；包层7为InGsAsP层，层厚为1.6μm，其用于限制光场和载流子扩散；欧姆接触层8为Zn高掺杂的InGaAsP层，掺杂浓度为3×108～1×109cm-3，其层厚为50nm～100nm。
根据本公开的实施例，在包层7及欧姆接触层8上光刻及刻蚀形成有第一脊型波导9及第二脊型波导10，该第一脊型波导9及第二脊型波导10为条状型结构，且第一脊型波导9及第二脊型波导10的长度不等，本公开的实施例中，为实现较佳的单纵模激光效果，第一脊型波导9及第二脊型波导10的长度优选为600μm～1200μm，其宽度为2μm～4μm，且为了降低光损耗，十字正交处弯曲连接的曲率半径为300μm～700μm。
根据本公开的实施例，如图2所示，第一脊型波导9及第二脊型波导10二端分别设置有P面电极层11，P面电极层11分别通过由圆形焊盘12引出，第一脊型波导9与第二脊型波导10其各两端采用独立的电激励；衬底1背面设置有N面电极层13。其中，P面电极层11采用的材料包括钛铂金，层厚为250nm；N面电极层13采用的材料包括金锗镍，层厚为500nm。
根据本公开的实施例，该激光器四个侧腔面为解理面，该解理面不镀膜或镀膜，其中，解理面不镀膜时，其四个侧腔面均能面发射激光；解理面镀膜时，其一个或多个面作为出光面镀增透膜，其他面镀作为背光面镀高反膜。例如，该激光器左侧一端为出光面镀增透膜，其对应的右侧一端为背光面镀高反膜，或是其他面均为背光面镀高反膜也可以不镀膜。
根据本公开的实施例，该激光器实现可调谐单纵模输出的具体过程为：在第一法布里珀罗腔半导体激光器通过圆形焊盘12外加电流激励，其产生一系列频率间隔稳定的多纵模，该模式间隔与该激光器腔长有关，即
Figure BDA0002844119150000051
λ为激光器的激射波长，n为该激光器的有效折射率，L为第一法布里珀罗腔半导体激光器中第一脊型波导9的长度。其中，通过改变第一法布里珀罗腔半导体激光器中第一脊型波导9的长度可以实现不同频率间隔的多纵模输出；通过改变外加电流，改变多量子阱有源层4内部有效折射率从而影响光场传播的光程，进而改变模式间隔。
根据本公开的实施例，第二法布里珀罗腔半导体激光器工作原理与上述第一法布里珀罗腔半导体激光器同理。第一法布里珀罗腔半导体激光器与第二法布里珀罗腔半导体激光器在光场传播过程中会发生模式耦合，两列不同频率间隔的多纵模会由于游标效应的作用，实现特定频率的单模激射，且边摸抑制比较大。通过改变各自电极上的外加电流，可以对激光输出波长以及输出功率进行有效控制，最后光场可以从四个解离面的任一面输出。
需具体说明的是，各材料层具体层厚、掺杂浓度、第一脊型波导与第二脊型波导结构尺寸根据实际应用所需的可调谐单纵模的需激射波长及调谐模式间隔设定，并不仅限于本公开实施例所示的该器件尺寸结构。
图3示意性示出了根据本公开实施例的可调谐单纵模激光器的制备流程图。
如图3所示，该方法包括：S1，在衬底1上依次生长多层半导体层100、包层7及欧姆接触层8；S2，在包层7及欧姆接触层8上光刻及刻蚀形成第一脊型波导9及第二脊型波导10，其中，第一脊型波导9中心位置与第二脊型波导10中心位置十字正交弯曲连接，第一脊型波导9及第二脊型波导10用于将不同频率间隔的多纵模激光实现特定频率的单纵模激光发射；多层半导体层100与第一脊型波导9构成第一法布里珀罗腔半导体激光器，多层半导体层100与第二脊型波导10构成第二法布里珀罗腔半导体激光器。
根据本公开的实施例，如图4所示，该方法还包括：S3，在第一脊型波导9及第二脊型波导10二端通过蒸发金属形成多个P面电极层11；S4，将衬底1的背面减薄、抛光后蒸发金属形成N面电极层13；S5，进行退火和解理处理，形成一完整的可调谐单纵模激光器。
根据本公开的实施例，该方法制备的可调谐单纵模激光器的具体材料、结构及层厚如上述可调谐单纵模激光器内容，此处不再表述。
本发明还公开了如上所述的可调谐单纵模激光器在光通信领域的应用。
在一个示例性实施例中，本公开的可调谐单纵模激光器是一种基于游标效应的可调谐单纵模激光器，其具有两个十字正交的法布里珀罗腔半导体激光器，其是一种输出激射波长的边模抑制比较高的可调谐单纵模的激光器。
该可调谐单纵模激光器结构自上而下依次为：N面电极层13、InP衬底1、多层半导体层100及包层7、欧姆接触层8及P面电极层11。其中，多层半导体层100包括缓冲层2、下波导层3、多量子阱有源层4、上波导层5及刻蚀自停止层6。其中，包层7及欧姆接触层8通过光刻及刻蚀形成有第一脊型波导9及第二脊型波导10，第一脊型波导9中心位置及第二脊型波导10中心位置十字正交弯曲连接，其用于将不同频率间隔的多纵模激光实现特定频率的单纵模激光发射，多层半导体层100与第一脊型波导9构成第一法布里珀罗腔半导体激光器，多层半导体层100与第二脊型波导10构成第二法布里珀罗腔半导体激光器。
其中，衬底1为InP衬底，厚度为400μm；缓冲层2为硅掺杂的InP层，掺杂浓度为3×108，层厚为300nm，其用于用于改善晶格质量和载流子注入作用；下波导层3为A1GaInAs，N型掺杂浓度为1×108，层厚为60nm，其用于限制光场；多量子阱有源层4为AlGaInAs多量子阱结构，具有8个量子阱，激射波长为1.5μm，其用于光的受激辐射；上波导层5为AlGaInAs，N型掺杂浓度为1×108，层厚为60nm，其用于限制光场；刻蚀自停止层6为InGaAsP，其用于控制刻蚀深度；包层7为InGsAsP层，层厚为1.6μm，其用于限制光场和载流子扩散；欧姆接触层8为Zn高掺杂的InGaAsP层，掺杂浓度为3×108～1×109cm-3，其层厚为50nm～100nm。
其中，在包层7及欧姆接触层8上光刻及刻蚀形成有第一脊型波导9及第二脊型波导10，该第一脊型波导9及第二脊型波导10为条状型结构，且第一脊型波导9及第二脊型波导10的长度不等，本公开的实施例中，为实现较佳的单纵模激光效果，第一脊型波导9及第二脊型波导10的长度为800μm，优选长度范围为600μm～1200μm，其宽度为2μm，优选宽度范围为2μm～4μm，且为了降低光损耗，十字正交处弯曲连接的曲率半径为300μm～700μm，本公开的实施例取弯曲曲率半径为500μm。
其中，如图2所示，第一脊型波导9及第二脊型波导10二端分别设置有P面电极层11，P面电极层分别通过由圆形焊盘12引出，第一脊型波导9与第二脊型波导10其各两端采用独立的电激励；衬底1背面设置有N面电极层13。其中，P面电极层11采用的材料包括钛铂金，层厚为250nm；N面电极层13采用的材料包括金锗镍，层厚为500nm。
根据本公开的实施例，该激光器四个侧腔面为解理面，该解理面不镀膜或镀膜，其中，解理面不镀膜时，其四个侧腔面均能面发射激光；解理面镀膜时，其一个或多个面作为出光面镀增透膜，其他面镀作为背光面镀高反膜。例如，该激光器左侧一端为出光面镀增透膜，其对应的右侧一端为背光面镀高反膜，或是其他面均为背光面镀高反膜也可以不镀膜。
需具体说明的是，尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的。本公开实施例提供的可调谐单纵模激光器各材料层具体层厚、掺杂浓度、第一脊型波导与第二脊型波导结构尺寸根据实际应用在光通信领域作为光源设备所需的激射波长及调谐模式间隔设定，并不仅限于本公开实施例所示的该器件尺寸结构。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (9)

1.一种可调谐单纵模激光器，其特征在于，包括：
多层半导体层(100)，其设置在衬底(1)上，用于产生不同频率间隔的多纵模激光；
包层(7)，其设置在所述多层半导体层之上，用于限制光场和载流子扩散；
欧姆接触层(8)，其设置在所述包层(7)之上；
其中，在所述包层(7)及所述欧姆接触层(8)上光刻及刻蚀形成有第一脊型波导(9)及第二脊型波导(10)，所述第一脊型波导(9)中心位置及所述第二脊型波导(10)中心位置十字正交弯曲连接，所述第一脊型波导(9)及所述第二脊型波导(10)用于将所述不同频率间隔的多纵模激光实现特定频率的单纵模激光发射；所述多层半导体层(100)与所述第一脊型波导(9)构成第一法布里珀罗腔半导体激光器，所述多层半导体层(100)与所述第二脊型波导(10)构成第二法布里珀罗腔半导体激光器；其中，所述第一脊型波导(9)的长度与所述第二脊型波导(10)的长度不等，所述第一法布里珀罗腔半导体激光器及所述第二法布里珀罗腔半导体激光器采用独立的电激励。
2.根据权利要求1所述的可调谐单纵模激光器，其特征在于，所述第一脊型波导(9)及所述第二脊型波导(10)为条状型结构。
3.根据权利要求1或2所述的可调谐单纵模激光器，其特征在于，所述第一脊型波导(9)及所述第二脊型波导(10)的长度为600μm～1100μm，其宽度为2μm～4μm。
4.根据权利要求3所述的可调谐单纵模激光器，其特征在于，所述第一脊型波导(9)及第二脊型波导(10)十字正交处弯曲连接的曲率半径为300μm～700μm。
5.根据权利要求1所述的可调谐单纵模激光器，其特征在于，该激光器四个侧腔面为解理面，所述解理面不镀膜或镀膜，其中，所述解理面不镀膜时，其四个侧腔面均能面发射激光；所述解理面镀膜时，其一个或多个面作为出光面镀增透膜，其他面镀作为背光面镀高反膜。
6.根据权利要求1所述的可调谐单纵模激光器，其特征在于，所述包层(7)为InGsAsP层，其层厚为1.6μm；所述欧姆接触层(8)为Zn高掺杂的InGaAsP层，掺杂浓度为3×108～1×109cm-3，其层厚为50nm～100nm。
7.根据权利要求1所述的可调谐单纵模激光器，其特征在于，所述多层半导体层(100)包括生长缓冲层(2)、下波导层(3)、多量子阱有源层(4)、上波导层(5)及刻蚀自停止层(6)，其中，所述生长缓冲层(2)、下波导层(3)、多量子阱有源层(4)、上波导层(5)及刻蚀自停止层(6)依次设置在衬底(1)上。
8.一种可调谐单纵模激光器的制备方法，其特征在于，包括：
S1，在衬底(1)上依次生长多层半导体层(100)、包层(7)及欧姆接触层(8)；其中，所述多层半导体层(100)用于产生不同频率间隔的多纵模激光；
S2，在所述包层(7)及欧姆接触层(8)上光刻及刻蚀形成第一脊型波导(9)及第二脊型波导(10)，其中，所述第一脊型波导(9)中心位置与所述第二脊型波导(10)中心位置十字正交弯曲连接，所述第一脊型波导(9)及所述第二脊型波导(10)用于将所述不同频率间隔的多纵模激光实现特定频率的单纵模激光发射；所述多层半导体层(100)与所述第一脊型波导(9)构成第一法布里珀罗腔半导体激光器，所述多层半导体层(100)与所述第二脊型波导(10)构成第二法布里珀罗腔半导体激光器；其中，所述第一脊型波导(9)的长度与所述第二脊型波导(10)的长度不等，所述第一法布里珀罗腔半导体激光器及所述第二法布里珀罗腔半导体激光器采用独立的电激励。
9.如权利要求1至7中任一项所述的可调谐单纵模激光器在光通信领域的应用。
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