CN113241585A - 半导体可调谐激光器及其制备方法 - Google Patents

半导体可调谐激光器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半导体可调谐激光器及其制备方法，其中，半导体可调谐激光器包括位于同一衬底上、且依次相邻设置的第一光栅区、公共增益区、相位调节区、第二光栅区；其中，第一光栅区与第二光栅区具有不同的光栅周期；相位调节区的长度大于或等于公共增益区的长度的二分之一；第一光栅区、公共增益区、相位调节区、第二光栅区分别包括自衬底上依次形成的N型外延层、有源层、P型外延层和脊条。

Description

半导体可调谐激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体激光技术领域，具体涉及一种半导体可调谐激光器及其制备方法。
背景技术
随着信息时代的到来，通信数据量飞速增加，波分复用光网络(WavelengthDivision Multiplexing，WDM)系统是公认的解决数据压力的重要途径而备受关注。可调谐激光器作为其中的重要器件，扮演着不可或缺的角色，尤其是在备用光源方面，可调谐激光器的使用可以极大的压缩成本。目前主流的半导体可调谐激光器大都是基于DBR结构，在制作过程中往往需要使用二次外延和电子束光刻技术来制作掩埋光栅，这大大增加了工艺的复杂性和成本，不利于大规模的生产和应用。低成本、大范围可调谐的半导体激光器的研究仍是一个重要的课题。而SFP激光器，不需要多次外延，利用普通光刻技术即可实现，是探究高性能低成本半导体可调谐激光器的一个重要方向。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种半导体可调谐激光器及其制备方法，以期部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
作为本发明的一个方面，本发明提供了一种半导体可调谐激光器，包括：位于同一衬底上、且依次相邻设置的第一光栅区、公共增益区、相位调节区、第二光栅区；其中，第一光栅区与第二光栅区具有不同的光栅周期；相位调节区的长度大于或等于公共增益区的长度的二分之一；第一光栅区、公共增益区、相位调节区、第二光栅区分别包括自衬底上依次形成的N型外延层、有源层、P型外延层和脊条。
根据本发明实施例，第一光栅区与公共增益区之间、公共增益区与相位调节区之间、相位调节区与第二光栅区之间分别设置有电隔离槽。
根据本发明实施例，电隔离槽包括刻蚀狭槽。
根据本发明实施例，有源层包括多量子阱结构。
根据本发明实施例，多量子阱结构的主体材料包括AlGaInAs四元化合物。
根据本发明实施例，脊条包括浅脊波导结构。
根据本发明实施例，脊条的侧截面包括矩形。
根据本发明实施例，P型外延层上表面设置有P面电极。
根据本发明实施例，衬底下表面设置有N面电极。
作为本发明的另一方面，本发明还提供了一种上述半导体可调谐激光器的制备方法，包括以下步骤：
在衬底上依次生长N型外延层、有源层、P型外延层，得到外延片。
在P型外延层上表面生长二氧化硅保护层。
通过图形转移在生长有二氧化硅保护层的外延片上形成相邻设置的第一光栅区、公共增益区、相位调节区和第二光栅区，并在第一光栅区、公共增益区、相位调节区和第二光栅区的P型外延层上分别形成脊条。
去除残余的二氧化硅，并重新在P型外延层上表面生长二氧化硅，作为绝缘层。
在脊条上开设注电窗口，并在P型外延层上生长P面电极。
采用光刻法并腐蚀P面电极以图形化电极，使第一光栅区、公共增益区、相位调节区、第二光栅区彼此电隔离。
在衬底下表面生长N面电极。划片解理后制得激光器。
基于上述技术方案，本发明的半导体可调谐激光器及其制备方法至少部分地取得了以下技术效果中的至少一部分：
本发明提供的半导体可调谐激光器，通过设置两个不同周期的光栅区，产生周期不同的反射光谱，以利用游标效应进行选模。通过增加相位调节区的长度，增加了激光器的总长度，从而获得更加密集的反射光谱，增加了备选波长的数量。同时，较长的相位调节区可以提供足够的相位改变，使得更多的波长可能满足相位条件，从而增加了激光器的可调谐能力。
本发明提供的半导体可调谐激光器整体有源，有利于弥补进行电隔离和刻蚀表面光栅所带来的功率损耗，提升激光器的功率。
附图说明
图1示意性地示出了本发明实施例的半导体可调谐激光器的示意图；
图2示意性示出了根据本发明实施例周期分别为60um和70um的两个光栅反射谱进行游标的示意图；
图3示意性示出了根据本发明实施例表面光栅数量与反射率、透射率关系示意图；
图4示意性示出了根据本发明实施例表面光栅数量和损耗之间的关系示意图；
图5示意性示出了根据本发明实施例表面光栅刻蚀深度和反射光谱的半高全宽之间的关系示意图；
图6示意性示出了根据本发明实施例表面光栅刻蚀深度和反射率与透射率之间的关系示意图；
图7示意性示出了根据本发明实施例表面光栅刻蚀深度和损耗之间的关系示意图；
图8示意性示出了根据本发明实施例所制作的激光器，进行测试后，两端光栅区注入电流与激射波长之间的关系；
图9a示意性示出了根据本发明实施例所制作相位调节区长度为300μm的激光器，进行测试后所获得的调谐范围点图；
图9b示意性示出了根据本发明实施例所制作相位调节区长度为100μm的激光器，进行测试后所获得的调谐范围点图。
附图标记说明
1.第一光栅区；2.公共增益区；3.相位调节区；4.第二光栅区；5.N型外延层；6.有源层；7.P型外延层；8.脊条；9.电隔离槽；W1.脊条宽度；W2.第一光栅区非刻蚀长度；W3.第一光栅区刻蚀长度；W4.第二光栅非刻蚀长度；W5.公共增益区长度；W6.相位调节区长度。
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，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种半导体可调谐激光器，图1示意性地示出了本发明实施例的半导体可调谐激光器的示意图。
如图1所示，一种半导体可调谐激光器，包括位于同一衬底上、且依次相邻设置的第一光栅区1、公共增益区2、相位调节区3、第二光栅区4；其中，第一光栅区1与第二光栅区4具有不同的光栅周期；相位调节区3的长度大于或等于公共增益区2的长度的二分之一；第一光栅区1、公共增益区2、相位调节区3、第二光栅区4分别包括自衬底上依次形成的N型外延层5、有源层6、P型外延层7和脊条8。
本发明实施例中，通过设置两个不同周期的光栅区：第一光栅区1和第二光栅区4，产生周期不同的反射光谱，以利用游标效应进行选模。公共增益区2为激光器提供足够的光增益。通过增加相位调节区3的长度，增加了激光器的总长度，从而获得更加密集的反射光谱，增加了备选波长的数量，同时，较长的相位调节区3可以提供足够的相位改变，使得更多的波长可能满足相位条件，从而增加了激光器的可调谐能力。
具体地，在本发明实施例中，半导体可调谐激光器在进行测试时，将其固定在氮化铝热沉上，并使用半导体制冷器(TEC)进行温度控制。测试开始后，先对公共增益区2注电，之后对第一光栅区1施加初始电流并暂时不变，随后第二光栅区4上的注入电流开始按设定值进行扫描，扫描过程中，如果第一光栅区1和第二光栅区4分别注入某一电流时，激射的波长为单纵模，则此时相位调节区3不加电，如果在某一电流下激光器没有激射单纵模，则相位调节区3电流开始扫描，直到实现单纵模激射或调相区电流达到设定的最大值，随后相位调节区3的电流重新归0，第二光栅区4的注入电流继续进行扫描直到达到设定的最大值，此时第一光栅区1的注入电流改变为设置的第二个值，第二光栅4开始进行第二遍扫描，直到设定的最大值。如此循环往复，直到第一光栅区1的注入电流达到设定的最大值时，扫描结束，所有区域停止注电(第一光栅和第二光栅的注电规则也可与互换)。这样，通过精细设计两端表面光栅的参数和相位调节区3的大小，便可以通过游标效应在输出端实现一个大范围的连续的波长输出。
本发明实施例中，第一光栅区1、公共增益区2、相位调节区3、第二光栅区4均设置有源层6，使激光器整体是有源的，有利于弥补进行电隔离和刻蚀表面光栅所带来的功率损耗，提升激光器的功率。
根据本发明实施例，第一光栅区1与公共增益区2之间、公共增益区2与相位调节区3之间、相位调节区3与第二光栅区4之间分别设置有电隔离槽9。
根据本发明实施例，电隔离槽9包括刻蚀狭槽。
本发明实施例中，通过设置电隔离槽9，使第一光栅区1、公共增益区2、相位调节区3、第二光栅区4分区注电，实现了对每个区域的独立控制，便于协调每个区域实现大范围的波长调谐。
本发明实施例中，进行电隔离的方式除刻蚀狭槽外，还可以采用离子注入的方式，以实现第一光栅区1、公共增益区2、相位调节区3、第二光栅区4分区注电和选择性注电。
需要说明的是，激光器第一光栅区1、第二光栅区4的周期、数量、占空比与刻蚀深度、相位调节区长度、公共增益区长度等都需要根据实际情况进行设计，且相位调节区的长度至少为保证足够的相位调节能力的最小值。
例如：在本发明的一个实施例中，实际情况下激光器的中心波长为1550nm，第一光栅区1的周期确定为60μm，第二光栅区4的周期确定为70μm，通过游标效应获得的理论调谐范围约为38nm。
需要说明的是，第一光栅区1、第二光栅区4的刻蚀深度，需要根据反射和损耗权衡后，再根据反射光谱的半高全宽来确定。例如，在本发明的一个实施例中，第一光栅区1、第二光栅区4的刻蚀深度确定为1.4μm。
根据本发明实施例，有源层6包括多量子阱结构。
根据本发明实施例，多量子阱结构的主体材料包括AlGaInAs四元化合物。
本发明实施例中，有源层6采用AlGaInAs四元化合物作为多量子阱结构的主体材料，具有增益范围广、阈值电流低的优点，能够优化激光器的出光功率和调制带宽。
根据本发明实施例，脊条8包括浅脊波导结构，脊条8的侧截面包括矩形。能够提高第一光栅区1、第二光栅区4注入载流子的浓度，同时降低串联电阻，有利于增大波长调谐范围和调谐效率。
根据本发明实施例，P型外延层7上表面设置有P面电极。
根据本发明实施例，衬底下表面设置有N面电极。
作为本发明的另一方面，本发明还提供了一种上述半导体可调谐激光器的制备方法，包括以下步骤：
在衬底上依次生长N型外延层5、有源层6、P型外延层7，得到外延片。
在P型外延层7上表面生长二氧化硅保护层。
通过图形转移在生长有二氧化硅保护层的外延片上形成相邻设置的第一光栅区1、公共增益区2、相位调节区3和第二光栅区4，并在第一光栅区1、公共增益区2、相位调节区3和第二光栅区4的P型外延层7上分别形成脊条8。
去除残余的二氧化硅，并重新在P型外延层7上表面生长二氧化硅，作为绝缘层。
在脊条上开设注电窗口，并在P型外延层上生长P面电极。
采用光刻法并腐蚀P面电极以图形化电极，使第一光栅区1、公共增益区2、相位调节区3、第二光栅区4彼此电隔离。
在衬底下表面生长N面电极。划片解理后制得激光器。
在上述方案中，无需二次外延和电子束光刻，且利用普通光电子工艺即可实现。
下面以一具体实施例详细说明本发明提供的半导体可调谐激光器。
在本发明的实施例中，可调谐半导体激光器结构尺寸如下：W1＝3μm，W2＝60μm，W3＝1.09μm，W4＝70um，W5＝500μm，W6＝300μm对该尺寸光栅在1550nm波段的反射波长的关系计算结果如图2所示。
由游标效应可知，两段光栅的周期不同，所形成的周期性的梳妆谱不能完全重合，通过改变注入电流，可以使得光栅的反射谱发生移动，从而使得不同的波长重合，重合的波长反射率最高，因此可以获得足够的增益，从而激射，理论上可激射的波长范围约为38nm。
图3示意性地示出了根据本发明实施例表面光栅数量与反射率、透射率关系示意图，图4示意性示出了根据本发明实施例表面光栅数量和损耗之间的关系示意图，通过对三者进行权衡后，最终将两段光栅的数量均确定为8个。
图5示意性示出了根据本发明实施例表面光栅刻蚀深度和反射光谱的半高全宽之间的关系示意图，图6示意性示出了根据本发明实施例表面光栅刻蚀深度和反射率与透射率之间的关系示意图，图7示意性示出了根据本发明实施例表面光栅刻蚀深度和损耗之间的关系示意图，综合权衡后，最终确定的刻蚀深度是1.4um。
图8示意性地示出了本发明实施例所制作的半导体可调谐激光器中第一光栅区1、第二光栅区2的注入电流与激射波长之间的关系，将第一光栅1和第二光栅4的电流扫描范围均定为0～250mA，扫描的步长为2mA。为了给整个激光器提供足够的增益，同时考虑到激光器的整体尺寸，将公共增益区2的长度W5确定为500um，其上注入电流确定为100mA。为了保证足够的相位调节能力，将相位调节区3的长度W6确定为300um，其注入电流扫描范围为0～20mA，扫描步长为5mA。
半导体可调谐激光器进行测试时，要对第一光栅区1、公共增益区2、相位调节区3、第二光栅区4进行独立地注电。其中公共增益区2必须注电，第一光栅区1和第二光栅区上的注入电流要在一定范围内进行扫描，相位调节区3根据第一光栅区1、第二光栅区2注电后激光器激射的结果进行选择性注电。
例如：如果第一光栅区1、第二光栅区2分别注入某一电流时，激光器无法进行单纵模激射，则此时对相位调节区3不注电，并对施加的电流进行扫描，直到激射波长变为单纵模或相位调节区3注电到该区所能承受的最大电流，停止给相位调节区3继续增大电流。改变第一光栅区1、第二光栅区2的注入的电流组合，进行下一组扫描，如此循环，直到测试结束，得到最终的调谐范围点，如图9a、图9b所示，通过对比可以看出相位调节区长度W6为100μm的半导体可调谐激光器(如图9b所示)的准连续调谐能力明显比位调节区长度W6为300μm的半导体可调谐激光器(如图9a所示)。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半导体可调谐激光器，包括：
位于同一衬底上、且依次相邻设置的第一光栅区、公共增益区、相位调节区、第二光栅区；其中，
所述第一光栅区与所述第二光栅区具有不同的光栅周期；
所述相位调节区的长度大于或等于所述公共增益区的长度的二分之一；
所述第一光栅区、所述公共增益区、所述相位调节区、所述第二光栅区分别包括自所述衬底上依次形成的N型外延层、有源层、P型外延层和脊条。
2.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述第一光栅区与所述公共增益区之间、所述公共增益区与所述相位调节区之间、所述相位调节区与所述第二光栅区之间分别设置有电隔离槽。
3.根据权利要求2所述的激光器，其中，所述电隔离槽包括刻蚀狭槽。
4.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述有源层包括多量子阱结构。
5.根据权利要求4所述的激光器，其中，所述多量子阱结构的主体材料包括AlGaInAs四元化合物。
6.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述脊条包括浅脊波导结构。
7.根据权利要求6所述的激光器，其中，所述脊条的侧截面包括矩形。
8.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述P型外延层上表面设置有P面电极。
9.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述衬底下表面设置有N面电极。
10.一种权利要求1～9任意一项所述激光器的制备方法，包括：
在衬底上依次生长N型外延层、有源层、P型外延层，得到外延片；
在所述P型外延层上表面生长二氧化硅保护层；
通过图形转移在生长有二氧化硅保护层的所述外延片上形成相邻设置的第一光栅区、公共增益区、相位调节区和第二光栅区，并在所述第一光栅区、公共增益区、相位调节区和第二光栅区的P型外延层上分别形成脊条；
去除残余的二氧化硅，并重新在所述P型外延层上表面生长二氧化硅，作为绝缘层；
在所述脊条上开设注电窗口，并在所述P型外延层上生长P面电极；
采用光刻法并腐蚀所述P面电极以图形化电极，使所述第一光栅区、所述公共增益区、所述相位调节区、所述第二光栅区彼此电隔离；
在所述衬底下表面生长N面电极；
划片解理后制得所述激光器。
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