CN114039274B - 一种具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于激光器技术领域，特别是涉及一种具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器及其制备方法。传统的侧向耦合分布反馈激光器工作时，载流子的侧向泄露会严重影响器件的注入效率和阈值增益。此外，光栅形貌的非完美刻蚀会降低光栅的波长选择能力以及器件的可靠性。本申请提供了一种具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器及其制备方法，所述的窄槽结构设置在脊波导和光栅区之间，用以阻碍载流子的侧向扩散，同时，有利于降低形成完美形貌的刻蚀难度，从而提高光栅制作的可重复性。
Description
技术领域
本申请属于激光器技术领域，特别是涉及一种具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器及其制备方法。
背景技术
分布反馈(DFB)激光器在许多领域都发挥着重要的控制作用，例如光纤通信、可调谐二极管激光吸收光谱、芯片级原子钟、椭偏仪和三维视觉系统，具有良好的单色性(即光谱纯度)、窄线宽(1MHz以内)和高边模抑制比(SMSR>45dB)。然而，传统的掩埋光栅需要至少一个二次外延的步骤，从而导致界面缺陷问题以及二次外延相关的许多其他困难。表面光栅可以解决上述问题。它可以很容易地集成在许多类型的器件中，避免外延二次外延，便于器件结构的制备。
侧向耦合脊波导(LC-RWG)表面光栅的提出可以在一定程度上降低这种影响，提高DFB器件的性能。然而，在LC-RWG光栅的刻蚀工艺中，刻蚀深宽比相关的负载效应会造成不理想的光栅轮廓，光栅槽中靠近波导模式中心的底角不能成功刻蚀成理想的形状，而这个关键位置也是光栅与光场耦合强度最大的地方。这种与设计结构的偏差导致光栅耦合系数κ减小且不可控。虽然可以拓宽光栅的侧向尺寸来补偿非完美形貌导致的κ降低，但这也会加重泵浦电流的侧向泄露，使得器件工作时，光栅与载流子之间的相互作用影响半导体谐振腔的稳定性，进而降低器件的可靠性，加之光栅非完美形貌的不可控性，增加了器件设计和制作的复杂性。
发明内容
1.要解决的技术问题
目前，侧向耦合分布反馈激光器的制作过程中往往需要高精度的刻蚀以产生平滑的侧壁和光栅槽。因为刻蚀深宽比相关的负载效应使得光栅刻蚀过程中难以产生理想的光栅轮廓，即使几十纳米的粗糙光栅槽底角也可能会导致光栅耦合系数κ明显的减小以及不可控，增加了器件设计和工艺难度，降低了器件的成品率。此外，在脊区传输的载流子中，会有部分沿着光栅进行侧向传输，导致载流子泄露，降低器件的注入效率。
2.技术方案
为了解决上述的技术问题，本申请提供了一种具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器及其制备方法，包括侧向耦合光栅结构，所述侧向耦合光栅结构包括光栅结构和脊结构，所述光栅结构与所述脊结构之间设置有窄槽结构。
本申请提供的另一种实施方式为：所述侧向耦合分布反馈波导结构包括相对设置的n面电极和p面电极，所述n面电极与所述p面电极之间设置有功能层，在第一方向上，所述功能层包括依次设置的衬底、过渡层、n包层、n波导层、有源层、p波导层、p包层和p盖层，所述第一方向为由所述n面电极指向所述p面电极的方向。
本申请提供的另一种实施方式为：所述光栅结构包括第一光栅和第二光栅，所述脊结构包括脊波导，所述窄槽结构包括第一窄槽和第二窄槽，所述第一光栅、所述第一窄槽、所述脊波导、所述第二窄槽和所述第二光栅依次排列。
本申请提供的另一种实施方式为：所述第一光栅高度与所述脊波导高度不同，所述第二光栅高度与所述脊波导高度不同。
本申请提供的另一种实施方式为：所述第一光栅与第二光栅为非对称光栅。
本申请提供的另一种实施方式为：所述非对称光栅的侧向尺寸变化小于1μm。
本申请提供的另一种实施方式为：还包括绝缘介质膜，所述侧向耦合分布反馈波导结构上填充覆盖有所述绝缘介质膜。
本申请提供的另一种实施方式为：所述光栅结构槽底高度与所述窄槽结构槽底高度相同。
本申请提供的另一种实施方式为：所述脊结构宽度为0.8～4μm。
本申请还提供一种具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器的制备方法，所述方法包括自衬底上生长外延结构，对所述外延结构进行第一次光刻和镀金属膜，形成金属对版标记；对所述外延结构进行第二次光刻和刻蚀，形成深窄槽，并去除光栅结构外侧区域；对所述外延结构进行第三次光刻和刻蚀，形成光栅结构；在所述外延结构表面镀绝缘介质膜，填充光栅缝和深窄槽，并覆盖其他区域；对所述外延结构进行第四次光刻和刻蚀，露出脊区域的电极区以及相邻激光器之间的解理区域；对所述外延结构进行第五次光刻，覆盖位于激光器边缘用于解理的区域；镀激光器外延结构p面电极，并剥离；减薄抛光n面，并镀n面电极。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的一种具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器及其制备方法的有益效果在于：
本申请提供的具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器，窄槽被设置在光栅与未刻蚀脊区之间，一方面降低了光栅形貌精确制作的难度，另一方面，有效形成对脊中载流子的限制，减少载流子的侧向泄露，同时增强器件结构对侧向光学模式的选择，抑制高阶模而支持基模稳定谐振。
本申请提供的具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器，窄槽结构的引入可支持光栅高度的减小，使光栅顶与脊波导顶不在同一高度，有利于降低刻蚀难度。传统的侧向耦合半导体激光器脊与光栅在同一高度，光栅刻蚀过程中不可避免的受ARDE效应对光栅形貌的产生影响，添加窄槽后，可适当降低光栅高度，更利于制备出接近标准结构的光栅，从而简化制备工艺。
本申请提供的具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器，光栅可采用侧向尺寸非对称的排布设计，有利于削减脊波导对光场沿侧向的限制，从而使得光模场更容易受到光栅侧向宽度的影响，达到提高光栅耦合系数的目的。
附图说明
图1是本申请的具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器第一结构立体结构示意图；
图2是本申请的具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器第一结构横截面示意图；
图3是本申请的具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器第一结构窄槽结构示意图；
图4是本申请的具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器第一结构俯视图；
图5是本申请的具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器第二结构横截面示意图；
图6是本申请的具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器第三结构俯视图；
图7是本申请的不同槽宽和槽深的激光器第一结构的载流子分布示意图；
图8是本申请的不同槽宽和槽深的激光器第一结构的基模(-1)、一阶模(-2)和二阶模(-3)的光场分布示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
参见图1～8，本申请提供一种具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器及其制备方法，包括侧向耦合光栅结构，所述侧向耦合光栅结构包括光栅结构和脊结构，所述光栅结构与所述脊结构之间设置有窄槽结构。
光栅结构和脊结构设置在激光器的p面。区别于传统的侧向耦合光栅结构(光栅结构与脊结构相连)，引入的深窄槽结构被设置在光栅结构与未刻蚀脊区之间，使得沿侧向上光栅结构和脊结构为分立结构。这样的结构设置一方面可以降低具有标准形貌的光栅的制作难度，另一方面有效地限制了载流子的侧向泄漏，有利于增强器件的模式稳定性和可靠性。
为了有效地限制光子和载流子，有源区采用无铝分别限制异质单量子阱，由一个非掺杂In0.265Ga0.735As量子阱和两个非掺杂GaAs量子势垒层组成(器件输出波长为1.064μm)，在量子阱/垒和波导之间放置GaAsP材料层来缓解晶格应力。量子阱嵌入非对称非掺杂波导层之间，采用这种非对称的波导层和包层来降低器件的吸收损耗，并增大基模和高阶模之间的模式限制因子差，以保证器件的高效稳定工作。
所述窄槽结构形成了对脊中载流子的有效限制，明显减少了载流子的侧向泄露。如图7所示，其中(a)槽宽100nm，槽深1.08μm；(b)槽宽300nm，槽深1.1μm；(c)槽宽500nm，槽深1.12μm；(d)无窄槽结构。如图(d)，无窄槽结构时，有明显的载流子侧向传输至位于脊侧边的光栅区，并且在位于上包层附近的光栅外边角处有聚集的现象，而且，载流子沿侧向的流动会导致泄露。如图(a、b、c)，窄槽结构的引入对载流子的侧向传输形成了有效的限制，明显地降低了光栅区域的载流子密度，并消除了载流子聚集现象。因此深窄缝的引入有利于抑制器件中泵浦电流的侧向泄露，提高注入效率。并且，由图可知，随着窄槽宽度和深度的增加，载流子的侧向传输进一步被限制。
所述窄槽结构有利于增强波导结构对侧向光学模式的选择。如图8所示，其中(a)槽宽100nm，槽深1.08μm；(b)槽宽300nm，槽深1.1μm；(c)槽宽500nm，槽深1.12μm；(d)无窄槽结构。如图(d)，无窄槽结构时，基模在上包层附近的光栅外边角处光场较弱，而一阶模和二阶模式均在此处附近有较强的光场，考虑到这种结构存在的载流子聚集现象，这样的场分布差异会使得波导结构具有较小的模式之间增益差，基模的竞争优势不突出。如图(a、b、c)，窄槽结构的引入，对一、二阶模的场分布有明显的影响。随着窄槽尺寸的增大，增加了一阶模的两个强度中心之间的距离，而中间脊电流注入区域场强较弱，使得一阶模的增益较小。对于二阶模，波导中的光场与脊有相当大的重叠，提供了足够的增益，但侧向光栅中的场强随着窄槽尺寸的增加而减小，导致反馈不足，从而使得器件中高阶模被抑制而基模被选择。
进一步地，所述侧向耦合分布反馈波导结构包括相对设置的n面电极8和p面电极，所述n面电极8与所述p面电极之间设置有功能层，在第一方向上，所述功能层包括依次设置的衬底7、过渡层6、n包层5、n波导层3、有源层1、p波导层2、p包层4和p盖层9，所述第一方向为由所述n面电极1指向所述p面电极2的方向。
进一步地，所述光栅结构包括第一光栅10和第二光栅13，所述脊结构包括脊波导12，所述窄槽结构包括第一窄槽11和第二窄槽21，所述第一光栅10、所述第一窄槽11、所述脊波导12、所述第二窄槽21和所述第二光栅13依次排列。
进一步地，所述第一光栅10高度与所述脊波导12高度不同，所述第二光栅13高度与所述脊波导12高度不同。所述第一光栅10顶可低于脊波导12的顶；所述第二光栅13顶可低于脊波导12的顶。所述侧向耦合分布反馈波导结构可进行参数优化以降低光栅深宽比及相应的制作难度，其方式为明显减小脊两侧光栅的高度并稍微增加光栅深度。
进一步地，所述第一光栅10与所述第二光栅13为非对称光栅。采用非对称光栅来调整脊两侧的有效折射率和波导光场的分布。
进一步地，所述非对称光栅的侧向尺寸变化小于1μm。提出了一种改善光栅κ的方法。通过适当调节光栅的横向位移(<1μm)，在不影响器件的模式稳定性情况下，可以将κ提高到30cm-1。增加光栅与光场之间的交叠，最终实现提高光栅耦合系数的目的。
相对于窄的光栅侧向尺寸，宽侧向尺寸具有更大的刻蚀深度，对模式产生了更强的横向限制，使得光场更多地集中在了有源区，削减了脊波导12对光场沿侧向的限制，从而使得光模场更容易受到光栅侧向宽度的影响。
进一步地，还包括绝缘介质膜22，所述侧向耦合分布反馈波导结构上填充覆盖有所述绝缘介质膜22。
进一步地，所述光栅结构槽底高度与所述窄槽结构槽底高度相同。
进一步地，所述脊结构宽度为0.8～4μm。这是因为在同等的工艺误差条件下，小脊宽器件更容易发生明显幅度的耦合系数变化，脊宽的增大会增加其对光场的限制能力，从而减少光场与光栅交叠，导致光栅耦合系数降低及耦合系数和有效折射率的变化速率越来越慢。
本申请还提供一种具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器的制备方法，所述方法包括自衬底7上生长外延结构，对所述外延结构进行第一次光刻和镀金属膜，形成金属对版标记；对所述外延结构进行第二次光刻和刻蚀，形成深窄槽，并去除光栅结构外侧区域；对所述外延结构进行第三次光刻和刻蚀，形成光栅结构；在所述外延结构表面镀绝缘介质膜22，填充光栅缝和深窄槽，并覆盖其他区域；对所述外延结构进行第四次光刻和刻蚀，露出脊区域的电极区以及相邻激光器之间的解理区域；对所述外延结构进行第五次光刻，覆盖位于激光器边缘用于解理的区域；镀激光器外延结构p面电极，并剥离；减薄抛光n面，并镀n面电极。
实施例
本申请中第一光栅10、第二光栅13可以简称为光栅。
同样第一窄槽11和第二窄槽21简称为窄槽。
所述窄槽宽度均在0～0.8μm，逐渐增加未刻蚀脊和光栅之间的缝宽，即将光栅逐渐向着脊外侧方向平移，会改变光模式分布以及光栅耦合系数。这是因为较宽的缝隙宽度减小了光栅和光学模场之间的重叠，从而降低了κ；而填充氧化硅的窄槽的加宽加大了其与光场的交叠，从而降低了波导的有效折射率。仿真结果表明：当窄槽宽度＜100nm时，κ和neff的变化较为明显。当窄槽宽度＞100nm时，κ和neff的降低速率减慢，即窄槽宽度较小时，对波导中的光场影响较为明显，有助于实现高耦合系数，但对于器件来说不是理想的，因为其制作难度高，且工艺容差会容易产生明显的耦合系数和有效折射率变动，不利于器件的稳定性；当窄槽宽度较大时，对光模式分布的影响较小，需要增加光栅深度以获得足够的光栅限制因子，但加深的光栅结构需要器件波导参数的重新调整来获取目标波长。为减小器件工艺制备难度和器件工作稳定性，窄槽宽度需要精确设计。
考虑到器件的工艺复杂度和工作稳定性，所述窄槽的残余层厚度(即窄槽槽底到波导层的距离)应等于光栅的残余层厚度(即光栅槽底到波导层的距离)。当窄槽的残余层厚度相对于参考值增大时，即使减小窄槽刻蚀深度，光栅的耦合系数增加。这是因为窄槽对模式的限制能力降低，使得更多的光场泄漏到光栅区域，增大了光栅的限制因子；当窄槽的残余层厚度相对于参考值减小时，即使窄槽进一步刻蚀，光栅耦合系数的降低减慢甚至增加，这是因为深刻蚀窄槽导致了光场分布发生明显的形变，增加了光场与光栅的交叠，并且槽宽越大，对应的形变会越加明显。对于有效折射率，随着窄槽的加深，窄槽与光场的交叠增加，使得有效折射率逐渐减小。因此，窄槽的残余层厚度需要精确设计。
所述光栅宽度范围在1.5～3.5μm，随着光栅侧向宽度的增大，光栅耦合系数和有效折射率均有所提高。对于无窄槽的传统侧向耦合光栅，耦合系数调节效率更高。
所述光栅高度＞0.6μm，这是因为光场在上包层区域的分布逐渐减弱，使得降低光栅高度对整体光场分布的影响很小。综合考虑到目标耦合系数和工艺难度，光栅高度＞0.6μm是较优的选择。也因此，所述光栅高度与脊高度可不一致，窄槽的添加会避免光栅刻蚀过程中脊和ARDE效应对光栅形貌产生影响，从而简化制作工艺，制作光栅时可先刻蚀出光栅台和窄槽，再刻蚀光栅。
本申请还提供一种所述的具有窄槽的侧向耦合DFB半导体激光器的制备方法，自衬底7上生长外延结构，各层结构依次为过渡层6、n包层5、n波导层3、有源层1、p波导层2、p包层4和p盖层9。对生长外延结构进行第一次光刻和镀金属膜，形成金属对版标记。对生长外延结构进行第二次光刻和刻蚀，形成深窄槽，即形成第一窄槽11和第二窄槽21，并去除光栅外侧区域。对生长外延结构进行第三次光刻和刻蚀，形成光栅，即第一光栅10和第二光栅13。在生长外延结构表面镀绝缘介质膜22(氧化硅或者氮化硅)，填充光栅缝和深窄槽，并覆盖其他区域。对生长外延结构进行第四次光刻和刻蚀，露出脊区域的电极区以及相邻激光器之间的解理区域。对生长外延结构进行第五次光刻，覆盖位于激光器边缘用于解理的区域(露出大部分区域)。镀激光器外延结构p面电极，并剥离。减薄抛光n面，并镀n面电极。退火工艺。解理成巴条。镀腔面膜，包括前腔面的增透膜和后腔面的高反射膜。将巴条解理成单管。测试，筛选，封装。
参阅图1是具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器第一结构立体结构示意图。光栅刻蚀在脊波导12两侧，特别注意的是，增加第一窄槽11设置在第一光栅10与脊波导12之间。激光器通过光场与制作在脊波导两侧的光栅耦合产生激射。
图2是具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器第一结构横截面示意图。所示每个激光器单管包括相对设置的n面电极8和p面电极，所述n面电极8与所述p面电极之间设置有功能层，在第一方向上，所述功能层包括依次设置的衬底7、过渡层6、n包层5、n波导层3、有源层1、p波导层2、p包层4和p盖层9，所述第一方向为由所述n面电极1指向所述p面电极2的方向。p面电极刻蚀有侧向耦合DFB第一光栅10和第二光栅13、第一窄槽11和第二窄槽21以及脊波导12，在完成刻蚀后，均会在其上填充覆盖二氧化硅薄膜22。虚线框选部分为光栅区域。
图3是具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器第一结构窄槽结构示意图。第一窄槽11设置在第一光栅10与脊波导12，第二窄槽21设置在第二光栅13与脊波导12之间，引入窄槽结构降低了光栅形貌精确制作的难度，同时有效地限制了载流子对光栅的侧向泄漏，增强了波导结构对侧向光学模式的限制。
图4是具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器第一结构俯视图。器件结构是以传统的侧向耦合DFB波导结构为基础，在第一光栅10与未刻蚀脊区12之间增添了窄槽结构。工艺过程中，在光栅和脊制作完成后，需要用绝缘介质膜22将其填充覆盖，之后在脊波导12的中间位置开电极窗口。
图5是具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器第二结构横截面示意图。第一光栅10和第二光栅13的高度与所述脊波导12高度不同，这样设置是因为光场在上包层区域的分布逐渐减弱，使得降低光栅高度对整体光场分布的影响很小，又因为窄槽结构的引入，可以避免光栅刻蚀过程中ARDE效应对光栅形貌的影响，从而简化制备工艺。
图6是具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器第三结构俯视图。两种器件结构是以具有窄槽结构的侧向耦合DFB波导结构为基础，非对称光栅10与13沿侧向变化尺寸，虚线框16为原始光栅结构。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。
Claims (9)
1.一种具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器，其特征在于：侧向耦合分布反馈光栅制作在器件外延片的p面，侧向耦合光栅结构包括光栅结构和脊结构，所述光栅结构与所述脊结构之间设置有窄槽结构；所述光栅结构包括第一光栅和第二光栅，所述脊结构包括脊波导，所述窄槽结构包括第一窄槽和第二窄槽，所述第一光栅、所述第一窄槽、所述脊波导、所述第二窄槽和所述第二光栅依次排列。
2.如权利要求1所述的侧向耦合分布反馈激光器，其特征在于：侧向耦合分布反馈波导结构包括相对设置的n面电极和p面电极，所述n面电极与所述p面电极之间设置有功能层，在第一方向上，所述功能层包括依次设置的衬底、过渡层、n包层、n波导层、有源层、p波导层、p包层和p盖层，所述第一方向为由所述n面电极指向所述p面电极的方向。
3.如权利要求1所述的侧向耦合分布反馈激光器，其特征在于：所述第一光栅高度与所述脊波导高度不同，所述第二光栅高度与所述脊波导高度不同。
4.如权利要求1所述的侧向耦合分布反馈激光器，其特征在于：所述第一光栅与第二光栅为非对称光栅。
5.如权利要求4所述的侧向耦合分布反馈激光器，其特征在于：所述非对称光栅的侧向尺寸变化小于1μm。
6.如权利要求1～5中任一项所述的侧向耦合分布反馈激光器，其特征在于：还包括绝缘介质膜，所述侧向耦合分布反馈波导结构上填充覆盖有所述绝缘介质膜。
7.如权利要求6所述的侧向耦合分布反馈激光器，其特征在于：所述光栅结构槽底高度与所述窄槽结构槽底高度相同。
8.如权利要求6所述的侧向耦合分布反馈激光器，其特征在于：所述脊结构宽度为0.8～4μm。
9.一种如权利要求1-8 任一项所述的具有窄槽结构的侧向耦合分布反馈激光器的制备方法，其特征在于： 所述方法包括自衬底上生长外延结构，对所述外延结构进行第一次光刻和镀金属膜，形成金属对版标记；对所述外延结构进行第二次光刻和刻蚀，形成深窄槽，并去除光栅结构外侧区域；对所述外延结构进行第三次光刻和刻蚀，形成光栅结构；在所述外延结构表面镀绝缘介质膜，填充光栅缝和深窄槽，并覆盖其他区域；对所述外延结构进行第四次光刻和刻蚀，露出脊区域的电极区以及相邻激光器之间的解理区域；对所述外延结构进行第五次光刻，覆盖位于激光器边缘用于解理的区域；镀激光器外延结构p面电极，并剥离；减薄抛光n面，并镀n面电极。
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