CN114256740A - 一种dfb半导体激光器 - Google Patents

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刘德明
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Abstract

本发明公开了一种DFB半导体激光器，属于半导体器件领域，包括：自下往上依次外延生长的n面电极、衬底、n型下包层、有源区、光栅层、p型上包层、脊波导和p面电极，有源区为多量子阱结构；脊波导的两侧刻蚀有彼此对称的沟槽区，沟槽区穿过有源区，用于提高DFB半导体激光器的调制带宽。常温下，双沟槽区通过提高光场限制因子来提高驰豫振荡频率，且降低寄生电容，高温下，双沟槽区通过降低载流子扩散来提高驰豫振荡频率，从而在常温和高温下均能提高调制带宽。制作工艺简单，且沟槽区距离光场较远，不会因含铝材料的刻蚀引发可靠性问题，在不影响激光器性能及可靠性的基础上，提高DFB半导体激光器的调制带宽。

Description

一种DFB半导体激光器
技术领域
本发明属于半导体器件领域，更具体地，涉及一种DFB半导体激光器。
背景技术
直接调制半导体激光器具有成本低、体积小、可批量生产等优势，在低成本光纤通信中得到广泛应用。随着对数据传输速率的要求越来越大，在数据中心的巨大需求下，高速分布反馈半导体激光器已经成为了核心光源。然而，分布反馈半导体激光器的调制带宽受到激光寄生常数、阻尼以及驰豫振荡频率的限制，并且调制输出的光信号伴随有频率啁啾等现象。此外，随着温度升高，由于俄歇复合的增加，激光器的阈值电流迅速增大，且激光器的微分增益迅速下降，使得激光器的驰豫振荡频率下降，进而限制了激光器的调制带宽。如何提高半导体激光器的调制带宽，尤其是改善其高温特性，是半导体激光器件面临的重要技术挑战。
为了提高半导体激光器的调制带宽，目前通常采取的优化措施包括：减小器件阻抗以减小激光寄生常数，优化量子阱结构以提高激光器微分增益等。采用掩埋异质结结构以减小有源区宽度可有效提高调制带宽，但对靠近光场的含铝材料的刻蚀和氧化问题会影响激光器的可靠性，特别是在高温下的调制带宽显著降低，因此，业界普遍采用工艺更加简单的脊波导激光器。如何在脊波导激光器的基础上提高带宽是重要的技术挑战，调制带宽更高的脊波导激光器会具有更广阔的应用前景。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种DFB半导体激光器，其目的在于在不影响激光器性能及可靠性的基础上，提高DFB半导体激光器的调制带宽。
为实现上述目的，本发明提供了一种DFB半导体激光器，包括自下往上依次外延生长的n面电极、衬底、n型下包层、有源区、光栅层、p型上包层、脊波导和p面电极，所述有源区为多量子阱结构；所述脊波导的两侧刻蚀有彼此对称的沟槽区，所述沟槽区穿过所述有源区，用于提高所述DFB半导体激光器的调制带宽。
更进一步地，所述DFB半导体激光器的驰豫振荡频率为：
Figure BDA0003412507820000021
其中，fr为所述驰豫振荡频率，vg为激光介质中光群速度，g、N、
Figure BDA0003412507820000022
分别为DFB半导体激光器的增益、载流子密度和微分增益，ε为增益饱和系数，S为光子密度，ηi为内量子效率，ξ为光场限制因子，e为电子电量，V为有源区的体积，I为注入DFB半导体激光器的电流，Ith为DFB半导体激光器的阈值电流。
更进一步地，15-35℃的温度下，所述沟槽区用于通过提高光场限制因子ξ以提高驰豫振荡频率fr，从而通过提高对光场的限制以提高DFB半导体激光器的调制带宽；所述沟槽区还用于减小DFB半导体激光器的寄生电容以提高DFB半导体激光器的调制带宽。
更进一步地，高于70℃的温度下，所述沟槽区用于通过减小载流子的横向扩散，提高DFB半导体激光器的微分增益
Figure BDA0003412507820000023
以提高驰豫振荡频率fr，从而提高DFB半导体激光器的调制带宽。
更进一步地，所述沟槽区与所述脊波导之间的横向距离为2-8μm，且所述DFB半导体激光器的调制带宽随所述横向距离的增大而增大，并在所述横向距离增大至第一横向距离时调制带宽增大至饱和状态。
更进一步地，所述沟槽区与所述脊波导之间的横向距离为所述第一横向距离，所述第一横向距离介于6μm到7μm之间。
更进一步地，所述沟槽区的深度为不小于336m，宽度为5-8μm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：通过在DFB半导体激光器的脊波导两侧刻蚀对称的沟槽区，沟槽区穿过有源区；常温下，双沟槽区可以提高光场限制因子，从而提高驰豫振荡频率，并且可以降低寄生电容，显著提高激光器调制带宽；高温下，双沟槽区可以有效抑制载流子的横向扩散，提高微分增益，从而提高驰豫振荡频率，显著提高激光器调制带宽；除此之外，在传统脊波导激光器中刻蚀两个沟槽，制作工艺简单，且沟槽区距离光场较远，不会因含铝材料的刻蚀引入对光场的破坏，在不影响激光器性能及长期可靠性的基础上，提高DFB半导体激光器的调制带宽，具有广阔的应用场景。
附图说明
图1为本发明实施例提供的DFB半导体激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的刻蚀沟槽区之前DFB半导体激光器的结构示意图；
图3为图2所示DFB半导体激光器的光场图；
图4为图1和图2所示DFB半导体激光器的带宽对比图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
101为n面电极，102为衬底，103为n型下包层，104为有源区，105为光栅层，106为p型上包层，107为脊波导，108为p面电极，109为沟槽区。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
图1为本发明实施例提供的DFB半导体激光器的结构示意图。参阅图1，结合图2-图4，对本实施例中DFB半导体激光器进行详细说明。
参阅图1，DFB半导体激光器包括自下往上依次外延生长的n面电极101、衬底102、n型下包层103、有源区104、光栅层105、p型上包层106、脊波导107和p面电极108，其中，有源区104为多量子阱结构。脊波导107的两侧刻蚀有彼此对称的沟槽区109，沟槽区109穿过有源区104，用于提高DFB半导体激光器的调制带宽。
刻蚀沟槽区109之前，DFB半导体激光器的结构如图2所示。需要说明的是，本实施例中，沟槽区109穿过有源区104即可，可以继续向下刻蚀至穿过n型下包层103。
需要说明的是，本实施例中，光栅层105既包括光栅层，又包括限制层，限制层和光栅层共同构成光栅层105。
根据本发明的实施例，DFB半导体激光器的驰豫振荡频率为：
Figure BDA0003412507820000041
其中，fr为驰豫振荡频率，vg为激光介质中光群速度，g、N、
Figure BDA0003412507820000042
分别为DFB半导体激光器的增益、载流子密度和微分增益，ε为增益饱和系数，S为光子密度，ηi为内量子效率，ξ为光场限制因子，e为电子电量，V为有源区104的体积，I为注入DFB半导体激光器的电流，Ith为DFB半导体激光器的阈值电流。驰豫振荡频率fr越高，DFB半导体激光器的调制带宽(3dB)带宽越大。
常温(15-35℃)下，沟槽区109可以提高对光场的限制，提高光场限制因子ξ进而提高驰豫振荡频率fr，从而提高常温下DFB半导体激光器的调制带宽。沟槽区109也可以减小DFB半导体激光器的寄生电容，从而进一步提高常温下DFB半导体激光器的调制带宽。
高温(高于70℃)下，沟槽区109可以有效减小高温引起的载流子横向扩散，提高DFB半导体激光器的微分增益
Figure BDA0003412507820000051
进而提高驰豫振荡频率fr，从而提高高温下DFB半导体激光器的调制带宽。
根据本发明的实施例，沟槽区109与脊波导107之间的横向距离为2-8μm，且DFB半导体激光器的调制带宽随沟槽区109与脊波导107之间的横向距离的增大而增大，并在横向距离增大至第一横向距离时调制带宽增大至饱和状态。优选地，将沟槽区109与脊波导107之间的横向距离设置为第一横向距离，第一横向距离介于6μm到7μm之间。优选地，第一横向距离为6μm。
参阅图3，DFB半导体激光器的光场主要集中在中心脊区域，本实施例中，由于沟槽区109距离脊波导107的距离大于2μm，距离光场区域较远，因此，不会因含铝材料的刻蚀和氧化而引入可靠性问题。
本实施例中，在沉积SiO2和p面电极108之前，在脊波导107两侧的p型上包层106、光栅层105、有源区104处刻蚀出两个沟槽，形成沟槽区109，两个沟槽均刻穿有源区104以实现对光场的限制，沟槽距离脊的距离可变，沟槽的宽度也可变，相对于常规DFB半导体激光器，不同沟脊距和宽度的沟槽均能提高DFB半导体激光器的带宽。
常温下，沟槽区109使得DFB半导体激光器的光场限制因子提高，所以DFB半导体激光器的驰豫振荡频率提高，沟槽区109也可以使得DFB半导体激光器的等效寄生电容降低，因此DFB半导体激光器的调制带宽将得到提高。高温下，由于DFB半导体激光器的调制带宽主要由其驰豫振荡频率决定，双沟槽限制载流子的扩散提高微分增益，提高驰豫振荡频率，因此DFB半导体激光器的调制带宽也将得到提高。参阅图4中示出的实测激光器小信号响应曲线，在常温下和高温下，双沟槽结构的DFB半导体激光器均使得调制带宽得到显著提高。优选地，本实施例中，沟槽区109的深度为不小于336m，宽度为5-8μm。
综上所述，本实施例中，具有双沟槽结构的DFB半导体激光器，可以实现激光器驰豫振荡频率的提高和寄生常数的降低，即可以提高激光器的3dB带宽，在高温下也可提高3dB带宽。此器件制作工艺简单且不影响激光器件的可靠性，具有广阔的应用前景。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种DFB半导体激光器，其特征在于，包括自下往上依次外延生长的n面电极(101)、衬底(102)、n型下包层(103)、有源区(104)、光栅层(105)、p型上包层(106)、脊波导(107)和p面电极(108)，所述有源区(104)为多量子阱结构；
所述脊波导(107)的两侧刻蚀有彼此对称的沟槽区(109)，所述沟槽区(109)穿过所述有源区(104)，用于提高所述DFB半导体激光器的调制带宽。
2.如权利要求1所述的DFB半导体激光器，其特征在于，所述DFB半导体激光器的驰豫振荡频率为：
Figure FDA0003412507810000011
其中，fr为所述驰豫振荡频率，νg为激光介质中光群速度，g、N、
Figure FDA0003412507810000012
分别为DFB半导体激光器的增益、载流子密度和微分增益，ε为增益饱和系数，S为光子密度，ηi为内量子效率，ξ为光场限制因子，e为电子电量，V为有源区(104)的体积，I为注入DFB半导体激光器的电流，Ith为DFB半导体激光器的阈值电流。
3.如权利要求2所述的DFB半导体激光器，其特征在于，15-35℃的温度下，所述沟槽区(109)用于通过提高光场限制因子ξ以提高驰豫振荡频率fr，从而通过提高对光场的限制以提高DFB半导体激光器的调制带宽；所述沟槽区(109)还用于减小DFB半导体激光器的寄生电容以提高DFB半导体激光器的调制带宽。
4.如权利要求2所述的DFB半导体激光器，其特征在于，高于70℃的温度下，所述沟槽区(109)用于通过减小载流子的横向扩散，提高DFB半导体激光器的微分增益
Figure FDA0003412507810000021
以提高驰豫振荡频率fr，从而提高DFB半导体激光器的调制带宽。
5.如权利要求1-4任一项所述的DFB半导体激光器，其特征在于，所述沟槽区(109)与所述脊波导(107)之间的横向距离为2-8μm，且所述DFB半导体激光器的调制带宽随所述横向距离的增大而增大，并在所述横向距离增大至第一横向距离时调制带宽增大至饱和状态。
6.如权利要求5所述的DFB半导体激光器，其特征在于，所述沟槽区(109)与所述脊波导(107)之间的横向距离为所述第一横向距离，所述第一横向距离介于6μm到7μm之间。
7.如权利要求1-4任一项所述的DFB半导体激光器，其特征在于，所述沟槽区(109)的深度为不小于336m，宽度为5-8μm。
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