CN114465090A

CN114465090A - 一种多结分布式反馈激光器及其制备方法

Info

Publication number: CN114465090A
Application number: CN202210381963.5A
Authority: CN
Inventors: 李善文; 李辉杰; 牛守柱; 李含轩
Original assignee: Vertilite Co Ltd
Current assignee: Vertilite Co Ltd
Priority date: 2022-04-13
Filing date: 2022-04-13
Publication date: 2022-05-10
Anticipated expiration: 2042-04-13
Also published as: CN114465090B

Abstract

本发明公开了一种多结分布式反馈激光器及其制备方法，其中多结分布式反馈激光器包括：衬底；至少两层的有源发光层，位于衬底的同一侧；至少两层的有源发光层沿第一方向层叠设置，第一方向为垂直于衬底的方向；相邻两层的有源发光层之间设置有一层隧道结光栅，隧道结光栅包括沿第二方向依次交替设置的隧道结部和填充部；其中，位于隧道结光栅两侧的有源发光层通过隧道结部电连接；隧道结光栅可使其两侧的有源层在第二方向上形成周期分布的载流子注入，从而具备增益耦合光栅的效果，第二方向与第一方向垂直。本发明实施例提供的技术方案实现了提高DFB激光器的单模良率的同时，提高激光器的量子效率和可靠性。

Description

一种多结分布式反馈激光器及其制备方法

技术领域

本发明实施例涉及激光器技术领域，尤其涉及一种多结分布式反馈激光器及其制备方法。

背景技术

分布式反馈（Distributed Feedback Laser，DFB）激光器，属于侧面发射的半导体激光器，具有较好的单色性(即光谱纯度)，以及较高的边模抑制比(SMSR)，广泛应用于光通信、光互连、光存储高功率的应用、工业切割、测距、Lidar、医疗等领域。

目前，DFB 激光器的光栅通常有两种耦合方式，一种是折射率耦合光栅，一种是增益耦合光栅。折射率耦合光栅和发光区之间可以插入间隔层，形成掩埋光栅结构，从而减少光栅刻蚀对发光区的破坏，进而可获得高的量子效率和可靠性。但是折射率耦合均匀光栅会有双模激射的问题，进而降低了DFB激光器的单模良率。增益耦合均匀光栅可以获得稳定的单模激射，但一般需要将光栅制作在发光区，这样会造成对发光区的破坏，进而影响激光器的量子效率和可靠性。因此如何解决DFB激光器单模良率低的同时，解决激光器的量子效率低可靠性差的问题，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种多结分布式反馈激光器及其制备方法，以提高DFB激光器的单模良率的同时，提高激光器的量子效率和可靠性。

第一方面，本发明实施例提供了一种多结分布式反馈激光器，包括：

衬底；

至少两层的有源发光层，位于所述衬底的同一侧；至少两层的有源发光层沿第一方向层叠设置，所述第一方向为垂直于所述衬底的方向；

相邻两层的有源发光层之间设置有一层隧道结光栅，所述隧道结光栅包括沿第二方向依次交替设置的隧道结部和填充部；

其中，位于所述隧道结光栅两侧的有源发光层通过所述隧道结部电连接；所述隧道结光栅可形成位于其两侧的有源层的周期性分段式载流子注入，以用为增益耦合光栅，所述第二方向与所述第一方向垂直。

可选的，所述隧道结部的折射率和所述填充部的折射率相同。

可选的，所述隧道结部的折射率和所述填充部的折射率不同，所述隧道结光栅还复用为折射率耦合光栅。

可选的，所述有源发光层包括：

有源层以及位于所述有源层相对两侧的上包覆层和下包覆层；相对于所述上包覆层，所述下包覆层较靠近于所述衬底；

其中，所述上包覆层的掺杂离子的类型和下包覆层的掺杂离子的类型相反。

可选的，所述隧道结部包括：

沿所述第一方向层叠设置的第一隧道结子层和第二隧道结子层；相对于所述第二隧道结子层，所述第一隧道结子层较靠近于所述衬底；

其中，所述第一隧道结子层的掺杂离子的类型和第二隧道结子层的掺杂离子的类型相反；每一隧道结子层的掺杂离子的类型和与其接触的包覆层的掺杂离子的类型相同；

所述填充部的掺杂离子的类型和与其接触的上包覆层和下包覆层中的一层的掺杂离子的类型相同；

所述隧道结部的掺杂离子的浓度大于填充部的掺杂离子的浓度。

可选的，所述衬底的材料包括N型InP；

所述下包覆层的材料包括 N型InP，有源层的材料包括InGaAsP 或 AlGaInAs，所述上包覆层的材料包括 P型InP；

所述隧道结光栅中的填充部的材料包括N型InP；所述隧道结光栅中的隧道结部包括P型InGaAsP的第一隧道结子层和N型InGaAsP 的第二隧道结子层，或者，P型InP的第一隧道结子层和N型InP 的第二隧道结子层。

可选的，多结分布式反馈激光器还包括：

缓冲层，所述缓冲层与所述有源层位于所述衬底的同一侧；所述缓冲层覆盖所述衬底，所述缓冲层的材料与所述衬底的材料相同；

盖层，所述盖层位于所述隧道结光栅远离所述衬底的一侧，并覆盖所述隧道结光栅远离所述衬底一侧的表面；所述盖层的材料与所述填充部的材料以及所述第二隧道结子层的材料相同。

可选的，多结分布式反馈激光器还包括：

脊波导结构，所述脊波导结构位于距离所述衬底最远的有源发光层远离所述衬底的一侧。

可选的，多结分布式反馈激光器还包括：

介电层，所述介电层覆盖所述脊波导结构的侧壁以及部分的有源发光层；

第一电极层，所述第一电极层位于所述脊波导结构远离所述衬底的一侧；

第二电极层，所述第二电极层位于所述衬底远离所述有源层的一侧。

可选的，不同位置的隧道结光栅的光栅周期相同。

第二方面，本发明实施例提供了一种多结分布式反馈激光器的制备方法，该方法包括：

提供衬底；

在所述衬底的同一侧形成至少两层的有源发光层；至少两层的有源发光层沿第一方向层叠设置，所述第一方向为垂直于所述衬底的方向；

并在相邻的两层有源发光层之间形成一层隧道结光栅；所述隧道结光栅包括沿第二方向依次交替设置的隧道结部和填充部；其中，位于所述隧道结光栅两侧的有源层通过所述隧道结部电连接；所述隧道结光栅可形成位于其两侧的有源层的周期性分段式载流子注入，以用为增益耦合光栅，所述第二方向与所述第一方向垂直。

本发明实施例提供了一种多结分布式反馈激光器及其制备方法，其中多结分布式反馈激光器包括：衬底；至少两层的有源发光层，位于衬底的同一侧；至少两层的有源层发光层沿第一方向层叠设置，第一方向为垂直于衬底的方向；相邻两层的有源发光层之间设置有一层隧道结光栅，隧道结光栅包括沿第二方向依次交替设置的隧道结部和填充部；其中，位于隧道结光栅两侧的有源发光层通过隧道结部电连接；隧道结光栅为位于其两侧的有源发光层的共用，形成沿第二方向周期分布的分段式载流子注入，用作为增益耦合光栅，进而具备增益耦合光栅的效果，第二方向与第一方向垂直。本发明实施例提供的技术方案通过设置至少两层的有源发光层，并在相邻的两个独立发光的有源发光层中间，引入隧道结光栅，采用隧道结光栅作为电流注入通道，使电流只能从隧道结部流通，进而对发光区形成分段的载流子注入，形成增益耦合效果，使得DFB激光器可获得较高的单模良率，无需将光栅制作在有源层处，避免造成对发光区的破坏，进而保证了激光器的量子效率和可靠性；另外，通过至少两层的有源发光层的串联，可成倍的增加DFB激光器的光功率密度，提高激光器的输出功率，实现提高DFB激光器的单模良率的同时，提高激光器的量子效率和可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种多结分布式反馈激光器的结构剖面图；

图2是本发明实施例提供的一种具有增益耦合效果的隧道结光栅的结构剖面图；

图3是本发明实施例提供的一种具有增益耦合效果和折射耦合效果的隧道结光栅的结构剖面图；

图4是本发明实施例提供的另一种多结分布式反馈激光器的结构剖面图；

图5是图4所示结构的YZ截面的结构剖面图；

图6是本发明实施例提供的一种多结分布式反馈激光器的制备方法的流程图；

图7是本发明实施例提供的另一种多结分布式反馈激光器的制备方法的流程图；

图8是本发明实施例提供的一种多结分布式反馈激光器的制备方法中步骤S210对应的结构剖面图；

图9是本发明实施例提供的一种多结分布式反馈激光器的制备方法中步骤S220对应的结构剖面图；

图10是本发明实施例提供的一种多结分布式反馈激光器的制备方法中步骤S230对应的结构剖面图；

图11是本发明实施例提供的一种多结分布式反馈激光器的制备方法中步骤S240对应的结构剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明实施例提供的一种多结分布式反馈激光器的结构剖面图，参考图1，多结分布式反馈激光器包括衬底10和至少两层的有源发光层20。至少两层的有源发光层20位于衬底10的同一侧。至少两层的有源发光层20沿第一方向层叠设置，第一方向为垂直于衬底10的方向。

相邻两层的有源发光层20之间设置有一层隧道结光栅30，隧道结光栅30包括沿第二方向依次交替设置的隧道结部31和填充部32。

其中，位于隧道结光栅30两侧的有源发光层20通过隧道结部31电连接。隧道结光栅30为位于其两侧的有源发光层20的共用结构，形成周期分布的分段式载流子注入。第二方向与第一方向垂直。

具体的，该衬底10可以是任意适于形成边发射半导体激光器的材料，例如为磷化铟（InP）。衬底10可以具有导电性或者具有绝缘性。若给用于产生激光的有源层供电的两个金属电极层位于衬底10的相对两侧，此时衬底10需起电流导通作用导通两个电极层，衬底10可以具有导电性，可以通过重掺杂的方式降低衬底10的阻抗。若给有源层供电的两个电极层位于衬底10的同一侧，相对于两个电极层形成在衬底10的相对两侧的情况，衬底10无需起电流导通作用来导通两个电极层，此时衬底10的导电性较弱或者无导电性。本发明实施例中，给用于产生激光的有源发光层20供电的两个金属电极层位于衬底10的相对两侧，衬底10具有导电性。

衬底10的同一侧设置有至少两层沿第一方向层叠设置的有源发光层20，第一方向为垂直于衬底10的方向。每一有源发光层20中包括有源层，有源层所在的区域为一独立的发光区。相邻两层的有源发光层20之间设置有一层隧道结光栅30。隧道结光栅30可以理解为由隧道结经过刻蚀再填充半导体材料后形成的光栅。将隧道结按照设计的光栅周期和占空比，刻蚀成光栅形状。在刻蚀时需要将隧道结刻穿，形成多个沿平行于有源发光层20的方向依次交替设置的开口，开口暴露位于隧道结下方的有源发光层20，然后在开口中填充半导体材料。即隧道结光栅30包括沿平行于有源层的方向依次交替设置的隧道结部31和填充部32。不同位置的隧道结光栅30的光栅周期相同。

需要说明的是，相对于隧道结部31，在开口中填充的半导体材料需要具备无法形成电流注入的特性。使得位于隧道结光栅30两侧的有源发光层20通过隧道结部31电连接，使电流只能从隧道结处流通，进而对发光区形成分段的载流子注入，形成增益耦合效果。从而使得DFB激光器可获得较高的单模良率，无需将光栅制作在有源层处，避免造成对发光区的破坏，进而保证了激光器的量子效率和可靠性。

另外，通过至少两层的有源发光层20的串联，隧道结光栅30作为位于其两侧的有源层的共用增益耦合光栅，可成倍的增加DFB激光器的光功率密度，提高激光器的输出功率，实现提高DFB激光器的单模良率的同时，提高激光器的量子效率和可靠性。

综上，通过在至少两层独立发光的有源发光层中间，引入隧道结光栅，使其同时形成有源区串联和分段式注入的功能，进而具备增益耦合光栅的效果。相对于普通的折射率耦合均匀光栅，本发明实施例可使DFB激光器形成稳定的单模；相对于单结DFB激光器，本发明通过设置至少两层有源发光层串联，形成多结DFB激光器，可成倍的增加DFB激光器的光功率密度，提高激光器的输出功率。

在本发明的一个实施例中，参考图1，有源发光层20包括：

有源层（212/222）以及位于有源层（212/222）相对两侧的下包覆层（211/221）和上包覆层（213/223）。相对于上包覆层，下包覆层较靠近于衬底10。

其中，上包覆层的掺杂离子的类型和下包覆层的掺杂离子的类型相反。

可以理解为，有源层用以将电能转换为光能，从而产生激光。有源层的相对两侧设置有上包覆层和下包覆层。其中下包覆层位于衬底10与有源层之间。上包覆层和下包覆层均为半导体材料，例如可以为InP。下包覆层的掺杂离子的类型与上包覆层的掺杂离子的类型相反。若下包覆层掺杂的为N型掺杂离子时，则上包覆层掺杂的为P型掺杂离子；若下包覆层掺杂的为P型掺杂离子时，则第上包覆层掺杂的为N型掺杂离子。通常半导体激光器由带隙能量较高的P型、N型半导体材料和一层很薄的有源层构成。在 PN结加上正向偏置电压后，电子从N区向P区流动，空穴从P区向N区流动，在作用区内，电子和空穴复合产生光子。本发明实施例中，衬底10为N型半导体材料，下包覆层为N型半导体材料，上包覆层为P型半导体材料。

为了获得高量子效率，将光子和电子同时限制在有源层的发光区，可以使得限制在其内的电子和空穴充分进行复合发光。因此，相对于激光器的其它膜层结构，可将有源层的折射率设定在最大，能带宽度设定在最小。沿垂直于衬底10的方向上，有源层所在的区域中光场强度达到最大。有源层可以包括量子阱层以及位于量子阱层相对两侧的上限制层和下限制层。相对于上限制层，下限制层较靠近于衬底10。其中量子阱层可以为单层也可以为多层。将量子阱区域的折射率设定在最大，能带宽度设定在最小，上限制层和下限制层的折射率相对量子阱层的折射率较小。可以使得将光子和电子同时限制在量子阱发光区，获得高的量子效率。其中，量子阱层以及位于量子阱层相对两侧的上限制层和下限制层的材料可以均为无掺杂的AlGaInAs。

在本发明的一个实施例中，参考图1，隧道结部31包括：沿第一方向层叠设置的第一隧道结子层311和第二隧道结子层312。相对于第二隧道结子层312，第一隧道结子层311较靠近于衬底10。

其中，第一隧道结子层311的掺杂离子的类型和第二隧道结子层312的掺杂离子的类型相反；每一隧道结子层的掺杂离子的类型和与其接触的包覆层的掺杂离子的类型相同。

填充部32的掺杂离子的类型和与其接触的上包覆层和下包覆层中的一层的掺杂离子的类型相同，隧道结部31的掺杂离子的浓度大于填充部32的掺杂离子的浓度。

示例性的，多结分布式反馈激光器中包括第一有源发光层21和第二有源发光层22，相对于第一有源发光层21，第二有源发光层22较远离衬底10。其中第一有源发光层21包括依次层叠设置的第一下包覆层211、第一有源层212和第一上包覆层213，第二有源发光层22包括依次层叠设置的第二下包覆层221、第二有源层222和第二上包覆层223。第一有源发光层21和第二有源发光层22之间设置有一层二者共用的隧道结光栅30。隧道结光栅30中，第一隧道结子层311的掺杂离子的类型和第二隧道结子层312的掺杂离子的类型相反。而第一隧道结子层311的掺杂离子的类型与第一有源发光层21的第一上包覆层213的掺杂离子的类型相同。第二隧道结子层312的掺杂离子的类型与第二有源发光层22的第二下包覆层221的掺杂离子的类型相同。

其中，填充部32的掺杂离子的类型和与其接触的第一上包覆层213或第二下包覆层221的掺杂离子的类型相同。设置下包覆层为N型半导体材料，上包覆层为P型半导体材料。即当填充部32的掺杂离子的类型和与其接触的第一上包覆层213的类型相同时，填充部32的掺杂离子的类型和与其接触的第二下包覆层221的类型掺杂离子的类型相反，填充部32（P型）与第二下包覆层221（N型）之间可以形成反向P-N结，在反向P-N结的作用下，在填充部32无法形成电流注入。当填充部32的掺杂离子的类型和与其接触的第二下包覆层221的类型相同时，填充部32的掺杂离子的类型和与其接触的第一上包覆层213的类型掺杂离子的类型相反，填充部32（N型）与第一上包覆层213（P型）之间可以形成反向P-N结，在反向P-N结的作用下，在填充部32无法形成电流注入。

在本发明的一个实施例中，参考图1，衬底10的材料包括N型InP。下包覆层的材料包括 N型InP，有源层的材料包括InGaAsP 或 AlGaInAs，上包覆层的材料包括 P型InP。

隧道结光栅30中的填充部32的材料包括N型InP，隧道结光栅30中的隧道结部31包括P型InGaAsP的第一隧道结子层311和N型InGaAsP 的第二隧道结子层312，或者，P型InP的第一隧道结子层311和N型InP 的第二隧道结子层312。

可以理解为，填充部32掺杂离子的类型与位于其上侧的有源发光层20中第二下包覆层221的类型相同时，填充部32掺杂离子的类型和与位于其下侧的有源发光层20中第一上包覆层213掺杂离子的类型相反，填充部32（N型）与第一上包覆层213（P型）之间形成反向P-N结，在反向P-N结的作用下，在填充部32无法形成电流注入。并且设置填充部32的材料与位于其上侧的有源发光层20中第二下包覆层221的类型相同，可以使得在隧道结部31之间填充半导体材料形成填充部32，与形成位于其上侧的第二下包覆层221在同一工艺流程中形成，提高了激光器的制备效率。

在本发明的一个实施例中，隧道结部31的掺杂离子的浓度大于填充部32的掺杂离子的浓度。隧道结部31的N型和p型掺杂浓度均大于或等于3.0×10¹⁹atom/cm³。进而提高隧道结部31的导电性，防止隧道结部31的反向P-N结影响电流的注入。

在本发明的一个实施例中，参考图2，结合图1，隧道结部31的折射率和填充部32的折射率相同。

示例性的，以1310nm波段的两结DFB激光器为例。隧道结采用InP材料，与填充部32的材料相同，隧道结部31的折射率和填充部32的折射率相同。隧道结的InP材料分别进行N型和P型掺杂，分别形成N++ InP型和P++ InP型。N型和P型掺杂浓度大于3.0×10¹⁹atom/cm³，N型InP 厚度为10nm ~20nm，P型InP 厚度为10nm ~20nm。第一有源发光层21中，第一有源层212与隧道结光栅30之间的第一上包覆层213的厚度范围包括50nm ~200nm。第二有源发光层22中，第二有源层222与隧道结光栅30之间的第二下包覆层221的厚度范围包括50nm~200nm。可采用1阶或多阶光栅，光栅周期根据有效折射率进行计算，其中1阶光栅的周期范围包括200nm ~250nm。光栅层上的第二有源发光层22中，第二上包覆层223厚度可以设置在2um以上，以减少表面金属（金属电极层）对光场的干扰和吸收。

在本发明的另一个实施例中，参考图3，结合图1，隧道结部31的折射率和填充部32的折射率不同，隧道结光栅30还作为折射率耦合光栅。可以理解为，隧道结光栅30为兼具了载流子分段注入和折射率光栅效果的复合耦合光栅。

示例性的，1310nm波段的DFB激光器为例。隧道结可采用1150nm~1200nm波段的InGaAsP材料，与填充部32的材料（InP材料）不同。隧道结部31的折射率和填充部32的折射率不同。隧道结的InGaAsP材料分别进行N型和P型掺杂，分别形成N++ InGaAsP型和P++InGaAsP。N型和P型掺杂浓度大于3.0×10¹⁹atom/cm³。N型InGaAsP厚度10nm ~20nm，P型InGaAsP厚度10nm ~20nm。第一有源发光层21中，第一有源层212与隧道结光栅30之间的第一上包覆层213的厚度范围包括50nm ~200nm。第二有源发光层22中，第二有源层222与隧道结光栅30之间的第二下包覆层221的厚度范围包括50nm ~200nm。可采用1阶或多阶光栅，光栅周期根据有效折射率进行计算，其中1阶光栅的周期范围包括200nm ~250nm。光栅层上的第二有源发光层22中，第二上包覆层223厚度可以设置在2um以上，以减少表面金属（金属电极层）对光场的干扰和吸收。

也就是说，将隧道结制作成DFB激光器的光栅，可形成单纯的增益耦合光栅，或兼具了载流子分段注入和折射率光栅效果的复合耦合光栅，进而可使用简单的均匀光栅工艺来提高DFB激光器的单模良率。优选的，将隧道结光栅30制成单纯的增益耦合光栅，相对于复合光栅，可以进一步的提高单模良率。

在本发明的一个实施例中（未画出），多结分布式反馈激光器还包括：

缓冲层，缓冲层与有源发光层20位于衬底10的同一侧，缓冲层覆盖衬底10，缓冲层的材料与衬底10的材料相同。

盖层，盖层位于隧道结光栅30远离衬底10的一侧，并覆盖隧道结光栅30远离衬底10一侧的表面，盖层的材料与填充部32的材料以及第二隧道结子层312的材料相同。

可以理解为，在形成第一层的有源发光层20之前，可以先在衬底10上形成一层缓冲层，缓冲层的材料与衬底10的材料相同。例如缓冲层的材料与衬底10的材料均为N型InP，通过在衬底10上形成一层缓冲层可以减少衬底10表面上的缺陷，以避免对激光器后续的制备产生影响。在刻蚀隧道结之前，可以在隧道结远离衬底10一侧的表面覆盖盖层，盖层用于避免对隧道结进行刻蚀时对隧道结的表面形成缺陷，以避免对激光器性能的影响。其中盖层的材料与填充部32的材料以及第二隧道结子层312的材料相同，即在刻蚀后，直接进行二次外延层的生长，经过一次N 型InP的沉积即可形成填充部32和位于其上侧的有源发光层20中的下包覆层（例如图4中第二有源发光层22中的第二下包覆层221），并且无需对隧道结部31上方遗留的盖层去除。在保护了隧道结的同时，简化了DFB激光器的制备流程。

在本发明的一个实施例中，参考图4（XZ方向的截面图）和图5（YZ方向的截面图），多结分布式反馈激光器还包括：脊波导结构50。脊波导结构50位于距离衬底10最远的有源发光层20远离衬底10的一侧（例如图4中脊波导结构50位于第二有源发光层22远离衬底10的一侧）。

可以理解为，脊波导结构50为注入电子的通道，脊波导结构50包括导电层52和电极接触层51。导电层52的材料可以为P型InP，电极接触层51的材料可以为P型InGaAs。可以通过掺杂的方式将其导体化。其中P型InGaAs电极接触层51与注入电子的电极层接触，为重掺杂的半导体膜层。在平行于衬底10的方向上，脊波导结构50的宽度限定了注入电子通道的宽度。设置脊波导结构50距离有源层的距离较小，可以使得电子进入有源层区域范围近似等于脊波导结构50的宽度。

脊波导结构50在形成时可以在形成预设厚度的P型InP半导体材料层后，在P型InP半导体材料层远离衬底10一侧的表面形成一层P型InGaAs电极接触层51。通过刻蚀的方式依次刻蚀部分的P型InGaAs电极接触层51和部分的P型InP半导体材料层，使得P型InP半导体材料层形成具有凸起部的半导体层。其中P型InP半导体材料层的凸起部作为脊波导结构50的导电层52，凸起部与其表面的电极接触层51构成脊波导结构50。凸起部以外的半导体层作为与其接触的有源发光层20中的上包覆层。

在本发明的一个实施例中，参考图4和图5，多结分布式反馈激光器还包括：

介电层80，介电层80覆盖脊波导结构50的侧壁以及部分的有源发光层20。

第一电极层60，第一电极层60位于脊波导结构50远离衬底10的一侧。

第二电极层70，第二电极层70位于衬底10远离有源层的一侧。

其中，介电层80可以为氧化硅，第一电极层60与第二电极层70的材料可以为金属材料。

本发明实施例还提供了一种多结分布式反馈激光器的制备方法，用于形成上述任意实施例所述的多结分布式反馈激光器，图6是本发明实施例提供的一种多结分布式反馈激光器的制备方法的流程图，参考图6，制备方法包括：

S110、提供衬底。

S120、在衬底的同一侧形成至少两层的有源发光层；至少两层的有源发光层沿第一方向层叠设置，第一方向为垂直于衬底的方向。

S130、并在相邻的两层有源发光层之间形成一层隧道结光栅；隧道结光栅包括沿第二方向依次交替设置的隧道结部和填充部；其中，位于隧道结光栅两侧的有源层通过隧道结部电连接；隧道结光栅可形成位于其两侧的有源层的周期性分段式载流子注入，以用为增益耦合光栅，第二方向与第一方向垂直。

本发明实施例提供的多结分布式反馈激光器的制备方法，通过设置至少两层的有源发光层，并在相邻的两个独立发光的有源发光层中间，引入隧道结光栅，采用隧道结光栅作为电流注入通道，使电流只能从隧道结部流通，进而对发光区形成分段的载流子注入，形成增益耦合效果，使得DFB激光器可获得较高的单模良率，无需将光栅制作在发光区的有源层处，避免造成对发光区的破坏，进而保证了激光器的量子效率和可靠性；另外，通过至少两层的有源发光层的串联，可成倍的增加DFB激光器的光功率密度，提高激光器的输出功率，实现提高DFB激光器的单模良率的同时，提高激光器的量子效率和可靠性。

图7是本发明实施例提供的另一种多结分布式反馈激光器的制备方法的流程图，参考图7，制备方法包括以下步骤：

S210、提供N型的衬底，在N型衬底上外延生长N型缓冲层、第一有源发光层、隧道结、N型盖层；其中第一有源发光层包括依次层叠形成的N型第一下包覆层、第一有源层、P型第一上包覆层。

参考图8，在N型衬底10上外延生长N型缓冲层、第一有源发光层21、隧道结(包括第一隧道结子层311和第二隧道结子层312)、N型盖层40。其中第一有源发光层21包括依次层叠形成的N型第一下包覆层211、第一有源层212、P型第一上包覆层213。

S220、依次刻蚀N型盖层和隧道结形成均匀间隔设置的多个开口，开口暴露P型第一上包覆层。

参考图9，基于光刻技术，依次刻蚀N型盖层40和隧道结形成均匀间隔设置的多个开口，开口暴露P型第一上包覆层213。

S230、进行二次外延生长，采用N型半导体材料将隧道结光栅掩埋形成隧道结光栅的填充部，并继续依次生成第二有源发光层的N型第二下包覆层、第二有源层、用于制备P型第二上包覆层的P型半导体材料层以及电极接触层。

参考图10，采用N型半导体材料将隧道结光栅掩埋形成隧道结光栅30的填充部32，并继续依次生成第二有源发光层的N型第二下包覆层221、第二有源层222、用于制备P型第二上包覆层的P型半导体材料层224以及电极接触层51。

S240、依次刻蚀部分的电极接触层和P型半导体材料层，形成DFB激光器的条形脊波导结构；其中，刻蚀后的P型半导体材料层具有凸起部，凸起部与其表面的电极接触层构成脊波导结构；凸起部以外的P型半导体材料层作为第二有源发光层的第二上包覆层。

参考图11，通过刻蚀的方式依次刻蚀部分的电极接触层51和部分的P型半导体材料层224，使得P型半导体材料层224形成具有凸起部的半导体层。其中P型半导体材料层224的凸起部作为脊波导结构50的导电层52，凸起部与其表面的电极接触层51构成脊波导结构50，凸起部以外的半导体层作为第二有源发光层22的第二上包覆层223。

S250、形成介电层，并在脊波导结构上方的介电层去除，暴露出电极接触层。（如图5中的介电层80）

S260、在暴露出的接触层远离衬底的一侧制作第一电极层，第一电极层作为正面的金属电极。（如图4中的第一电极层60）

S270、将衬底减薄，并在衬底远离有源层的一侧形成第二电极层，第二电极层作为背面电极。（如图4中的第二电极层70）

可选的，在衬底远离有源层的一侧形成第二电极层之后，还包括：

根据预设的激光器谐振腔长度，将晶圆切割成Bar条；

对激光器的前/后出光面镀增透膜或反射膜；

将镀膜后的Bar 条切割成单颗的激光器芯片。

在本发明的一个实施例中，隧道结部的折射率和填充部的折射率相同，隧道结光栅为纯增益耦合光栅。

其中，隧道结采用InP材料，与填充部的材料相同。衬底、缓冲层以及第一半导体层的材料均可以为 N型InP；有源层的材料包括InGaAsP 或 AlGaInAs，第二半导体层的材料包括 P型InP。隧道结光栅中的填充部的材料包括N型InP；隧道结光栅中的隧道结部包括P型InP的第一隧道结子层和N型InP 的第二隧道结子层，N型和P型掺杂浓度大于3.0×10¹⁹atom/cm³。盖层的材料可以为 N型InP。脊波导结构中导电层的材料可以为P型InP，电极接触层的材料可以为P型InGaAs。介电层的材料可以为SiNx或SiO2。第一电极层和第二电极层可以为金属材料。

隧道结光栅中，N型InP 厚度10~15nm，P型InP 厚度15~20nm。第一有源发光层中，第一有源层与隧道结光栅之间的第一上包覆层的厚度范围包括50~200nm，第二有源发光层中，第二有源层与隧道结光栅之间的第二下包覆层的厚度范围包括50~200nm。可采用1阶或多阶光栅，光栅周期根据有效折射率进行计算，其中1阶光栅的周期范围包括200~250nm。光栅层上的第二有源发光层中，第二上包覆层厚度可以设置在2um以上，以减少表面金属（金属电极层）对光场的干扰和吸收。

在本发明的另一个实施例中，隧道结部的折射率和填充部的折射率不同，隧道结光栅还作为有源层的折射率耦合光栅。可以理解为，隧道结光栅为兼具了载流子分段注入和折射率光栅效果的复合耦合光栅。

其中，隧道结可采用InGaAsP材料，与填充部的材料（InP材料）不同。其余膜层材料的选取和膜层厚度的设置可以与上述实施例相同，这里不再赘述。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种多结分布式反馈激光器，其特征在于，包括：

衬底；

其中，位于所述隧道结光栅两侧的有源发光层通过所述隧道结部电连接；所述隧道结光栅可形成位于其两侧的有源层的周期性分段式载流子注入，以用为增益耦合光栅；其中，所述第二方向与所述第一方向垂直。

2.根据权利要求1所述的多结分布式反馈激光器，其特征在于，所述隧道结部的折射率和所述填充部的折射率相同。

3.根据权利要求1所述的多结分布式反馈激光器，其特征在于，所述隧道结部的折射率和所述填充部的折射率不同，所述隧道结光栅还复用为折射率耦合光栅。

4.根据权利要求1所述的多结分布式反馈激光器，其特征在于，所述有源发光层包括：

5.根据权利要求4所述的多结分布式反馈激光器，其特征在于，所述隧道结部包括：

6.根据权利要求5所述的多结分布式反馈激光器，其特征在于，

所述衬底的材料包括N型InP；

所述填充部的材料包括N型InP；所述隧道结部包括P型InGaAsP的第一隧道结子层和N型InGaAsP 的第二隧道结子层，或者，P型InP的第一隧道结子层和N型InP 的第二隧道结子层。

7.根据权利要求5所述的多结分布式反馈激光器，其特征在于，还包括：

8.根据权利要求1所述的多结分布式反馈激光器，其特征在于，还包括：

9.根据权利要求8所述的多结分布式反馈激光器，其特征在于，还包括：

10.根据权利要求1所述的多结分布式反馈激光器，其特征在于，不同位置的隧道结光栅的光栅周期相同。

11.一种多结分布式反馈激光器的制备方法，其特征在于，包括：

提供衬底；

在相邻的两层有源发光层之间形成一层隧道结光栅；所述隧道结光栅包括沿第二方向依次交替设置的隧道结部和填充部；其中，位于所述隧道结光栅两侧的有源层通过所述隧道结部电连接；所述隧道结光栅可形成位于其两侧的有源层的周期性分段式载流子注入，以用为增益耦合光栅，所述第二方向与所述第一方向垂直。