CN114725775A - 高阶耦合模式激光器 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种高阶耦合模式激光器，自下而上顺次包括：下电极层、N型衬底层、N型限制层、有源层、P型限制层、P型盖层、绝缘层和上电极层；波导结构由刻蚀的P型盖层和P型限制层形成，包括至少一个增益腔和多个损耗腔，损耗腔对称设置于增益腔两侧；增益腔上还设置有光栅结构；增益腔和损耗腔上表面设置绝缘层，且绝缘层上与增益腔对应的位置设置窗口区域；调控增益腔的增益，使增益腔与损耗腔耦合，并通过光栅结构实现单波长输出。本公开实现对激光器横向和纵向模式的双重调控，实现对激光器振荡模式能量的调节，实现单模大功率的激光输出，高带宽高速率的直接调制，能够采用普通的接触式光刻实现，以大幅度降低激光器的制作成本。

Description

高阶耦合模式激光器
技术领域
本公开涉及半导体光电子器件领域，尤其涉及一种高阶耦合模式激光器。
背景技术
随着移动通信、大数据及云计算的不断崛起，我国各类多媒体技术飞速发展，数据业务迎来爆发式的增长，使得互联网建设变得尤为重要，用户对更高的带宽及更高的速率的需求变得越来越急迫。
然而随着这种需求量的上升，问题也逐渐暴露。我们目前的光通信系统面临着网络容量不断上涨的压力，这也意味着我们必须要尽可能地提高通信容量和传输速率。提高通信容量的有效解决方案之一是提高光源的调制带宽。虽然一些技术，如先进的调制格式技术和均衡技术可以克服光源的带宽限制，但是需要很高的计算复杂度和较大的功耗。因而采用宽带光源仍然是最实用的方法。直接调制半导体激光器由于具有结构简单、插入损耗小，调制带宽大、体积小、功率转换效率高、易于与其它器件集成、使用寿命长等一系列优点，一直是光通信系统的常用光源。带宽的提升，与光子寿命和单位时间可调控的光子数量直接关联。目前研究采用的直接调制所需要的单模激光器大都依靠单脊条(单腔)实现，VCSEL激光器虽然可以打破这种限制，但却需要采用极其复杂的外延技术，制作成本高昂，且采用的腔结构极短，虽在一定程度上提高了带宽，却不利于功率的提升以及相对长距离的传输。
综上所述，人们迫切地需要一种成本低，生产效率高的高阶耦合半导体激光器。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种高阶耦合模式激光器，以解决以上所提出的技术问颗。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种高阶耦合模式激光器，自下而上顺次包括：下电极层、N型衬底层、N型限制层、有源层、P型限制层、P型盖层、绝缘层和上电极层；
波导结构，由刻蚀的P型盖层和P型限制层形成；所述波导结构包括：至少一个增益腔和多个损耗腔，所述损耗腔对称设置于所述增益腔两侧；
所述增益腔上还设置有光栅结构；
所述增益腔和所述损耗腔上表面设置绝缘层，且所述绝缘层上与所述增益腔对应的位置设置窗口区域；
调控所述增益腔的增益，使所述增益腔与所述损耗腔耦合，并通过所述光栅结构实现单波长输出。
在本公开的一些实施例中，所述光栅还设置在所述非增益波导上。
在本公开的一些实施例中，所述光栅结构设置在所述增益腔的上表面和/或侧面。
在本公开的一些实施例中，所述增益腔为设置于所述波导层的多个增益波导；所述损耗腔为设置于所述波导层的多个非增益波导；多个所述增益波导和所述非增益波导呈脊条状结构，且互相平行设置。
在本公开的一些实施例中，两个所述增益波导和两个所述非增益波导顺次作为损耗腔、增益腔、增益腔和损耗腔。
在本公开的一些实施例中，所述高阶耦合模式激光器的宽度为220微米至400微米；长度为150微米至800微米。
在本公开的一些实施例中，所述增益腔的宽度为1微米至10微米；长度为150微米至800微米。
在本公开的一些实施例中，所述损耗腔的宽度为2微米至4微米；长度为150微米至800微米。
在本公开的一些实施例中，所述增益腔与所述损耗腔间的距离为3微米至6微米；相邻两个所述增益腔间的距离为3微米至6微米。
在本公开的一些实施例中，所述有源层的材料为增益介质材料，所述增益介质材料包括铝铟镓砷或铟镓砷磷。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开高阶耦合模式激光器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本公开由多个腔组成，有利于功率的提升。
(2)本公开提供的激光器通过横向和纵向的双重调控，实现单横模和单纵膜的输出。
(3)本公开在降低光子寿命的同时保证高的光子数，有利于调制带宽的提升。
(4)本公开提供的激光器在具有多个增益腔的前提下，可利用光光谐振效应(Photo photo resonance effect，PPR)，大幅度提升带宽。
(5)本公开采用的高阶光栅的特征尺寸能够大于1微米，能有效避免采用电子束曝光等高成本的加工工艺，通过普通接触式光刻制作，降低成本。
(6)本公开采用的制造工艺避免了多次外延，提升了器件的鲁棒性，缩短了生产时间，提高了生产效率。
附图说明
图1为本公开第一实施例高阶耦合模式激光器的立体结构示意图。
图2为本公开第一实施例高阶耦合模式激光器的主视结构示意图。
图3为本公开第一实施例高阶耦合模式激光器的俯视结构示意图。
图4为本公开第一实施例高阶耦合模式激光器的高阶光栅发射谱。
图5为本公开第二实施例高阶耦合模式激光器的立体结构示意图。
图6为本公开第二实施例高阶耦合模式激光器的主视结构示意图。
图7为本公开第二实施例高阶耦合模式激光器的俯视结构示意图。
图8为本公开第二实施例高阶耦合模式激光器的高阶光栅发射谱。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
10-下电极层；
20-N型衬底层；
30-N型限制层；
40-有源层；
50-P型限制层；
60-P型盖层；
70-绝缘层；
80-上电极层；
90-波导结构；
91-增益腔；
92-损耗腔；
100-光栅结构。
具体实施方式
本公开提供了一种高阶耦合模式激光器，自下而上顺次包括：下电极层、N型衬底层、N型限制层、有源层、P型限制层、P型盖层、绝缘层和上电极层；波导结构由刻蚀的P型盖层和P型限制层形成；波导结构包括至少一个增益腔和多个损耗腔，损耗腔对称设置于增益腔两侧；增益腔上还设置有光栅结构；增益腔和损耗腔上表面设置绝缘层，且绝缘层上与增益腔对应的位置设置窗口区域；上电极层设置在绝缘层的窗口区域上；调控增益腔的增益，使增益腔与损耗腔耦合，并通过光栅结构单波长输出。本公开实现对激光器横向和纵向模式的双重调控，实现对激光器振荡模式能量的调节，实现了单模大功率的激光输出，高带宽高速率的直接调制，能够采用普通的接触式光刻实现，以大幅度降低激光器的制作成本。
为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种高阶耦合模式激光器。图1为本公开第一实施例高阶耦合模式激光器的立体结构示意图。图2为本公开第一实施例高阶耦合模式激光器的主视结构示意图。图3为本公开第一实施例高阶耦合模式激光器的俯视结构示意图。如图1至图3所示，本公开提供的高阶耦合模式激光器，自下而上顺次包括：下电极层10、N型衬底层20、N型限制层30、有源层40、P型限制层50、P型盖层60、绝缘层70和上电极层80。波导结构90由刻蚀的P型盖层60和P型限制层50形成。
所述波导结构90包括至少一个增益腔91和多个损耗腔92，所述损耗腔92对称设置于所述增益腔91两侧。例如本实施例提供的高阶耦合模式激光器包括两个增益腔91和两个损耗腔92，在波导层90上顺次设置为损耗腔92、增益腔91、增益腔91和损耗腔92。
关于增益腔91，其为设置于所述波导结构90的多个增益波导。例如为一个、两个或三个，这里不再一一例举。
关于损耗腔92，其为设置于所述波导结构90的多个非增益波导。例如为一个、两个或三个，这里不再一一例举。
关于波导结构90上脊条状结构的分布，多个所述增益波导和所述非增益波导呈脊条状结构，且互相平行设置。如图1～3所示，增益腔91与损耗腔92的尺寸并不相同，并且相邻两个增益腔91之间的距离以及增益腔91与损耗腔92之间的距离电并不相同。
关于增益波导和增益波导的具体结构做进一步说明如下：
损耗腔92的宽度w1为2微米至4微米，优选为2.5微米；长度1为150微米至800微米，优选为500微米。
增益腔91的宽度w2为1微米至10微米，优选为3微米；长度1为150微米至800微米，优选为500微米。相邻两个所述增益腔91间的距离d2为1微米至3微米，优选为2微米。
增益腔91与所述损耗腔92间的距离d1为3微米至6微米，优选为4微米。
高阶耦合模式激光器的宽度w为220微米至400微米，优选为300微米；长度1为150微米至800微米，优选为500微米。
关于光栅结构100，其设置在增益腔91上的任意位置。例如为增益腔91的上表面或者是与增益腔91等高的侧向光栅结构100。增益波导、非增益波导以及光栅结构100的刻蚀深度要根据生长的波导结构90结构决定，一般为1.5微米至1.85微米。
在刻蚀好脊条状结构和光栅结构100后，需要在上方生长绝缘层70起到电隔离的效果，随后利用ICP刻蚀或腐蚀的方法将中间增益腔91上方的绝缘层70处打开窗口区域，通过磁控溅射或者蒸发的方式分别在绝缘层70的窗口区域上以及N型衬底层20下表面覆盖金属材料，形成上电极层80和下电极层10，用于电流的注入。两侧损耗腔92的脊条状结构未进行电注入窗口，成为非增益波导。非增益波导与增益波导内的模式进行耦合，可将高阶横向模式耦合出去。纵向上，高阶光栅的选模特性可以实现单波长的输出，最终得到横向和纵向模式的双重调控，实现对激光器振荡模式能量的调节，实现多腔激光器的单模输出。
在本实施例中，绝缘层70的厚度可以为300纳米。
在本实施例中，有源层40的材料为增益介质材料，所述增益介质材料包括铝铟镓砷或铟镓砷磷。上电极层80和下电极层10的材料为导电材料，例如为钛金和金锗镍金。
图4为本公开第一实施例高阶耦合模式激光器的高阶光栅发射谱。如图4所示，以四十一阶光栅为例，在实际应用范围内，只存在一个反射峰，峰值波长在1557纳米附近。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种高阶耦合模式激光器。图5为本公开第二实施例高阶耦合模式激光器的立体结构示意图。图6为本公开第二实施例高阶耦合模式激光器的主视结构示意图。图7为本公开第二实施例高阶耦合模式激光器的俯视结构示意图。如图5～7所示，与第一实施例的高阶耦合模式激光器相比，本实施例高阶耦合模式激光器的区别在于：光栅结构100还设置损耗腔92上。
为了达到简要说明的目的，上述第一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
图8为本公开第二实施例高阶耦合模式激光器的高阶光栅发射谱。如图8所示，以四十一阶光栅为例，在实际应用范围内，只存在一个反射峰，峰值波长在1557纳米附近。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开高阶耦合模式激光器有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供一种可实现对激光器横向和纵向模式的双重调控，可实现对激光器振荡模式能量的调节，可实现了单模大功率的激光输出的高阶耦合模式激光器，本公开高带宽高速率的直接调制，能够采用普通的接触式光刻实现，以大幅度降低激光器的制作成本。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高阶耦合模式激光器，自下而上顺次包括：下电极层、N型衬底层、N型限制层、有源层、P型限制层、P型盖层、绝缘层和上电极层；
波导结构，由刻蚀的P型盖层和P型限制层形成；所述波导结构包括：至少一个增益腔和多个损耗腔，所述损耗腔对称设置于所述增益腔两侧；
所述增益腔上还设置有光栅结构；
所述增益腔和所述损耗腔上表面设置绝缘层，且所述绝缘层上与所述增益腔对应的位置设置窗口区域；
调控所述增益腔的增益，使所述增益腔与所述损耗腔耦合，并通过所述光栅结构实现单波长输出。
2.根据权利要求1所述的高阶耦合模式激光器，其中，所述光栅还设置在所述非增益波导上。
3.根据权利要求1或2所述的高阶耦合模式激光器，其中，所述光栅结构设置在所述增益腔的上表面和/或侧面。
4.根据权利要求1所述的高阶耦合模式激光器，其中，所述增益腔为设置于所述波导层的多个增益波导；所述损耗腔为设置于所述波导层的多个非增益波导；多个所述增益波导和所述非增益波导呈脊条状结构，且互相平行设置。
5.根据权利要求1所述的高阶耦合模式激光器，其中，两个所述增益波导和两个所述非增益波导顺次作为损耗腔、增益腔、增益腔和损耗腔。
6.根据权利要求1所述的高阶耦合模式激光器，其中，所述高阶耦合模式激光器的宽度为220微米至400微米；长度为150微米至800微米。
7.根据权利要求1所述的高阶耦合模式激光器，其中，所述增益腔的宽度为1微米至10微米；长度为150微米至800微米。
8.根据权利要求1所述的高阶耦合模式激光器，其中，所述损耗腔的宽度为2微米至4微米；长度为150微米至800微米。
9.根据权利要求1所述的高阶耦合模式激光器，其中，所述增益腔与所述损耗腔间的距离为3微米至6微米；相邻两个所述增益腔间的距离为1微米至3微米。
10.根据权利要求1所述的高阶耦合模式激光器，其中，所述有源层的材料为增益介质材料，所述增益介质材料包括铝铟镓砷或铟镓砷磷。
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