CN114944593A - 双波长单片集成半导体激光器及其应用和制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双波长单片集成半导体激光器及其应用和制备方法，属于半导体激光器领域。半导体激光器沿光传播方向通过交错对接方式形成两个不同激射波长的有源层，从而在同一半导体激光器内部完成两个发射波长的信号输出与合波。两个有源层相对独立，可分别进行优化，实现各自最佳性能。由于两个有源层分别对接了无源波导，与两个有源层直接对接的方式相比，极大的降低了工艺制作难度。

Description

双波长单片集成半导体激光器及其应用和制备方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器领域，具体涉及一种双波长单片集成半导体激光器及其应用和制备方法。
背景技术
随着云计算、云存储、超高清视频等新兴应用需求的激增，光通信系统逐步向支持更大传输容量、更高传输速率的技术方向演进，此需求对芯片集成设计、器件及模块封装的高度集成化、小型化、低功耗等性能提出了更高的要求。多波长的芯片集成技术主要分两类，第一类是混合集成，包括将芯片进行封装成分立镭射二极体模组TO-CAN再经后续的封装合波，或者在金盒子内各通道芯片先按横向阵列方式贴片至热沉基板，此时芯片间隔在毫米量级，以保证后续混合集成所需的各通道透镜有足够的操作空间进行光路准直，再经由空间光路的各元件最终将各通道光信号合波并耦合至光纤。此类方式的主要问题是光路元件多、光路复杂、体积较大，封装工艺复杂。第二类单片集成目前主要是通过各波长通道横向整列排布的方式实现，各通道间隔在几十微米量级，通道间几乎不存在电和光的串扰，主要考虑热串扰问题。各通道波长的合波需要采用基于平面波导技术的合波器，例如阵列波导光栅AWG或多模干涉器MMI。该方案芯片制作难度大，需要有源无源集成工艺，存在芯片良率较低、合波器损耗较大等问题。
针对不同的应用系统，需要集成的各通道波长差别不同。对于波长差别较大超出材料有源层增益有效覆盖的情况，一般需要采用不同的有源层设计。另一方面，集成的有源层性质不同，例如增益区和电吸收调制区，也需要不同有源层的设计。通常，不同有源层单片集成的方式主要包括端接耦合技术（BJG）、选择区域生长（SAG）技术、量子阱混杂技术（QWI）等。端接耦合技术使得两个有源层的设计可以完全独立，可分别优化至性能最佳，但是需保证波导准确对接，且对接面光滑，此技术制作工艺存在各种挑战，其至少要进行三次外延生长，各工艺环节需要严格控制，制作容差小。选择区域生长技术采用图形介质层掩蔽，可以通过控制掩蔽区和非掩蔽区不同的生长速度实现一次外延完成多个波长区域的单片集成。从性能方面，由于采用同一外延，两个区域不同的只能是各层的厚度，因此两个不同性质区域的性能较难同时优化到最佳，例如一个增益区，另一个吸收区。同时，此方法受前躯体在掩蔽介质层附近的扩散方式影响，生长的材料组分和表面形貌都会受该介质层影响，需要准确的控制。并且，用于掩蔽的介质层，例如氧化硅或氮化硅均会引入氧或氮这类污染元素，不利于激光器工作。量子阱混杂技术通过有源层的量子阱和垒之间的互扩引起带隙变化。这种互扩通常可以有多种方式引发，例如无杂质空位诱导、离子注入诱导、杂质扩散诱导、激光诱导等。然而，此量子阱混杂方法对带隙改变量较难准确控制。
发明内容
本发明的目的在于提出一种交错对接式双波长单片集成半导体激光器及其制备方法。半导体激光器沿光传播方向通过交错对接方式形成两个不同激射波长的有源层，从而在同一半导体激光器内部完成两个发射波长的信号输出与合波。
为达到上述目的，本发明提供了一种交错对接式双波长单片集成半导体激光器，半导体激光器包括沿生长方向层叠的激射波长不同的下有源层和上有源层，下有源层和上有源层分别对接下无源波导和上无源波导，下有源层靠近第一端面，上有源层靠近第二端面，下有源层和上有源层在光传播方向上的投影不重叠，第一端面和第二端面为半导体激光器的谐振腔面。
优选地，下无源波导的带隙能级差大于下有源层的激射波长的带隙能级差；上无源波导的带隙能级差大于上有源层的激射波长的带隙能级差。
优选地，下有源层和上有源层之间设置有光栅层，光栅层分别为下有源层和上有源层提供光反馈。
优选地，半导体激光器还包括位于上有源层上方的P型包层和欧姆接触层，以及位于下有源层下方的N型衬底。
优选地，下有源层和上有源层各包括一对P侧电极和N侧电极。
优选地，两对所述P侧电极和N侧电极沿光传播方向上的长度与对应的有源层在该方向上的长度相同。
优选地，第一端面和第二端面中的一个对两个激射波长镀增透膜，另一个对两个激射波长镀高反膜。
本发明还提供了一种10G PON OLT，10G PON OLT中包括上述交错对接式双波长单片集成半导体激光器。
本发明还提供了一种交错对接式双波长单片集成半导体激光器的制备方法，制备方法包括：
S1，在N型衬底上外延生长下有源层和第一光栅层；
S2，刻蚀移除靠近一侧端面的部分下有源层和第一光栅层，形成第一对接生长区域；
S3，在第一对接生长区域外延生长下无源波导和第二光栅层；
S4，在第一光栅层和第二光栅层中制备光栅并掩埋；
S5，外延生长上有源层；
S6，刻蚀移除靠近另一侧端面的部分上有源层，形成第二对接生长区域，下有源层和上有源层在光传播方向上的投影不重叠；
S7，在第二对接生长区域外延生长上无源波导；
S8，外延生长P型包层和欧姆接触层；
S9，刻蚀脊条和电极隔离沟道；
S10，在脊顶开窗并制备顶部P型电极图形；
S11，背面减薄及N侧图形电极制备。
优选地，下无源波导的带隙能级差大于下有源层的激射波长的带隙能级差；上无源波导的带隙能级差大于上有源层的激射波长的带隙能级差。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明提出的交错对接式双波长单片集成器件可在同一激光器内部完成两个发射波长的信号输出与合波；且两个波长的产生光路相对独立，可在各个工作波长独立工作的前提下以紧凑的结构实现两个波长的集成。
（2）两个有源层相对独立，可分别进行优化，实现各自最佳性能。
（3）器件结构可基于现有制备工艺实现，由于有源层采用交错对接的方式，因此无需不同有源层直接对接，而是通过每个有源层分别和一段无源波导对接。如此极大降低了对接工艺难度和端接面质量对性能和可靠性的影响。制备过程也无需采用SAG方式所需的介质掩蔽层，因此不存在掩蔽层引入的元素污染问题。
附图说明
图1是交错对接式双波长单片集成半导体激光器xz平面内的结构示意图；
图2是交错对接式双波长单片集成半导体激光器的制备流程图。
图中：101-第一N侧电极；102-第二N侧电极；103-N型衬底；104-下有源层；105-下无源波导；106-光栅层；106-1-第一光栅层；106-2-第二光栅层；107-上有源层；108-上无源波导；109-P型包层；110-欧姆接触层；111-第一P侧电极；112-第二P侧电极；113-第一端面；114-第二端面。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明提出了一种交错对接式双波长单片集成半导体激光器，器件沿生长方向依次外延生长两个具有不同增益峰值的有源层，沿光传播方向（即z方向）两个有源层分别对接两个无源波导，在同一器件内的上、下两路光路内产生并传输两个不同的激射波长。
如图1所示，激射波长为λ1的下有源层104和激射波长为λ2的上有源层107通过交错对接的方式单片集成在同一N型衬底103之上，下有源层104与上有源层107沿光传播方向交错排布，也即下有源层104靠近第一端面113，上有源层107靠近第二端面114。
下有源层104对接下无源波导105，上有源层107对接上无源波导108。优选地，对接的无源波导带隙能级差大于对应的激射波长的带隙能级差，两个激射信号在各自对接的无源波导内几乎可透明穿过。
优选地，两个有源层之间设置光栅层106，分别为下有源层104和上有源层107提供光反馈并形成单模激射条件。两个有源层的P型包层109和欧姆接触层110。下有源层104由第一N侧电极101和第一P侧电极111独立供电；上有源层107由第二N侧电极102和第二P侧电极112独立供电，从而形成分布在器件两侧的两个直接调制激光器。下有源层104与上有源层107具有不同的增益峰值波长，可分别进行独立的有源层性能优化。
优选地，各电极的长度与对应的有源层的长度相同，下有源层104与上有源层107的电流注入路径在空间上交错不重叠。
第一端面113和第二端面114其中一个对激射波长λ1和激射波长为λ2镀增透膜，另一个对激射波长λ1和激射波长为λ2镀高反膜。
上述半导体激光器的生长材料体系无特别限制，可采用但不局限于InP-AlGaInAs-InGaAsP材料体系，GaAs-InGaAs-AlGaAs材料体系，GaAs-(In)GaAsP-(Al)GaInP材料体系，蓝宝石-InGaN-AlGaN材料体系等。
接下来，参照图2，介绍交错对接式双波长单片集成半导体激光器的制备方法。
交错对接式双波长单片集成半导体激光器的制备方法，包括以下步骤：
S1，在N型衬底103上外延生长下有源层104和第一光栅层106-1；
S2，刻蚀移除靠近一侧端面的部分下有源层104和第一光栅层106-1，形成对接生长区域；
S3，在对接生长区域外延生长下无源波导105和第二光栅层106-2；
S4，在第一光栅层106-1和第二光栅层106-2中制备光栅并掩埋；
S5，外延生长上有源层107；
S6，刻蚀移除靠近另一侧端面的部分上有源层107，形成对接生长区域；
S7，在对接生长区域外延生长上无源波导108；
S8，外延生长P型包层109和欧姆接触层110；
S9，刻蚀脊条和电极隔离沟道；
S10，在脊顶开窗并制备顶部P型电极图形；
S11，背面减薄及N侧图形电极制备。
其中，外延生长可采用金属有机化合物气相外延生长（MOCVD）、分子束外延（MBE）、液相外延技术（LPE）等公知的外延技术。
光栅可以采用现有技术中公知的任意方法制备，包括但不限于：1）先外延生长光栅层，之后通过EBL曝光方式写入光栅，再进行刻蚀；2）全息曝光方式写入光栅，再进行刻蚀；3）纳米压印技术；4）预制周期沟槽，外延生长光栅四元层，直接形成光栅结构等。
上述制备方法，由于两个有源层分别对接了无源波导，与两个有源层直接对接的方式相比，极大的降低了工艺制作难度。且上述制备方法采用的外延生长工艺、标准光刻和刻蚀工艺均为成熟的技术。
在接下来的实施例中，将上述交错对接式双波长单片集成半导体激光器及其制备方法应用于10G PON OLT中。
现行各类10G PON OLT需要能够向下兼容，即同时支持传统低速ONU及10G速率的ONU，下行通常采用10G 1577nm波段激光器与2.5G或1.25G 1490nm波段激光器，其中1577nm波段激光器是指发光波长在1575-1580nm范围内的激光器，1490nm波段激光器是指发光波长在1480-1500nm范围内的激光器。
在该实施例中，将这两个波长的激光器通过交错对接的方式单片集成于同一半导体激光器中，以紧凑、低成本的方式完成合波。该半导体激光器采用InP-AlGaInAs-InGaAsP材料体系。
具体的，下有源层104的激射波长λ1为1480-1500nm，上有源层107激射波长λ2为1575-1580nm；或者下有源层104的激射波长λ1为1575-1580nm，上有源层107激射波长λ2为1480-1500nm。
第一端面113对1480-1500nm和1575-1580nm镀增透膜，第二端面114对1480-1500nm和1575-1580nm镀高反膜；或者第一端面113对1480-1500nm和1575-1580nm镀高反膜，第二端面114对1480-1500nm和1575-1580nm镀增透膜。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.双波长单片集成半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器包括沿生长方向层叠的激射波长不同的下有源层和上有源层，所述下有源层和上有源层分别对接下无源波导和上无源波导，所述下有源层靠近第一端面，所述上有源层靠近第二端面，所述下有源层和上有源层在光传播方向上的投影不重叠，所述第一端面和第二端面为所述半导体激光器的谐振腔面。
2.根据权利要求1所述的双波长单片集成半导体激光器，其特征在于，所述下无源波导的带隙能级差大于所述下有源层的激射波长的带隙能级差；所述上无源波导的带隙能级差大于所述上有源层的激射波长的带隙能级差。
3.根据权利要求1-2任一所述的双波长单片集成半导体激光器，其特征在于，所述下有源层和上有源层之间设置有光栅层，所述光栅层分别为所述下有源层和上有源层提供光反馈。
4.根据权利要求1所述的双波长单片集成半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器还包括位于所述上有源层上方的P型包层和欧姆接触层，以及位于所述下有源层下方的N型衬底。
5.根据权利要求1所述的双波长单片集成半导体激光器，其特征在于，所述下有源层和上有源层各包括一对P侧电极和N侧电极。
6.根据权利要求5所述的双波长单片集成半导体激光器，其特征在于，两对所述P侧电极和N侧电极沿光传播方向上的长度与对应的有源层在该方向上的长度相同。
7.根据权利要求1所述的双波长单片集成半导体激光器，其特征在于，所述第一端面和第二端面中的一个对两个激射波长镀增透膜，另一个对两个激射波长镀高反膜。
8.一种10G PON OLT，其特征在于，包括权利要求1-7任一所述的双波长单片集成半导体激光器。
9.双波长单片集成半导体激光器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：
S1，在N型衬底上外延生长下有源层和第一光栅层；
S2，刻蚀移除靠近一侧端面的部分所述下有源层和第一光栅层，形成第一对接生长区域；
S3，在所述第一对接生长区域外延生长下无源波导和第二光栅层；
S4，在所述第一光栅层和第二光栅层中制备光栅并掩埋；
S5，外延生长上有源层；
S6，刻蚀移除靠近另一侧端面的部分上有源层，形成第二对接生长区域，所述下有源层和上有源层在光传播方向上的投影不重叠；
S7，在所述第二对接生长区域外延生长上无源波导；
S8，外延生长P型包层和欧姆接触层；
S9，刻蚀脊条和电极隔离沟道；
S10，在脊顶开窗并制备顶部P型电极图形；
S11，背面减薄及N侧图形电极制备。
10.根据权利要求9所述的双波长单片集成半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述下无源波导的带隙能级差大于所述下有源层的激射波长的带隙能级差；所述上无源波导的带隙能级差大于所述上有源层的激射波长的带隙能级差。
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