CN114976870A - 一种层叠式双波长集成半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种层叠式双波长集成半导体激光器及其制备方法，属于半导体激光器领域。通过上下层叠的方式将两个波长的有源区单片集成在一个半导体激光器中，从而实现两个发射波长的信号输出与合波。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。该半导体激光器的结构无需进行波导对接生长，制备过程中也无需采用SAG方式所需的介质掩蔽层，因此器件可靠性高，且无掩蔽层引入的元素污染等问题。

Description

一种层叠式双波长集成半导体激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器领域，具体涉及一种层叠式双波长集成半导体激光器及其制备方法。
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层叠式双波长单片集成半导体激光器的新结构及其制备方法。器件在与传播方向垂直的截面上通过上下层叠方式形成两个不同激射波长的激射区域，从而在同一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，本发明提供了一种层叠式双波长集成半导体激光器，半导体激光器包括沿生长方向由下至上层叠的第一有源区、第一欧姆层和第二有源区，在第一欧姆层的上表面接触连接有正面P型电极，第一有源区电连接有背面N型电极，第二有源区电连接有正面N型电极，正面P型电极和背面N型电极用于向第一有源区注入电流，正面P型电极和正面N型电极用于向第二有源区注入电流，两个电流注入路径在空间上分开不重叠。
优选地，半导体激光器还包括分别与第一有源区和第二有源区对应的第一光栅层和第二光栅层。
优选地，第一有源区下方还包括电流限制结构，电流限制结构包括电流阻挡区域和N型沟道波导区域。
优选地，在电流限制结构下方还包括N型衬底。
优选地，第二有源区上方还包括N型包层。
优选地，在N型包层上方还包括与正面N型电极连接的第二欧姆层。
优选地，N型包层包含脊波导结构。
优选地，脊波导结构的中心线和N型沟道波导区域的中心线在第一方向上间隔0到8微米，两个中心线均与器件生长方向平行，第一方向与光传播方向和器件生长方向垂直。
本发明还提供了一种10G PON OLT，10G PON OLT中包括上述层叠式双波长集成半导体激光器。
本发明还提供了一种层叠式双波长集成半导体激光器的制备方法，制备方法包括以下步骤：
S1，在N型衬底上外延生长电流阻挡层；
S2，在电流阻挡层中刻蚀形成沟道；
S3，在沟道中外延生长波导层，形成电流阻挡区域和N型沟道波导区域，再外延生长第一有源区以及与所述第一有源区对应的第一光栅层；
S4，在第一光栅层中制备第一光栅；
S5，掩埋第一光栅，外延生长第一欧姆层、用于形成第二有源区的有源层及与有源层对应的第二光栅层；
S6，在第二光栅层中制备第二光栅；
S7，掩埋第二光栅，外延生长N型包层及第二欧姆层；
S8，刻蚀N型包层和第二欧姆层形成脊条及其两侧的沟道；
S9，在脊条顶部接触开窗并制备正面N型电极；
S10，在脊条其中一侧的沟道中刻蚀第二光栅层和有源层至第一欧姆层，接触开窗并制备正面P型电极；
S11，背面减薄，制备背面N型电极。
本发明的有益效果在于：
（1）所提出的层叠式双波长集成半导体激光器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）两个有源区相对独立，可分别进行优化，实现各自最佳性能。
（3）所提出的器件结构可基于现有制备工艺实现，两个有源区在与传播方向垂直的横截面上采用层叠的方式上下分开，并且利用N-P-N的三个电极对两个有源区分别注入。此发明结构无需进行波导对接生长，制备过程也无需采用SAG方式所需的介质掩蔽层，因此器件可靠性高，且无掩蔽层引入的元素污染等问题。
附图说明
图1是层叠式双波长集成半导体激光器xy平面的截面图。
图2是层叠式双波长集成半导体激光器的制备流程图。
图中：101-背面N型电极；102-N型衬底；103-电流阻挡区域；104-N型沟道波导区域；105-第一有源区；106-第一光栅层；107-第一欧姆层；108-有源层；108-1- 非注入区；108-2 -第二有源区；109-第二光栅层；110-第一N型包层；110-1-第二N型包层；110-2-第三N型包层；110-3-第四N型包层；111-第二欧姆层；112-正面P型电极；113-正面N型电极。
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。
本发明公开了一种层叠式双波长单片集成半导体激光器，图1是与光传播方向（z方向）垂直的xy平面的截面图。如图1所示，半导体激光器包括：背面N型电极101、N型衬底102、电流阻挡区域103、N型沟道波导区域104、激射波长为λ1的第一有源区105、与λ1对应的第一光栅层106、第一欧姆层107、非注入区108-1、激射波长为λ2的第二有源区108-2、第二光栅层109、第二N型包层110-1、第三N型包层110-2和第四N型包层110-3、第二欧姆层111、正面P型电极112、正面N型电极113。两个激射波长的单模激光区域单片集成在同一器件内，光信号的产生和传输分别集中在上、下层叠的两路互相独立的各自的光波导内。
激射波长λ1对应的激光区域由正面P型电极112和背面N侧电极101独立供电，其电流注入路径如实线箭头所示。激射波长λ2对应的激光区域由正面P型电极112和正面N型电极113独立供电，其电流注入路径如虚线箭头所示。两个激光区域的电流注入路径在空间上分开不重叠。其中，电流阻挡区域103和N型沟道波导区域104构成的电流限制结构用于限制电流路径，提高注入效率，实现在低电流下的激光振荡。N型沟道波导区域104用于控制光场分布，使得电流注入区域和光场分布区域更大重叠，提高发光效率。
优选地，N型沟道波导区域104和第三N型包层110-2沿x方向的中心线L1和L2在y方向上间隔0到8微米，该间隔的设置有利于两个激射波长对应的模场耦合至同一光纤。
半导体激光器沿x方向依次外延生长两个具有不同增益峰值的有源区，可分别进行独立的有源区性能优化。沿y方向，半导体激光器的脊条顶部和脊条一侧沟道内分别设置正面N型电极113和正面P型电极112，器件背面采用大面积背面N型电极101。
半导体激光器端面中的一个对激射波长λ1和激射波长λ2镀增透膜，另一个对激射波长λ1和激射波长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，介绍层叠式双波长集成半导体激光器的制备方法。
层叠式双波长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102上外延生长电流阻挡层；
S2，在电流阻挡层中刻蚀形成沟道；
S3，在沟道中外延生长波导层，形成电流阻挡区域103和N型沟道波导区域104，再外延生长第一有源区105以及与第一有源区105对应的第一光栅层106；
S4，在第一光栅层106中制备光栅；
S5，掩埋光栅，外延生长第一欧姆层107、用于形成第二有源区的有源层108及与有源层108对应的第二光栅层109；
S6，在第二光栅层109中制备光栅；
S7，掩埋光栅，外延生长第一N型包层110及第二欧姆层111；
S8，刻蚀第一N型包层110和第二欧姆层111形成脊条及其两侧的沟道；
S9，在脊条顶部接触开窗，制备脊顶正面N型电极113；
S10，在脊条其中一侧的沟道中刻蚀第二光栅层109和有源层108至第一欧姆层107，接触开窗并制备正面P型电极112；
S11，背面减薄，制备背面N电极101。
步骤S10的接触开窗工艺为本领域公知技术，一般包括先进行电隔离层沉积，之后在需要电流注入的区域内移除电隔离层完成开窗。本实施方法中，具体包括在第一欧姆层107的露出区域及其左侧沉积氧硅隔离层（未图示），之后将第一欧姆层107的露出区域之上的氧硅隔离层移除，完成接触开窗。
上述制备方法中，两个有源区在与传播方向垂直的横截面上采用层叠的方式上下分开，可用成熟的外延生长工艺及微纳加工工艺完成，无需进行波导对接生长，制备过程也无需采用SAG方式所需的介质掩蔽层，其极大的降低了工艺制作难度，提高了器件可靠性。
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）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，外延生长光栅层，直接形成光栅结构等。
在接下来的实施例中，将上述层叠式双波长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层叠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，第一有源区105的激射波长λ1为1480-1500nm，第二有源区108-2激射波长λ2为1575-1580nm；或者第一有源区105的激射波长λ1为1575-1580nm，第二有源区108-2激射波长λ2为1480-1500nm。
半导体激光器端面中的一个对1480-1500nm和1575-1580nm镀增透膜，另一个对1480-1500nm和1575-1580nm镀高反膜。
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)

1.一种层叠式双波长集成半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器包括沿生长方向由下至上层叠的第一有源区、第一欧姆层和第二有源区，在所述第一欧姆层的上表面接触连接有正面P型电极，所述第一有源区电连接有背面N型电极，所述第二有源区电连接有正面N型电极，所述正面P型电极和背面N型电极用于向所述第一有源区注入电流，所述正面P型电极和所述正面N型电极用于向所述第二有源区注入电流，两个电流注入路径在空间上分开不重叠。
2.根据权利要求1所述的一种层叠式双波长集成半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器还包括分别与所述第一有源区和第二有源区对应的第一光栅层和第二光栅层。
3.根据权利要求1所述的一种层叠式双波长集成半导体激光器，其特征在于，所述第一有源区下方还包括电流限制结构，所述电流限制结构包括电流阻挡区域和N型沟道波导区域。
4.根据权利要求3所述的一种层叠式双波长集成半导体激光器，其特征在于，在所述电流限制结构下方还包括N型衬底。
5.根据权利要求4所述的一种层叠式双波长集成半导体激光器，其特征在于，所述第二有源区上方还包括N型包层。
6.根据权利要求5所述的一种层叠式双波长集成半导体激光器，其特征在于，在所述N型包层上方还包括与所述正面N型电极连接的第二欧姆层。
7.根据权利要求5或6所述的一种层叠式双波长集成半导体激光器，其特征在于，所述N型包层包含脊波导结构。
8.根据权利要求7所述的一种层叠式双波长集成半导体激光器，其特征在于，所述脊波导结构的中心线和所述N型沟道波导区域的中心线在第一方向上间隔0到8微米，两个中心线均与器件生长方向平行，所述第一方向与光传播方向和器件生长方向垂直。
9.一种10G PON OLT，其特征在于，所述10G PON OLT中包括权利要求1-8任一所述的一种层叠式双波长集成半导体激光器。
10.一种层叠式双波长集成半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
S1，在N型衬底上外延生长电流阻挡层；
S2，在电流阻挡层中刻蚀形成沟道；
S3，在所述沟道中外延生长波导层，形成电流阻挡区域和N型沟道波导区域，再外延生长第一有源区以及与所述第一有源区对应的第一光栅层；
S4，在所述第一光栅层中制备第一光栅；
S5，掩埋所述第一光栅，外延生长第一欧姆层、用于形成第二有源区的有源层及与所述有源层对应的第二光栅层；
S6，在所述第二光栅层中制备第二光栅；
S7，掩埋所述第二光栅，外延生长N型包层及第二欧姆层；
S8，刻蚀所述N型包层和第二欧姆层形成脊条及其两侧的沟道；
S9，在所述脊条顶部接触开窗并制备正面N型电极；
S10，在所述脊条其中一侧的沟道中刻蚀所述第二光栅层和有源层至所述第一欧姆层，接触开窗并制备正面P型电极；
S11，背面减薄，制备背面N型电极。
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