CN115021073B - 一种基于切趾光栅的高功率硅基半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于切趾光栅的高功率硅基半导体激光器，包括：衬底、埋入氧化层、波导层、辅助键合层、间隔层、包层、量子阱有源区、顶包覆层、欧姆接触层、P型电极、N型电极；波导层中沿谐振腔的腔长方向刻蚀有切趾光栅；本发明通过切趾光栅的设计，激光器腔两端光子密度具有不对称性，输出光功率及利用效率明显提升，在保证稳定单模输出的同时，有效解决λ/4相移激光器出光功率/效率低的问题。与λ/4相移激光器相比，本发明基于切趾光栅的谐振腔具有更加平缓的腔内光场分布，从而解决λ/4相移激光器的空间烧孔的影响，得到更好的激光器性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于切趾光栅的高功率硅基半导体激光器，属于光电子技术领域。
背景技术
随着硅光子集成技术在高速率光通信、大数据以及高效率计算等领域的应用，实现高效率的硅光集成光源成为人们关注的重点。由于硅是间接带隙半导体材料，存在自由载流子吸收、俄歇复合和间接复合效应，光辐射效率极低，难以制备成激光光源。目前，利用晶圆键合技术，将直接带隙III-V族半导体增益材料粘附在绝缘体上的硅(SOI)波导上方可以综合SOI材料高折射率差和III-V族材料高增益的优势，已经成为制作硅基激光器的主流方案之一。
分布式反馈激光器(DFB-LD)由于可以在一定的电流范围以及温度范围内实现稳定的单模输出，在III-V/SOI混合集成平台中得到普遍应用。一般均匀光栅的DFB激光器，当激光器两端腔面反射率为0时，在布拉格波长两边存在两个兼并的纵模，无法实现单模输出。在传统的III-V族DFB激光器中，可以通过在腔两端镀膜的方式，引入端面的反射与随机的相位，一定程度上消除模式兼并问题，实现激光器的单模输出。然而当应用于III-V/SOI混合集成时，难以将激光器切割并在端面镀膜，因此硅基III-V族DFB激光器通常采用在腔中心引入一个四分之一波长(λ/4)相移区的方式，实现激光器的单模输出。这种λ/4相移激光器在布拉格波长处具有最低阈值增益，可以形成稳定的单模输出，并且得益于成熟的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺，相较于III-V族DFB激光器可以大大减小光栅的制作难度。但是由于腔的对称性，光在腔两端的输出功率相等，通常只有一端的输出光可以得到利用，这导致激光器输出光功率和利用效率较低，且λ/4相移激光器腔内光场大多集中于腔的中心位置容易导致严重的纵向空间烧孔效应，一定程度上限制了激光器的性能。
发明内容
本发明采用切趾光栅，使谐振腔两端出光具有不对称性，输出光功率和利用效率明显提升，在保证稳定单模输出的同时，有效解决λ/4相移激光器输出光功率和利用效率低的问题。
与λ/4相移激光器相比，本发明的激光器谐振腔具有更加平缓的腔内光场分布，可以有效减小λ/4相移激光器的空间烧孔问题，得到更好的激光器性能。
术语解释：
1、光栅耦合系数，光栅周期性波纹结构可以使本来沿腔长方向独立传播的前向和后向波之间产生了分布式的相互耦合，光栅耦合系数可以表征光栅的反馈强弱，即前、后向光之间耦合强弱，是DFB激光器重要参数，表达式如下：
其中，D表示占空比，表示光栅同一周期中高折射率部分和低折射率部分的有效折射率，λ0为布拉格波长。
2、有效折射率，有效折射率用来描述相对于真空中单位长度相位延迟而言，波导中单位长度相位延迟的量，定义为neff＝β/k0。其中，β指的是光波的传播常数，描述为光在介质或者波导中传播单位距离上的相位变化；k0为真空波数。
3、二氧化硅介质层分子键合技术，就是指通过SiO2介质层作为键合界面的分子键合技术。
键合技术主要原理是将III-V直接带隙的半导体材料通过键合技术粘附在SOI硅波导上方，可以避免异质外延生长晶格不匹配的难题，而且其工艺简单，可集成度高，因此具有非常好的应用前景。按照键合材料的不同，可以利用四种不同的键合技术制备用于硅光互连的混合集成单模硅基激光器：Flip-chip键合技术、直接分子键合技术、SiO2介质层分子键合技术、DVS-BCB键合技术。
直接分子键合技术在其键合过程中会生成H2和H2O，导致键合层内部存在气泡，因此会降低键合质量以及成品率。SiO2介质层分子键合技术可以有效解决键合过程中生成副气体的问题，提高键合质量，并且提高增益区与硅波导间的耦合效率。
本发明的技术方案为：
一种基于切趾光栅的高功率硅基半导体激光器，包括：衬底、埋入氧化层、波导层、辅助键合层、间隔层、包层、量子阱有源区、顶包覆层、欧姆接触层、P型电极、N型电极；
所述波导层中沿谐振腔的腔长方向刻蚀有切趾光栅；
通过调制切趾光栅的横向宽度，使得谐振腔的有效折射率及光栅耦合系数沿谐振腔的腔长方向变化。
进一步优选的，通过调制切趾光栅的横向宽度，使得谐振腔的有效折射率及光栅耦合系数沿谐振腔的腔长方向变化，通过调整、选择合适的光栅横向宽度，来选择光栅低折射率部分和高折射率部分的有效折射率从而选择光栅的有效折射率neff和光栅耦合系数k；/> D表示占空比，λ0为布拉格波长。
根据本发明优选的，谐振腔从左到右依次划分为第一均匀区域、切趾区域及第二均匀区域，第一均匀区域及第二均匀区域中，光栅耦合系数及有效折射率保持不变；切趾区域中，光栅耦合系数及有效折射率呈线性变化。
进一步优选的，设第一均匀区域有效折射率为neff1,光栅耦合系数k1；第二均匀区域有效折射率为neff2,光栅耦合系数k2；切趾区域光栅耦合系数从k1到k2线性变化，有效折射率从neff1到neff2线性变化；
假设第一均匀区域、切趾区域、第二均匀区域的长度分别为l1、l2、l3，设切趾区域某一位置距离谐振腔最左端的距离为z，0<z<l1+l2+l3，切趾区域光栅耦合系数分布k(z)和有效折射率分布neff(z)表示为式(I)和式(II)：
通过仿真确定最优的neff1、neff2、k1、k2，使输出光获得最高的SMSR和最高的输出光功率以及平滑的光场分布。
根据本发明优选的，切趾光栅沿谐振腔的腔长方向的总长度为300-1000μm，第一均匀区域沿谐振腔的腔长方向的长度为200-900μm，切趾区域沿谐振腔的腔长方向的长度为5-50μm，第二均匀区域沿谐振腔的腔长方向的长度为30-200μm。
根据本发明优选的，切趾光栅的占空比为0.4-0.6。
根据本发明优选的，切趾光栅的光栅宽度W1为0-2μm，切趾光栅的光栅宽度W2为0.3-7μm；光栅宽度W1是指光栅低折射率部分的宽度；光栅宽度W2是指光栅高折射率部分的宽度。
进一步优选的，切趾光栅沿谐振腔的腔长方向的总长度为500μm，第一均匀区域沿谐振腔的腔长方向的长度为410μm，切趾区域沿谐振腔的腔长方向的长度为20μm，第二均匀区域沿谐振腔的腔长方向的长度为70μm；切趾光栅的光栅周期为240.3nm，切趾光栅的占空比为0.5；切趾光栅的光栅宽度W1取0-2μm，切趾光栅的光栅宽度W2取0.3-7μm。
根据本发明优选的，所述波导层中沿谐振腔的腔长方向刻蚀有切趾光栅，包括：
首先，在所述波导层表面沉积一层光刻掩膜，进行光刻形成图形化结构；接着，进行干法刻蚀，形成第一刻蚀深度光栅结构；
其次，依次进行光刻和干法刻蚀，形成第二刻蚀深度光栅结构；
最后，依次进行光刻和干法刻蚀，直至刻蚀至埋入氧化层，形成条波导。
根据本发明优选的，所述衬底的材质为Si；所述埋入氧化层的材质为SiO2，厚度为0.5-3μm；所述波导层的材质为Si，厚度为220-500nm；所述辅助键合层的材质为SiO2，厚度为0-300nm；所述间隔层的材质为InP，厚度为10-200nm；所述包层的材质为SiO2，厚度为200-3000nm；所述量子阱有源区的材质为InAlGaAs或InGaAsP，厚度为300-600nm，宽度为1.5-10μm；所述顶包覆层的材质为InP，厚度为1.4-1.8μm，顶端宽度为1.5-10μm，底端宽度为1.5-9μm；所述欧姆接触层的材质为InGaAs，厚度为150nm；所述P型电极的材质为TiPtAu-Au或Ti/Al，厚度为200-4000nm；所述N型电极的材质为TiPtAu-Au或Ti/Al，厚度为200-4000nm。
进一步优选的，所述衬底的厚度为750μm；所述埋入氧化层的厚度为1000nm；所述波导层的厚度为400nm；所述辅助键合层的厚度为70nm；所述间隔层的厚度为150nm；所述包层的厚度为2000nm；所述量子阱有源区的厚度为400nm，宽度为7μm，所述量子阱有源区包括三个阱层和四个垒层，交叉排列，每个阱层厚度为7nm，每个垒层厚度为9nm；所述顶包覆层的厚度为1.6μm，顶端宽度为4μm，底端宽度为2.5μm；所述欧姆接触层的厚度为150nm；所述P型电极的厚度为2000nm；所述N型电极的厚度为2000nm。
本发明的有益效果为：
本发明综合了III-V增益芯片高发光效率和SOI硅光芯片高集成度和高传输容量的优势。同时，通过切趾光栅的设计，激光器腔两端光子密度具有不对称性，输出光功率及利用效率明显提升，在保证稳定单模输出的同时，有效解决λ/4相移激光器出光功率/效率低的问题。与λ/4相移激光器相比，本发明基于切趾光栅的谐振腔具有更加平缓的腔内光场分布，从而解决λ/4相移激光器的空间烧孔的影响，得到更好的激光器性能。
附图说明
图1为本发明基于切趾光栅的高功率硅基半导体激光器的结构示意图；
图2为本发明切趾光栅的示意图；
图3为本发明基于切趾光栅的高功率硅基半导体激光器的激射光谱示意图；
图4为归一化腔内光子浓度示意图；
图5为本发明基于切趾光栅的高功率硅基半导体激光器的LI曲线示意图。
1、衬底，2、埋入氧化层，3、波导层，4、辅助键合层，5、间隔层，6、包层，7、量子阱有源区，8、顶包覆层，9、欧姆接触层，10、P型电极，11、N型电极。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种基于切趾光栅的高功率硅基半导体激光器，如图1所示，包括：衬底1、埋入氧化层2、波导层3、辅助键合层4、间隔层5、包层6、量子阱有源区7、顶包覆层8、欧姆接触层9、P型电极10、N型电极11；
波导层3中沿谐振腔的腔长方向刻蚀有切趾光栅；包括：切趾光栅通过标准的硅光CMOS工艺加工而成，一般分三步刻蚀：首先，在波导层3表面沉积一层光刻掩膜，利用高精度光刻设备进行光刻形成图形化结构；接着，进行干法刻蚀，形成第一刻蚀深度光栅结构；其次，依次进行光刻和干法刻蚀，形成第二刻蚀深度光栅结构；最后，依次进行光刻和干法刻蚀，直至刻蚀至埋入氧化层2，形成条波导。
通过调制切趾光栅的横向宽度，使得谐振腔的有效折射率及光栅耦合系数沿谐振腔的腔长方向变化。
实施例2
根据实施例1所述的一种基于切趾光栅的高功率硅基半导体激光器，其区别在于：
通过调制切趾光栅的横向宽度，使得谐振腔的有效折射率及光栅耦合系数沿谐振腔的腔长方向变化，波导模式的有效折射率与波导尺寸相关，通过有限差分法仿真，可以得到特定波导尺寸下波导模式的有效折射率，因此，通过调整、选择合适的光栅横向宽度，来选择光栅低折射率部分和高折射率部分的有效折射率从而选择光栅总体的有效折射率neff和光栅耦合系数k；/>D表示占空比，λ0为布拉格波长。
本发明通过有效折射率的变化，引入了相对相移，可以改变阻带两边基模之间的阈值增益之差以及基模与高阶模的阈值增益之差，从而打破双模简并现象，得到首选的激射模式。采用上述切趾光栅实现激光器的单模工作，与λ/4相移激光器相比，腔内光场分布更加平滑，有效减小了空间烧孔效应。本发明还通过设计光栅耦合系数沿腔长方向的变化，可以改变腔内光子密度和载流子密度的分布，使其沿腔的纵向分布变得不对称，使输出端附近的光子密度更大，从而提高激光器输出光功率。
本发明综合了III-V增益芯片高发光效率和SOI硅光芯片高集成度和高传输容量的优势。同时，通过切趾光栅的设计，激光器腔两端光子密度具有不对称性，输出光功率及利用效率明显提升，在保证稳定单模输出的同时，有效解决λ/4相移激光器出光功率/效率低的问题。其次，与λ/4相移激光器相比，本发明中基于切趾光栅的谐振腔具有更加平缓的腔内光场分布，从而解决λ/4相移激光器的空间烧孔的影响，得到更好的激光器性能。
实施例3
根据实施例1所述的一种基于切趾光栅的高功率硅基半导体激光器，其区别在于：
如图2所示，谐振腔从左到右依次划分为第一均匀区域、切趾区域及第二均匀区域，第一均匀区域及第二均匀区域中，光栅耦合系数及有效折射率保持不变；通过控制该区域内光栅横向宽度，光栅横向宽度分别沿腔长方向保持一致，实现光栅耦合系数及有效折射率保持不变；切趾区域中，光栅耦合系数及有效折射率呈线性变化。通过控制该区域内光栅横向宽度，沿腔长方向变化实现光栅耦合系数及有效折射率呈线性变化，具体宽度如何变化通过仿真确定。
设第一均匀区域有效折射率为neff1,光栅耦合系数k1；第二均匀区域有效折射率为neff2,光栅耦合系数k2；切趾区域光栅耦合系数从k1到k2线性变化，有效折射率从neff1到neff2线性变化；
假设第一均匀区域、切趾区域、第二均匀区域的长度分别为l1、l2、l3，设切趾区域某一位置距离谐振腔最左端的距离为z，0<z<l1+l2+l3，切趾区域光栅耦合系数分布k(z)和有效折射率分布neff(z)表示为式(I)和式(II)：
通过仿真确定最优的neff1、neff2、k1、k2，使输出光获得最高的SMSR和最高的输出光功率以及平滑的光场分布。仿真结果如图3、图4及图5所示。
本实施例的切趾光栅会在腔内引入折射率变化会产生等效相移，从而打破DFB激光器存在的双模简并现象，达到激光器单模输出的目的。激光器输出光谱如图3所示。
由于光栅耦合系数并非均匀分布，谐振腔中光场分布并不均匀。当切趾区域中的光栅耦合系数大于第一均匀区域时，腔内光子会更多得分布在谐振腔左端，如图4所示，使谐振腔输出端得到的光功率得到增加，提高了输出光利用效率。同时从图4可以看出，与传统的λ/4相移激光器相比，这种基于切趾光栅设计的谐振腔结构，腔内光场分布更加平缓，从而能够有效地抑制空间烧孔效应。
本实施例激光器的LI曲线如图5所示，与相同情况下等阈值的λ/4相移激光器相比，本实施例光输出功率明显提高。
实施例4
根据实施例1所述的一种基于切趾光栅的高功率硅基半导体激光器，其区别在于：
切趾光栅沿谐振腔的腔长方向的总长度为300-1000μm，第一均匀区域沿谐振腔的腔长方向的长度为200-900μm，切趾区域沿谐振腔的腔长方向的长度为5-50μm，第二均匀区域沿谐振腔的腔长方向的长度为30-200μm。
根据以上腔长和各区域长度的设置可以得到最优的激光器性能，如较高的输出功率和良好的单模特性。
切趾光栅的光栅周期根据激光器激射波长设计，典型的光通信波长在1310nm附近，对应周期为201—207nm；激光器激射波长在1550nm附近，对应的周期为238-246nm，切趾光栅的占空比为0.4-0.6。
切趾光栅的光栅宽度W1为0-2μm，切趾光栅的光栅宽度W2为0.3-7μm；光栅宽度W1是指光栅低折射率部分的宽度；光栅宽度W2是指光栅高折射率部分的宽度。
光栅的每一周期由两部分组成，包括高折射率部分和低折射率部分，在本发明中，高、低折射率部分是通过光栅宽度的不同来区分的，其宽度分别为W2、W1。确定的光栅尺寸对应于确定的有效折射率，因此，通过控制光栅宽度可以控制有效折射率和光栅耦合系数。
衬底1的材质为Si；埋入氧化层2的材质为SiO2，厚度为0.5-3μm；波导层3的材质为Si，厚度为220-500nm；波导层3中，通过切趾光栅实现对激射模式的选取。辅助键合层4的材质为SiO2，厚度为0-300nm；通过二氧化硅介质层分子键合技术，将III-V半导体材料粘附至波导层3上。间隔层5的材质为InP，厚度为10-200nm；包层6的材质为SiO2，厚度为200-3000nm；量子阱有源区7的材质为InAlGaAs或InGaAsP，厚度为300-600nm，宽度为1.5-10μm；量子阱有源区7提供光增益；顶包覆层8的材质为InP，厚度为1.4-1.8μm，顶端宽度为1.5-10μm，底端宽度为1.5-9μm；欧姆接触层9的材质为InGaAs，厚度为150nm；P型电极10的材质为TiPtAu-Au或Ti/Al，厚度为200-4000nm；N型电极11的材质为TiPtAu-Au或Ti/Al，厚度为200-4000nm。
实施例5
根据实施例1所述的一种基于切趾光栅的高功率硅基半导体激光器，其区别在于：
切趾光栅沿谐振腔的腔长方向的总长度为500μm，第一均匀区域沿谐振腔的腔长方向的长度为410μm，切趾区域沿谐振腔的腔长方向的长度为20μm，第二均匀区域沿谐振腔的腔长方向的长度为70μm；切趾光栅的光栅周期为240.3nm，切趾光栅的占空比为0.5；切趾光栅的光栅宽度W1取0-2μm，切趾光栅的光栅宽度W2取0.3-7μm。
衬底1的厚度为750μm；埋入氧化层2的厚度为1000nm；波导层3的厚度为400nm；辅助键合层4的厚度为70nm；间隔层5的厚度为150nm；包层6的厚度为2000nm；量子阱有源区7的厚度为400nm，宽度为7μm，量子阱有源区7包括三个阱层和四个垒层，交叉排列，每个阱层厚度为7nm，每个垒层厚度为9nm；顶包覆层8的厚度为1.6μm，顶端宽度为4μm，底端宽度为2.5μm；欧姆接触层9的厚度为150nm；P型电极10的厚度为2000nm；N型电极11的厚度为2000nm。
Claims (10)
1.一种基于切趾光栅的高功率硅基半导体激光器，其特征在于，包括：衬底、埋入氧化层、波导层、辅助键合层、间隔层、包层、量子阱有源区、顶包覆层、欧姆接触层、P型电极、N型电极；所述波导层中沿谐振腔的腔长方向刻蚀有切趾光栅；通过调制切趾光栅的横向宽度，使得谐振腔的有效折射率及光栅耦合系数沿谐振腔的腔长方向变化。
2.根据权利要求1所述的一种基于切趾光栅的高功率硅基半导体激光器，其特征在于，通过调制切趾光栅的横向宽度，使得谐振腔的有效折射率及光栅耦合系数沿谐振腔的腔长方向变化包括，通过调整、选择合适的光栅横向宽度，来选择光栅低折射率部分和高折射率部分的有效折射率从而选择光栅的有效折射率neff和光栅耦合系数k； D表示占空比，λ0为布拉格波长。
3.根据权利要求1所述的一种基于切趾光栅的高功率硅基半导体激光器，其特征在于，谐振腔从左到右依次划分为第一均匀区域、切趾区域及第二均匀区域，第一均匀区域及第二均匀区域中，光栅耦合系数及有效折射率保持不变；切趾区域中，光栅耦合系数及有效折射率呈线性变化。
4.根据权利要求3所述的一种基于切趾光栅的高功率硅基半导体激光器，其特征在于，设第一均匀区域有效折射率为neff1，光栅耦合系数k1；第二均匀区域有效折射率为neff2，光栅耦合系数k2；切趾区域光栅耦合系数从k1到k2线性变化，有效折射率从neff1到neff2线性变化；
假设第一均匀区域、切趾区域、第二均匀区域的长度分别为l1、l2、l3，设切趾区域某一位置距离谐振腔最左端的距离为z，0＜z＜l1+l2+l3，切趾区域光栅耦合系数分布k(z)和有效折射率分布neff(z)表示为式(I)和式(II)：
通过仿真确定最优的neff1、neff2、k1、k2，使输出光获得最优的SMSR和最高的输出光功率以及平滑的光场分布。
5.根据权利要求3所述的一种基于切趾光栅的高功率硅基半导体激光器，其特征在于，切趾光栅沿谐振腔的腔长方向的总长度为300-1000μm，第一均匀区域沿谐振腔的腔长方向的长度为200-900μm，切趾区域沿谐振腔的腔长方向的长度为5-50μm，第二均匀区域沿谐振腔的腔长方向的长度为30-200μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于切趾光栅的高功率硅基半导体激光器，其特征在于，切趾光栅的占空比为0.4-0.6。
7.根据权利要求1所述的一种基于切趾光栅的高功率硅基半导体激光器，其特征在于，切趾光栅的光栅宽度W1为0-2μm，切趾光栅的光栅宽度W2为0.3-7μm；光栅宽度W1是指光栅低折射率部分的宽度；光栅宽度W2是指光栅高折射率部分的宽度。
8.根据权利要求1所述的一种基于切趾光栅的高功率硅基半导体激光器，其特征在于，切趾光栅沿谐振腔的腔长方向的总长度为500μm，第一均匀区域沿谐振腔的腔长方向的长度为410μm，切趾区域沿谐振腔的腔长方向的长度为20μm，第二均匀区域沿谐振腔的腔长方向的长度为70μm；切趾光栅的光栅周期为240.3nm，切趾光栅的占空比为0.5；切趾光栅的光栅宽度W1取0-2μm，切趾光栅的光栅宽度W2取0.3-7μm。
9.根据权利要求1所述的一种基于切趾光栅的高功率硅基半导体激光器，其特征在于，所述衬底的材质为Si；所述埋入氧化层的材质为SiO2，厚度为0.5-3μm；所述波导层的材质为Si，厚度为220-500nm；所述辅助键合层的材质为SiO2，厚度为0-300nm；所述间隔层的材质为InP，厚度为10-200nm；所述包层的材质为SiO2，厚度为200-3000nm；所述量子阱有源区的材质为InAlGaAs或InGaAsP，厚度为300-600nm，宽度为1.5-10μm；所述顶包覆层的材质为InP，厚度为1.4-1.8μm，顶端宽度为1.5-10μm，底端宽度为1.5-9μm；所述欧姆接触层的材质为InGaAs，厚度为150nm；所述P型电极的材质为TiPtAu-Au或Ti/Al，厚度为200-4000nm；所述N型电极的材质为TiPtAu-Au或Ti/Al，厚度为200-4000nm。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种基于切趾光栅的高功率硅基半导体激光器，其特征在于，所述衬底的厚度为750μm；所述埋入氧化层的厚度为1000nm；所述波导层的厚度为400nm；所述辅助键合层的厚度为70nm；所述间隔层的厚度为150nm；所述包层的厚度为2000nm；所述量子阱有源区的厚度为400nm，宽度为7μm，所述量子阱有源区包括三个阱层和四个垒层，交叉排列，每个阱层厚度为7nm，每个垒层厚度为9nm；所述顶包覆层的厚度为1.6μm，顶端宽度为4μm，底端宽度为2.5μm；所述欧姆接触层的厚度为150nm；所述P型电极的厚度为2000nm；所述N型电极的厚度为2000nm。
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