CN115411612B - 窄线宽半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种窄线宽半导体激光器及其制备方法，涉及半导体光芯片技术领域，主要目的是降低窄线宽激光器的制备难度和成本，并提高其结构稳定性。本发明的主要技术方案为：该窄线宽半导体激光器包括DFB增益区、深刻蚀光栅区和无源波导区；DFB增益区的端面为第一解理面，第一解理面上设置有高透射介质膜；深刻蚀光栅区包括衬底和在衬底上由下至上依次生长的N型包层、光栅波导层和P型包层；深刻蚀光栅区包括多个光栅，多个光栅沿激光器腔体的长度方向间隔排布；无源波导区包括衬底和在衬底上由下至上依次生长的N型包层、无源波导层和P型包层；无源波导区的端面为第二解理面，第二解理面上设置有高反射介质膜。

Description

窄线宽半导体激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体光芯片技术领域，具体而言，涉及一种窄线宽半导体激光器及其制备方法。

背景技术

窄线宽激光器在相干光通信、气体探测以及激光雷达等领域有广泛的应用，随着应用技术的提升，器件商对窄线宽激光器的线宽有了越来越高的要求。

目前，对于常规的DFB半导体激光器，即分布式反馈激光器，由于注入电流噪声、温度噪声以及电光转换过程的起伏噪声等影响，其线宽通常在200kHz以上。若想要获得窄线宽指标，通常的做法是在激光器的一端设置滤波片和反射镜，或者设置标准具，以实现通过光波频率和反射率的关系为DFB激光器提供反馈，从而得到窄线宽指标。

然而，无论采用上述哪种方式来压缩DFB激光器的线宽，都需要提供稳定的空间光路和价格高昂的耦合设备，导致得到的窄线宽激光器的成本较高，制备难度较高，且结构稳定性较差。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种窄线宽半导体激光器及其制备方法，主要目的是降低窄线宽激光器的制备难度和成本，并提高其结构稳定性。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供了一种窄线宽半导体激光器，包括激光器腔体，还包括：

沿所述激光器腔体的长度方向依次排布的DFB增益区、深刻蚀光栅区和无源波导区；所述DFB增益区的端面为第一解理面，所述第一解理面上设置有高透射介质膜；

所述深刻蚀光栅区包括衬底和在所述衬底上由下至上依次生长的N型包层、光栅波导层和P型包层；所述深刻蚀光栅区包括多个光栅，多个所述光栅沿所述激光器腔体的长度方向间隔排布；

所述无源波导区包括所述衬底和在所述衬底上由下至上依次生长的所述N型包层、无源波导层和所述P型包层；所述无源波导区的端面为第二解理面，所述第二解理面上设置有高反射介质膜。

进一步地，所述DFB增益区包括所述衬底和在所述衬底上由下至上依次生长的所述N型包层、有源波导层、P型掩埋光栅层、所述P型包层和接触电极。

进一步地，所述光栅波导层的厚度大于或等于所述有源波导层的厚度；

所述光栅波导层的折射率与所述有源波导层的折射率一致。

进一步地，所述有源波导层包括多个量子阱，所述量子阱的数量为3-5个，所述量子阱的厚度小于或等于6纳米。

进一步地，所述DFB增益区的量子阱增益峰值比光栅布拉格大20-50纳米。

进一步地，所述光栅的刻蚀深度到达所述N型包层。

进一步地，所述无源波导区的长度大于1厘米。

进一步地，所述光栅波导层和无源波导层的材料相同且为同一层。

另一方面，本发明实施例提供了一种窄线宽半导体激光器的制备方法，包括：

在衬底上依次外延生长N型包层、下波导层、量子阱有源区和上波导层，并制作掩埋光栅结构；

去除深刻蚀光栅区和无源波导区的所述下波导层、量子阱有源区和上波导层，并在所述深刻蚀光栅区和无源波导区外延生长光栅波导层和无源波导层；

在DFB增益区、深刻蚀光栅区和无源波导区外延生长P型包层；

对深刻蚀光栅区进行刻蚀，形成半导体-空气光栅结构；

在所述DFB增益区、深刻蚀光栅区和无源波导区沉积绝缘介质膜材料，再沉积P面电极金属材料；

对所述衬底进行减薄，并沉积N面电极金属材料，完成热处理和合金化；

以DFB增益区的端面和无源波导区的端面作为解理面进行解理以对应形成第一解理面和第二解理面，然后在所述第一解理面镀高透射介质膜，以及在所述第二解理面镀高反射介质膜。

进一步地，所述对深刻蚀光栅区进行刻蚀，形成半导体-空气光栅结构，包括：

利用光刻和干法刻蚀去除所述深刻蚀区的部分区域的所述P型包层和光栅波导层，形成所述半导体-空气光栅结构。

借由上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：

本发明实施例提供的窄线宽半导体激光器中，无源波导区的端面设置有高反射介质膜，并且，深刻蚀光栅区的光栅波导层和空气构成的光栅结构可以实现较高的反射率，使得无源波导区的两端均存在高反射特性，在DFB增益区工作时，DFB增益区发出的激光可以在无源波导区往返振荡，从而使得深刻蚀光栅区和无源波导区构成FP滤波器，且该FP滤波器能够向DFB增益区输出反馈信号，该反馈信号可以稳定DFB增益区的激光波长，从而实现压缩激光器的线宽的目的，相比于现有技术，本发明实施例提供的技术方案中DFB增益区的反馈信号由片上波导提供，无需耦合设备、外部空间光路和光学元件，降低了窄线宽激光器的制备难度和成本，且提高了其结构稳定性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种窄线宽半导体激光器的截面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种窄线宽半导体激光器的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种窄线宽半导体激光器的FP过滤器的反射率和激光波长之间关系的曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的优选实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实施例保护范围的限制。

如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种窄线宽半导体激光器，具体为一种单片集成的窄线宽半导体激光器，包括激光器腔体，还包括沿激光器腔体的长度方向依次排布的DFB增益区1、深刻蚀光栅区2和无源波导区3；DFB增益区1的端面为第一解理面，该第一解理面上设置有高透射介质膜4，其反射率需低于0.1％，DFB增益区1的该端作为半导体激光器的输出端；深刻蚀光栅区2包括衬底5和在衬底5上由下至上依次生长的N型包层6、光栅波导层7和P型包层8；深刻蚀光栅区2包括多个光栅21，多个光栅21沿激光器腔体的长度方向间隔排布；无源波导区3包括衬底5和在衬底5上由下至上依次生长的N型包层6、无源波导层11和P型包层8；无源波导区3的端面为第二解理面，该第二解理面上设置有高反射介质膜9，其反射率需高于95％。

本发明实施例提供的窄线宽半导体激光器中，无源波导区3的端面设置有高反射介质膜9，并且，深刻蚀光栅区2的光栅波导层7和空气构成的光栅21结构可以实现较高的反射率，使得无源波导区3的两端均存在高反射特性，在DFB增益区1工作时，DFB增益区1发出的激光可以在无源波导区3往返振荡，从而使得深刻蚀光栅区2和无源波导区3构成FP滤波器，且该FP滤波器能够向DFB增益区1输出反馈信号，该反馈信号可以稳定DFB增益区1的激光波长，从而实现压缩激光器的线宽的目的，相比于现有技术，本发明实施例提供的技术方案中DFB增益区1的反馈信号由片上波导提供，无需耦合设备、外部空间光路和光学元件，降低了窄线宽激光器的制备难度和成本，且提高了其结构稳定性。

本发明实施例中，DFB增益区1发出的激光通过深刻蚀光栅区2进入无源波导区3，然后在无源波导区3的无源波导层11中传输至高反射介质膜9，由高反射介质膜9反射后即可在无源波导区3进行往返振荡，并将部分光能量返回DFB增益区1。返回DFB增益区1的光能量和无源波导区3、深刻蚀光栅区2构成的FP过滤器的反射率成正比，FP过滤器的反射率和激光波长的关系可参见图3。

DFB增益区1注入电流后产生激光信号，该激光信号的波长λ位于FP过滤器反射谱的下降沿中点，激光信号的波长λ是由掩埋光栅21层的光栅21周期和有源波导层的折射共同决定的，当期间折射率抖动使激光波长发生改变导致线宽增加，但是，当增设了深刻蚀光栅区2和无源波导区3后，当激光波长降低至λ-Δλ时，FP过滤器反馈回DFB增益区1的光信号增加，提高了腔内光子密度和受激发射效率，因此载流子密度降低，DFB增益区1的折射率增加，DFB增益区1光信号的波长随之增加，使激光波长恢复到λ。当激光波长增加至λ+Δλ时，FP过滤器反馈回DFB增益区1的光信号降低，减少了腔内光子密度和受激发射效率，因此载流子密度增加，DFB增益区1的折射率降低，DFB增益区1光信号的波长随之降低，使激光波长恢复到λ。由于存在FP过滤器的反馈机制，DFB增益区1的激光信号波长的抖动能够稳定在λ附近，达到了压缩激光信号线宽的效果。

需要说明的是，空气的折射率较低，深刻蚀光栅区2的相邻两个光栅21之间以空气间隔，使得空气和光栅21之间的折射率较大，从而使得深刻蚀光栅区2形成较高的反射率。

在一可选的实施例中，参见图1，DFB增益区1可以包括衬底5和在衬底5上由下至上依次生长的N型包层6、有源波导层10、P型掩埋光栅层12、P型包层8和接触电极13。其中，有源波导层10从下至上可依次包括下波导层、量子阱有源区和下波导层，量子阱有源区可包括多个量子阱和量子垒。

在一可选的实施例中，光栅波导层7的厚度可以大于或等于有源波导层10的厚度；光栅波导层7的折射率与有源波导层10的折射率一致，从而使得DFB增益区1发出的激光能够更多地耦合到无源波导区3，以降低能量损耗，提高FP过滤器反馈的光信号强度，进而提高半导体激光器的性能。

在一可选的实施例中，有源波导层10可以包括多个量子阱，量子阱的数量可以为3-5个，量子阱的厚度可以小于或等于6纳米，以使得从DFB增益区1发出的激光线宽就比较窄，线宽比较窄的光经过深刻蚀光栅区2和无源波导区3构成的FP过滤器的反馈作用后，激光器的线宽可以更窄。

在一可选的实施例中，DFB增益区1的量子阱增益峰值比光栅21布拉格大20-50纳米，以使得从DFB增益区1发出的激光线宽就比较窄，线宽比较窄的光经过深刻蚀光栅区2和无源波导区3构成的FP过滤器的反馈作用后，激光器的线宽可以更窄。

在一可选的实施例中，参见图1，光栅21的刻蚀深度到达N型包层6，即需刻穿整个光栅波导层7，从而增大空气和光栅21之间的折射率，进而增大深刻蚀光栅区2的反射率。

在一可选的实施例中，无源波导区3的长度可以大于1厘米。

如若无源波导区3的长度过短，参见图3，反射率曲线的横坐标波长范围就会拉的比较宽，由于激光器本身的能量波动较小，因此将导致FP过滤器的反馈效果无法体现，从而失去压缩激光器线宽的效果，上述实施例中，通过将无源波导区3的长度设置为大于1cm，从而保证FP过滤器的反馈效果，进而确保压缩激光器线宽的效果。

在一可选的实施例中，参见图1，光栅波导层7和无源波导层11的材料相同且为同一层，以便为光提供可靠的传输路径。

本发明实施例还提供了一种窄线宽半导体激光器的制备方法，参见图1和图2，包括：

S1、在衬底5上依次外延生长N型包层6、下波导层、量子阱有源区和上波导层，并制作掩埋光栅结构。

其中，对于1550纳米波长窄线宽脊波导边发射激光器，掩埋光栅结构的光栅周期可以为239-247纳米。

S2、去除深刻蚀光栅区2和无源波导区3的下波导层、量子阱有源区和上波导层，并在深刻蚀光栅区2和无源波导区3外延生长光栅波导层7和无源波导层11。

具体地，可以利用光刻和干法刻蚀工艺去除深刻蚀光栅区2和无源波导区3的下波导层、量子阱有源区和上波导层，同时可以保留光刻过程中DFB增益区1的掩膜，以在深刻蚀光栅区2和无源波导区3进而二次外延以同时制备光栅波导层7和无源波导层11，光栅波导层7和无源波导层11为同一层材料。

对于1550纳米波长窄线宽脊波导边发射激光器，光栅波导层7和无源波导层11的厚度可以为300-500纳米。

S3、在DFB增益区1、深刻蚀光栅区2和无源波导区3外延生长P型包层8。

去除DFB增益区1的掩膜，以在整个晶圆表面生长P型包层8。

而且，在步骤S3之后，该制备方法还可以包括利用光刻和干法刻蚀工艺去除脊波导两侧的P型包层8和下高掺杂P型接触层，形成脊波导。

S4、对深刻蚀光栅区2进行刻蚀，形成半导体-空气光栅结构。

具体地，可以利用光刻和干法刻蚀工艺去除深刻蚀光栅区2部分区域的P型包层8和光栅波导层7，形成半导体-空气光栅结构。

对于1550纳米波长窄线宽脊波导边发射激光器，深刻蚀光栅区2的周期可以为252-300纳米，且周期性结构的周期数量可以大于30，光栅波导和空气间隙比例可以为4:1-3:1。

S5、在DFB增益区1、深刻蚀光栅区2和无源波导区3沉积绝缘介质膜材料，再沉积P面电极金属材料；

S6、对衬底5进行减薄，并沉积N面电极金属材料，完成热处理和合金化；

S7、以DFB增益区1的端面和无源波导区3的端面作为解理面进行解理以对应形成第一解理面和第二解理面，然后在第一解理面镀高透射介质膜4，以及在第二解理面镀高反射介质膜9。

对于1550纳米波长窄线宽脊波导边发射激光器，无源波导区3的长度可以大于1厘米，第二解理面镀4对以上的高折射率材料和低折射率材料以形成高反射介质膜9，每对材料的光学厚度可以为387.5纳米。

采用上述制备方法制备的窄线宽半导体激光器，无源波导区3的端面设置有高反射介质膜9，并且，深刻蚀光栅区2的光栅波导层7和空气构成的光栅结构可以实现较高的反射率，使得无源波导区3的两端均存在高反射特性，在DFB增益区1工作时，DFB增益区1发出的激光可以在无源波导区3往返振荡，从而使得深刻蚀光栅区2和无源波导区3构成FP滤波器，且该FP滤波器能够向DFB增益区1输出反馈信号，该反馈信号可以稳定DFB增益区1的激光波长，从而实现压缩激光器的线宽的目的，相比于现有技术，本发明实施例提供的技术方案中DFB增益区1的反馈信号由片上波导提供，无需耦合设备、外部空间光路和光学元件，降低了窄线宽激光器的制备难度和成本，且提高了其结构稳定性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种窄线宽半导体激光器，包括激光器腔体，其特征在于，还包括：

沿所述激光器腔体的长度方向依次排布的DFB增益区、深刻蚀光栅区和无源波导区；所述DFB增益区的端面为第一解理面，所述第一解理面上设置有高透射介质膜；

所述深刻蚀光栅区包括衬底和在所述衬底上由下至上依次生长的N型包层、光栅波导层和P型包层；所述深刻蚀光栅区包括多个光栅，多个所述光栅沿所述激光器腔体的长度方向间隔排布；

所述无源波导区包括所述衬底和在所述衬底上由下至上依次生长的所述N型包层、无源波导层和所述P型包层；所述无源波导区的端面为第二解理面，所述第二解理面上设置有高反射介质膜；所述深刻蚀光栅区的光栅波导层和空气构成的光栅结构能够实现高反射率，使得无源波导区的两端均存在高反射特性，在所述DFB增益区工作时，所述DFB增益区发出的激光能够在所述无源波导区往返振荡，从而使得所述深刻蚀光栅区和所述无源波导区构成FP滤波器，所述FP滤波器能够向所述DFB增益区输出反馈信号，所述反馈信号能够稳定所述DFB增益区的激光波长，从而实现压缩激光器的线宽的目的；

所述无源波导区的长度大于1厘米。

2.根据权利要求1所述的窄线宽半导体激光器，其特征在于，

所述DFB增益区包括所述衬底和在所述衬底上由下至上依次生长的所述N型包层、有源波导层、P型掩埋光栅层、所述P型包层和接触电极。

3.根据权利要求2所述的窄线宽半导体激光器，其特征在于，

所述光栅波导层的厚度大于或等于所述有源波导层的厚度；

所述光栅波导层的折射率与所述有源波导层的折射率一致。

4.根据权利要求2所述的窄线宽半导体激光器，其特征在于，

所述有源波导层包括多个量子阱，所述量子阱的数量为3-5个，所述量子阱的厚度小于或等于6纳米。

5.根据权利要求1所述的窄线宽半导体激光器，其特征在于，

所述DFB增益区的量子阱增益峰值比光栅布拉格大20-50纳米。

6.根据权利要求1所述的窄线宽半导体激光器，其特征在于，

所述光栅的刻蚀深度到达所述N型包层。

7.根据权利要求1所述的窄线宽半导体激光器，其特征在于，

所述光栅波导层和无源波导层的材料相同且为同一层。

8.一种如权利要求1所述的窄线宽半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括：

在衬底上依次外延生长N型包层、下波导层、量子阱有源区和上波导层，并制作掩埋光栅结构；

去除深刻蚀光栅区和无源波导区的所述下波导层、量子阱有源区和上波导层，并在所述深刻蚀光栅区和无源波导区外延生长光栅波导层和无源波导层；

在DFB增益区、深刻蚀光栅区和无源波导区外延生长P型包层；

对深刻蚀光栅区进行刻蚀，形成半导体-空气光栅结构；

在所述DFB增益区、深刻蚀光栅区和无源波导区沉积绝缘介质膜材料，再沉积P面电极金属材料；

对所述衬底进行减薄，并沉积N面电极金属材料，完成热处理和合金化；

以DFB增益区的端面和无源波导区的端面作为解理面进行解理以对应形成第一解理面和第二解理面，然后在所述第一解理面镀高透射介质膜，以及在所述第二解理面镀高反射介质膜。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述对深刻蚀光栅区进行刻蚀，形成半导体-空气光栅结构，包括：

利用光刻和干法刻蚀去除所述深刻蚀光栅区的部分区域的所述P型包层和光栅波导层，形成所述半导体-空气光栅结构。