CN115912056B

CN115912056B - 一种多渐变脊波导dfb激光器芯片

Info

Publication number: CN115912056B
Application number: CN202310126502.8A
Authority: CN
Inventors: 柯程; 鄢静舟; 薛婷; 季晓明; 王坤; 杨奕; 吴建忠
Original assignee: Fujian Huixin Laser Technology Co ltd
Current assignee: Fujian Huixin Laser Technology Co ltd
Priority date: 2023-02-17
Filing date: 2023-02-17
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2043-02-17
Also published as: CN115912056A

Abstract

本发明公开了一种多渐变脊波导的DFB激光器芯片，其在衬底上形成至少两个激光器腔；各激光器腔沿y方向的两端面分别为HR涂层解理面和AR涂层解理面；各激光器腔沿y方向刻蚀有一呈喇叭形的脊条，脊条的窄端位于HR涂层解理面，脊条的宽端位于AR涂层解理面，由此使得脊条的等效折射率沿y方向发生变化。相对于传统多激光器腔均匀宽度脊波导的DFB激光器芯片，本发明的单模测试成本更低。本发明的相邻两激光器腔内的起始光栅之间具有△L的相对位置差，使得两激光器腔的HR涂层解理面处于不同的光栅位置，由此确保至少有一个激光器腔的HR涂层解理面在光栅处的位置处于或接近所需范围，从而使该DFB激光器芯片具有较高的SMSR，单模良率可达到100%。

Description

一种多渐变脊波导DFB激光器芯片

技术领域

本发明涉及DFB激光器芯片技术领域，特别涉及一种多渐变脊波导DFB激光器芯片。

背景技术

分布反馈式（DFB）激光器芯片是实现高速光通讯的核心器件。不同于FP腔的反射镜面，该激光器主要依靠结构中的布拉格光栅为激光器腔内提供反馈。DFB激光器中的光栅分为增益型耦合光栅与折射率型耦合光栅。其中，折射率型耦合光栅DFB激光器将光栅刻蚀在临近有源层的透明波导层上，该光栅结构在实际发展过程中得到了广泛应用。

能否在单一的纵向模式下工作，以及是否具有较高的边模抑制率（SMSR）是DFB激光器的关键性能特征。Coldren等在“Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits.Optical Engineering” 中143至149页阐明，折射率型均匀光栅的DFB激光器在端面两边镀增透（AR）膜后，会存在两个简并的纵模，它们有着相同的最低增益。在激光器的两端面不对称镀膜时（即一端镀AR膜，一端镀高反（HR）膜），简并会被消除。然而，DFB激光器最终激射的波长取决于端面反射率和相位（即HR涂层解理面在光栅处的位置），端面相位的随机性致使均匀光栅DFB激光器的单模成品率很低。

DFB激光器芯片的制作需使用解理技术将晶圆解理成一定的谐振腔长度的芯片。通常由于工艺误差解理端面与理想位置相差最大可达到±5µm，这造成端面与光栅之间的相位具有随机性。DFB激光器也可以采用光刻技术来定义蚀刻面，但光刻系统的对准精度以及光栅与蚀刻面之间的角度偏差，不足以确定整个晶圆的端面与光栅之间的相位。

工业界生产的均匀光栅DFB半导体激光器，在其一端面镀AR膜，另一端面镀HR膜，单模良品率约66%。在光栅中心引入λ/4相移是实现单模激射的另外一种有效方式，其单模良品率理论可达100%。然而λ/4相移均匀光栅DFB半导体激光器面临着空间烧孔效应以及光功率浪费的问题。研究表明，在λ/4相移均匀光栅DFB半导体激光器一端面镀AR膜，另一端面镀HR膜，单模良品率可达80%左右。

综上，反射端面形成FP腔效应以及解理过程造成的反射端面相位的不确定，使得生产的芯片的激射模式与SMSR难以预见，从而大大降低了DFB芯片单模成品率。DFB半导体激光器在经过冗长的外延、光栅制作、二次外延、前/后道、解理和AR/HR镀膜工艺过程后，其单位芯片的价值是最高的，这时的单模良率损失如果能被避免，会大大提高DFB芯片的生产效率，降低生产成本。

发明内容

本发明提供一种多渐变脊波导DFB激光器芯片，其主要目的在于解决现有技术存在的问题。

本发明采用如下技术方案：

一种多渐变脊波导DFB激光器芯片，包括衬底；

所述衬底上方形成至少两个相互间隔设置的激光器腔，各激光器腔内均具有光栅层；

各所述激光器腔沿y方向的两端面分别为HR涂层解理面和AR涂层解理面；

各所述激光器腔沿y方向刻蚀有一呈喇叭形的脊条，脊条的窄端位于所述HR涂层解理面，脊条的宽端位于所述AR涂层解理面，由此使得脊条的等效折射率沿y方向发生变化。

进一步，所述脊条的窄端宽度为

，宽端宽度为 />

，并且/>

。

更进一步，所述脊条的窄端宽度

的取值范围为：/>

。

进一步，所述脊条为由窄端向宽端逐渐扩张的弧形渐变脊或锥形渐变脊。

进一步，各所述激光器腔沿y方向的长度相同，且相邻两激光器腔内的起始光栅之间具有△L的相对位置差，由此使得各激光器腔的HR涂层解理面处于不同的光栅位置。

更进一步，所述相对位置差的取值范围为：

，其中 />

为光栅的周期长度。

更进一步，所述激光器腔的数量为2个，两所述激光器腔之间的距离为S，其取值范围为：5μm≤S≤L_Wμm，其中L_W表示所述DFB激光器芯片的沿x方向的长度。

进一步，各所述激光器腔的外延结构由下自上依次包括缓冲层、第一阻挡层、第一分别限制层、量子阱有源区、第二分别限制层、第二阻挡层、第一间隔层、光栅层、第二间隔层和上包层，所述上包层被刻蚀成所述脊条，并且脊条上方覆盖有接触层。

更进一步，所述衬底为GaAs、GaN、InP或GaSb材料。

进一步，采用电子束光刻技术制作所述光栅层。

和现有技术相比，本发明产生的有益效果在于：

1、本发明的DFB激光器芯片具有至少两个相互间隔设置的激光器腔，各激光器腔均刻蚀有一呈喇叭形的脊条，并且脊条的窄端位于HR涂层解理面，脊条的宽端位于AR涂层解理面。由于喇叭形的脊条的等效折射率会沿腔长方向变化，渐变脊波导在HR涂层解理面的端面反射率相对于传统均匀宽度脊波导在HR涂层解理面的端面反射率存在π/2相移，单个渐变脊波导的激光器单模良率更高，因此本发明相较于传统多激光器腔均匀宽度脊波导的DFB激光器芯片具有较低的测试成本，经济效益更高。

2、本发明通过设置相邻两激光器腔内的起始光栅之间的相对位置差，使得两激光器腔的HR涂层解理面处于不同的光栅位置，由此使得相邻两激光器腔在HR涂层解理面的反射率存在相位差，从而确保至少有一个激光器腔的HR涂层解理面在光栅处的位置处于或接近所需范围，从而使该DFB激光器芯片具有较高的SMSR，使得单模成品率达到100%。

3、与采用折射率耦合型相移光栅解决双模工作的方式相比，本发明无需制作复杂的相移光栅；与采用增益或损耗耦合型光栅解决双模工作的方式相比，本发明无需制作性能可靠性较低且工艺步骤复杂的增益或损耗耦合型光栅；与采用无源Bragg光栅解决双模工作的方式相比，本发明不涉及有源与无源波导的单片集成工艺。可见，相较于现有技术，本发明具有器件可靠性高，生产工艺简单和制作成本低等优点。

附图说明

图1为本发明中多渐变脊波导的DFB激光器芯片的俯视图。

图2为本发明中多渐变脊波导的DFB激光器芯片的主视图。

图3为本发明中各激光器腔与光栅的位置关系示意图。

图中：1、DFB激光器芯片；10、第一激光器腔；11、第二激光器腔；12、第一脊条；13、第二脊条；14、第一接触电极；15、第二接触电极；16、第一HR涂层解理面；17、第一AR涂层解理面；18、第二HR涂层解理面；19、第二AR涂层解理面；20、衬底；21、缓冲层；22、第一阻挡层；23、第一分别限制层；24、量子阱有源区；25、第二分别限制层；26、第二阻挡层；27、第一间隔层；28、光栅层；29、第二间隔层；210、上包层；211、接触层。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的具体实施方式。为了全面理解本发明，下面描述到许多细节，但对于本领域技术人员来说，无需这些细节也可实现本发明。

如图1和图2所示，本实施例提供一种多渐变脊波导DFB激光器芯片1，包括衬底20和在衬底20上方形成的两个相互间隔设置的第一激光器腔10和第二激光器腔11，各激光器腔的外延结构由下自上依次包括缓冲层21、第一阻挡层22、第一分别限制层23、量子阱有源区24、第二分别限制层25、第二阻挡层26、第一间隔层27、光栅层28、第二间隔层29、上包层210和接触层211。

本实施例中各层的材料设计如下：

衬底20的厚度为0.32mm，材料为n-InP，掺杂原子为Si且掺杂浓度为3e¹⁸cm^-3；

缓冲层21的厚度 500nm，材料为n-InP，掺杂原子为Si且掺杂浓度为1e¹⁸cm^-3；

第一阻挡层22和第二阻挡层26的材料为In_0.52Al_0.48As，厚度为50nm；

第一分别限制层23和第二分别限制层25的材料为InAlGaAs，厚度均为100nm；

量子阱有源区24由8个阱层和9 个垒层交叉排列而成，每个阱层的材料为In_0.69Al_0.16Ga_0.15As，厚度为5.5nm，每个垒层的材料为In_0.52Al_0.35Ga_0.13As，厚度为9nm，激射波长为1310nm；

第一间隔层27和第二间隔层29的材料为InP，厚度为50nm；

光栅层28的材料为In_0.79Ga_0.21As_0.46P_0.54，厚度为30nm，光栅周期

为204.7nm；

上包层210，被刻蚀形成喇叭形的脊条，其材料为InP，脊高为2μm；

接触层211的材料为In_0.53Ga_0.47As，厚度为200nm。

如图1和图2所示，第一激光器腔10沿y方向的两端面分别为第一HR涂层解理面16和第一AR涂层解理面17；第二激光器腔11沿y方向的两端面分别为第二HR涂层解理面18和第二AR涂层解理面19。

如图1至图3所示，第一激光器腔10沿y方向刻蚀有第一脊条12，第二激光器腔11沿y方向刻蚀有第二脊条13，第一脊12条表面设有第一接触电极14，第二脊条13表面设有第二接触电极15。

如图1至图3所示，本发明的主要创新点在于：第一脊条12和第二脊条13均呈喇叭形，并且第一脊条12和第二脊条13的窄端分别位于第一HR涂层解理面16和第二HR涂层解理面18，第一脊条12和第二脊条13的宽端分别位于第一AR涂层解理面17和第二AR涂层解理面19；第一激光器腔10和第二激光器腔11沿y方向的长度相同，且两激光器腔内的起始光栅之间具有△L的相对位置差。

如图1和图2所示，基于上述创新点，本实施例的相关设计参数为：

1、DFB激光器芯片的尺寸（L_W×L_H）为250μm×250μm，其所配置的第一脊条12和第二脊条13沿y方向的长度L（即第一激光器腔10和第二激光器腔11的沿y方向的长度）皆为250μm；第一激光器腔10和第二激光器腔11之间的距离S为20μm。

2、本发明的第一发明构思在于通过配置呈喇叭形的第一脊条12和第二脊条13，使得第一激光器腔10和第二激光器腔11的等效折射率沿y方向发生变化，形成类似啁啾光栅的效果，同时光场限制因子沿y方向也是变化的，这样达到了模式增益沿y方向变化的效果，消除了DFB激光器芯片存在的双模简并的现象，从而使该DFB激光器芯片各激光器腔具有较高的SMSR与单模良率。假设本实施例所提供单个渐变脊波导DFB激光器的单模良率为80%，单个传统均匀宽度脊波导的DFB激光器的单模良率为60%。对所有芯片的第一激光器腔进行单模良率测试，第一渐变脊波导DFB激光器腔的单模良率为80%，而第一传统脊波导DFB激光器腔的单模良率为60%；再对第一激光器腔未能单模激射的芯片进行第二激光器腔单模良率测试，第二渐变脊波导DFB激光器腔的抽测样品数为总芯片数的20%，而第二传统脊波导DFB激光器腔的抽测样品数则达到了总芯片数的40%。可见，相对于传统脊波导DFB多激光器腔芯片，本实施例在单模良率测试方面具有较低的测试成本，经济效益更高。

为了提高生产效率，节约设计成本，本实施例设定第一脊条12和第二脊条13的窄端宽度均为

，宽端宽度均为/>

。经过反复试验发现，当/>

时，能够确保两激光器腔的在HR涂层解理面的反射率较传统均匀宽度脊波导DFB激光器在HR涂层解理面的反射率存在π/2相移。而为了确保各脊条的结构设计合理可靠，脊条的窄端宽度/>

的取值应满足：/>

。优选地，本实施中第一脊条12和第二脊条13的窄端宽度

=1μm，宽端宽度/>

=2μm。

3、本发明的第二发明构思在于通过设置两激光器腔内的起始光栅之间的相对位置差，使得两激光器腔的HR涂层解理面处于不同的光栅位置，由此确保至少有一个激光器腔的HR涂层解理面在光栅处的位置处于或接近所需范围，从而使该DFB激光器芯片具有较高的SMSR。第一激光器腔10在第一HR涂层解理面16的反射率相较于第二激光器腔11在第二HR涂层解理面18的反射率存在相位差。基于此，当两个激光器腔中的任意一个工作在双模状态时，另一个因为存在相对相移差，可脱离双模工作的相位区域，而必然处于单纵模运转。

具体地，由于第一激光器腔10与第二激光器腔11具有相同的腔长，因此两激光器腔内的起始光栅之间的相对位置差会导致第一HR涂层解理面18与第二激光器腔HR涂层解理面19所处的光栅位置存在差异，即相位差，相位差的计算公式为：

经试验表明，为了使相邻激光器腔之间的SMSR具有显著差异，至少需要30°的相位差，最好的相位差为90°，而为了获取理想的相位差，必须控制相邻两激光器腔内的起始光栅的相对位置差的取值范围为：

。

本实施例中第一激光器腔10和第二激光器腔11内起始光栅的相对位置差△L优选为50nm。经过公式（1）计算可知，对于△L=50nm的DFB激光器芯片，两个激光器腔的HR涂层解理面所处的光栅位置具有87.9°的相位差。由于不同的端面相位会使得激光器腔的SMSR等性能产生明显的差异，因此总有一个激光器腔的SMSR等性能可以满足指标要求，以便在封装时选择性能更优越的DFB 激光器进行封装，从而进一步提高了DFB 激光器芯片的单模成品率。

优选地，本实施例通过具有高精度的电子光刻技术制作光栅层28，从而确保实现第一激光器腔10与第二激光器腔11内光栅之间的相对位置差。

如图1和图2所示，本发明所提供的DFB激光器芯片的工作过程描述如下：电流首先分别从第一接触电极14和第二接触电极15注入，然后分别检测第一激光器腔12和第二激光器腔13在第一AR涂层解理面17和第二AR涂层解理面19处输出的光谱。当其中一个激光器腔出现双模工作时，另一激光器腔必然为单纵模工作。之后，将能够产生单纵模工作的激光器腔上的电极确定为最终工作电极，完成在实际工作时对该激光器芯片的电流注入。

经过实践表明，采用本实施例的发明构思所生产的DFB激光器芯片能够确保两激光器腔中的其中一激光器腔实现单纵模工作，由此改善芯片单模良率，达到在批量管芯制作时提高单纵模成品率的目的，有效避免了经过外延、光栅制作、二次外延、前/后道、解理和AR/HR镀膜工艺后的单模良品率损失，大大提高了DFB芯片的生产效率，降低了生产成本。

需要说明的是，本实施例所提供的外延结构并不作为唯一的结构限定，应用时还可根据实际需求进行合理设计，例如衬底可以为GaAs、GaN、InP或GaSb材料；有源区增益结构可以为单量子阱、多量子阱、隧道结级联量子阱、量子级联或量子点；光栅层28可以为同等掺杂水平的条纹光栅或者不同掺杂水平的折射率渐变光栅，可以为无掩埋、半导体掩埋或者金属掩埋结构。此外，本实施中第一脊条12和第二脊条13均为由窄端向宽端逐渐扩张的锥形渐变脊，在实际应用中，还可设计为由窄端向宽端逐渐扩张的弧形渐变脊。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此。凡是利用本发明的设计构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims

1.一种多渐变脊波导DFB激光器芯片，其特征在于：

包括衬底；

所述衬底上方形成至少两个相互间隔设置的激光器腔，各激光器腔内均具有光栅层，并且所述光栅层采用电子束光刻技术制作；各所述激光器腔沿y方向的两端面分别为HR涂层解理面和AR涂层解理面；各所述激光器腔沿y方向刻蚀有一呈喇叭形的脊条，脊条的窄端位于所述HR涂层解理面，脊条的宽端位于所述AR涂层解理面，由此使得脊条的等效折射率沿y方向发生变化；

各所述激光器腔沿y方向的长度相同，且相邻两激光器腔内的起始光栅之间具有△L的相对位置差，由此使得各激光器腔的HR涂层解理面处于不同的光栅位置。

2.如权利要求1所述的一种多渐变脊波导DFB激光器芯片，其特征在于：所述脊条的窄端宽度为