CN115939932B - 一种高单模良率弯波导dfb激光器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高单模良率弯波导DFB激光器芯片，涉及DFB激光器芯片技术领域，包括激光器腔，该激光器腔沿y方向的两端面分别为AR涂层解理面和HR涂层解理面；激光器腔具有包含光栅层的波导，波导包括依次连接的第一直波导、第一弯波导、可调直波导、第二弯波导和第二直波导；第一弯波导和第二弯波导均为平滑曲线，且其首尾两端的切线均与y方向平行；可调直波导沿y方向的长度H的取值范围为：

。本发明突破性地采用五段式波导结构，从而使得波导在HR涂层解理面的端面反射率相对于传统直条形波导在HR涂层解理面的端面反射率具有π/2的相位差，由此改善芯片单模良率，大大提高了DFB芯片的生产效率，降低了生产成本。

Description

一种高单模良率弯波导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，特别涉及一种高单模良率弯波导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。

申请号为202080091699.0的中国专利公开了一种带有成角度的中心波导部分的DFB激光器，该方案中的波导结构采用第一直波导+偏折波导+第二直波导的三段式偏折波导结构，由此可以提高产率，选择性地有助于优选的激光波长并减少模式跳跃。然而经过实践后发现，该方案中三段式波导结构的滤波性能一般，并且处于中段的偏折波导存在的损耗较大，会影响芯片的整体性能。

发明内容

本发明提供一种高单模良率弯波导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：

一种高单模良率弯波导DFB激光器芯片，包括形成于衬底上方的激光器腔，所述激光器腔沿y方向的两端面分别为AR涂层解理面和HR涂层解理面；所述激光器腔具有包含光栅层的波导，所述波导包括依次连接的第一直波导、第一弯波导、可调直波导、第二弯波导和第二直波导；所述第一弯波导和第二弯波导均为平滑曲线波导，且第一弯波导和第二弯波导的首尾两端的切线均与y方向平行；所述可调直波导沿y方向的长度H的取值范围为： ，其中L表示所述波导的沿y方向的长度。

进一步，所述第一弯波导和第二弯波导的设计参数的计算公式为：

其中：表示光栅的周期长度；和 分别表示第一弯波导和第二弯波导沿x方向的相对弯折角度； 和 分别表示第一弯波导和第二弯波导沿y方向的有效长度。

进一步，所述第一弯波导和第二弯波导均可沿x方向的正方向或反方向弯折，且所述第一弯波导的相对弯折角度 的取值范围为：5°＜ ＜30°，所述第二弯波导的相对弯折角度 的取值范围为：5°＜ ＜30°。

进一步，所述第一直波导、第一弯波导、可调直波导、第二弯波导和第二直波导沿x方向的宽度均为W，且W的取值范围为0.8μm＜W＜3μm。

进一步，所述激光器腔的外延结构为脊波导结构，其由下至上依次包括n-InP缓冲层、下限制层、量子阱层、上限制层、光栅层和接触层；所述波导由所述接触层刻蚀至所述上限制层。

更进一步，采用全息曝光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、本发明突破性地采用“第一直波导+第一弯波导+可调直波导+第二弯波导+第二直波导”的五段式波导结构，从而使得波导在HR涂层解理面的端面反射率相对于传统直条形波导在HR涂层解理面的端面反射率具有π/2的相位差，由此提高芯片的单模良率。五段式波导结构相较于现有技术中的三段式偏折波导结构具有更好的滤波性能和更大的设计容差，并且整体损耗较低，有助于提高芯片性能，实用性更强。

2、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。

3、在光栅制作方面，本发明采用全息曝光光刻进行光栅制作，与电子束光刻相比，全息曝光光刻具有制造周期短、易制成大面积和成本低廉等优势。

附图说明

图1为本发明中具体实施例的DFB激光器芯片的俯视图。

图2为本发明中另一实施例的DFB激光器芯片的俯视图。

图3为本发明中具体实施例的相对弯折角度的示意图。

图4为本发明中具体实施例的DFB激光器芯片外延结构的左视图。

图5为本发明中具体实施例的DFB激光器芯片外延结构的主视图。

图中：11、激光器腔； 12、波导 ；121、第一直波导；122、第一弯波导；123、可调直波导；124、第二弯波导；125、第二直波导；13、接触电极；14、AR涂层解理面； 15、HR涂层解理面； 21、n-InP衬底；22、n-InP缓冲层；23、下限制层；24、量子阱层；25、上限制层；26、光栅层；27、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，本发明提供一种高单模良率弯波导DFB激光器芯片，包括形成于衬底上方的激光器腔11，激光器腔11沿y方向的两端面分别为AR涂层解理面14和HR涂层解理面15；激光器腔11具有包含光栅层的波导12，波导12包括依次连接的第一直波导121、第一弯波导122、可调直波导123、第二弯波导124和第二直波导125。

如图1和图2所示，本发明的主要发明构思在于通过改变波导的形状，使得光栅的有效折射率发生变化，从而使得波导12在HR涂层解理面15的端面反射率相对于传统直条形波导在HR涂层解理面15的端面反射率具有π/2的相位差，即π的双程相位差，由此实现单模良率最高。因此，本发明提出了“第一直波导121+第一弯波导122+可调直波导123+第二弯波导124+第二直波导125”的五段式波导结构设计，其中：第一弯波导122和第二弯波导124的作用在于使得该波导区域形成不同的光栅周期，由此制造一个等效的四分之一相移区，利用等效相移区便可提高芯片的单模良率；可调直波导123的作用在于调整第一弯波导122和第二弯波导124的位置，从而确认最优等效相移区的位置；第一直波导121和第二直波导125的作用在于锁定第一弯波导122和第二弯波导124所确认的最优等效相移区的位置，并同时将波导12的首末两端分别调整为垂直于AR涂层解理面14和HR涂层解理面15的直波导，从而确保镀膜后激光器两个镜面相互平行。

如图1和图2所示，相较于现有技术中的三段式偏折直波导，五段式波导结构具有更好的滤波作用，但是同样面临着损耗较大的问题，因此本发明将第一弯波导122和第二弯波导124的外形轮廓均设计为平滑曲线结构，并且第一弯波导122和第二弯波导124的首尾两端的切线均与y方向平行。单个平滑曲线波导的损耗比单个偏折直波导的损耗小很多，因此可提供更好的性能，从而充分降低五段式波导结构的整体损耗。

如图3所示，设第一弯波导122和第二弯波导124沿y方向的有效长度分别为 和，第一弯波导122的头端和尾端之间的水平距离为A，第二弯波导124的头端和尾端之间的水平距离为B，那么根据三角函数关系可知，,。为了后续提供合理准确的设计参数，将定义为第一弯波导122沿x方向的相对弯折角度，将 定义为第二弯波导124沿x方向的相对弯折角度。需要说明的是，第一弯波导122和第二弯波导124均可沿x方向的正方向或反方向弯折，但是不管沿x的正方向或反方向发生弯折，相对弯折角度 的取值均取夹角的绝对值。

如图1至图3所示，基于上述提及的π/2的相位差的设计初衷，第一弯波导122和第二弯波导124沿y方向的有效长度 和在设计时应满足以下条件：

其中：表示光栅的周期长度，；表示器件的发射波长；表示光栅有效折射率指数；和分别表示第一弯波导122和第二弯波导124所对应的有效光栅周期长度。

如图1至图3所示，器件发出的光在相对弯折角度为 的第一弯波导122中传播时，第一弯波导122所对应的有效光栅周期长度的计算公式为：

器件发出的光在相对弯折角度为的第二弯波导124中传播时，第二弯波导124所对应的有效光栅周期长度的计算公式为：

联立公式（1）、（2）和（3）可得：

因此，在设计第一弯波导122和第二弯波导124时，只需要依据公式（4）进行模拟仿真试验，便可得到第一弯波导122和第二弯波导124最优的有效长度和相对弯折角度。

为了确保波导12的结构设计合理可靠，经反复试验后，可得出以下规律：第一弯波导122沿x方向的相对弯折角度 的取值范围为：5°＜＜30°，第二弯波导124沿x方向的相对弯折角度的取值范围也为：5°＜＜30°。

第一弯波导122和第二弯波导124的位置可通过可调直波导123自由调节，具体来说是通过可调直波导123的长度，从而调整第一弯波导122和第二弯波导124的位置，进而调整等效相移区的位置。经过反复试验后，可得到以下设计规律：调节可调直波导123沿y方向的长度H的取值范围为： ，其中L表示波导12的沿y方向的长度。基于该设计规律，可确保第一弯波导122和第二弯波导124处于较佳的位置。图1为本发明关于可调直波导123的一个实施例，其所展示的可调直波导123的长度H=0.1L；图2为本发明关于可调直波导123的另一个实施例，其所展示的可调直波导123的长度H=0.6L。

如图1和图2所示，第一直波导、第一弯波导、可调直波导、第二弯波导和第二直波导沿x方向的宽度（即脊宽）均为W，且W的取值范围为0.8μm＜W＜3μm。经过试验对比发现，现有技术中的三段式偏折直波导的脊宽设计范围为0.8μm-2.5μ，而在相同的容差下，本发明所提供的五段式波导结构的脊宽设计范围可以由0.8μm-2.5μm可增至0.8μm-3μm。可见，本发明具有更大的设计容差，适用性更强。

在图1和图2所示的两个实施例中，本发明所提供的DFB激光器芯片的尺寸（L_W×L_H）为200μm×250μm，其所配置的波导12沿y方向的长度L（即激光器腔11的沿y方向的长度）为250μm；波导12沿x方向的宽度W为1.6μm。

如图4和图5所示，作为优选方案：该DFB激光器芯片的外延结构包括n-InP衬底21和在n-InP衬底21上方形成的激光器腔11，该激光器腔11的外延结构为脊波导结构，其由下至上依次包括n-InP缓冲层22、下限制层23、量子阱层24、上限制层25、光栅层26和接触层27。该波导12由接触层27刻蚀至上限制层25，并且波导12表面设有接触电极13。该优选方案中各层的材料设计如下：

n-InP衬底21的厚度为350μm，掺杂原子为Si且掺杂浓度为3e¹⁸cm^-3；

n-InP缓冲层22的厚度为400nm，掺杂原子为Si且掺杂浓度为1e¹⁸cm^-3；

下限制23由下至上为未掺杂的带隙波长为1050nm的InGaAsP、未掺杂的带隙波长为1100nm的InGaAsP、未掺杂的带隙波长为1150nm的 InGaAsP和未掺杂的带隙波长为1200nm的InGaAsP，每一层的厚度均为50nm；

量子阱层24为6对阱层为1%压应变的InGaAsP、垒层为2%张应变的InGaAsP量子阱，激射波长为1310nm；

上限制层25由下至上为未掺杂带隙波长为1200nm的InGaAsP、未掺杂带隙波长为1150nm的InGaAsP、未掺杂带隙波长为1100nm的 InGaAsP和未掺杂带隙波长为1050nm的InGaAsP，每一层的厚度为37nm；

光栅层26为InP掩埋的未掺杂带隙波长为1200nm InGaAsP光栅层，该光栅层26为周期长度=204.7nm的均匀光栅，光栅层26可对激光器纵模进行选择，实现激光器的单纵模输出；在实际生产中，可采用全息曝光光刻、纳米压印或电子束光刻等进行均匀光栅制作，本实施例优选为全息曝光光刻技术，与电子束光刻相比，全息曝光光刻具有制造周期短、易制成大面积和成本低廉等优势；

接触层27为InGaAs，接触层27直接与电极层连接，电极层的材料可以为导电金属。

需要说明的是，本发明的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26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。

经过实践表明，采用本实施例的发明构思所生产的DFB激光器芯片能够有效改善芯片单模良率，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。

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 (5)

1.一种高单模良率弯波导DFB激光器芯片，其特征在于：包括形成于衬底上方的激光器腔，所述激光器腔沿y方向的两端面分别为AR涂层解理面和HR涂层解理面；所述激光器腔具有包含光栅层的波导，所述波导包括依次连接的第一直波导、第一弯波导、可调直波导、第二弯波导和第二直波导；所述第一弯波导和第二弯波导均为平滑曲线波导，且第一弯波导和第二弯波导的首尾两端的切线均与y方向平行；所述可调直波导沿y方向的长度H的取值范围为： ，其中L表示所述波导的沿y方向的长度；所述第一弯波导和第二弯波导的设计参数的计算公式为：

其中：表示光栅的周期长度；和分别表示第一弯波导和第二弯波导沿x方向的相对弯折角度；和分别表示第一弯波导和第二弯波导沿y方向的有效长度。

2.如权利要求1所述的一种高单模良率弯波导DFB激光器芯片，其特征在于：所述第一弯波导和第二弯波导均可沿x方向的正方向或反方向弯折，且所述第一弯波导的相对弯折角度的取值范围为：5°＜＜30°，所述第二弯波导的相对弯折角度的取值范围为：5°＜＜30°。

3.如权利要求1所述的一种高单模良率弯波导DFB激光器芯片，其特征在于：所述第一直波导、第一弯波导、可调直波导、第二弯波导和第二直波导沿x方向的宽度均为W，且W的取值范围为0.8μm＜W＜3μm。

4.如权利要求1所述的一种高单模良率弯波导DFB激光器芯片，其特征在于：所述激光器腔的外延结构为脊波导结构，其由下至上依次包括n-InP缓冲层、下限制层、量子阱层、上限制层、光栅层和接触层；所述波导由所述接触层刻蚀至所述上限制层。

5.如权利要求1或4所述的一种高单模良率弯波导DFB激光器芯片，其特征在于：采用全息曝光光刻技术制作所述光栅层。

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