CN116111444B - 激光器和激光器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种激光器和激光器的制备方法，其中本激光器包括了衬底和共用一个衬底的光栅波导结构、无源波导结构和DFB激光器结构，在使用过程中，激光器加正向电压激射产生激光，激光的一部分从光栅波导结构中进入无源波导结构中，无源波导结构的FP腔两端都为高反射率，FP腔除了能提升腔长，还会给DFB结构一个负反馈稳定激光器的波长，进而压缩了线宽。光在无源波导结构几乎没有损耗。本申请实施例提供的激光器真正实现了激光器和FP反馈腔的高效耦合，并且其可给FP腔无法镀膜的一个端面提供高反射率，提升了FP腔的反馈作用。

Description

激光器和激光器的制备方法

技术领域

本申请实施例涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种激光器和激光器的制备方法。

背景技术

在光通信领域，窄线宽半导体激光器在相干光通信和波分复用系统中扮演着重要的角色，长距离传输的应用需求要求激光器工作在光纤传输损耗最低的C波段，需要通讯系统能实现更低的传输时延、相位抖动以及误码率。限制系统误码率与相位抖动性能的主要原因之一便是信号光的线宽、噪声以及偏振稳定性。

在车载激光雷达领域中，传统的高精度雷达技术,如微波雷达、毫米波雷达等，因其探测精度低、体积及重量大，不适用于智能汽车搭载，而作为全固态激光雷达的理想光源，窄线宽半导体激光器具有分辨率高、抗有源干扰能力强、体积小、重量轻、成本低等优势,可满足未来智能汽车对高精度探测技术的需求。此外，窄线宽激光器在光学传感，光学测量以及卫星通信等领域也有诸多应用。

根据朗之万噪声理论，可以推导得出适用于半导体激光器的修正的肖洛-唐斯方程，其本征线宽与激光器的自发辐射系数，光限制因子以及线宽展宽因子成正相关，而和谐振腔内的光子密度，光子寿命呈负相关。因此在设计窄线宽半导体激光器时，首先要考虑降低半导体激光器的线宽展宽因子并抑制激光器的自发辐射，这需要提高材料的微分增益系数；此外，提高光子密度需要提升激光器的光功率输出，这意味着半导体激光器的有源部分需要有很高的增益与低损耗吸收。这两方面的考量需要设计出高微分增益与饱和增益的芯片结构；由于激光器光子寿命与谐振腔长成正比，因此窄线宽激光器需要很长的谐振腔。

基于上述原理，传统技术主要采取以下两种途径设计窄线宽半导体激光器：

内腔光反馈法(在谐振腔中集成频率选择的结构)：主要以DFB激光器和DBR激光器为基础设计，但是这一类窄线宽激光器需要对光栅和外延结构进行复杂的设计，其制作工艺复杂需要多次外延以及高精度设备；此外，掺杂的波导结构特别是在P型掺杂区域和多量子阱结构对光场吸收较强，如果单纯增加腔长会导致损耗急剧增加，反而会使激光器的输出功率降低，阈值电流增加，这一缺陷限制了内腔半导体激光器本身的线宽。

外腔光反馈法(在光腔外部耦合具有选模功能的器件)：外腔光反馈法窄线宽半导体激光器是指通过在光腔外设置光学元件如光纤光栅波导结构，法布里-珀罗滤波器等对增益芯片发出的光进行选频、反馈，从而实现线宽的压缩。这类激光器优点是没有内部光栅的损耗，激光器性能优异，理论线宽很窄，但是对外部工作环境需求较高，各种温湿度以及振动等都会影响激光器性能；其对光学元件耦合光路要求也较高，需要各光学元件精确对准，对封装工艺要求很高。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的第一方面提供了一种激光器。

本发明的第二方面提供了一种激光器的制备方法。

有鉴于此，根据本申请实施例的第一方面提出了一种激光器，包括：

衬底；

光栅波导结构，设置在所述衬底上；

无源波导结构，设置在所述衬底上，位于所述光栅波导结构的一侧；

DFB结构，设置在所述衬底上，位于所述光栅波导结构的另一侧。

在一种可行的实施方式中，所述光栅波导结构包括：

至衬底向上依次设置的第一氧化硅包层、多晶硅光栅层、氮化硅光栅覆盖层和第二氧化硅包层；

其中，所述多晶硅光栅层的折射率大于所述第一氧化硅包层和所述第二氧化硅包层，所述氮化硅光栅覆盖层的折射率大于所述第一氧化硅包层和所述第二氧化硅包层，且所述氮化硅光栅覆盖层的折射率小于所述多晶硅光栅层的折射率。

在一种可行的实施方式中，所述多晶硅光栅层上形成有多个第一凸部，所述氮化硅光栅覆盖层上形成有多个第二凸部，所述第二凸部位于相邻的两个第一凸部之间；

其中，第一凸部与第二凸部的高度相同，宽度不同，第一凸部与第二凸部的宽度满足如下公式：

d＝(2m+1)λ/4n

其中，d为第一凸部和第二凸部的宽度，n为每层材料折射率，m为正整数λ为激光器的激射波长。

在一种可行的实施方式中，所述无源波导结构包括：

至衬底向上依次设置的下包层、波导层和上包层；

其中，所述下包层、波导层和上包层中并未掺杂。

在一种可行的实施方式中，所述DFB结构包括：

至衬底向上依次设置的缓冲层、下限制层、多量子阱层、上限制层、电子阻挡层、间隔层、腐蚀停止层、间隔层、光栅、光栅覆盖层、保护层和欧姆接触层；

其中，所述第一限制层的厚度为200nm至500nm，所述第二限制层的厚度为80nm至120nm，所述电子阻挡层的厚度为20nm至50nm。

在一种可行的实施方式中，激光器还包括：

第一电极层，覆盖在所述DFB结构上；

第二电极层，覆盖在所述衬底背离于所述光栅波导结构、所述无源波导结构和所述DFB结构的一侧；

其中，所述衬底为InP衬底。

根据本申请实施例的第二方面提出了一种激光器的制备方法，用于制备上述任一技术方案所述的激光器，所述制备方法包括：

在衬底上制备光栅波导结构；

在所述衬底上，且位于所述光栅波导结构的一侧制备无源波导结构；

在所述衬底上，且位于所述光栅波导结构的另一侧制备DFB结构。

在一种可行的实施方式中，所述在衬底上制备光栅波导结构的步骤包括：

在所述衬底上生长第一氧化硅膜和多晶硅薄膜；

刻蚀所述多晶硅薄膜，以形成多晶硅光栅层；

在所述多晶硅光栅层上沉积氮化硅，以形成氮化硅层；

在所述氮化硅光栅覆盖层上沉积第二氧化硅膜；

对所述第一氧化硅膜、所述多晶硅光栅层、所述氮化硅层和所述第二氧化硅膜进行刻蚀，以在所述衬底上形成所述光栅波导结构。

在一种可行的实施方式中，所述在所述衬底上，且位于所述光栅波导结构的一侧制备无源波导结构的步骤包括：

遮挡所述光栅波导结构和部分所述衬底；

在所述衬底上，且位于所述光栅波导结构的一侧依次生长下包层，波导层和上包层；

其中，所述下包层和所述上包层的制备材料包括InP材料，所述波导层的制备材料包括InGaAsP和/或AlGaInAs材料；

其中，用于制备波导层的材料的带隙大于用于制备DFB结构的多量子阱层的材料的带隙。

在一种可行的实施方式中，所述在所述衬底上，且位于所述光栅波导结构的另一侧制备DFB结构的步骤包括：

遮挡所述光栅波导结构和所述无源波导结构；

在所述衬底上，且位于所述光栅波导结构的另一侧生长掺杂InP的缓冲层；

在所述缓冲层上生长N型光限制层，以形成第一限制层；

在所述第一限制层上生长多量子阱层；

在所述多量子阱层上生长本征的第二限制层；

在所述第二限制层上生长P型电子阻挡层；

在所述P型电子阻挡层上生长第一InP间隔层，并在所述InP间隔层上形成腐蚀停止层，而后在所述腐蚀停止层上生长第二InP间隔层；

在所述第二InP间隔层上制备光栅；

在所述光栅上生长参杂浓度逐渐提高的光栅覆盖层；

在所述光栅覆盖层上依次制备cladding层和欧姆接触层；

所述制备方法还包括：

在所述DFB结构上形成第一电极，在所述衬底背离于所述光栅波导结构、所述无源波导结构和所述DFB结构的一侧形成第二电极。

相比现有技术，本发明至少包括以下有益效果：通过本申请实施例提供的激光器包括了衬底和共用一个衬底的光栅波导结构、无源波导结构和DFB结构，在使用过程中，激光器加正向电压激射产生激光，激光的一部分从光栅波导结构中进入无源波导结构中，无源波导结构的FP腔两端都为高反射率，FP腔除了能提升腔长，还会给DFB结构一个负反馈稳定激光器的波长，进而压缩了线宽。光在无源波导结构几乎没有损耗。通过光栅波导结构的设置，一方面能够将激光器的光高效耦合进无源波导结构，同时也能够给无源波导结构的FP腔无法镀膜的一个端面提供高反射率，使得FP腔的反射率可以在70％以上能够能很好地起到压缩线宽的作用，基于此本申请实施例提供的激光器，能够结合外腔光反馈法和内腔光反馈法的优点，将大功率DFB激光器，FP反馈腔以及光栅波导结构单片集成构成一个高性能窄线宽激光器，使得激光器同时具有外腔光反馈法和内腔光反馈法的优点，单片集成不需要多个光学元件耦合，并且反馈腔和激光器可以独立设计，谐振腔腔长不受DFB激光器的内部损耗限制。此外，通过设置光栅波导结构真正实现了激光器和FP反馈腔的高效耦合，并且其可给FP腔无法镀膜的一个端面提供高反射率，提升了FP腔的反馈作用。

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，而并不认为是对本申请的限制。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为本申请提供的一种实施例的激光器的示意性结构图；

图2为本申请提供的一种实施例的激光器的制备方法的示意性步骤流程图；

图3为本申请提供的一种实施例的激光器的制备方法的制备光栅波导结构的第一状态的示意性图；

图4为本申请提供的一种实施例的激光器的制备方法的制备光栅波导结构的第二状态的示意性图；

图5为本申请提供的一种实施例的激光器的制备方法的制备光栅波导结构的第三状态的示意性图；

图6为本申请提供的一种实施例的激光器的制备方法的制备光栅波导结构的第四状态的示意性图；

图7为本申请提供的一种实施例的激光器的制备方法的制备光栅波导结构的第五状态的示意性图；

图8为本申请提供的一种实施例的激光器的制备方法的制备无源波导结构的示意性图；

图9为本申请提供的一种实施例的激光器的制备方法的制备DFB结构的示意性图；

图10为本申请提供的一种实施例的激光器的制备方法的芯片工艺流程的步骤图

图11为本申请提供的一种实施例的激光器的多层膜反射率曲线的示意图。

其中，图1和图2至图9中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

110衬底、120光栅波导结构、130无源波导结构、140DFB结构、150第一电极层、160第二电极层；

121第一氧化硅包层、122多晶硅光栅层、123氮化硅光栅覆盖层、124第二氧化硅包层；

131下包层、132波导层、133上包层；

141缓冲层、142第一限制层、143多量子阱层、144第二限制层、145电子阻挡层、146光栅、147包层、148欧姆接触层、腐蚀停止层149。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请实施例的技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请实施例技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

如图1、图2至图9所示，根据本申请实施例的第一方面提出了一种激光器，包括：衬底110；光栅波导结构120，设置在衬底110上；无源波导结构130，设置在衬底110上，位于光栅波导结构120的一侧；DFB结构140，设置在衬底110上，位于光栅波导结构120的另一侧。

通过本申请实施例提供的激光器包括了衬底110和共用一个衬底110的光栅波导结构120、无源波导结构130和DFB结构140，在使用过程中，激光器加正向电压激射产生激光，激光的一部分从光栅波导结构120中进入无源波导结构130中，无源波导结构130的FP腔两端都为高反射率，FP腔除了能提升腔长，还会给DFB结构140一个负反馈稳定激光器的波长，进而压缩了线宽。

光在无源波导结构130几乎没有损耗。通过光栅波导结构120的设置，一方面能够将激光器的光高效耦合进无源波导结构130，同时也能够给无源波导结构130的FP腔无法镀膜的一个端面提供高反射率，使得FP腔的反射率可以在70％以上能够能很好地起到压缩线宽的作用。

本申请实施例提供的激光器，能够结合外腔光反馈法和内腔光反馈法的优点，将大功率DFB激光器，FP反馈腔以及光栅波导结构120单片集成构成一个高性能窄线宽激光器，使得激光器同时具有外腔光反馈法和内腔光反馈法的优点，单片集成不需要多个光学元件耦合，并且反馈腔和激光器可以独立设计，谐振腔腔长不受DFB激光器的内部损耗限制。此外，通过设置光栅波导结构120真正实现了激光器和FP反馈腔的高效耦合，并且其可给FP腔无法镀膜的一个端面提供高反射率，提升了FP腔的反馈作用。

如图1、图2至图9所示，在一种可行的实施方式中，光栅波导结构120包括：至衬底110向上依次设置的第一氧化硅包层121、多晶硅光栅层122、氮化硅光栅覆盖层123和第二氧化硅包层124；其中，多晶硅光栅层122的折射率大于第一氧化硅包层121和第二氧化硅包层124，氮化硅光栅覆盖层123的折射率大于第一氧化硅包层121和第二氧化硅包层124，且氮化硅光栅覆盖层123的折射率小于多晶硅光栅层122的折射率。

在该技术方案中，进一步提供了光栅波导结构120的结构组成，该光栅波导结构120包括4层结构，自下而上依次为低折射率的第一氧化硅包层121，高折射率的多晶硅光栅层122，高折射率的氮化硅光栅覆盖层123，低折射率的第二氧化硅包层124；第一氧化硅包层121和第二氧化硅包层124折射率可以为1.44，多晶硅光栅层122的折射率为3.48，氮化硅光栅覆盖层123的折射率为2.0，这样形成了一个平板波导的结构，使得光栅波导结构120一方面能够将激光器的光高效耦合进无源波导结构130，同时也能够给无源波导结构130的FP腔无法镀膜的一个端面提供高反射率，使得FP腔的反射率可以在70％以上能够能很好地起到压缩线宽的作用。

可以理解的是，光栅波导结构120的作用在于，一方面实现波导结构将DFB激光器的光耦合进FP腔；另一方面，实现控制FP腔折射率的作用。

光栅波导结构120的原理为光从高折射率的材料入射到低折射率的材料时当入射角超过某个角度折射光的光强为零即全反射现象，从表现上看光会倾向于在高折射率的材料中传播，对于本发明，多晶硅和氮化硅形成的光栅结构的折射率大于氧化硅包层的折射率，因此光会在光栅中传播到FP腔的波导结构中，因此DFB激光器发出的光都在波导中传播损耗很小；如果没有该结构DFB激光器的光由于衍射效应会有一个发散角(类似于手电筒的光)传播一段距离到达FP腔只有很小一部分能够耦合进(进入)FP腔进行反馈；

在一种可行的实施方式中，多晶硅光栅层122上通过刻蚀形成光栅结构，接着沉积上氮化硅光栅覆盖层123，形成了多个周期氧化硅和氮化硅交替排列光栅结构，多晶硅光栅层122上形成有多个第一凸部，所述氮化硅光栅覆盖层123上形成有多个第二凸部，所述第二凸部位于相邻的两个第一凸部之间，多个凸部构成光栅结构；其中，第一凸部与第二凸部的高度相同，宽度不同，第一凸部与第二凸部的宽度满足如下公式：

d＝(2m+1)λ/4n

其中，d为第一凸部和第二凸部的宽度，n为每层材料折射率，m为正整数λ为激光器的激射波长，取值为1550nm或者1310nm。

在该技术方案中，进一步提供了多晶硅光栅层122和氮化硅光栅覆盖层123的接触侧的样式，多晶硅光栅层122和氮化硅光栅覆盖层123的接触侧形成了交替布置的第一凸部和第二凸部，再结合多晶硅光栅层122和氮化硅光栅覆盖层123折射率不同，使得多晶硅光栅层122和氮化硅光栅覆盖层123的接触侧形成了一个高低折射率交替排列的多层膜结构，根据多层膜的反射率每层膜的膜厚可以由(2m+1)λ/4n(m为正整数)计算，第一凸部和第二凸部的高度可以根据DFB的激射波长，而第一凸部和第二凸部的排布周可以决定反射率，基于此通过刻蚀工艺控制光栅146的排布周亲，即可控制光栅146波导长度控制其反射率在70％至95％，使得光栅波导结构120一方面能够将激光器的光高效耦合进无源波导结构130，同时也能够给无源波导结构130的FP腔无法镀膜的一个端面提供高反射率，使得FP腔的反射率可以在70％以上能够能很好地起到压缩线宽的作用。

结合本申请的光栅波导结构为高折射率多晶硅和低折射率氮化硅交替排列的结构，第一凸部与第二凸部的宽度也通过公式进行了定义。该结构可给FP腔提供高反射率，图11，中横轴为波长，纵轴为反射率。以1550nm为例一个高低反射率的周期的反射率为68％，2个高低反射率的周期反射率可达87％，说明两个周期的光栅即可达到要求。需要说明的是，实际工艺的时候膜层的折射率和膜厚都会在一定范围内波动，最终导致反射率也会在理论值附近波动。因此，我们通过控制光栅的周期数目即可控制FP腔的反射率。

通过FP腔提供反馈压缩激光器的线宽需要反射率达到70％，最好是80％以上，只有在这个反射率下FP腔给激光器的反馈才能达到标准。

如图1、图2至图9所示，在一种可行的实施方式中，无源波导结构130包括：至衬底110向上依次设置的下包层131、波导层132和上包层133；其中，下包层131、波导层132和上包层133中并未掺杂。

在该技术方案中，进一步提供了无源波导结构130的结构组成，无源波导结构130可以包括依次设置的下包层131、波导层132和上包层133，而下包层131、波导层132和上包层133中并未进行掺杂，如此设置在激光器工作过程中，由于无源波导结构130未掺杂，能够使无源波导结构130的带隙比DFB结构140的多量子阱带隙要高，因此光在无源波导段几乎没有损耗。

下包层131、波导层132和上包层133三层结构，能够使光仅在波导层中传播，减小光传播时损耗。

无源波导结构130的工作原理为：波导层132的折射率高于上下包层131，这3层膜形成了平板波导的结构，大部分光都会在高折射率的波导层132中传播；波导层132的材料带隙高于DFB激光器的多量子阱带隙，材料本身对DFB激光器发出的光不会吸收；并且这3层膜都未掺杂也就不存在掺杂带来的对光的吸收；综上，该无源波导结构130构成的FP腔的光损耗很小。

如图1、图2至图9所示，在一种可行的实施方式中，DFB结构140包括：至衬底110向上依次设置的缓冲层141、第一限制层142、多量子阱层143、第二限制层144、电子阻挡层145、第一间隔层、腐蚀停止层149、第二间隔层、光栅146、光栅覆盖层、保护层147和欧姆接触层148；其中，第一限制层142的厚度为200nm至500nm，第二限制层144的厚度为80nm至120nm，电子阻挡层145的厚度为20nm至50nm。

在该技术方案中，进一步提供了DFB结构140的组成，自衬底110向上依次为缓冲层141(Buffer layer)、第一限制层142、多量子阱层143、上限制层144、电子阻挡层145、间隔层、腐蚀停止层149、间隔层、光栅146、光栅覆盖层、包层147(InP cladding)和欧姆接触层148。其中，第一限制层142的厚度为200nm至500nm，渐变掺杂(1→0.7)×10¹⁸cm^-3；第二限制层144厚度80nm至120nm，不掺杂；电子阻挡层145厚度20-50nm，轻P型掺杂0.7×10¹⁸cm^-3；激光器腔长600um至1200um。

缓冲层141可以减少因为衬底带来的缺陷；第一限制层142和第二限制层144为波导层，主要提供光场限制作用，下限制层比上限制层宽是为了将光场限制在N面减少P面对光的吸收；多量子阱层143可以提供增益介质发光区；光栅146光栅覆盖层：提供选模式作用使激光器能够单纵模工作，其κL为0.4至0.8；腐蚀停止层149：腐蚀液腐蚀到此层就无法继续腐蚀，可以防止过腐蚀；电子阻挡层145可以防止电子泄露到P区；包层147可以后续制作脊波导；欧姆接触层148可以提供欧姆接触，减小激光器电阻。

在一种可行的实施方式中，激光器还包括：第一电极层150，覆盖在DFB结构140上；第二电极层160，覆盖在衬底110背离于光栅波导结构120、无源波导结构130和DFB结构140的一侧；其中，衬底110为InP衬底110。

第一电极150为正极，第二电极160为负极，起到给DFB激光器通电的作用；此外还有给该激光器散热的作用.

在一些示例中，第一电极层150和第二电极为Ti/Pt/Au电极，激光器的DFB结构140镀有高透过率薄膜(AR膜)，AR膜的发射率<1％；激光器的无源波导结构130的端面镀HR膜，反射率>90％。

在一些示例中，光栅波导结构120、无源波导结构130和DFB结构140的波导要对齐，缓冲层141的厚度为500nm，上下波导加多量子阱共厚度为300nm至650nm，光栅波导结构120和无源波导结构130的下包层131厚度也为500nm，波导层132厚度也为也为300nm至650nm。如此设置可以实现光在3个结构中的高效耦合，工作原理为：原理：在上述定义了DFB激光器的每层厚度，也说明了光在平板波导中传播的原理，基于此来说明上述技术效果。DFB激光器中第一限制层142和第二限制层144以及多量子阱层143的折射率要高于其他层，因此这几层就是平板波导的波导层，光会在这几层中传播。为了实现光在3个结构中的高效耦合。可以理解的是，必须保证3个结构的波导的位置和厚度是一样的。

如图1至图10所示，根据本申请实施例的第二方面提出了一种激光器的制备方法，用于制备上述任一技术方案的激光器，制备方法包括：

步骤101：在衬底上制备光栅波导结构；

步骤102：在衬底上，且位于光栅波导结构的一侧制备无源波导结构；

步骤103：在衬底上，且位于光栅波导结构的另一侧制备DFB结构。

传统技术主要采取以下两种途径设计窄线宽半导体激光器：

内腔光反馈法(在谐振腔中集成频率选择的结构)：主要以DFB激光器和DBR激光器为基础设计，但是这一类窄线宽激光器需要对光栅和外延结构进行复杂的设计，其制作工艺复杂需要多次外延以及高精度设备；此外，掺杂的波导结构特别是在P型掺杂区域和多量子阱结构对光场吸收较强，如果单纯增加腔长会导致损耗急剧增加，反而会使激光器的输出功率降低，阈值电流增加，这一缺陷限制了内腔半导体激光器本身的线宽。

外腔光反馈法(在光腔外部耦合具有选模功能的器件)：外腔光反馈法窄线宽半导体激光器是指通过在光腔外设置光学元件如光纤光栅波导结构，法布里-珀罗滤波器等对增益芯片发出的光进行选频、反馈，从而实现线宽的压缩。这类激光器优点是没有内部光栅的损耗，激光器性能优异，理论线宽很窄，但是对外部工作环境需求较高，各种温湿度以及振动等都会影响激光器性能；其对光学元件耦合光路要求也较高，需要各光学元件精确对准，对封装工艺要求很高。

基于此，传统技术中的制备方法均存在着缺陷，通过本申请实施例提供的激光器的制备方法，能够使光栅波导结构、无源波导结构和DFB结构共用一个衬底，在使用过程中，激光器加正向电压激射产生激光，激光的一部分从光栅波导结构中进入无源波导结构中，无源波导结构的FP腔两端都为高反射率，FP腔除了能提升腔长，还会给DFB结构一个负反馈稳定激光器的波长，进而压缩了线宽。光在无源波导结构几乎没有损耗。通过光栅波导结构的设置，一方面能够将激光器的光高效耦合进无源波导结构，同时也能够给无源波导结构的FP腔无法镀膜的一个端面提供高反射率，使得FP腔的反射率可以在70％以上能够能很好地起到压缩线宽的作用，基于此本申请实施例提供的激光器，能够结合外腔光反馈法和内腔光反馈法的优点，将大功率DFB激光器，FP反馈腔以及光栅波导结构单片集成构成一个高性能窄线宽激光器，使得激光器同时具有外腔光反馈法和内腔光反馈法的优点，单片集成不需要多个光学元件耦合，并且反馈腔和激光器可以独立设计，谐振腔腔长不受DFB激光器的内部损耗限制。此外，通过设置光栅波导结构真正实现了激光器和FP反馈腔的高效耦合，并且其可给FP腔无法镀膜的一个端面提供高反射率，提升了FP腔的反馈作用。

如图3至图7所示，在一种可行的实施方式中，在衬底上制备光栅波导结构的步骤包括：在衬底上生长第一氧化硅膜和多晶硅薄膜；刻蚀多晶硅薄膜，以形成多晶硅光栅层；在多晶硅光栅层上沉积氮化硅，以形成氮化硅层；在氮化硅光栅覆盖层上沉积第二氧化硅膜；对第一氧化硅膜、多晶硅光栅层、氮化硅层和第二氧化硅膜进行刻蚀，以在衬底上形成光栅波导结构。

在该技术方案中，进一步提供了制备光栅波导结构的步骤，光栅波导结构主要包括如下步骤：在InP衬底上生长氧化硅和多晶硅薄膜，其中薄膜厚度取决于激光器设计，生长设备可灵活使用各类化学气相沉积；

第一光刻：利用标准的光刻工艺将需要刻蚀的部分漏出，不需要刻蚀的部分通过光刻胶做掩膜保护，再利用干法刻蚀将多晶硅薄膜刻蚀一定深度形成光栅，之后将光刻胶去除，光栅周期取决于激光器波长。

氮化硅沉积：刻蚀完成后，进行氮化硅再生长，硅的折射率为3.48，氮化硅的折射率为2.0，通过以上工艺实现了高低折射率薄膜的交替生长，多层膜的反射率和投射率可通过膜厚和周期数目决定。

氧化硅沉积：光栅制作完成后，再次进行氧化硅沉积，沉积后的效果，如图6所示。氧化硅的折射率为1.44，多晶硅光栅和氮化硅光栅覆盖层除了实现上述的调节透过率的功能外，还提供了平板波导的功能，实现了激光器和FP腔的高效耦合。

二次光刻：在沉积完氧化硅的晶圆上，利用光刻技术将需要刻蚀的部分暴露出来，再利用RIE将其刻蚀掉，刻蚀深度：直接刻蚀到衬底。

通过光刻将多晶硅刻成光栅，再覆盖一层氮化硅光栅覆盖层即可通过光栅周期控制反射率，解决了靠近DFB端FP腔无法镀膜的问题；此外，通过膜层材料的选择，即选用硅和氮化硅作为光栅层和波导层，二氧化硅作为包层，实现了波导耦合器件和多层膜控制反射率器件的集成；

如图8所示，在一种可行的实施方式中，在衬底上，且位于光栅波导结构的一侧制备无源波导结构的步骤包括：遮挡光栅波导结构和部分衬底；在衬底上，且位于光栅波导结构的一侧依次生长下包层，波导层和上包层；其中，下包层和上包层的制备材料包括InP材料，波导层的制备材料包括InGaAsP和/或AlGaInAs材料；其中，用于制备波导层的材料的带隙大于用于制备DFB结构的多量子阱层的材料的带隙。

在该技术方案中，进一步提供了制备无源波导结构的具体步骤，主要步骤包括：

三次光刻：进行一次光刻，利用介质膜将DFB结构所占区域和光栅波导结构区域挡住，漏出需要外延无源波导的区域。

无源波导外延：在无源波导区域依次外延生长下包层，波导层和上包层。包层材料选用与衬底相同的InP材料，波导层材料选用InGaAsP或者AlGaInAs材料，外延生长过程中均不掺杂。无源波导材料的带隙要大于DFB激光器的多量子阱的带隙，如激光器激射波长1.55um，无源波导材料的带隙可为1.35-1.5um，激光器激射波长1.31um，无源波导材料的带隙可为1.1-1.25um。外延3层薄膜，3层材料均无应变，无掺杂和无组分渐变故材料生长质量高，光损耗小。

如图9所示，在一种可行的实施方式中，在衬底上，且位于光栅波导结构的另一侧制备DFB结构的步骤包括：遮挡光栅波导结构和无源波导结构；在衬底上，且位于光栅波导结构的另一侧生长掺杂InP的缓冲层；在缓冲层上生长N型光限制层，以形成第一限制层；在第一限制层上生长多量子阱层；在多量子阱层上生长本征的第二限制层；在第二限制层上生长P型电子阻挡层；在P型电子阻挡层上生长第一InP间隔层，并在InP间隔层上形成腐蚀停止层，而后在腐蚀停止层上生长第二InP间隔层；在第二InP间隔层上制备光栅；在光栅上生长参杂浓度逐渐提高的光栅覆盖层；在光栅覆盖层上依次制备保护层和欧姆接触层。

在该技术方案中，进一步提供了制备无源波导结构的步骤，主要包括如下步骤：

四次光刻：通过一次光刻将DFB结构所占漏出，无源波导结构和光栅波导结构被介质薄膜盖住；

在N型InP衬底上生长N型掺杂的InP的缓冲层(Buffer layer)；

在缓冲层上生长N型光限制层，作为第一限制层；

接着在第一限制层上生长多量子阱层；

在多量子阱层生长本征的上限制层，作为第二限制层；

在第二限制层生长P型电子阻挡层，作为电子阻挡层；

在电子阻挡层上生长P型InP间隔层，接着生长一层P型InGaAsP作为后续脊波导工艺的腐蚀停止层，接着再生长一层P型InP间隔层以便于光栅制作；

利用电子束曝光技术，或者全息光栅技术进行光栅制作，之后生长一层P型InP光栅覆盖层，以形成光栅覆盖层；

接着生长一层掺杂浓度逐渐提高的P型的InP cladding，作为包层；

欧姆接触层生长：欧姆接触层包含3层，先生长两层带隙不同的InGaAsP，再生长一层InGaAs接触层，3层均为P型重掺杂，两层InGaAsP起到带隙逐渐从InP过度到InGaAs的作用。该工艺生长了DFB激光器的膜层结构；腐蚀停止层可防止后续腐蚀脊波导结构过腐；重掺杂InGaAs可减小激光器电阻；

在一种可行的实施方式中，制备方法还包括：在DFB结构上形成第一电极，在衬底背离于光栅波导结构、无源波导结构和DFB结构的一侧形成第二电极。

可以理解的是，激光器的制备方法还可以包括芯片工艺流程：从生长完成的外延片到芯片的工艺流程为RWG-DFB的标准工艺流程具体流程见图10。生长好的外延片通过5次光刻完成P面电极工艺。具体来说，第一次光刻是将脊的形状转移到晶圆上，再通过干法刻蚀和湿法腐蚀将脊波导的结构做出来；第二次光刻将芯片的解理道做出，给后续将芯片解理成单颗芯片预留位置；第三次光刻为开窗口工艺，将介质膜窗口开在脊上形成一个限制电流通道的结构；第四次光刻会将符合要求的电极通过电子束蒸发或者磁控溅射做到晶圆表面；第五次光刻通过化镀或电镀工艺加厚电极。

P面电极工艺完成后将晶圆进行减薄工艺减薄后的厚度为90-130nm，减薄完成再对晶圆背面溅射一层Ti/Pt/Au电极作为N面电极。晶圆工艺完成后，将晶圆解理成bar条，再夹条镀膜，无源波导端面镀高反射率薄膜，DFB端面镀高透过率薄膜。将镀膜完成后的bar条解理成单颗芯片就可以进行测试，封装以及老化等。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种激光器，其特征在于，包括：

衬底；

光栅波导结构，设置在所述衬底上；

无源波导结构，设置在所述衬底上，位于所述光栅波导结构的一侧；

DFB激光器结构，设置在所述衬底上，位于所述光栅波导结构的另一侧；

所述光栅波导结构包括：

至衬底向上依次设置的第一氧化硅包层、多晶硅光栅层、氮化硅光栅覆盖层和第二氧化硅包层；

其中，所述多晶硅光栅层的折射率大于所述第一氧化硅包层和所述第二氧化硅包层，所述氮化硅光栅覆盖层的折射率大于所述第一氧化硅包层和所述第二氧化硅包层，且所述氮化硅光栅覆盖层的折射率小于所述多晶硅光栅层的折射率；

所述多晶硅光栅层上形成有多个第一凸部，所述氮化硅光栅覆盖层上形成有多个第二凸部，所述第二凸部位于相邻的两个第一凸部之间；

所述第一凸部与所述第二凸部的高度相同，宽度不同，第一凸部与第二凸部的宽度满足如下公式：

d＝(2m+1)λ/4n

其中，d为第一凸部和第二凸部的宽度，n为每层材料折射率，m为正整数λ为激光器的激射波长。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述无源波导结构包括：

至衬底向上依次设置的下包层、波导层和上包层；

其中，所述下包层、波导层和上包层中并未掺杂。

3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述DFB结构包括：

至衬底向上依次设置的缓冲层、下限制层、多量子阱层、上限制层、电子阻挡层、第一间隔层、腐蚀停止层、第二间隔层、光栅、光栅覆盖层、cladding层和欧姆接触层；

其中，所述下限制层的厚度为200nm至500nm，所述上限制层的厚度为80nm至120nm，所述电子阻挡层的厚度为20nm至50nm。

4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，还包括：

第一电极层，覆盖在所述DFB结构上；

第二电极层，覆盖在所述衬底背离于所述光栅波导结构、所述无源波导结构和所述DFB结构的一侧；

其中，所述衬底为InP衬底。

5.一种激光器的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1至4中任一项所述的激光器，所述制备方法包括：

在衬底上制备光栅波导结构；

在所述衬底上，且位于所述光栅波导结构的一侧制备无源波导结构；

在所述衬底上，且位于所述光栅波导结构的另一侧制备DFB结构。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述在衬底上制备光栅波导结构的步骤包括：

在所述衬底上生长第一氧化硅膜和多晶硅薄膜；

刻蚀所述多晶硅薄膜，以形成多晶硅光栅层；

在所述多晶硅光栅层上沉积氮化硅，以形成氮化硅光栅覆盖层；

在所述氮化硅光栅覆盖层上沉积第二氧化硅膜；

对所述第一氧化硅膜、所述多晶硅光栅层、所述氮化硅光栅覆盖层和所述第二氧化硅膜进行刻蚀，以在所述衬底上形成所述光栅波导结构。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述在所述衬底上，且位于所述光栅波导结构的一侧制备无源波导结构的步骤包括：

遮挡所述光栅波导结构和部分所述衬底；

在所述衬底上，且位于所述光栅波导结构的一侧依次生长下包层，波导层和上包层；

其中，所述下包层和所述上包层的制备材料包括InP材料，所述波导层的制备材料包括InGaAsP和/或AlGaInAs材料；

其中，用于制备波导层的材料的带隙大于用于制备DFB结构的多量子阱层的材料的带隙。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述在所述衬底上，且位于所述光栅波导结构的另一侧制备DFB结构的步骤包括：

遮挡所述光栅波导结构和所述无源波导结构；

在所述衬底上，且位于所述光栅波导结构的另一侧生长N型掺杂InP的缓冲层；

在所述缓冲层上生长N型光限制层，以形成下限制层；

在所述下限制层上生长多量子阱层；

在所述多量子阱层上生长本征的上限制层；

在所述上限制层上生长P型电子阻挡层；

在所述P型电子阻挡层上生长第一InP间隔层，并在所述InP间隔层上形成腐蚀停止层，而后在所述腐蚀停止层上生长第二InP间隔层；

在所述第二InP间隔层上制备光栅；

在所述光栅上生长参杂浓度逐渐提高的光栅覆盖层；

在所述光栅覆盖层上依次生长cladding层和欧姆接触层；

所述制备方法还包括：

在所述DFB结构上形成第一电极，在所述衬底背离于所述光栅波导结构、所述无源波导结构和所述DFB结构的一侧形成第二电极。