CN116387976B - 一种具有内嵌式多阶光栅的边发射激光器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有内嵌式多阶光栅的边发射激光器的制备方法，涉及边发射激光器技术领域，包括如下步骤：在衬底上方生长外延结构，从而形成激光器本体，激光器本体沿x方向的两端面分别为背光端和出光端；在激光器本体的背光端和/或出光端内侧的非泵浦区刻蚀出若干个间隔排布的光栅槽，并根据需要在光栅槽内填充光栅材料；所述光栅材料与其周边的外延结构共同构成嵌设于激光器本体内部的多阶光栅。本发明所提供的制备方法能够将多阶光栅嵌设于边发射激光器内，并且制得的边发射激光器的波长极其稳定，具有温度漂移小，峰值功率高的优点，克服了现有内腔稳定波长方法所存在的输出功率低、制备工艺复杂且制作成本高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及边发射激光器技术领域，特别涉及一种具有内嵌式多阶光栅的边发射激光器的制备方法。
背景技术
边发射激光器在功率密度等关键参数上有着无可比拟的优势，被普遍应用于通信、泵浦和激光雷达等领域。然而，由于边发射激光器的波长会随着工作电流和温度的改变而改变，因此存在波长稳定性差的瓶颈问题。经实验证明，边发射激光器的波长随温度漂移系数较大（约0.28nm/K），因此在有些应用上受到限制。例如，应用于激光雷达时，在-20℃到+125℃的工作温度范围内，边发射激光器的波长漂移约40nm，再加上激光器本身的波长产出分布有约+/10nm的范围，如不使用额外的控温设计，接收端光学滤光片带宽应至少保持60nm宽度，才能实现信号的有效接收和利用。
通常情况下，边发射激光器的波长稳定可以通过控制温度和注入电流的稳定性来实现一定程度的稳定，但要获得更高的稳定度，需要对波长锁定。目前，提高边发射激光器波长稳定性的方法主要包括外腔反馈稳定波长方法和内腔稳定波长方法两种。
外腔反馈稳定波长方法是利用光栅等光反馈来控制半导体的频率特性，现有技术中大多数是通过体全息光栅（VHG）、体布拉格光栅（VBG）、或者光纤光栅（FBG）来实现波长稳定性的，但是这对制作工艺要求比较严格，并且成本较高。
内腔稳定波长方法是将波长稳定结构集成到半导体激光器内部，通过内部结构来实现波长稳定。常见的有分布反馈激光器（DFB）和分布布拉格反射激光器（DBR）等方法。DBR和DFB激光器都存在输出功率相对低，需要复杂的二次外延技术和复杂光栅制备技术，制作成本高。尽管如此，采用内部波长稳定方法的边发射激光器比采用外部波长稳定方法的边发射激光器具有更好的系统兼容性和更低的装配成本。
为了解决上述问题，本发明基于内腔稳定波长的设计构思，提供一种具有内嵌式多阶光栅的边发射激光器的制备方法。
发明内容
本发明提供一种具有内嵌式多阶光栅的边发射激光器的制备方法，其主要目的在于解决现有边发射激光器的内腔稳定波长方法所存在的输出功率低、制备工艺复杂且制作成本高的问题。
本发明采用如下技术方案：
一种具有内嵌式多阶光栅的边发射激光器的制备方法，包括如下步骤：
（1）在衬底上方生长外延结构，从而形成激光器本体，激光器本体沿x方向的两端面分别为背光端和出光端；
（2）在激光器本体的背光端和/或出光端内侧的非泵浦区刻蚀出若干个间隔排布的光栅槽，并根据需要在光栅槽内填充光栅材料；
（3）所述光栅材料与其周边的外延结构共同构成嵌设于激光器本体内部的多阶光栅。
进一步，在步骤（2）中，首先在激光器本体的非泵浦区刻蚀出一让位台阶，然后在让位台阶处刻蚀出若干个间隔排布的光栅槽。
进一步，刻蚀所述让位台阶之前，首先在激光器本体表面的非刻蚀区沉积第一刻蚀掩膜；刻蚀所述光栅槽之前，首先在非泵浦区表面沉积第二刻蚀掩膜；刻蚀完光栅槽后将所述第一刻蚀掩膜和第二刻蚀掩膜去除。
进一步，所述激光器本体沿x方向的长度为L，所述非泵浦区沿x方向上的长度L1为0.05L，所述光栅槽的外侧边缘与所述非泵浦区的外侧边缘的间距L2为0-30μm。
进一步，所述多阶光栅的周期长度Λ的计算公式为：
其中：n表示光栅阶数，λ表示边发射激光器的激射波长，neff表示光栅的有效折射率。
进一步，所述光栅阶数n的取值范围为：1＜n＜100。
进一步，所述光栅材料为空气、SiO2、SiNx、GaAs、InGaAsP或InP。
作为一种具体的实施方案：所述光栅槽为设置于激光器本体的背光端和/或出光端内侧且沿y方向间隔排布的柱形槽。
作为另一种具体的实施方案：所述光栅槽为设置于激光器本体的出光端内侧且沿x方向间隔排布的环形槽，由内至外依次排布的若干所述环形槽的半径逐渐增大。在该实施方案中，通过调节所述多阶光栅的光栅阶数n，从而调整激光器本体的出光角度。
和现有技术相比，本发明产生的有益效果在于：
本发明所提供的制备方法能够将多阶光栅嵌设于边发射激光器内，并且制得的边发射激光器的波长极其稳定，具有温度漂移小，峰值功率高的优点，克服了现有内腔稳定波长方法所存在的输出功率低、制备工艺复杂且制作成本高的问题。
附图说明
图1为本发明实施例一中边发射激光器的立体视图。
图2为本发明实施例一中边发射激光器的主视图。
图3为本发明实施例一中边发射激光器的俯视图。
图4为本发明实施例一中边发射激光器的制备流程图。
图5为本发明实施例二中边发射激光器的立体视图。
图6为本发明实施例二中边发射激光器的制备流程图。
图7为本发明实施例三中边发射激光器的立体视图。
图8为本发明实施例三中边发射激光器的剖视图。
图9为本发明实施例三中边发射激光器的俯视图。
图10为本发明实施例四中边发射激光器的立体视图。
图中：1-激光器本体；11-衬底，12-缓冲层；13-有源区；14-帽层；15-非泵浦区；16-让位台阶； 110、第一刻蚀掩膜；111-第二刻蚀掩膜；2-多阶光栅；21-几何柱；22-非泵浦区的外延结构；23、环形柱。
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。
实施例一：
如图1至图4所示，本实施例提供一种具有内嵌式多阶光栅的边发射激光器的制备方法，其包括如下步骤：
（1）在衬底11上方生长外延结构，从而形成激光器本体1，激光器本体1沿x方向的两端面分别为背光端和出光端。具体地，外延结构包括自下而上层叠的缓冲层12、有源区13和帽层14，有源区13的中部为泵浦区，靠近出光端的一侧为非泵浦区15。
（2）在激光器本体1的非泵浦区15刻蚀出若干个间隔排布的光栅槽，并根据需要在光栅槽内填充光栅材料。本实施例中光栅槽优选为沿y方向间隔排布的柱形槽，柱形槽填充光栅材料后便构成几何柱21。该步骤包括如下子步骤：
（2.1）在激光器本体1的非泵浦区15通过光刻曝光刻蚀出一个让位台阶16。具体地，首先通过增强等离子化学气相沉积方法（PECVD）、光刻与反应离子刻蚀（RIE）工艺在激光器本体1表面的非刻蚀区15沉积第一刻蚀掩膜110，第一刻蚀掩膜110优选为SiNx/SiO2蚀刻掩膜或光刻胶；然后通过电感耦合等离子体（ICP）刻蚀与湿法蚀刻工艺形成让位台阶16。刻蚀时应注意，让位台阶16沿z方向的高度小于帽层14的高度H，让位台阶16沿x方向的长度小于非泵浦区15的长度L1。
（2.2）在让位台阶16处通过光刻曝光刻蚀出若干个沿y方向间隔排布的柱形槽。具体地，首先通过增强等离子化学气相沉积方法（PECVD）、光刻与反应离子刻蚀（RIE）工艺在非泵浦区15形成带有周期排布几何柱图案的第二刻蚀掩膜111，第二刻蚀掩膜111同样优选为SiNx/SiO2蚀刻掩膜或光刻胶；然后通过干法与湿法蚀刻工艺形成若干柱形槽；最后再用BOE去除第一蚀刻掩膜110和第二刻蚀掩膜111。
（2.3）根据需要在柱形槽内填充光栅材料，从而形成几何柱21。当光栅材料选用空气时，则无需进行填充处理。当选用其他材料时，可通过增强等离子化学气相沉积方法（PECVD）或者MOCVD进行沉积。
（3）几何柱21与其周边的外延结构共同构成嵌设于激光器本体1内部的多阶光栅2。
采用上述制备方法可将多阶光栅2集成设置于边发射激光器内部，从而实现波长选择，使得边发射激光器的波长极其稳定。以下结合具有内嵌式多阶光栅的边发射激光器的结构进行详细分析，从而对上述制备方法的诸多细节进行补充说明。
如图1至图3所示，本实施例中激光器本体1包括衬底11以及设置于衬底11上方的外延结构。外延结构包括自下而上层叠的缓冲层12、有源区13和帽层14。外延结构沿x方向的两端面分别设有HR涂层和AR涂层，从而形成背光端和出光端。
如图1至图3所示，有源区13的中部为泵浦区，靠近出光端的一侧为非泵浦区15，几何柱21由激光器本体1的顶部垂直延伸向激光器本体1内部延伸，并至少延伸至有源区13底部，且几何柱21位于有源区13的非泵浦区15内。几何柱21与其周边的非泵浦区的外延结构22共同构成多阶光栅2。若将几何柱21设置于有源区13的泵浦区内会造成晶体质量受损，污染严重的问题，还会造成该处的光增益较小，因此将多阶光栅区设置为非泵浦区15。如图1至图3所示，激光器本体1在非泵浦区15表面设有一让位台阶16，几何柱21由让位台阶16处垂直向激光器本体1内部延伸。让位台阶16的设置能有效减小几何柱21的高度，从而减小光栅刻蚀深度，降低光栅制作难度，并且由于几何柱21的上端面无电流注入，器件的可靠性也会更高。
如图1至图3所示，激光器本体1沿x方向的长度为L ，非泵浦区15沿x方向的长度L1为0.05L，几何柱21的外侧边缘与非泵浦区15的外侧边缘的间距L2为0-30μm，从而确保边发射激光器的结构合理可靠，确保多阶光栅2能稳定发挥稳波长的作用。
如图1至图3所示，多阶光栅2的周期长度Λ的计算公式为：
其中：n表示光栅阶数，λ表示边发射激光器的激射波长，neff表示光栅的有效折射率。
根据上述计算公式可知，多阶光栅2的周期长度Λ由光栅阶数n和光栅的有效折射率neff共同决定。
那么，光栅阶数n的设计依据：由于几何柱21由帽层14延伸至有源区13以下，高度非常高，为了保证较小的纵横比，也为了降低光栅制作难度，相应的，多阶光栅2的周期长度Λ也应保持较宽。基于此，光栅阶数n的取值范围设定为：1＜n＜100。
光栅的有效折射率neff的设计依据：光栅的有效折射率neff需通过调整几何柱21和其周边的非泵浦区的外延结构22的材料来进行调节。为了降低设计难度，几何柱21的材料可根据其周边的非泵浦区的外延结构22的材料具体确定。而针对目前常用的边发射激光器的外延结构材料，几何柱21的材料可选用空气、SiO2、SiNx、GaAs、InGaAsP或InP。
如图1至图3所示，几何柱21的结构可根据具体需求设计为圆柱或棱柱，本实施例优选为棱柱，更准确地说是四棱柱。
实施例二：
如图5和图6所示，与实施例一不同的是，本实施例未在非泵浦区15设置让位台阶，多阶光栅2的上端面与帽层14的上端面相互齐平。具体地来说，本实施例的制备方法包括如下步骤：
（1）在衬底11上方生长外延结构，从而形成激光器本体1，激光器本体1沿x方向的两端面分别为背光端和出光端。具体地，外延结构包括自下而上层叠的缓冲层12、有源区13和帽层14，有源区13的中部为泵浦区，靠近出光端的一侧为非泵浦区15。
（2）在激光器本体1的非泵浦区15刻蚀出若干个沿y方向间隔排布的柱形槽，并根据需要在柱形槽内填充光栅材料，从而形成几何柱21。该步骤包括如下子步骤：
（2.1）首先通过增强等离子化学气相沉积方法（PECVD）、光刻与反应离子刻蚀（RIE）工艺在激光器本体1表面的非刻蚀区形成带有周期排布几何柱的第二刻蚀掩膜111，第二刻蚀掩膜111优选为SiNx/SiO2蚀刻掩膜或光刻胶；然后通过干法与湿法蚀刻工艺形成若干柱形槽；最后再用BOE去除第二刻蚀掩膜111。
（2.2）根据需要在柱形槽内填充光栅材料，从而形成几何柱21。当光栅材料选用空气时，则无需进行填充处理。当选用其他材料时，可通过增强等离子化学气相沉积方法（PECVD）或者MOCVD进行沉积。
（3）几何柱21与其周边的外延结构共同构成嵌设于激光器本体1内部的多阶光栅2。
相较于实施例一少了刻蚀让位台阶的步骤，流程上较为简单。但是经过试验后发现，实施例一的方案能有效减小几何柱21的高度，从而更容易制作。此外，实施例一中让位台阶16的设置可使得几何柱21上端面无电流注入，因此器件的可靠性更高。可见，实施例一和实施例二各有一定的优势，并且都能够实现基于非泵浦区多阶光栅的边发射激光器的制作，因此实施例一和实施例二对于边发射激光器的实际应用都具有积极的指导意义。
上述两个实施例中，多阶光栅均位于激光器本体的出光端，但是在实际应用中，内嵌式几何柱的多阶光栅结构并不局限于出光端，还可将多阶光栅设置于激光器本体的背光端，或者同时在出光端和背光端均设置多阶光栅。
实施例三：
如图7至图9所示，与实施例一不同的是，本实施例中的光栅槽优选为沿x方向间隔排布的环形槽，并且由内至外依次排布的若干环形槽的半径逐渐增大。环形槽填充光栅材料后便构成环形柱23。本实施例的制备方法与实施例一的制备方法基本相同，因此不加赘述。此外，本实施例中多阶光栅的相关参数也可参照实施例一具体设计，在此也不进行赘述。
经过研究发现，当采用环形柱21的内嵌式多阶光栅结构时，激光器本体1的出光角度α（出光方向与x方向的夹角）与多阶光栅2的光栅阶数n有直接关系。
例如：光栅阶数n=2时，出光角度α=90°，因此光沿着z的正方向或负方向出射，即激光器本体可实现面发射；光栅阶数n =3时，出光角度α= arcos±1/3，因此光会沿与z方向呈72.5°或者-72.5°或者162.5°或者-162.5方向出射；光栅阶数n=1时，出光角度α=0°，因此光仍然会沿着x的正方向出射，即激光器本体可实现边发射。
因此，通过调整光栅阶数n便可以灵活地调整光的出射方向。基于通过调整多阶光栅2的光栅阶数n来调整出光角度α的设计构思，采用环形柱21内嵌式多阶光栅只能设置于出光端，而不能设置于背光端。
现有边发射激光器的出光方向无法调节，对于一些特殊的应用场合，如果需要改变出光方向，就需要对激光器的放置角度进行调整，操作较为麻烦。而采用环形柱23的内嵌式多阶光栅只需要通过调整光栅阶数n便能够灵活地调整激光器的出光角度，使其可适用于一些特殊场景的使用需求。
如图7至图9所示，作为优选方案：环形柱23可设计为环形椭圆柱或环形圆柱，只需要确保环形柱23沿x方向呈对称结构即可。
实施例四：
如图10所示，与实施例二不同的是，本实施例中的光栅槽优选为沿x方向间隔排布的环形槽，并且由内至外依次排布的若干环形槽的半径逐渐增大。环形槽填充光栅材料后便构成环形柱23。环形柱23的结构可参照实施例三具体设计，在此不加赘述。
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 (8)
1.一种具有内嵌式多阶光栅的边发射激光器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）在衬底上方生长外延结构，从而形成激光器本体，激光器本体沿x方向的两端面分别为背光端和出光端；
（2）在激光器本体的背光端和/或出光端内侧的非泵浦区刻蚀出若干个间隔排布的光栅槽，并根据需要在光栅槽内填充光栅材料；各所述光栅槽由激光器本体的顶部垂直延伸向激光器本体内部延伸，并至少延伸至有源区底部；所述光栅槽为设置于激光器本体的背光端和/或出光端内侧且沿y方向间隔排布的柱形槽；或者所述光栅槽为设置于激光器本体的出光端内侧且沿x方向间隔排布的环形槽，由内至外依次排布的若干所述环形槽的半径逐渐增大；
（3）所述光栅材料与其周边的外延结构共同构成嵌设于激光器本体内部的多阶光栅。
2.如权利要求1所述的一种具有内嵌式多阶光栅的边发射激光器的制备方法，其特征在于：在步骤（2）中，首先在激光器本体的非泵浦区刻蚀出一让位台阶，然后在让位台阶处刻蚀出若干个间隔排布的光栅槽。
3.如权利要求2所述的一种具有内嵌式多阶光栅的边发射激光器的制备方法，其特征在于：刻蚀所述让位台阶之前，首先在激光器本体表面的非刻蚀区沉积第一刻蚀掩膜；刻蚀所述光栅槽之前，首先在非泵浦区表面沉积第二刻蚀掩膜；刻蚀完光栅槽后将所述第一刻蚀掩膜和第二刻蚀掩膜去除。
4.如权利要求1所述的一种具有内嵌式多阶光栅的边发射激光器的制备方法，其特征在于：所述激光器本体沿x方向的长度为L，所述非泵浦区沿x方向上的长度L1为0.05L，所述光栅槽的外侧边缘与所述非泵浦区的外侧边缘的间距L2为0-30μm。
5.如权利要求1所述的一种具有内嵌式多阶光栅的边发射激光器的制备方法，其特征在于：所述多阶光栅的周期长度Λ的计算公式为：
其中：n表示光栅阶数，λ表示边发射激光器的激射波长，neff表示光栅的有效折射率。
6.如权利要求1所述的一种具有内嵌式多阶光栅的边发射激光器的制备方法，其特征在于：所述光栅槽为沿x方向间隔排布的环形槽；通过调节所述多阶光栅的光栅阶数n，从而调整激光器本体的出光角度α。
7.如权利要求6所述的一种具有内嵌式多阶光栅的边发射激光器的制备方法，其特征在于：所述光栅阶数n的取值范围为：1＜n＜100。
8.如权利要求1所述的一种具有内嵌式多阶光栅的边发射激光器的制备方法，其特征在于：所述光栅材料为空气、SiO2、SiNx、GaAs、InGaAsP或InP。
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2023
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