CN1622406A - 半导体激光器和楔形波导模斑转换器集成器件 - Google Patents
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Abstract
一种半导体激光器和楔形波导模斑转换器集成器件，包括衬底区、导光区、限制区、电极区，其中：该限制区制作在衬底区上，该限制区包括，一n型掺杂磷化铟下限制层，一p型掺杂磷化铟上限制层，该p型掺杂磷化铟上限制层分为两层，一层制作在导光区之上，另一层制作在电极区之下，一p型未氧化的铟铝砷层和含铝氧化层，该p型未氧化的铟铝砷层和含铝氧化层相隔分为条状，制作在p型掺杂磷化铟上限制层之间，一光学介质膜制作在器件的两端；导光区制作在限制区之间；电极区制作在限制区之上和衬底区之下；该含铝氧化层，此含铝氧化层在半导体激光器部分对注入电流和光场进行限制，在楔形波导模斑转换器部分使其下面的导光区形成楔形波导。
Description
技术领域：
本发明涉及一种光电子集成器件，特别是一种利用新型利用铝氧化限制实现的半导体激光器和楔形波导模斑转换器集成器件。
背景技术：
在半导体激光器跟光纤的直接光连接中，耦合损耗很大，导致光学模块的耦合封装的成本占了整个光电子器件模块成本的80～90％。为了减少半导体激光器芯片和单模光纤之间的耦合损耗，已经发展了许多高成本的技术包括微光学机械和高精度的动态对准。半导体激光器芯片和单模光纤的耦合损耗主要来源于二者之间的本征光场不匹配，半导体激光器芯片的模斑较小，只有1-2微米且呈椭圆斑，而单模光纤的本征模斑较大，一般有4-10微米圆斑。一个重要的减少耦合封装成本的方法是在半导体激光器芯片上单片集成一个模斑转换器，这个模斑转换器可以绝热地将半导体光电子器件小的模斑转换成和单模光纤相匹配的大的圆光斑。这样二者之间的耦合损耗就可以大大地降低了。
目前主要有三种类型的模斑转换器，第一种是垂直方向上的楔型波导结构，这种波导的厚度是从有源区部分到出光端逐渐地变化，信号光在传输过程中绝热或者准绝热地从小的光斑变化为与单模光纤相匹配的大光斑。文献IEEE Photon.Technol.Lett.，Vol.2，No.2，pp 88-90，1990和Electron.Lett.，Vol.31，No.13，pp 1069-1070，1995对此有报道。这种类型的模斑转换器的优点是能够很有效地将光信号在垂直于器件结平面的方向上的近场模斑扩大，也就是将这个方向上的远场发散角减少。但是缺点是，对信号光在平行于器件结平面的近场模斑和远场发散角的改善无能为力，另一方面，由于这种类型的模斑转换器的楔型波导在垂直方向上是渐变的，所以需要复杂的选择外延生长或者选择性腐蚀。第二种类型的模斑转换器是无源波导的宽度变化的楔型结构。在这种结构中，波导的宽度，也就是平行与器件结平面方向上的波导尺度渐变。这种类型的模斑转换器的优点是可以对信号光在平行结平面上的近场模斑大小和远场发散角改善，使得信号光在传输过程中能够绝热或者准绝热地将匹配于半导体光电子器件的小的模斑转换为与单模光纤匹配的大的模斑。但是这种类型的模斑转换器的楔形波导，传统上是通过腐蚀的方法获得，光子在楔形波导侧向同空气交界处的界面上散射损耗严重。文献IEEE Photon.Technol.Lett.，Vol.6，001412-1414，1994和Appl.Phys.Lett.，Vol 64.，No.5，pp 1539-1541，1994，对此类结构有报道。第三种类型的模斑转换器是所谓的双层结构的波导。在这种结构中转换器由楔型的有源波导和下面的和光纤匹配的无源波导组成。信号光在传输过程中从有源波导中绝热地传输到无源波导中，从而达到减少耦合损耗的目的。这种结构的优点是出光端的光束发散角易于控制，缺点是这种模斑转换器结构复杂，同时有源波导和无源波导之间的耦合难度也很大，从而导致集成器件的成品率不高。
发明内容：
本发明的目的在于，提供一种半导体激光器和楔形波导模斑转换器集成器件，其具有结构简单、制作容易和可靠性高的优点。
本发明一种半导体激光器和楔形波导模斑转换器集成器件，包括衬底区、导光区、限制区、电极区，其特征在于，其中：
该限制区制作在衬底区上，该限制区包括，一n型掺杂磷化铟下限制层，一p型掺杂磷化铟上限制层，该p型掺杂磷化铟上限制层分为两层，一层制作在导光区之上，另一层制作在电极区之下，一p型未氧化的铟铝砷层和含铝氧化层，该p型未氧化的铟铝砷层和含铝氧化层相隔分为条状，制作在p型掺杂磷化铟上限制层之间，一光学介质膜制作在器件的两端；导光区制作在限制区之间；电极区制作在限制区之上和衬底区之下；
该含铝氧化层，此含铝氧化层在半导体激光器部分对注入电流和光场进行限制，在楔形波导模斑转换器部分使其下面的导光区形成楔形波导。
其中所述的含铝氧化层，氧化前其材料是砷化铝，或铝镓砷，铝铟砷，铝铟磷，铝镓铟磷，铝镓铟砷。
其中所述的含铝氧化层，氧化前其材料中铝的组分＞0.46。
其中所述的含铝氧化层，其厚度是30～200纳米。
其中所述的含铝氧化层，其位置位于导光区之上，距离导光区50～200纳米。
其中所述的楔形波导模斑转换器部分的楔形波导，其宽度是以线性变化的，或指数函数变化的和双曲函数变化的，其宽度由与激光器相连部分的4～20微米逐渐缩小到出光端的0.2～1微米。
其中所述的导光区，在半导体激光器部分和楔形波导模斑转换器部分是同一导光区，其在半导体激光器部分和楔形波导模斑转换器部分的结构、材料、组分、厚度、位置完全相同。
其中所述的导光区，含有布拉格光栅或者不含有布拉格光栅。
其中所述的导光区，其两个端面镀光学膜，在半导体激光器的背光端面是高反膜，在楔形波导模斑转换器的输出端是透射膜或半透膜。
其中所述的光学膜是氧化锆/氧化硅介质膜。
从原理上讲，本器件的楔形波导模斑转换器是通过无源波导的平行于结平面的宽度变化来实现，但是与传统方法不同，其宽度变化是通过氧化其上的含铝层，在波导的对应区域形成有效折射率差，从而形成楔形光波导来实现的。由于没有波导材料同空气的界面，所以有效减少了光子在波导传播过程中的界面散射损失，减少了光损耗。同时，含铝层在半导体激光器区域的部分氧化，减少了电流的侧向扩展和限制了光的侧向扩展，降低了激光器的阈值电流，提高了发光效率。此实现方案只需一次外延生长，工艺简单，可靠性高。
附图说明：
为进一步说明本发明的结构，下面结合实施例对本发明作详细描述，其中：
图1为本发明的器件的剖视图；
图2为本发明的器件的俯视图。
具体实施例：
下面结合图1和图2，说明本发明实施例的器件基本结构。
本实施例的器件的基本结构包括四个区：衬底区10；导光区20；限制区30；电极区40。下面是本实施例的器件的具体结构：
衬底区10；衬底区10具体包括：
n型重掺杂磷化铟衬底11；
n型掺杂磷化铟缓冲层12，
导光区20，导光区20具体包括：
不掺杂有源层21，
不掺杂铟镓砷磷下波导层22；
不掺杂铟镓砷磷上波导层23；
限制区30，限制区30具体包括：
n型掺杂磷化铟下限制层31；
p型掺杂磷化铟上限制层32；
p型未氧化的铟铝砷33和含铝氧化层34；
光学介质膜35；
电极区40，电极区40具体包括：
n电极41；
p型重掺杂铟镓砷电极接触层42；
氧化硅掩膜层4 ；
p电极44。
其中所述的n型重掺杂的磷化铟衬底11是掺硫的，浓度是1×1019cm3，所述的n型掺杂的磷化铟缓冲层12是掺硅的，浓度是5×1018cm3，厚度是200纳米，该n型掺杂的磷化铟缓冲层12制作在n型重掺杂的磷化铟衬底11的上面。
其中所述的有源层21是铟镓砷磷多量子阱，发光波长为1.31微米；无掺杂铟镓砷磷下波导层22带隙波长为1.2微米，晶格常数与磷化铟匹配的，厚度是100纳米，该无掺杂铟镓砷磷下波导层22制作在有源层21的下面；无掺杂铟镓砷磷上波导层23带隙波长为1.2微米，晶格常数与磷化铟匹配，厚度是100纳米，该无掺杂铟镓砷磷上波导层23制作在有源层21的上面。
其中所述的n型掺杂的磷化铟下限制层31是掺硅的，浓度是1×1018cm3，厚度是1.5微米，该n型掺杂的磷化铟下限制层31制作在衬底区10之上；p型掺杂磷化铟上限制层32是掺锌的，浓度是1×1018cm3，厚度是1.5微米，该p型掺杂磷化铟上限制层32制作在导光区20之上，该p型掺杂磷化铟上限制层32分为两层；p型铟铝砷33是掺锌的，浓度是1×1018cm3，铝组分是0.47，厚度是100纳米，离上波导层的距离是100纳米，该p型铟铝砷33制作在p型掺杂磷化铟上限制层32之间；含铝氧化层34，在实施例中该含铝氧化层34为氧化后的铟铝砷层，其在半导体激光器部分是直条形，长度100～400微米，宽度4～20微米；在楔形波导模斑转换器部分是以指数函数变化的楔形，水平长度100～500微米，宽度由与激光器相连部分的4～20微米逐渐缩小到出光端的0.2～1微米，该氧化后的铟铝砷34与制作在p型铟铝砷33水平方向之间；光学膜35是氧化锆/氧化硅介质膜，该光学膜35制作在器件的两端。
其中所述的n电极41是金/锗/镍电极，该n电极41制作在器件的最下层。
其中所述的p型重掺杂铟镓砷接触层42是掺锌的，浓度是1×1019cm3，厚度是0.2微米，该p型重掺杂铟镓砷接触层42制作在限制区30之上；氧化硅掩膜层43厚度为350纳米，该氧化硅掩膜层43制作在p型重掺杂铟镓砷接触层42之上；p电极44是金/锌/金，或者是钛/铂/金电极，该p电极44制作在器件之上。
该含铝氧化层34，此含铝氧化层34在半导体激光器部分A对注入电流和光场进行限制，在楔形波导模斑转换器部分B使其下面的导光区形成楔形波导。
本发明与现有的半导体激光器和楔形波导模斑转换器的集成器件相比，本发明的半导体激光器部分采取内嵌含铝层的氧化来限制侧向电流，减少了电流的侧向扩展和光的侧向扩展，从而降低了激光器的阈值电流，提高了发光效率，也提高了温度特性；楔形波导模斑转换器部分没有波导材料同空气的界面，有效减少了光子界面散射损失，降低了光损耗。后期工艺中的关键部分-含铝材料的湿氮氧化，工艺简单，对设备需求不高。此实现方案只需一次外延，工艺简单，成本低，可靠性高，有广泛的市场前景。
Claims (10)
1.一种半导体激光器和楔形波导模斑转换器集成器件，包括衬底区、导光区、限制区、电极区，其特征在于，其中：
该限制区制作在衬底区上，该限制区包括，一n型掺杂磷化铟下限制层，一p型掺杂磷化铟上限制层，该p型掺杂磷化铟上限制层分为两层，一层制作在导光区之上，另一层制作在电极区之下，一p型未氧化的铟铝砷层和含铝氧化层，该p型未氧化的铟铝砷层和含铝氧化层相隔分为条状，制作在p型掺杂磷化铟上限制层之间，一光学介质膜制作在器件的两端；导光区制作在限制区之间；电极区制作在限制区之上和衬底区之下；
该含铝氧化层，此含铝氧化层在半导体激光器部分对注入电流和光场进行限制，在楔形波导模斑转换器部分使其下面的导光区形成楔形波导。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器和楔形波导模斑转换器集成器件，其特征在于，其中所述的含铝氧化层，氧化前其材料是砷化铝，或铝镓砷，铝铟砷，铝铟磷，铝镓铟磷，铝镓铟砷。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器和楔形波导模斑转换器集成器件，其特征在于，其中所述的含铝氧化层，氧化前其材料中铝的组分＞0.46。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器和楔形波导模斑转换器集成器件，其特征在于，其中所述的含铝氧化层，其厚度是30～200纳米。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器和楔形波导模斑转换器集成器件，其特征在于，其中所述的含铝氧化层，其位置位于导光区之上，距离导光区50～200纳米。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器和楔形波导模斑转换器集成器件，其特征在于，其中所述的楔形波导模斑转换器部分的楔形波导，其宽度是以线性变化的，或指数函数变化的和双曲函数变化的，其宽度由与激光器相连部分的4～20微米逐渐缩小到出光端的0.2～1微米。
7.根据权利要求1所述的半导体激光器和楔形波导模斑转换器集成器件，其特征在于，其中所述的导光区，在半导体激光器部分和楔形波导模斑转换器部分是同一导光区，其在半导体激光器部分和楔形波导模斑转换器部分的结构、材料、组分、厚度、位置完全相同。
8.根据权利要求1所述的半导体激光器和楔形波导模斑转换器集成器件，其特征在于，其中所述的导光区，含有布拉格光栅或者不含有布拉格光栅。
9.根据权利要求1所述的半导体激光器和楔形波导模斑转换器集成器件，其特征在于，其中所述的导光区，其两个端面镀光学膜，在半导体激光器的背光端面是高反膜，在楔形波导模斑转换器的输出端是透射膜或半透膜。
10.根据权利要求8所述的半导体激光器和楔形波导模斑转换器集成器件，其特征在于，其中所述的光学膜是氧化锆/氧化硅介质膜。
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