CN215896966U - 一种高阶光栅单纵模沟槽激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种高阶光栅单纵模沟槽激光器，包括基片，所述基片的顶部设置有脊型波导，所述基片中设置有沟槽，所述沟槽设置于所述脊型波导的正下方，所述沟槽的排布方向与所述脊型波导延伸的方向倾斜布置；所述脊型波导的两侧垂直于所述脊型波导均匀设置有若干高阶光栅。本申请采用倾斜的沟槽结合高阶光栅结构无需采用电子束光刻技术即可实现精确波长单纵模输出，极大的节省成本，而且相较于传统的DFB激光器制备工艺更简单，成品率更高；采用量子点外延结构，有利于实现低阈值、高特征温度；利用倾斜沟槽结合高阶光栅结构可以对边模消除，避免了仅采用高阶光栅时，其耦合系数较低，不能很好的实现模式筛选的问题，进而实现精确的输出波长调控。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体领域，更具体地，本实用新型涉及一种高阶光栅单纵模沟槽激光器。
背景技术
近年来，随着云计算、物联网、5G等新兴信息技术的出现，人类社会对于信息流量的需求与日俱增，给光通信领域带来了前所未有的挑战，半导体激光器作为光通信系统的核心部件，是目前光通信发展的重要研究领域之一。低成本、低能耗、高速率的半导体激光器是下一代高速光通信系统的理想光源。因此，高速率、低成本的单纵模的光源是目前的迫切诉求。
F-P激光器由于其结构简单，可以大规模高效的制造，但是由于其多纵模运行导致的模式分配噪声，极大地限制了在高速网络中的应用。DFB激光器作为目前主流的单纵模激光器取得了巨大的成功，不仅拥有较高的边模抑制比，而且可以实现很高的直接调制速率。但是，DFB激光器除了需要极高精度的制备流程，还由于器件腔面随机的反射相位，使得成品率往往很低。虽然采用刻蚀沟槽结构可以实现器件的单纵模运行，但是其不能准确的选择器件单纵模输出波长。
因此，需要一种新型的单纵模沟槽激光器，能够解决上述问题。
实用新型内容
本实用新型的一个目的是解决现有的激光器制作难度大或者不能够选择器件单纵模输出波长的问题。
根据本实用新型的一个方面，提供一种高阶光栅单纵模沟槽激光器，包括基片，所述基片的顶部设置有脊型波导，所述基片中设置有沟槽，所述沟槽设置于所述脊型波导的正下方，所述沟槽的排布方向与所述脊型波导延伸的方向倾斜布置；所述脊型波导的两侧垂直于所述脊型波导均匀设置有若干高阶光栅。
优选地，所述高阶光栅为5阶光栅。
优选地，所述基片包括底部的一次外延结构以及顶部的二次外延结构，所述沟槽设置于所述一次外延结构与所述二次外延结构之间；所述脊型波导以及所述高阶光栅为所述二次外延结构的一部分。
优选地，所述一次外延结构从下往上依次包括N-GaAs衬底、N-GaAs缓冲层、N-AlGaAs下包层、GaAs下波导层、In(Ga)As量子点有源区、GaAs上波导层以及P-GaAs/AlGaAs斜槽层，所述沟槽设置于所述P-GaAs/AlGaAs斜槽层中；所述二次外延结构从下往上依次包括P-AlGaAs上包层以及P+-GaAs衬底欧姆接触层。
优选地，所述沟槽的排布方向与所述脊型波导延伸方向的夹角为86°，所述沟槽的宽度为1μm。
优选地，所述沟槽设置有平行排布的两条，两条所述沟槽之间的距离为10μm；所述沟槽与所述基片的有源区距离50nm。
本实用新型的一个技术效果在于，本申请采用斜槽结构(最小线宽为1微米，采用普通紫外光刻技术即可)无需采用电子束光刻技术即可实现单纵模输出，极大的节省成本，而且相较于传统的DFB激光器制备工艺更简单，成品率更高；采用量子点外延结构，有利于实现低阈值、高特征温度；利用倾斜沟槽结构可以对边模消除，再结合侧向耦合高阶光栅，可以避免仅采用高阶光栅时，其耦合系数较低，不能很好的实现模式筛选的问题，进而实现精确的输出波长调控。
通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本实用新型的实施例，并且连同说明书一起用于解释本实用新型的原理。
图1是本实用新型实施例的高阶光栅单纵模沟槽激光器的结构示意图。
图2是图1中脊型波导与沟槽的位置结构示意图。
图3是图1中基片的层状结构示意图。
其中，在附图中相同的部件用相同的附图标记；附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本实用新型的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
实施例
如图1至图3所示，本实施例中的带有功率放大器的单纵模沟槽F-P激光器，包括基片100，所述基片100的顶部设置有脊型波导200，所述基片100中设置有沟槽101，所述沟槽101设置于所述脊型波导200的正下方，所述沟槽101的排布方向与所述脊型波导200延伸的方向倾斜布置；所述脊型波导200的两侧垂直于所述脊型波导200均匀设置有若干高阶光栅300。
通过本实施例该方案，沟槽101位于基片100中，能够在基片各层的外延生长过程中采用紫外光刻机光刻形成沟槽，相较于直接在脊型波导200上刻蚀，无需增加刻蚀深度，简化了工艺而且提高了成品率；而且掩埋结构的沟槽101制备在更加接近有源区102(约50nm)的位置，极大的提高了耦合效率，有利于实现更优异的选模特性。高阶光栅300相当于窄带滤波器，光波在高阶光栅300介质中传播时，满足布拉格条件的光波会被反射，不满足布拉格条件的会被透射出去，且采用掩埋式的沟槽结构后提高器件消除边摸的效果，避免了高阶光栅300耦合系数较低很难实现精准的波长输出的问题。
在本实施例或其他实施例中，所述高阶光栅300为5阶光栅，布拉格条件2n×Λ/q＝λ，其中n为材料的有效折射率，Λ是光栅的周期，q是光栅阶数，λ是激射波长。对于本实施例中GaAs基量子点激光器1.3微米波段，n＝3.325,λ＝1.3μm，q＝5，因此5阶光栅的周期为977nm，光栅与有源区的距离是150nm时，光栅可以对光形成最好的耦合。
在本实施例或其他实施例中，所述基片100包括底部的一次外延结构110以及顶部的二次外延结构120，所述沟槽101设置于所述一次外延结构110与所述二次外延结构120之间；所述脊型波导200以及所述高阶光栅300为所述二次外延结构120的一部分，方便一次性生长后光刻制作。所述一次外延结构110从下往上依次包括N-GaAs衬底、N-GaAs缓冲层、N-AlGaAs下包层、GaAs下波导层、In(Ga)As量子点有源区、GaAs上波导层以及P-GaAs/AlGaAs斜槽层，沟槽101设置于所述P-GaAs/AlGaAs斜槽层中；所述二次外延结构从下往上依次包括P-AlGaAs上包层以及P+-GaAs衬底欧姆接触层。
在本实施例或其他实施例中，为了提高选模效果，需要将谐振腔内经过沟槽的反射光消除，因此所述沟槽101的排布方向与所述脊型波导200延伸方向的夹角为86°，为了提高谐振腔整体的耦合效果以及减小由于刻蚀沟槽101带来的损耗，将所述沟槽101的宽度定为1μm，从而无需采用电子束光刻，大大简化了工艺。所述沟槽101设置有平行排布的两条，选择合适的间距使得在谐振腔中仅有一个纵模可以通过沟槽谐振，有效的消除其他纵模，两条所述沟槽101之间的距离定为10μm。
本实施例中的高阶光栅单纵模激光器的制作方法为：
首先在N-GaAs衬底层上通过MBE外延依次生长N-GaAs缓冲层、N-AlGaAs下包层、GaAs下波导层、In(Ga)As量子点有源区、GaAs上波导层、P-GaAs/AlGaAs斜槽层，完成一次外延结构的生长。
然后，采用紫外光刻机在P-GaAs/AlGaAs斜槽层上光刻形成沟槽结构，并利用干法刻蚀形成沟槽。其中沟槽的具体参数如下：与脊型波导垂直线的倾斜角度为4°、宽度为1微米、长度为10微米、两个沟槽的间距为10微米。
采用MOCVD技术在P-GaAs/AlGaAs斜槽层上方再生长形成二次外延结构，包括：生长P-AlGaAs上包层、P+-GaAs欧姆接触层，完成外延结构生长，完成了基片的制作。
制备激光器脊型波导以及高阶光栅的方法包括：在基片表面沉积氧化硅介质层，一次光刻形成脊型波导图形，刻蚀氧化硅，采用干法或湿法刻蚀对脊型波导进行刻蚀，刻蚀至距离有源区300nm处；
然后进行二次光刻制备高阶光栅，刻蚀方法为干法刻蚀，刻蚀深度为150nm；再次生长氧化硅绝缘层，对脊型波导开孔形成电流注入窗口，蒸发P面金属、减薄、蒸发N面金属，合金形成欧姆接触；对片子进行解离、光学膜蒸镀，完成激光器的制备。
本实施例的高阶光栅单纵模沟槽激光器，在单纵模F-P激光器中设置有掩埋倾斜沟槽，首先采用量子点结构实现载流子的三维限制，提高材料的微分增益，降低阈值；此外进一步采用斜槽结构实现对器件纵模的选模作用，相比于常规的DFB激光器(光栅周期约为200nm，需要电子束光刻才能实现此高精度的结构制备)，采用斜槽结构(最小线宽为1微米，采用普通紫外光刻技术即可)无需采用电子束光刻技术即可实现单纵模输出，极大的节省成本，而且相较于传统的DFB激光器制备工艺更简单，成品率更高；采用量子点外延结构，有利于实现低阈值、高特征温度；
高阶光栅相当于窄带滤波器，光波在光栅介质中传播时，满足布拉格条件的光波会被反射，不满足布拉格条件的会被透射出去。只有满足布拉格条件的反射波长才能形成稳定的谐振，布拉格条件如下：2n×Λ/q＝λ,其中n时光栅区有效折射率，Λ时光栅周期，q是光栅阶数，λ是谐振波长。
采用高阶光栅时，其耦合系数较低，不能很好的实现模式的筛选，但是利用斜槽结构可以进一步的对边模消除，进而实现精确的输出波长调控。比如，采用5阶光栅，对于1.3微米波段，此时的光栅周期约为1微米，相比于一阶光栅激光器(光栅周期约为200nm，需要电子束光刻才能实现此高精度的结构制备)，本申请采用步进式光刻机即可极大的节省成本和减小工艺难度。
虽然已经通过示例对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。
Claims (6)
1.一种高阶光栅单纵模沟槽激光器，包括基片，所述基片的顶部设置有脊型波导，其特征在于，所述基片中设置有沟槽，所述沟槽设置于所述脊型波导的正下方，所述沟槽的排布方向与所述脊型波导延伸的方向倾斜布置；所述脊型波导的两侧垂直于所述脊型波导均匀设置有若干高阶光栅。
2.根据权利要求1所述的高阶光栅单纵模沟槽激光器，其特征在于，所述高阶光栅为5阶光栅。
3.根据权利要求2所述的高阶光栅单纵模沟槽激光器，其特征在于，所述基片包括底部的一次外延结构以及顶部的二次外延结构，所述沟槽设置于所述一次外延结构与所述二次外延结构之间；所述脊型波导以及所述高阶光栅为所述二次外延结构的一部分。
4.根据权利要求3所述的高阶光栅单纵模沟槽激光器，其特征在于，所述一次外延结构从下往上依次包括N-GaAs衬底、N-GaAs缓冲层、N-AlGaAs下包层、GaAs下波导层、In(Ga)As量子点有源区、GaAs上波导层以及P-GaAs/AlGaAs斜槽层，所述沟槽设置于所述P-GaAs/AlGaAs斜槽层中；所述二次外延结构从下往上依次包括P-AlGaAs上包层以及P+-GaAs衬底欧姆接触层。
5.根据权利要求1所述的高阶光栅单纵模沟槽激光器，其特征在于，所述沟槽的排布方向与所述脊型波导延伸方向的夹角为86°，所述沟槽的宽度为1μm。
6.根据权利要求4所述的高阶光栅单纵模沟槽激光器，其特征在于，所述沟槽设置有平行排布的两条，两条所述沟槽之间的距离为10μm；所述沟槽与所述基片的有源区距离50nm。
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