一种全调谐范围内激射性能高度一致的DBR半导体激光器的制作方法

本发明属于半导体光电子器件的，尤其涉及一种宽调谐dbr半导体激光器。

背景技术：

1、在光通信、光传感、光测量等技术领域，可调谐半导体激光器能够根据实际需求动态调整输出波长，是实现波长路由、波分复用、光谱分析以及光纤传感等核心功能的关键器件之一，具有重要的应用价值与广阔的市场前景。目前，常见的可调谐半导体激光器主要包括可调谐外腔激光器、可调谐分布反馈（dfb）激光器阵列以及可调谐分布布拉格反射（dbr）激光器等类型。其中，可调谐外腔激光器通常体积较大、机械结构复杂，不利于集成；可调谐dfb激光器阵列需要多个独立激光器配合波长选择开关，系统成本高、调谐速度受限。相较于上述两种方案，可调谐dbr激光器具有结构相对简单、调谐范围更宽、开关速度更快等优势，因而在实际应用中显示出更大的潜力。

2、可调谐dbr激光器基于游标效应工作，典型结构包括前取样光栅区、增益区、相位区和后取样光栅区。通过对前、后取样光栅区分别施加不同的注入电流，可以改变各自的有效折射率，从而移动其反射峰的位置；利用两个光栅反射峰间隔的微小差异所产生的游标效应，能够实现反射峰的大范围调谐，进而调控激光器的激射波长。该机制使得可调谐dbr激光器在较宽的波长范围内具备连续或准连续调谐能力。

3、然而，现有可调谐dbr激光器在实际应用中仍存在明显的性能缺陷。一方面，取样光栅在中心波长处的反射峰与调谐范围内边缘波长处的反射峰之间存在较大的反射率差异，通常高达20%以上；另一方面，激光器有源区材料的增益谱具有中心波长增益高、两侧波长增益低的固有分布特性。在上述两个因素的共同作用下，目前的可调谐dbr激光器在中心波长与调谐范围边缘波长处的激射特性（包括输出功率、阈值电流、边模抑制比、线宽等关键参数）差距显著。这种不一致性导致激光器无法在整个可调谐波长范围内保持稳定、均衡的性能输出，难以满足光通信、光传感、光测量等领域对全波长调谐范围内激射性能一致性的严格要求。虽然可以采用超结构光栅等方式实现反射谱的平坦化，但这类光栅结构复杂，工艺要求极高，难以实现规模化生产。因此，如何改善可调谐dbr激光器在全调谐范围内的激射特性均匀性，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有可调谐dbr激光器在中心波长与调谐范围边缘波长处的激射特性（包括输出功率、阈值电流、边模抑制比、线宽等关键参数）差距显著，无法在整个可调谐波长范围内保持稳定、均衡的性能输出，难以满足光通信、光传感、光测量等领域对全波长调谐范围内激射性能一致性的严格要求。本发明提出一种调谐范围内激射性能高度一致的dbr半导体激光器，一方面优化取样光栅结构，对前、后光栅的反射峰进行平坦化处理，减小中心波长与边缘波长之间的反射率差异；另一方面改进有源区结构设计，拓展其3db增益带宽，削弱有源区增益谱中心高、两侧低的不利影响。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种全波长调谐范围内激射性能高度一致的dbr半导体激光器，包括衬底、形成于衬底上的外延堆叠结构，以及分别设置于衬底背面与外延堆叠结构顶部的n电极和p电极；所述外延堆叠结构由下至上依次包括缓冲层、下限制层、光栅层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层和p型欧姆接触层；

4、所述dbr半导体激光器沿谐振腔长度方向依次划分为后光栅区、第一隔离区、相位区、第二隔离区、增益区、第三隔离区和前光栅区。

5、进一步地，后光栅区作为激光腔的后端反射镜，刻有多周期取样光栅，其特性是反射一系列具有固定波长间隔（δλ1）的激光。此区域注入电流可以改变该区域材料的有效折射率，从而使一系列反射峰波长发生移动。

6、进一步地，前光栅区作为激光腔的前端反射镜，也刻有多周期取样光栅，从而反射一系列具有固定波长间隔（δλ2，且δλ1≠δλ2）的激光。此区域注入电流可以改变前光栅区的有效折射率，从而使一系列反射峰波长发生移动。当前后取样光栅的某一个反射峰在某一波长处对齐时，该波长处的反射率最高，满足激光振荡条件，从而产生激射。此时，通过分别改变注入前、后光栅的电流，可以改变各自的有效折射率，从而使其整个反射峰梳状谱发生移动。由于δλ1≠δλ2，反射峰相对移动后，会在一个新的波长处重新对齐，而其他波长处的反射峰则保持错位。这样，激射波长就会从前一对齐点“跳”到下一个对齐点，实现波长调谐。

7、进一步地，相位区材料结构与前、后光栅区相同，但是没有光栅结构。注入该区域的电流会改变材料的有效折射率，从而微调激光器腔内的光程，确保激光腔的纵模模式与前后光栅反射峰精确对齐，实现连续的波长调谐。

8、进一步地，增益区的目的是提供光放大。通过向该区域注入电流，电子与空穴复合，产生受激辐射光放大，为整个激光器提供能量。

9、进一步地，隔离区的作用是实现各功能区之间的电学隔离。该区域通常通过物理刻蚀或离子注入等方式形成高电阻区，确保注入到每个区域（如增益区、相位区、光栅区）的电流相互独立，这是实现独立精确控制的基础。

10、实现全波长调谐范围内激射性能高度一致的特征在于：

11、（一）平坦化反射谱的取样光栅设计

12、为实现全波长调谐范围内激射性能的高度一致，本发明对前取样光栅区和后取样光栅区的反射谱进行了平坦化设计。具体地，所述前取样光栅区和后取样光栅区被设计为具有平坦化的反射谱，使得在所述dbr激光器的整个可调谐波长范围内，中心波长处的反射峰与边缘波长处（例如±5阶反射峰对应波长）的反射峰之间的反射率差异不超过5%。相比之下，现有常规取样光栅的该差异通常在20%以上，是导致激射特性全波段不均匀的主要原因。

13、为实现上述平坦化反射谱，所述前取样光栅区和后取样光栅区均采用较小的取样占空比，该占空比设定为小于10%，优选4%～6%。小占空比能够显著展宽反射谱包络的主瓣宽度，并降低各阶反射峰之间的相对幅度差异，从而使0阶反射峰与高阶反射峰的反射率差在整个调谐范围内保持在5%以内。需要说明的是，减小取样占空比会降低光栅耦合系数。为此，本发明通过增加光栅刻蚀深度来提高折射率调制幅度，并适当增加取样光栅的总长度，从而补偿峰值反射率，确保激光器阈值电流和输出功率不受影响。

14、通过上述设计，前、后取样光栅区的反射谱包络被显著平坦化，在游标效应调谐过程中，无论激射波长位于调谐范围的中心还是边缘，光栅反射率均保持基本一致。该结构无需引入超结构光栅等工艺复杂度过高的结构，完全兼容常规半导体加工工艺。

15、（二）拓展3db增益带宽的有源区设计

16、所述有源区被设计为具有拓展的3db增益带宽，其增益谱的3db带宽相比常规dbr激光器有源区至少拓宽70%。常规有源区的3db带宽通常为40nm左右，本发明中有源区的3db带宽可达到70nm以上，甚至更宽。

17、为实现上述拓展带宽，所述有源层为多层堆叠结构，其内部各功能子层的结构参数不完全相同。

18、进一步的，所述有源区采用多量子阱结构，并通过调节量子阱的阱层厚度、垒层厚度及应变量，使其增益谱具有较高的增益平坦度。具体地：

19、材料体系：选用inalgaas或ingaasp材料体系，其在宽波长范围内具有较好的增益特性；

20、阱层厚度：设计为5～10nm；

21、垒层厚度：设计为8～12nm；

22、应变引入：在不同量子阱中引入不同的压应变（例如0.5%～1.5%），以改变能带结构，增强价带轻空穴与重空穴的分离效应，从而拓展增益谱宽度；同时，在不同势垒层中引入不同的张应变，进一步拉大能带偏移、拓宽增益带宽；

23、多量子阱周期数：周期数可设为5～10个周期，以平衡增益大小与带宽。

24、同样地，为实现拓展带宽，所述有源区采用多量子点结构，并通过调节量子点的尺寸均匀性及应变量，使其增益谱具有较高的增益平坦度。具体地：

25、材料体系：选用inas/gaas量子点材料体系；

26、尺寸不均匀性调控：引入适度的量子点尺寸不均匀性（尺寸波动±10%～15%），使得各量子点的基态跃迁能量呈梯度分布，叠加后形成宽而平坦的增益谱；

27、应变工程：在量子点层引入适量的压应变，在间隔层中引入张应变，进一步调节能级分布，抑制高阶态填充效应，从而保证在宽调谐范围内增益均匀且饱和输出功率稳定。

28、多量子点周期数：周期数可设为5～10个周期，以平衡增益大小与带宽。

29、（三）协同调谐工作方式

30、在器件工作时，通过对前取样光栅区和后取样光栅区分别施加不同的注入电流，改变各自的有效折射率，利用游标效应使两个光栅的反射峰对齐位置发生连续变化，从而实现激射波长的连续调谐。同时，对有源区施加泵浦电流以提供光增益。由于前、后取样光栅的反射谱已被平坦化，且在有源区宽增益带宽的支持下，即使激射波长移动至调谐范围的边缘，反射率和材料增益的下降程度均被显著抑制，从而使得输出功率、阈值电流、边模抑制比、线宽等关键激射特性在整个调谐范围内保持高度一致。

31、本发明所提供的技术方案，不依赖于超结构光栅等高精度、高成本的复杂工艺，仅通过常规半导体工艺可实现的小取样占空比及多量子阱组分/厚度调节等手段，即可显著提升可调谐dbr激光器的全波长调谐性能一致性，具有良好的可制造性和重复性。

32、本发明的有益效果：

33、（1）本发明通过对取样光栅反射谱的平坦化设计，使中心波长与边缘波长处的反射率差异从现有的20%以上大幅降低至5%以内；同时，通过拓展有源区3db增益带宽，将常规40nm左右的3db带宽拓宽至70nm以上，有效克服了有源区增益中心高、两侧低的固有缺陷。两者协同作用，使得dbr激光器在从最短调谐波长到最长调谐波长的整个范围内，输出功率、阈值电流、边模抑制比、线宽等关键参数均能保持高度稳定，能够满足光通信、光传感、光测量等领域对全波段均衡性能的严格要求。

34、（2）本发明避免采用超结构光栅等高精度、高成本的反射谱平坦化方案，所采用的小取样占空比光栅设计可通过常规的全息曝光或步进光刻结合反应离子刻蚀等标准半导体工艺实现，工艺窗口宽、重复性好。同时，有源区的结构调整属于半导体激光器领域的常规技术，不涉及额外的复杂生长步骤。技术方案在保持优秀性能的同时，不增加实质性工艺难度，产业化可行性高。

35、（3）本发明保持可调谐dbr激光器的基本多区结构，不需要引入额外的光学元件、外腔结构或多激光器阵列。器件为全单片集成，体积小、机械稳定性高；单个激光器即可实现宽范围连续调谐，避免了多器件集成带来的系统复杂性和高成本，维持了可调谐dbr激光器原有的结构与成本优势。

36、（4）本发明沿用电流调谐机制，调谐速度可达微秒甚至纳秒量级，远快于机械调谐的外腔激光器，适用于需要快速波长切换的应用场景，如光包交换、快速光谱扫描、波分复用网络中的动态波长分配等。

37、（5）本发明的技术方案不局限于特定材料体系或工作波段，既可采用inp基材料体系制作o波段、c波段和l波段器件，也可采用gaas基材料体系制作o波段或其他特殊波段器件，通过参数调整可推广至多个波段，满足不同领域的应用需求。