一种1342纳米波长大功率微结构DFB激光器的制作方法

一种1342纳米波长大功率微结构dfb激光器
技术领域
1.本发明涉及一种dfb激光器，具体涉及一种1342纳米波长大功率微结构dfb激光器及其制作方法,属于光子光电子器件技术领域。


背景技术：

2.半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦，其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且可以用高达几十ghz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面得到了广泛的应用；也使得半导体激光器得以高功率应用，如作为打标、焊接、切割等激光器的泵浦光源。
3.近年来人们对通信容量、信息收集整合与传输的速度等性能的需求日渐增长，对系统中光源的性能也提出了更高的要求。对于接入网、数据中心，要求带宽高、成本低、功耗小，1342nm直接调制大功率分布反馈（dfb）激光器是其中的关键技术；在硅基光子学、50g pon 硅光光源等应用中有重要需求。
4.dfb边发射激光器是指激光出射方向沿着水平方向，即与材料生长方向相垂直。边发射激光器由于可获得更高的功率、效率及光谱特性，目前普遍应用于通信及泵浦领域。
5.通常的半导体dfb边发射激光器由于采用均匀光栅周期折射率导引而会有双模激射或者单模成品率较低的现象，为了提高单模产出会引入相移，大幅度增加工艺难度和成本，常规的dfb结构由于光模式体积所限容易饱和，也不利于大功率输出。


技术实现要素：

6.为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种1342纳米波长大功率微结构dfb激光器。
7.为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：一种1342纳米波长大功率微结构dfb激光器，包括用于1342纳米波长大功率dfb激光器制作的外延材料，所述外延材料包括基于衬底的叠层a和叠层b，n电极覆于衬底底面，p电极通过绝缘层设于叠层b的顶面；所述叠层b呈两侧有对称凸起的脊条状覆于叠层a的顶面；所述叠层b包括依次叠覆的光栅层、上盖层和接触层。
8.上述脊条宽度为2-10um，长度为300-2000um。
9.上述凸起的尺寸为2-3 um，呈正方形。
10.上述叠层a包括依次叠覆的下盖层、下波导层、多量子陷有源区、上波导层。
11.进一步的，上述下盖层和下波导层间还有稀释波导层。
12.再进一步的，上述稀释波导层的材料为1.15q ingaasp/inp多层结构，层数为2-10层；掺杂浓度3*10
17
/cm31*10
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/cm3，n型导电；其中，1.1q ingaasp层厚为10nm，inp层厚为
200-400nm。
13.进一步的，上述多量子阱有源区为algainas体系多量子阱，发射谱中心波长位于1342纳米，量子阱数量为3-9个阱。多量子阱区是一种应变补偿结构，并且折射率高于波导层，非故意掺杂。
14.上述光栅层的材料为inalas/inp/1.15q ingaasp/inp/1.2q ingaasp/inp复杂多层结构；光栅层厚度为20-150nm，掺杂浓度3*10
17
/cm3至1*10
18
/cm3，p型导电。
15.上述上盖层的材料为inp；掺杂浓度5*10
17
/cm3至5*10
18
/cm3，p型导电，厚度为500nm-2000nm。
16.上述接触层的材料为ingaas；掺杂浓度1*10
19
/cm3至5*10
19
/cm3，p型导电，厚度为10-200nm。
17.进一步的，上述下盖层的材料为n型inp；掺杂浓度5*10
17
/cm3至5*10
18
/cm3，n型导电。
18.进一步的，上述下波导层的材料为algainas/alinas/algainas多层结构，多层厚度为50-300nm，组份渐变，掺杂浓度范围为3*10
17
/cm3至5*10
17
/cm3；n型导电。
19.进一步的，上述上波导层的材料分别为algainas/alinas/algainas多层结构，多层厚度为50-300nm，组份渐变，掺杂浓度范围为3*10
17
/cm3至5*10
17
/cm3；p型导电。
20.进一步的，上述衬底的材料为inp单晶材料，n型导电。
21.上述绝缘层的材料为二氧化硅或者氮化硅，厚度为200-1000nm。
22.上述n电极的材料为augeni/au，厚度为100-500nm。
23.上述p电极的材料为tiau，厚度为0.3-2um。
24.上述的激光器的制作方法，包括以下步骤：s1、在外延材料上，光刻出两侧有对称凸起的脊条状图形，沿图形刻蚀叠层b至上波导层；s2、于叠层b上生长绝缘层，并腐蚀出电极窗口，光刻及金属剥离形成p电极；s3、减薄衬底后，蒸发n型电极，退火；s4、解理；s5、镀膜；s6、测试封装。
25.上述步骤s1中的刻蚀为干法湿法相结合，采用工艺为感应诱导等离子刻蚀技术。
26.上述步骤s3中的减薄后的晶片的厚度为120-150um。
27.上述步骤s4中的解理，巴条解理长度在300-3000um。
28.上述步骤s5中的镀膜，包括全反膜、增透膜；全反膜采用二氧化硅/二氧化钛多层膜结构，增透膜为三氧化二铝及硒化锌结构。
29.上述步骤s6中的封装，满足与硅波导高效耦合封装结构。
30.本发明的有益之处在于：本发明的一种1342纳米波长大功率微结构分布反馈（dfb）激光器，采用满足1342纳米发射波长需要的量子阱结构，通过微结构与普通分布反馈光栅结合，实现单模工作，进一步引入多层稀释波导结构扩大光功率输出，满足了大功率输出需要，在不增加工艺难度的基础上大幅度提高器件成品率。解决了通常的半导体dfb边发射激光器由于采用均匀光
栅周期折射率导引而使得会有双模激射或者单模成品率较低的现象，为了提高单模产出会引入相移，大幅度增加工艺难度和成本的问题，同时解决了常规的dfb结构由于光模式体积所限容易饱和，不利于大功率输出的问题，使得本发明的激光器可面向50g pon硅光应用，具有很强的实用性和广泛的适用性。
附图说明
31.图1为外延材料的结构示意图。
32.图2为1342纳米波长大功率微结构dfb激光器结构图。
33.图3为加入稀释波导前后的光场模式体积比较图。
34.图4为本发明的激光器的光谱。
35.图5为本发明的激光器p-i-v（功率-电流-电压）性能曲线图。
36.附图中标记的含义如下：1、接触层，2、上盖层，3、光栅层，4、上波导层，5、多量子阱有源区，6、下波导层，7、稀释波导层，8、下盖层，9、衬底，10、n电极，11、凸起，12、p电极。
具体实施方式
37.以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
38.一种1342纳米波长大功率微结构dfb激光器，由11个层结构和1个微结构组成，分别为依次覆于衬底9的下盖层8、稀释波导层7、下波导层6、多量子阱有源区5、上波导层4、光栅层3、上盖层2、接触层1、和绝缘层， n电极10覆于衬底底面，p电极12设于绝缘层并在脊形条处与接触层相连。如图2所示。
39.外延材料中的下盖层、稀释波导层、下波导层、多量子阱有源区、上波导层构成层叠a，光栅层、上盖层、接触层构成层叠b；且层叠b呈脊条状覆于叠层a的顶面，微结构对称的设于叠层a的两侧，呈正方形的凸起11状。脊条宽度为2-10um，长度为300-2000um；凸起的尺寸为2-3 um。
40.本发明的外延材料的选择如下：稀释波导层的材料为1.15q ingaasp/inp多层结构，层数为2-10层；掺杂浓度3*10
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/cm31*10
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/cm3，n型导电；其中，1.1q ingaasp层厚为10nm，inp层厚为200-400nm。
41.多量子阱有源区为algainas体系多量子阱，发射谱中心波长位于1342纳米，与激光器激射波长相匹配，量子阱数量为3-9个阱。且，多量子阱区是一种应变补偿结构，并且折射率高于波导层，非故意掺杂。
42.光栅层的材料为inalas/inp/1.15q ingaasp/inp/1.2q ingaasp/inp复杂多层结构；光栅层厚度为20-150nm，掺杂浓度3*10
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/cm3至1*10
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/cm3，p型导电。光栅周期满足1342纳米工作波长的谐振要求。
43.在本层利用光刻技术结合rie干法刻蚀制作大面积一阶或二阶光栅并清洗之后，进行第二次外延生长，形成稀释波导层、上该层及接触层等。
44.上盖层的材料为inp；掺杂浓度5*10
17
/cm3至5*10
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/cm3，p型导电，厚度为500nm-2000nm。
45.接触层的材料为ingaas；掺杂浓度1*10
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/cm3至5*10
19
/cm3，p型导电，厚度为10-200nm。
46.下盖层的材料为n型inp；掺杂浓度5*10
17
/cm3至5*10
18
/cm3，n型导电。
47.下波导层的材料为algainas/alinas/algainas多层结构，多层厚度为50-300nm，组份渐变，掺杂浓度范围为3*10
17
/cm3至5*10
17
/cm3；n型导电。
48.上波导层的材料分别为algainas/alinas/algainas多层结构，多层厚度为50-300nm，组份渐变，掺杂浓度范围为3*10
17
/cm3至5*10
17
/cm3；p型导电。
49.衬底的材料为inp单晶材料，n型导电。
50.绝缘层的材料为二氧化硅或者氮化硅，厚度为200-1000nm。
51.n电极的材料为augeni/au，厚度为100-500nm。
52.p电极的材料为tiau，厚度为0.3-2um，用以改善热特性。
53.激光器的制作方法，包括以下步骤：s1、在外延材料上，光刻出两侧有对称凸起的脊条状图形，沿图形刻蚀叠层b至上波导层；刻蚀工艺为干法湿法相结合，所利用的工艺为感应诱导等离子刻蚀技术。
54.s2、于叠层b上生长绝缘层，并腐蚀出电极窗口，光刻及金属剥离形成p电极。
55.s3、减薄衬底后，减薄后的晶片的厚度为120-150um，即保证强度，又有利于散热；利用电子束蒸发成n型电极，退火。
56.s4、解理；巴条解理长度在300-3000um。
57.s5、镀膜；包括全反膜、增透膜；全反膜采用二氧化硅/二氧化钛多层膜结构，增透膜为三氧化二铝及硒化锌结构，增大腔面灾变阈值。
58.s6、测试封装；满足与硅波导高效耦合封装结构。
59.本发明的单模工作原理是基于dfb光栅和微结构共同作用形成，在不增加工艺复杂性的情况下提高良率，具体为：普通结构的分布反馈半导体激光器(dfb-ld)，在高速调制状态下会发生多模工作现象，从而限制了传输速率。因此，设计和制作在高速调制下仍能保持单纵模工作的激光器是十分重要的，实现动态单纵模工作的最有效的方法之一，就是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅，依靠光栅的选频原理来实现纵模选择。在端面反射为零的理想情况下，理论分析指出：折射率耦合dfb-ld在与布拉格波长相对称的位置上存在两个谐振腔损耗相同且最低的模式。这样容易发生双模激射或者跳模现象，影响信号传输。
60.对于实际的dfb-ld来说，光栅两端的端面是存在反射的，不仅反射率的强度不为零，而且两个端面的反射相位也不确定。这是由于实际器件制作中，端面位于光栅一个周期中的哪个位置是不可控制的。
61.对于纯折射率耦合dfb-ld来说，在相当一部分相位下，模式简并可以被消除，器件可以实现单模工作。
62.最早的折射率耦合dfb-ld就是通过这种方法实现单模激射的。但是由于反射相位具有随机性，这就导致了单模成品率问题。对于激光器端面无镀膜的情况，这一概率为20%～50%。另外，激光器端面镀膜对dfb-ld的单模成品率有较大的影响，在dfb-ld一个端面镀低反射膜，另一个端面镀高反射膜时，单模成品率可达50%。
63.在光栅的中心引入一个四分之一波长相移区，是消除双模简并，实现单模工作的有效方法，可使单模产生率达到90%以上。这种方法的最大优点在于它的模式的阈值增益差大，可以实现真正的动态单模工作。但是，它的制作工艺十分复杂且需要在两个端面蒸镀抗
反射膜。
64.本发明基于以上四分之一波长相移原理，激光器内部使用常规均匀光栅，而在脊形条上通过做一个小突起，该结构可引入等效四分之一波长相移，从而提高单模产生率，可达90%以上。
65.本发明通过引入多层稀释波导解决易饱和问题，扩大光功率输出，具体为：常规的激光器波导结构，中间为芯区折射率高(3.4)，两侧为盖层，折射率低(3.17)。
66.本发明的多层稀释波导在以上波导基础上，其中一侧盖层中引入由薄层inp材料和ingaasp材料交替组成的薄膜结构，可通过灵活的改变inp和ingaasp的材料厚度来改变材料的有效折射率，同时非对称波导结构的引入可改善激光器的出光功率。
67.如图3所示，在常规的材料结构基础上引入了稀释波导结构（图a为常规波导，图b为加入稀释波导）。盖层中引入含周期分布ingaasp/inp的稀释波导结构，此结构的优势有：合理优化ingaasp/inp的厚度可以很好的调节材料的有效折射率；利用非对称结构将光场模式分布拉向n层减小光在p型材料中的限制因子进而减小损耗；合理设计稀释波导结构同时还可以实现优化远场发散角。图3（b）中加入稀释波导后的光场模式体积明显大于常规波导模式体积，从而可容纳更高的光功率，解决了易饱和问题，扩大光功率输出。
68.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。