一种异质集成的窄线宽表面光栅分布反馈半导体激光器的制作方法

1.本发明涉及到半导体激光器技术领域，特别涉及一种异质集成的窄线宽表面光栅分布反馈半导体激光器。


背景技术：

2.随着通讯行业的飞速发展，大数据、云计算、物联网等对通信容量的需求成指数增长趋势。
3.传统单片集成的iii-v半导体激光器报道最窄的线宽在10khz，更多的激光器是在mhz量级。低损耗半导体激光器在相干通信、射频光子、雷达以及相干传感方面都有广泛的应用。通常这些领域都需要具有低的相对噪声强度rin以及低的噪声频率也就是要求激光器具有窄线宽的激光器。
4.通常只有光纤激光器和固体激光器才可以得到khz甚至更低量级的线宽。但是这些激光器体积庞大，并且相比半导体激光器的价格昂贵。为填补这个空缺，采用带有长且低损耗光延迟线的半导体增益芯片构成的外腔激光器应运而生。这些外腔激光器常包含光纤、外部晶体亦或者fp腔体。近年来，常采用混合集成技术来装配多个半导体芯片构成的集成外腔激光器可以进一步降低成本和体积。这里，硅或者氮化硅波导优越的无源特性有优势可以直接降低激光器的噪声。异质集成激光器可以在保持与单片集成iii-v半导体激光器类似的低成本和小体积的前提下，具有与外腔激光器类似的窄线宽优势。
5.异质集成硅基光电子使得激光器集成外腔于片上成为可能。硅基异质集成涉及将未进行加工的材料键合到整片晶圆上，提供了大范围集成的可能方法。这样，最终器件也在这一片晶圆上。与混合集成相似，异质集成也具有可选择实现每个功能如激光器、低损耗波导和探测器等最优性能的材料的优势来进行高复杂性光子集成电路。这样，异质集成激光器拥有单片集成的体积优势，同时可以获得在材料选择上的灵活性，因此具有优势来获得激光器低噪声特性。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种异质集成的窄线宽表面光栅分布反馈半导体激光器。该激光器具有灵活性高、易于形成阵列集成、激光器可以实现单频点频率稳定或者频率可调谐功能等优点。
7.为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
8.一种异质集成的窄线宽表面光栅分布反馈半导体激光器，所述激光器包含三个部分分别为单片集成半导体激光器1，有源无源异质集成耦合区2，无源反馈区3；
9.所述单片集成半导体激光器结构从上往下主要包括欧姆接触层、光栅层5、上盖层6、有源区7以及下盖层8；上盖层位于所述光栅层下方，用来控制所述光栅层与激光器工作模式作用的大小，从而控制激光器输出的大小；有源区7位于所述上盖层下方，用来给所述激光器提供增益；
10.下盖层位于所述有源区的下方；
11.所述有源无源异质集成耦合区采用特殊结构实现异质集成高耦合效率过渡区；所述的特殊结构包含垂直双锥形波导结构，其中，在垂直方向上，激光器耦合输出锥形波导9位于硅基螺旋线结构的输出锥形波导10的上方，两者之间具有间距，且构成绝热双锥形垂直耦合波导；在水平方向上，激光器耦合输出锥形波导9与单片集成半导体激光器1的输出端连接，形状为梯形，螺旋线结构输出锥形波导10超出硅基螺旋线结构，形状为倒梯形；垂直双锥形波导外部包裹有介质波导，用于模斑扩展；
12.所述无源反馈区包含超长无源波导11和波导耦合区12；所述超长无源波导11为环形波导，波导耦合区12为平行设置并位于同一水平面上的两个波导，两个波导之间具有间距，能够进行光场耦合；
13.进一步的，所述单片集成半导体激光器包含两个输出端面，其中一个端面设有反射结构，使得激光器形成向着另一端面的单端输出。
14.进一步的，所述反射结构为光栅或镀膜。
15.进一步的，所述单片集成半导体激光器为dbr激光器或者dfb激光器，包含有光栅选模结构，使得激光器单模工作。
16.进一步的，所述有源无源异质集成耦合区，采用双锥型耦合波导实现高耦合效率的异质集成过渡区。
17.进一步的，波导耦合区用于分光束输出，部分光束通过波导耦合区途经异质集成耦合区反馈回单片集成半导体激光器1中，实现对单片集成半导体激光器1的反馈锁定，从而压窄激光器的线宽，另外部分实现窄线宽激光器是输出。
18.进一步的，超长无源波导为微环结构或螺旋线结构。
19.进一步的，dfb激光器或者dbr激光器为单个激光器，用于实现频率稳定窄线宽激光器，
20.进一步的，dfb激光器或者dbr激光器为阵列激光器，用于实现频率可调谐的窄线宽激光器。
21.本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
22.本发明通过异质集成一种窄线宽半导体激光器，有源区采用常规单片集成的半导体激光器，无源区采用低损耗的超长波导形成的无源反馈区，有源和无源部分通过异质集成耦合区来实现。本发明的激光器方案具有灵活性高、易于形成阵列集成、激光器可以实现单频点频率稳定或者频率可调谐功能等优点。
附图说明
23.图1是本发明异质集成的表面光栅分布反馈窄线宽半导体激光器的具体实施方式的结构示意图。
24.图2是有源无源耦合结构示意图。
25.图3是另外一种无源反馈结构示意图。
具体实施方式
26.下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
27.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.一种异质集成的窄线宽表面光栅分布反馈半导体激光器，所述激光器包含三个部分分别为单片集成半导体激光器1，有源无源异质集成耦合区2，无源反馈区3；
29.所述单片集成半导体激光器结构从上往下主要包括欧姆接触层、光栅层5、上盖层6、有源区7以及下盖层8；上盖层位于所述光栅层下方，用来控制所述光栅层与激光器工作模式作用的大小，从而控制激光器输出的大小；有源区7位于所述上盖层下方，用来给所述激光器提供增益；
30.下盖层位于所述有源区的下方；
31.所述有源无源异质集成耦合区采用特殊结构实现异质集成高耦合效率过渡区；所述的特殊结构包含垂直双锥形波导结构，其中，在垂直方向上，激光器耦合输出锥形波导9位于硅基螺旋线结构的输出锥形波导10的上方，两者之间具有间距，且构成绝热双锥形垂直耦合波导；在水平方向上，激光器耦合输出锥形波导9与单片集成半导体激光器1的输出端连接，形状为梯形，螺旋线结构输出锥形波导10超出硅基螺旋线结构，形状为倒梯形；垂直双锥形波导外部包裹有介质波导，用于模斑扩展；
32.所述无源反馈区包含超长无源波导11和波导耦合区12；所述超长无源波导11为环形波导，波导耦合区12为平行设置并位于同一水平面上的两个波导，两个波导之间具有间距，能够进行光场耦合；
33.进一步的，所述单片集成半导体激光器包含两个输出端面，其中一个端面设有反射结构，使得激光器形成向着另一端面的单端输出。
34.进一步的，所述反射结构为光栅或镀膜。
35.进一步的，所述单片集成半导体激光器为dbr激光器或者dfb激光器，包含有光栅选模结构，使得激光器单模工作。
36.进一步的，所述有源无源异质集成耦合区，采用双锥型耦合波导实现高耦合效率的异质集成过渡区。
37.进一步的，波导耦合区用于分光束输出，部分光束通过波导耦合区途经异质集成耦合区反馈回单片集成半导体激光器1中，实现对单片集成半导体激光器1的反馈锁定，从而压窄激光器的线宽，另外部分实现窄线宽激光器是输出。
38.进一步的，超长无源波导为微环结构或螺旋线结构。
39.进一步的，dfb激光器或者dbr激光器为单个激光器，用于实现频率稳定窄线宽激光器，
40.进一步的，dfb激光器或者dbr激光器为阵列激光器，用于实现频率可调谐的窄线宽激光器。
41.下面为一更具体的实施例：
42.本实施例结构示意图如图1所示，激光器包含三个部分分别为单片集成的表面光栅分布反馈dfb半导体激光器1，有源无源异质集成耦合区2和无源反馈区3；
43.单片集成的表面光栅dfb激光器1的外延结构从上往下包括欧姆接触层4、光栅层5、上盖层6、有源区7以及下盖层8；
44.有源无源异质集成耦合区2包括有源波导锥形9和无源波导锥形10如图2所示；
45.无源反馈区3包含低损耗环形波导结构11和无源耦合区12；
46.无源反馈区3还可以为无源螺旋型波导13和无源耦合区14如图3所示；
47.一种异质集成的窄线宽表面光栅分布反馈半导体激光器，其特征在于，所述激光器包含三个部分分别为单片集成半导体激光器1部分，有源无源异质集成耦合区2，无源反馈区3；
48.单片集成半导体激光器结构从上往下主要包括欧姆接触层、光栅层5、上盖层6、有源区7以及下盖层8；
49.上盖层位于所述光栅层下方，用来控制所述光栅层与激光器工作模式作用的大小，从而控制激光器输出的大小，有源区位于所述上盖层下方，用来给所述激光器提供增益，可以是半导体材料、量子阱、量子线、量子点、量子级联等结构；下盖层位于所述有源区之下。
50.所述有源无源异质集成耦合区采用特殊结构实现异质集成高耦合效率过渡区，该特殊结构包含垂直双锥形波导结构，即在垂直方向上，激光器耦合输出锥形波导9在上，硅基螺旋线结构输出的锥形波导10在下，构成绝热双锥形垂直耦合波导；在水平方向上，激光器输出锥形波导9超出传统单片集成激光器外，形状为梯形，螺旋线结构输出锥形波导10超出螺旋线结构，形状为倒梯形；双锥形波导外部被介质波导包裹用于模斑扩展；
51.所述无源反馈区包含超长无源波导和波导耦合区，其中无源波导11为弯曲半径较大的环形波导，波导耦合区12为两根波导在同一个水平面上，水平间隔较小，可以进行光场耦合。
52.单片集成半导体激光器包含两个输出端面，其中一个端面设有光栅或者镀膜等反射结构，使得激光器形成向着另一端面的单端输出。
53.有源无源异质集成耦合区，采用垂直双锥型耦合波导实现高耦合效率的异质集成过渡区。
54.无源波导耦合结构，该耦合结构用于分光束输出，部分光束通过该耦合区途经有源无源耦合区反馈回半导体激光器中，实现对半导体激光器的反馈锁定，从而压窄激光器的线宽，另外部分实现窄线宽激光器是输出。
55.单片集成的表面光栅dfb激光器采用表面光栅避免激光器的二次外延，其中dfb的光栅采用两端式光栅形成单模dfb激光器，可参见中国发明专利：一种基于表面光栅的dfb激光器，专利号：cn106848835b和一种低成本、高成品率的短腔长分布反馈激光器，专利号：201720829192.6，激光器的一端镀抗反膜，另一端集成半导体光放大器实现对激光器的增益放大。半导体光放大器输出与dfb波导方向需有倾角，这样可以避免激光器输出的端面反射。激光器外延结构采用n-i-p结构，这样可以减小激光器的串联电阻可参见中国发明专利：一种基于表面光栅的dfb激光器，专利号：cn106848835b。
56.一种异质集成窄线宽半导体激光器的简要制作步骤包括：
57.1)单片集成半导体激光器的外延结构伸长，
58.2)激光器晶圆结构和无源硅基晶圆进行晶圆键合，
59.3)表面光栅dfb激光器的制作，
60.4)无源波导的制作，
61.5)双锥型耦合波导的制作。
62.综上所述，本发明提出了一种异质集成窄线宽半导体激光器。激光器主要包括三部分，分别为常规单片集成的半导体激光器为有源区，无源区采用低损耗的超长波导形成的无源反馈区，有源和无源部分通过异质集成耦合区来实现。本发明的激光器方案具有灵活性高、易于形成阵列集成、激光器可以实现单频点频率稳定或者频率可调谐功能等优点。
63.基于上述本发明的设计和运行原理，本领域人员完全能够理解，本具体的一种异质集成窄线宽半导体激光器仅仅只是举例说明，并未对dfb激光器结构、通道数量、无源波导等结构做具体限定。
64.最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。