具有模场扩散结构的窄脊分布式反馈激光器及其应用的制作方法

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种具有模场扩散结构的窄脊分布式反馈激光器及其应用。

背景技术：

高速半导体激光器是高速通信系统的核心器件。高性能的发射机是由高功率、低噪声的dfb(分布式反馈)激光器作为光源，并通过直接调制或外调制来实现数据的加载。直接调制格式通过改变激光器注入电流的大小来实现光振幅的改变，外调制技术则采用外部光调制器来调制半导体激光器发射的连续光。外调制器可以实现较宽的调制频率范围，但是体积大，成本高，驱动电压高，插入损耗大6～7db。而直接调制半导体激光器具有工艺简单、体积小、功耗低、高线性、使用方便等优势，适用于短距离传输，是城域网和局域网的关键发射源。在数据中心、超级计算等高速信号处理系统也具有重要的应用。为了提升传输速率，降低每比特传输成本，pam4技术得到广泛应用。而pam4技术不仅需要直调激光器带宽高，还要有更大的动态范围。

inp基高速直调dfb激光器是光通信系统中1.3微米和1.55微米光通信窗口的主要发射源。激光器的量子阱结构主要有ingaasp和algainas两种材料体系。一般高速半导体激光器的结构为窄脊波导短腔长，激光器的功率较低，端面损伤阈值低。直调dfb激光器随着注入电流的增加，激光器输出功率变大，当注入电流过大，端面容易发生光学损伤，频响变差。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种具有模场扩散结构的窄脊分布式反馈激光器及其应用，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种具有模场扩散结构的窄脊分布式反馈激光器，包括：

n面电极层，用于构成欧姆接触；

衬底层，其设置在n面电极层之上；

缓冲层，其设置在衬底层之上，起缓冲作用；

第一波导层，其设置在衬底层之上，用于限制光场；

多量子阱有源层，其设置在第一波导层之上，用于产生光的受激辐射；

第二波导层，其设置在多量子阱有源层之上，用于限制光场；

光栅层，其设置在第二波导层之上，用于选模；

刻蚀自停止层，其设置在光栅层之上，用于控制刻蚀深度；

包层，其设置在刻蚀自停止层之上，用于限制光场和载流子扩散；

欧姆接触层，其设置在包层之上；以及

p面电极层，其设置在欧姆接触层之上，用于构成欧姆接触；

其中，在所述包层和欧姆接触层上刻蚀形成脊波导，脊波导包括直波导和模场扩散结构。

作为本发明的另一个方面，还提供了一种如上所述的分布式反馈激光器在光通信领域的应用。

基于上述技术方案可知，本发明的具有模场扩散结构的窄脊分布式反馈激光器及其应用相对于现有技术至少具有以下优势之一：

本发明利用水平方向脊宽的收缩，端面脊的断开以及端面淀积一层低折射率材料薄膜此三种方案，能够有效地增大输出激光的模场面积，降低激光器端面的功率密度，提高激光器端面的损伤阈值，增大最大注入电流，增大带宽，提高无杂散动态范围，改善激光器的高频响应特性，提高调制速率。

附图说明

图1a是本发明实施例中模场扩散结构为收缩脊波导结构的窄脊dfb激光器的立体结构示意图(不带n面电极层及p面电极层)；

图1b是本发明实施例中模场扩散结构为断脊结构的窄脊dfb激光器的立体结构示意图(不带n面电极层及p面电极层)；

图1c是本发明实施例中模场扩散结构为膜结构的窄脊dfb激光器的立体结构示意图(不带n面电极层及p面电极层)；

图2是图1a的主视方向结构示意图；

图3是图1a的侧视方向结构示意图；

图4a是本发明实施例中具有模场扩散结构的窄脊dfb激光器模场扩散结构为收缩脊波导结构的俯视方向结构示意图；

图4b是本发明实施例中具有模场扩散结构的窄脊dfb激光器模场扩散结构为断脊结构的俯视方向结构示意图；

图4c是本发明实施例中具有模场扩散结构的窄脊dfb激光器模场扩散结构为膜结构的俯视方向结构示意图。

附图标记说明：

1-inp衬底；2-缓冲层；3-下波导层；4-多量子阱有源层；5-上波导层；6-光栅层；7-刻蚀自停止层；8-包层；9-欧姆接触层；10-脊波导；11-沟道；12-膜结构；13-p面焊盘电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种分布式反馈激光器，包括：

n面电极层，用于构成欧姆接触；

衬底层，其设置在n面电极层之上；

缓冲层，其设置在衬底层之上，起缓冲作用；

第一波导层，其设置在衬底层之上，用于限制光场；

多量子阱有源层，其设置在第一波导层之上，用于产生光的受激辐射；

第二波导层，其设置在多量子阱有源层之上，用于限制光场；

光栅层，其设置在第二波导层之上，用于选模；

刻蚀自停止层，其设置在光栅层之上，用于控制刻蚀深度；

包层，其设置在刻蚀自停止层之上，用于限制光场和载流子扩散；

欧姆接触层，其设置在包层之上；以及

p面电极层，其设置在欧姆接触层之上，用于构成欧姆接触；

其中，在所述包层和欧姆接触层上刻蚀形成脊波导，脊波导包括直波导和模场扩散结构。

在本发明的一些实施例中，所述模场扩散结构为收缩脊波导结构，收缩脊波导结构与直波导连接。

在本发明的一些实施例中，所述收缩脊波导结构呈收喇叭口状；

在本发明的一些实施例中，所述收缩脊波导结构的收缩角度为0.4度至5度；

在本发明的一些实施例中，所述收缩脊波导结构的长度为20微米至80微米；

在本发明的一些实施例中，所述收缩脊波导结构设置在脊波导靠近出光面或背光面的一端。

在本发明的一些实施例中，所述模场扩散结构为断脊结构，所述断脊结构与出光面或背光面端面的距离为5微米至40微米。

在本发明的一些实施例中，所述模场扩散结构为膜结构，所述膜结构淀积在直波导出光面或背光面的端面上。

在本发明的一些实施例中，所述膜结构的折射率在1至3之间；

在本发明的一些实施例中，所述膜结构的材料包括sio2、al2o3、mgf2等；

在本发明的一些实施例中，所述膜结构的厚度为0.5微米至3微米。

在本发明的一些实施例中，所述脊波导的底部设置在刻蚀自停止层之上，p面电极层覆盖在脊波导层顶部，并由一圆形焊盘引出；

在本发明的一些实施例中，所述脊波导的宽度为1微米至3微米，深度为1.5微米至2.5微米；

在本发明的一些实施例中，所述脊波导是在包层和欧姆接触层上刻蚀两条沟道形成的，所述的沟道宽度为8微米至15微米。

在本发明的一些实施例中，所述分布式反馈激光器的背光面镀有高反膜，出光面镀有增透膜。

在本发明的一些实施例中，所述衬底层采用的材料包括inp；

在本发明的一些实施例中，所述缓冲层采用的材料包括硅掺杂inp；

在本发明的一些实施例中，所述缓冲层的厚度为400纳米至500纳米；

在本发明的一些实施例中，所述第一波导层采用的材料包括ingaasp；

在本发明的一些实施例中，所述第二波导层采用的材料包括ingaasp；

在本发明的一些实施例中，所述多量子阱有源层采用的是ingaasp多量子阱结构；

在本发明的一些实施例中，所述光栅层采用全息曝光的方法获得；

在本发明的一些实施例中，所述p面电极采用的材料包括钛铂金，n面电极采用的材料包括金锗镍。

本发明还公开了如上所述的分布式反馈激光器在光通信领域的应用。

在一个示例性实施例中，本发明的半导体激光器是一种具有模场扩散结构的窄脊dfb激光器，是一种提高端面损伤阈值、提高输出功率的具有模场扩散结构的窄脊dfb激光器。

所述窄脊dfb激光器结构至下而上依次：n面电极层、inp衬底、缓冲层、下波导层(即第一波导层)、多量子阱有源层、上波导层(即第二波导层)、光栅层、刻蚀自停止层、包层、欧姆接触层、p面电极层。激光器光波导结构包括下波导层、多量子阱有源层和上波导层。光栅层在上波导层中上部。其中包层和欧姆接触层构成脊结构。脊结构包括直波导部分和模场扩散结构，其中模场扩散部分包括以下三种情况：a水平方向脊宽的收缩，即收缩脊波导结构；b端面脊的断开，即断脊结构；以及c端面淀积一层低折射率膜结构，即膜结构。

其中，在激光器的出光面收缩脊波导，指的是激光器的脊波导宽度在出光面的方向逐渐收缩，形成收喇叭口的形状。水平方向上脊宽在靠近出光面处逐渐收缩，收缩角度θ为0.4度至5度，脊波导在出光面为收喇叭口结构，所述收喇叭口结构的长度为20微米至80微米。

其中，在出光面断脊结构，指的是在垂直方向上脊波导在靠近出光面5微米至40微米处，断开脊波导，直波导部分直接与空气接触。

其中，在出光端面处淀积一层膜结构，指的是在直波导部分端面上淀积一层低折射率材料薄膜，该材料折射率在1-3之间，可以是sio2(折射率n＝1.44)、al2o3(折射率n＝1.75)、mgf2(折射率n＝1.38)等材料，此低折射率材料薄膜就是所述模场扩散部分。该膜淀积在波导部分端面处，厚度0.5微米至3微米。

其中，所述的模场扩散部分在背光面也同样适用。

其中，光栅区在上波导层的中上部，多量子阱有源区为inp材料体系。

其中，所述激光器的背光面镀有高反膜，出光面镀有增透膜。

其中，欧姆接触层之上以及inp衬底层之下分别溅射了p面电极和n面电极。并且p面电极通过一圆形焊盘引出来。

以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。

本实施例的具有模场扩散结构的窄脊dfb激光器至下而上依次包括如下叠层，n面电极层、inp衬底1，缓冲层2，下波导层3，多量子阱有源层4，上波导层5，光栅层6，刻蚀自停止层7，包层8，欧姆接触层9、p面电极层。其中包层8和欧姆接触层9构成脊波导11。

如图1a至图1c所示，包层8和欧姆接触层9构成直波导部分和模场扩散部分，并且分为背光面和出光面，图中箭头所示为激光出射方向。图2是图1a的主视方向结构示意图，图3是图1a的侧视方向结构示意图。

图4a-图4c显示了所述具有模场扩散结构的窄脊dfb激光器的俯视图，其中图4a为脊波导水平方向收缩结构(即收缩脊波导)，图4b为脊波导断开结构，图4c为淀积低折射率材料薄膜结构(即膜结构)。脊波导包括直波导部分和模场扩散部分，左侧一端为脊波导的出光端面，右侧为背光端面，模场扩散部分位于出光面一侧。如图4a所示，所述出光面窄脊结构为脊波导宽度逐渐向出光面收缩的形状，所述脊波导收喇叭口结构的水平发散角θ为0.4度至5度。如图4b所示，所述脊波导截断结构是在靠近出光面5微米至40微米处，断开脊波导，直波导部分直接与空气接触。如图4c所示，所述淀积低折射率材料膜结构是指在直波导部分端面淀积一层低折射率材料薄膜结构。

在该实施例中，窄脊dfb激光器的腔长l为150微米至250微米，宽度w为250微米，出光面模场扩散部分l1包括a水平方向脊宽的收缩，b端面脊的断开以及c端面淀积一层低折射率材料薄膜，其中，a水平方向脊宽的收缩长度为20微米至80微米和b端面脊的断开长度为5微米至40微米，c低折射率材料薄膜的厚度为0.5微米至3微米。此结构增大模场面积，降低出光面上的光功率密度，提高激光器端面的损伤阈值。

在该实施例中，inp衬底层1采用的是inp衬底材料，缓冲层2采用的是掺杂了si的inp材料，厚度为450纳米。上波导层3和下波导层4采用的是ingaasp材料。多量子阱有源层4采用的是ingaasp多量子阱结构，具有5个量子阱，激射波长为1310纳米。采用量子阱结构增大微分增益，与普通的双异质结构激光器相比，量子阱激光器具有低阈值，输出功率大，调制速率高的优点。在量子阱结构中引入张应变或压应变以增加微分增益，优化阱和垒的层厚以减小载流子通过光限制层的运输时间以及载流子从有源区的逃逸。

光栅层6制作在上波导层5的中上部，光栅采用全息曝光的方法获得。并且在激光器背光面镀有高反膜，出光面镀有增透膜。

全息法获得光栅以后再通过二次外延获得刻蚀自停止层7、包层8和欧姆接触层9。脊波导10通过光刻以及刻蚀获得，脊波导10的宽度为2微米，深度为1.8微米，脊波导10两侧沟道11宽度为12微米。脊波导10的作用是为了实现光的限制作用，获得单模输出。

最后，再采用磁控溅射的方法在欧姆接触层9上获得p面电极，在inp衬底层1之下获得n面电极。p面电极的材料为tiptau(钛铂金)，n面电极的材料为augeni(金锗镍)。p面电极通过一圆形焊盘引出来。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

1、实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；

2、上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。