一种热调谐TWDM‑PON激光器及其制造方法与流程

【技术领域】

本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种热调谐twdm-pon激光器及其制造方法。

背景技术：

twdm-pon技术作为当前最有前景的光纤通信技术，具有诸多独特的优势。相对于当前主要光纤通信技术，如时分复用(timedivisionmultiplexing，简写为：tdm)演进方案在概念上是与当前的pon系统非常接近的，但该技术方案需要每个光终端(opticalnetworkterminal，简写为：ont)在40gbps的线速下运作，该速率已远超市场对终端个人用户需求的预测，导致成本高，以及色散问题难以解决；密波分复用无源光纤网络(densewavelengthdivisionmultiplexingpassiveopticalnetwork，简写为：dwdm-pon)技术支持在一根光纤上传送很多波长，但该技术成本高，无法实现用户间的带宽共享，运维复杂；基于时分和波分复用的pon(twdm-pon)技术既可以实现更高带宽(总带宽最高40gbps，每用户最高可实现10gbps)，同时也提供最理想化的灵活性，用于每用户带宽的调整，光纤的管理，业务的融合和资源的共享等。这些改进使twdm在设备资产投入(capex)方面相比dwdm下降30％，同时维护复杂度也大大降低。由此可见，twdm技术结合了tdm和dwdm两种系统的优势，是ng-pon2(英文全称为：next-generationpassiveopticalnetwork)最理想的选择。

现有商用激光器波长调节一般采用温度调谐实现，一种常见温度调谐方法采用电阻式加热方式，通过外接电阻条通电加热来影响激光器的工作温度，激光器的发射波长与工作温度成线性变化关系，在不影响激光器发光质量的基础下，可通过温度调谐实现激光器波长调谐。但电阻式温度调谐需要电阻发热大于激光器正常工作点的发热，电阻发热效率及能耗成为温度调谐激光器的一个重要参数。常见的电阻式加热方法温度调谐激光器有如下几种：

腔外加热源(申请号200580014786.1)，通过激光器外置可控加热源加热，但是成本高，制作工艺复杂化，电阻条离激光器发热区较远，热效率不高，温度响应速度不快，不能满足高速激光器芯片需求；电阻条置于激光器表面是最为常见的手段，但是仍然存在电阻条离激光器发热区过远，热效率不高的问题。

电阻条置于激光器有源区内(申请号201110165778.4)，这种方式热效率最高，直接作用于激光器发热区，但是由于电阻条通过电注入加热，电注入会直接影响激光器有源区载流子复合，导致激光器发光质量存在较大风险，降低激光器的性能及寿命。

技术实现要素：

本发明实施例要解决的技术问题是电阻条置于激光器有源区内(申请号201110165778.4)，这种方式热效率最高，直接作用于激光器发热区，但是由于电阻条通过电注入加热，电注入会直接影响激光器有源区载流子复合，导致激光器发光质量存在较大风险，降低激光器的性能及寿命。以及腔外加热源(申请号200580014786.1)，通过激光器外置可控加热源加热，但是成本高，制作工艺复杂化，电阻条离激光器发热区较远，热效率不高，温度响应速度不快，不能满足高速激光器芯片需求；电阻条置于激光器表面是最为常见的手段，但是仍然存在电阻条离激光器发热区过远，热效率不高的问题。

本发明实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种热调谐twdm-pon激光器，包括衬底101、缓冲层102、下限制层103、多量子阱层104、上限制层106、光栅层107和欧姆接触层108，所述多量子阱层104和上限制层106之间设置有腐蚀停止层105，在所述腐蚀停止层105之上腐蚀有台型脊波导211结构，在激光器中还包括：

在脊波导沟道中沉积有介质膜212，在所述介质膜212上制作有金属电阻条213，并且，所述金属电阻条213通过制作在所述脊波导沟道中的金属电极214供电。

优选的，设置有所述金属电阻条213和金属电极214的脊波导沟道中填充有介质膜215。

优选的，所述台型脊波导211上表面宽度比下表面宽度宽预设距离，所述预设距离用于在制作金属电阻条213时，使得所述金属电阻条213相对于脊波导211的侧壁之间形成所述预设距离的间隔。

优选的，所述预设距离具体为0.2-0.8μm。

优选的，所述金属电阻条213为长条形结构，并且沿着脊波导211一侧的延伸方向布置，其中，金属电极214包括第一金属电极2141和第二金属电极2142，所述第一金属电极2141和第二金属电极2142分别与所述长条形结构的金属电阻条213的两端相连。

优选的，所述介质膜212的材料为sio2或者sinx，其厚度为。

第二方面，本发明还提供了一种热调谐twdm-pon激光器的制作方法，包括由衬底101、缓冲层102、下限制层103、多量子阱层104、上限制层106、光栅层107和欧姆接触层108构成的外延片，在所述外延片的多量子阱层104和上限制层106之间设置有腐蚀停止层105，所述方法还包括：

通过光刻胶掩膜、曝光、显影制作出脊波导图形，并在腐蚀液中腐蚀得到深沟210，形成倒台型脊波导结构211；

生长一层介质膜212，介质膜212沉积在台型脊波导211侧面及深沟210表面；

去除光刻胶掩蔽层，台型脊波导211表面的介质膜随着其附着的光刻胶一起去除，裸露台型脊波导211的表面；

通过光敏光刻胶曝光显影形成金属电阻条213和金属电极214的图形掩蔽层，通过溅射沉积形成金属电阻条213和金属电极214。

优选的，制作金属电阻条213和金属电极214后，通过光敏光刻胶光刻显影形成掩蔽图形，露出深沟210所在区域；

热蒸发介质膜215，并将设置有金属电阻条213的深沟210填充至台型脊波导211顶部表面。

优选的，所述倒台上表面宽度比下表面宽度宽预设距离，所述预设距离用于在制作金属电阻条213时，使得所述金属电阻条213相对于脊波导211的侧壁之间形成所述预设距离的间隔。

优选的，所述金属电阻条213为长条形结构，并且沿着脊波导211一侧的延伸方向布置，其中，金属电极214包括第一金属电极2141和第二金属电极2142，所述第一金属电极2141和第二金属电极2142分别与所述长条形结构的金属电阻条213的两端相连。

本发明提供了一种热调谐激光器，电阻条与有源区通过介质膜隔离，解决了现有专利(申请号201110165778.4)中将电阻条置于有源层中影响有源层发光质量的问题，克服了电注入会直接影响激光器有源区载流子复合的问题，提高了激光器的性能和寿命。并且相对于腔外加热源(申请号200580014786.1)降低了加工难度，提高了加热效率。

在本发明的优选方案中，还能够在设置有所述金属电阻条213和金属电极214的脊波导沟道中填充有介质膜215，进一步抑制电阻条发热后的热逸散，有利于电阻条热效率，提高激光器的能效。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用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它的附图。

图1是本发明实施例提供的一种热调谐twdm-pon激光器结构侧视图；

图2是本发明实施例提供的一种热调谐twdm-pon激光器结构主视图；

图3是本发明实施例提供的一种热调谐twdm-pon激光器结构俯视图；

图4是本发明实施例提供的另一种热调谐twdm-pon激光器结构侧视图；

图5是本发明实施例提供的一种热调谐twdm-pon激光器的制造方法流程图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1:

本发明实施例提供了一种热调谐twdm-pon激光器，如图1、图2和图3所示，包括衬底101、缓冲层102、下限制层103、多量子阱层104、上限制层106、光栅层107和欧姆接触层108，并且，所述多量子阱层104和上限制层106之间设置有腐蚀停止层105，在所述腐蚀停止层105之上腐蚀有台型脊波导211结构。

其中，所述台型脊波导211结构通过光刻胶掩膜图形，湿法腐蚀，精确控制腐蚀深度至接近多量子阱上方。所述精确控制腐蚀深度，依赖于腐蚀阻挡层105与其它材料(例如：上限制层106、光栅层107和欧姆接触层108)的腐蚀速率差别，腐蚀阻挡层抗腐蚀能力越强，腐蚀深度越容易控制。

在激光器中具体的还包括：在脊波导沟道中沉积有介质膜212，在所述介质膜212上制作有金属电阻条213，并且，所述金属电阻条213通过制作在所述脊波导沟道中的金属电极214供电。

其中，所述介质膜212的材料优选的采用sio2或者sinx，其厚度为。通常使用的典型值为

本发明实施例提供了一种热调谐激光器，电阻条与有源区通过介质膜隔离，解决了现有专利(申请号201110165778.4)中将电阻条置于有源层中影响有源层发光质量的问题，克服了电注入会直接影响激光器有源区载流子复合的问题，提高了激光器的性能和寿命。并且相对于腔外加热源(申请号200580014786.1)降低了加工难度，提高了加热效率。

在本发明实施例应用实现过程中，为了进一步抑制电阻条发热后的热逸散，有利于电阻条热效率，提高激光器的能效，结合本发明实施例还存在一种可扩展的实现方案，具体的：设置有所述金属电阻条213和金属电极214的脊波导沟道中填充有介质膜215。所述介质膜215不仅能够提高电阻条热效率，减少其热逸散外，还可以提高电阻条和金属电极与外延片之间的耦合紧密度，防止长期的电阻条温度控制造成的电阻条213与介质膜212之间表面耦合紧密度的降低。

在本发明实施例具体实现过程中，考虑到既要确保金属电阻条非常接近脊波导结构211又不会附着在其侧壁导致金属电阻条宽度不可控，在本发明实施例1实现过程中，存在一种优选的实现方案可以有效的达到上述目标，具体为，所述台型脊波导211上表面宽度比下表面宽度宽预设距离(即所述台型脊波导具体表现为倒台型脊波导)，所述预设距离用于在制作金属电阻条213时，使得所述金属电阻条213相对于脊波导211的侧壁之间形成所述预设距离的间隔。其中，所述台型脊波导211的下表面是其与腐蚀停止层105的接触面。

其实现原理为：通过倒台型脊波导结构自身掩蔽效果，使金属电阻条在横向尺寸上更接近脊波导量子阱有源区且工艺稳定，通过刻蚀到多量子阱层104上表面的腐蚀停止层105，使金属电阻条在纵向尺寸上更接近量子阱有源区，大幅减少热传导损耗，提高了电阻条的热效率。所述的金属电阻条与脊波导通过介质膜隔离，防止其注入电流影响量子阱有源层发光。所述预设距离具体为0.2-0.8μm。通常使用的典型值是0.2μm。

在本发明实施例中，所述金属电阻条213为长条形结构，并且沿着脊波导211一侧的延伸方向布置，其中，金属电极214包括第一金属电极2141和第二金属电极2142，所述第一金属电极2141和第二金属电极2142分别与所述长条形结构的金属电阻条213的两端相连。

在具体加工制作方法中，可以通过溅射沉积同时形成金属电阻条213和金属电极214，材料优选为ti/pt/au，典型厚度ti：pt：au：由于倒台型脊波导结构，金属电阻条213采用溅射方法沉积在深沟中的介质膜212上不会连接脊波导侧壁。金属电阻条213材料可以与电极材料兼容，金属电阻条213宽度小，长度长，电阻值较大，通电后起到较好的发热效率作用；金属电极214位于外延片上表面的图形可以长方形、圆形或其他相似图形(如图3所示，为金属电极214图形具体是长方形的效果示意图)，面积大，电阻小，起到欧姆接触作用，金属电极214连通金属电阻条213通电。

金属电阻条与金属电极通过同一工艺步骤一次性完成，简化了工艺；金属电阻条掩埋于介质膜中能有效降低热辐射损耗，减少整个系统能耗。

相比较对应实施例1中所提供的具有在单侧深沟210中制作金属电阻条213和金属电极214的示意图1和图3来说，从更高的加热效率来说，本发明实施例还提供了一种在双深沟中设置金属电阻条213和金属电极214的结构示意图，如图4所示。

实施例2:

本发明实施例还提供了一种热调谐twdm-pon激光器的制作方法，包括由衬底101、缓冲层102、下限制层103、多量子阱层104、上限制层106、光栅层107和欧姆接触层108构成的外延片，其特征在于，在所述外延片的多量子阱层104和上限制层106之间设置有腐蚀停止层105，如图5所示，所述方法还包括：

在步骤201中，通过光刻胶掩膜、曝光、显影制作出脊波导图形，并在腐蚀液中腐蚀得到深沟210，形成倒台型脊波导结构211。

其中，可以控制外延片在腐蚀到腐蚀停止层105后，进一步浸泡在腐蚀液中的时间长短，来完成所示倒台上表面宽度比下表面宽度宽预设距离的设定需求。

在步骤202中，生长一层介质膜212，介质膜212沉积在台型脊波导211侧面及深沟210表面。

其中，所述介质膜212的材料可以为sio2或者sinx，其厚度为

在步骤203中，去除光刻胶掩蔽层，台型脊波导211表面的介质膜随着其附着的光刻胶一起去除，裸露台型脊波导211的表面。

其中，可以通过丙酮或者nsmp去除所述光刻胶掩蔽层，为下一步制作金属电阻条和金属电极做准备。其中，裸露脊波导211表面示为了激光器做电极欧姆接触的，具体是在步骤204中与电阻条及电阻条的电极一起制作形成。

在步骤204中，通过光敏光刻胶曝光显影形成金属电阻条213和金属电极214的图形掩蔽层，通过溅射沉积形成金属电阻条213和金属电极214。

在本发明实施例中，制作金属电阻条213采用溅射工艺，垂直沉积，由于倒台型不会在侧壁上沉积，而介质膜212是通过热蒸发，沉积不仅在垂直方向，也会向侧向扩散，所以侧壁也能沉积上，只是厚度相对于深沟210表面稍薄一些。

本发明实施例提供了一种热调谐激光器的制作方法，电阻条与有源区通过介质膜隔离，解决了现有专利(申请号201110165778.4)中将电阻条置于有源层中影响有源层发光质量的问题，克服了电注入会直接影响激光器有源区载流子复合的问题，提高了激光器的性能和寿命。

在本发明实施例应用实现过程中，为了进一步抑制电阻条发热后的热逸散，有利于电阻条热效率，提高激光器的能效，结合本发明实施例还存在一种可扩展的实现方案，具体的：制作金属电阻条213和金属电极214后，通过光敏光刻胶光刻显影形成掩蔽图形，露出深沟210所在区域；热蒸发介质膜215，并将设置有金属电阻条213的深沟210填充至台型脊波导211顶部表面。所述介质膜215不仅能够提高电阻条热效率，减少其热逸散外，还可以提高电阻条和金属电极与外延片之间的耦合紧密度，防止长期的电阻条温度控制造成的电阻条213与介质膜212之间表面耦合紧密度的降低。其中，介质膜215的材料选择可以借鉴介质膜212，在此不再赘述。

在本发明实施例中，所述的金属电阻条与金属电极采用相同材料，一次性溅射形成，简化工艺步骤，降低成本。并且，溅射工艺基本上只会垂直沉积，由于台型脊波导211结构上表面宽度宽，底部区域(下表面)宽度窄，垂直沉积过程中，台型脊波导211的上表面可以充当掩膜，掩蔽台型脊波导211侧壁不会沉积到金属，倒台型的台型脊波导211底部区域边缘与金属电阻条有一个小间隔，典型值为0.2μm。通过倒台脊波导结构的子掩蔽功能，确保金属电阻条非常接近脊波导结构211又不会附着在其侧壁导致金属电阻条宽度不可控。

因此，在制作和设计过程中，所述倒台上表面宽度比下表面宽度宽预设距离，所述预设距离用于在制作金属电阻条213时，使得所述金属电阻条213相对于脊波导211的侧壁之间形成所述预设距离的间隔。所述预设距离具体为0.2-0.8μm。

如图3所示，在本发明实施例中，所述金属电极214包括第一金属电极2141和第二金属电极2142，所述第一金属电极2141和第二金属电极2142分别与所述长条形结构的金属电阻条213的两端相连。其设计形状还可以借鉴实施例1中描述的，在此不再赘述。

实施例3：

相比较实施例1中更侧重于结构上阐述，本发明实施例还就本领域技术中可行的参数配置，就每一层结构可选的参数量做了梳理，具体的：常规激光器结构在n型衬底101上外延缓冲层102，厚度500-1000nm；下限制层103，厚度100-200nm；多量子阱104，厚度30-120nm；腐蚀阻挡层105，厚度10-50nm；上限制层106，厚度100-200nm；光栅层107，厚度30-100μm；欧姆接触层108，厚度1-3μm。通过光敏光刻胶掩膜、曝光、显影，腐蚀深沟210，形成倒台型脊波导结构211,倒台型脊波导结构211上表面宽度比小表面宽度宽0.2-0.8μm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。