激光器和激光器的制备方法与流程

本技术实施例涉及半导体器件，尤其涉及一种激光器和激光器的制备方法。

背景技术：

1、在光通信领域，窄线宽半导体激光器在相干光通信和波分复用系统中扮演着重要的角色，长距离传输的应用需求要求激光器工作在光纤传输损耗最低的c波段，需要通讯系统能实现更低的传输时延、相位抖动以及误码率。限制系统误码率与相位抖动性能的主要原因之一便是信号光的线宽、噪声以及偏振稳定性。

2、在车载激光雷达领域中，传统的高精度雷达技术,如微波雷达、毫米波雷达等，因其探测精度低、体积及重量大，不适用于智能汽车搭载，而作为全固态激光雷达的理想光源，窄线宽半导体激光器具有分辨率高、抗有源干扰能力强、体积小、重量轻、成本低等优势,可满足未来智能汽车对高精度探测技术的需求。此外，窄线宽激光器在光学传感，光学测量以及卫星通信等领域也有诸多应用。

3、根据朗之万噪声理论，可以推导得出适用于半导体激光器的修正的肖洛-唐斯方程，其本征线宽与激光器的自发辐射系数，光限制因子以及线宽展宽因子成正相关，而和谐振腔内的光子密度，光子寿命呈负相关。因此在设计窄线宽半导体激光器时，首先要考虑降低半导体激光器的线宽展宽因子并抑制激光器的自发辐射，这需要提高材料的微分增益系数；此外，提高光子密度需要提升激光器的光功率输出，这意味着半导体激光器的有源部分需要有很高的增益与低损耗吸收。这两方面的考量需要设计出高微分增益与饱和增益的芯片结构；由于激光器光子寿命与谐振腔长成正比，因此窄线宽激光器需要很长的谐振腔。

4、基于上述原理，传统技术主要采取以下两种途径设计窄线宽半导体激光器：

5、内腔光反馈法(在谐振腔中集成频率选择的结构)：主要以dfb激光器和dbr激光器为基础设计，但是这一类窄线宽激光器需要对光栅和外延结构进行复杂的设计，其制作工艺复杂需要多次外延以及高精度设备；此外，掺杂的波导结构特别是在p型掺杂区域和多量子阱结构对光场吸收较强，如果单纯增加腔长会导致损耗急剧增加，反而会使激光器的输出功率降低，阈值电流增加，这一缺陷限制了内腔半导体激光器本身的线宽。

6、外腔光反馈法(在光腔外部耦合具有选模功能的器件)：外腔光反馈法窄线宽半导体激光器是指通过在光腔外设置光学元件如光纤光栅波导结构，法布里-珀罗滤波器等对增益芯片发出的光进行选频、反馈，从而实现线宽的压缩。这类激光器优点是没有内部光栅的损耗，激光器性能优异，理论线宽很窄，但是对外部工作环境需求较高，各种温湿度以及振动等都会影响激光器性能；其对光学元件耦合光路要求也较高，需要各光学元件精确对准，对封装工艺要求很高。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

2、为此，本发明的第一方面提供了一种激光器。

3、本发明的第二方面提供了一种激光器的制备方法。

4、有鉴于此，根据本技术实施例的第一方面提出了一种激光器，包括：

5、衬底；

6、光栅波导结构，设置在所述衬底上；

7、无源波导结构，设置在所述衬底上，位于所述光栅波导结构的一侧；

8、dfb结构，设置在所述衬底上，位于所述光栅波导结构的另一侧。

9、在一种可行的实施方式中，所述光栅波导结构包括：

10、至衬底向上依次设置的第一氧化硅包层、多晶硅光栅层、氮化硅光栅覆盖层和第二氧化硅包层；

11、其中，所述多晶硅光栅层的折射率大于所述第一氧化硅包层和所述第二氧化硅包层，所述氮化硅光栅覆盖层的折射率大于所述第一氧化硅包层和所述第二氧化硅包层，且所述氮化硅光栅覆盖层的折射率小于所述多晶硅光栅层的折射率。

12、在一种可行的实施方式中，所述多晶硅光栅层上形成有多个第一凸部，所述氮化硅光栅覆盖层上形成有多个第二凸部，所述第二凸部位于相邻的两个第一凸部之间；

13、其中，第一凸部与第二凸部的高度相同，宽度不同，第一凸部与第二凸部的宽度满足如下公式：

14、d＝(2m+1)λ/4n

15、其中，d为第一凸部和第二凸部的宽度，n为每层材料折射率，m为正整数λ为激光器的激射波长。

16、在一种可行的实施方式中，所述无源波导结构包括：

17、至衬底向上依次设置的下包层、波导层和上包层；

18、其中，所述下包层、波导层和上包层中并未掺杂。

19、在一种可行的实施方式中，所述dfb结构包括：

20、至衬底向上依次设置的缓冲层、下限制层、多量子阱层、上限制层、电子阻挡层、间隔层、腐蚀停止层、间隔层、光栅、光栅覆盖层、保护层和欧姆接触层；

21、其中，所述第一限制层的厚度为200nm至500nm，所述第二限制层的厚度为80nm至120nm，所述电子阻挡层的厚度为20nm至50nm。

22、在一种可行的实施方式中，激光器还包括：

23、第一电极层，覆盖在所述dfb结构上；

24、第二电极层，覆盖在所述衬底背离于所述光栅波导结构、所述无源波导结构和所述dfb结构的一侧；

25、其中，所述衬底为inp衬底。

26、根据本技术实施例的第二方面提出了一种激光器的制备方法，用于制备上述任一技术方案所述的激光器，所述制备方法包括：

27、在衬底上制备光栅波导结构；

28、在所述衬底上，且位于所述光栅波导结构的一侧制备无源波导结构；

29、在所述衬底上，且位于所述光栅波导结构的另一侧制备dfb结构。

30、在一种可行的实施方式中，所述在衬底上制备光栅波导结构的步骤包括：

31、在所述衬底上生长第一氧化硅膜和多晶硅薄膜；

32、刻蚀所述多晶硅薄膜，以形成多晶硅光栅层；

33、在所述多晶硅光栅层上沉积氮化硅，以形成氮化硅层；

34、在所述氮化硅光栅覆盖层上沉积第二氧化硅膜；

35、对所述第一氧化硅膜、所述多晶硅光栅层、所述氮化硅层和所述第二氧化硅膜进行刻蚀，以在所述衬底上形成所述光栅波导结构。

36、在一种可行的实施方式中，所述在所述衬底上，且位于所述光栅波导结构的一侧制备无源波导结构的步骤包括：

37、遮挡所述光栅波导结构和部分所述衬底；

38、在所述衬底上，且位于所述光栅波导结构的一侧依次生长下包层，波导层和上包层；

39、其中，所述下包层和所述上包层的制备材料包括inp材料，所述波导层的制备材料包括ingaasp和/或algainas材料；

40、其中，用于制备波导层的材料的带隙大于用于制备dfb结构的多量子阱层的材料的带隙。

41、在一种可行的实施方式中，所述在所述衬底上，且位于所述光栅波导结构的另一侧制备dfb结构的步骤包括：

42、遮挡所述光栅波导结构和所述无源波导结构；

43、在所述衬底上，且位于所述光栅波导结构的另一侧生长掺杂inp的缓冲层；

44、在所述缓冲层上生长n型光限制层，以形成第一限制层；

45、在所述第一限制层上生长多量子阱层；

46、在所述多量子阱层上生长本征的第二限制层；

47、在所述第二限制层上生长p型电子阻挡层；

48、在所述p型电子阻挡层上生长第一inp间隔层，并在所述inp间隔层上形成腐蚀停止层，而后在所述腐蚀停止层上生长第二inp间隔层；

49、在所述第二inp间隔层上制备光栅；

50、在所述光栅上生长参杂浓度逐渐提高的光栅覆盖层；

51、在所述光栅覆盖层上依次制备cladding层和欧姆接触层；

52、所述制备方法还包括：

53、在所述dfb结构上形成第一电极，在所述衬底背离于所述光栅波导结构、所述无源波导结构和所述dfb结构的一侧形成第二电极。

54、相比现有技术，本发明至少包括以下有益效果：通过本技术实施例提供的激光器包括了衬底和共用一个衬底的光栅波导结构、无源波导结构和dfb结构，在使用过程中，激光器加正向电压激射产生激光，激光的一部分从光栅波导结构中进入无源波导结构中，无源波导结构的fp腔两端都为高反射率，fp腔除了能提升腔长，还会给dfb结构一个负反馈稳定激光器的波长，进而压缩了线宽。光在无源波导结构几乎没有损耗。通过光栅波导结构的设置，一方面能够将激光器的光高效耦合进无源波导结构，同时也能够给无源波导结构的fp腔无法镀膜的一个端面提供高反射率，使得fp腔的反射率可以在70％以上能够能很好地起到压缩线宽的作用，基于此本技术实施例提供的激光器，能够结合外腔光反馈法和内腔光反馈法的优点，将大功率dfb激光器，fp反馈腔以及光栅波导结构单片集成构成一个高性能窄线宽激光器，使得激光器同时具有外腔光反馈法和内腔光反馈法的优点，单片集成不需要多个光学元件耦合，并且反馈腔和激光器可以独立设计，谐振腔腔长不受dfb激光器的内部损耗限制。此外，通过设置光栅波导结构真正实现了激光器和fp反馈腔的高效耦合，并且其可给fp腔无法镀膜的一个端面提供高反射率，提升了fp腔的反馈作用。