專利名稱：相移電控制dfb半導(dǎo)體激光器裝置及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及光纖通信、光子集成、光電傳感以及其他光電信息處理。是一種基于改變兩電極注入電流比例(大小)來控制引入相移大小的分布反饋式(DFB)半導(dǎo)體激光器及其陣列裝置和制作方法。
背景技術(shù)：
作為信息傳送的基礎(chǔ)，光纖通信系統(tǒng)正在向高速化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。經(jīng)歷前幾年的爆炸性擴(kuò)張以后，Internet已步入一個(gè)穩(wěn)定發(fā)展期。互聯(lián)網(wǎng)的速率與容量保持穩(wěn)步增長，并且逐漸融合傳統(tǒng)的電話網(wǎng)和有線電視網(wǎng)而成為一個(gè)統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡(luò)。能擔(dān)當(dāng)?shù)闷鹦畔⒕W(wǎng)絡(luò)物理基礎(chǔ)重任的，只有光纖通信系統(tǒng)。近年來出現(xiàn)的光子集成技術(shù)，順應(yīng)了時(shí)代的發(fā)展，正開啟著一個(gè)全新的光網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。光子集成技術(shù)則被認(rèn)為是光纖通信最前沿、最有前途的領(lǐng)域。在美國硅谷實(shí)驗(yàn)室中，英飛朗(Infinera)公司已經(jīng)用磷化銦等材料制成了大量復(fù)雜的光電集成器件，使得光通信成本更低。對于有源光通信器件，無論是在光通信網(wǎng)絡(luò)還是在光子集成芯片中，分布反饋式(DFB)半導(dǎo)體激光器因其良好的單模特性而受到青睞。早期的DFB半導(dǎo)體激光器，其折射率是被周期性地均勻調(diào)制的。這種激光器在布拉格波長兩側(cè)，對稱地存在兩個(gè)諧振腔損耗相同并且最低的模式，稱之為兩種模式簡并。但如果在光柵的中心引入一個(gè)四分之一波長(λ/4)相移區(qū)，就可以消除雙模簡并。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于其模式閾值增益差大，可以實(shí)現(xiàn)真正的動態(tài)單模工作，這是實(shí)現(xiàn)激光器單模工作的有效方法，在光通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。當(dāng)然，λ/4相移的DFB半導(dǎo)體激光器本身也存在著一些缺陷。例如，在注入電流較大時(shí)，單模特性會因燒孔效應(yīng)而被破壞，因而要使其保持單模特性，工作電流必須被限制在閾值附近。再者，如果激光器端面的增透膜有損壞，單模特性也會受到影響。此外，λ/4相移的DFB半導(dǎo)體激光器制造工藝也十分復(fù)雜，需要納米精度的控制。這些因素綜合起來，不僅導(dǎo)致現(xiàn)有市場上的激光器成本過高，還使其工作可靠性和穩(wěn)定性受到了影響。為了得到單模特性更好的DFB激光器，研發(fā)人員提出了各種特殊結(jié)構(gòu)，如啁啾結(jié)構(gòu)，周期調(diào)制(Corrugation-pitch modulated, CPM)結(jié)構(gòu)，多相移(Multiple phaseshift, MPS)結(jié)構(gòu)，λ/8相移結(jié)構(gòu)等。以CPM結(jié)構(gòu)為例，由于它的相移是分布在激光器結(jié)構(gòu)中心處的整個(gè)相移區(qū)上的，因而它整體上減少了相移所在位置光子的最大強(qiáng)度，對激光器的燒孔效應(yīng)有較好的抑制作用，因而CPM結(jié)構(gòu)的激光器能夠獲得更大的激射功率和更窄的線寬。雖然這些特殊結(jié)構(gòu)都有效地改善了激光器的性能，但是由于光柵結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，使得它們的制造成本更高，必須使用電子束曝光技術(shù)(E-Beam lithography)制造,高昂的制造成本限制了這些激光器的大規(guī)模應(yīng)用。此外，由于現(xiàn)在對光通信網(wǎng)絡(luò)傳輸容量的需求急劇增長，密集波分復(fù)用(Densewavelength division multiplexing, WDM)系統(tǒng)復(fù)用的信道數(shù)越來越多,這種通信系統(tǒng)需要用不同激射波長的激光器作光源。為減少由此帶來的能耗和維護(hù)成本急劇上升問題，光子集成(Photonic integration circuit, PIC)是必然的選擇。ITU — T標(biāo)準(zhǔn)對激光器的激射波長提出了嚴(yán)格的要求，而實(shí)際的半導(dǎo)體激光器制作過程中，存在各種偶然因素使得激光器激射波長偏離這個(gè)要求。因而在制作多波長激光器陣列時(shí)，常采用波長調(diào)諧裝置如熱調(diào)諧或改變注入電流、以及多電極注入等方式，來控制激光器的激射波長嚴(yán)格對準(zhǔn)ITU - T標(biāo)準(zhǔn)。這些波長調(diào)諧裝置使得激光器的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，加工難度增大，它們也會導(dǎo)致多波長激光器陣列中各個(gè)激光器輸出激光功率不均衡問題。如果在相移DFB激光器中，能夠精確控制其相移的大小，那么激光器的激射波長將幾乎在它的禁帶范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。這樣，用整體的電熱裝置來實(shí)施初步調(diào)節(jié)，并用控制相移大小來精確控制DFB激光器芯片的激射波長滿足ITU — T標(biāo)準(zhǔn)要求，就能實(shí)現(xiàn)多波長激光器陣列芯片激射波長的精細(xì)校準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中半導(dǎo)體激光器存在的上述不足，為提高DFB半導(dǎo)體激光器的單模特性，本發(fā)明提出了一種特殊的可調(diào)節(jié)相移大小的DFB激光器結(jié)構(gòu)，即基于改變兩電極注入電流比例(大小)來控制引入相移大小，進(jìn)而精細(xì)調(diào)節(jié)激射波長的裝置和方法，為DFB半導(dǎo)體激光器的設(shè)計(jì)制造，提出一種新的結(jié)構(gòu)和制作方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種相移電控制DFB半導(dǎo)體激光器裝置，所述相移電控制DFB半導(dǎo)體激光器裝置由兩個(gè)側(cè)邊區(qū)和位于兩個(gè)側(cè)邊區(qū)之間的一個(gè)相移區(qū)組成，沿著整個(gè)激光器其光柵結(jié)構(gòu)為普通均勻光柵，兩個(gè)側(cè)邊區(qū)的電極用導(dǎo)線連接在一起，且兩個(gè)側(cè)邊區(qū)的電極與一個(gè)相移區(qū)的電極相電隔離。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，兩個(gè)側(cè)邊區(qū)的電極與一個(gè)相移區(qū)的電極通過相距數(shù)十個(gè)微米的方式相電隔離。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，兩個(gè)側(cè)邊區(qū)的電極與一個(gè)相移區(qū)的電極之間通過注入氦離子或者通過刻蝕電隔離溝的方式相電隔離。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，兩個(gè)側(cè)邊區(qū)的長度不同。一種DFB半導(dǎo)體激光器單片集成陣列，所述DFB半導(dǎo)體激光器單片集成陣列由上述相移電控制DFB半導(dǎo)體激光器裝置構(gòu)成。一種PIC發(fā)射芯片模塊，由激光監(jiān)測器陣列、上述半導(dǎo)體激光器單片集成陣列、調(diào)制器陣列、功率均衡器陣列和復(fù)用器，通過選擇區(qū)外延生長或?qū)由L技術(shù)，依次生長集成到同一外延晶片上。一種相移電控制DFB半導(dǎo)體激光器裝置的制作方法，具體包括如下步驟:
(1)在η型InP襯底材料上依次外延η型InP緩沖層、IOOnm厚的非摻雜晶格匹配InGaAsP下限制層、應(yīng)變InGaAsP多量子阱和IOOnm厚的ρ型晶格匹配InGaAsP上限制層；
(2)用普通雙光束全息干涉曝光的方法，把均勻光柵圖案轉(zhuǎn)移到上限制層上的光刻膠上，然后施以材料刻蝕，在上限制層上部形成所需的均勻光柵結(jié)構(gòu)；
(3)當(dāng)光柵制作好后，再通過二次外延生長ρ型InP層和ρ型InGaAs歐姆接觸層。在外延生長結(jié)束后，利用普通光刻結(jié)合化學(xué)濕法刻蝕，完成脊形波導(dǎo)的制作；
(4)用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法工藝，在脊形波導(dǎo)周圍沉積一層300nm厚的SiO2層或有機(jī)物BCB絕緣層；
(5)接著利用光刻和化學(xué)濕法刻蝕，去除激光器脊形波導(dǎo)上方的SiO2層或有機(jī)物BCB絕緣層，露出其InGaAs歐姆接觸層；
(6)用磁控濺射的方法，在整個(gè)激光器結(jié)構(gòu)的上方分別鍍上IOOnm厚的Ti和400nm厚的Au，結(jié)合光刻工藝和化學(xué)濕法刻蝕，在脊條上方露出InGaAs的歐姆接觸層上形成T1-Au金屬P電極；
(7)接著把整個(gè)激光器晶片減薄到150μ m后，在基底材料的下方蒸鍍上500nm厚的Au-Ge-Ni合金作為η電極；
(8)接著把得到的激光器芯片的兩個(gè)側(cè)邊區(qū)的P電極用金絲連接在一起引出，形成側(cè)邊區(qū)P電極，相移區(qū)的P電極也用金絲引出；從而形成雙電極相移電控制DFB半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。8、一種DFB半導(dǎo)體激光器單片集成陣列的制作方法，具體包括如下步驟:
(1)準(zhǔn)備一系列透光框位置不同的光刻板；
(2)把這些光刻板依次放置在制作本發(fā)明的DFB半導(dǎo)體激光器芯片的晶片上方，用控制雙光束干涉的紫外光束入射角度大小的方法，每次把所需光柵周期的均勻光柵圖案轉(zhuǎn)移到上限制層上的光刻膠上；
(3)在所有設(shè)計(jì)的均勻光柵轉(zhuǎn)移到光刻膠上后施以材料刻蝕，在上限制層上部形成所需的多波長相移電控制DFB半導(dǎo)體激光器陣列對應(yīng)的均勻光柵結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有益效果是:
用電注入控制引入相移技術(shù)，就能在只需要用普通的雙光束干涉技術(shù)形成的均勻光柵半導(dǎo)體激光器中，引入任意大小的相移，并通過改變引入相移的大小來精細(xì)調(diào)節(jié)激光器的激射波長。在引入相移大小合適的情況下，如在0.25 π 1.75 π時(shí)，既保證了激光器單模激射的實(shí)現(xiàn)，也使得結(jié)構(gòu)相似的激光器(僅是光柵周期和引入相移不同)有相近的域值和激射特性。此外，本發(fā)明中的相移由于分布在整個(gè)相移區(qū)上，因而是一個(gè)漸變累積的相移，與突變的相移相比能更好地抑制相移激光器中常見的燒孔效應(yīng)。


圖1是均勻光柵結(jié)構(gòu)示意 圖2是CPM光柵結(jié)構(gòu)示意 圖3是本發(fā)明DFB半導(dǎo)體激光器的光柵和P電極分布示意 圖4是相移電控制DFB半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意 圖5是相移電控制DFB半導(dǎo)體激光器陣列制作光柵所用光刻板剖面示意 圖6是雙紫外光束干涉制作DFB半導(dǎo)體激光器陣列均勻光柵示意圖。圖中:1、η-ΙηΡ基底；2、η_ΙηΡ緩沖層；3、下限制層；4、多量子阱有源層；5、上限制層；6、光棚層；7、ρ-ΙηΡ層；8、歐姆接觸層。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明相移電控制DFB半導(dǎo)體激光器裝置及其制作方法，是基于改變兩電極注入電流比例(大小)來控制引入相移大小，進(jìn)而精細(xì)調(diào)節(jié)激射波長的分布反饋式(DFB)半導(dǎo)體激光器的裝置及制造方法。其基本原理如下:
1、電流注入引起半導(dǎo)體激光器材料有效折射率的改變當(dāng)半導(dǎo)體激光器中注入電流時(shí)，由于能帶填充(Bandj i 11 ing)、導(dǎo)帶和價(jià)帶間隙的收縮(Bandgap Shrinkage)和自由載流子等離子效應(yīng)(Free carrier plasma effect)等的共同作用效果，激光器的有效折射率將減小。與此同時(shí)，電流注入引起的熱效應(yīng)也會導(dǎo)致激光器有效折射率升高。以通信網(wǎng)絡(luò)中使用的多量子阱半導(dǎo)體激光器為例，其結(jié)構(gòu)材料常見的有InP,InGaAsP或AlGaAsP等II1- V族化合物，注入自由電子濃度達(dá)1018cm_3有良好散熱時(shí)，有效折射率減小能達(dá)到10 —2量級大小。當(dāng)散熱不好時(shí)，電流熱效應(yīng)會使激光器的實(shí)際工作溫度明顯升高，由電流熱效應(yīng)導(dǎo)致的有效折射率升高將占主導(dǎo)地位，可以導(dǎo)致激光器有效折射率隨注入電流的升高而增大10 —3量級大小。2、光柵周期調(diào)制(CPM)結(jié)構(gòu)激光器中相移的引入
圖1和圖2分別是均勻光柵結(jié)構(gòu)和CPM光柵結(jié)構(gòu)中的光柵示意圖。在均勻光柵結(jié)構(gòu)中，沿整個(gè)光柵縱向光柵周期Λ都
是相同的。在CPM結(jié)構(gòu)中，其兩側(cè)邊區(qū)域的光柵周期4是相同的，中間相移區(qū)的光柵周期
A2.與兩側(cè)邊區(qū)域光柵周期？工相近但不相同；假設(shè)沿整個(gè)激光器縱向的有效折射率《故湘同，這時(shí)在整個(gè)光柵中引入的相移大小為:
權(quán)利要求
1.一種相移電控制DFB半導(dǎo)體激光器裝置，所述相移電控制DFB半導(dǎo)體激光器裝置由兩個(gè)側(cè)邊區(qū)和位于兩個(gè)側(cè)邊區(qū)之間的一個(gè)相移區(qū)組成，沿著整個(gè)激光器其光柵結(jié)構(gòu)為普通均勻光柵，其特征在于:兩個(gè)側(cè)邊區(qū)的電極用導(dǎo)線連接在一起，且兩個(gè)側(cè)邊區(qū)的電極與一個(gè)相移區(qū)的電極相電隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相移電控制DFB半導(dǎo)體激光器裝置，其特征在于:兩個(gè)側(cè)邊區(qū)的電極與一個(gè)相移區(qū)的電極通過相距數(shù)十個(gè)微米的方式相電隔離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相移電控制DFB半導(dǎo)體激光器裝置，其特征在于:兩個(gè)側(cè)邊區(qū)的電極與一個(gè)相移區(qū)的電極之間通過注入氦離子或者通過刻蝕電隔離溝的方式相電隔離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的相移電控制DFB半導(dǎo)體激光器裝置，其特征在于:兩個(gè)側(cè)邊區(qū)的長度不同。
5.一種DFB半導(dǎo)體激光器單片集成陣列，其特征在于:所述DFB半導(dǎo)體激光器單片集成陣列由權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的相移電控制DFB半導(dǎo)體激光器裝置構(gòu)成。
6.一種光子集成發(fā)射芯片模塊，其特征在于:由激光監(jiān)測器陣列、權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體激光器單片集成陣列、調(diào)制器陣列、功率均衡器陣列和復(fù)用器，通過選擇區(qū)外延生長或?qū)由L技術(shù)，依次生長集成到同一外延晶片上。
7.一種相移電控制DFB半導(dǎo)體激光器裝置的制作方法，具體包括如下步驟: (1)在η型InP襯底材料上依次外延η型InP緩沖層、IOOnm厚的非摻雜晶格匹配InGaAsP下限制層、應(yīng)變InGaAsP多量子阱和IOOnm厚的ρ型晶格匹配InGaAsP上限制層； (2)用普通雙光束全息干涉曝光的方法，把均勻光柵圖案轉(zhuǎn)移到上限制層上的光刻膠上，然后施以材料刻蝕，在上限制層上部形成所需的均勻光柵結(jié)構(gòu)； (3)當(dāng)光柵制作好后，再通過二次外延生長ρ型InP層和ρ型InGaAs歐姆接觸層。
8.在外延生長結(jié)束后，利用普通光刻結(jié)合化學(xué)濕法刻蝕，完成脊形波導(dǎo)的制作； (4)用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法工藝，在脊形波導(dǎo)周圍沉積一層300nm厚的SiO2層或有機(jī)物BCB絕緣層； (5)接著利用光刻和化學(xué)濕法刻蝕，去除激光器脊形波導(dǎo)上方的SiO2層或有機(jī)物BCB絕緣層，露出其InGaAs歐姆接觸層； (6)用磁控濺射的方法，在整個(gè)激光器結(jié)構(gòu)的上方分別鍍上IOOnm厚的Ti和400nm厚的Au，結(jié)合光刻工藝和化學(xué)濕法刻蝕，在脊條上方露出的InGaAs歐姆接觸層上形成T1-Au金屬P電極； (7)接著把整個(gè)激光器晶片減薄到150μ m后，在基底材料的下方蒸鍍上500nm厚的Au-Ge-Ni合金作為η電極； (8)接著把得到的激光器芯片的兩個(gè)側(cè)邊區(qū)的P電極用金絲連接在一起引出，形成側(cè)邊區(qū)P電極，相移區(qū)的 P電極也用金絲引出；從而形成雙電極相移電控制DFB半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。
9.一種DFB半導(dǎo)體激光器單片集成陣列的制作方法，具體包括如下步驟: (1)準(zhǔn)備一系列透光框位置不同的光刻板； (2)把這些光刻板依次放置在制作本發(fā)明的DFB半導(dǎo)體激光器芯片的晶片上方，用控制雙光束干涉的紫外光束入射角度大小的方法，每次把所需光柵周期的均勻光柵圖案轉(zhuǎn)移到上限制層上的光刻膠上； (3)在所有設(shè)計(jì)的均勻光柵轉(zhuǎn)移到光刻膠上后施以材料刻蝕，在上限制層上部形成所需的多波長相移電控制DFB半導(dǎo) 體激光器陣列對應(yīng)的均勻光柵結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種相移電控制DFB半導(dǎo)體激光器裝置，由兩個(gè)側(cè)邊區(qū)和位于兩個(gè)側(cè)邊區(qū)之間的一個(gè)相移區(qū)組成，沿著整個(gè)激光器其光柵結(jié)構(gòu)為普通均勻光柵，兩個(gè)側(cè)邊區(qū)的電極用導(dǎo)線連接在一起，且兩個(gè)側(cè)邊區(qū)的電極與一個(gè)相移區(qū)的電極相隔離。通過改變側(cè)邊區(qū)、相移區(qū)注入電流以控制引入相移大小，來精細(xì)調(diào)節(jié)激光器的激射波長。在激光器工作電流保持不變的條件下，改變側(cè)邊區(qū)、相移區(qū)注入電流的比例就能改變引入相移的大小。在引入相移大小合適的情況下，既保證了激光器單模激射的實(shí)現(xiàn)，也使得結(jié)構(gòu)相似的DFB激光器有相近的域值和激射特性。給激光器陣列產(chǎn)生激光的調(diào)制、耦合和傳輸帶來了很大的方便，在光子集成發(fā)射芯片模塊的研制中有很大的優(yōu)越性。
文檔編號H01S5/40GK103151702SQ20131007872
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月13日
發(fā)明者周亞亭, 王剛, 朱紅 申請人:常州工學(xué)院