可實現波長寬調諧的分布反射布拉格激光器及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可實現波長寬調諧的分布反射布拉格激光器及其制作方法。激光器包括管芯，管芯依次包括襯底、下波導層、有源區(qū)層、上波導層、光柵蓋層、包層、電接觸層，在垂直于各層的疊置方向的水平面的第一方向上延伸有一個脊波導，在該脊波導之外的區(qū)域不具有光柵蓋層、包層和電接觸層；管芯按照在第一方向上的位置分為依次緊鄰的光柵區(qū)、相區(qū)和增益區(qū)；在光柵區(qū)的脊波導之外的區(qū)域，還不具有下波導層、有源區(qū)層和上波導層；在光柵區(qū)的上波導層的表層具有布拉格光柵。本發(fā)明能將波長調諧范圍可增大至12nm，既降低了制作工藝的復雜性，同時還能保證產品的成品率和出光功率。
【專利說明】可實現波長寬調諧的分布反射布拉格激光器及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體光電集成【技術領域】，特別涉及一種可實現波長寬調諧的分布反射布拉格激光器及其制作方法。
【背景技術】
[0002]光網絡正在向高速大容量、良好的擴展性和智能化的方向發(fā)展。提升光網絡的容量時，將更加注重光網絡的靈活性和可擴展性，交換智能化和光電子器件集成化是降低運營成本，以應對快速變化的市場環(huán)境。發(fā)展可調諧器件、多功能集成的光開關器件或組件將是構建智能光網絡的基石。
[0003]密集波分復用(DWDM)系統的飛速發(fā)展帶來了對相關器件的強烈需求。目前的DWDM系統普遍已經達到32路波長復用，如果使用普通波長固定的激光器就需要生產出如此多波長，生產工藝的控制要極其嚴格和煩瑣，產品一致性要求非常之高。為保證系統安全性要求做保護備份時，也需要同樣多品種的同樣數量的器件，系統設備的成本及復雜度將很高。而波長可調激光器能夠大大減輕DWDM系統在光源配置、備份和維護上的巨大壓力。
[0004]可調諧激光器在實現波長靈活切換，避免阻塞，降低網絡保護恢復成本，提高可靠性等方面也起著無可代替的作用。基于磷化銦(InP)材料的寬帶可調諧激光器具有納秒級的調諧速度，可以滿足包交換的需求；還可以集成更多的電子或光電子器件，形成系統集成芯片以完成更復雜的功能，以滿足智能光網絡的需求?？烧{諧激光器還可以用于基于WDM技術的光互連中，代替電纜完成計算機之間或芯片之間的互連。
[0005]然而傳統的三段式分布反射布拉格激光器的波長調諧范圍為3nm?6nm,很難超過10nm。而對于取樣光柵分布反射布拉格激光器，由于其器件結構較為復雜，需要對兩端光柵同時加偏置電流，使用時較為復雜。
【發(fā)明內容】
[0006](一 )要解決的技術問題
[0007]本發(fā)明所要解決的技術問題是傳統的三段式分布反射布拉格激光器可調諧范圍較窄，使用復雜的問題。
[0008]( 二 )技術方案
[0009]本發(fā)明提供了一種布拉格激光器，包括管芯，管芯為疊層結構，所述疊層結構依次包括襯底、下波導層、有源區(qū)層、上波導層、光柵蓋層、包層、電接觸層，其中，在垂直于所述各層的疊置方向的水平面的第一方向上延伸有一個脊波導，在該脊波導之外的區(qū)域不具有所述光柵蓋層、包層和電接觸層；所述管芯按照在所述第一方向上的位置分為依次緊鄰的光柵區(qū)、相區(qū)和增益區(qū)；在所述光柵區(qū)，且在所述脊波導之外的區(qū)域，除了不具有所述光柵蓋層、包層和電接觸層，還不具有下波導層、有源區(qū)層和上波導層；在所述光柵區(qū)的上波導層的表層具有布拉格光柵。
[0010]根據本發(fā)明的一種【具體實施方式】，所述襯底由InP制成，所述下波導層和上波導層由InGaAsP制成，所述有源區(qū)層由輕慘雜的InGaAsP制成。
[0011]根據本發(fā)明的一種【具體實施方式】，所述光柵蓋層由InP制成。
[0012]根據本發(fā)明的一種【具體實施方式】，所述包層由InP制成。
[0013]根據本發(fā)明的一種【具體實施方式】，所述電接觸層由P+摻雜的InGaAs制成。
[0014]根據本發(fā)明的一種【具體實施方式】，在所述脊波導的電接觸層之上還形成有電極層。
[0015]根據本發(fā)明的一種【具體實施方式】，在所述脊波導的電極層和電接觸層中，且在光柵區(qū)和相區(qū)之間及相區(qū)和增益區(qū)之間分別形成一個電隔離溝。
[0016]本發(fā)明還提出一種制作布拉格激光器的方法,所述布拉格激光器包括管芯，管芯為疊層結構，該方法包括如下依次進行的步驟:S1、在一個襯底上依次生長下波導層、有源區(qū)層和上波導層；S2、將管芯在水平面的一個方向上依次分為相鄰的光柵區(qū)、相區(qū)和增益區(qū)，并對所述光柵區(qū)和相區(qū)的有源區(qū)層進行帶隙波長藍移，所述水平面是垂直于襯底上各層的疊置方向的平面；S3、在所述光柵區(qū)的所述上波導層的表層制作布拉格光柵；S4、在所述上波導層上形成光柵蓋層、包層和電接觸層；S5、在所述光柵區(qū)、相區(qū)和增益區(qū)的包層及電接觸層上刻蝕出脊波導；S6、在所述光柵區(qū)的脊波導之外的區(qū)域，從所述光柵蓋層刻蝕至所述下波導層；S7、刻蝕所述電接觸層形成電隔離溝，同時對該隔離溝進行He+離子注入，以在所述光柵區(qū)和相區(qū)，所述相區(qū)和增益區(qū)之間實現電隔離。
[0017]根據本發(fā)明的一種【具體實施方式】，在所述步驟S7之后還包括如下步驟:S8、分別在所述光柵區(qū)、相區(qū)和增益區(qū)的脊波導上面的電極接觸層上制作電極層；S9、在所述襯底的底部制作電極層。
[0018](三)有益效果
[0019]本發(fā)明利用在光柵區(qū)刻蝕深脊波導，在增益區(qū)和相區(qū)刻蝕淺脊波導的方法，制造出寬可調諧的分布反射布拉格激光器，將波長調諧范圍可增大至12nm既降低了制作工藝的復雜性，同時還能保證產品的成品率和出光功率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明的實現波長寬調諧的分布反射布拉格激光器的器件整體結構圖；
[0021]圖2是圖1的縱向切面結構圖；
[0022]圖3是圖1的俯視圖。
【具體實施方式】
[0023]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0024]圖1是本發(fā)明的實現波長寬調諧的分布反射布拉格激光器的器件整體結構圖；圖2是其縱向切面結構圖，圖3是其俯視圖。請參閱圖1，該激光器包括管芯，管芯為疊層結構，依次包括襯底4、下波導層5、有源區(qū)層6、上波導層7、光柵蓋層81、包層82、電接觸層83。
[0025]為了描述方便，將上述各層依次疊置的方向定義為垂直方向(即圖1中的豎直方向)，將各層的主平面稱為水平面。
[0026]所述襯底層4可由InP等材料制成，厚度為400微米至600微米。[0027]所述下波導層5用于所述垂直方向限制載流子和光子，可由InGaAsP等四元材料制成，厚度為80納米至200納米。
[0028]所述有源區(qū)層6用于將電能轉化為光子，可由輕摻雜的InGaAsP等四元材料制成，厚度為20納米至100納米。該有源區(qū)層6優(yōu)選為多量子阱有源區(qū)層。
[0029]所述上波導層7用于垂直方向限制載流子和光子，可由InGaAsP等四元材料制成，厚度為80納米至200納米。
[0030]所述在光柵區(qū)的上波導層7表層制作有布拉格光柵10。
[0031]所述光柵蓋層81用于將刻蝕下去的光柵掩埋起來，減小光的損耗，可由InP等材料制成，厚度為50至200納米。
[0032]所述包層82用于形成光傳輸的波導，可由InP等材料制成，厚度為1.3微米至2微米。
[0033]所述電接觸層83用于形成金屬半導體之間的歐姆接觸，可由P+摻雜的InGaAs等材料制成，厚度為0.1至0.3微米。
[0034]根據本發(fā)明，如圖2、圖3所示，在水平面的一個方向(在此稱為第一方向，也即圖
2、圖3的左右方向)上延伸形成一個脊波導，在該脊波導之外的區(qū)域不具有光柵蓋層81、包層82和電接觸層83。
[0035]并且，在所述第一方向上，所述管芯按照第一方向上的位置分為依次緊鄰的光柵區(qū)1、相區(qū)2和增益區(qū)3。其中在光柵區(qū)1，在所述脊波導之外的區(qū)域，除了不具有光柵蓋層
81、包層82和電接觸層83，還不具有下波導層5、有源區(qū)層6和上波導層7。
[0036]也就是說，在所述相區(qū)2和增益區(qū)3，在不具有脊波導的地方，光柵蓋層81、包層
82、電接觸層83被去除，從而在相區(qū)2和增益區(qū)3上形成脊波導。脊波導水平面的垂直于第一方向上的寬度可為2微米至4微米，例如3微米。
[0037]所述光柵區(qū)1，在不具有脊波導的地方，下波導層5、有源區(qū)層6、上波導層7、光柵蓋層81、包層82、電接觸層83被去除，從而在光柵區(qū)I上形成3微米的深度更深的脊波導。通過在光柵區(qū)I制作深脊波導結構，從而增強對載流子的限制能力，增大電流對光柵區(qū)有效折射率的調諧能力，最終實現激射波長寬可調諧。
[0038]光柵區(qū)1、相區(qū)2和增益區(qū)3的長度范圍分別為200至400微米、50至150微米、
100至300微米。增益區(qū)I用于產生增益，為反饋腔提供光載流子，相區(qū)2用于調節(jié)光的有效反饋光程，實際中可以用來微調激光器的激射波長，光柵區(qū)3用于選取波長，實現單模激射。
[0039]所述光柵區(qū)I和相區(qū)2的有源區(qū)層6的材料進行了帶隙波長藍移。具體方法可以通過量子阱混雜(QWI)或對接(Butt-Joint)無源波導的技術來實現帶隙波長藍移。
[0040]此外，在脊波導的電接觸層83之上還形成有電極層9。并且，在脊波導的電極層9和電接觸層83中，且在光柵區(qū)I和相區(qū)2之間及相區(qū)2和增益區(qū)3之間分別形成一個電隔離溝。即所述電隔離溝是去除了電極層9和電接觸層83形成的，同時對包層82注入氦離子(He+)，因此能實現光柵區(qū)1、相區(qū)2和增益區(qū)3之間的電隔離。
[0041]上述激光器的制造方法包括如下步驟:
[0042]S1、在一個襯底4上依次生長下波導層5、有源區(qū)層6和上波導層7。
[0043]可選擇η型InP作為襯底，在InP襯底上可依次生長InGaAsP下波導層5、量子阱有源區(qū)6、InGaAsP上波導層7。
[0044]S2、將管芯在水平面的一個方向上依次分為相鄰的光柵區(qū)1、相區(qū)2和增益區(qū)3，并對光柵區(qū)I和相區(qū)2的有源區(qū)層6進行帶隙波長藍移，所述水平面是垂直于襯底上各層的疊置方向的平面。
[0045]也就是說，該器件被分成三段結構，三段結構分別為增益區(qū)1、相區(qū)2、光柵區(qū)3 ；
[0046](接著，可利用量子講混雜(QuantumWell Intermixing)或對接(Butt-Joint)無源波導的技術對光柵區(qū)I和相區(qū)2的多量子阱有源區(qū)6進行帶隙波長藍移。
[0047]S3、在光柵區(qū)I的上波導層7的表層制作布拉格光柵10。
[0048]布拉格光柵10應制作均勻。
[0049]S4、在上波導層7上形成光柵蓋層81、包層82和電接觸層83。
[0050]在整個管芯表面生長InP光柵蓋層、P型InP包層和p型InGaAs電接觸層材料83。
[0051]S5、在光柵區(qū)1、相區(qū)2和增益區(qū)3的包層82及電接觸層83上刻蝕出脊波導。
[0052]在這里淺脊波導結構是指波導層只包括InP光柵蓋層81、p型InP包層82和p型InGaAs電接觸層材料83。脊波導寬度為例如為3微米，厚度為InP光柵蓋層81、p型InP包層82和P型InGaAs電接觸層材料83的總厚度。在增益區(qū)3和相區(qū)2制作淺脊波導結構能減小增益區(qū)3的損耗，提高增益區(qū)的發(fā)光效率。
[0053]S6、在光柵區(qū)I的脊波導之外的區(qū)域，從上波導層7刻蝕至下波導層(5)。
[0054]該步驟在光柵區(qū)I形成深脊波導，深脊波導寬度不變，厚度為下波導層5、有源區(qū)層6、上波導層7、光柵蓋層81、包層82、電接觸層83的總厚度?？赏ㄟ^濕法刻蝕和干法刻蝕在光柵區(qū)從InP包層及電接觸層刻蝕至下波導層5，從而制作深脊波導結構。
[0055]S7、在刻蝕電接觸層83形成電隔離溝，同時對隔離溝進行He+離子注入，在光柵區(qū)I和相區(qū)2，相區(qū)2和增益區(qū)3之間實現電隔離。
[0056]S8、分別在光柵區(qū)1、相區(qū)2和增益區(qū)3的電極接觸層83上制作P面電極層9。
[0057]S9、對襯底4進行減薄，然后在襯底4的底部制作N面電極層11。
[0058]為了更加清楚的說明本發(fā)明的技術方案，下面特舉一實施例以體現本發(fā)明的效果和優(yōu)點。
[0059]在該實施例中，襯底層4為InP材料，厚度為380微米。
[0060]波導層5用于垂直方向限制載流子和光子，由InGaAsP四兀材料制成，厚度為150納米。
[0061]有源區(qū)層6用于將電能轉化為光子，由輕摻雜的InGaAsP四元材料制成，由6個量子阱周期組成，厚度為78納米。
[0062]上波導層7用于垂直方向限制載流子和光子，由InGaAsP四兀材料制成，厚度為150納米。
[0063]在光柵區(qū)I的上波導層7表層制作有布拉格光柵10，光柵周期為239納米。
[0064]光柵蓋層81用于將刻蝕下去的光柵掩埋起來,減小光的損耗，由InP材料制成,厚度為100納米。
[0065]包層82用于形成光傳輸的波導，由InP材料制成,厚度為1.6微米。
[0066]電接觸層83用于形成金屬半導體之間的歐姆接觸，由P+摻雜的InGaAs材料制成，厚度為0.2微米。[0067]管芯在水平面的長度方向上分為光柵區(qū)1、相區(qū)2和增益區(qū)3。光柵區(qū)1、相區(qū)2和增益區(qū)3的長度范圍分別為300微米、100微米、200微米。增益區(qū)I用于產生增益，為反饋腔提供光載流子，相區(qū)2用于調節(jié)光的有效反饋光程，實際中可以用來微調激光器的激射波長，光柵區(qū)3用于選取波長，實現單模激射。
[0068]所述光柵區(qū)I和相區(qū)2的材料6進行了帶隙波長藍移。具體實施方法是通過量子講混雜(Quantum Well Intermixing)技術來實現帶隙波長藍移,藍移量為90nm左右，。
[0069]在相區(qū)2和增益區(qū)3，在不具有3微米脊波導結構的地方，光柵蓋層81、包層82、電接觸層83被去除，從而在相區(qū)2和增益區(qū)3上形成3微米的脊波導結構。
[0070]在光柵區(qū)I的不具有3微米脊波導結構的地方，下波導層5、有源區(qū)層6、上波導層
7、光柵蓋層81、包層82、電接觸層83被去除，從而在光柵區(qū)I上形成3微米的深脊波導結構。該脊波導與相區(qū)2和增益區(qū)3的脊波導在垂直方向上深度不同，但是在水平面的方向上保持在一條直線上。
[0071]在具有脊波導結構的電接觸層8上具有電隔離溝，電隔離溝去掉了電接觸層83，同時注入氦離子(He+)，實現光柵區(qū)1、相區(qū)2和增益區(qū)3之間的電隔離。
[0072]分別在光柵區(qū)1、相區(qū)2和增益區(qū)3的3微米脊波導上面的電極接觸層83上制作P面電極9,電極由鈦(Ti)-金(Au)構成。
[0073]對襯底4進行減薄，然后在襯底4的底部制作N面電極11，電極由金鍺鎳(AuGeNi)-金(Au)構成。
[0074]此激光器可以實現單模激射，波長為1550nm附近，同時最大出光功率為20mW。其中最重要的特征是，激射波長可以實現12納米準連續(xù)波長調諧。
[0075]本發(fā)明在傳統的三段式分布反射布拉格激光器的基礎上，利用在光柵區(qū)刻蝕深脊波導，在增益區(qū)和相區(qū)刻蝕淺脊波導的方法，以此來增大光柵區(qū)載流子的限制作用，增強偏置電流對折射率的調諧能力，最終實現波長的寬可調諧。這種基于光柵區(qū)為深脊的分布反射布拉格激光器，可實現波長調諧范圍增大至12nm左右，同時保證器件的出光功率不受刻蝕深脊的影響。
[0076]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種布拉格激光器，包括管芯，管芯為疊層結構，其特征在于，所述疊層結構依次包括襯底(4)、下波導層(S)、有源區(qū)層(6)、上波導層(7)、光柵蓋層(81)、包層(82)、電接觸層(83)，其中， 在垂直于所述各層的疊置方向的水平面的第一方向上延伸有一個脊波導，在該脊波導之外的區(qū)域不具有所述光柵蓋層(81)、包層(82)和電接觸層(83)； 所述管芯按照在所述第一方向上的位置分為依次緊鄰的光柵區(qū)(I)、相區(qū)(2)和增益區(qū)⑶； 在所述光柵區(qū)(I)，且在所述脊波導之外的區(qū)域，除了不具有所述光柵蓋層(81)、包層(82)和電接觸層(83)，還不具有下波導層(S)、有源區(qū)層(6)和上波導層(7)； 在所述光柵區(qū)(I)的上波導層(7)的表層具有布拉格光柵(10)。
2.如權利要求1所述的布拉格激光器，其特征在于，所述襯底(4)由InP制成，所述下波導層(S)和上波導層(7)由InGaAsP制成，所述有源區(qū)層(6)由輕摻雜的InGaAsP制成。
3.如權利要求1所述的布拉格激光器，其特征在于，所述光柵蓋層(81)由InP制成。
4.如權利要求1所述的布拉格激光器，其特征在于，所述包層(82)由InP制成。
5.如權利要求1所述的布拉格激光器，其特征在于，所述電接觸層(83)由P+摻雜的InGaAs 制成。
6.如權利要求1所述的布拉格激光器，其特征在于，在所述脊波導的電接觸層(83)之上還形成有電極層(9)。
7.如權利要求6所述的布拉格激光器，其特征在于，在所述脊波導的電極層(9)和電接觸層(83)中，且在光柵區(qū)(I)和相區(qū)(2)之間及相區(qū)(2)和增益區(qū)(3)之間分別形成一個電隔離溝。
8.一種制作布拉格激光器的方法，所述布拉格激光器包括管芯，管芯為疊層結構，其特征在于，該方法包括如下依次進行的步驟: S1、在一個襯底(4)上依次生長下波導層(S)、有源區(qū)層(6)和上波導層(7)； S2、將管芯在水平面的一個方向上依次分為相鄰的光柵區(qū)(I)、相區(qū)(2)和增益區(qū)(3)，并對所述光柵區(qū)(I)和相區(qū)(2)的有源區(qū)層(6)進行帶隙波長藍移，所述水平面是垂直于襯底上各層的疊置方向的平面； S3、在所述光柵區(qū)(I)的所述上波導層(7)的表層制作布拉格光柵(10)； S4、在所述上波導層(7)上形成光柵蓋層(81)、包層(82)和電接觸層(83)； S5、在所述光柵區(qū)(I)、相區(qū)(2)和增益區(qū)(3)的包層(82)及電接觸層(83)上刻蝕出脊波導； S6、在所述光柵區(qū)(I)的脊波導之外的區(qū)域，從所述光柵蓋層(81)刻蝕至所述下波導層(S)； S7、刻蝕所述電接觸層(83)形成電隔離溝，同時對該隔離溝進行He+離子注入，以在所述光柵區(qū)⑴和相區(qū)(2)，所述相區(qū)(2)和增益區(qū)(3)之間實現電隔離。
9.如權利要求8所述的制作布拉格激光器的方法，其特征在于，在所述步驟S7之后還包括如下步驟: S8、分別在所述光柵區(qū)(I)、相區(qū)(2)和增益區(qū)(3)的脊波導上面的電極接觸層(83)上制作電極層(9)；S9、在所述襯底(4)的底部制作電極層(11)。
【文檔編號】H01S5/042GK103779785SQ201410027833
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月21日 優(yōu)先權日:2014年1月21日
【發(fā)明者】余力強, 梁松, 趙玲娟, 張燦, 吉晨 申請人:中國科學院半導體研究所