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1. WO2007101394 - LASER À SEMI-CONDUCTEUR À RÉTROACTION RÉPARTIE CONÇU SUR LA BASE DE L'ALGORITHME DE RECONSTRUCTION ET DE LA TECHNOLOGIE DE COMPRESSION D'IMPULSIONS ÉQUIVALENTE ET PROCÉDÉ DE FABRICATION CORRESPONDANT

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[ ZH ]
基于重构一等效啁啾技术的半导体激光器及制备方法

技术领域

本发明属于光电子技术领域, 与分布反馈半导体激器有关,尤其涉 及复杂分布反馈半导体激光器的设计与制作,更具体而言,是基于重构一 等效啁啾技术的分布反馈 (DFB) 半导体激光器及制备方法及装置。

背景技术

全球宽带需求的不断增长和追求 "光纤到家"的目标理想,正成为持 续驱动全球光纤产业成长的助力剂,这也带动了光通信半导体激光器产业 的发展。由于宽频网路的日益普及和使用人数年成长率达到 50%以上,家 庭用户年成长率高达 300%,所以对频宽的需求也日益增长,目前最便宜且 最快速增加频宽的方法,是采用密集波分多路复用(DWDM) 光传输系统, 因此对半导体激光器的市场需求呈现爆发成长。半导体激 器作为光纤通 信系统中的光源是关键元件,是整个系统的核心部分。光纤通信传输一般 用单模光纤和单模半导体激光器。半导体激光器性能的好坏直接影响光通 信传输的性能。高性能半导体激光器需要激光器的单模特性好,激光器工 作时不会产生跳模,单色性好。实现动态单纵模工作的最有效的方法之一, 就是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅,依靠光栅的选频原理来实 现纵模选择,这种半导体激光器称为分布反馈(DFB) 半导体激光器。 DFB 半导体激光器的特点在于光栅分布在整个谐振腔中,光波在反馈的同时获 得增益。因为 DFB半导体激光器的谐振腔具有明显的波长选择性,从而决 定了它们的单色性优于一般的半导体激光器。一般 半导体激光器中存 在的反馈方式,主要是折射率周期性变化引起的布拉格反射,即折射率耦 合 (Index- Coupling)。与依靠两个反射端面来形成谐振腔的 FP半导体激光 器相比, DFB半导体激光器可能激射的波长所对应的谐振腔损耗是不同的, 也就是说 DFB半导体激光器的谐振腔本身具有选择模式的能力。在端面反 射为零的理想情况下,理论分析指出:折射率耦合 DFB半导体激光器在与 布拉格波长相对称的位置上存在两个谐振腔损耗相同且最低的模式,而增 益耦合 DFB半导体激光器恰好在布拉格波长上存在着一个谐振腔损耗最低

的模式。也就是说,折射率耦合 DFB半导体激光器原理上是双模激射的。 对于实际的 DFB半导体墩光器来说,光栅两端的端面是存在反射的, 不仅反射率的强度不为零, 而且两个端面的反射相位也不确定。这是由于 实际器件制作中,端面位于光栅一个周期中的哪个位置是不可控制的。对 于纯折射率耦合 DFB半导体激光器来说,在相当一部分相位下,模式简并 可以被消除,.器件可以实现单模工作。最早的折射率耦合 DFB半导体激光 器就是通过这种方法实现单模激射的。但是由于反射相位具有随机性,这 就导致了单模成品率问题。 对于激光器端面无镀膜的情况,这一概率为 20%〜50%。另外,激光器端面镀膜对 DFB半导体激光器的单模成品率有较 大的影响,在 DFB半导体激光器一个端面镀低反射膜,另一个端面镀高反 射膜时,单模成品率可达 50%。运用这种方法制作的 DFB半导体激光器在 静态工作时,其边模抑制比(SMSR)可大于 40 dB,而在高速调制时,其 SMSR 小于 20 dB,不能完全满足高速光通信的需要。在光栅的中心引入一个四 分之一波长 (λ/4) 相移区,是消除双模简并,实现单模工作的有效方法。 这种方法的最大优点在于它的模式的阈值增益差大, 可以实现真正的动态 单模工作 【S. Akiba, M. Usami and K. Utaka, " 1. 5- Mm λ /4-shifted InGaAsP/InP DFB lasers ( 1. 5_Mm λ /4相移的 InGaAsP/InP DFB激光器), J. Lightwave Technol. Vol. 5, pp. 1564 ― 1573, Nov. 1987】。

λ/4 DFB半导体激光器可以用来做直接调制激光器。直接调制 DFB半 导体激光器的最大优点是在高速调制 (2. 5 Gbit/s〜10 Gbit/s)的情况下仍 能保持动态单模,非常适合高速短距离的光纤通信系统,如局域网。目前 商业应用的直接调制 DFB半导体激光器能够达到阈值电流 5 mA左右,在 2. 5 Gbit/s调制速率下能传输上百公里。调制速率为 10 Gbit/s的直接调 制 DFB半导体激光器正成为新的研发热点。例如日本三菱公司 2000年报道 的应用于 10 Gbit/s局域网传输的直接调制 DFB半导体激光器,工作波长 为 1. 3 μηι,在 Ρ型衬底上采用掩埋结构,光栅为 λ/4相移结构。通过降低 电极面积和激光器腔长 (腔长为 200μιη),来提高调制带宽。并且通过提高 耦合系数来保证器件的高温特性。在 25Χ〜 70°C的范围内,调制带宽都在 10 GHz以上,在标准单模光纤中传输距离超过 20 km。

对于 DFB半导体激光器,布拉格光栅的质量是非常关键的,直接影响 了 DFB半导体激光器的质量,也决定了 DFB半导体激光器的品质。除了 λ/4 DFB半导体激光器,具有复杂布拉格光栅结构可以提高 DFB半导体激光器

的性能【S. Nilsson, T. Kjel lberg, T. Klinga, R. Schatz, J. Wall in, K. Streubel, " Improved spectral characteristics of MQW-DFB lasers by incorporation of multiple phase-shifts " (采用多相移技术提高发 射光谱的 MQW- DFB半导体激光器), J. Lightwave Technol. Vol. 13, pp. 434 - 441, Mar. 1995;以及 Nong Chen, Y. Nakano, K. Okamoto, K. Tada, G. I. Morthier, R. G. Baets, "Analysis, fabrication, and characterization of tunable DFB lasers with chirped gratings (带 有啁啾光栅的 DFB激光器的分析、制作和特性), IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 3, pp. 541 - 546, April 1997】。在半导体加工工艺中,光栅属于制作难度很高的结构。然而光栅结 构的好坏,又是器件性能至关重要的决定因素,一旦光栅参数在制作过程 中出现偏差,无法进行微调修补。此外,非均匀光栅的制作一般不能用相 对简单、成本低廉的全息曝光制作光栅方法,而需要电子束曝光或者其他 复杂的制作工艺。四分之一波长相移属于非均匀光栅,因此 λ/4 相移 DFB 半导体激光器存在成本高,成品率低,制作方法复杂的问题。

在半导体波导上制作复杂布拉格光栅成为制造高性能 DFB半导体激光 器的关键。 2002年冯佳、陈向飞等人在中国发明专利 "用于补偿色散和偏 振模弥散的具有新取样结构的布拉格光栅" (CN02103383. 8,授权公告号: CN1201513 ) 中提出了通过引入取样布拉格光栅的取样周期啁啾(CSP) 来 获得所需要的等效的光栅周期啁啾(CGP)的方法。提出等效啁啾最早的文 南犬可参考 Xiangfei Chen et. al , "Analytical expression of sampled Bragg gratings with chirp in the sampling period and its appl ication in dispersion management design in a WDM system" (带有耳又样,周其月啁 啾的取样布拉格光栅的分析表达式和它在波分复用系统色散管理的应用), IEEE Photonics Technology Letters, 12, pp. 1013-1015, 2000。这种等 效啁啾技术的特点是采用亚微米精度就可制作具有所需要的等效啁啾的布 拉格光栅。这种特殊布拉格光栅是取样布拉格光栅,取样布拉格光栅有多 个反射峰,每个反射峰对应一个傅立叶系数, +1和- 1级的傅立叶系数分别 对应离中心布拉格波长最近的两个反射峰,分别在中心波长的左边 (较短的 波长)和右边(较长的波长)。每个反射峰代表一个影子光栅 (ghost grating), +1 和- 1 级傅立叶系数对应的反射峰分别代表傅立叶系数 =+1 或 -1的影子光栅。在 +1或- 1的影子光栅所起的作用同普通布拉格光栅(非

取样布拉格光栅)一样。因此使用 +1或- 1级的影子光栅来代替普通布拉格 光栅。采用复杂取样周期的分布形成复杂的 +1或- 1级的影子光栅。当然其 他级(傅立叶系数 =±2, ±3,…,)的影子光栅具有复杂特性,但是因为这 些影子光栅的调制强度较低,一般采用最强的复杂特性影子光栅,即傅立 叶系数 =±1 ) 的影子光栅。无论采用那个影子光栅,我们只能选择一个影 子光栅来代替普通布拉格光栅。 '

为方便起见,这个用来代替普通布拉格光栅的影子光栅这里称为等效 光栅。等效光栅可以同所需要的普通布拉格光栅性能一样,在普通布拉格 光栅的作用波段上等效光栅完全可以代替普通布拉格光栅。等效光栅的复 杂特性可以通过改变取样光栅的取样周期分布获得,取样周期一般要远远 大于光栅周期,因此可以极大的简化了特殊布拉格光栅(等效光栅)的制 作,具有很大的成本优势和技术特色,以此可以方便的设计具有不同光学 响应的等效光栅,而不要更换模板。同时,这项技术在易于实现的亚微米 级精度上可以实现各种复杂的等效光栅啁啾,而这个等效光栅啁啾与真实 的具有亚纳米精度的复杂光栅啁啾所起的作用一样。啁啾光栅是指光栅常 数 (折射率调制的周期)不均匀被称之为啁啾光栅。

等效啁啾技术完全保证如一阶等效啁啾、二阶等效光栅啁啾、高阶等 效光栅啁啾等可以相互独立得到。戴一堂、陈向飞等人在中国发明专利 "DS 一 0CDMA 系统编码解码所用的采样光纤光栅及其制作方法"

(CN200410009546. X, 公开号: CN1588150)和文献 Yi tang Dai, Xiangfei Chen et. al, " Equivalent phase shift in a fiber Bragg grating achieved by changing the sampling period" (采用改变光纤布拉格光栅 中布拉格取样周期得到等效相移), IEEE Photon. Tech. Lett. , vol. 16, pp. 2284-2286, 2004中提出了等效相移概念。更进一步,戴一堂、陈向飞 等人在中国发明专利中 "一种实现具有任意目标响应的光纤光栅"

(CN200410007530. 5 ) 提出一种设计和制作具有任意物理可实现滤波特性 的等效光栅的方法和技术。这种技术是一种结合重构技术和等效啁啾技术 的新技术,这里我们称这种设计和制作技术叫重构一等效啁啾技术,简称 REC技术,可参考文献: Yitang Dai , Xiangfei Chen et. al, "Sampled-Bragg grating with desired response in one channel by use of a reconstruction algorithm and equivalent chirp" (采用重构禾口等效口周 啾方法、可以在一个信道内得到预定响应的取样布拉格光栅), Opt. Lett. ,

vol. 29, 1333-1335, 2004。.使用 REC技术,可以在物理可实现范围内., 使用亚微米精度的普通实验平台上设计和制作出各种所需要的复杂特性等 效光栅。在等效光栅所在的作用带宽里,等效光栅可以完全代替普通布拉 格光栅,它们的光学响应相同;或者复杂光学响应的普通布拉格光栅可以 被相应的等效光栅所代替,而它们的光学响应相同。用来代替 DFB半导体 激光器'中的通布拉格光栅的等效光栅可以使用等效啁啾技术,等效相移技 术设计和制作。更为复杂的等效光栅可以用 REC技术设计和制作。需要说 明的,等效啁啾和等效相移技术是 REC技术的特例。

现有的半导体激光器是在半导体激光器晶片上制造的, 一个半导体激 光器晶片上含有很多半导体激光器,基于 REC技术的 DFB半导体激光器及 其制作方法,当基本光栅周期在晶片上固定时,半导体激光器晶片上的各 个 DFB半导体激光器的激射波长由各个 DFB激光器等效光栅,即等效光栅 的中心布拉格周期决定。等效光栅的中心布拉格周期由此 DFB结构的取样 光栅的取样周期决定。因此基于 REC技术,控制晶片上各个 DFB半导体激 光器的取样周期可以控制激光器的激射波长,同一晶片上的半导体激光器, 激射波长的变化范围可以超过 60nm。

半导体 DFB激光器的性能还同材料有关,制造半导体激光器的材料一 般是 ΙΠ- V族化合物半导体材料、 II- VI族化合物半导体材料、 IV- VI族化 合物半导体材料等各种化合物半导体材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于使用普通全息曝光方法结合普通微米 半导体工艺技术制作高性能复杂结构的 DFB半导体激光器。本发明的目的 还在于利用等效啁啾技术、等效相移技术和更为广泛的重构一等效啁啾技 术 (REC技术)设计和制作的等效光栅来代替 DFB半导体激光器结构里的普 通布拉格光栅。

本发明的技术方案是:基于重构一等效啁啾技术制备半导体激光器的 方法,采用取样布拉格光栅结构,即半导体激光器波导里的光栅是取样布 拉格光栅,取样布拉格光栅含有对应普通布拉格光栅的等效光栅,半导体 激光器的激射波长在此取样布拉格光栅的等效光栅的作用带宽里,等效光 栅由重构一等效啁啾技术 (REC技术)来设计和制作,含有等效啁啾、一个 等效相移或 n个等效相移, n—般取 2至 5,取样布拉格光栅具有多个影子 光栅,影子光栅之间的波长间隔反比于取样周期和半导体激光器波导的有 效折射率。上述 DFB 半导体激光器中的取样布拉格光栅的取样周期小于 ΙΟμπι, 大于 1μιη。

所述激光器中的等效光栅由等效相移方法来设计和制作。比如在离所 述激光器中取样光栅中心的 ±15%区域内,有一个取样周期是发生突然变化 的,变化后的周期是原周期的 '1. 4到 1. 6倍或 0. 4到 0. 6倍,,而其它的取 样周期保持恒定。 ·

所述激光器中分布反馈结构采用侧向耦合光栅结构,位于脊波导的两 侧光栅结构的半导体激光器只需要一次材料外延生长,而后制作侧向耦合 光栅和光波导结构;脊波导的两侧 InGaAsP光栅材料层以下述方法制备: 先制备含有等效光栅所需要的取样周期分布的掩模板,掩模板的取样周期 为 2- 8微米,每个取样的周期的占空比为 0. 4-0. 6;通过取样掩模板和全 息干涉曝光的方法制作出光栅结构。

本发明所述的基于重构一等效啁啾技术制备半导体激光器,半导体激 光器的结构是,在 η型衬底材料上由外延 η型 ΙηΡ缓冲层、非掺杂晶格匹 配的 InGaAsP波导层、应变 InGaAsP多量子阱、 InGaAsP光栅材料层、二 次外延 p型晶格匹配 InGaAsP波导层和 p型 InP限制层和 p型 InGaAs欧姆 接触层顺次构成; InGaAsP 光栅材料层的光栅是取样布拉格光栅,含有用 作激光激射的等效光栅。 DFB段的表面采用 200-400nm厚的 Si02绝缘层, 脊上的 Si02被腐蚀掉和金属电极连接;器件的两端均有抗反镀膜,镀膜后 反射率小于 1 %。

半导体激光器的改进是,在 n型衬底材料上顺次有外延 n型 InP缓冲 层、非惨杂晶格匹配 InGaAsP波导层、应变 InGaAsP多量子阱, InGaAsP 波导层、 p型 InP限制层、 P型 InGaAs欧姆接触层;半导体激光器采用侧 向耦合光栅耦合结构,含有等效光栅的取样布拉格光栅位于脊波导的两侧。 DFB段的表面采用 200- 400ran厚的 Si02绝缘层,脊上的 Si02被腐蚀掉和金 属电极连接;器件的两端均有抗反镀膜或减反射膜,镀膜后反射率小于 1

%。

半导体激光器的具体结构是,器件 n型衬底材料上外延 η型 InP缓冲 层的厚度 180- 220nm; 非掺杂晶格匹配 InGaAsP波导层厚 80- 120nm; 应变 InGaAsP多量子阱, 5- 10个量子阱,每个阱阱宽 7- 9nm, 0. 5%压应变,垒 宽 8- 12nm; p型晶格匹配 InGaAsP波导层厚 80- 120nm; p型 InP限制层

厚 1. 5-2. 0微米和 P型 InGaAs欧姆接触层厚 80- 120nm。激光器采用脊波 导结构,长度为 300-900微米,脊宽分别为 2-4微米,脊两侧沟宽 15 - 25 微米,深 1. 5微米。

本发明的特殊 DFB半导体激光器波导里的光栅是取样布拉格光栅,具 有多个影子光栅。但是取样光栅的取样周期很小,一般要小于 10微米,半 导体激光器波导¾有效折射率一般是 3. 1到 3. 7之间。如果取样周期为 10 微米,半导体激光器波导的有效折射率是 3. 7,那么取样光栅的影子之间 波长间隔大于 30nm。影子光栅之间的波长间隔反比于取样周期和半导体激 光器波导的有效折射率。如果取样布拉格光栅的光栅周期为 4微米,半导 体激光器波导的有效折射率为典型值为 3. 3,那么影子光栅之间的波长间 隔约为 91nm。

改变取样周期的分布不会造成中心波长的影子光栅 (对应傅立叶系数 级数 =0,折射率调制强度在所有影子光栅中最大)的复杂滤波特性。一般 取 +1或 -1级的影子光栅作为等效光栅,它们的折射率调制系数是除中心波 长的影子光栅外最大的。影子光栅之间的波长间隔比较重要。如果半导体 激光器的激光腔的增益不随波长改变,那么带有取样布拉格光栅的激射波 长可能发生在 0级影子光栅、或者 +1级影子光栅,或者 -1级影子光栅。因 为这些影子光栅的折射率调制是最大的三个,是激射阈值最低的三个影子 光栅。半导体激光器的激光腔的增益实际是随波长变化的,在激光器波长 上增益最大,随着偏离激光器波长,增益衰减得很快,典型值为 20nm左右 就下降到一半,因此如果取样布拉格光栅的光栅周期为 6微米,半导体激 光器波导的有效折射率 =3. 3,影子光栅之间的波长间隔为 60nm。激光器 波长一定选择在等效光栅的带宽范围内。 如果激光器波长选择在 +1 级影 子光栅带宽内,即等效光栅为 +1级影子光栅,那么其他影子光栅,如 0级 影子光栅, -1级的影子光栅的激射阈值要比等效光栅大的多。同样的,如 果激光器波长选择在 -1级影子光栅带宽内,即等效光栅为 -1级影子光栅, 那么其他影子光栅,如 0级影子光栅, +1级的影子光栅的激射阈值要比等 效光栅大的多。因此在激光器正常工作范围,激光器激射只能发生在等效

、 本发明基于 REC技术的四分之一波长相移 DFB半导体激光器的具体的 结构是:取样布拉格光栅中某一位置的取样周期发生突然变化,而其它的 取样周期保持不变,就可以使取样布拉格光栅的某些反射峰的达到与相移

光栅相似的效果。这种与布拉格光栅相移相对应的特性称为等效相移。更 广泛的,如果取样布拉格光栅多个位置的取样周期发生突然变化,那么该 取样布拉格光栅的某些反射峰就会产生与存在这多个相移点的均匀光栅相 似的等效相移。特别是如果取样布拉格光栅中心的一个取样周期改变为其 原长度的 1. 5倍或原长度的 0. 5倍,而其它的取样周期保持不变,就可以 使取样光栅的奇数级反射峰发生等效 ' -相移 (参见 Dianjie Jiang, Xiangfei Chen et. al "A novel distributed feedback fiber laser based on equivalent phase shift (一种基于等效相移的新型分布反馈光纤激光 器)", IEEE Photon. Tech. Lett. , 16, 2598 (2004);以及陈向飞等 "分 布反馈式光波导激光器", CN200410042789. 3 ) , 可形成等效四分之一波长 相移 DFB半导体激光器。

DFB半导体激光器制作过程中,材料的外延生长的工艺复杂,较昂贵, 为了避免制作内置布拉格光栅,从而减少外延的次数,可采用侧向耦合光 栅。基于侧向耦合光栅的 DFB半导体激光器是一种新型 DFB半导体激光器。 为了减小光栅的制作难度,本发明提出基于等效光栅的 DFB半导体激光器 采用侧向耦合光栅耦合结构,含有等效光栅的取样布拉格光栅位于脊波导 的两侧。这种光栅结构的半导体激光器只需要一次材料外延生长, .而后制 作侧向耦合光栅和光波导结构。为了减小端面反射率对自脉动特性的影响 以及提高 DFB半导体激光器的功率,激光器两端至少一段采用抗反镀膜, 抗反镀膜后的端面反射率范围在 10 到 10 %之间。

本发明基于 REC技术的 DFB半导体激光器的激射波长由等效光栅的中 心布拉格波长决定。控制等效光栅所在的取样光栅的取样周期,改变等效 光栅的布拉格波长。半导体激光器波导的有效折射率是 3. 3,当激光器晶 片的基本光栅周期固定时,取样周期从 6微米变成 4微米,等效光栅中心 布拉格波长向长波长变化约 30nm; 取样周期从 6微米变成 3微米,等效光 栅中心布拉格波长向长波长变化约 60nm; 取样周期从 6微米变成 2微米, 等效光栅中心布拉格波长向长波长变化约 100nm。

本发明的特点是:基于 REC技术的 DFB半导体激光器,半导体激光器 晶片的多个半导体激光器的激射波长变化范围超过 60nm。与等效啁啾类似, 本发明易于实现的亚微米级精度上可以实现各种复杂的等效相移,这个等 效相移与具有纳米、亚纳米精度的真实相移所起的作用一样。具有等效相 移的等效光栅可以避免制作相移光栅的复杂工艺,使制作工艺有非常好的

重复性、稳定性,可以得到很高的成品率,从而使得制作成本大大降低., 使用它制作出的激光器性能优良、稳定,有着很大的实用潜力。而等效啁 啾和等效相移技术是 REC技术的特例。

半导体激光器的性能还同材料有关,本发明适用于包括 III- V族化合 物半导体材料、 Π- VI族化合物半导体材料、 IV- VI族化合物半导体材料等 各种化合物半导体材料的 0FB激光器。

附图说明

图 1 基于内置光栅的普通 DFB半导体激光器结构示意图。

1 - 1. N 电极; 1—2. 衬底和下包层; 1—3. 下波导层; 1一 4. 多量子 阱有源层; 1— 5. 光栅层; 1一6. 上波导层; 1—7. 上包层; 1—8. 波 导; 1—9. 欧姆接触层; 1— 10. P 电极

图 2 基于侧面耦合光栅的普通 DFB半导体激光器结构示意图

2- 1. N 电极; 2— 2. 衬底和下包层; 2— 3. 下波导层; 2— 4. 多量子 阱有源层; 2— 5.上波导层; 2— 6. 上包层; 2— 7. 布拉格光栅; 2— 8. 波 导; 2—9. 欧姆接触层; 2— 10. P 电极

图 3普通 DFfe半导体激光器中光栅结构示意图。

3- 1. 有源层; 3— 2. 布拉格光栅; 3— 3. 激光器长度

图 4 取样布拉格光栅的光谱示意图

4- 1. +3级反射峰,代表 + 3级影子光栅; 4一 2. +2级反射峰,代表 + 2级影子光栅; 4—3. +1级反射峰,代表 + 1级影子光栅; 4一 4. 0级反 射峰,代表 0级影子光栅; 4—5. —1级反射峰,代表一 1级影子光栅; 4 —6. — 2级反射峰,代表— 2级影子光栅; 4—7. —3级反射峰,代表一 3 级影子光栅; '

图 5 基于等效光栅的 DFB半导体激光器中光栅结构示意图

5- 1. 有源层; 5— 2. 取样布拉格光栅; 5— 3. 取样布拉格光栅中的一个 取样; 5— 4. —个光栅取样中的光栅结构; 5— 5. 激光器长度

具体实施方式

下面分别就基于内置等效光栅和侧向耦合等效光栅的 DFB激光器进行 描述

【实例 1】工作波长在 1550nm波段内的基于侧向耦合等效光栅的 DFB

半导体激光器;

如图 1所示,器件的外延材料描述如下:首先在 n型衬底材料上一次 外延 n型 InP缓冲层(厚度 200皿、掺杂浓度约 1. Ixl018crrf2)、 lOOnm厚非 掺杂晶格匹配 InGaAsP波导层、应变 InGaAsP多量子阱(光荧光波长 1. 52 微米, 7个量子阱:阱宽 8nm, 0. 5%压应变,垒宽 10nm,晶格匹配材料)、 70rai厚的 InGaAsP光栅材料层。使用普通微电子 ΐ艺制作含有等效光栅所 需要的取样周期分布的掩模板,掩模板的取样周期为 4微米,每个取样的 周期的占空比为 0. 5。在掩模板的中心取样周期发生突然变化,周期为 2 微米,其他取样周期仍然是 4微米。接下来通过取样掩模板和全息干涉曝 光的方法制作出光栅结构、然后二次外延 lOOnm厚 p型晶格匹配 InGaAsP 波导层(掺杂浓度约 1. lxlOW, DFB段该层的厚度为 100nm)、 1. 7微米 厚 p型 InP限制层(惨杂浓度从 3. 5xl017crrf2逐渐变化为 lxl018cm_2)和 lOOran 厚的 P型 InGaAs欧姆接触层(惨杂浓度大于 lxlC^crrf2) .

激光器采用脊波导结构,长度为 400微米,脊宽分别为 3微米,脊两 侧沟宽 20微米,深 1. 5微米。 DFB段的表面采用 300nm厚的 Si02绝缘层, 脊上的 Si02被腐蚀掉和金属电极连接。器件的两端均有抗反镀膜,镀膜后 反射率小于 1 %。激光器的阈值电流典型值为 16mA,边模抑制比达到 40dB 以上。

【实例 2】工作波长在 1550nm波段内的基于侧向耦合等效光栅的 Df¾ 半导体激光器

如图 2所示,器件的外延材料过程如下:首先在 η型衬底材料上顺次 一次外延 η型 InP缓冲层(厚度 200nm、惨杂浓度约 1. lxl018cnT2 )、 lOOnm 厚非掺杂晶格匹配 InGaAsP波导层、应变 InGaAsP多量子阱(光荧光波长 1. 52微米, 7个量子阱,每个阱阱宽 8nm, 0. 5%压应变,垒宽 10蘭,晶格 匹配材料)、 100膽厚 p 型晶格匹配 'InGaAsP 波导层(掺杂浓度约 1. lxl0 )、 1. 7微米厚 p型 InP限制层(掺杂浓度从 3xl0'7cnf2逐渐变 化为 lxlOl8cnT2) 和 lOOnm厚的 P 型 InGaAs 欧姆接触层(掺杂浓度大于 lx lO'W o 激光器采用脊波导结构,长度为 400微米,脊宽分别为 3微 米,脊两侧沟宽 20微米,深 1. 5微米。 DFB段的表面采用 300蘭厚的 SiOs 绝缘层,脊上的 Si02被腐蚀掉和金属电极连接。器件的两端均有抗反镀膜, 镀膜后反射率小于 1 %。

器件结构的制作方法如下:沉积厚度约 400nm的 SiNx, SFK等离子体刻

蚀掉 200mii的 SiNx,从而形成电注入条形保护区。使用普通微电子工艺制 作含有等效光栅所需要的取样周期分布的掩模板,掩模板的取样周期为 4 微米,每个取样的周期的占空比为 0. 5。在掩模板的中心取样周期发生突 然变化,周期为 2微米,其他取样周期仍然是 4微米。通过取样掩模板和 全息干涉曝光的方法制作出光栅结构。 SF6等离子体刻蚀形成 SiN.、掩模。利 用(:12/¾( 13/ ¾等离子体刻蚀制作光栅和波导结构。 SFS等离子体刻蚀掉电 注入区域以外的 SiNx掩模,利用湿法腐蚀液腐蚀掉电注入区域以外的欧姆 接触层。沉积厚度约 2微米 Si02作为绝缘层,光刻腐蚀掉电注入区域顶部 的 Si02; 蒸镀 Cr/Au合金作为 p电极。减薄衬底厚度至约 100微米;蒸镀 Au/Ge/Ni合金作为 n电极。光器的阈值电流典型值为 27mA,边模抑制比达 到 40dB以上。