CN107565381A - 分布反馈式半导体激光器装置及光子集成发射芯片模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布反馈式半导体激光器装置及光子集成发射芯片模块。该装置的光栅由两个啁啾光栅通过无光栅的增益区串联而成，或者由取样周期啁啾的取样光栅通过无光栅的增益区串联而成；其中第一个啁啾光栅的电极由三个相互电隔离的电极组成，这个光栅中间电极所对应部分为相移调整区，它的两侧电极对应部分为侧边区；第二个啁啾光栅所对应部分是无增益的无源区，或者是由一个或多个电极控制的有源区。本发明通过改变侧边区、相移调整区注入电流或者注入电流的比例，可连续调节激光器的激射波长以满足ITU－T标准要求；当第二个啁啾光栅结构与第一个光栅完全相同时，激射的激光有更好的单模特性，且线宽更窄。

Description

分布反馈式半导体激光器装置及光子集成发射芯片模块

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及光纤通信、光子集成、光电传感以及其他光电信息处理。本发明是一种波长可在一定范围内精细可调的分布反馈式半导体激光器装置及其制造方法。

背景技术

作为光纤通信***的核心器件，分布反馈式(Distributed Feedback,DFB)半导体激光器由于体积小、结构简单而受到世人关注。普通的均匀光栅半导体激光器，其折射率是被周期性地均匀调制的。这种激光器在布拉格波长两侧，对称地存在两个谐振腔损耗相同并且最低的模式，称之为两种模式简并。为获得良好的单模特性，可以在均匀光栅的中心引入一个四分之一波长(λ/4)的真实相移，以消除模式简并，使激光器在其布拉格波长发生激射。

要加工这种真实相移DFB半导体激光器，其光栅的刻制需要纳米精度的控制，目前只有经过特殊处理的高精度电子刻写设备能够达到这样的加工精度。这种高精度电子刻写设备价格昂贵，需要耗费大量的时间才能加工生产这种真实相移均匀光栅，因而真实相移DFB半导体激光器的制作成本高昂，目前还不具备大规模产业化应用的能力。

为克服这种缺点，南京大学陈向飞教授提出了用带有等效相移的均匀取样光栅来代替真实相移均匀光栅的方法，来制作光纤通信***所用的分布反馈式半导体激光器。这种做法的好处是能获得与真实相移光栅半导体激光器相同激射性能的等效相移取样光栅半导体激光器，但后者要求的加工精度比前者要低一到两个数量级，因而能大大降低加工的难度和成本。

但无论是等效相移取样光栅半导体激光器还是真实相移光栅半导体激光器，由于在制作过程中总是存在着各种偶然因素，会使得激光器的激射波长偏离设计的ITU－T标准。因而实际的分布反馈式半导体激光器，需要特殊的调谐装置，如电加热装置或改变注入电流等，来调节激光器的激射波长对准ITU－T标准。这些特殊的调谐装置会使得激光器的结构变得复杂，性能下降。

另一方面，由于对光通信网络传输容量的需求急剧增长，波分复用(Wavelengthdivision multiplexing,WDM)***复用的信道数越来越多，这种通信***需要用不同激射波长的激光器作光源。为减少由此带来的能耗和维护成本急剧上升问题，光子集成(Photonic integration circuit,PIC)是必然的选择。如果仍然采用电加热装置或改变注入电流的方式来来调节各单元激光器的激射波长对准ITU－T标准，那么除会导致各单元激光器输出激光功率严重不均衡外，还会造成激光器阵列结构异常复杂的问题。

实际上，利用等效相移取样光栅技术制成的多波长半导体激光器阵列，其各单元激光器的激射波长的单模成品率可以通过引入等效相移来保证，而其激射波长的整体漂移可以通过为激光器阵列芯片整体外加电辅热装置来完成。但研究发现在这样的激光器阵列芯片中，各单元激光器的激射波长对ITU－T标准的上下波动，一般情况下仍然经常会达到零点几个纳米范围，远超过密集波分复用通信***中ITU－T规定的要求。这会导致多波长半导体激光器阵列芯片成品率严重下降的问题。

发明内容

针对现有技术中半导体激光器存在的上述不足，本发明提出了一种新的分布反馈式半导体激光器结构。

本发明的技术方案是：

一种分布反馈式半导体激光器装置，所述分布反馈式半导体激光器装置的光栅是由两个啁啾光栅通过无光栅的增益区串联而成，或者由取样周期啁啾的取样光栅(其选作激射信道的±1级子光栅仍是线性啁啾光栅)通过无光栅的增益区串联而成；其中第一个啁啾光栅的电极由三个相互电隔离的电极组成，这个光栅中间电极所对应部分为相移调整区，它的两侧电极对应部分为侧边区；第二个啁啾光栅所对应部分是无增益的无源区，或者是由一个或多个电极控制的有源区；

作为本发明的进一步改进，第一个啁啾光栅的两个侧边区长度相同；

作为本发明的进一步改进，第一个啁啾光栅的两个侧边区电极可以用导线连接在一起，形成同一个侧边区电极；

作为本发明的进一步改进，第二个啁啾光栅与第一个啁啾光栅可以是完全相同的啁啾光栅；

作为本发明的另一种改进，第二个啁啾光栅所对应部分可以是由三个相互电隔离的电极控制的有源区，即两个侧边区和中间相移调整区组成；

作为本发明的进一步改进，第二个啁啾光栅所对应的两个侧边区和中间相移调整区，与第一个啁啾光栅完全相同；

作为本发明的进一步改进，第二个啁啾光栅所对应的两个侧边区可以用导线连接在一起，形成同一个侧边区电极；

作为本发明的进一步改进，本发明激光器的四个侧边区电极和两个中间相移调整区的电极，可以分别用导线连接在一起形成总的侧边区电极和总的相移调整区电极；

本发明还提供一种分布反馈式半导体激光器单片集成阵列，所述分布反馈式半导体激光器单片集成阵列由上述分布反馈式半导体激光器装置构成。

本发明还提供一种光子集成发射芯片模块，由激光监测器阵列、上述半导体激光器单片集成阵列、调制器阵列、功率均衡器阵列和复用器，通过选择区外延生长或对接生长技术，依次生长集成到同一外延晶片上。

本发明的有益效果是：

本发明的激光器正常工作时，通过改变第一个啁啾光栅的侧边区和中间相移调整区注入电流，就可以连续调节激光器第一个啁啾光栅在不同的光栅周期处发生激射，从而可连续精细调节激光器的激射波长。如果激光器总的注入电流保持不变，只要通过改变侧边区、相移调整区注入电流的比例，就能够精细调控激光器的激射波长，且激光器保持相似的域值和激射输出功率。

如果第二个啁啾光栅所对应的部分为无源反馈区或单电极控制的有源反馈区，那么第二个啁啾光栅作为宽谱的反射器，可以把这个激光器产生的激光，从第一个啁啾光栅的外端面反射出去，这就大大提高了激光器有效输出激光的效率。与此同时，如果激光器的两个啁啾光栅都是取样周期线性啁啾的取样光栅，与线性啁啾光栅相比，在获得相同的反射(或透射)性能的同时，大大降低了对光栅的加工精度要求，因而其制造成本能显著降低。

如果第二个啁啾光栅与第一个啁啾光栅是完全相同的三电极光栅结构，在两个光栅的三个电极都通以相同的电流情况下，由于两个啁啾光栅对激光的选频和反馈作用完全相同，因此这样的光栅对产生激光的选频作用得到了进一步的强化，因而其输出的激光具有更好的单模特性，输出激光的线宽更窄。

附图说明

图1是第二个啁啾光栅为无源光栅时本发明激光器的光栅结构示意图；

图2是第二个啁啾光栅为单电极控制的有源光栅时本发明激光器的光栅结构示意图；

图3是第二个啁啾光栅为三电极控制的有源光栅时本发明激光器的光栅结构示意图；

图4是本发明分布反馈式半导体激光器第一个啁啾光栅的有源区结构示意图；

图中：1、P电极；2、欧姆接触层；3、P-InP层；4、光栅层；5、上限制层；6、有源层；7、下限制层；8、n-InP缓冲层；9、n-InP基底；10、n电极。

图5是多波长光子集成发射芯片功能结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一

本实施例提供一种分布反馈式半导体激光器装置，由两个啁啾光栅通过无光栅的增益区串联而成，或者是由两个取样周期啁啾的取样光栅通过无光栅的增益区串联而成；其中第一个啁啾光栅的电极由三个相互电隔离的电极组成，这个光栅中间电极所对应部分为相移调整区，它的两侧电极对应部分为侧边区；第二个啁啾光栅所对应部分是无增益的无源区(如图1所示)，或者是由一个(如图2所示)或多个(如图3所示)电极控制的有源区。本发明分布反馈式半导体激光器第一个啁啾光栅的有源区的结构如图4所示。

本实施例中：第一个啁啾光栅的两个侧边区电极可以通过导线连接在一起，形成同一个侧边区电极；第一个啁啾光栅的两个侧边区可以长度相同。

本实施例中，第二个啁啾光栅与第一个啁啾光栅可以是完全相同的啁啾光栅，其对应的电极和结构也相同，均由完全相同的两个侧边区和一个相移调整区组成；第二个啁啾光栅的两个侧边区电极，可以用导线连接在一起，形成同一个侧边区电极。

本实施例中：两个啁啾光栅的四个侧边区电极，可以用导线连接在一起形成同一个侧边区电极，两个啁啾光栅的两个相移调整区电极，可以用导线连接在一起形成同一个相移调整区电极。

本实施例中，相邻的相移调整区、侧边区、增益区和第二个啁啾光栅的各电极间可以通过相距一定距离、或者通过注入氦离子、或者通过刻蚀电隔离沟等方式相电隔离。

本发明分布反馈式半导体激光器装置激射波长精细调节的实现原理如下：

这里以图2中第一个啁啾光栅对应长度相同的两个侧边区和中间相移调整区，第二个啁啾光栅对应位置为单电极控制的有源区，且相邻的中间相移调整区、侧边区、增益区电极都相互电隔离的情形，来说明本发明分布反馈式半导体激光器装置精细调节激射波长的原理。

由于每一个线性啁啾光栅都可以看作光栅周期连续变化的均匀光栅叠加而成，当本发明激光器中注入电流高于阈值时，如果第一个啁啾光栅的侧边区和中间相移调整区电极注入不同大小电流，就能在不同周期的均匀光栅中引入不同的相移，这就使得在某一特定光栅周期位置其激射波长具有最低的阈值，因而这个激光器就能产生这个波长的激光。当改变激光器啁啾光栅的侧边区和中间相移调整区电极注入电流比例(大小)时，就能引发线性啁啾光栅在不同的光栅周期位置产生激射，进而精细调节激光器的激射波长。

实施例二

本实施例提供一种分布反馈式半导体激光器单片集成阵列，该集成阵列由实施例一中所述的分布反馈式半导体激光器装置构成。

本实施例还提供一种光子集成发射芯片模块(如图5所示)，该模块由激光监测器阵列、上述分布反馈式半导体激光器单片集成阵列、调制器阵列、功率均衡器阵列和复用器，通过选择区外延生长或对接生长技术，依次生长集成到同一外延晶片上构成。

实施例三

本实施例通过一种分布反馈式半导体激光器及其阵列的制作方法，其步骤如下：

(1)在n型InP衬底材料上依次外延n型InP缓冲层、100nm厚的非掺杂晶格匹配InGaAsP下限制层、应变InGaAsP多量子阱和100nm厚的p型晶格匹配InGaAsP上限制层；

(2)光栅的制作方法：

①线性啁啾取样光栅的制作方法，用双光束全息干涉透过取样光刻板进行曝光的方法，把啁啾取样光栅图案转移到上限制层上的光刻胶上，然后施以材料刻蚀，在上限制层上部形成所需的啁啾取样光栅结构。

②线性啁啾光栅的制作方法，用高精度电子束刻写的方法，把线性啁啾光栅刻录到上限制层上的光刻胶上，然后施以材料刻蚀，在上限制层上部形成所需的啁啾光栅结构。

(3)当光栅制作好后，再通过二次外延生长p型InP层和p型InGaAs欧姆接触层。在外延生长结束后，利用普通光刻结合化学湿法刻蚀，完成脊形波导的制作；

(4)用等离子体增强化学气相沉积法工艺，在脊形波导周围沉积一层300nm厚的SiO₂层或有机物BCB绝缘层；

(5)接着利用光刻和化学湿法刻蚀，去除激光器脊形波导上方的SiO₂层或有机物BCB绝缘层，露出其InGaAs欧姆接触层；

(6)用磁控溅射的方法，在整个激光器结构的上方分别镀上100nm厚的Ti和400nm厚的Au，结合光刻工艺和化学湿法刻蚀，在脊条上方露出InGaAs的欧姆接触层上形成Ti-Au金属P电极；

(7)接着把整个激光器晶片减薄到150μm后，在基底材料的下方蒸镀上500nm厚的Au-Ge-Ni合金作为n电极；

(8)接着把得到激光器芯片的侧边区、相移调整区、增益区和第二个啁啾光栅的各个P电极用金丝连接引出，形成各侧边区、相移调整区、增益区和第二个啁啾光栅的P电极；简化的方案是激光器芯片的所有侧边区的P电极用金丝连接在一起引出成为总的侧边区P电极，所有相移调整区的P电极用金丝连接在一起引出成为总的相移调整区P电极。

由本发明单元分布反馈式半导体激光器组成的多波长激光器阵列芯片的制作，与单一波长的分布反馈式半导体激光器相比，只需要为各个单元激光器制作不用的线性啁啾光栅，除此之外其余的制作过程是完全相同的。

综上所述，本发明的分布反馈式半导体激光器装置的光栅由两个线性啁啾光栅(也可为取样周期线性啁啾的取样光栅，其选作激射信道的±1级子光栅也是线性啁啾光栅)通过无光栅的增益区串联而成；其中第一个光栅的电极由三个相互隔离的电极组成，这个光栅中间电极所对应部分为相移调整区，它的两侧电极对应部分为侧边区；第二个啁啾光栅所对应部分可以是无增益的无源区，也可以是由一个或三个电极控制的有源区；相邻的相移调整区、侧边区、增益区和第二个啁啾光栅的电极通过某种方式相电隔离。在第一个啁啾光栅的侧边区、相移调整区注入不同电流密度时，可在相应的啁啾光栅某特定周期处引入一个电流控制的真实相移(或等效相移)。通过改变侧边区、相移调整区注入电流，就可以连续调节激光器第一个啁啾光栅在不同的光栅周期处发生激射，从而可连续调节激光器的激射波长以满足ITU－T标准要求。在激光器总工作电流保持不变的条件下，只要通过改变侧边区、相移调整区注入电流的比例，就能够精细调控激光器的激射波长，且激光器保持相似的域值和激射输出功率。与此同时，第二个啁啾光栅作为宽谱反射器，可以把这个激光器产生的在大部分激光，从第一个光栅的外端面反射出去。或者，当第二个啁啾光栅结构是与第一个光栅完全相同的三电极光栅结时，在两个啁啾光栅的三个电极通以相同的电流情况下，这个激光器装置在激射时，激射的激光有更好的单模特性，且线宽更窄。

以上所述只是本发明的优选方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.分布反馈式半导体激光器装置，其特征在于：所述装置的光栅由两个啁啾光栅通过无光栅的增益区串联而成，或者是由两个取样周期啁啾的取样光栅通过无光栅的增益区串联而成；其中第一个啁啾光栅的电极由三个相互电隔离的电极组成，这个光栅中间电极所对应部分为相移调整区，它的两侧电极对应部分为侧边区；第二个啁啾光栅所对应部分是无增益的无源区，或者是由一个或多个电极控制的有源区。

2.根据权利要求1所述的分布反馈式半导体激光器装置，其特征在于：第一个啁啾光栅的两个侧边区电极通过导线连接在一起，形成同一个侧边区电极。

3.根据权利要求1所述的分布反馈式半导体激光器装置，其特征在于：第一个啁啾光栅的两个侧边区长度相同。

4.根据权利要求1所述的分布反馈式半导体激光器装置，其特征在于：第二个啁啾光栅与第一个啁啾光栅是完全相同的啁啾光栅，其对应的电极和结构也相同，均由完全相同的两个侧边区和一个相移调整区组成。

5.根据权利要求4所述的分布反馈式半导体激光器装置，其特征在于：第二个啁啾光栅的两个侧边区电极，用导线连接在一起，形成同一个侧边区电极。

6.根据权利要求4所述的分布反馈式半导体激光器装置，其特征在于：两个啁啾光栅的四个侧边区电极，用导线连接在一起形成同一个侧边区电极，两个啁啾光栅的两个相移调整区电极，用导线连接在一起形成同一个相移调整区电极。

7.根据权利要求1所述的分布反馈式半导体激光器装置，其特征在于：相邻的相移调整区、侧边区、增益区和第二个啁啾光栅的各电极间通过相距一定距离、或者通过注入氦离子、或者通过刻蚀电隔离沟的方式相电隔离。

8.一种分布反馈式半导体激光器单片集成阵列，其特征在于：由权利要求1至7中任意一项所述的分布反馈式半导体激光器装置构成。

9.一种光子集成发射芯片模块，其特征在于：由激光监测器阵列、权利要求8所述的分布反馈式半导体激光器单片集成阵列、调制器阵列、功率均衡器阵列和复用器，通过选择区外延生长或对接生长技术，依次生长集成到同一外延晶片上构成。