CN108493763A - 一种半导体激光器装置及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体激光器装置及制作方法，解决现有装置和方法波长切换时间慢、功率损耗大、结构尺寸大、制作成本高的问题。所述装置，包含有源层、缓冲层，还包含：P电极、电隔离、大啁啾光栅、N电极；电隔离位于相邻的P电极之间；大啁啾光栅为线性啁啾光栅，位于P电极下方，大啁啾光栅中均匀***相移，相移个数与P电极个数相同，每个相移对应1个P电极，大啁啾光栅用于形成多纵模谐振腔，多纵模谐振腔对应的纵模激射工作波长最小值、最大值与所述大啁啾光栅的最小周期、最大周期相对应；有源层位于大啁啾光栅下方；缓冲层位于有源层下方；N电极位于缓冲层下方。所述方法用于制作所述装置。本发明实现了激光器波长快速切换的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种半导体激光器装置及制作方法。
背景技术
在光电子技术领域中，将不同波长同时作为信息传输的载体，可以实现进一步提高接入的带宽和灵活性，波长可切换激光器可以通过连续可调谐激光器来等效实现，即在连续可调谐激光器的调谐范围中选取一系列波长网格点为基准，让连续可调谐激光器来实现波长可切换激光器的功能。目前基于机械调谐和热调谐的连续可调谐激光器，受到机械运动和热稳定时间的限制，因而不能实现快速波长切换。目前的基于电流调谐原理的激光器，包含可调分布式放大分布反馈激光光源，其成本过高，不利于大量的网络应用；基于多波长阵列的波长可切换激光器，功率损耗大。
发明内容
本发明提供一种半导体激光器装置及制作方法，解决现有装置和方法波长切换时间慢、功率损耗大、结构尺寸大、制作成本高的问题。
一种半导体激光器装置，包含有源层、缓冲层，还包含：P电极、电隔离、大啁啾光栅、N电极；所述P电极的数量大于2个；所述电隔离位于相邻的所述P电极之间；所述大啁啾光栅为线性啁啾光栅，位于所述P电极下方，所述大啁啾光栅中均匀***相移，所述相移个数与所述P电极个数相同，每个所述相移对应1个所述P电极，且与对应的所述P电极中心的水平位置的差大于等于0，小于等于L/2n，其中L为所述装置的腔长，n为所述P电极个数，所述大啁啾光栅用于形成多纵模谐振腔，所述多纵模谐振腔对应的纵模激射工作波长最小值、最大值与所述大啁啾光栅的最小周期、最大周期相对应；所述有源层位于所述大啁啾光栅下方；所述缓冲层位于所述有源层下方；所述N电极的数量为1个，位于所述缓冲层下方。
优选地，所述相移大小大于等于0，小于等于2π。
优选地，所述P电极的长度小于L/n，其中L为所述装置的腔长，n为所述P电极个数。
进一步地，所述相移与对应的所述P电极中心的水平坐标相对位置的差为0时，所述装置实现n-2个均匀间隔激射工作波长切换，切换间隔为(λ2-λ1)/n；当对第i个P电极施加阈值以上电流，对其余P电极施加透明电流时，所述装置发出第i-1个波长，波长值为λ1+i*(λ2-λ1)/n；其中，n为所述P电极个数，i为所述P电极序号，1<i<n-1，λ1、λ2为所述大啁啾光栅的工作波长最小值、最大值。
进一步地，所述相移与对应的所述P电极中心的相对位置为L/2n时，所述装置实现n-1个均匀间隔激射工作波长切换，切换间隔为(λ2-λ1)/n；当对第i、i+1个P电极同时施加阈值以上电流，对其余P电极施加透明电流时，所述装置发出第i个波长，波长值为λ1+i*(λ2-λ1)/n；其中，n为所述P电极个数，i为所述P电极序号，1<i<n-1，λ1、λ2为所述大啁啾光栅的工作波长最小值、最大值。
优选地，所述大啁啾光栅、所述大啁啾光栅中间***相移采用电子束曝光方法制作。
优选地，所述大啁啾光栅、所述大啁啾光栅中间***相移采用步进式光刻技术制作。
优选地，所述大啁啾光栅、所述大啁啾光栅中间***相移采用重构-等效啁啾技术制作。
一种半导体激光器制作方法，用于制作所述装置，包括以下步骤：采用一次外延生长技术确定并优化一次外延片，所述一次外延片包含所述有源层、大啁啾光栅；采用重构-等效啁啾技术制作所述大啁啾光栅；采用二次外延生长技术对所述大啁啾光栅进行外延生长；对所述二次外延生长后的光栅结构进行脊波导的刻蚀，电极的制作以及电隔离的处理。
优选地，所述采用重构-等效啁啾技术制作所述大啁啾光栅的步骤，进一步包含：在所述大啁啾光栅上旋涂光刻胶，并通过全息曝光的方法制作均匀种子光栅的图形；通过紫外光刻制作所述种子光栅的图形；通过显影、刻蚀的方法在所述大啁啾光栅上制作出表面起伏的光栅结构。
本发明有益效果包括：本发明实现的半导体激光器装置，具有多波长切换功能，且可以实现非常快的切换速度，理论上波长切换速度仅取决于激光器的开关速度，即为数纳秒量级，相比于常规通过温度调谐来进行波长切换的激光器具有切换速度快的优势；同时，由于该激光器仅有一根波导，因此不需要合波结构，从而与常规多波长阵列合波结构相比具有较大的输出功率，并且可以节省芯片尺寸。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为一种半导体激光器装置实施例；
图2(a)为一种相移位置与P电极边缘重合的大啁啾光栅传输特性实施例；
图2(b)一种相移位置与P电极中心重合的大啁啾光栅传输特性实施例；
图3为一种半导体激光器装置制作方法流程实施例；
图4为一种包含重构-等效啁啾光栅制作的半导体激光器装置制作方法流程实施例。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在光接入网中，波分复用无源光网络(WDM-PON)通过结合波分复用技术的优势，将不同波长同时作为信息传输的载体，可以实现进一步提高接入的带宽和灵活性，因而在WDM-PON的回传网络中，需要大量各种波长的激光器，来发射不同波长的信号光源。在WDM的***中，过去通常使用的是多种类的不同激射波长的单个激光器来满足***对多波长光源的需求，但这种方式往往带来较大的功耗、复杂的配置和管理成本以及较低的灵活性。尤其对于即将到来的5G时代和投入使用的下一代无源光网络(NGPON2)，会大量采用WDM技术，同时对网络的灵活性提出了很高的要求。因此，该网络应用希望能够应用大量的较低成本的波长可切换激光器，用来替代种类繁多的不同波长的激光器，即一个激光器能扮演多个激光器的角色，从而大大提升管理成本和网络灵活性。另外，在光交换网络中，为了达到未来更高速、更灵活的的要求，其交换原理正在从电交换往波长交换转变，在波长交换的***中，具备快速波长切换能力的激光器是一个必须的器件。
美国加州大学圣塔芭芭拉分校的L.A.Coldren在文献[L.A.Coldren,“MonolithicTunable Laser with sampled gratings”,IEEE J.Quantum Electron.29,pp.1824-1834(1993)]中研制了采样光栅分布反馈反射镜(SGDBR)激光光源，该激光光源中包含前后两个反射式采样光栅，一个调相区和一个有源增益区。采样光栅的反射谱为梳状，前后光栅的频谱自由程略微不同，利用它们的游标效应可以实现选模；通过调整采样光栅区的电流，激光光源可获得40nm以上的调谐范围。日本NTT实验室的K.Tsuzuki教授在文献[K.Tsuzuki,“Full C-Band Tunable DFB Laser Array Copackaged With InP Mach-ZehnderModulator for DWDM Optical Communication System”,IEEE Journal Of SelectedTopics In Quantum Electronics.15,pp.521-527(2009)]中开发了可调分布式放大分布反馈(TDA-DFB)激光光源，其将有源增益区与无源调谐区交替排列，采用非对称的TDA-DFB后，单电极连续调谐的范围达到8nm，总调谐范围超过45nm，但连续可调谐激光器的成本过高，不利于大量的网络应用。日本NTT公司在文献[Ishii."Spectral linewidth reductionin widely wavelength tunable DFB laser array."IEEE Journal of Selected Topicsin Quantum Electronics 15,no.3(2009):514-520.]中研制了基于多波长阵列的波长可切换激光器，但基于多波长阵列的合波结构会带来较大的功率损耗，理论上波长数目越多，其损耗越大。
以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
图1为一种半导体激光器装置实施例，本发明实施例提供一种基于大啁啾光栅的波长可切换的半导体激光器装置，包含有源层4、缓冲层5，还包含：P电极1、电隔离2、大啁啾光栅3、N电极6。
所述P电极的数量大于2个；所述电隔离位于相邻的所述P电极之间；所述大啁啾光栅为线性啁啾光栅，位于所述P电极下方，所述大啁啾光栅中均匀***相移，所述相移个数与所述P电极个数相同，每个所述相移对应1个所述P电极，且与对应的所述P电极中心的水平位置的差大于等于0，小于等于L/2n，其中L为所述装置的腔长，n为所述P电极个数，所述大啁啾光栅用于形成多纵模谐振腔，所述多纵模谐振腔对应的纵模激射工作波长最小值、最大值与所述大啁啾光栅的最小周期、最大周期相对应；所述有源层位于所述大啁啾光栅下方；所述缓冲层位于所述有源层下方；所述N电极的数量为1个，位于所述缓冲层下方。
优选地，所述相移大小大于等于0，小于等于2π。
优选地，所述P电极的长度小于L/n，其中L为所述装置的腔长，n为所述P电极个数。
优选地，所述大啁啾光栅、所述大啁啾光栅中间***相移采用电子束曝光方法制作，即电子束先通过散射掩膜版，之后受到偏转聚焦电磁透镜控制方向，随后在基片上的电子束胶上形成预期图形。
优选地，所述大啁啾光栅、所述大啁啾光栅中间***相移采用步进式光刻技术制作。
优选地，所述大啁啾光栅、所述大啁啾光栅中间***相移采用重构-等效啁啾技术制作。
在所述有源层中，包含上限制层、下限制层和量子阱层。
需要说明的是，所述大啁啾光栅在激光器内形成多纵模谐振腔，通过改变激光器腔内的增益分布即可实现选择指定纵模激射，即选择指定波长激射，尤其适用于当需要切换的波长之间间隔较小时，例如C波段密集波分复用的波长网格间隔的典型值为0.8nm。
还需说明的是，所述大啁啾光栅的周期变化需要精准控制，从而实现稳定的波长间隔精准的多纵模谐振腔，因此通过采用重构-等效啁啾技术来制作该大啁啾光栅会有更好的效果。
还需明的是，本发明实施例中所述P电极的个数为6个，也可以是其他数量，这里不做特别限定。
本发明实施例提供的半导体激光器装置具有多波长切换功能，且通过改变注入不同电极的电流可以实现非常快的切换速度，理论上仅取决于激光器的开关速度，即为数纳秒量级，相比于常规通过温度调谐来进行波长切换的激光器具有切换速度快的优势；由于该激光器仅有一根波导，因此不需要合波结构，从而与常规多波长阵列合波结构相比具有较大的输出功率，并且可以节省芯片尺寸。
图2(a)为一种相移位置与P电极边缘重合的大啁啾光栅传输特性实施例，(b)一种相移位置与P电极中心重合的大啁啾光栅传输特性实施例，本发明实施例提供了大啁啾光栅相移位置和P电极中心的相对位置与波长选择的关系。
图2(a)中所述相移与对应的所述P电极中心的水平坐标相对位置的差为0，所述装置实现n-2个均匀间隔激射工作波长切换，切换间隔为(λ2-λ1)/n；当对第i个P电极施加阈值以上电流，对其余P电极施加透明电流时，所述装置发出第i-1个波长，波长值为λ1+i*(λ2-λ1)/n；其中，n为所述P电极个数，i为所述P电极序号，1<i<n-1，λ1、λ2为所述大啁啾光栅的工作波长最小值、最大值。
当改变电流注入方案时，将第i个P电极的激射电流切换为透明电流，而第j(j≠i)个P电极的透明电流切换为激射电流，即可实现第i-1个波长到第j-1个波长的切换，所述透明电流大小略小于所述阈值电流，所述激射电流大于所述阈值电流。
图2(b)中所述相移与对应的所述P电极中心的相对位置为L/2n时，所述装置实现n-1个均匀间隔激射工作波长切换，切换间隔为(λ2-λ1)/n；当对第i、i+1个P电极同时施加阈值以上电流，对其余P电极施加透明电流时，所述装置发出第i个波长，波长值为λ1+i*(λ2-λ1)/n；其中，n为所述P电极个数，i为所述P电极序号，1<i<n-1，λ1、λ2为所述大啁啾光栅的工作波长最小值、最大值。
当改变电流注入方案时，例如将第i和i+1个电极的激射电流切换为透明电流，而第j(j≠i)和j+1个电极的透明电流切换为激射电流，即可实现第i个波长到第j个波长的切换，所述激射电流大于所述阈值电流。
需要说明的是，本发明实施例中，所述P电极的数量为6个，也可以是其他数量，这里不做特别限定。
图3为一种半导体激光器装置制作方法流程实施例，本发明实施例提供了一种半导体激光器装置制作方法，用于制作所述半导体激光器装置，包含以下步骤：
步骤101，采用一次外延生长技术确定并优化一次外延片，所述一次外延片包含所述有源层、大啁啾光栅。
在步骤101中，所述一次外延生长是使用MOCVD或MBE等外延生长仪器，通过在衬底上依次生长制备所需的各层材料，即在衬底上依次生长P型和N型掺杂的铟磷材料体系，一般包括InGaAsP，InAlGaAs，InAlAs，InGaAs等。根据具体结构确定并优化具体外延片参数，由于制备用于构成激光器外延片的方法为现有技术中较为成熟的技术，这里不做赘述。
步骤102，采用重构-等效啁啾技术制作所述大啁啾光栅。
在步骤102中，所述重构-等效啁啾技术，可以通过先利用相位掩膜版的光刻制作均匀种子光栅图案，再通过紫外光刻制作取样光栅图案，从而等效实现；也可以通过先利用纳米压印技术制作均匀种子光栅图案，再通过紫外光刻制作取样光栅图案，从而等效实现。
步骤103，采用二次外延生长技术对所述大啁啾光栅进行外延生长。
在步骤103中，所述二次外延生长技术是指将制备好的大啁啾光栅样品，再次放入MOCVD仪器中进行材料的外延生长，包括脊波导层和接触层，所述脊波导层和接触层在所述缓冲层中。
步骤104，对所述二次外延生长后的光栅结构进行脊波导的刻蚀，电极的制作以及电隔离的处理。
在步骤104中，所述脊波导的刻蚀，电极的制作以及电隔离的处理为现有技术，对此不再进一步赘述。
图4为一种包含重构-等效啁啾光栅制作的半导体激光器装置制作方法流程实施例，本发明实施例提供的制作方法包含重构-等效光栅制作方法，具体包含以下步骤：
步骤101，采用一次外延生长技术确定并优化一次外延片，所述一次外延片包含所述有源层、大啁啾光栅。
步骤105，在所述大啁啾光栅上旋涂光刻胶，并通过全息曝光的方法制作均匀种子光栅的图形。
步骤106，通过紫外光刻制作所述种子光栅的图形,。
步骤107，通过显影、刻蚀的方法在所述大啁啾光栅上制作出表面起伏的光栅结构。
步骤103，采用二次外延生长技术对所述大啁啾光栅进行外延生长。
步骤104，对所述二次外延生长后的光栅结构进行脊波导的刻蚀，电极的制作以及电隔离的处理。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种半导体激光器装置，包含有源层、缓冲层，其特征在于，还包含：P电极、电隔离、大啁啾光栅、N电极；
所述P电极的数量大于2个；
所述电隔离位于相邻的所述P电极之间；
所述大啁啾光栅为线性啁啾光栅，位于所述P电极下方，所述大啁啾光栅中均匀***相移，所述相移个数与所述P电极个数相同，每个所述相移对应1个所述P电极，且与对应的所述P电极中心的水平位置的差大于等于0，小于等于L/2n，其中L为所述装置的腔长，n为所述P电极个数，所述大啁啾光栅用于形成多纵模谐振腔，所述多纵模谐振腔对应的纵模激射工作波长最小值、最大值与所述大啁啾光栅的最小周期、最大周期相对应；
所述有源层位于所述大啁啾光栅下方；
所述缓冲层位于所述有源层下方；
所述N电极的数量为1个，位于所述缓冲层下方。
2.如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述相移大小大于等于0，小于等于2π。
3.如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述P电极的长度小于L/n，其中L为所述装置的腔长，n为所述P电极个数。
4.如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述相移与对应的所述P电极中心的水平坐标相对位置的差为0时，所述装置实现n-2个均匀间隔激射工作波长切换，切换间隔为(λ2-λ1)/n；
当对第i个P电极施加阈值以上电流，对其余P电极施加透明电流时，所述装置发出第i-1个波长，波长值为λ1+i*(λ2-λ1)/n；
其中，n为所述P电极个数，i为所述P电极序号，1<i<n-1，λ1、λ2为所述大啁啾光栅的工作波长最小值、最大值。
5.如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述相移与对应的所述P电极中心的相对位置为L/2n时，所述装置实现n-1个均匀间隔激射工作波长切换，切换间隔为(λ2-λ1)/n；
当对第i、i+1个P电极同时施加阈值以上电流，对其余P电极施加透明电流时，所述装置发出第i个波长，波长值为λ1+i*(λ2-λ1)/n；
其中，n为所述P电极个数，i为所述P电极序号，1<i<n-1，λ1、λ2为所述大啁啾光栅的工作波长最小值、最大值。
6.如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述大啁啾光栅、所述大啁啾光栅中间***相移采用电子束曝光方法制作。
7.如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述大啁啾光栅、所述大啁啾光栅中间***相移采用步进式光刻技术制作。
8.如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述大啁啾光栅、所述大啁啾光栅中间***相移采用重构-等效啁啾技术制作。
9.一种半导体激光器制作方法，用于制作权利要求1～8任一项所述装置，其特征在于，包括以下步骤：
采用一次外延生长技术确定并优化一次外延片，所述一次外延片包含所述有源层、大啁啾光栅；
采用重构-等效啁啾技术制作所述大啁啾光栅；
采用二次外延生长技术对所述大啁啾光栅进行外延生长；
对所述二次外延生长后的光栅结构进行脊波导的刻蚀，电极的制作以及电隔离的处理。
10.一种半导体激光器制作方法，其特征在于，所述采用重构-等效啁啾技术制作所述大啁啾光栅的步骤，进一步包含：
在所述大啁啾光栅上旋涂光刻胶，并通过全息曝光的方法制作均匀种子光栅的图形；
通过紫外光刻制作所述种子光栅的图形；
通过显影、刻蚀的方法在所述大啁啾光栅上制作出表面起伏的光栅结构。
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