CN108808442B - 多波长分布反馈半导体激光器阵列及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多波长分布反馈半导体激光器阵列及制备方法，其中，多波长分布反馈半导体激光器阵列包括：光栅、波导和输出光腔面，其中，光栅为侧向耦合表面光栅，波导为脊波导，腔面为刻蚀形成的腔面。该多波长分布反馈半导体激光器阵列可以有效地抑制FP纵模的干扰，具有制备方式简单、成本低、适用性广以及波长精确控制的优点。

Description

多波长分布反馈半导体激光器阵列及制备方法
技术领域
本发明涉及光通讯领域的光电子器件制备技术领域，特别涉及一种多波长分布反馈半导体激光器阵列及制备方法。
背景技术
DFB激光器(Distributed Feedback Laser，分布反馈激光器)是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅，光栅分布在整个谐振腔中，利用光栅的选频特性对纵模进行选择，光波获得增益同时得到反馈。再加上横模结构的限制，从而实现纵模和横模的完全单模。由于光栅的选频特性，不同波长的激光的谐振腔损耗差别较大，因此在高速调制的情况下仍能保持完全单模状态。单片集成的多波长分布反馈半导体激光器阵列既是长距离干线、也是短距离接入网的WDM(Wavelength Division Multiplexing波分复用)光纤通讯***的理想光源。随着近年来互联网数据量的***式增长，WDM***迫切需要高速、低成本、波长精确控制的单片集成多波长DFB激光器阵列。
目前，人们普遍采用内置光栅的结构、多次外延的方法制作DFB半导体激光器阵列。所谓外延，指的是利用晶体生长动力学原理在衬底晶体上按照其晶格生长单晶薄膜的过程。在光电子材料中常用的外延方法主要有液相外延、分子束外延以及金属有机化合物化学气相外延等技术。传统的内置光栅的DFB半导体激光器，在制作光栅之前，首先在衬底上外延生长一次(一次外延)；光栅制作完毕之后再进行至少一次的外延(再次外延)；外延结束以后，再经过其它后部工艺，才能制作出DFB半导体激光器。外延工艺需要耗费大量原材料，加之设备昂贵，所以此工序成本较高。而且，由于外延的加热作用会使光栅变形，为保证光栅质量，需要对再次外延提出更加苛刻的工艺要求，再次外延的制作成本比一次外延更高。高昂的制作成本，成为阻碍DFB半导体激光器应用的主要原因。
侧向耦合表面光栅DFB激光器，激光器各层外延结构一次外延生长完毕，然后在外延片表面直接制作光栅和波导，光栅位于波导的两侧，通过波导两侧的渐消场耦合实现纵模选择；光栅区的平均折射率低于激光器的上限制层半导体材料，保证有效的基横模限制；两者结合，实现DFB激光器的单模工作。侧向耦合表面光栅DFB半导体激光器只需要一次外延，有望大大降低DFB激光器的制作成本，使得DFB激光器更易和其他光子器件，如电吸收调制器、光探测器、半导体光放大器等，进行单片集成，在未来的光纤通讯网络具有广泛的应用前景。
现有的DFB激光器，普遍采用解理衬底形成的两个平行晶面作为DFB激光器的输出光腔面，两平行解理腔面之间会形成等效的Fabry–Pérot(FP)纵模谐振腔，在DFB激光器注入电流时会产生FP纵模，影响DFB激光器的单模特性。为抑制FP模式，往往需要将DFB半导体激光器从衬底解理成多个长度为百微米量级的一列激光器，然后每列激光器装载到特殊的样品夹具上，放入真空镀膜设备对DFB半导体激光器腔面镀光学膜。这种方式，不仅生产效率低下，而且，由于在镀抗反射膜之前已经将DFB半导体激光器从衬底解理开，该DFB半导体激光器制作完成以后已经是一个单独的分立器件，难以进行进一步的单片光子集成。另外，随着光纤通讯对DFB激光器调制速率的逐步提高(从2.5Gb/s→10Gb/s→40Gb/s)，要求DFB激光器的谐振腔越来越短(从～500μm→200μm→100μm)，光栅的纵模选择能力越来越强(耦合系数κ从～40cm-1→100cm-1→200cm-1)。而现有的侧向耦合表面光栅采用脊波导上限制层两侧的渐消场耦合实现纵模选择，光栅区需要兼有横模限制的功能，两者相互矛盾。从纵模选择的角度，希望光栅区占有较大比例的横向光场，因此要求光栅区具有相对较高的平均折射率，但此时光栅区难以实现有效的横模限制。从横模限制的角度，希望光栅区占有较小比例的横向光场，但这样耦合系数就相对较小，纵模选择能力较弱。因此，解理腔面产生的FP纵模对于DFB纵模的干扰、光栅区纵模选择和横模限制功能的相互矛盾，是影响侧向耦合表面光栅DFB激光器高速调制特性的主要因素。
另外，波分复用对于多波长DFB激光器阵列的波长精度提出了极高的要求，为此就需要在同一个激光器外延片上，每个DFB激光器波导都含有周期精确可控、周期间隔均匀的光栅。对于通讯用的1.3μm和1.55μm波段的DFB激光器阵列来说，要求每个DFB激光器的光栅的周期为100nm量级、周期的精度控制在0.01nm量级、周期间隔为0.1nm量级。目前，多波长DFB激光器阵列所需的多周期光栅普遍采用电子束光刻(EBL)的方法制作，EBL可以精确控制每个DFB激光器波导中的光栅周期。但是电子束写入的时间长，导致生产效率低、制作成本昂贵，另外EBL还存在写场空白或偏折，容易产生光栅成型误差。采用全息光刻的方法，可以快速在整个激光器外延片上形成光栅，生产效率高，但是整个外延片上只能形成单一排列方向和周期的光栅，难以实现多波长DFB激光器阵列。近年来，人们提出了重构等效啁啾光栅的方法，在均匀百纳米周期的种子光栅的上，嵌套微米级的采样图案，通过不同的采样周期实现对不同波长的精确控制。不过，由于重构等效啁啾光栅选择出来的波长偏离种子光栅对应的布拉格波长，且重构等效啁啾光栅的总长度远小于沿DFB激光器的谐振腔的长度，导致重构等效啁啾光栅的耦合系数κ相对较低(～10cm-1的量级)。这又与高速DFB激光器所需的大耦合系数(～100cm-1量级)背道而驰。
在单一周期的光栅的基础上，如果每个DFB激光器的波导与光栅排列方向具有不同夹角，可以实现不同的等效周期，通过控制波导与光栅的夹角就可以精确控制阵列中每个DFB激光器的激射波长。但是，现有的DFB激光器阵列普遍采用解理腔面，即激光器外延片衬底沿着某个固定的晶面裂开形成DFB激光器的输出光腔面，不同激射波长的波导和解理腔面之间有不同的夹角，这又会导致阵列中每个DFB激光器的输出光斑的横模分布不一致。
综上所述，尽管具有低成本的潜力，现有的侧向耦合表面光栅DFB激光器阵列具有易受FP纵模谐振腔式干扰、纵模选择能力弱、波长控制难以兼顾准确性、低成本和横模分布一致性的矛盾，难以实现高速、低成本、波长精确控制的单片集成多波长DFB激光器阵列。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种多波长分布反馈半导体激光器阵列，具有制备方式简单、成本低、适用性广以及波长精确控制的优点。
本发明的另一个目的在于提出一种多波长分布反馈半导体激光器阵列制备方法。
为达到上述目的，本发明的实施例提出了一种多波长分布反馈半导体激光器阵列，包括：光栅、波导和输出光腔面，其中，所述光栅为侧向耦合表面光栅，所述波导为脊波导，所述腔面为刻蚀形成的腔面。
根据本发明实施例提出的多波长分布反馈半导体激光器阵列，同时具有侧向耦合表面光栅和刻蚀腔面，解决了侧向耦合表面光栅纵模选择能力相对较弱、难以有效抑制FP模式、并且DFB半导体激光器都需要在解离后才能进行腔面镀膜的问题，且只需一次外延、在无需解离激光器的情况下对腔面进行镀膜、耦合系数与传统的多次外延DFB激光器相当、更易于单片光子集成等优点。
另外，根据本发明上述实施例的多波长分布反馈半导体激光器阵列还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述阵列中的DFB激光器采用相同周期和方向的均匀光栅，所述光栅与所述波导之间的夹角不同，产生不同的波长；所述刻蚀腔面与所述波导保持相同的夹角，产生相同的横向基模分布。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述阵列中的每个DFB激光器的脊波导上限制层包括均匀绝缘体区、光栅区和均匀半导体区，均匀绝缘体区位于脊波导上限制层的最外两侧，由绝缘材料A构成，折射率为nA；紧挨均匀绝缘体区为光栅区，由周期性排列的DFB激光器的绝缘材料B和外延生长的半导体材料C构成，折射率分别为nB和nC，占空比为1-γ和γ，以形成折射率耦合的侧向耦合表面光栅；最内侧为均匀半导体区，由外延生长的半导体材料C构成，折射率为nC，满足既保证所述光栅区由足够强的光场，又形成横模限制的脊波导。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述阵列中的DFB半导体激光器在使用时，对于所述脊波导上限制层的光栅区，电流通过所述光栅区的半导体材料C，而不通过所述光栅区的绝缘材料B，形成含有增益耦合机制的侧向耦合表面光栅。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述DFB半导体激光器阵列进一步包括一衬底，所述衬底包含一平行于所述DFB半导体激光器的波导方向的表面，所述刻蚀腔面与所述衬底的所述表面垂直。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述阵列包括N个不同波长的DFB激光器和波导合束器，所述DFB激光器和波导合束器采用相同的外延结构，所述波导合束器工作在正向电流注入状态，所述DFB半导体激光器阵列包含N+1(N为正整数)个刻蚀腔面，其中，N个刻蚀腔面位于N个不同波长的DFB激光器的末端，1个刻蚀腔面位于所述波导合束器的末端。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述阵列进一步包括位于所述波导合束器末端腔面上的抗反射膜，以保证所述腔面在无需解离衬底的情况下能够镀所述抗反射膜。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述阵列进一步包括位于N个不同波长的DFB激光器末端腔面的高反镀膜，以保证所述腔面在无需解离衬底的情况下能够镀所述高反射膜。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述阵列中的所述波导合束器末端的1个刻蚀腔面为对称的渐变尖锥面，所述对称的渐变尖锥面的对称轴和所述DFB半导体激光器的波导方向平行；所述阵列中N个不同波长的DFB激光器末端的腔面为平面，所述平面与所述DFB半导体激光器的波导方向垂直。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种多波长分布反馈半导体激光器阵列制备方法，包括：只要一次外延并通过刻蚀欧姆接触层和波导上限制层，以及填充绝缘材料形成一侧向耦合表面光栅，通过刻蚀形成腔面。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述的多波长分布反馈半导体激光器阵列的制备方法，进一步包括在无需解离衬底的情况下，对所述腔面进行光学镀膜。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的刻蚀端面侧向耦合表面光栅DFB半导体激光器阵列的立体结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的刻蚀端面侧向耦合表面光栅DFB半导体激光器阵列的立体结构俯视图示意图；
图3为根据本发明一个实施例的激光器阵列中某个DFB激光器侧向耦合光栅和波导的截面结构示意图。
附图标记说明：
1为侧向耦合表面光栅，2为DFB激光器波导，3为DFB激光器刻蚀腔面，4为波导合束器，5为连接波导，6为DFB半导体激光器阵列，7为合束器刻蚀腔面，8为合束器正电极，9为连接波导正电极，10为DFB激光器正电极，11为上包层，12为有源层，13为下包层，14为衬底，15为背电极，16为均匀绝缘层区。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的多波长分布反馈半导体激光器阵列及制备方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的多波长分布反馈半导体激光器阵列。
鉴于现有技术中的种种缺点，确有必要提出一种只需一次外延、且可以在无需解离衬底的情况下有效抑制光输Fabry–Pérot纵模谐振腔干扰、兼有腔纵模选择和横模限制能力、波长精确可控和光栅可高效制作的侧向耦合表面光栅DFB激光器阵列。
图1为根据本发明一个实施例的刻蚀端面侧向耦合表面光栅DFB半导体激光器阵列的立体结构示意图。
结合图2和图3所示，多波长DFB半导体激光器阵列包括：光栅、波导和输出光腔面，其中，光栅为侧向耦合表面光栅1，DFB波导为脊波导，腔面为刻蚀形成的腔面3和7。
具体而言，在本发明的一个实施例中，本发明提出一种多波长分布反馈半导体激光器阵列，含有光栅、波导和输出光腔面，其中，光栅为侧向耦合表面光栅1，DFB激光器波导为脊波导，腔面为刻蚀形成的腔面3和7。
进一步地，阵列中的DFB激光器采用相同周期和方向的均匀光栅，光栅与波导2之间的夹角不同，以产生不同的波长；刻蚀腔面3与波导2保持相同的夹角，产生相同的横向基模分布；刻蚀腔面7和合束器4为轴对称结构，且刻蚀腔面7的对称轴和合束器8的对称轴形成一直线。
进一步地，上述多波长DFB半导体激光器阵列6，还具有如下特征：阵列中每个DFB激光器的脊波导上限制层包括均匀绝缘体区16、光栅区1和均匀半导体区11，均匀绝缘体区16位于脊波导上限制层的最外两侧，由绝缘材料A构成，折射率为nA；紧挨均匀绝缘层区16为光栅区1，由周期性排列的DFB激光器的绝缘材料B和外延生长的半导体材料C构成，折射率分别为nB和nC，占空比为1-γ和γ；最内侧为均匀半导体区，由外延生长的半导体材料C构成，折射率为nC，满足其中，/>使得侧向耦合表面光栅1占有较大比例的横向光场，可获得较大的耦合系数，从而具有较强的纵模选择能力。而nC>nA>1，保证脊波导上限制层具有足够的横模限制能力。
进一步地，上述多波长DFB半导体激光器阵列6，还具有如下特征：阵列中的DFB半导体激光器在使用时，对于脊波导上限制层的光栅区，电流通过光栅区的半导体材料C，而不通过光栅区的绝缘材料B，形成含有增益耦合机制的侧向耦合表面光栅1。
进一步地，上述多波长DFB半导体激光器阵列6，还具有如下特征：DFB半导体激光器阵列6进一步包括一衬底14，该衬底具有一平行于DFB半导体激光器的波导2方向的表面，刻蚀腔面3和7与衬底的表面垂直。其中，多波长DFB半导体激光器阵列6包括N(N为正整数)个不同波长的DFB激光器和波导合束器4以及两者之间的连接波导9，DFB激光器和波导合束器4及连接波导采用相同的外延结构，波导合束器4和9工作在正向电流注入状态，整个DFB半导体激光器阵列包含N+1个刻蚀腔面3和7，其中N个刻蚀腔面3位于N个不同波长的DFB激光器的末端，1个刻蚀腔面7位于波导合束器4的末端。
上述多波长DFB半导体激光器阵列进一步包括位于波导合束器4末端腔面上的抗反射膜，腔面在无需解离衬底的情况下即可镀的抗反射膜。上述多波长DFB半导体激光器阵列还包括位于N个不同波长的DFB激光器末端腔面的高反镀膜，腔面在无需解离衬底的情况下即可镀的高反射膜。上述多波长DFB半导体激光器阵列6中的波导合束器4末端的1个刻蚀腔面7为对称的渐变尖锥面，该对称的渐变尖锥面的对称轴和合束器波导2的对称轴方向成一直线；上述多波长DFB半导体激光器阵列6中N个不同波长的DFB激光器末端的腔面为平面，该平面与DFB半导体激光器的波导2方向垂直。
本发明实施例的多波长分布反馈半导体激光器阵列，同时具有侧向耦合表面光栅和刻蚀腔面，解决了侧向耦合表面光栅纵模选择能力相对较弱、难以有效抑制FP模式、并且DFB半导体激光器都需要在解离后才能进行腔面镀膜的困难，且只需一次外延、在无需解离激光器的情况下对腔面进行镀膜、耦合系数与传统的多次外延DFB激光器相当、更易于单片光子集成等优点。
进一步地，在具体实施例中，分别对波长1550nm波段InGaAsP/InP和波长为1310nm波段AlGaInAs/InP多波长侧向耦合表面光栅、刻蚀腔面的DFB半导体激光器的结构及其制备方法进行说明。
在本发明的一个实施例中，对一种波长在1550nm波段的8波长侧向耦合表面光栅、刻蚀腔面的InGaAsP/InPDFB半导体激光器阵列。将InGaAsP/InP DFB半导体激光器阵列分为两部分，一部分是产生不同波长的多个DFB激光器，另一部分是将多个DFB激光复用到一个波导并输出的合束器。该DFB激光器阵列的制作包括以下步骤：
1.外延生长。在一个高掺杂的n型InP衬底上外延生长一种典型的1550nmInGaAsP/InPFP腔半导体激光器的外延结构。包括如下外延层：n型InP缓冲层(厚度160nm、掺杂浓度约1×1018cm-3)，非掺杂晶格匹配InGaAsP下波导层(厚度80nm，光荧光波长1150nm)，InGaAsP有源层多量子阱(10对量子阱，阱宽10nm，0.7％压应变，光荧光波长1550nm，垒宽10nm，晶格匹配材料，光荧光波长1200nm)，非掺杂型晶格匹配InGaAsP上波导层(厚度100nm，光荧光波长1150nm)，p型InP波导上限制层(厚度1500nm，掺杂浓度从3×1017cm-3渐变到为1×1018cm-3)和的p型InGaAs欧姆接触层(厚度100nm，掺杂浓度约1×1019cm-3)。其中n-InP缓冲层和n-InP衬底的一部分构成DFB激光器阵列波导的下限制层，InGaAsP下层、有源层多量子阱和InGaAsP上波导层构成波导的芯层。本发明实施例的DFB激光器阵列只需要这一次外延生长，大大简化了器件制作工艺。
2.波导、表面光栅和刻蚀腔面制作。采用PECVD(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)或磁控溅射等方法，在欧姆接触层上沉积厚度200～500nm的SiNx或SiO2。采用全息光刻工艺，在整个外延片表面形成周期和方向一致的均匀光刻胶光栅的反转图案，光栅周期～480nm，对应1550nm波段InGaAsP DFB激光器的二阶光栅。电子束蒸发Cr，丙酮超声剥离形成均匀Cr光栅图案。采用标准的接触式光刻工艺加刻蚀工艺，只在DFB激光器波导区域保留Cr光栅图案。采用标准的接触式光刻工艺，形成DFB激光器波导的均匀半导体区、合束器的波导、刻蚀腔面的光刻胶反转图案。电子束蒸发Cr，丙酮超声剥离形成DFB激光器的均匀半导体区和合束器的波导的Cr图案。激光器波导最宽处～2μm、最窄处～1μm，光栅宽度～0.5μm，占空比为0.6～0.8，长度范围为50～300μm。8个DFB激光器的波导与光栅法线方向的夹角分别为0、1.84、2.60、3.19、3.68、4.11、4.51、4.87、5.21°，对应DFB激光器的激射波长分别为1550、1550.8、1551.6、1552.4、1553.2、1554.0、1554.8和1555.6nm，满足国际电信联盟的100G频率间隔标准。采用RIE(ReactiveIon Etching，反应离子)刻蚀，以SF6等离子体刻蚀SiNx，或以CF4等离子体刻蚀SiO2，将波导、表面光栅和刻蚀腔面的图案从Cr转移到SiNx或SiO2。采用ICP(Inductively CoupledPlasma，电感应耦合等离体)刻蚀，以Cl2、CH4、H2和Ar混合气体形成的等离子体，刻蚀InGaAs欧姆接触层和InP波导上限制层，刻蚀底部到达芯层的顶部，形成整个器件的浅脊波导、表面光栅和刻蚀腔面图案。采用接触式曝光，形成只覆盖DFB激光器浅脊波导和表面光栅的光刻胶图案。再采用ICP，以Cl2、CH4、H2和Ar混合气体形成的等离子体，刻蚀合束器和腔面区域的芯层和InP波导下限制层，刻蚀底部达到InP衬底，从InGaAsP芯层底面到刻蚀底部的深度不低于InP上限制层的厚度，形成合束器的深脊波导和DFB激光器阵列的刻蚀腔面。
3.绝缘层填充及顶部电极制作。采用PECVD，沉积SiO2，厚度等于刻蚀腔面底部到外延片的芯层顶部的高度。光刻形成合束器的电极焊盘的光刻胶图案，然后采用缓冲氢氟酸腐蚀形成合束器的第一层电极焊盘下的SiO2介质。采用PECVD，沉积SiO2，厚度等于从外延片的芯层顶部到InGaAs绝缘层顶部的高度。光刻形成DFB激光器的电极焊盘和合束器的电极焊盘的光刻胶图案，然后采用缓冲氢氟酸腐蚀形成DFB激光器和合束器的顶部电极焊盘下的SiO2介质。采用PECVD，先沉积非掺杂α-Si:H作为绝缘材料B，填充光栅兼波导最窄处的开口，与作为半导体材料C的InP构成侧向耦合表面光栅1。再沉积SiNx作为绝缘材料A，形成对波导上限制层的横模限制。接触式光刻，去除波导和侧向耦合光栅顶部的光刻胶，采用RIE，以SF6为反应气体，去除波导和侧向耦合光栅顶部的α-Si:H和SiNx，露出波导和侧向耦合光栅顶部的InGaAs欧姆接触层。光刻，去除DFB激光器阵列顶部电极区域的光刻胶；依次溅射Ti、Pt、Au，然后丙酮超声剥离形成DFB激光器阵列的顶部图形电极，包括DFB激光器的顶部图形电极和合束器的顶部图形电极。采用选择性腐蚀液，去除DFB激光器的顶部图形电极和合束器的顶部图形电极之间的波导上的InGaAs欧姆接触层。
4.刻蚀腔面镀膜。光刻，形成一个露出合束器的刻蚀腔面的图案，电感应耦合等离子体增强化学气相沉积(ICP-PECVD)沉积SiO2/SiNx/…SiO2/SiNx/SiO2的λ/4叠层薄膜，层数为奇数层，最低可只有1层，即单层SiO2，丙酮超声剥离后形成合束器的渐变尖锥腔面的抗反射膜。光刻，形成一个露出DFB激光器的刻蚀腔面的图案，ICP-PECVD沉积SiO2/SiNx/…SiO2/SiNx的λ/4叠层薄膜，层数为偶数层，最低可只有2层，即SiO2/SiNx，丙酮超声剥离形成DFB激光器的平面刻蚀腔面的高反镀膜。
5.衬底减薄、制作背电极和解理。将带有器件的外延片正面密封，背面机械研磨，使得外延片的厚度降低到80～120μm。依次溅射Ni、Au，形成背部电极。解理，完成DFB激光器阵列的制作。
在本发明的另一个实施例中，介绍一种波长在1310nm波段的波长侧向耦合表面光栅、刻蚀腔面的AlGaInAs/InPDFB半导体激光器阵列。为了描述方便，将DFB半导体激光器阵列分为两部分，一部分是产生不同波长的多个DFB激光器，另一部分是将多个DFB激光复用到一个波导并输出的合束器。该DFB激光器阵列的制作包括以下步骤：
1.外延生长。在一个高掺杂的n型InP衬底上外延生长一种典型的1310nmAlGaInAs/InP FP腔半导体激光器的外延结构。该结构一般包括如下外延层：n型InP缓冲层(厚度500nm、掺杂浓度约1×1018cm-3)，非掺杂晶格匹配InGaAsP下波导层(厚度100nm，光荧光波长1050nm)，非掺杂应变AlGaInAs多量子阱有源层(10周期,1％压应变阱，厚度6nm；晶格匹配垒，厚度10nm，光荧光波长1270nm)，非掺杂型晶格匹配InGaAsP上波导层(厚度150nm，光荧光波长1050nm)，p型InP波导上限制层I(厚度100nm，掺杂浓度约1×1017cm-3)、InGaAsP脊波导腐蚀停止层(厚度20nm)、p型InP波导上限制层II(厚度1.7μm～1.8μm,掺杂浓度约8×1017cm-3)和p型InGaAs欧姆接触层(厚度300nm，掺杂浓度约1×1019cm-3)。其中n-InP缓冲层和n-InP衬底的一部分构成DFB激光器阵列波导的下限制层，InGaAsP下波导层、AlGaInAs多量子阱有源层和InGaAsP上波导层构成DFB激光器阵列波导的芯层，p-InP层I和II构成DFB激光器阵列波导的上限制层。本发明的DFB激光器阵列只需要这一次外延生长，大大简化器件制作工艺。
2.波导、表面光栅和刻蚀腔面制作。采用等离子体增强化学气相沉积(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)或磁控溅射等方法，在欧姆接触层上沉积厚度200～500nm的SiNx或SiO2。采用全息光刻工艺，在整个外延片表面形成周期和方向一致的均匀光刻胶光栅的反转图案，光栅周期～600nm，对应1310nm波段AlGaInAs DFB激光器的三阶阶光栅。。电子束蒸发Cr，丙酮超声剥离形成均匀Cr光栅图案。采用标准的接触式光刻工艺加刻蚀工艺，只在DFB激光器波导区域保留Cr光栅图案。采用标准的接触式光刻工艺，形成DFB激光器波导的均匀半导体区、合束器的波导、刻蚀腔面的光刻胶反转图案。电子束蒸发Cr，丙酮超声剥离形成DFB激光器的均匀半导体区和合束器的波导的Cr图案。激光器波导最宽处～2μm、最窄处～1μm，光栅宽度～0.5μm，占空比为0.4～0.6，长度范围为50～300μm。4个DFB激光器的波导与光栅法线方向的夹角分别约为0、3.39、4.79、5.87°，对应DFB激光器的激射波长分别为1310、1312.3、1314.6和1316.9nm，满足国际电信联盟的400G频率间隔标准。采用RIE刻蚀，以SF6等离子体刻蚀SiNx，或以CF4等离子体刻蚀SiO2，将波导、表面光栅和刻蚀腔面的图案从Cr转移到SiNx或SiO2。采用ICP，以Cl2、CH4、H2和Ar混合气体形成的等离子体，刻蚀InGaAs欧姆接触层和InP波导上限制层，刻蚀底部到达芯层的顶部，形成整个器件的浅脊波导、表面光栅和刻蚀腔面图案。采用接触式曝光，形成只覆盖DFB激光器浅脊波导和表面光栅的光刻胶图案。再采用ICP刻蚀，以Cl2、CH4、H2和Ar混合气体形成的等离子体，刻蚀合束器和腔面区域的芯层和InP波导下限制层，刻蚀底部达到InP衬底，从AlGaInAs芯层底面到刻蚀底部的深度不低于InP上限制层的厚度，形成合束器的深脊波导和DFB激光器阵列的刻蚀腔面。
3.绝缘层填充及顶部电极制作。旋转涂覆光敏聚酰亚胺，厚度等于刻蚀腔面3底部到外延片的芯层顶部的高度，光刻形成合束器的电极焊盘下的下层绝缘介质。旋转涂覆光敏聚酰亚胺，厚度等于从外延片的芯层顶部到InGaAs绝缘层顶部的高度，光刻形成DFB激光器的电极焊盘下的绝缘介质和合束器的电极焊盘下的上层绝缘介质。采用PECVD，先沉积非掺杂α-Si:H作为绝缘材料B，填充光栅兼波导最窄处的开口，与作为半导体材料C的InP构成侧向耦合表面光栅。再沉积SiO2作为绝缘材料A，形成对波导上限制层的横模限制。接触式光刻，去除波导和侧向耦合光栅顶部的光刻胶，采用RIE，以CF4为反应气体，去除波导和侧向耦合光栅顶部的α-Si:H和SiO2，露出波导和侧向耦合光栅顶部的InGaAs欧姆接触层。
光刻，去除DFB激光器阵列顶部电极区域的光刻胶；依次溅射Ti、Pt、Au，然后丙酮超声剥离形成整个器件的顶部图形电极，包括DFB激光器的顶部图形电极和合束器的顶部图形电极。采用选择性腐蚀液，去除DFB激光器的顶部图形电极和合束器的顶部图形电极之间的波导上的InGaAs欧姆接触层。
4.刻蚀腔面镀膜。光刻，形成一个露出合束器的刻蚀腔面的图案，电感应耦合等离子体增强化学气相沉积(ICP-PECVD)沉积SiO2/SiNx/…SiO2/SiNx/SiO2的λ/4叠层薄膜，层数为奇数层，最低可只有1层，即单层SiO2，丙酮超声剥离后形成合束器的渐变尖锥腔面的抗反射膜。光刻，形成一个露出DFB激光器的刻蚀腔面的图案，ICP-PECVD沉积SiO2/SiNx/…SiO2/SiNx的λ/4叠层薄膜，层数为偶数层，最低可只有2层，即SiO2/SiNx，丙酮超声剥离形成DFB激光器的平面刻蚀腔面的高反镀膜。
5.衬底减薄、制作背电极和解理。将带有器件的外延片正面密封，背面机械研磨，使得外延片的厚度降低到80～120μm。依次溅射Ni、Au，形成背部电极。完成DFB激光器阵列的制作。
根据本发明实施例提出的多波长DFB半导体激光器阵列制备方法，DFB半导体激光器在整个制备方法中只需要一次外延，通过刻蚀欧姆接触层和波导上限制层，以及填充绝缘材料形成一侧向耦合表面光栅，通过刻蚀形成腔面制备方法，可以在无需解离衬底的情况下，对DFB半导体激光器阵列的所有腔面进行光学镀膜。
具体而言，本发明提出的多波长DFB半导体激光器阵列及其制备方法具有以下优点：
1、DFB半导体激光器阵列只需一次外延，简化了制备方法；
2、刻蚀形成的渐变尖锥曲面和平面的组合，有效地抑制FP纵模的干扰；
3、无需解离衬底就可以进行腔面镀膜，更有利于DFB激光器和其它光电子器件的集成；
4、侧向耦合光栅区的平均折射率大于外延片的上限制层半导体，可获得与传统的多次外延的DFB激光器相当的耦合系数，有利于DFB激光器的高频工作；
5、均匀光栅和倾斜波导相结合，在获得大耦合系数的同时，精确控制了阵列中不同激光器的波长。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种多波长分布反馈半导体激光器阵列，其特征在于：包括光栅、波导和输出光腔面，其中，所述光栅为侧向耦合表面光栅，所述波导为脊波导，所述腔面为刻蚀形成的腔面，所述阵列中的每个DFB激光器的脊波导上限制层包括均匀绝缘体区、光栅区和均匀半导体区，均匀绝缘体区位于脊波导上限制层的最外两侧，由绝缘材料A构成，折射率为nA；紧挨均匀绝缘体区为光栅区，由周期性排列的DFB激光器的绝缘材料B和外延生长的半导体材料C构成，折射率分别为nB和nC，占空比为1-γ和γ，以形成折射率耦合的侧向耦合表面光栅；最内侧为均匀半导体区，由外延生长的半导体材料C构成，折射率为nC，满足，既保证所述光栅区由足够强的光场，又形成横模限制的脊波导。
2.根据权利要求1所述的多波长分布反馈半导体激光器阵列，其特征在于，所述阵列中的DFB激光器采用相同周期和方向的均匀光栅，所述光栅与所述波导之间的夹角不同，产生不同的波长；所述刻蚀腔面与所述波导保持相同的夹角，产生相同的横向基模分布。
3.根据权利要求1任一项所述的多波长分布反馈半导体激光器阵列，其特征在于，所述阵列中的DFB激光器在使用时，对于所述脊波导上限制层的光栅区，电流通过所述光栅区的半导体材料C，而不通过所述光栅区的绝缘材料B，形成含有增益耦合机制的侧向耦合表面光栅。
4.根据权利要求1-3任一项所述的多波长分布反馈半导体激光器阵列，其特征在于，所述DFB激光器阵列进一步包括，一衬底，所述衬底包含一平行于所述DFB激光器的波导方向的表面，所述刻蚀腔面与所述衬底的所述表面垂直。
5.根据权利要求1-4任一项所述的多波长分布反馈半导体激光器阵列，其特征在于，所述阵列包括N个不同波长的DFB激光器和波导合束器，所述DFB激光器和波导合束器采用相同的外延结构，所述波导合束器工作在正向电流注入状态，所述DFB激光器阵列包含N+1个刻蚀腔面，其中，N个刻蚀腔面位于N个不同波长的DFB激光器的末端，1个刻蚀腔面位于所述波导合束器的末端。
6.根据权利要求1-5任一项所述的多波长分布反馈半导体激光器阵列，其特征在于，所述阵列进一步包括：位于波导合束器末端腔面上的抗反射膜，以保证所述腔面在无需解离衬底的情况下能够镀所述抗反射膜。
7.根据权利要求1-6任一项所述的多波长分布反馈半导体激光器阵列，其特征在于，所述阵列进一步包括位于N个不同波长的DFB激光器末端腔面的高反射膜，以保证所述腔面在无需解离衬底的情况下能够镀所述高反射膜。
8.根据权利要求1-7任一项所述的多波长分布反馈半导体激光器阵列，其特征在于，所述阵列中的波导合束器末端的1个刻蚀腔面为对称的渐变尖锥面，所述对称的渐变尖锥面的对称轴和所述DFB激光器的波导方向平行；所述阵列中N个不同波长的DFB激光器末端的腔面为平面，所述平面与所述DFB激光器的波导方向垂直。
9.一种多波长分布反馈半导体激光器阵列的制备方法，其特征在于，所述制备方法生成如权利要求1所述的多波长分布反馈半导体激光器阵列，所述方法包括：所述DFB激光器在整个制备方法中只要一次外延，通过刻蚀欧姆接触层和波导上限制层，以及填充绝缘材料形成一侧向耦合表面光栅，通过刻蚀形成腔面。
10.根据权利要求9所述的多波长分布反馈半导体激光器阵列的制备方法，其特征在于，无需解离衬底的情况下，对所述腔面进行光学镀膜。
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