CN109217106A - 一种采用多周期表面DFB光反馈***抑制1550nm SLD器件F-P激射的方法 - Google Patents

一种采用多周期表面DFB光反馈***抑制1550nm SLD器件F-P激射的方法 Download PDF

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孙春明
祝子翔
乔忠良
高欣
薄报学
李辉
王宪涛
魏志鹏
马晓辉
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
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Abstract

一种采用多周期表面DFB光反馈***来抑制SLD器件的F‑P激射的方法属于光电子器件的结构设计与制备工艺领域。已知普通超辐射发光二极管不足之处是在传统激光器结构基础上，通过各种局部结构调整来破坏法布里‑珀罗(Fabry‑Perot，F‑P)型前后腔面之间的光振荡，进而抑制光激射的发生，该类SLD发光稳定性差、器件老化时会产生激射。本发明不单纯地抑制F‑P振荡，而是在各种传统抑制F‑P振荡的基础上，引入另外一个完全不同的光振荡***，该光振荡***参与竞争高能级载流子以达到钳制腔面间的F‑P增益、湮灭F‑P激射的目的，在确保该光振荡***具有模式竞争能力强、对增加器件功率有益、对扩展光谱宽度有益等优点，并且在大电流注入下该光振荡***不具备单独激射能力的同时，该结构器件只依靠后期制作工艺就能够实现，规避开二次外延生长工艺。

Description

一种采用多周期表面DFB光反馈***抑制1550nm SLD器件F-P 激射的方法
技术领域
本发明涉及到一种利用多周期表面DFB光反馈***抑制超辐射发光管(SLD)激射的方法，在普通1550nm SLD器件脊形台面中引入一个多周期表面DFB光反馈***来抑制腔面间法布里-珀罗增益。特别涉及光电子器件的结构设计与制备工艺领域。
背景技术
传统抑制光激射的方法，主要是在激光器结构基础上，通过各种局部结构调整来破坏法布里-珀罗(Fabry-Perot，F-P)型前后腔面之间的光振荡，进而抑制光激射的发生。虽然被抑制，但F-P腔始终存在，或者说始终只有F-P振荡这一种光振荡模式可能存在，电流增加时，光谱宽度则逐渐减小，当驱动电流增大到一定程度，或抑制部分老化时，器件则发生激射，自发超辐射被激射代替，器件失效。在现有的实验水平下，即使采用多种抑制结构实现了超辐射发光，也很难保证器件在大电流注入、抗反射膜老化等状态下不再发生激射现象，因此采用一种特殊结构来保证器件长期可靠工作很有必要。
本发明不单纯地抑制F-P振荡，而是在各种传统抑制F-P振荡的基础上，利用多周期表面DFB光反馈***的器件新结构来抑制激射，即在普通SLD器件脊形台面中引入一个多周期 DFB光反馈***来钳制腔面间F-P增益，设计其光栅结构，并给出实现方法。该光反馈***参与竞争高能级载流子以达到钳制腔面间的F-P增益、湮灭F-P激射的目的，在确保该光振荡***具有模式竞争能力强、对增加器件功率有益、对扩展光谱宽度有益等优点，并且在大电流注入下该光振荡***不具备单独激射能力的同时，该结构器件只依靠后期制作工艺就能够实现，规避开二次外延生长工艺。另外，因为DFB光反馈***的参与，整个器件的波长温漂系数下降，波长稳定性增强。
发明内容
为了最大限度抑制器件F-P激射，本发明所设计器件采用如下两种传统抑制激射结构，如图1所示：
(1)器件前后腔面蒸镀理论值小于10-2抗反射膜；(2)器件出射端一侧采用半条脊形电注入结构，另一侧采用非注入吸收结构。
除了上述传统抑制技术，本发明提出了利用多周期表面DFB光反馈***抑制激射技术。本发明所采用的多周期表面DFB结构主要在上述结构(2)中实施，在器件脊形台面上制作表面DFB光反馈***，如图2所示，DFB采用周期纳米洞结构，共有四组周期分别对应于波长1520nm、1540nm、1560nm和1580nm DFB光栅的纳米洞结构，这四种周期的纳米洞沿脊形台面顺向排列，剖面图如图3所示。DFB光栅对应波长规避有源层量子阱设计激射波长1530nm、1550nm和1570nm，目的是钳制增益的同时，均化光谱强度、拓展光谱宽度且确保谱宽在60nm以上。
附图说明
图1：SLD整体结构示意图。
其中各数字代表的含义是：1：脊形台面 2：上限制层 3：上波导层 4：有源层 5：下波导层 6：下限制层
图2：脊形台面上DFB纳米洞周期结构示意图
图3：SLD横向剖面示意图
具体实施方式
在普通SLD器件脊形台面中引入一个多周期表面DFB光反馈***来钳制腔面间F-P增益。特别涉及光电子器件的结构设计与制备工艺领域。
为了达到上述目的，本发明采用纳米压印技术实现设计，步骤如下：
(1)设计四组周期分别对应于波长1520nm、1540nm、1560nm和1580nm的光栅周期纳米洞纳米压印模版图案，制作硅基或者金属基模具；四组光栅周期分别为231.70nm、234.75nm、 237.80nm和240.85nm，纳米洞直径均为80nm。
(2)清洗：甲苯-丙酮-乙醇-去离子水-氮气吹干。
(3)在清洗过的外延片表面上蒸镀10nm Ni作为保护层，保护P面欧姆接触层，同时增加热固化树脂胶的浸润性。
(4)甩胶：在Ni的表面甩胶，甩胶机试转、定速、涂胶、甩胶、取片、关机，利用甩涂法获得合适厚度的热固化树脂膜。
(5)前烘：甩完胶之后对实验片进行前烘，初步硬化胶膜，使胶与外延片间接触更加牢固。
(6)纳米压印定位DFB表面光栅位置，利用纳米模具压印、高温定型、去除模具后得到纳米结构树脂表面。
(7)利用UV-O3去残胶设备去除纳米洞底部残胶。
(8)利用ICP刻蚀技术在压印好的外延片上表面垂直刻蚀纳米洞，纳米洞穿过上限制层并在上波导层中间处截止。采用低速间断式刻蚀技术，严格控制刻蚀时ICP腔体内温度变化不超过2℃，严格固定每次刻蚀外延片所在腔室位置，每次所刻蚀外延片尺寸不易过大，利用干法刻蚀中清洗技术保证刻蚀面光滑。
(9)采用高速率蒸发技术在步骤(8)中所制作的纳米洞中快速蒸镀SiO2膜，在纳米洞中形成纳米微腔结构，如图3所示，利用lift-off工艺去除上表面纳米洞以外区域中剩余热固化树脂膜和保护膜，同时也去除附着在树脂膜上面的SiO2，利用UV-O3设备高温烧除剩余热固化树脂膜，稀HCl溶液浸泡去除Ni保护膜，然后依次在丙酮溶液中超声、乙醇溶液中超声、去离子水冲洗，氮气吹干。
(10)利用常规光刻技术制作脊形条，蒸镀SiO2膜，利用lift-off工艺去除脊形条上的光刻胶和SiO2膜，依次在丙酮溶液中超声、乙醇溶液中超声、去离子水冲洗，氮气吹干。
(11)在步骤(10)中所制作外延片上表面蒸镀Ti/Pt/Au制作P面电极。
(12)外延片N面减薄抛光，蒸镀Ni/AuGe/Ni/Au制作N面电极。
(13)将步骤(12)所制作的外延片在快速退火炉中合金。
(14)将步骤(13)所制作的外延片解理成厘米条，双侧腔面蒸镀99％以上透过率的宽波段增透膜。
(15)将步骤(14)所制作的外延片解理成单个管芯。
(16)对步骤(15)所制作的单个管芯进行脉冲测试，挑选优质管芯。
(17)将步骤(16)所挑选的优质管芯进行封装测试。
与已有技术相比，本发明优势体现在：
不受光学光刻的最短曝光波长的物理限制，具有成型面积大、可控参数稳定、造价低廉和适合大规模工业生产的优势。
纳米压印技术的优势还在于其可以一次完成几种不同周期的光栅图形，而这是光学全息技术所不能完成的，且制备方法简单、无污染。

Claims (4)

1.一种采用多周期表面DFB光反馈***抑制SLD器件F-P激射的方法，其特征在于，其包括如下步骤：
1)在脊形台面上利用纳米压印和ICP干法刻蚀制技术备出图2中所示的四组分别对应波长1520nm、1540nm、1560nm、1580nm的光栅，四组光栅周期分别为231.70nm、234.75nm、237.80nm和240.85nm，纳米洞直径均为80nm。
2)上述纳米洞穿过上限制层并在上波导层中间处截止，在外延片上快速蒸镀SiO2，且在纳米洞的中上部细窄处形成如图3所示的纳米洞微腔结构，形成折射率在2以上的光子晶体结构。
2.如权利要求1所述的采用多周期表面DFB光反馈***抑制SLD器件F-P激射的方法，其特征在于，在所述步骤1)中对图2所标示的不同光栅周期纳米洞的制备前在清洗过的外延片表面上蒸镀10nm Ni作为保护层，保护P面欧姆接触层，同时增加热固化树脂胶的浸润性。
3.如权利要求1所述的采用多周期表面DFB光反馈***抑制SLD器件F-P激射的方法，其特征在于，在所述步骤1)中对图2所标示的不同光栅周期纳米洞的制备，采用ICP干法刻蚀，需要低速间断式刻蚀技术并且严格控制刻蚀温度，在刻蚀时腔体温度变化不能超过2℃。
4.如权利要求1所述的采用多周期表面DFB光反馈***抑制SLD器件F-P激射的方法，其特征在于，在所述步骤2)，对图3中的SiO2塞的制备需要采用高速率蒸发技术蒸镀SiO2膜，并利用lift-off工艺去除上表面剩余热固化树脂膜和保护膜，即利用UV-O3设备高温烧除剩余热固化树脂膜，稀HCl溶液浸泡去除Ni保护膜，然后依次在丙酮溶液中超声、乙醇溶液中超声、去离子水冲洗，氮气吹干。
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