CN109560459A - 低啁啾分布布拉格反射可调谐激光器及其制备方法 - Google Patents

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CN109560459A CN201811471393.9A CN201811471393A CN109560459A CN 109560459 A CN109560459 A CN 109560459A CN 201811471393 A CN201811471393 A CN 201811471393A CN 109560459 A CN109560459 A CN 109560459A
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Abstract

本公开提供了一种低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器及其制备方法，其中低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器，包括：位于同一衬底、等高且顺次贴合的前光栅区、增益区、相位区和后光栅区；所述前光栅区、后光栅区和相位区均包括无源材料层，所述无源材料层置于所述衬底上，所述前光栅区和后光栅区在所述无源材料层上还分别设有光栅结构；所述光栅结构为均匀周期的分布布拉格光栅和/或取样光栅；所述增益区，自下而上顺次包括：下波导层、有源层和上波导层。本公开中前光栅区和后光栅区的均匀周期的分布布拉格光栅结构，并结合相位区的电流作用，控制并减少可调谐激光器的啁啾，延长光的传输距离并提高传输质量。

Description

低啁啾分布布拉格反射可调谐激光器及其制备方法
技术领域
本公开涉及电子器件领域，尤其涉及一种低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器及其制备方法。
背景技术
可调谐激光器是光通信***中必不可少的关键器件，通过同时传输多波长能有效利用光纤的容量。在波分复用(WDM)光通信***中，可调谐激光器能够很大程度地降低制造和运行中的器件存货量。当使用单波长光源像分布反馈(DFB)激光器时，需要准备很多不同发射波长的激光器，大大增加了成本。采用可调谐激光器则需要几个器件就可以覆盖所有波长，替换失效的器件也很方便。
分布布拉格反射(DBR)可调谐激光器由于具有紧凑的尺寸、高的机械可靠性和易于与别的光器件集成等优点被应用在WDM***中。布拉格反馈可调谐激光器由于控制波长的电流数量少，所以更容易校准。另外，因为具有比较少的控制参数，布拉格反馈可调谐激光器的波长锁定算法更加简单。这些特征使得布拉格反馈可调谐激光器成为WDM无源光网络用光源的优先选择。
现有的两段/三段布拉格反馈可调谐激光器都属于直接调制激光器，其啁啾特性限制了光在光纤中的传输距离，限制了可调谐激光器在光通信中的应用范围。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器，包括：位于同一衬底、等高且顺次贴合的前光栅区、增益区、相位区和后光栅区；所述前光栅区、后光栅区和相位区均包括无源材料层，所述无源材料层置于所述衬底上，所述前光栅区和后光栅区在所述无源材料层上还分别设有光栅结构；所述光栅结构为均匀周期的分布布拉格光栅和/或取样光栅；所述增益区，自下而上顺次包括：下波导层、有源层和上波导层，所述下波导层形成于所述衬底上。
在本公开的一些实施例中，所述前光栅区、增益区、相位区和后光栅区均还包括：包层、通过隔离槽隔离的电接触层和P面电极；其中，对于所述前光栅区、后光栅区和相位区，其所述包层、电接触层和P面电极均顺次置于所述无源材料层的上表面；所述前光栅区和后光栅区的P面电极相连接；所述增益区的所述包层、电接触层和P面电极顺次置于所述上波导层的上表面；所述衬底下表面设有n面电极。
在本公开的一些实施例中，所述前光栅区的长度范围为0～200μm；所述增益区的长度范围为0～1000μm；所述相位区的长度范围为0～500μm；所述后光栅区的长度范围为0～1000μm。
在本公开的一些实施例中，所述增益区的有源层为多量子阱结构，所述多量子阱结构包括交替叠置的多个阱层和多个垒层，所述阱层和垒层的主体材料均为InGaAsP四元化合物。
在本公开的一些实施例中，所述前光栅区、增益区、相位区和后光栅区的包层和电接触层为倒台浅脊波导结构，其侧截面呈倒梯形结构/脊型结构；通过所述隔离槽向所述包层中注入有氦离子。
根据本公开的另一个方面，提供了一种低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器的制备方法，包括：步骤S100：在衬底上依次生长下波导层、有源层和上波导层；步骤S200：去掉部分区域的下波导层、有源层和上波导层，制得增益区；衬底的对应于前光栅区、相位区和后光栅区的区域露出；步骤S300：利用对接生长方法在所述前光栅区、相位区和后光栅区的衬底上生长无源材料层，所述无源材料层与增益区的上波导层平齐；在所述前光栅区和后光栅区的所述无源材料层上制备光栅结构。
在本公开的一些实施例中，还包括：步骤S400：在所述步骤S300的结构上表面生长包层和电接触层，并在所述电接触层上刻蚀形成隔离槽，以使所述前光栅区、增益区、相位区和后光栅区的电接触层间隔设置；步骤S500：在所述前光栅区、增益区、相位区和后光栅区的电接触层上制备p面电极，且所述前光栅区和后光栅区的P面电极相连；步骤S600：减薄衬底，并在衬底的下表面制备n面电极。
在本公开的一些实施例中，所述步骤S400中腐蚀包层和电接触层，形成倒台浅脊波导结构，其侧截面呈倒梯形；所述步骤S400中还包括：向所述包层上的隔离槽中注入有氦离子。
在本公开的一些实施例中，所述步骤S200包括：步骤S210：在上波导层上表面形成SiO2层通过光刻和湿法腐蚀形成增益区掩膜图形；步骤S220：采用RIE方法刻蚀去掉部分区域的下波导层、有源层和上波导层。
在本公开的一些实施例中，所述步骤S210中，所述掩膜图形为条形结构，所述条形结构长度为0～1000μm。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本公开中前光栅区和后光栅区的均匀周期的分布布拉格光栅结构，并结合相位区的电流作用，控制并减少可调谐激光器的啁啾，延长光的传输距离并提高传输质量。
(2)P面电极连接前光栅区和后光栅区，能够有效减少啁啾，使激光在光纤中传播更远的距离。
(3)包层和电接触层的倒台浅脊波导结构，能够有效防止区域间的对接生长时在对接界面形成材料的堆积，减小光的损耗和界面处的光反射。
(4)增益区采用导带偏移量大的InGaAsP材料作为量子阱材料，优化增益区的电子限制能力，提高可调谐激光器的温度特性和高频特性，使得可调谐激光器能够在较大温度范围和较高调制频率下工作。
附图说明
图1为本公开实施例低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器的正剖面结构示意图。
图2为本公开实施例低啁啾分布布拉格反射可调谐激光器的制备方法的流程图。
图3为本公开实施例低啁啾分布布拉格反射可调谐激光器的制备方法中步骤S100制得结构的正面剖面图。
图4为本公开实施例低啁啾分布布拉格反射可调谐激光器的制备方法中步骤S210制备出掩膜图形后结构的俯视图。
图5为本公开实施例低啁啾分布布拉格反射可调谐激光器的制备方法中步骤S220制得结构的正面剖面图。
图6为本公开实施例低啁啾分布布拉格反射可调谐激光器的制备方法中步骤S300制得结构的正面剖面图。
图7为本公开实施例低啁啾分布布拉格反射可调谐激光器的制备方法中步骤S400制得的倒台浅脊波导结构的侧面剖面图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-前光栅区；
2-增益区；
3-相位区；
4-后光栅区；
5-衬底；
6-下波导层；
7-有源层；
8-上波导层；
9-条形结构；
10-无源材料层；
11-光栅结构；
12-包层；
13-电接触层；
14-隔离槽；
15-氦离子；
16-p面电极；
17-n面电极。
具体实施方式
本公开提供了一种低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器及其制备方法，其中低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器，包括：位于同一衬底、等高且顺次贴合的前光栅区、增益区、相位区和后光栅区；所述前光栅区、后光栅区和相位区均包括无源材料层，所述无源材料层置于所述衬底上，所述前光栅区和后光栅区在所述无源材料层上还分别设有光栅结构；所述光栅结构为均匀周期的分布布拉格光栅和/或取样光栅；所述增益区，自下而上顺次包括：下波导层、有源层和上波导层。本公开中前光栅区和后光栅区的均匀周期的分布布拉格光栅结构，并结合相位区的电流作用，控制并减少可调谐激光器的啁啾，延长光的传输距离并提高传输质量。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器。图1为本公开实施例低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器的正剖面结构示意图。如图1所示，本公开低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器包括：位于同一衬底5、等高且顺次贴合的前光栅区1、增益区2、相位区3和后光栅区4；所述前光栅区1、后光栅区4和相位区3均包括无源材料层10，所述无源材料层10置于所述衬底5上，所述前光栅区1和后光栅区4在所述无源材料层10上还分别设有光栅结构11；所述光栅结构11为均匀周期的分布布拉格光栅和/或取样光栅；所述增益区2，自下而上顺次包括：下波导层6、有源层7和上波导层8，下波导层6形成于衬底5上。因此，前光栅区和后光栅区的均匀周期的分布布拉格光栅结构，并结合相位区的电流作用，控制并减少可调谐激光器的啁啾系数在3以下，延长光的传输距离并提高传输质量。
前光栅区1、增益区2、相位区3和后光栅区4均还包括：包层12、通过隔离槽14隔离的电接触层13和P面电极16。其中，所述前光栅区1、后光栅区4和相位区3的所述包层12、电接触层13和P面电极16顺次置于所述无源材料层的上表面；所述前光栅区1和后光栅区4的P面电极16相连接。所述增益区2的所述包层12、电接触层13和P面电极16顺次置于所述上波导层8的上表面。此外，所述衬底5下表面设有n面电极17。
具体的，所述前光栅区1的长度范围为0～200μm；所述增益区2的长度范围为0～1000μm；所述相位区3的长度范围为0～500μm；所述后光栅区4的长度范围为0～1000μm。
在一实施例中，增益区2的有源层7为多量子阱结构包括：5个压应变阱层和6个张应变垒层，5个压应变阱层的每层厚度为5nm，6个张应变垒层的每层厚度为9nm，多量子阱有源层7被下波导层6和上波导层8夹在中间形成三明治结构。其中，阱层和垒层的主体材料均为InGaAsP四元化合物。增益区采用导带偏移量大的InGaAsP材料作为量子阱材料，优化增益区的电子限制能力，提高可调谐激光器的温度特性和高频特性，使得可调谐激光器能够在较大温度范围和较高调制频率下工作。
可选的，所述前光栅区1、增益区2、相位区3和后光栅区4的包层12和电接触层13为倒台浅脊波导结构，其侧截面呈倒梯形结构/脊型结构；通过所述隔离槽14向所述包层12中注入有氦离子15。能够有效防止区域间的对接生长时在对接界面形成材料的堆积，减小光的损耗和界面处的光反射。
在本公开的第一个示例性实施例中，还提供了一种低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器的制备方法。图2为本公开实施例低啁啾分布布拉格反射可调谐激光器的制备方法的流程图。如图2所示，一种低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器的制备方法，包括：
步骤S100：在衬底5上依次生长下波导层6、有源层7和上波导层8。
在一具体实施例中，选择一N型磷化铟衬底5，利用有机金属化合物气相沉积(MOCVD)在衬底5上依次生长InGaAsP下波导层6、多量子阱有源层7、上波导层8。其中，下波导层6的带隙波长为1200nm，有源层7的带隙波长为1550nm，上波导层8的带隙波长为1200nm，生长温度为680℃，生长压力为100mbar，上下波导层6的厚度均为90nm。图3为本公开实施例低啁啾分布布拉格反射可调谐激光器的制备方法中步骤S100制得结构的正面剖面图。如图3所示，前光栅区1，增益区2，相位区3和后光栅区4之间用虚线区分。
步骤S200：去掉部分区域的下波导层6、有源层7和上波导层8，制得增益区2；衬底5的对应于前光栅区1、相位区3和后光栅区4的区域露出。在一具体实施例中，所述步骤S200包括：
步骤S210：在上波导层8上表面生长150nm厚的SiO2层，生长温度为300℃，生长压力为100Pa；并采用1μm厚的光刻胶掩膜，利用缓冲氧化物腐蚀液(BOE)腐蚀出20μm宽的SiO2条形结构9，如图4所示。图4为本公开实施例低啁啾分布布拉格反射可调谐激光器的制备方法中步骤S210制备出掩膜图形后结构的俯视图。具体的，所述掩膜图形为条形结构9，所述条形结构9长度为0～1000μm，与增益区长度相同。
步骤S220：采用RIE方法刻蚀去掉前光栅区1、相位区3和后光栅区4的InGaAsP材料，反应刻蚀压力为0.067mbar，功率为150W，反应气体为CH4∶H2＝18∶45的混合气体，刻蚀时间为5分钟。再分别用三氯乙烯、丙酮、乙醇进行衬底5清洗，用冰点的H2SiO4∶H2O2∶H2O＝3∶1∶1溶液浸泡30秒，腐蚀完成，得到的结构如图5所示。图5为本公开实施例低啁啾分布布拉格反射可调谐激光器的制备方法中步骤S220制得结构的正面剖面图。
步骤S300：利用对接生长方法在所述前光栅区1、相位区3和后光栅区4的衬底5上生长无源材料层10，所述无源材料层10与增益区2的上波导层8平齐；在所述前光栅区1和后光栅区4的所述无源材料层10上制备光栅结构11。
在一具体实施例中，利用对接生长方法，对接生长前光栅区1、相位区3和后光栅区4的InGaAsP材料。具体的，生长温度为630℃，生长压力为100mbar，其带隙波长小于激光器发光波长，本实施例中带隙波长选用1400nm。再通过BOE腐蚀液腐蚀去掉20μm宽的SiO2条形结构9，如图6所示。图6为本公开实施例低啁啾分布布拉格反射可调谐激光器的制备方法中步骤S300制得结构的正面剖面图。最后，在前光栅区1和后光栅区4制备光栅结构11。
步骤S400：在所述步骤S300的结构上表面生长包层12和电接触层13，并在所述电接触层13上刻蚀形成隔离槽14，以使所述前光栅区1、增益区2、相位区3和后光栅区4的电接触层13间隔设置。具体的，所述步骤S400中腐蚀包层12和电接触层13，形成倒台浅脊波导结构，其侧截面呈倒梯形；所述步骤S400中还包括：向所述包层12上的隔离槽14中注入有氦离子15。
在一具体实施例中，首先，在所述步骤S300的结构上表面MOCVD生长包层12和电接触层13。其中，包层12材料为p型Zn掺杂的InP，厚度为1500nm。电接触层13材料为InGaAs，厚度为200nm。具体的，生长温度为630℃，生长压力为100mbar。再在前光栅区1、增益区2、相位区3及后光栅区4的包层12和电接触层13上，利用1μm厚的光刻胶，光刻出3μm宽的光刻胶条形掩膜，先后采用Br2∶HBr∶H2O＝1∶25∶80的腐蚀液，腐蚀时间为40秒；HCl∶H2O＝9∶1的腐蚀液，腐蚀时间为3分钟，制作出倒台浅脊波导结构，如图7所示。图7为本公开实施例低啁啾分布布拉格反射可调谐激光器的制备方法中步骤S400制得的倒台浅脊波导结构的侧面剖面图。最后，在电接触层13上用3μm厚光刻胶光刻出隔离槽14图形，用腐蚀液H2SiO4∶H2O2∶H2O＝3∶1∶I腐蚀10秒，腐蚀出各区之间的隔离槽14，隔离槽14宽度为30μm，同时对隔离槽14进行氦离子15的注入，注入能量为200KeV，注入剂量为1014cm-2，在前光栅区1和增益区2、增益区2和相位区3、相位区3和后光栅区4之间实现电隔离。
步骤S500：在所述前光栅区1、增益区2、相位区3和后光栅区4的电接触层13上制备p面电极16，且所述前光栅区1和后光栅区4的P面电极16相连。
步骤S600：减薄衬底5，并在衬底5的下表面制备n面电极17。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开低啁啾分布布拉格反射可调谐激光器及其制备方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供一种可控制并减少可调谐激光器的啁啾，并延长光的传输距离并提高传输质量的低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器及其制备方法。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器，包括：位于同一衬底、等高且顺次贴合的前光栅区、增益区、相位区和后光栅区；
所述前光栅区、后光栅区和相位区均包括无源材料层，所述无源材料层置于所述衬底上，所述前光栅区和后光栅区在所述无源材料层上还分别设有光栅结构；所述光栅结构为均匀周期的分布布拉格光栅和/或取样光栅；
所述增益区，自下而上顺次包括：下波导层、有源层和上波导层，所述下波导层形成于所述衬底上。
2.根据权利要求1所述的低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器，其中，所述前光栅区、增益区、相位区和后光栅区均还包括：包层、通过隔离槽隔离的电接触层和P面电极；其中，
对于所述前光栅区、后光栅区和相位区，其所述包层、电接触层和P面电极均顺次置于所述无源材料层的上表面；所述前光栅区和后光栅区的P面电极相连接；
所述增益区的所述包层、电接触层和P面电极顺次置于所述上波导层的上表面；
所述衬底下表面设有n面电极。
3.根据权利要求1所述的低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器，其中，所述前光栅区的长度范围为0～200μm；所述增益区的长度范围为0～1000μm；所述相位区的长度范围为0～500μm；所述后光栅区的长度范围为0～1000μm。
4.根据权利要求1所述的低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器，其中，所述增益区的有源层为多量子阱结构，所述多量子阱结构包括交替叠置的多个阱层和多个垒层，所述阱层和垒层的主体材料均为InGaAsP四元化合物。
5.根据权利要求1所述的低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器，其中，
所述前光栅区、增益区、相位区和后光栅区的包层和电接触层为倒台浅脊波导结构，其侧截面呈倒梯形结构/脊型结构；
通过所述隔离槽向所述包层中注入有氦离子。
6.一种低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器的制备方法，包括：
步骤S100：在衬底上依次生长下波导层、有源层和上波导层；
步骤S200：去掉部分区域的下波导层、有源层和上波导层，制得增益区；衬底的对应于前光栅区、相位区和后光栅区的区域露出；
步骤S300：利用对接生长方法在所述前光栅区、相位区和后光栅区的衬底上生长无源材料层，所述无源材料层与增益区的上波导层平齐；在所述前光栅区和后光栅区的所述无源材料层上制备光栅结构。
7.根据权利要求6所述的低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器的制备方法，其中，还包括：
步骤S400：在所述步骤S300的结构上表面生长包层和电接触层，并在所述电接触层上刻蚀形成隔离槽，以使所述前光栅区、增益区、相位区和后光栅区的电接触层间隔设置；
步骤S500：在所述前光栅区、增益区、相位区和后光栅区的电接触层上制备p面电极，且所述前光栅区和后光栅区的P面电极相连；
步骤S600：减薄衬底，并在衬底的下表面制备n面电极。
8.根据权利要求6所述的低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器的制备方法，其中，
所述步骤S400中腐蚀包层和电接触层，形成倒台浅脊波导结构，其侧截面呈倒梯形；
所述步骤S400中还包括：向所述包层上的隔离槽中注入有氦离子。
9.根据权利要求6所述的低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器的制备方法，其中，所述步骤S200包括：
步骤S210：在上波导层上表面形成SiO2层通过光刻和湿法腐蚀形成增益区掩膜图形；
步骤S220：采用RIE方法刻蚀去掉部分区域的下波导层、有源层和上波导层。
10.根据权利要求9所述的低啁啾分布布拉格反馈可调谐激光器的制备方法，其中，所述步骤S210中，所述掩膜图形为条形结构，所述条形结构长度为0～1000μm。
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