CN109830891B - 一种窄线宽半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种窄线宽半导体激光器，解决了现有技术为了在波导中实现窄线宽采用较长的长腔结构导致光在波导中的传播损耗增加的问题。一种窄线宽半导体激光器，包含：半导体光源、无源滤波器；所述无源滤波器，包含波导光栅耦合器，布拉格光栅反射器。所述半导体光源，用于连接所述无源滤波器。所述波导光栅耦合器，用于将接收到的半导体光源发出的光辐射到布拉格光栅反射器，并将布拉格光栅反射器反射光送回半导体光源；窄线宽半导体激光器通过滤波反馈和三维空间结构的设计方式，不仅能摒弃长腔设计实现低损耗，而且硅基和优良的空间结构能够使得所述窄线宽激光器便于集成，从而能够实现大规模光子集成。

Description

一种窄线宽半导体激光器

技术领域

本申请涉及光电子技术领域，尤其涉及窄线宽半导体激光器。

背景技术

近年来，硅光子技术由于其低成本、低功耗和小尺寸等特点受到了社会的极大关注。随着5G移动接入，大数据以及人工智能等新兴信息技术和产业的发展，数据通讯对光互联的带宽需求急剧增长。光通信网络作为骨干支撑网络，其带宽压力越来越大，对光网络与器件的性能要求越来越高。光子集成芯片/光电集成芯片是解决巨大通讯容量以及高速传输的关键。目前，市面上已报道了一种直接与SOA(Semiconductor Optical Amplifier，半导体光放大器)对接的混合集成型硅基双环窄线宽激光器。

但是，混合集成型硅基为了在混合集成型硅基双环激光器中实现窄线宽，通常采用较长的长腔结构。考虑到光在硅波导中的传播损耗为2.4dB/cm，长的无源波导会在光路中引入更多的损耗。因此，发明一种便于集成，低损耗的窄线宽半导体激光器很有必要。

发明内容

本申请提出一种窄线宽半导体激光器，解决了现有技术为了在波导中实现窄线宽采用较长的长腔结构导致光在波导中的传播损耗增加的问题。

本申请实施例提供一种窄线宽半导体激光器，包含：半导体光源、无源滤波器。

所述无源滤波器，包含波导光栅耦合器，布拉格光栅反射器。

所述半导体光源连接所述无源滤波器。

所述波导光栅耦合器，用于将接收到的半导体光源发出的光辐射到布拉格光栅反射器，并将无源光栅反射器反射光送回半导体光源。

进一步地，所述窄线宽半导体激光器还包含模斑转换器。

所述模斑转换器，用于对准耦合半导体光源与无源滤波器。

进一步地，所述半导体光源键合在硅基上。

进一步地，所述波导光栅耦合器的两个侧壁分别包含第一侧壁光栅、第二侧壁光栅。所述布拉格光栅反射器包含：第一布拉格光栅反射器、第二布拉格光栅反射器。第一布拉格光栅反射器和第二布拉格光栅反射器分别正对位第一侧壁光栅和第二侧壁光栅。

优选地，所述无源滤波器用硅基波导实现；所述窄线宽半导体激光器为单片集成。

或者，所述无源滤波器用氮化硅材料实现；所述无源滤波器和所述半导体光源通过光学耦合实现混合集成。

优选地，所述布拉格光栅反射器的无源光栅区域采用普通光栅。

或者，所述布拉格光栅反射器的无源光栅区域采用取样光栅。

进一步地，所述窄线宽半导体激光器的波段可调。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

半导体光源和波导通过直接键合或者粘合，耦合效率高，传输损耗小。窄线宽半导体激光器通过滤波反馈和三维空间结构的设计方式，三维空间非常容易调整设计和集成，不仅能摒弃长腔设计实现低损耗，而且硅基和优良的空间结构能够使得所述窄线宽激光器便于集成，从而能够实现大规模光子集成。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为窄线宽半导体激光器结构图；

图2为窄线宽半导体激光器中无源滤波器工作示意图；

图3为布拉格光栅反射器的普通光栅结构图；

图4为布拉格光栅反射器的取样光栅结构图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为窄线宽半导体激光器结构图。

一种窄线宽半导体激光器，包含：半导体光源1、无源滤波器3。

所述无源滤波器，包含波导光栅耦合器31，布拉格光栅反射器32。

所述半导体光源连接所述无源滤波器。

例如，所述半导体光源是半导体激光器芯片，是实际产生光的装置。所述半导体光源为产生预设波长的激光并将所述预设波长激光作为入射光传输给无源滤波器。

再例如，所述窄线宽半导体激光器采用的半导体光源可以应用III-V族化合物半导体材料，也可应用于II-VI族化合物半导体材料(如GaAlAs/GaAs,InGaAs/InGaP,GaAsP/InGaP,InGaAsP/InP,InGaAsP/GaAsP,AlGaInAs等)，还可以应用IV-VI族化合物半导体材料等各种三元化合物、四元化合物半导体材料。

所述波导光栅耦合器，用于将接收到的半导体光源发出的光辐射到布拉格光栅反射器，并将布拉格光栅反射器反射光送回半导体光源。

例如，所述半导体光源(InP半导体激光器)产生的一般激光，通过对准耦合进入波导里，然后再继续传输，通过波导光栅耦合器(侧壁光栅)时被横向耦合进布拉格光栅反射器，通过布拉格光栅反射器对激光进行线宽的压缩并反射沿原路返回，最终返回到半导体光源(InP半导体激光器)中，从另一端出射。

进一步地，所述窄线宽半导体激光器还包含模斑转换器2。

所述模斑转换器，用于对准耦合半导体光源与无源滤波器。

进一步地，所述半导体光源键合在硅基上。

所述半导体光源可以通过与波导材料之间的分子力键合在一起，也可以通过聚合物胶与波导材料粘合在一起。

例如，所述窄线宽半导体激光器将半导体光源通过工艺集成在硅基上，半导体与硅基可以运用分子间的作用力，将半导体光源与硅基直接键合在一起，也可以通过特殊的粘合介质，例如环氧树脂、苯并环丁烯(BCB)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，互相粘合在一起。

优选地，所述无源滤波器用硅基波导实现；所述窄线宽半导体激光器为单片集成。

例如，当所述半导体光源与硅基键合或粘合在一起，所述无源滤波器在硅基中实现时，所述装置为单片集成。

或者，所述无源滤波器用氮化硅材料实现；所述无源滤波器和所述半导体光源通过光学耦合实现混合集成。

例如，窄线宽半导体激光器可以通过硅基波导实现，也可以通过氮化硅材料波导实现，还可以通过其他材料波导实现。

例如，当所述半导体光源与硅基键合或粘合在一起，所述无源滤波器在氮化硅中实现，半导体光源和无源滤波器通过光学耦合时，所述装置为混合集成。

半导体光源发射出特定波长的激光，通过模斑转换器进入无源硅波导，再进入硅基波导以及在硅基波导上的波导光栅耦合器。通过波导光栅耦合器，进一步将光在特定方向(一般为垂直方向)辐射出来进入布拉格光栅反射器，满足反射条件的光在窄带上会发生强反射，被反射的光沿原路返回，进入波导光栅耦合器，并将光进一步耦合进入模斑转换器，最后进入半导体光源。

所述半导体光源的制造过程中，半导体光源的外延材料如下：首先在N型衬底材料上一次外延N型的InP缓冲层(厚度200nm、掺杂浓度约为1.1×10¹⁸cm^-2)、100nm厚非晶掺杂晶格匹配InGaAsP波导层、应变InGaAsP多量子阱层(光荧光波长1.52微米，7个量子阱；阱宽8nm，0.5％压应变；垒宽10nm，晶格匹配材料)、70nm厚的InGaAsP光栅材料层。然后使用普通微电子工艺制作含有等效光栅所需的取样周期分布的掩膜版。接下来通过取样掩膜版和全息干涉曝光的方法制作出光栅结构，然后二次外延100nm厚的P型晶格匹配InGaAsP波导层(掺杂浓度约为1.1×10¹⁷cm^-2，DFB段该层的厚度为100nm)、1.7微米厚的P型InP限制层(掺杂浓度从3.5×10¹⁷cm^-2逐渐变化为1×10¹⁸cm^-2)和100nm厚的P型InGaAsP欧姆接触层(掺杂浓度大于1×10¹⁹cm^-2)。

半导体光源可以采用脊波导结构，波导的宽度为2微米，其两侧的沟槽宽度为20微米，深为1.8微米。在制作脊波导的过程中一并制作电隔离槽，即将电隔离槽区域的InGaAsP欧姆接触层和InP脊波导层上面的InGaAs缓冲层一起刻蚀掉，然后再在表面覆盖300nm厚的SiO₂绝缘层。之后将脊波导上方的SiO₂材料刻蚀掉，并制作激光器正面的P型电极。激光器衬底进行减薄，剖光后制作背面的N型电极。

之后，将作为光源的整个半导体光源与硅基用特殊的粘合介质(环氧树脂，苯并环丁烯(BCB),聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等)相互粘合在一起，实现半导体激光器与硅基的集成一体化，或者运用分子力，将半导体光源与硅基直接键合集成在一起。器件的两端均镀有抗反射膜，镀膜后的反射率小于1％。

进一步地，所述窄线宽半导体激光器的波段可调。

例如，所述窄线宽半导体激光器可以采用多种波段，可以用1310波段，也可以用1550波段，还可以用1650波段。通过设计半导体光源和或调节布拉格光栅反射器的光栅结构来改变适应的波段。

图2为窄线宽半导体激光器中无源滤波器工作示意图。

进一步地，所述波导光栅耦合器的两个侧壁分别包含第一侧壁光栅311、第二侧壁光栅312。

所述布拉格光栅反射器包含：第一布拉格光栅反射器321、第二布拉格光栅反射器322。

第一布拉格光栅反射器和第二布拉格光栅反射器分别正对位第一侧壁光栅和第二侧壁光栅。

所述波导光栅耦合器会将光从波导中辐射出来，并传播至两侧的布拉格光栅反射器。满足反射条件的光进一步反射回来，通过波导光栅耦合器进入波导，实现窄带反射。并返回光模斑转换器。

图3为布拉格光栅反射器的普通光栅结构图。

优选地，所述布拉格光栅反射器的无源光栅区域采用普通光栅41。

所述普通光栅的布拉格波长计算公式为：

λ_bragg＝2n_effΛ 公式1

其中λ_bragg为无源滤波器的布拉格波长，n_eff为光栅的有效折射率，Λ为布拉格光栅反射器的光栅周期。

制作布拉格反射滤波器的普通光栅结构，可以通过电子束曝光实现，也可以通过紫外曝光实现，还可以通过全系曝光实现。

例如，通过电子束曝光的方式制作均匀布拉格光栅：首先在波导的对应部分涂抹上一层均匀的电子束曝光胶，常见的为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，然后使用电子束曝光技术，使电子束在曝光胶上扫描并通过改变电子束的曝光量，形成所需的布拉格光栅的图案，接着使用有机溶剂将曝光量少的PMMA溶解，然后使用ICP(电感耦合等离子体)干法刻蚀或者基于化学反应的湿法刻蚀对该材料进行刻蚀，从而得到所需要的图案。

所述布拉格反射滤波器采用普通光栅结构，相比取样光栅结构，制作简单，仅需要曝光即可。

图4为布拉格光栅反射器的取样光栅结构图。

优选地，所述布拉格光栅反射器的无源光栅区域采用取样光栅42。

所述取样光栅的等效光栅计算公式为：

其中Λ₀为无源滤波器的种子光栅周期，P为光栅的取样周期，Λ₊₁为等效光栅周期。

例如，制作布拉格光栅反射器的取样光栅结构，通过一次全息曝光，加一次取样实现。

例如，首先在光刻板(掩膜版)上设计并制作取样图案，然后使用全息曝光技术在光刻胶上形成均匀的光栅图案，接着使用具有取样图案的光刻板进行普通曝光，把该光刻板的图案复制到晶片光刻胶上，即在光刻胶上形成取样图案，之后再腐蚀晶片在晶片上形成相应的光栅图案。两步的曝光顺序可以根据工艺互换。

布拉格光栅反射器的无源光栅区域采用取样光栅，相比普通光栅，取样光栅可以得到带宽更窄的窄带宽激光。

还需要说明的是，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。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种窄线宽半导体激光器，其特征在于，包含：半导体光源、无源滤波器；

所述无源滤波器，包含波导光栅耦合器，布拉格光栅反射器；

所述半导体光源连接所述无源滤波器；

所述波导光栅耦合器，用于将接收到的半导体光源发出的光辐射到布拉格光栅反射器，并将布拉格光栅反射器反射光送回半导体光源；所述波导光栅耦合器的两个侧壁分别包含第一侧壁光栅、第二侧壁光栅；

所述布拉格光栅反射器包含：第一布拉格光栅反射器、第二布拉格光栅反射器；

第一布拉格光栅反射器和第二布拉格光栅反射器分别正对位第一侧壁光栅和第二侧壁光栅。

2.根据权利要求1所述窄线宽半导体激光器，其特征在于，

所述窄线宽半导体激光器还包含模斑转换器；

所述模斑转换器，用于对准耦合半导体光源与无源滤波器。

3.根据权利要求1所述窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述半导体光源键合在硅基上。

4.根据权利要求3所述窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述无源滤波器用硅基波导实现；所述窄线宽半导体激光器为单片集成。

5.根据权利要求3所述窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述无源滤波器用氮化硅材料实现；所述无源滤波器和所述半导体光源通过光学耦合实现混合集成。

6.根据权利要求1～5任意一项所述窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述布拉格光栅反射器的无源光栅区域采用普通光栅。

7.根据权利要求1～5任意一项所述窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述布拉格光栅反射器的无源光栅区域采用取样光栅。

8.根据权利要求1～5任意一项所述窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述窄线宽半导体激光器的波段可调。

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