CN115377799A - 一种电吸收调制激光器芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电吸收调制激光器芯片，所述电吸收调制激光器芯片采用选择区域生长法制备而成，其中，电吸收调制激光器芯片的选择生长区域掩膜条的长度为200um～400um、宽度为10um～30um、厚度为200nm～300nm；光致发光波长失谐量为50nm～90nm；量子阱为压应变，应变量为0.1％～1.5％；势垒为张应变，应变量为0.2％～1％；电吸收调制激光器芯片封装有半导体制冷器，半导体制冷器用于将电吸收调制激光器芯片的工作温度控制在50℃～70℃之间。上述电吸收调制激光器芯片能够使EAM的空穴堆积效应减弱或被抑制，有效的提高了EAM吸收性能，提高了消光比，并改善了频率啁啾的问题。

Description

一种电吸收调制激光器芯片
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其是涉及一种电吸收调制激光器芯片。
背景技术
随着数据中心、5G技术的快速发展以及接入网速度的不断提升，数据传输对激光器的传输容量要求越来越高，传统的直调激光器已无法满足高速长距离传输的要求，相比之下，电吸收调制激光器采用DFB(Distributed-feedback laser，分布反馈激光器)和外调制的EAM(Electro-absorption modulator，电吸收调制器)调制器集成，具有高带宽、低频率啁啾的特点，可实现更远距离的传输。
SAG-EML(Selective Area Growth-Electroabsorption Modulaled Laser选择区域生长的电吸收调制激光器)芯片通过采用一次外延同时集成LD(激光器)和EAM量子阱有源区，具有技术成本低，工艺简单的优点，再结合BH的工艺平台，可制备出高带宽，高功率和高可靠性的EML产品。但是，SAG-EML芯片中的半导体材料InGaAsP(镓铟砷磷)价带偏移量大，EAM量子阱吸收区光生空穴容易堆积造成内建电场屏蔽效应，使功率曲线扭折，吸收减弱，甚至无吸收，造成应用上调制无法加深，消光比低，传输也会存在频率啁啾现象，这种现象在C波或L波相关的产品上更加突出。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种电吸收调制激光器芯片，主要目的在于解决选择区域生长的电吸收调制激光器芯片的EAM量子阱吸收层中空穴载流子堆积效应造成的光吸收减弱和频率啁啾的技术问题。
根据本发明的第一个方面，提供了一种电吸收调制激光器芯片，该电吸收调制激光器芯片采用选择区域生长法制备而成，其中，所述电吸收调制激光器芯片的选择生长区域掩膜条的长度为200um～400um、宽度为10um～30um、厚度为200nm～300nm；光致发光波长失谐量为50nm～90nm；量子阱为压应变，应变量为0.1％～1.5％；势垒为张应变，应变量为0.2％～1％；所述电吸收调制激光器芯片封装有半导体制冷器，所述半导体制冷器用于将所述电吸收调制激光器芯片的工作温度控制在50℃～70℃之间。
可选的，所述电吸收调制激光器芯片的光栅耦合系数在0.8～1.6之间。
可选的，所述电吸收调制激光器芯片的量子阱波导台面掩埋磷化铟材料，所述量子阱波导台面的宽度为1um-2um，所述磷化铟材料包括P型掺杂磷化铟和N型掺杂磷化铟。
可选的，所述P型掺杂磷化铟为双层结构，所述N型掺杂磷化铟为单层结构，其中，所述N型掺杂磷化铟的单层结构设置在所述P型掺杂磷化铟的双层结构之间。
可选的，所述电吸收调制激光器芯片的有源区台面外掩埋区域通过湿法腐蚀形成两个沟型结构，其中，所述沟型结构的深度为5um～8um，所述沟型结构的宽度为10um～40um。
可选的，所述电吸收调制激光器芯片的出光面处外延生长宽带隙的窗口区，所述窗口区的材料为磷化铟，所述窗口区的长度为5um～15um。
本发明提供的一种电吸收调制激光器芯片，通过采用选择区域生长法的集成方式，可以简化电吸收调制激光器芯片的制备工艺，降低制备成本。并且，上述电吸收调制激光器芯片通过设定芯片的工作温度，并改变量子阱的应变设计，能够使EAM的空穴堆积效应减弱或被抑制，从而有效的提高了EAM吸收性能，提高了消光比，改善了频率啁啾的问题。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。
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，构成本申请的一部分，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示出了本发明实施例提供的一种电吸收调制激光器芯片的侧面结构示意图；
图2示出了本发明实施例提供的一种电吸收调制激光器芯片的截面结构示意图；
图3示出了本发明实施例提供的一种温度功率曲线的示意图；
图4示出了本发明实施例提供的另一种温度功率曲线的示意图。
其中，10为衬底，20为光栅，30为量子阱有源层(包含量子阱和势垒)，40为激光器部分(DFB)，50为调制器部分(EAM)，61为N型掺杂磷化铟，62为P型掺杂磷化铟，70为窗口区。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
在一个实施例中，提供了一种电吸收调制激光器芯片，该电吸收调制激光器芯片采用选择区域生长法制备而成，其中，所述电吸收调制激光器芯片的选择生长区域掩膜条的长度为200um～400um、宽度为10um～30um、厚度为200nm～300nm；光致发光波长失谐量为50nm～90nm；所述电吸收调制激光器芯片封装有半导体制冷器，所述半导体制冷器用于将所述电吸收调制激光器芯片的工作温度控制在50℃～70℃之间。
具体的，如图1和图2所示，采用选择区域生长法制备电吸收调制激光器芯片的方法大致包括以下步骤：首先，在N掺杂的InP(磷化铟)衬底10上制作光栅20和调制器段的选择生长图形，然后，一次外延同时生长出调制器多量子阱和激光器多量子阱两叠层有源区结构30，进而，选择腐蚀去调制器段上面的激光器多量子阱层，最后，二次外延完成整个电吸收调制激光器芯片结构的生长，其中，电吸收调制激光器芯片结构包括激光器部分(下述简称DFB部分)40和调制器部分(下述简称EAM部分)50。参照图1，DFB部分40的衬底10上设置有光栅20，光栅层上方有选择生长图形，量子阱有源层30在选择生长图形的基础上外延生长。进一步的，EAM部分50大面积均匀生长量子阱有源层30，此外，为了实现DFB部分40和EAM部分50之间的电隔离，还会通过湿法腐蚀形成绝缘隔离区。参照图2，DFB部分和EAM部分的有源区30是台面结构，在其两侧掩埋有磷化铟材料61和62，磷化铟材料的上方整体外延生长P掺杂的InP包覆层和InGaAs(镓铟砷磷)欧姆接触层，以此形成本实施例所述的电吸收调制激光器芯片。
在本实施例中，调制器段的选择生长图形为两条长度为200um～400um、宽度为10um～30um、厚度为200nm～300nm的掩膜条，其中，掩膜条可以采用SiO2或Si3N4材料制成。进一步的，在选择区域生长的电吸收调制激光器芯片(SAG-EML)的结构上，进一步设计EAM量子阱的光致发光波长失谐量为50nm～90nm，然后，通过电吸收调制激光器芯片封装上的半导体制冷器，可以控制电吸收调制激光器芯片工作在50℃～70℃之间，从而减弱EAM量子阱吸收区的空穴堆积效应，抑制EAM的吸收饱和，极大的改善了吸收饱和的问题和频率啁啾的问题。同时，通过合理设置光致发光波长失谐量的范围，可以使电吸收调制激光器芯片工作在50～70℃时具有较低的***损耗，且功率和消光比均比较高。如图3所示，通过将电吸收调制激光器芯片的工作温度从45℃调整到60℃，可以将功率曲线的扭折点从80mA推迟到100mA以上，从而使电吸收调制激光器芯片能够稳定的工作在额定工作电流下，以此提高了光吸收强度和消光比。
实施例2：
在实施例1的基础上，可以进一步设计应变量子阱，具体设置方式如下：所述电吸收调制激光器芯片的选择生长区域掩膜条的长度为200um～400um、宽度为10um～30um、厚度为200nm～300nm；光致发光波长失谐量为50nm～90nm；量子阱为压应变，应变量为0.1％～1.5％；势垒为张应变，应变量为0.2％～1％；所述电吸收调制激光器芯片封装有半导体制冷器，所述半导体制冷器用于将所述电吸收调制激光器芯片的工作温度控制在50℃～70℃之间。具体的，本实施例提出的电吸收调制激光器芯片的工作原理如下：光生载流子寿命主要受热电子发射影响，与量子阱和势垒的带隙偏移量δE有关，δE越大，光生载流子寿命越大，电子-空穴激子对越难以猝灭，也即越难以通过热电子发射迁移出量子阱，越容易堆积，从而产生屏蔽效应。本实施例通过提高电吸收调制激光器芯片的工作温度并降低量子阱的势垒价带偏移量，有利于增加量子阱内的光生载流子的热扩散速率。如图4所示，在工作温度为55℃时，应变量子阱电吸收调制激光器芯片在EA偏压-2V下，DFB工作电流在0至150mA的扫描下，功率曲线很低，说明吸收良好，曲线无扭折现象。本实施例通过提高电吸收调制激光器芯片的工作温度并降低量子阱的势垒价带偏移量，进一步解决了空穴堆积效应，使电吸收调制激光器芯片能够稳定的工作在较大的工作电流下，以此提高了光吸收强度和消光比，同时改善了频率啁啾的问题。
需要说明的是，提高电吸收调制激光器芯片的工作温度，带来的好处是使EAM的空穴堆积效应减弱或被抑制，EAM吸收性能提升，缺点是可能会使电子热泄露增加，导致激光器阈值电流偏大，功率曲线饱和增加，光功率降低。基于此，本实施例通过合理设定电吸收调制激光器芯片的工作温度，并合理设定量子阱和势垒的应变量，能够使得DFB的高温性能和EAM的吸收性得到最大优化。
本实施例提出的电吸收调制激光器芯片，通过采用选择区域生长法的集成方式，可以简化电吸收调制激光器芯片的制备工艺，降低制备成本。并且，上述电吸收调制激光器芯片通过设定芯片的工作温度，并改变量子阱的应变设计，能够使EAM的空穴堆积效应减弱或被抑制，从而有效的提高了EAM吸收性能，提高了消光比，改善了频率啁啾的问题。
进一步的，在实施例1和实施例2的基础上，本申请还可以衍生出多种优化后的实施方式，具体实施例如下：
在一个实施例中，可以将电吸收调制激光器芯片的光栅耦合系数设置在0.8～1.6之间。本实施例通过合理设定光栅耦合系数，可以有效的提高激光器的光功率，并改善单模特性。
在一个实施例中，如图2所示，电吸收调制激光器芯片的量子阱波导台面的两侧掩埋低折射率的磷化铟材料，所述量子阱波导台面的宽度为1um-2um，所述磷化铟材料包括N型掺杂磷化铟61和P型掺杂磷化铟62。本实施例通过合理控制台宽，能够实现激光器模式的控制和光场限制，从而使远场发散角呈现性状较好的圆斑光束，进而提高光纤耦合效率，降低光损耗。
在一个实施例中，如图2所示，所述P型掺杂磷化铟62为双层结构，所述N型掺杂磷化铟61为单层结构，其中，所述N型掺杂磷化铟61的单层结构设置在所述P型掺杂磷化铟62的双层结构之间。相较于传统的BH的SAG-EML，本实施例通过采用CMBH结构，能够有效的提高载流子注入效率，同时具备良好的圆斑远场光束，耦合效率高，同时，本实施例采用的P/N/P结构的反向PN结能够有效抑制漏电流，提高电流注入效率，改善功率饱和。
在一个实施例中，电吸收调制激光器芯片的有源区台面外掩埋区域通过湿法腐蚀形成两个沟型结构，其中，所述沟型结构的深度为5um～8um，所述沟型结构的宽度为10um～40um。本实施例通过采用CMBH结构，能够有效的提高载流子注入效率，但同时，CMBH设计可能会带来的问题是PNP反向PN结寄生电容会影响高频下的调制带宽，而本实施例通过湿法腐蚀有源区台面外掩埋区域，并形成深腐蚀双沟，同时减小EAM电极的面积(宽10-20um)，能够极大的降低寄生电容，从而降低CMBH结构对调制带宽的影响。
在一个实施例中，如图1所示，所述电吸收调制激光器芯片的出光面处外延生长宽带隙的窗口区70，所述窗口区70的材料为磷化铟，所述窗口区70的长度为5um～15um。本实施例通过在EAM出光面处外延生长宽带隙的磷化铟窗口材料，并且在端面镀低反射介质膜层，能够隔离量子阱材料与空气的接触，从而提高腔面的破坏阈值和可靠性，并能够有效抑制出光面的光反射。
本领域技术人员可以理解，本实施例提供的电吸收调制激光器芯片的结构并不构成对该电吸收调制激光器芯片的限定，可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本申请所必须的。本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
上述本申请序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。以上公开的仅为本申请的几个具体实施场景，但是，本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种电吸收调制激光器芯片，所述电吸收调制激光器芯片采用选择区域生长法制备而成，其特征在于，所述电吸收调制激光器芯片的选择生长区域掩膜条的长度为200um～400um、宽度为10um～30um、厚度为200nm～300nm；光致发光波长失谐量为50nm～90nm；量子阱为压应变，应变量为0.1％～1.5％；势垒为张应变，应变量为0.2％～1％；所述电吸收调制激光器芯片封装有半导体制冷器，所述半导体制冷器用于将所述电吸收调制激光器芯片的工作温度控制在50℃～70℃之间。
2.根据权利要求1所述的电吸收调制激光器芯片，其特征在于，所述电吸收调制激光器芯片的光栅耦合系数在0.8～1.6之间。
3.根据权利要求1所述的电吸收调制激光器芯片，其特征在于，所述电吸收调制激光器芯片的量子阱波导台面掩埋磷化铟材料，所述量子阱波导台面的宽度为1um-2um，所述磷化铟材料包括P型掺杂磷化铟和N型掺杂磷化铟。
4.根据权利要求3所述的电吸收调制激光器芯片，其特征在于，所述P型掺杂磷化铟为双层结构，所述N型掺杂磷化铟为单层结构，其中，所述N型掺杂磷化铟的单层结构设置在所述P型掺杂磷化铟的双层结构之间。
5.根据权利要求3所述的电吸收调制激光器芯片，其特征在于，所述电吸收调制激光器芯片的有源区台面外掩埋区域通过湿法腐蚀形成两个沟型结构，其中，所述沟型结构的深度为5um～8um，所述沟型结构的宽度为10um～40um。
6.根据权利要求1所述的电吸收调制激光器芯片，其特征在于，所述电吸收调制激光器芯片的出光面处外延生长宽带隙的窗口区，所述窗口区的材料为磷化铟，所述窗口区的长度为5um～15um。
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