CN115864134B

CN115864134B - 一种多弯波导dfb激光器芯片

Info

Publication number: CN115864134B
Application number: CN202310126505.1A
Authority: CN
Inventors: 鄢静舟; 薛婷; 柯程; 季晓明; 王坤; 杨奕; 吴建忠
Original assignee: Fujian Huixin Laser Technology Co ltd
Current assignee: Fujian Huixin Laser Technology Co ltd
Priority date: 2023-02-17
Filing date: 2023-02-17
Publication date: 2023-04-25
Anticipated expiration: 2043-02-17
Also published as: CN115864134A

Abstract

本发明公开了一种多弯波导DFB激光器芯片，涉及DFB激光器芯片技术领域，包括相互间隔地设置于衬底的第一激光器腔和第二激光器腔；第一激光器腔和第二激光器腔分别沿y方向刻蚀有第一脊条和第二脊条，第一脊条和第二脊条分别设有沿x方向弯折的第一弯折段和第二弯折段，由此使得第一激光器腔和第二激光器腔的直波导变为弯波导，相较于传统多激光器腔直条脊波导的DFB激光器芯片，本发明的单模测试成本更低。本发明通过在第一脊条上设置第三弯折段，并使得第一激光器腔的光栅由第一AR涂层解理面延伸至第三弯折段之前，且第二激光器腔的总光栅长度与第一激光器腔的总光栅长度相等，由此使得该DFB激光器芯片具有较高的SMSR，单模良率可达到100%。

Description

一种多弯波导DFB激光器芯片

技术领域

本发明涉及DFB激光器芯片技术领域，特别涉及一种多弯波导DFB激光器芯片。

背景技术

随着光通讯技术的日益快速地发展，目前对半导体激光器的需求日益增加。分布反馈式（DFB）激光器芯片是实现高速光通讯的核心器件，不同于FP腔的反射镜面，该激光器主要依靠结构中的布拉格光栅为激光器腔内提供反馈。DFB激光器中的光栅分为增益型耦合光栅与折射率型耦合光栅。

能否在单一的纵向模式下工作，以及是否具有较高的边模抑制率（SMSR）是DFB激光器的关键性能特征。相关资料显示，折射率型均匀光栅的DFB激光器在端面两边镀增透（AR）膜后，会存在两个简并的纵模，它们有着相同的最低增益。在激光器的两端面不对称镀膜时（即一端镀AR膜，一端镀高反（HR）膜），简并会被消除。然而，DFB激光器最终激射的波长取决于端面反射率和相位（即HR涂层解理面在光栅处的位置），端面相位的随机性致使均匀光栅DFB激光器的单模成品率很低。

DFB激光器芯片的制作需使用解理技术将晶圆解理成一定的谐振腔长度的芯片。通常由于工艺误差解理端面与理想位置相差最大可达到±5µm，这造成端面与光栅之间的相位具有随机性。DFB激光器也可以采用光刻技术来定义蚀刻面，但光刻***的对准精度以及光栅与蚀刻面之间的角度偏差，不足以确定整个晶圆的端面与光栅之间的相位。

工业界生产的均匀光栅DFB半导体激光器，在其一端面镀AR膜，另一端面镀HR膜，单模良品率约66%。在光栅中心引入λ/4相移是实现单模激射的另外一种有效方式，其单模良品率理论可达100%。然而λ/4相移均匀光栅DFB半导体激光器面临着空间烧孔效应以及光功率浪费的问题。研究表明，在λ/4相移均匀光栅DFB半导体激光器一端面镀AR膜，另一端面镀HR膜，单模良品率可达80%左右。

综上，反射端面形成FP腔效应以及解理过程造成的反射端面相位的不确定，使得生产的芯片的激射模式与SMSR难以预见，从而大大降低了DFB芯片单模成品率。DFB半导体激光器在经过冗长的外延、光栅制作、二次外延、前/后道、解理和AR/HR镀膜工艺过程后，其单位芯片的价值是最高的，这时的单模良率损失如果能被避免，会大大提高DFB芯片的生产效率，降低生产成本。

发明内容

本发明提供一种多弯波导DFB激光器芯片，其主要目的在于解决现有技术存在的问题。

本发明采用如下技术方案：

一种多弯波导DFB激光器芯片，包括衬底；

所述衬底上方形成至少两个相互间隔设置的激光器腔，各激光器腔内均具有光栅层；

各所述激光器腔沿y方向的两端面分别为HR涂层解理面和AR涂层解理面；

分别沿第一激光器腔和第二激光器腔的y方向刻蚀第一脊条和第二脊条；所述第一脊条在靠近第一HR涂层解理面处设有沿x方向弯折的第一弯折段和第三弯折段；所述第二脊条在第一弯折段的对应位置设有沿x方向弯折的第二弯折段；

所述第一激光器腔和第二激光器腔内均具有光栅层，所述第一激光器腔的光栅由所述第一 AR涂层解理面延伸至所述第三弯折段之前；所述第二激光器腔的总光栅长度与第一激光器腔的总光栅长度相等。

作为一种实施方案：所述第一弯折段、第二弯折段和第三弯折段均为沿x的正方向或反方向弯折的平直段。

作为另一种实施方案：所述第一弯折段、第二弯折段和第三弯折段均为沿x的正方向或反方向弯折的弧形段，并且第一弯折段、第二弯折段和第三弯折段的首尾两端的切线均与y方向平行。

进一步，第一弯折段和第二弯折段的设计参数的计算公式为：

其中：表示光栅的周期长度；表示第一弯折段或第二弯折段沿y方向的有效长度；表示第一弯折段或第二弯折段沿x方向的相对弯折角度。

更进一步，第一弯折段和第二弯折段沿x方向的相对弯折角度的取值范围为：5°＜＜30°。

进一步，所述第一弯折段的中心点与所述第一HR涂层解理面的垂直距离，以及所述第二弯折段的中心点与所述第二HR涂层解理面的垂直距离均为H，取值范围为：，其中L表示所述第一脊条或第二脊条沿y方向的长度。

进一步，所述第三弯折段的设计参数的计算公式为：

其中：表示第三弯折段沿y方向的有效长度；表示第三弯折段沿x方向的相对弯折角度。

更进一步，所述第三弯折段沿x方向的相对弯折角度的取值范围为：5°＜＜30°。

进一步，所述第一激光器腔和第二激光器腔之间的距离为S，其取值范围为：5μm≤S≤L_Wμm，其中L_W表示所述DFB激光器芯片的沿x方向的长度。

进一步，各所述激光器腔的外延结构为脊波导结构或者掩埋异质结结构。

进一步，采用全息曝光光刻技术制作所述光栅层。

和现有技术相比，本发明产生的有益效果在于：

1、本发明分别通过配置第一弯折段和第二弯折段，使得第一激光器腔和第二激光器腔的直波导变为弯波导，弯波导在HR涂层解理面的端面反射率相对于直波导在HR涂层解理面的端面反射率存在相移，单个弯波导的激光器单模良率更高，因此本发明相较于传统双直条脊波导的DFB激光器芯片具有较低的测试成本，经济效益更高。

2、本发明通过在第一脊条的第一弯折段和第一HR涂层解理面之间设置第三弯折段，并使得第一激光器腔的光栅由第一 AR涂层解理面延伸至第三弯折段之前，且第二激光器腔的总光栅长度与第一激光器腔的总光栅长度相等，从而使得第一脊条在第一HR涂层解理面的端面反射率相较于第二脊条在第二HR涂层解理面的端面反射率存在相移，当两个脊条中的任意一个工作在双模状态时，另一个可脱离双模工作的相位区域，而必然处于单纵模运转，由此使得该DFB激光器芯片具有较高的SMSR，单模良率可达到100%。

3、与采用折射率耦合型相移光栅解决双模工作的方式相比，本发明无需制作复杂的相移光栅；与采用增益或损耗耦合型光栅解决双模工作的方式相比，本发明无需制作性能可靠性较低且工艺步骤复杂的增益或损耗耦合型光栅；与采用无源Bragg光栅解决双模工作的方式相比，本发明不涉及有源与无源波导的单片集成工艺。可见，相较于现有技术，本发明具有器件可靠性高，生产工艺简单和制作成本低等优点。

4、在光栅制作方面，本发明采用全息曝光光刻进行光栅制作，与电子束光刻相比，全息曝光光刻具有制造周期短、易制成大面积和成本低廉等优势。

附图说明

图1为本发明实施例一中多弯波导DFB激光器芯片的俯视图。

图2为本发明实施例一中多弯波导DFB激光器芯片外延结构的左视图。

图3为本发明实施例一中多弯波导DFB激光器芯片外延结构的主视图。

图4为本发明实施例一中各激光器腔与光栅的位置关系示意图。

图5为本发明实施例二中多弯波导DFB激光器芯片外延结构的主视图。

图6为本发明实施例三中多弯波导DFB激光器芯片的俯视图。

图7为本发明实施例三中相对弯折角度的示意图。

图中：1、DFB激光器芯片；10、第一激光器腔；11、第二激光器腔；12、第一脊条；120、第一弯折段；121、第三弯折段；13、第二脊条；130、第二弯折段；14、第一接触电极；15、第二接触电极；16、第一HR涂层解理面；17、第一AR涂层解理面；18、第二HR涂层解理面；19、第二AR涂层解理面；21、 n-InP衬底；22、n-InP缓冲层；23、下限制层；24、量子阱层； 25、上限制层；26、光栅层；27、接触层；28、P-InP层；29、半绝缘InP层；210、n-InP层。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的具体实施方式。为了全面理解本发明，下面描述到许多细节，但对于本领域技术人员来说，无需这些细节也可实现本发明。

实施例一：

如图1，本实施例提供一种多弯波导的DFB激光器芯片1，包括n-InP衬底21和在n-InP衬底21上方形成的两个相互间隔设置的第一激光器腔10和第二激光器腔11。第一激光器腔10沿y方向的两端面分别为第一HR涂层解理面16和第一AR涂层解理面17；第二激光器腔11沿y方向的两端面分别为第二HR涂层解理面18和第二AR涂层解理面19。第一激光器腔10沿y方向刻蚀有第一脊条12，第二激光器腔11沿y方向刻蚀有第二脊条13。

如图1和图4所示，本发明的主要创新点在于：第一脊条12在靠近第一HR涂层解理面16处设有一沿x方向弯折的第一弯折段120和第三弯折段121，第二脊条13在第一弯折段120的对应位置设有沿x方向弯折的第二弯折段130；第一激光器腔10和第二激光器腔11内均具有光栅层26，第一激光器腔10的光栅由第一AR涂层解理面17延伸至第三弯折段121之前；第二激光器腔11的总光栅长度与第一激光器腔10的总光栅长度相等。

如图1和图4所示，基于上述创新点，本实施例的相关设计参数为：

1、DFB激光器芯片的尺寸（L_W×L_H）为250μm×250μm，其所配置的第一脊条12和第二脊条13沿y方向的长度L（即第一激光器腔10和第二激光器腔11的沿y方向的长度）皆为250μm；第一脊条12和第二脊条13沿x方向的宽度W皆为1.6μm；第一激光器腔10和第二激光器腔11之间的距离S为20μm。

2、本发明的第一发明构思在于通过配置第一弯折段120和第二弯折段130，使得第一激光器腔10和第二激光器腔11的直波导变为弯波导，并且弯波导在HR涂层解理面的端面反射率相对于直波导在HR涂层解理面的端面反射率存在相移，由此使该DFB激光器芯片各激光器腔具有较高的SMSR与单模良率。这是因为在进行单模良率测试时，假设本实施例所提供的单个弯波导的单模良率为80%，单个传统直条脊波导的DFB激光器芯片的单模良率为60%，那么对所有芯片的第一激光器腔进行单模良率测试时，本实施例的第一激光器腔的单模良率为80%，而传统双直条脊波导的DFB激光器芯片的第一激光器腔的单模良率为60%；再对第一激光器腔未能单模激射的芯片进行第二激光器腔的单模良率测试时，本实施例中第二激光器腔的抽测样品数为总芯片数的20%，而传统双直条脊波导的DFB激光器芯片的抽测样品数则达到了总芯片数的40%。可见，本实施例在单模良率测试方面具有较低的测试成本，经济效益更高。

为了提高生产效率，节约设计成本，本实施例设定第一弯折段120和第二弯折段130沿y方向的有效长度相同，第一弯折段120和第二弯折段130沿x方向的相对弯折角度也相同。因此，第一弯折段120和第二弯折段130沿y方向的有效长度在设计时应满足以下条件：

其中：表示光栅的周期长度，，表示器件的发射波长，表示光栅有效折射率指数；表示弯折段所对应的有效光栅周期长度。

对公式（1）进行简化可得：

进一步，器件发出的光在相对弯折角度为的弯折段中传播时，有效光栅周期长度的计算公式为：

联立公式（2）和（3）可得：

因此，在设计第一弯折段120和第二弯折段130时，只需要依据公式（4）进行模拟仿真试验，便可得到最优的有效长度和相对弯折角度。

为了确保第一脊条12和第二脊条13的结构设计合理可靠，经反复试验后，可得出以下规律：第一弯折段120和第二弯折段130沿x方向的相对弯折角度的取值范围为：5°＜＜30°。需要说明的是，相对弯折角度指的是弯折段与y轴之间的锐角角度，并且不管弯折段是沿x的正方向或反方向发生弯折，取值均取夹角的绝对值。

本实施例中为1.31μm，约为3.2，对应的光栅的周期长度 =204.7nm，基于公式（4）进行模拟仿真试验后得到，第一弯折段120和第二弯折段130沿y方向的有效长度为6.86μm，第一弯折段120和第二弯折段130沿x方向的相对弯折角度为10°。经校验可知，该本实施例的相对弯折角度的取值在设定的取值范围内，符合设计要求。

此外，本实施例还对第一弯折段120和第二弯折段130的位置进行了模拟试验，根据试验结果可知，当第一弯折段120的中心点与第一HR涂层解理面16的垂直距离，以及第二弯折段130的中心点与第二HR涂层解理面18的垂直距离均H的取值范围为时可取得最佳的效果。因此，本实施例中H的取值优选为60μm。

3、本发明的第二发明构思在于在第一脊条12的第一弯折段120和第一HR涂层解理面16之间设置第三弯折段121，并使得第一激光器腔10的光栅由第一AR涂层解理面17延伸至第三弯折段121之前，且第二激光器腔11的总光栅长度与第一激光器腔10的总光栅长度相等，由此实现两激光器腔具有相对位置差，从而使得第一脊条12在第一HR涂层解理面16的端面反射率相较于第二脊条13在第二HR涂层解理面18的端面反射率存在相移，当两个脊条中的任意一个工作在双模状态时，另一个可脱离双模工作的相位区域，而必然处于单纵模运转，由此使得该DFB激光器芯片具有较高的SMSR，单模良率可达到100%。

基于上述发明构思，第三弯折段的设计参数的计算公式为：

同样地，为了确保第一脊条12的结构设计合理可靠，经反复试验后，可得出以下规律：第三弯折段121沿x方向的相对弯折角度的取值范围为：5°＜＜30°。需要说明的是，相对弯折角度指的是弯折段与y轴之间的锐角角度，并且不管第三弯折段121是沿x的正方向或反方向发生弯折，取值均取夹角的绝对值。

本实施例中为1.31μm，基于公式（5）进行模拟仿真试验后得到，第三弯折段121的有效长度为5.1μm，第二弯折段121沿x方向的相对弯折角度为20°。经校验可知，该本实施例中第三弯折段121的相对弯折角度的取值在设定的取值范围内，符合设计要求。

由于不同的端面相位会使得激光器腔的SMSR等性能产生明显的差异，因此总有一个激光器腔的SMSR等性能可以满足指标要求，以便在封装时选择性能更优越的DFB 激光器进行封装，从而进一步提高了DFB 激光器芯片的单模成品率。

如图1和图4所示，作为优选方案：本实施例中第一弯折段120、第二弯折段130均为沿x的反方向弯折的平直段，第三弯折段121为沿x的正方向弯折的平直段。实际上，第一脊条12构成了直波导+弯折直波导+直波导+弯折直波导+直波导的五段式弯波导结构，第二脊条13则构成了直波导+弯折直波导+直波导的三段式弯波导结构，两者相互配合构成了结构新颖的双弯波导结构。

如图1至图3所示，作为优选方案：各激光器腔的外延结构为脊波导结构，其由下至上依次包括n-InP缓冲层22、下限制层23、量子阱层24、上限制层25、光栅层26和接触层27。第一脊条12和第二脊条13由接触层27刻蚀至上限制层25，并且第一脊条12表面设有第一接触电极14，第二脊条13表面设有第二接触电极15。本实施例中各层的材料设计如下：

n-InP衬底21的厚度为350μm，掺杂原子为Si且掺杂浓度为3e¹⁸cm^-3；

n-InP缓冲层22的厚度为400nm，掺杂原子为Si且掺杂浓度为1e¹⁸cm^-3；

下限制23由下至上为未掺杂的带隙波长为1050nm的InGaAsP、未掺杂的带隙波长为1100nm的InGaAsP、未掺杂的带隙波长为1150nm的 InGaAsP和未掺杂的带隙波长为1200nm的 InGaAsP，每一层的厚度均为50nm；

量子阱层24为6对阱层为1%压应变的InGaAsP、垒层为2%张应变的InGaAsP量子阱，激射波长为1310nm；

上限制层25由下至上为未掺杂带隙波长为1200nm的InGaAsP、未掺杂带隙波长为1150nm的InGaAsP、未掺杂带隙波长为1100nm的 InGaAsP和未掺杂带隙波长为1050nm的InGaAsP，每一层的厚度为37nm；

光栅层26为InP掩埋的未掺杂带隙波长为1200nm InGaAsP光栅层，该光栅层26为周期长度=204.7nm的均匀光栅，光栅层26可对激光器纵模进行选择，实现激光器的单纵模输出；在实际生产中，可采用全息曝光光刻、纳米压印或电子束光刻等进行均匀光栅制作，本实施例优选为全息曝光光刻技术，与电子束光刻相比，全息曝光光刻具有制造周期短、易制成大面积和成本低廉等优势；

接触层27为InGaAs，接触层27直接与电极层连接，电极层的材料可以为导电金属。

如图1和图2所示，本发明所提供的DFB激光器芯片的工作过程描述如下：电流首先分别从第一接触电极14和第二接触电极15注入，然后分别检测第一激光器腔10和第二激光器腔11在第一AR涂层解理面17和第二AR涂层解理面19处输出的光谱。当其中一个激光器腔出现双模工作时，另一激光器腔必然为单纵模工作。之后，将能够产生单纵模工作的激光器腔上的电极确定为最终工作电极，完成在实际工作时对该激光器芯片的电流注入。

经过实践表明，采用本实施例的发明构思所生产的DFB激光器芯片能够确保两激光器腔中的其中一激光器腔实现单纵模工作，由此改善芯片单模良率，达到在批量管芯制作时提高单纵模成品率的目的，有效避免了经过外延、光栅制作、二次外延、前/后道、解理和AR/HR镀膜工艺后的单模良品率损失，大大提高了DFB芯片的生产效率，降低了生产成本。

实施例二：

参照图5，与实施例一不同的是，本实施例中第一激光器腔10和第二激光器腔11的外延结构为掩埋异质结结构，其由下至上依次包括n-InP缓冲层22、下限制层23、量子阱层24、上限制层25、光栅层26和P-InP层28；第一脊条12和第二脊条13均由P-InP层28刻蚀至n-InP缓冲层22，并且第一脊条和第二脊条外部填充有半绝缘InP层29和n-InP层210，第一脊条12和第二脊条13上方覆盖有接触层27。

需要说明的是，实施例一和实施例二所提供的外延结构并不作为唯一的结构限定，应用时还可根据实际需求进行合理设计，例如衬底可以为GaAs、GaN、InP或GaSb材料；有源区增益结构可以为单量子阱、多量子阱、隧道结级联量子阱、量子级联或量子点；光栅层26可以为同等掺杂水平的条纹光栅或者不同掺杂水平的折射率渐变光栅，可以为无掩埋、半导体掩埋或者金属掩埋结构。

实施例三：

参照图6，与实施例一和实施例二不同的是，本实施例中第一弯折段120、第二弯折段130和第三弯折段121均为沿x的正方向或反方向弯折的弧形段，并且第一弯折段120、第二弯折段130和第三弯折段121的首尾两端的切线均与y方向平行。具体来说，第一弯折段120和第二弯折段130均为沿x的正方向弯折的弧形段，第三弯折段121为沿x的反方向弯折的弧形段。单个弧形段波导的损耗比单个平直段波导的损耗小很多，因此可提供更好的性能，从而充分降低多段式弯波导结构的整体损耗。

由于本实施例中第一弯折段120、第二弯折段130和第三弯折段121均为平滑的弧形段，因此相对弯折角度和相对弯折角度的定义与实施例一和实施例二不同。参照图7，设第一弯折段120和第二弯折段130的头端和尾端之间的水平距离均为A，第三弯折段121的头端和尾端之间的水平距离为B，那么在本实施中，相对弯折角度的定义为,相对弯折角度的定义为，但是和的取值范围仍然为5°-30°。在设计第一弯折段120和第二弯折段130时，依据上述公式（4）进行模拟仿真试验，便可得到最优的有效长度和相对弯折角度。在设计第三弯折段121时，依据上述公式（5）进行模拟仿真试验，便可得到最优的有效长度和相对弯折角度。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此。凡是利用本发明的设计构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims

1.一种多弯波导DFB激光器芯片，其特征在于：

包括衬底；

所述衬底上方形成相互间隔设置的第一激光器腔和第二激光器腔，所述第一激光器腔沿y方向的两端面分别为第一HR涂层解理面和第一AR涂层解理面；所述第二激光器腔沿y方向的两端面分别为第二HR涂层解理面和第二AR涂层解理面；

所述第一激光器腔和第二激光器腔内均具有光栅层，所述第一激光器腔的光栅由所述第一AR涂层解理面延伸至所述第三弯折段之前；所述第二激光器腔的总光栅长度与第一激光器腔的总光栅长度相等。

2.如权利要求1所述的一种多弯波导DFB激光器芯片，其特征在于：所述第一弯折段、第二弯折段和第三弯折段均为沿x的正方向或反方向弯折的平直段。

3.如权利要求1所述的一种多弯波导DFB激光器芯片，其特征在于：所述第一弯折段、第二弯折段和第三弯折段均为沿x的正方向或反方向弯折的弧形段，并且第一弯折段、第二弯折段和第三弯折段的首尾两端的切线均与y方向平行。

4.如权利要求1-3任一所述的一种多弯波导DFB激光器芯片，其特征在于：所述第一弯折段和第二弯折段的设计参数的计算公式为：

5.如权利要求4所述的一种多弯波导DFB激光器芯片，其特征在于：所述第一弯折段和第二弯折段沿x方向的相对弯折角度的取值范围为：5°＜＜30°。

6.如权利要求1所述的一种多弯波导DFB激光器芯片，其特征在于：所述第一弯折段的中心点与所述第一HR涂层解理面的垂直距离，以及所述第二弯折段的中心点与所述第二HR涂层解理面的垂直距离均为H，取值范围为：，其中L表示所述第一脊条或第二脊条沿y方向的长度。

7.如权利要求1所述的一种多弯波导DFB激光器芯片，其特征在于：所述第三弯折段的设计参数的计算公式为：

8.如权利要求7所述的一种多弯波导DFB激光器芯片，其特征在于：所述第三弯折段沿x方向的相对弯折角度的取值范围为：5°＜＜30°。

9.如权利要求1所述的一种多弯波导DFB激光器芯片，其特征在于：所述第一激光器腔和第二激光器腔之间的距离为S，其取值范围为：5μm≤S≤L_Wμm，其中L_W表示所述DFB激光器芯片的沿x方向的长度。

10.如权利要求1所述的一种多弯波导DFB激光器芯片，其特征在于：采用全息曝光光刻技术制作所述光栅层。