專利名稱：光子晶體波導(dǎo)分布反饋激光器及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計(jì)一種平面型光子晶體波導(dǎo)分布反饋激光器，具體是指在InP基材料中制作掩埋型一維λ/4相移光柵，刻蝕二維孔陣列光子晶體形成橫向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一種光子晶體波導(dǎo)激光器。
背景技術(shù)：
光子晶體的概念于1987年提出，源自半導(dǎo)體物理中的電子能帶，在介電系數(shù)(或折射率)成周期排列的材料中，電磁波經(jīng)材料散射后形成相長(zhǎng)和相消的疊加光線，各方向的光完全相消的狹長(zhǎng)波長(zhǎng)帶區(qū)，類似于半導(dǎo)體中的電子禁帶，這個(gè)波長(zhǎng)范圍的光不能通過該晶體，形成光子禁帶。破壞周期性即可在光子晶體中引入缺陷(或雜質(zhì))，與缺陷能級(jí)吻合的光子被限制在缺陷位置否則迅速衰減。缺陷有點(diǎn)缺陷和線缺陷，點(diǎn)缺陷形成微腔，線缺陷形成波導(dǎo)，支持頻率在光子禁帶范圍內(nèi)的波通過光子晶體傳輸。相比于全內(nèi)反射波導(dǎo)，光子晶體波導(dǎo)具有更加優(yōu)越的橫向限制能力，由其制作的彎曲波導(dǎo)可大大減小大角度彎曲處產(chǎn)生的輻射損耗，可制作納米尺寸的器件。
制作高Q值、小模體積納米尺寸的半導(dǎo)體激光器是集成光學(xué)中的一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，由于光子晶體所具有的特殊性質(zhì)從而吸引人們制作各種類型的光子晶體激光器。有兩種不同工作原理的二維量子阱光子晶體激光器，一種是基于光子晶體光子禁帶和缺陷局域特性，在二維光子晶體上制作缺陷形成微腔的諧振腔光子晶體激光器，微腔的直徑只有波長(zhǎng)量級(jí)，體積只是(λ/2n)3的若干倍(λ為激射波長(zhǎng)，n為折射率)，Q值可達(dá)到106，激光器可在室溫下以極低的閾值運(yùn)轉(zhuǎn)。另一種是二維光子晶體帶邊激光器，能帶帶邊的光模群速度變慢甚至為零，光子模密度變大、壽命變長(zhǎng)，激光器閾值與光子壽命成反比，與Q值成正比，利用這一性質(zhì)可制作閾值更小的光子晶體帶邊激光器。
分布反饋(DFB)激光器在半導(dǎo)體內(nèi)部制作掩埋型一維布拉格光柵，依靠光柵的反饋選擇工作波長(zhǎng)，能夠在高速調(diào)制下仍能保持單縱模工作，能夠在更寬的工作溫度和工作電流范圍內(nèi)抑制模式跳變，大大改善噪聲特性。
傳統(tǒng)的分布反饋(DFB)激光器是在器件表面制作脊型波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)的橫向控制，利用光子晶體波導(dǎo)對(duì)光場(chǎng)優(yōu)越的橫向限制能力制作橫向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)性能更加優(yōu)良的分布反饋(DFB)激光器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種利用光子晶體實(shí)現(xiàn)分布反饋(DFB)激光器中橫向波導(dǎo)的方法，可以獲得更加優(yōu)良的激光光束形狀，有效地降低閾值，提高激光器的電光轉(zhuǎn)換效率。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種平面型光子晶體波導(dǎo)分布反饋激光器，其特征在于，其中包括一襯底；一過渡層，該過渡層用金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積方法生長(zhǎng)在襯底上；一InGaAsP下勢(shì)壘層，該InGaAsP下勢(shì)壘層生長(zhǎng)在過渡層上；一多量子阱有源區(qū)，該多量子阱有源區(qū)生長(zhǎng)在InGaAsP下勢(shì)壘層上；一InGaAsP上勢(shì)壘層，該InGaAsP下勢(shì)壘層生長(zhǎng)在多量子阱有源區(qū)上；該下勢(shì)壘層、量子阱有源區(qū)、上勢(shì)壘層三層構(gòu)成激光器的波導(dǎo)區(qū)；一一維λ/4相移光柵，該一維λ/4相移光柵用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕的方法刻蝕在InGaAsP上勢(shì)壘層上；一InP包層，該InP包層生長(zhǎng)在一維λ/4相移光柵上；一InGaAs歐姆接觸層，該InGaAs歐姆接觸層生長(zhǎng)在InP包層上；一二維光子晶體，該二維光子晶體制作在InGaAs歐姆接觸層上面的兩側(cè)；一電極，該電極制作在InGaAs歐姆接觸層的中間；解理成單個(gè)管芯。
其中所述的一維λ/4相移光柵是先用反應(yīng)離子刻蝕或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕出深度20-30nm深度的光柵圖樣，然后用濕法腐蝕法再腐蝕30-40nm深度的光柵圖樣，整個(gè)光柵為深度60-70nm的近似正弦型光柵。
其中所述的二維控陣列光子晶體波導(dǎo)，是三角晶格或是正方晶格。
其中所述的二維光子晶體的晶格常數(shù)為500-700nm、孔半徑為200-280nm。
其中所述的光子晶體波導(dǎo)是直波導(dǎo)或彎曲波導(dǎo)或Y分支波導(dǎo)。
其中所述的光子晶體波導(dǎo)是直波導(dǎo)時(shí)，長(zhǎng)度為200-300μm。
本發(fā)明一種平面型光子晶體波導(dǎo)分布反饋激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1在襯底上用金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積方法生長(zhǎng)一層過渡層；步驟2在過渡層上生長(zhǎng)InGaAsP下勢(shì)壘層；步驟3在InGaAsP下勢(shì)壘層上生長(zhǎng)多量子阱有源區(qū)；步驟4在多量子阱有源區(qū)上生長(zhǎng)InGaAsP上勢(shì)壘層；該下勢(shì)壘層、量子阱有源區(qū)、上勢(shì)壘層三層構(gòu)成激光器的波導(dǎo)區(qū)；步驟5用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕的方法在InGaAsP上勢(shì)壘層上刻蝕一維λ/4相移光柵；步驟6在一維λ/4相移光柵上生長(zhǎng)InP包層；步驟7在InP包層上生長(zhǎng)一層InGaAs歐姆接觸層；步驟8在InGaAs歐姆接觸層上面的兩側(cè)采用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕的方法制作二維光子晶體，并在中間的InGaAs歐姆接觸層上制作電極；步驟9最后，對(duì)晶片進(jìn)行清洗、拋光、解理成單個(gè)管芯。
其中步驟5中的一維λ/4相移光柵是先用反應(yīng)離子刻蝕或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕出深度20-30nm深度的光柵圖樣，然后用濕法腐蝕法再腐蝕30-40nm深度的光柵圖樣，整個(gè)光柵為深度60-70nm的近似正弦型光柵。
其中使用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕制作孔陣列二維控陣列光子晶體波導(dǎo)，是三角晶格或是正方晶格。
其中步驟8中的二維光子晶體的晶格常數(shù)為500-700nm、孔半徑為200-280nm。
其中光子晶體波導(dǎo)是直波導(dǎo)或彎曲波導(dǎo)或Y分支波導(dǎo)。
其中光子晶體波導(dǎo)是直波導(dǎo)時(shí)，長(zhǎng)度為200-300μm。
綜上所述，本發(fā)明利用光子晶體實(shí)現(xiàn)分布反饋(DFB)激光器中橫向波導(dǎo)的新技術(shù)方案，通過光子晶體波導(dǎo)限制橫向光場(chǎng)，可以獲得更加優(yōu)良的激光光束形狀，有效地降低閾值，提高激光器的電光轉(zhuǎn)換效率。并且能制作各種腔型、性能優(yōu)良的諧振腔，實(shí)現(xiàn)多光束和大功率輸出。


為了更清楚地介紹本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，下文結(jié)合實(shí)施例、附圖來做進(jìn)一步的說明，其中圖1是光子晶體波導(dǎo)分布反饋(DFB)激光器三維結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是光子晶體波導(dǎo)色散關(guān)系圖。
圖3是光子晶體波導(dǎo)TE偏振傳導(dǎo)模A的Hy分量在傳播平面上的分布圖。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明一種平面型光子晶體波導(dǎo)分布反饋激光器，其特征在于，其中包括一襯底101；一過渡層101′，該過渡層101′用金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積方法生長(zhǎng)在襯底101上；一InGaAsP下勢(shì)壘層102，該InGaAsP下勢(shì)壘層102生長(zhǎng)在過渡層101′上；一多量子阱有源區(qū)103，該多量子阱有源區(qū)103生長(zhǎng)在InGaAsP下勢(shì)壘層102上；一InGaAsP上勢(shì)壘層104，該InGaAsP下勢(shì)壘層104生長(zhǎng)在多量子阱有源區(qū)103上；該下勢(shì)壘層102、量子阱有源區(qū)103、上勢(shì)壘層104三層構(gòu)成激光器的波導(dǎo)區(qū)；一一維λ/4相移光柵108，該一維λ/4相移光柵108用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕的方法刻蝕在InGaAsP上勢(shì)壘層104上；該一維λ/4相移光柵108是先用反應(yīng)離子刻蝕或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕出深度20-30nm深度的光柵圖樣，然后用濕法腐蝕法再腐蝕30-40nm深度的光柵圖樣，整個(gè)光柵為深度60-70nm的近似正弦型光柵；一InP包層105，該InP包層105生長(zhǎng)在一維λ/4相移光柵108上；一InGaAs歐姆接觸層106，該InGaAs歐姆接觸層106生長(zhǎng)在InP包層105上；一二維光子晶體107，該二維光子晶體107制作在InGaAs歐姆接觸層106上面的兩側(cè)；該二維控陣列光子晶體波導(dǎo)，是三角晶格或是正方晶格；該二維光子晶體107的晶格常數(shù)為500-700nm、孔半徑為200-280nm；一電極109，該電極109制作在InGaAs歐姆接觸層106的中間；解理成單個(gè)管芯。
所述的光子晶體波導(dǎo)是直波導(dǎo)或彎曲波導(dǎo)或Y分支波導(dǎo)；該光子晶體波導(dǎo)是直波導(dǎo)時(shí)，長(zhǎng)度為200-300μm。
請(qǐng)?jiān)賲㈤唸D1，本發(fā)明一種平面型光子晶體波導(dǎo)分布反饋激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1在襯底101上用金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積方法生長(zhǎng)一層過渡層101′；步驟2在過渡層101′上生長(zhǎng)InGaAsP下勢(shì)壘層102；步驟3在InGaAsP下勢(shì)壘層102上生長(zhǎng)多量子阱有源區(qū)103；步驟4在多量子阱有源區(qū)103上生長(zhǎng)InGaAsP上勢(shì)壘層104；該下勢(shì)壘層102、量子阱有源區(qū)103、上勢(shì)壘層104三層構(gòu)成激光器的波導(dǎo)區(qū)；步驟5用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕的方法在InGaAsP上勢(shì)壘層104上刻蝕一維λ/4相移光柵108；該一維λ/4相移光柵108是先用反應(yīng)離子刻蝕或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕出深度20-30nm深度的光柵圖樣，然后用濕法腐蝕法再腐蝕30-40nm深度的光柵圖樣，整個(gè)光柵為深度60-70nm的近似正弦型光柵；該二維光子晶體107的晶格常數(shù)為500-700nm、孔半徑為200-280nm；
步驟6在一維λ/4相移光柵108上生長(zhǎng)InP包層105；步驟7在InP包層105上生長(zhǎng)一層InGaAs歐姆接觸層106；步驟8在InGaAs歐姆接觸層106上面的兩側(cè)采用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕的方法制作二維光子晶體107，并在中間的InGaAs歐姆接觸層106上制作電極109；步驟9最后，對(duì)晶片進(jìn)行清洗、拋光、解理成單個(gè)管芯。
其中使用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕制作孔陣列二維控陣列光子晶體波導(dǎo)，是三角晶格或是正方晶格；該光子晶體波導(dǎo)是直波導(dǎo)或彎曲波導(dǎo)或Y分支波導(dǎo)。
其中光子晶體波導(dǎo)是直波導(dǎo)時(shí)，長(zhǎng)度為200-300μm。
實(shí)施例圖1示意出整個(gè)器件的結(jié)構(gòu)圖。其中101層是InP襯底和過渡層，102是InGaAsP下勢(shì)壘層，103是多量子阱(MQW)有源區(qū)，104是InGaAsP上勢(shì)壘層，該102、103、104三層構(gòu)成激光器的波導(dǎo)區(qū)。在InGaAsP上勢(shì)壘層104刻蝕一維λ/4相移光柵108，使用的方法和工藝參數(shù)如前所述。完成一維λ/4相移光柵108的制作之后，在InGaAsP上勢(shì)壘層104繼續(xù)生長(zhǎng)InP包層105，在InP包層105上生長(zhǎng)一層InGaAs歐姆接觸層106。使用使用電子束曝光(EBL)和反應(yīng)離子刻蝕(RIE)制作孔陣列二維控陣列光子晶體波導(dǎo)，具體的參數(shù)如前所述。使用HCl∶H2O溶液(摩爾比4∶1)，在0℃的條件下腐蝕出空氣橋(Air-bridge)結(jié)構(gòu)，這一腐蝕還可以將控陣列的邊壁粗糙度降低，減小光的散射損耗。最后，制作下電極和上電極109。
傳統(tǒng)的使用脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的DFB激光器，其模場(chǎng)不規(guī)則分布，造成輸出光斑質(zhì)量下降，從圖1可以看出，制作光子晶體形成橫向波導(dǎo)的平面型DFB激光器，其模場(chǎng)對(duì)稱分布，激光器輸出光斑質(zhì)量將會(huì)得到明顯改善。
圖2是用平面波展開(PWE)法計(jì)算的光子晶體波導(dǎo)TE偏振模色散關(guān)系圖，從圖中可以清楚地看到兩個(gè)帶隙，在上面的能帶中指示出了A、B兩個(gè)缺陷模式。盡管光子晶體波導(dǎo)支持兩個(gè)模式，但仍然可獲得高透射率。
圖3是用平面波展開(PWE)法計(jì)算的光子晶體波導(dǎo)TE偏振傳導(dǎo)模A的Hy分量在傳播平面上的分布圖，從圖中可以看出，模式A是一個(gè)束縛模，被約束在波導(dǎo)中傳播。光子晶體帶隙對(duì)光場(chǎng)的橫向限制能力比脊型波導(dǎo)折射率導(dǎo)引更加出色，因此能制作各種腔型、性能優(yōu)良的諧振腔，實(shí)現(xiàn)多光束和大功率輸出。
雖然參照上述實(shí)施例詳細(xì)地描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解本發(fā)明并不限于所公開的實(shí)施例，對(duì)于本專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可對(duì)其形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行各種改變。本發(fā)明意欲涵蓋所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的各種變形。
權(quán)利要求
1.一種平面型光子晶體波導(dǎo)分布反饋激光器，其特征在于，其中包括一襯底；一過渡層，該過渡層用金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積方法生長(zhǎng)在襯底上；一InGaAsP下勢(shì)壘層，該InGaAsP下勢(shì)壘層生長(zhǎng)在過渡層上；一多量子阱有源區(qū)，該多量子阱有源區(qū)生長(zhǎng)在InGaAsP下勢(shì)壘層上；一InGaAsP上勢(shì)壘層，該InGaAsP下勢(shì)壘層生長(zhǎng)在多量子阱有源區(qū)上；該下勢(shì)壘層、量子阱有源區(qū)、上勢(shì)壘層三層構(gòu)成激光器的波導(dǎo)區(qū)；一一維λ/4相移光柵，該一維λ/4相移光柵用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕的方法刻蝕在InGaAsP上勢(shì)壘層上；一InP包層，該InP包層生長(zhǎng)在一維λ/4相移光柵上；一InGaAs歐姆接觸層，該InGaAs歐姆接觸層生長(zhǎng)在InP包層上；一二維光子晶體，該二維光子晶體制作在InGaAs歐姆接觸層上面的兩側(cè)；一電極，該電極制作在InGaAs歐姆接觸層的中間；解理成單個(gè)管芯。
2.如權(quán)利要求1所述的平面型光子晶體波導(dǎo)分布反饋激光器，其特征在于，其中所述的一維λ/4相移光柵是先用反應(yīng)離子刻蝕或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕出深度20-30nm深度的光柵圖樣，然后用濕法腐蝕法再腐蝕30-40nm深度的光柵圖樣，整個(gè)光柵為深度60-70nm的近似正弦型光柵。
3.如權(quán)利要求1所述的平面型光子晶體波導(dǎo)分布反饋激光器，其特征在于，其中所述的二維控陣列光子晶體波導(dǎo)，是三角晶格或是正方晶格。
4.如權(quán)利要求4所述的平面型光子晶體波導(dǎo)分布反饋激光器，其特征在于，其中所述的二維光子晶體的晶格常數(shù)為500-700nm、孔半徑為200-280nm。
5.如權(quán)利要求1所述的平面型光子晶體波導(dǎo)分布反饋激光器，其特征在于，其中所述的光子晶體波導(dǎo)是直波導(dǎo)或彎曲波導(dǎo)或Y分支波導(dǎo)。
6.如權(quán)利要求5所述的平面型光子晶體波導(dǎo)分布反饋激光器，其特征在于，其中所述的光子晶體波導(dǎo)是直波導(dǎo)時(shí)，長(zhǎng)度為200-300μm。
7.一種平面型光子晶體波導(dǎo)分布反饋激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1在襯底上用金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積方法生長(zhǎng)一層過渡層；步驟2在過渡層上生長(zhǎng)InGaAsP下勢(shì)壘層；步驟3在InGaAsP下勢(shì)壘層上生長(zhǎng)多量子阱有源區(qū)；步驟4在多量子阱有源區(qū)上生長(zhǎng)InGaAsP上勢(shì)壘層；該下勢(shì)壘層、量子阱有源區(qū)、上勢(shì)壘層三層構(gòu)成激光器的波導(dǎo)區(qū)；步驟5用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕的方法在InGaAsP上勢(shì)壘層上刻蝕一維λ/4相移光柵；步驟6在一維λ/4相移光柵上生長(zhǎng)InP包層；步驟7在InP包層上生長(zhǎng)一層InGaAs歐姆接觸層；步驟8在InGaAs歐姆接觸層上面的兩側(cè)采用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕的方法制作二維光子晶體，并在中間的InGaAs歐姆接觸層上制作電極；步驟9最后，對(duì)晶片進(jìn)行清洗、拋光、解理成單個(gè)管芯。
8.如權(quán)利要求1所述的平面型光子晶體波導(dǎo)分布反饋激光器的制作方法，其特征在于，其中步驟5中的一維λ/4相移光柵是先用反應(yīng)離子刻蝕或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕出深度20-30nm深度的光柵圖樣，然后用濕法腐蝕法再腐蝕30-40nm深度的光柵圖樣，整個(gè)光柵為深度60-70nm的近似正弦型光柵。
9.如權(quán)利要求1所述的平面型光子晶體波導(dǎo)分布反饋激光器的制作方法，其特征在于，其中使用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕制作孔陣列二維控陣列光子晶體波導(dǎo)，是三角晶格或是正方晶格。
10.如權(quán)利要求1所述的平面型光子晶體波導(dǎo)分布反饋激光器的制作方法，其特征在于，其中步驟8中的二維光子晶體的晶格常數(shù)為500-700nm、孔半徑為200-280nm。
11.如權(quán)利要求1所述的平面型光子晶體波導(dǎo)分布反饋激光器的制作方法，其特征在于，其中光子晶體波導(dǎo)是直波導(dǎo)或彎曲波導(dǎo)或Y分支波導(dǎo)。
12.如權(quán)利要求5所述的平面型光子晶體波導(dǎo)分布反饋激光器的制作方法，其特征在于，其中光子晶體波導(dǎo)是直波導(dǎo)時(shí)，長(zhǎng)度為200-300μm。
全文摘要
一種平面型光子晶體波導(dǎo)分布反饋激光器，其中包括一襯底；一過渡層用金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積方法生長(zhǎng)在襯底上；一InGaAsP下勢(shì)壘層生長(zhǎng)在過渡層上；一多量子阱有源區(qū)生長(zhǎng)在InGaAsP下勢(shì)壘層上；一InGaAsP上勢(shì)壘層生長(zhǎng)在多量子阱有源區(qū)上；該下勢(shì)壘層、量子阱有源區(qū)、上勢(shì)壘層三層構(gòu)成激光器的波導(dǎo)區(qū)；一一維λ/4相移光柵用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕的方法刻蝕在InGaAsP上勢(shì)壘層上；一InP包層生長(zhǎng)在一維λ/4相移光柵上；一InGaAs歐姆接觸層生長(zhǎng)在InP包層上；一二維光子晶體制作在InGaAs歐姆接觸層上面的兩側(cè)；一電極制作在InGaAs歐姆接觸層的中間；解理成單個(gè)管芯。
文檔編號(hào)H01S5/323GK1874092SQ200510075408
公開日2006年12月6日 申請(qǐng)日期2005年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月31日
發(fā)明者趙致民, 許興勝, 陳弘達(dá), 李芳 , 劉育梁 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所