專利名稱：分布式反饋激光器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)行業(yè)激光器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及ー種分布式反饋激光器及其制備方法。
背景技術(shù)：
摻鉺光纖超熒光光源(ED-SFS)以其優(yōu)異的性能已經(jīng)成為高精度光纖陀螺的首選光源，而作為ED-SFS的核心部件，泵浦激光器也就自然成為研究的熱點。其中，980nm的泵浦源由于具有較高的泵浦效率而被廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的980nm激光器，采用FP(法布里-珀
羅)腔脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在全溫范圍內(nèi)，輸出極不穩(wěn)定，其波長變化量超過20nm，而且邊模抑制比也很低。在提高邊模抑制比方面，國內(nèi)外最普遍采用的是分布式反饋(DistributedFeedback，簡稱DFB)結(jié)構(gòu)。圖I為現(xiàn)有技術(shù)分布式反饋激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖I所示，該激光器包括自上而下依次沉積于襯底101上的以下各層下限制層102 ;下波導(dǎo)層103 ；有源區(qū)104 ;上波導(dǎo)層106 ;布拉格光柵105 ;上限制層107 ;包層108 ;歐姆接觸層109。對于圖I所示的分布式反饋激光器，下限制層102 ;下波導(dǎo)層103 ;有源區(qū)104和上波導(dǎo)層106是在第一次外延エ藝中形成的。在第一次外延エ藝形成后，將外延片取出，通過電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕的方法，形成布拉格光柵105。而后，將外延片重新放入沉積腔內(nèi)，進行第二次外延エ藝，形成上限制層107 ;包層108和歐姆接觸層109。可見，由于在外延生長至上波導(dǎo)層后要制作布拉格光柵，必須要采用第二次外延，對エ藝的要求極為苛刻，外延材料的生長難度大，成品率很低，器件性能的穩(wěn)定性和可靠性很差。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題為解決上述的一個或多個問題，本發(fā)明提供了ー種分布式反饋激光器及其制備方法，減少外延的次數(shù)，避免了因多次外延引入的誤差，提高精度，提高成品率，降低成本。( ニ )技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的ー個方面，提供了ー種分布式反饋激光器，包括自下而上沉積于襯底上的以下各層下限制層、下波導(dǎo)層、有源區(qū)、上波導(dǎo)層、上限制層和歐姆接觸層；分布式反饋激光器的中部兩側(cè)刻蝕有溝槽，溝槽的底部形成于歐姆接觸層與有源區(qū)之間的任意位置；在分布式反饋激光器的中部，兩溝槽之間形成脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)面形成分布式反饋光柵。根據(jù)本發(fā)明的另ー個方面，還提供了ー種分布式反饋激光器的制備方法，包括在襯底自下而上沉積下限制層、下波導(dǎo)層、有源區(qū)、上波導(dǎo)層、上限制層和歐姆接觸層；在分布式反饋激光器的中部兩側(cè)刻蝕溝槽，溝槽的底部至歐姆接觸層以下，有源區(qū)以上的任意位置，從而在兩溝槽之間形成脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；以及在脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)面形成分布式反饋光柵。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明分布式反饋激光器及其制備方法具有以下有益效果I、本發(fā)明中，在脊波導(dǎo)兩側(cè)制作側(cè)向耦合DFB光柵，通過包覆層中光柵與有源區(qū)光場的側(cè)向耦合機制實現(xiàn)分布反饋，保證較高邊模抑制比的同時具有更穩(wěn)定的光輸出，避免了傳統(tǒng)DFB激光器在制作過程中二次外延エ藝的使用，這將大大筒化工藝，從而降低制作難度和成本，并有效提高成品率；2、本發(fā)明中，上波導(dǎo)層和下波導(dǎo)層采用線性緩變折射率結(jié)構(gòu)，將載流子的復(fù)合和光場的傳輸分別限制在不同的區(qū)域，從而極大的降低了腔面的光功率密度，提高了腔面損傷閾值(Catastrophic Optical Damage,簡稱 COD)?！?br>

圖I是現(xiàn)有技術(shù)脊波導(dǎo)分布式反饋激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例側(cè)向耦合脊波導(dǎo)分布式反饋激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實施例側(cè)向耦合脊波導(dǎo)分布式反饋激光器制備方法的流程圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進ー步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。且在附圖中，以簡化或是方便標示。再者，附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提出了ー種側(cè)向耦合脊波導(dǎo)分布式反饋激光器。圖2為本發(fā)明實施例側(cè)向耦合脊波導(dǎo)分布式反饋激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，本實施例側(cè)向耦合脊波導(dǎo)分布式反饋激光器包括自上而下沉積于襯底201上的以下各層下限制層204、下波導(dǎo)層205、有源區(qū)206、上波導(dǎo)層207、上限制層208和歐姆接觸層210。其中，所述側(cè)向耦合脊波導(dǎo)分布式反饋激光器的中部兩側(cè)刻蝕溝槽，溝槽的底部至所述歐姆接觸層以下，所述有源區(qū)以上的任意位置；在兩溝槽之間形成脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)211，該脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)211的兩側(cè)面形成分布式反饋光柵212。在圖2所示的側(cè)向耦合脊波導(dǎo)分布式反饋激光器中，如果溝槽的底部低于有源區(qū)，則會造成激光器不能正常出光，而如果溝槽的底部只到歐姆層，則該脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)211兩側(cè)面的分布式反饋光柵212不能與有源區(qū)光場實現(xiàn)分布式反饋。而在本發(fā)明優(yōu)選的實施例中，溝槽的底部至上限制層內(nèi)的一位置，這樣的話，通過對注入載流子的側(cè)向限制和載流子側(cè)向擴散的限制能降低器件的閾值電流，同時能實現(xiàn)側(cè)向基模工作，易于和光纖實現(xiàn)高效率耦合。如圖2所示，脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)211為采用光刻和干法刻蝕技術(shù)刻蝕得到的一個條形結(jié)構(gòu)，脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的脊寬為介于2μπι至4μπι之間，優(yōu)選為2. 5 μ m，兩邊溝槽的寬度介于10 μ m至30 μ m之間，優(yōu)選為20 μ m。側(cè)向耦合DFB光柵212為采用納米壓印技術(shù)和干法刻蝕技術(shù)制作在脊形波導(dǎo)211的兩側(cè)，其寬度介于O. 4 μ m至O. 6 μ m之間,優(yōu)選為O. 5 μ m。此夕卜，分布式反饋光柵的級數(shù)介于I至3級之間，周期介于440nm至480nm之間。優(yōu)選地，側(cè)向耦合DFB光柵為3級光柵，周期為460nm。本實施例中，下限制層204、下波導(dǎo)層205、有源區(qū)206、上波導(dǎo)層207、上限制層208、、歐姆接觸層210等均通過一次外延形成，而分布式反饋光柵212在該外延エ藝之后形成，從而避免了傳統(tǒng)DFB激光器在制作過程中二次外延エ藝的使用，這將大大筒化工藝，從而降低制作難度和成本，并有效提高成品率。在圖2所示的側(cè)向耦合脊波導(dǎo)分布式反饋激光器中，襯底201為(100)面的n-GaAs材料，該襯底201用于在其上外延生長激光器各層材料。下限制層204為n-Al0.35Ga0.65As材料，其厚度為I. 5 μ m ;上限制層208為p-Al0.35Ga0.65As材料，其厚度為I. 5 μ m ;歐姆接觸層210為P+-GaAs材料，其厚度為200nm。在本發(fā)明進一步優(yōu)選的實施例中，下波導(dǎo)層205和上波導(dǎo)層207采用線性緩變折 射率結(jié)構(gòu)，從有源區(qū)206向外，下波導(dǎo)層205和上波導(dǎo)層207的折射率逐漸減小。優(yōu)選地，下波導(dǎo)層205為Ala35Itl5GaAs材料，其厚度為70nm，Al組分由O. 35至O. 05線性緩變。上波導(dǎo)層207為Al0.05_0.35GaAs材料，其厚度為70nm, Al組分由O. 05至O. 35線性緩變。上波導(dǎo)層和下波導(dǎo)層采用線性緩變折射率結(jié)構(gòu)，將載流子的復(fù)合和光場的傳輸分別限制在不同的區(qū)域，從而極大的降低了腔面的光功率密度，提高了腔面損傷閾值此外，如圖2所示，在襯底201和下限制層204之間，還具有緩沖層202和下組分緩沖層203。緩沖層202和下組分緩沖層203用于調(diào)節(jié)襯底和下限制層之間的晶格失配。優(yōu)選地，該緩沖層202為n-GaAs材料，其厚度為O. 5 μ m ;該下組分緩沖層203為Ii-AlciH35GaAs材料，其厚度為O. 15μπι，其下而上，Al成分的含量逐漸増大。此外，在上限制層和歐姆接觸層之間，還包括上組分緩變層209，用于調(diào)節(jié)上限制層204和歐姆接觸層210的晶格匹配。其中，組分緩變層209，為P-Ala35Itl5GaAs材料，其厚度為O. 15 μ m,自下而上，Al成分的含 量逐漸減小。本實施例中，有源區(qū)206，為InGaAs/GaAs量子阱結(jié)構(gòu)，制作在下波導(dǎo)層205上，該有源區(qū)206包括IOnm的GaAs勢魚層、7nm的Ina2Gaa8As量子講層和IOnm的GaAs勢魚層。通過制備三層的有源區(qū)，從而該量子阱結(jié)構(gòu)可以對載流子進行有效的限制，提高微分量子效率，降低激光器的閾值電流。以上給出了制作本發(fā)明側(cè)向耦合脊波導(dǎo)分布式反饋激光器各層的具體成分。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當清楚，除了上述材料外，有源區(qū)的InGaAs/GaAs量子阱層還可以采用InGaAs/InGaAsP來代替；上波導(dǎo)層和下波導(dǎo)層的AlGaAs層還可以采用InGaAsP來代替等等，此處不再詳細描述。在本發(fā)明的另ー個示例性實施例中，還提出了ー種側(cè)向耦合脊波導(dǎo)分布式反饋激光器的制備方法。圖3為本發(fā)明實施例側(cè)向耦合脊波導(dǎo)分布式反饋激光器制備方法的流程圖。如圖2和圖3所示，本實施例包括步驟A，在襯底201上利用MOCVD生長外延結(jié)構(gòu)，該外延結(jié)構(gòu)包括緩沖層202、組分緩沖層203、下限制層204 ;下波導(dǎo)層205 ;有源區(qū)206 ;上波導(dǎo)層207 ;上限制層208 ;組分緩變層209 ;歐姆接觸層210 ；
步驟B，在外延結(jié)構(gòu)上旋涂光刻膠，采用光刻技術(shù)制作出條狀圖形；步驟C，以條狀圖形為掩膜，采用干法刻蝕技術(shù)刻蝕溝槽，從而在兩溝槽的中部形成脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)211，脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)211的脊寬為2. 5 μ m，其深度涵蓋歐姆接觸層210、組分緩變層209層與上限制層208層；步驟D，在脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)211上涂光刻膠，采用納米壓印技術(shù)在脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光刻膠上制作出所需的分布反饋式光柵圖形；步驟E，以分布反饋式光柵圖形為掩膜，采用干法刻蝕技術(shù)在脊形波導(dǎo)的兩側(cè)刻蝕出分布反饋式光柵212，其中，該側(cè)向耦合分布反饋式光柵212直至脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的底部，其是3級光柵，周期為460nm。 在步驟E之后，還需要執(zhí)行制備激光器的常見步驟，如制備絕緣層，沉積電極，在器件端面鍍增透膜和高反膜，解理成單個管芯的步驟，這些步驟與現(xiàn)有技術(shù)中的相關(guān)步驟相同，此處不再詳細描述。綜上所述，本發(fā)明提出的側(cè)向耦合脊波導(dǎo)分布式反饋激光器及其制備方法，通過包覆層中光柵與有源區(qū)光場的側(cè)向耦合機制實現(xiàn)布拉格反饋，提高對波長的選擇性，提高邊模抑制比。同時避免二次外延エ藝，通過簡化工藝步驟提高了器件的成品率和可靠性。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進ー步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種分布式反饋激光器，包括自下而上沉積于襯底上的以下各層下限制層、下波導(dǎo)層、有源區(qū)、上波導(dǎo)層、上限制層和歐姆接觸層； 所述分布式反饋激光器的中部兩側(cè)刻蝕有溝槽，所述溝槽的底部形成于所述歐姆接觸層與所述有源區(qū)之間的任意位置； 在所述分布式反饋激光器的中部，兩所述溝槽之間形成脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)面形成分布式反饋光柵。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布式反饋激光器，其中，所述溝槽的底部形成于所述上限制層內(nèi)的一位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布式反饋激光器，其中，所述分布式反饋光柵的級數(shù)介于I至3級之間，周期介于440nm至480nm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的分布式反饋激光器，其中，位于所述脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)左、右兩側(cè)的分布式反饋光柵對稱，該分布式反饋光柵為3級光柵，周期為460nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布式反饋激光器，其中，所述溝槽的寬度介于10至30um之間，所述脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬度介于2 y m至4 y m之間，所述分布式反饋光柵的寬度介于0. 4 u m至0. 6 u m之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分布式反饋激光器，其中，所述溝槽的寬度為20i!m，所述脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬度2. 5 iim,所述分布式反饋光柵的寬度為0. 5iim。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一項所述的分布式反饋激光器，其中，所述下波導(dǎo)層和上波導(dǎo)層均為線性緩變折射率結(jié)構(gòu)，兩者的折射率自所述有源區(qū)向外逐漸減小。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的分布式反饋激光器，其中 下波導(dǎo)層為Ala35_aCl5GaAs材料，其厚度為70nm，Al組分由0. 35至0. 05線性緩變； 上波導(dǎo)層為AltlH35GaAs材料，其厚度為70nm，Al組分由0. 05至0. 35線性緩變。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一項所述的分布式反饋激光器，還包括 緩沖層和下組分緩沖層，形成于所述襯底和下限制層之間，用于調(diào)節(jié)襯底和下限制層之間的晶格失配； 上組分緩沖層，形成于所述上限制層和歐姆接觸層之間，用于調(diào)節(jié)上限制層和歐姆接觸層的晶格匹配。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的分布式反饋激光器，其中， 所述緩沖層為n-GaAs材料，其厚度為0. 5 y m ; 所述下組分緩沖層為n-Ala 05_0.35GaAs材料，其厚度為0. 15 y m，Al成分的含量自下而上逐漸增大； 所述組分緩變層為P-Ala 35-0.05GaAs材料，其厚度為0. 15 y m，Al成分的含量自下而上逐漸減小。
11.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一項所述的分布式反饋激光器，其中， 所述襯底為(100)面的n-GaAs材料； 所述下限制層為n-Ala35Gaa65As材料，其厚度為I. 5iim ; 所述上限制層為P-Ala35Gaa65As材料，其厚度為I. 5iim ; 所述歐姆接觸層為P+-GaAs材料，其厚度為200nm。
12.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一項所述的分布式反饋激光器，其中，所述有源區(qū)自下而上包括 下勢壘層，為GaAs材料，其厚度為IOnm; 量子阱層，為Ina2Gaa8As材料，其厚度為7nm ;以及 上勢壘層，為GaAs材料，其厚度為10nm。
13.—種分布式反饋激光器的制備方法,包括在襯底自下而上沉積下限制層、下波導(dǎo)層、有源區(qū)、上波導(dǎo)層、上限制層和歐姆接觸層； 在所述分布式反饋激光器的中部兩側(cè)刻蝕溝槽，所述溝槽的底部位于所述歐姆接觸層與所述有源區(qū)之間的任意位置，從而在兩溝槽之間形成脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；以及在所述脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)面形成分布式反饋光柵。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的分布式反饋激光器制備方法，其中，所述在分布式反饋激光器的中部兩側(cè)刻蝕溝槽的步驟包括 在歐姆接觸層上方旋涂光刻膠； 采用光刻技術(shù)制作條狀圖形；以及 以所述條狀圖形為掩膜，采用干法刻蝕技術(shù)對歐姆接觸層和上限制層進行刻蝕形成溝槽，所述溝槽的底部位于所述上限制層內(nèi)，從而在兩溝槽的中部形成脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的分布式反饋激光器制備方法，其中，所述在脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)面形成分布式反饋光柵的步驟包括 在脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上旋涂光刻膠； 采用納米壓印技術(shù)在脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光刻膠上制作出分布反饋式光柵圖形；以及以分布反饋式光柵圖形為掩膜，采用干法刻蝕技術(shù)在脊形波導(dǎo)的兩側(cè)刻蝕出分布反饋式光柵。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種分布式反饋激光器及其制備方法。該分布式反饋激光器，包括自下而上沉積于襯底上的以下各層下限制層、下波導(dǎo)層、有源區(qū)、上波導(dǎo)層、上限制層和歐姆接觸層；分布式反饋激光器的中部兩側(cè)刻蝕有溝槽，溝槽的底部形成于歐姆接觸層與有源區(qū)之間的任意位置；在分布式反饋激光器的中部，兩溝槽之間形成脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)面形成分布式反饋光柵。本發(fā)明分布式反饋激光器可以減少外延的次數(shù)，避免了因多次外延引入的誤差。
文檔編號H01S5/12GK102738701SQ20121021381
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月25日
發(fā)明者譚滿清, 郭文濤 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所