基于光子晶體y波導(dǎo)的片上集成合束激光器及其制作方法
【專利摘要】基于光子晶體Y波導(dǎo)的片上集成合束激光器及其制作方法，屬于光電半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】，為了解決半導(dǎo)體激光器單元器件不能很好的兼顧高輸出功率和高光束質(zhì)量的缺點(diǎn)，該激光器是在n型襯底上用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法依次生長(zhǎng)n型緩沖層、n型包層、下波導(dǎo)層、量子阱、上波導(dǎo)層、p型包層和p型蓋層，其還包括三個(gè)激光器，該三個(gè)激光器與一矩形波導(dǎo)相連接，其中，兩平行且有一定間距的激光器與矩形波導(dǎo)左側(cè)連接，另一激光器與矩形波導(dǎo)右側(cè)連接；一矩形波導(dǎo)，該矩形波導(dǎo)與三個(gè)激光器相互連接；所述的三個(gè)激光器和矩形波導(dǎo)均是在p型蓋層上向下刻蝕至p型包層形成的；一Y波導(dǎo)二維光子晶體，該光子晶體位于矩形波導(dǎo)上。
【專利說(shuō)明】基于光子晶體Y波導(dǎo)的片上集成合束激光器及其制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于光子晶體Y波導(dǎo)的片上集成合束激光器及其制作方法，屬于光電半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體激光器被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、醫(yī)療、通訊等眾多領(lǐng)域，其主要應(yīng)用有材料加工、激光打印、光存貯的讀入和寫出、激光測(cè)距、泵浦固體激光器、光通信以及光互連等，但低功率限制了半導(dǎo)體激光器的更近一步應(yīng)用。利用合束可提高輸出功率，同時(shí)通過(guò)對(duì)快慢軸準(zhǔn)直達(dá)到改善光束質(zhì)量的目的，為更多更廣泛的應(yīng)用提供了可能性。然而合束需要大量的光學(xué)元件，不但增加了成本而且整個(gè)系統(tǒng)的體積也變大了。為了盡可能的減小系統(tǒng)體積和成本，增大單個(gè)管芯的輸出功率是一種有效的方法。傳統(tǒng)的寬條激光器是合束使用最為廣泛的管芯，但是它在保持高輸出功率的同時(shí)也面臨光束質(zhì)量差的問(wèn)題，例如光束成絲、空間燒孔等。窄條激光器能實(shí)現(xiàn)單模輸出，由于腔面承受的功率密度很高，所以輸出功率不高。因此具有高功率高光束質(zhì)量的半導(dǎo)體激光器是迫切需要的。
[0003]Y波導(dǎo)被廣泛應(yīng)用于波導(dǎo)干涉儀、光開關(guān)、光功分器等，是集成光電子器件中的重要單元器件之一，本發(fā)明采用Y波導(dǎo)來(lái)對(duì)三束激光在同一外延片上進(jìn)行合束，保證光束質(zhì)量的同時(shí)也提高了輸出功率。傳統(tǒng)的Y波導(dǎo)是利用全反射原理來(lái)對(duì)光進(jìn)行限制的，由于小的折射率差，光在波導(dǎo)中傳播的損耗很大，Y分支的角度很小，同時(shí)器件達(dá)到了幾個(gè)毫米長(zhǎng)。二維光子晶體Y波導(dǎo)，可大大提高器件設(shè)計(jì)的靈活度和減小損耗。它是利用光子的禁帶特性，使得光束在線缺陷所形成的波導(dǎo)中傳播，光子晶體彎曲波導(dǎo)可大幅度地減小彎曲處產(chǎn)生的損耗。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決半導(dǎo)體激光器單元器件不能很好的兼顧高輸出功率和高光束質(zhì)量的缺點(diǎn)，提出一種基于光子晶體Y波導(dǎo)的片上集成合束激光器及其制作方法，以提供高功率和高光束質(zhì)量的激光器。
[0005]為解決技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下:
[0006]基于光子晶體Y波導(dǎo)的片上集成合束激光器，其包括:
[0007]一 η型襯底；
[0008]一 η型緩沖層，該η型緩沖層生長(zhǎng)在η型襯底上；
[0009]一 η型包層，該η型包層生長(zhǎng)在η型緩沖層上；
[0010]一下波導(dǎo)層，該下波導(dǎo)層生長(zhǎng)在η型包層上；
[0011]一量子阱，該量子阱生長(zhǎng)在下波導(dǎo)層上；
[0012]一上波導(dǎo)層，該上波導(dǎo)層生長(zhǎng)在量子阱上；
[0013]一 P型包層，該P(yáng)型包層生長(zhǎng)在上波導(dǎo)層上；
[0014]一 P型蓋層，該P(yáng)型蓋層生長(zhǎng)在P型包層上；
[0015]其特征是，其還包括三個(gè)激光器，該三個(gè)激光器與一矩形波導(dǎo)相連接，其中，兩平行且有一定間距的激光器與矩形波導(dǎo)左側(cè)連接，另一激光器與矩形波導(dǎo)右側(cè)連接；
[0016]一矩形波導(dǎo)，該矩形波導(dǎo)與三個(gè)激光器相互連接；
[0017]所述的三個(gè)激光器和矩形波導(dǎo)均是在P型蓋層上向下刻蝕至P型包層形成的；
[0018]一 Y波導(dǎo)二維光子晶體，該光子晶體位于矩形波導(dǎo)上。
[0019]基于光子晶體Y波導(dǎo)的片上集成合束激光器的制造方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0020]步驟1，在η型襯底上用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法依次生長(zhǎng)η型緩沖層、η型包層、下波導(dǎo)層、量子阱、上波導(dǎo)層、P型包層和P型蓋層；
[0021]步驟2，利用光刻和感應(yīng)耦合等離子體刻蝕方法，在P型蓋層上向下刻蝕至P型包層形成三個(gè)獨(dú)立的激光器結(jié)構(gòu)和矩形波導(dǎo)；兩平行且有一定間距的激光器與矩形波導(dǎo)左側(cè)連接，另一激光器與矩形波導(dǎo)右側(cè)連接；
[0022]步驟3，利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法，在P面上述得到的結(jié)構(gòu)上繼續(xù)生長(zhǎng)一層二氧化硅絕緣層I1 ；
[0023]步驟4，利用光刻和反應(yīng)離子刻蝕得到激光器的電極窗口，同時(shí)去掉矩形波導(dǎo)上的二氧化硅；
[0024]步驟5，在矩形波導(dǎo)上，通過(guò)電子束曝光和感應(yīng)耦合等離子體刻蝕得到有Y波導(dǎo)的二維光子晶體；
[0025]步驟6，制作P面電極；
[0026]步驟7，對(duì)η面襯底進(jìn)行減薄、拋光處理；
[0027]步驟8，制作η面電極；
[0028]步驟9，解理芯片，在左側(cè)兩激光器的左端腔面均鍍高反膜，在右側(cè)激光器的右端腔面鍍?cè)鐾改ぁ?br> [0029]本發(fā)明的有益效果是:
[0030]本發(fā)明是在同一外延片上進(jìn)行一系列工藝制作，這大大減小了工藝制作的成本和難度。同時(shí)由于激光器結(jié)構(gòu)和矩形波導(dǎo)相互連接，避免了激光器與矩形波導(dǎo)之間的界面損耗?？咳瓷鋪?lái)對(duì)光進(jìn)行限制的傳統(tǒng)Y波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在彎曲波導(dǎo)部分光的損耗很嚴(yán)重，而二維光子晶體很好地解決了這一問(wèn)題，在矩形波導(dǎo)上通過(guò)電子束曝光和感應(yīng)耦合等離子體刻蝕制作二維三角點(diǎn)陣的空氣孔結(jié)構(gòu)可以將光束很好地限制在Y波導(dǎo)中。與此同時(shí)，Y波導(dǎo)二維光子晶體結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的Y波導(dǎo)結(jié)構(gòu)縮小了十倍以上，讓整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為緊湊。通過(guò)引入電子束曝光和感應(yīng)I禹合等尚子體刻蝕工藝，很好的解決了在聞光束質(zhì)量的如提下提聞?shì)敵龉β实膯?wèn)題。為半導(dǎo)體激光器的更廣泛應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1是本發(fā)明基于光子晶體Y波導(dǎo)的片上集成合束激光器的側(cè)視圖。
[0032]圖2是本發(fā)明基于光子晶體Y波導(dǎo)的片上集成合束激光器的俯視圖。
[0033]圖3是本發(fā)明所述Y波導(dǎo)光子晶體區(qū)域的局部放大圖。

【具體實(shí)施方式】
[0034]以下結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作一詳細(xì)的描述。
[0035]如圖1、圖2及圖3所示，本發(fā)明基于光子晶體Y波導(dǎo)的片上集成合束激光器，其包括m型襯底102 ；n型緩沖層103，該η型緩沖層103生長(zhǎng)在η型襯底102上；η型包層104，該η型包層104生長(zhǎng)在η型緩沖層103上；下波導(dǎo)層105，該下波導(dǎo)層105生長(zhǎng)在η型包層104上；量子阱106，該量子阱106生長(zhǎng)在下波導(dǎo)層105上；上波導(dǎo)層107，該上波導(dǎo)層107生長(zhǎng)在量子阱106上；ρ型包層108，該P(yáng)型包層108生長(zhǎng)在上波導(dǎo)層107上；ρ型蓋層109，該P(yáng)型蓋層109生長(zhǎng)在P型包層108上；其還包括三個(gè)激光器，該三個(gè)激光器與一矩形波導(dǎo)117相連接，其中，第一激光器114和第二激光器115平行且有一定間距設(shè)置在矩形波導(dǎo)117左側(cè)，第三激光器116設(shè)置在矩形波導(dǎo)117右側(cè)。
[0036]所述的三個(gè)激光器和矩形波導(dǎo)117均是在P型蓋層109上向下刻蝕至P型包層108形成的。
[0037]Y波導(dǎo)二維光子晶體位于矩形波導(dǎo)117上。
[0038]基于光子晶體Y波導(dǎo)的片上集成合束激光器的制造方法，其中包括:
[0039]步驟I，選擇一η型襯底102 ;在11型襯底102上用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法依次生長(zhǎng)η型緩沖層103、η型包層104、下波導(dǎo)層105、量子阱106、上波導(dǎo)層107、ρ型包層108和P型蓋層109。
[0040]步驟2，利用光刻技術(shù)形成三個(gè)激光器和矩形波導(dǎo)掩膜圖形；利用感應(yīng)耦合等離子刻蝕方法從在P型蓋層109上向下刻蝕至P型包層108，形成三個(gè)獨(dú)立的激光器結(jié)構(gòu)第一激光器114、第二激光器115、第三激光器116和一個(gè)矩形臺(tái)面117。
[0041]步驟3，利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積在P面生長(zhǎng)一層二氧化硅絕緣層110。
[0042]步驟4，利用光刻和反應(yīng)離子刻蝕得到激光器的電極窗口，同時(shí)將矩形波導(dǎo)17上的二氧化硅去掉；
[0043]步驟5，利用電子束曝光得到具有Y波導(dǎo)的二維光子晶體陣列掩膜圖形；利用反應(yīng)等離子刻蝕對(duì)上述掩膜圖形進(jìn)行刻蝕得到Y(jié)波導(dǎo)二維光子晶體圖形；
[0044]步驟6，制作ρ面電極111 ;
[0045]步驟7，對(duì)η面襯底進(jìn)行減薄、拋光處理；
[0046]步驟8，制作η面電極101 ;
[0047]步驟9，解理芯片，在左側(cè)第一激光器114和第二激光器115的左端腔面均鍍高反膜112，在右側(cè)第三激光器的右端腔面鍍?cè)鐾改?13。
[0048]實(shí)施例:
[0049]一種基于光子晶體Y波導(dǎo)的片上集成合束激光器的制造方法，包括如下步驟:
[0050]步驟1，選擇一鎵砷襯底102 ;在η型鎵砷襯底102上利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積的方法依次生長(zhǎng)300nm的η型GaAs緩沖層103，1500nmA10.6Ga0.4As的η型包層104，150nm的 A10.3Ga0.7As 下波導(dǎo)層 105，1nm 的 InGaAlAs 單量子阱 106，150nm 的 A10.3Ga0.7As 上波導(dǎo)層107，1500nmA10.6Ga0.4As的ρ型包層108以及200nm的ρ型重?fù)诫s蓋層109，所得到的外延片激發(fā)波長(zhǎng)為808nm ；
[0051]步驟2，用丙酮、乙醇、異丙醇對(duì)外延片進(jìn)行清洗；
[0052]步驟3，在洗好的外延片上涂上光刻膠，然后進(jìn)行曝光、顯影；
[0053]步驟4，利用感應(yīng)耦合離子刻蝕的方法，在ρ型蓋層109上向下刻蝕至ρ型包層108，達(dá)到I微米左右的刻蝕深度，得到三個(gè)激光器結(jié)構(gòu)第一激光器114、第二激光器115、第三激光器116和矩形波導(dǎo)117，各個(gè)激光器結(jié)構(gòu)的脊寬為10 μ m，矩形波導(dǎo)117的大小為30*50 μ m2 ；
[0054]步驟5，用丙酮、乙醇、異丙醇對(duì)片子進(jìn)行超聲清洗；
[0055]步驟6,利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積在P面生長(zhǎng)一層250nm的絕緣層110 ；
[0056]步驟7，在洗好的外延片上涂上光刻膠，然后進(jìn)行曝光、顯影，然后利用反應(yīng)離子刻蝕去除各個(gè)激光器中間的二氧化硅和矩形波導(dǎo)17的二氧化硅；
[0057]步驟8，在ρ面涂上光刻膠，利用電子束曝光在矩形波導(dǎo)上得到具有Y波導(dǎo)的二維光子晶體掩膜圖形，然后利用感應(yīng)耦合離子刻蝕的方法得到上述圖形。該圖形具有三角點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，圓孔直徑150nm，周期310nm，Y波導(dǎo)的寬度為5 μ m寬；
[0058]步驟9，利用磁控濺射設(shè)備在P面生長(zhǎng)300nm的TiPtAu金111 ;
[0059]步驟10,對(duì)η面襯底進(jìn)行減薄、拋光處理,將厚度減到120 μ m ;
[0060]步驟11，利用磁控濺射設(shè)備在η面生長(zhǎng)500nm的AuGeNi 101，將芯片解理；
[0061]步驟12，在輸入端的第一激光器114和第二激光器115的腔面上鍍95%的高反膜112，在輸出端的第三激光器116腔面上鍍5%的增透膜113。
【權(quán)利要求】
1.基于光子晶體Y波導(dǎo)的片上集成合束激光器，其包括: 一 η型襯底； 一 η型緩沖層，該η型緩沖層生長(zhǎng)在η型襯底上； 一 η型包層，該η型包層生長(zhǎng)在η型緩沖層上； 一下波導(dǎo)層，該下波導(dǎo)層生長(zhǎng)在η型包層上； 一量子阱，該量子阱生長(zhǎng)在下波導(dǎo)層上； 一上波導(dǎo)層，該上波導(dǎo)層生長(zhǎng)在量子阱上； 一 P型包層，該P(yáng)型包層生長(zhǎng)在上波導(dǎo)層上； 一 P型蓋層，該P(yáng)型蓋層生長(zhǎng)在P型包層上； 其特征是，其還包括三個(gè)激光器，該三個(gè)激光器與一矩形波導(dǎo)相連接，其中，兩平行且有一定間距的激光器與矩形波導(dǎo)左側(cè)連接，另一激光器與矩形波導(dǎo)右側(cè)連接； 一矩形波導(dǎo)，該矩形波導(dǎo)與三個(gè)激光器相互連接； 所述的三個(gè)激光器和矩形波導(dǎo)均是在P型蓋層上向下刻蝕至P型包層形成的； 一 Y波導(dǎo)二維光子晶體，該光子晶體位于矩形波導(dǎo)上。
2.如權(quán)利要求1所述的基于光子晶體Y波導(dǎo)的片上集成合束激光器，其特征在于，所述的Y波導(dǎo)二維光子晶體，是通過(guò)電子束曝光和感應(yīng)耦合等離子體刻蝕得到的；Υ波導(dǎo)二維光子晶體刻蝕深度不超過(guò)到量子阱的深度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于光子晶體Y波導(dǎo)的片上集成合束激光器，其特征在于，所述的二維光子晶體是三角點(diǎn)陣晶格；所述的三角點(diǎn)陣晶格的大小和周期由激射波長(zhǎng)和材料所決定。
4.如權(quán)利要求3所述的基于光子晶體Y波導(dǎo)的片上集成合束激光器，其特征在于，所述的材料包括 GaAs/AlGaAs、GaAs/AlGalnP 或 InGaAs/AlGaAs 材料。
5.如權(quán)利要求1所述的基于光子晶體Y波導(dǎo)的片上集成合束激光器，其特征在于，所述的量子阱可以是單一量子阱或多量子阱。
6.如權(quán)利要求1所述的基于光子晶體Y波導(dǎo)的片上集成合束激光器，其特征在于，所述位于矩形波導(dǎo)左側(cè)的兩個(gè)激光器作為輸入端，位于矩形波導(dǎo)右側(cè)的激光器作為輸出端。
7.如權(quán)利要求1或6所述的基于光子晶體Y波導(dǎo)的片上集成合束激光器，其特征在于，其中所述位于矩波導(dǎo)面左側(cè)的兩個(gè)激光器又可以作為合束激光器的輸出端，可由3*1的合束激光器變?yōu)?*1的合束激光器或者更多的合束激光器。
8.如權(quán)利要求1所述的基于光子晶體Y波導(dǎo)的片上集成合束激光器，其特征在于，所述左側(cè)兩個(gè)激光器的左端腔面鍍高反膜，右側(cè)的激光器的右端腔面鍍?cè)鐾改ぁ?br> 9.基于光子晶體Y波導(dǎo)的片上集成合束激光器的制造方法，其特征是，包括如下步驟: 步驟1，在η型襯底上用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法依次生長(zhǎng)η型緩沖層、η型包層、下波導(dǎo)層、量子阱、上波導(dǎo)層、P型包層和P型蓋層； 步驟2，利用光刻和感應(yīng)耦合等離子體刻蝕方法在P型蓋層上向下刻蝕至P型包層形成三個(gè)獨(dú)立的激光器結(jié)構(gòu)和矩形波導(dǎo)；兩平行且有一定間距的激光器與矩形波導(dǎo)左側(cè)連接，另一激光器與矩形波導(dǎo)右側(cè)連接； 步驟3，利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法，在P面上述得到的結(jié)構(gòu)上繼續(xù)生長(zhǎng)一層二氧化硅絕緣層110 ； 步驟4，利用光刻和反應(yīng)離子刻蝕得到激光器的電極窗口，同時(shí)去掉矩形波導(dǎo)上的二氧化硅； 步驟5，在矩形波導(dǎo)上，通過(guò)電子束曝光和感應(yīng)耦合等離子體刻蝕得到有Y波導(dǎo)的二維光子晶體； 步驟6,制作P面電極； 步驟7，對(duì)η面襯底進(jìn)行減薄、拋光處理； 步驟8,制作η面電極； 步驟9，解理芯片，在左側(cè)兩激光器的左端腔面均鍍高反膜，在右側(cè)激光器的右端腔面鍍?cè)鐾改ぁ?br> 【文檔編號(hào)】H01S5/20GK104466674SQ201410734382
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月3日
【發(fā)明者】佟存柱, 王濤, 汪麗杰, 田思聰, 邢恩博, 戎佳敏, 盧澤豐, 王立軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所