專利名稱：寬溫度超高速半導(dǎo)體直調(diào)dfb激光器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在復(fù)雜環(huán)境變化條件下，用于光通信信號(hào)源，信息處理和光纖放大器激發(fā)光源的半導(dǎo)體激光器及其制備方法。
背景技術(shù)：
1962年后期，美國(guó)研制成功GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器，第一代半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生；到1967年人們使用液相外延的方法制成了單異質(zhì)結(jié)激光器，實(shí)現(xiàn)了在室溫下脈沖工作的半導(dǎo)體激光器；80年代，量子阱結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)使半導(dǎo)體激光器出現(xiàn)了大的飛躍，經(jīng)過(guò)90年代的發(fā)展，各方面理論研究和實(shí)驗(yàn)技術(shù)都得到了提高和成熟。光通信網(wǎng)絡(luò)正不斷向更高速的方向發(fā)展，而激光器的調(diào)制帶寬卻受到了嚴(yán)重的限制，并且由于環(huán)境溫度的變化，激光器要求能適應(yīng)很寬工作溫度范圍，不管是高溫還是低溫環(huán)境，都能良好的工作，故研究寬溫度范圍超高速調(diào)制激光器受到了廣泛的關(guān)注，與雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(DH)相比，量子阱激光器由于其良好的量子限制效應(yīng)，其具有閾值電流密度低、量子效應(yīng)好、溫度特性好、輸出功率大、動(dòng)態(tài)特性好、壽命長(zhǎng)、激射波長(zhǎng)范圍廣等等優(yōu)點(diǎn)，量子阱激光器是半導(dǎo)體激光器發(fā)展的主流方向。本發(fā)明設(shè)計(jì)的基本方法主要依據(jù)“能帶工程”理論和一般的半導(dǎo)體激光器理論，其賦予半導(dǎo)體激光器以新的生命力，其器件性能出現(xiàn)大的飛躍。本專利材料體系理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)1976年，人們用GalnAsP/InP實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器。1994年，一種具有全新機(jī)理的波長(zhǎng)可變、可調(diào)諧的量子級(jí)聯(lián)激光器研制成功，Takuya 等課題組在90年代，也對(duì)應(yīng)變補(bǔ)償?shù)亩嗔孔于褰Y(jié)構(gòu)激光器(InGaAsP系統(tǒng))做了全面的分析與討論；Yasuhiro Matsui等在1997年前后研究了 InGaAlAsHnGaAsP多量子阱應(yīng)變補(bǔ)償半導(dǎo)體激光器，實(shí)現(xiàn)了 30GHz的高速調(diào)制；到了 2007年，國(guó)外在實(shí)驗(yàn)上有40GHz的報(bào)道，因此國(guó)外已經(jīng)能提供InGaAsP四元系統(tǒng)全面的理論支持，而國(guó)內(nèi)發(fā)展很緩慢，吉林大學(xué)，中科院半導(dǎo)體研究所等科研機(jī)構(gòu)也對(duì)此InGaAsP四元材料理論進(jìn)行了研究和模擬，并進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。但到目前為止，商業(yè)上的應(yīng)用還不成熟，但他們的工作為本發(fā)明提供了一定的理論基礎(chǔ)，所以，本發(fā)明是基于成熟的量子論理論，能帶工程理論，固體光電子理論，半導(dǎo)體激光器理論，并加入了我們創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)備上，MOCVD或者M(jìn)BE技術(shù)的成熟，為生長(zhǎng)高質(zhì)量的多層薄層材料提供了技術(shù)上的保障。光刻工藝和全息光柵曝光系統(tǒng)技術(shù)的成熟，為二次外延生長(zhǎng)周期光柵提供了技術(shù)上的保證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種寬溫度超高速半導(dǎo)體直調(diào)DFB激光器，該激光器能夠適應(yīng)未來(lái)光通信及信息處理用的高速化，大容量，寬帶寬，超高速調(diào)制等和光通信的信號(hào)源或光纖放大器的激發(fā)光源對(duì)光源的需要，并且實(shí)現(xiàn)在溫度變化無(wú)常的條件下依然能正常工作的超高速調(diào)制的光通信用光源，滿足即將大規(guī)模鋪設(shè)的每秒100G光網(wǎng)的激光器光源市場(chǎng)需求。本發(fā)明的技術(shù)方案在于一種半導(dǎo)體激光器，包括至少具有有源區(qū)，波導(dǎo)層，包層，其特征在于
所述有源區(qū)具有應(yīng)變量子阱和應(yīng)變量子壘交替混合的結(jié)構(gòu)， 所述波導(dǎo)層內(nèi)具有Dra強(qiáng)折射率光柵。所述有源區(qū)為光增益區(qū)，是壓縮應(yīng)變量子阱和拉伸應(yīng)變量子壘的交替混合的多層量子阱結(jié)構(gòu)。所述DFB強(qiáng)折射率光柵為吸收折射率復(fù)合光柵或吸收增益光柵。所述有源區(qū)的壓縮應(yīng)變量子阱的應(yīng)變值為(Tl. 2%，拉伸應(yīng)變量子壘的應(yīng)變值為
0 1· 2%O所述有源區(qū)采用InGaAsP或AUnGaAs同一種材料不同組分生長(zhǎng)或兩種材料交替生長(zhǎng)形成光增益區(qū)，即形成 InGaAsP-InGaAsP 或 InGaAsP-AlInGaAs 或 AlInGaAs-AlInGaAs 體系。所述DFB強(qiáng)折射率光柵為多段DFB強(qiáng)折射率光柵。本發(fā)明的另一目的在于提供一種寬溫度超高速半導(dǎo)體直調(diào)DFB激光器的制備方法，該方法能夠確保精確地控制和實(shí)現(xiàn)激光器的制備。本發(fā)明的另一技術(shù)方案在于一種半導(dǎo)體激光器的制備方法，其特征在于按以下步驟進(jìn)行
1)在InP襯底上一次生長(zhǎng)緩沖層、下包層、波導(dǎo)層；
2)在生長(zhǎng)波導(dǎo)層時(shí)，在波導(dǎo)層內(nèi)生長(zhǎng)吸收層，并在吸收層上刻蝕多段DFB強(qiáng)折射率光
柵；
3)生長(zhǎng)有源區(qū)的壓應(yīng)變量子阱及拉應(yīng)變量子壘；
4)在有源區(qū)上方二次外延生長(zhǎng)波導(dǎo)層和上包層。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)有源區(qū)量子阱的應(yīng)變是壓應(yīng)變，其應(yīng)變值為0 — 1. 2%，而量子壘層是張應(yīng)變，其應(yīng)變值在0 — 1.洲之間，這樣的設(shè)計(jì)，限制了載流子的自由行為，減少了電子泄露，并且多量子阱結(jié)構(gòu)降低了增益飽和效應(yīng)，并且提高了微分增益；
(2)采用InGaAsP-AWalnAs混合材料，可使量子阱層輕空穴能級(jí)和量子壘層輕空穴能級(jí)在同一能級(jí)上或者相差很小的能量，這有利于光躍遷和載流子在有源區(qū)內(nèi)的均勻分布， 可以有效消除空間燒孔效應(yīng)，并且一般采用應(yīng)變補(bǔ)償，使結(jié)構(gòu)的總應(yīng)變大致為零，這樣減小了應(yīng)變帶來(lái)的缺陷，確保了材料質(zhì)量，以使得對(duì)空穴的限制弱，有利于空穴的均勻分布和對(duì)電子的限制相對(duì)強(qiáng)些，進(jìn)而減少漏電流，降低器件的閾值電流，增強(qiáng)空穴的均勻分布；此種量子化的應(yīng)變能級(jí)結(jié)構(gòu)，本身受溫度的影響小，保證了器件的溫度穩(wěn)定性；
(3)波導(dǎo)層設(shè)計(jì)了多段Dra強(qiáng)折射率光柵，以消除模式簡(jiǎn)并；并在波導(dǎo)層中間或者其頂部的限制層中制備吸收光柵防止在高溫工作時(shí)發(fā)生跳模并有效控制線寬因子的增加。我們通過(guò)設(shè)定DFB光柵的周期性，精確控制發(fā)射波長(zhǎng)和提高微分增益并減小線寬增強(qiáng)因子，提高了器件的高速性能和溫度穩(wěn)定性。


圖1為本發(fā)明的吸收折射率光柵的復(fù)合結(jié)構(gòu)之一。
圖2為本發(fā)明的吸收折射率光柵的復(fù)合結(jié)構(gòu)之二。
具體實(shí)施例方式一種半導(dǎo)體激光器，包括
至少具有有源區(qū)，波導(dǎo)層，包層，其特征在于
所述有源區(qū)具有應(yīng)變量子阱和應(yīng)變量子壘交替混合的結(jié)構(gòu)，
所述波導(dǎo)層內(nèi)具有Dra強(qiáng)折射率光柵。一種半導(dǎo)體激光器的制備方法，其特征在于按以下步驟進(jìn)行
1)在InP襯底上一次生長(zhǎng)緩沖層、下包層、波導(dǎo)層1；
2)在生長(zhǎng)波導(dǎo)層時(shí)，在波導(dǎo)層內(nèi)生長(zhǎng)吸收層2，并在吸收層上刻蝕多段DFB強(qiáng)折射率光柵3 ；
3)生長(zhǎng)有源區(qū)4的壓應(yīng)變量子阱及拉應(yīng)變量子壘；
4)在有源區(qū)上方二次外延生長(zhǎng)波導(dǎo)層5和上包層?；虬匆韵虏襟E進(jìn)行
1)在InP襯底上一次生長(zhǎng)緩沖層、下包層、波導(dǎo)層；
2)在波導(dǎo)層內(nèi)刻蝕多段DFB強(qiáng)折射率光柵；
3)生長(zhǎng)有源區(qū)的壓應(yīng)變量子阱及拉應(yīng)變量子壘；
4)在有源區(qū)上方二次外延生長(zhǎng)波導(dǎo)層，在波導(dǎo)層內(nèi)生長(zhǎng)吸收層；
5)生長(zhǎng)上包層。所述有源區(qū)為光增益區(qū)，是壓縮應(yīng)變量子阱和拉伸應(yīng)變量子壘的交替混合的多層量子阱結(jié)構(gòu)。所述DFB強(qiáng)折射率光柵為吸收折射率復(fù)合光柵或吸收增益光柵。所述有源區(qū)的壓縮應(yīng)變量子阱的應(yīng)變值為(Tl. 2%，拉伸應(yīng)變量子壘的應(yīng)變值為
0 1· 2%O所述有源區(qū)采用InGaAsP或AUnGaAs同一種材料不同組分生長(zhǎng)或兩種材料交替生長(zhǎng)形成光增益區(qū)，即形成 InGaAsP-InGaAsP 或 InGaAsP-AlInGaAs 或 AlInGaAs-AlInGaAs 體系。所述DFB強(qiáng)折射率光柵為多段DFB強(qiáng)折射率光柵。本發(fā)明所述的半導(dǎo)體激光器有源區(qū)采以以InGaAsP為量子阱，AKialnAs或 InGaAsP為勢(shì)壘，在不影響材料質(zhì)量的條件下，采用高晶格不匹配常數(shù)來(lái)提高調(diào)制帶寬。按預(yù)先設(shè)計(jì)好的外延結(jié)構(gòu)，采用MOCVD或者M(jìn)BE生長(zhǎng)出外延層。具體的步驟為在InP襯底上先生長(zhǎng)緩沖層，再生長(zhǎng)下包層，波導(dǎo)層(SCH層，以下簡(jiǎn)稱SCH層)，并通過(guò)全息的方法制作多段光柵，然后生長(zhǎng)本發(fā)明的核心部分有源區(qū)一壓應(yīng)變的量子阱層和拉應(yīng)變的量子壘，其中阱層的厚度為5-7. 5nm，壘層的厚度為5-10nm 之間，應(yīng)變都在1.洲以內(nèi)，發(fā)射波長(zhǎng)在1. lum-1. 7um范圍，然后二次外延生長(zhǎng)SCH層和上包層，其中，在上包層和SCH層之間，或者是SCH層內(nèi)生長(zhǎng)吸收層，并通過(guò)光刻在吸收層上制作光柵以實(shí)現(xiàn)增益耦合和消除模式簡(jiǎn)并，上述這些外延，在MOCVD上都可以實(shí)現(xiàn)精確控制。通過(guò)多段光柵可以消除模式簡(jiǎn)并，而在上、下波導(dǎo)層中間或者上波導(dǎo)層頂部的上包層中制備吸收光柵，進(jìn)一步消除模式簡(jiǎn)并，特別是在高溫工作時(shí)抑制激發(fā)波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向漂移并有效控制線寬因子的增加，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地單模輸出。所述的光柵可以是普通的吸收增益結(jié)構(gòu)，也可以是吸收折射率復(fù)合結(jié)構(gòu)，圖2所示的吸收折射率光柵復(fù)合結(jié)構(gòu)之一，其中吸收層制備在上、下波導(dǎo)層中間或者上波導(dǎo)層頂部的上包層中，吸收層內(nèi)制備光柵，最后將含光柵的吸收層制備成周期結(jié)構(gòu)，其中吸收層的占空比小于0.2 ；圖1所示，吸收折射率復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)之二，其吸收層制備在上、下波導(dǎo)層中間或者上波導(dǎo)層頂部的上包層中，折射率光柵位于非吸收層所在的波導(dǎo)層中，整個(gè)光柵的周期一致，但是光柵在I，II，III區(qū)的折射率不同，以致形成多段光柵；或者，整個(gè)光柵的折射率一致，但是光柵在I，II，III區(qū)的周期不同，以致形成多段光柵，另外，多段光柵的數(shù)目不限。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體激光器，包括至少具有有源區(qū)，波導(dǎo)層，包層，其特征在于所述有源區(qū)具有應(yīng)變量子阱和應(yīng)變量子壘交替混合的結(jié)構(gòu)，所述波導(dǎo)層內(nèi)具有Dra強(qiáng)折射率光柵。
2.一種半導(dǎo)體激光器的制備方法，其特征在于按以下步驟進(jìn)行1)在InP襯底上一次生長(zhǎng)緩沖層、下包層、波導(dǎo)層；2)在生長(zhǎng)波導(dǎo)層時(shí)，在波導(dǎo)層內(nèi)生長(zhǎng)吸收層，并在吸收層上刻蝕多段DFB強(qiáng)折射率光柵；3)生長(zhǎng)有源區(qū)的壓應(yīng)變量子阱及拉應(yīng)變量子壘；4)在有源區(qū)上方二次外延生長(zhǎng)波導(dǎo)層和上包層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種半導(dǎo)體激光器的制備方法，其特征在于按以下步驟進(jìn)行1)在InP襯底上一次生長(zhǎng)緩沖層、下包層、波導(dǎo)層；2)在波導(dǎo)層內(nèi)刻蝕多段DTO強(qiáng)折射率光柵；3)生長(zhǎng)有源區(qū)的壓應(yīng)變量子阱及拉應(yīng)變量子壘；4)在有源區(qū)上方二次外延生長(zhǎng)波導(dǎo)層，在波導(dǎo)層內(nèi)生長(zhǎng)吸收層；5)生長(zhǎng)上包層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述有源區(qū)為光增益區(qū)，是壓縮應(yīng)變量子阱和拉伸應(yīng)變量子壘的交替混合的多層量子阱結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述DFB強(qiáng)折射率光柵為吸收折射率復(fù)合光柵或吸收增益光柵。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述有源區(qū)的壓縮應(yīng)變量子阱的應(yīng)變值為(Ti. 2%，拉伸應(yīng)變量子壘的應(yīng)變值為(Ti. m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的一種半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述有源區(qū)采用 InGaAsP或AUnGaAs同一種材料不同組分生長(zhǎng)或兩種材料交替生長(zhǎng)形成光增益區(qū)，即形成 InGaAsP-InGaAsP 或 InGaAsP-AlInGaAs 或 AlInGaAs-AlInGaAs 體系。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述DFB強(qiáng)折射率光柵為多段DFB強(qiáng)折射率光柵。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體激光器及其制作方法，包括至少具有有源區(qū)，波導(dǎo)層，包層，其特征在于所述有源區(qū)具有應(yīng)變量子阱和應(yīng)變量子壘交替混合的結(jié)構(gòu)，所述波導(dǎo)層內(nèi)具有強(qiáng)光柵，該半導(dǎo)體激光器能夠適應(yīng)光通信及信息處理用的高速化，大容量，寬帶寬，超高速調(diào)制等和光通信的信號(hào)源或光纖放大器的激發(fā)光源對(duì)光源的需要，適應(yīng)溫度幅度寬。
文檔編號(hào)H01S5/343GK102244368SQ20111014920
公開(kāi)日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者蘇輝 申請(qǐng)人:蘇輝