半導(dǎo)體分布反饋激光器的制造方法
【專利摘要】一種半導(dǎo)體分布反饋激光器，包括：有源層、波導(dǎo)層、上包層、下包層，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)具有分布反饋激光器腔折射率光柵；其特征在于：所述有源區(qū)、波導(dǎo)層、上包層和下包層優(yōu)選采用熱膨脹系數(shù)相同或相近的材料制成，所述有源區(qū)的壓縮應(yīng)變量子阱的應(yīng)變值為0.2~1.0%，拉伸應(yīng)變量子壘的應(yīng)變值為0.2~1.0%。
【專利說明】 半導(dǎo)體分布反饋激光器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種物聯(lián)網(wǎng)中的光網(wǎng)構(gòu)架中的用于光通信信號(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，尤其是一種半導(dǎo)體分布反饋激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]物聯(lián)網(wǎng)中需要強(qiáng)大的通信網(wǎng)絡(luò)作為載體進(jìn)行信息交換，光纖通信，即光網(wǎng)是目前主流的通信網(wǎng)絡(luò)。半導(dǎo)體激光器是用電注入或光激發(fā)等方式使電子受激輻射躍遷(產(chǎn)生激光)的半導(dǎo)體器件?？捎米髦小㈤L(zhǎng)距離高速光纖通信系統(tǒng)的光源。激光的特點(diǎn)是受激輻射發(fā)出的光的全部特性與激發(fā)光完全相同。為了使半導(dǎo)體激光器發(fā)射激光，要求將大量非平衡載流子注入并限制在有源區(qū)以形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，使載流子在該區(qū)域內(nèi)受激復(fù)合發(fā)光。此外，還必須使該區(qū)域形成光學(xué)諧振腔，光在腔內(nèi)來回反射而不斷被放大，以維持激光振蕩。在光纖通信系統(tǒng)中常用的有條型激光器和單頻激光器(單縱模激光器)。
[0003]分布反饋半導(dǎo)體激光器是在芯片的有源區(qū)長(zhǎng)度之內(nèi)含有布喇格(Bragg)衍射光柵的半導(dǎo)體激光器。它與普通半導(dǎo)體激光器的區(qū)別是具有不同的光反饋機(jī)理:不是由端面反射提供集中反饋，而是由光柵衍射提供分布反饋。這種器件的優(yōu)點(diǎn)是波長(zhǎng)選擇性好，發(fā)射波長(zhǎng)隨溫度和電流的變化不靈敏，在高速調(diào)制下仍然能保持單模0，是一種理想的動(dòng)態(tài)單模激光器。1975年，日本中村道治首先制作了分布反饋半導(dǎo)體激光器。20多年來，分布反饋半導(dǎo)體激光器迅速發(fā)展，在室溫下連續(xù)工作的器件主要有發(fā)射波長(zhǎng)?0.85 μ m的AlGaAs/GaAs器件和發(fā)射波長(zhǎng)為1.55 μ m的InGaAsP/InP器件兩大系列，是波分復(fù)用和大容量、長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)的理想光源。近幾年，量子阱結(jié)構(gòu)分布反饋激光器問世，使器件的閾值電流減小，輸出功率增大。單片集成的分布反饋半導(dǎo)體激光器已經(jīng)研制成功。例如，在一塊襯底上集成了五個(gè)不同發(fā)射波長(zhǎng)的分布反饋激光器，以及光波導(dǎo)、耦合器和調(diào)制器。目前，在美、日、英、法等國，分布反饋半導(dǎo)體激光器已經(jīng)商品化，單片集成器件仍然是其主要研究方向。在我國,AlGaAs/GaAs和InGaAsP/InP分布反饋激光器均已研制成功，并在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中試用。此外，也可以在有源區(qū)長(zhǎng)度之外加上布喇格衍射光柵作為反射器。1981年，日本末松安晴首先制出了這種器件，其性能與分布反饋半導(dǎo)體激光器大致相同，通常稱為分布布喇格反射半導(dǎo)體激光器。
[0004]1962年后期,美國研制成功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。
[0005]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。
[0006]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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體分布反饋激光器，分布反饋激光器該激光器能夠適應(yīng)未來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，同時(shí)由于本發(fā)明采用的特殊的材料和制造工藝使得所述激光器具有較好是環(huán)境適應(yīng)性，其能在溫度跨度較大的環(huán)境中工作，其光輸出質(zhì)量較高。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案在于:一種半導(dǎo)體激光器，包括
[0009]至少具有有源區(qū)，波導(dǎo)層，包層，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)，
[0010]所述波導(dǎo)層內(nèi)具有分布反饋激光器強(qiáng)折射率光柵。
[0011]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講結(jié)構(gòu)。
[0012]所述分布反饋激光器強(qiáng)折射率光柵為吸收折射率復(fù)合光柵或吸收增益光柵。
[0013]所述有源區(qū)的壓縮應(yīng)變量子阱的應(yīng)變值為0.2^1.0%，拉伸應(yīng)變量子壘的應(yīng)變值為
0.2~1.0%。
[0014]所述有源區(qū)采用InGaAsP或AlInGaAs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-1nGaAsP 或 InGaAsP-AlInGaAs 或 AlInGaAs-AlInGaAs體系。
[0015]所述分布反饋激光器強(qiáng)折射率光柵為多段分布反饋激光器強(qiáng)折射率光柵。
[0016]所述有源區(qū)、波導(dǎo)層、上包層和下包層優(yōu)選采用熱膨脹系數(shù)相同或相近的材料制成，這樣做的好處在于:在溫度變化時(shí)不同的半導(dǎo)體層之間其熱膨脹變化量基本一致，兩個(gè)相鄰的層之間的擠壓應(yīng)力較小，有利于激光器光輸出穩(wěn)定性的提高。
[0017]更優(yōu)選的，所述有源區(qū)、波導(dǎo)層、上包層和下包層采用熱膨脹系數(shù)相同或相近，其熱膨脹系數(shù)較小的半導(dǎo)體材料制成。
[0018]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)分布反饋激光器激光器的制備方法，該方法能夠確保精確地控制和實(shí)現(xiàn)激光器的制備。
[0019]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:
[0020]I)在InP襯底上一次生長(zhǎng)緩沖層、下包層、波導(dǎo)層；
[0021]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分布反饋激光器強(qiáng)折射率光柵；
[0022]3)生長(zhǎng)有源區(qū)的壓應(yīng)變量子阱及拉應(yīng)變量子壘；
[0023]4)在有源區(qū)上方二次外延生長(zhǎng)波導(dǎo)層和上包層。
[0024]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:(I)有源區(qū)量子阱的應(yīng)變是壓應(yīng)變，其應(yīng)變值為0.2—1.0%，而量子壘層是張應(yīng)變，其應(yīng)變值在0.2-1.0%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；
[0025](2)采用InGaAsP-AlGaInAs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；
[0026](3)波導(dǎo)層設(shè)計(jì)了多段分布反饋激光器強(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。我們通過設(shè)定分布反饋激光器光柵的周期性，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。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]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。
[0028]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)施方式】
[0029]一種半導(dǎo)體激光器，包括
[0030]至少具有有源區(qū)，波導(dǎo)層，上包層、下包層，其特征在于:
[0031]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)，
[0032]所述波導(dǎo)層內(nèi)具有分布反饋激光器強(qiáng)折射率光柵。
[0033]所述有源區(qū)、波導(dǎo)層、上包層和下包層優(yōu)選采用熱膨脹系數(shù)相同或相近的材料制成，這樣做的好處在于:在溫度變化時(shí)不同的半導(dǎo)體層之間其熱膨脹變化量基本一致，兩個(gè)相鄰的層之間的擠壓應(yīng)力較小，有利于激光器光輸出穩(wěn)定性的提高。
[0034]更優(yōu)選的，所述有源區(qū)、波導(dǎo)層、上包層和下包層采用熱膨脹系數(shù)相同或相近，其熱膨脹系數(shù)較小的半導(dǎo)體材料制成。
[0035]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:
[0036]I)在InP襯底上一次生長(zhǎng)緩沖層、下包層、波導(dǎo)層I ;
[0037]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分布反饋激光器強(qiáng)折射率光柵3 ；
[0038]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；
[0039]4)在有源區(qū)上方二次外延生長(zhǎng)波導(dǎo)層5和上包層。
[0040]或按以下步驟進(jìn)行:
[0041]I)在InP襯底上一次生長(zhǎng)緩沖層、下包層、波導(dǎo)層；
[0042]2)在波導(dǎo)層內(nèi)刻蝕多段分布反饋激光器強(qiáng)折射率光柵；
[0043]3)生長(zhǎng)有源區(qū)的壓應(yīng)變量子阱及拉應(yīng)變量子壘；
[0044]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；
[0045]5)生長(zhǎng)上包層。[0046]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講結(jié)構(gòu)。
[0047]所述分布反饋激光器強(qiáng)折射率光柵為吸收折射率復(fù)合光柵或吸收增益光柵。
[0048]所述有源區(qū)的壓縮應(yīng)變量子阱的應(yīng)變值為0.2^1.0%，拉伸應(yīng)變量子壘的應(yīng)變值為
0.2~1.0%。
[0049]所述有源區(qū)采用InGaAsP或AlInGaAs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-1nGaAsP 或 InGaAsP-AlInGaAs 或 AlInGaAs-AlInGaAs體系。
[0050]所述分布反饋激光器強(qiáng)折射率光柵為多段分布反饋激光器強(qiáng)折射率光柵。
[0051]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，AlGaInAs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。
[0052]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1.0%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。
[0053]通過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。
[0054]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。
[0055]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)體分布反饋激光器，包括:有源層、波導(dǎo)層、上包層、下包層，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)具有分布反饋激光器腔折射率光柵；其特征在于:所述有源區(qū)、波導(dǎo)層、上包層和下包層優(yōu)選采用熱膨脹系數(shù)相同或相近的材料制成，所述有源區(qū)的壓縮應(yīng)變量子阱的應(yīng)變值為0.2^1.0%，拉伸應(yīng)變量子壘的應(yīng)變值為0.2~1.0%。
2.如權(quán)利要求1所述的分布反饋激光器，所述有源層、波導(dǎo)層、上包層、下包層按照一定的順序形成在同一襯底上。
3.如權(quán)利要 求1所述的分布反饋激光器，在所述波導(dǎo)層內(nèi)形成有光吸收層。
【文檔編號(hào)】H01S5/34GK103812002SQ201210442009
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月7日
【發(fā)明者】耿振民 申請(qǐng)人:無錫華御信息技術(shù)有限公司