光子晶體波導分布反饋雷射器及製作方法

2023-06-23 15:20:31

專利名稱：光子晶體波導分布反饋雷射器及製作方法
技術領域：
本發明設計一種平面型光子晶體波導分布反饋雷射器，具體是指在InP基材料中製作掩埋型一維λ/4相移光柵，刻蝕二維孔陣列光子晶體形成橫向波導結構的一種光子晶體波導雷射器。
背景技術：
光子晶體的概念於1987年提出，源自半導體物理中的電子能帶，在介電係數(或折射率)成周期排列的材料中，電磁波經材料散射後形成相長和相消的疊加光線，各方向的光完全相消的狹長波長帶區，類似於半導體中的電子禁帶，這個波長範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)，與缺陷能級吻合的光子被限制在缺陷位置否則迅速衰減。缺陷有點缺陷和線缺陷，點缺陷形成微腔，線缺陷形成波導，支持頻率在光子禁帶範圍內的波通過光子晶體傳輸。相比於全內反射波導，光子晶體波導具有更加優越的橫向限制能力，由其製作的彎曲波導可大大減小大角度彎曲處產生的輻射損耗，可製作納米尺寸的器件。
製作高Q值、小模體積納米尺寸的半導體雷射器是集成光學中的一個重要的研究領域，由於光子晶體所具有的特殊性質從而吸引人們製作各種類型的光子晶體雷射器。有兩種不同工作原理的二維量子阱光子晶體雷射器，一種是基於光子晶體光子禁帶和缺陷局域特性，在二維光子晶體上製作缺陷形成微腔的諧振腔光子晶體雷射器，微腔的直徑只有波長量級，體積只是(λ/2n)3的若干倍(λ為激射波長，n為折射率)，Q值可達到106，雷射器可在室溫下以極低的閾值運轉。另一種是二維光子晶體帶邊雷射器，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，雷射器閾值與光子壽命成反比，與Q值成正比，利用這一性質可製作閾值更小的光子晶體帶邊雷射器。
分布反饋(DFB)雷射器在半導體內部製作掩埋型一維布拉格光柵，依靠光柵的反饋選擇工作波長，能夠在高速調製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範圍內抑制模式跳變，大大改善噪聲特性。
傳統的分布反饋(DFB)雷射器是在器件表面製作脊型波導實現光場的橫向控制，利用光子晶體波導對光場優越的橫向限制能力製作橫向波導結構，可實現性能更加優良的分布反饋(DFB)雷射器。

發明內容
本發明的目的在於提出一種利用光子晶體實現分布反饋(DFB)雷射器中橫向波導的方法，可以獲得更加優良的雷射光束形狀，有效地降低閾值，提高雷射器的電光轉換效率。
為實現上述目的，本發明提供一種平面型光子晶體波導分布反饋雷射器，其特徵在於，其中包括一襯底；一過渡層，該過渡層用金屬有機化學氣相澱積方法生長在襯底上；一InGaAsP下勢壘層，該InGaAsP下勢壘層生長在過渡層上；一多量子阱有源區，該多量子阱有源區生長在InGaAsP下勢壘層上；一InGaAsP上勢壘層，該InGaAsP下勢壘層生長在多量子阱有源區上；該下勢壘層、量子阱有源區、上勢壘層三層構成雷射器的波導區；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離子刻蝕的方法刻蝕在InGaAsP上勢壘層上；一InP包層，該InP包層生長在一維λ/4相移光柵上；一InGaAs歐姆接觸層，該InGaAs歐姆接觸層生長在InP包層上；一二維光子晶體，該二維光子晶體製作在InGaAs歐姆接觸層上面的兩側；一電極，該電極製作在InGaAs歐姆接觸層的中間；解理成單個管芯。
其中所述的一維λ/4相移光柵是先用反應離子刻蝕或感應耦合等離子體刻蝕出深度20-30nm深度的光柵圖樣，然後用溼法腐蝕法再腐蝕30-40nm深度的光柵圖樣，整個光柵為深度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，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為500-700nm、孔半徑為200-280nm。
其中所述的光子晶體波導是直波導或彎曲波導或Y分支波導。
其中所述的光子晶體波導是直波導時，長度為200-300μm。
本發明一種平面型光子晶體波導分布反饋雷射器的製作方法，其特徵在於，包括如下步驟步驟1在襯底上用金屬有機化學氣相澱積方法生長一層過渡層；步驟2在過渡層上生長InGaAsP下勢壘層；步驟3在InGaAsP下勢壘層上生長多量子阱有源區；步驟4在多量子阱有源區上生長InGaAsP上勢壘層；該下勢壘層、量子阱有源區、上勢壘層三層構成雷射器的波導區；步驟5用電子束曝光和反應離子刻蝕的方法在InGaAsP上勢壘層上刻蝕一維λ/4相移光柵；步驟6在一維λ/4相移光柵上生長InP包層；步驟7在InP包層上生長一層InGaAs歐姆接觸層；步驟8在InGaAs歐姆接觸層上面的兩側採用電子束曝光和反應離子刻蝕的方法製作二維光子晶體，並在中間的InGaAs歐姆接觸層上製作電極；步驟9最後，對晶片進行清洗、拋光、解理成單個管芯。
其中步驟5中的一維λ/4相移光柵是先用反應離子刻蝕或感應耦合等離子體刻蝕出深度20-30nm深度的光柵圖樣，然後用溼法腐蝕法再腐蝕30-40nm深度的光柵圖樣，整個光柵為深度60-70nm的近似正弦型光柵。
其中使用電子束曝光和反應離子刻蝕或感應耦合等離子體刻蝕製作孔陣列二維控陣列光子晶體波導，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為500-700nm、孔半徑為200-280nm。
其中光子晶體波導是直波導或彎曲波導或Y分支波導。
其中光子晶體波導是直波導時，長度為200-300μm。
綜上所述，本發明利用光子晶體實現分布反饋(DFB)雷射器中橫向波導的新技術方案，通過光子晶體波導限制橫向光場，可以獲得更加優良的雷射光束形狀，有效地降低閾值，提高雷射器的電光轉換效率。並且能製作各種腔型、性能優良的諧振腔，實現多光束和大功率輸出。


為了更清楚地介紹本發明的目的和優點，下文結合實施例、附圖來做進一步的說明，其中圖1是光子晶體波導分布反饋(DFB)雷射器三維結構示意圖。
圖2是光子晶體波導色散關係圖。
圖3是光子晶體波導TE偏振傳導模A的Hy分量在傳播平面上的分布圖。
具體實施例方式
請參閱圖1所示，本發明一種平面型光子晶體波導分布反饋雷射器，其特徵在於，其中包括一襯底101；一過渡層101′，該過渡層101′用金屬有機化學氣相澱積方法生長在襯底101上；一InGaAsP下勢壘層102，該InGaAsP下勢壘層102生長在過渡層101′上；一多量子阱有源區103，該多量子阱有源區103生長在InGaAsP下勢壘層102上；一InGaAsP上勢壘層104，該InGaAsP下勢壘層104生長在多量子阱有源區103上；該下勢壘層102、量子阱有源區103、上勢壘層104三層構成雷射器的波導區；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離子刻蝕的方法刻蝕在InGaAsP上勢壘層104上；該一維λ/4相移光柵108是先用反應離子刻蝕或感應耦合等離子體刻蝕出深度20-30nm深度的光柵圖樣，然後用溼法腐蝕法再腐蝕30-40nm深度的光柵圖樣，整個光柵為深度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生長在InP包層105上；一二維光子晶體107，該二維光子晶體107製作在InGaAs歐姆接觸層106上面的兩側；該二維控陣列光子晶體波導，是三角晶格或是正方晶格；該二維光子晶體107的晶格常數為500-700nm、孔半徑為200-280nm；一電極109，該電極109製作在InGaAs歐姆接觸層106的中間；解理成單個管芯。
所述的光子晶體波導是直波導或彎曲波導或Y分支波導；該光子晶體波導是直波導時，長度為200-300μm。
請再參閱圖1，本發明一種平面型光子晶體波導分布反饋雷射器的製作方法，其特徵在於，包括如下步驟步驟1在襯底101上用金屬有機化學氣相澱積方法生長一層過渡層101′；步驟2在過渡層101′上生長InGaAsP下勢壘層102；步驟3在InGaAsP下勢壘層102上生長多量子阱有源區103；步驟4在多量子阱有源區103上生長InGaAsP上勢壘層104；該下勢壘層102、量子阱有源區103、上勢壘層104三層構成雷射器的波導區；步驟5用電子束曝光和反應離子刻蝕的方法在InGaAsP上勢壘層104上刻蝕一維λ/4相移光柵108；該一維λ/4相移光柵108是先用反應離子刻蝕或感應耦合等離子體刻蝕出深度20-30nm深度的光柵圖樣，然後用溼法腐蝕法再腐蝕30-40nm深度的光柵圖樣，整個光柵為深度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InP包層105；步驟7在InP包層105上生長一層InGaAs歐姆接觸層106；步驟8在InGaAs歐姆接觸層106上面的兩側採用電子束曝光和反應離子刻蝕的方法製作二維光子晶體107，並在中間的InGaAs歐姆接觸層106上製作電極109；步驟9最後，對晶片進行清洗、拋光、解理成單個管芯。
其中使用電子束曝光和反應離子刻蝕或感應耦合等離子體刻蝕製作孔陣列二維控陣列光子晶體波導，是三角晶格或是正方晶格；該光子晶體波導是直波導或彎曲波導或Y分支波導。
其中光子晶體波導是直波導時，長度為200-300μm。
實施例圖1示意出整個器件的結構圖。其中101層是InP襯底和過渡層，102是InGaAsP下勢壘層，103是多量子阱(MQW)有源區，104是InGaAsP上勢壘層，該102、103、104三層構成雷射器的波導區。在InGaAsP上勢壘層104刻蝕一維λ/4相移光柵108，使用的方法和工藝參數如前所述。完成一維λ/4相移光柵108的製作之後，在InGaAsP上勢壘層104繼續生長InP包層105，在InP包層105上生長一層InGaAs歐姆接觸層106。使用使用電子束曝光(EBL)和反應離子刻蝕(RIE)製作孔陣列二維控陣列光子晶體波導，具體的參數如前所述。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)結構，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。最後，製作下電極和上電極109。
傳統的使用脊型波導結構的DFB雷射器，其模場不規則分布，造成輸出光斑質量下降，從圖1可以看出，製作光子晶體形成橫向波導的平面型DFB雷射器，其模場對稱分布，雷射器輸出光斑質量將會得到明顯改善。
圖2是用平面波展開(PWE)法計算的光子晶體波導TE偏振模色散關係圖，從圖中可以清楚地看到兩個帶隙，在上面的能帶中指示出了A、B兩個缺陷模式。儘管光子晶體波導支持兩個模式，但仍然可獲得高透射率。
圖3是用平面波展開(PWE)法計算的光子晶體波導TE偏振傳導模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是一個束縛模，被約束在波導中傳播。光子晶體帶隙對光場的橫向限制能力比脊型波導折射率導引更加出色，因此能製作各種腔型、性能優良的諧振腔，實現多光束和大功率輸出。
雖然參照上述實施例詳細地描述了本發明，但是應該理解本發明並不限於所公開的實施例，對於本專業領域的技術人員來說，可對其形式和細節進行各種改變。本發明意欲涵蓋所附權利要求書的精神和範圍內的各種變形。
權利要求
1.一種平面型光子晶體波導分布反饋雷射器，其特徵在於，其中包括一襯底；一過渡層，該過渡層用金屬有機化學氣相澱積方法生長在襯底上；一InGaAsP下勢壘層，該InGaAsP下勢壘層生長在過渡層上；一多量子阱有源區，該多量子阱有源區生長在InGaAsP下勢壘層上；一InGaAsP上勢壘層，該InGaAsP下勢壘層生長在多量子阱有源區上；該下勢壘層、量子阱有源區、上勢壘層三層構成雷射器的波導區；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離子刻蝕的方法刻蝕在InGaAsP上勢壘層上；一InP包層，該InP包層生長在一維λ/4相移光柵上；一InGaAs歐姆接觸層，該InGaAs歐姆接觸層生長在InP包層上；一二維光子晶體，該二維光子晶體製作在InGaAs歐姆接觸層上面的兩側；一電極，該電極製作在InGaAs歐姆接觸層的中間；解理成單個管芯。
2.如權利要求1所述的平面型光子晶體波導分布反饋雷射器，其特徵在於，其中所述的一維λ/4相移光柵是先用反應離子刻蝕或感應耦合等離子體刻蝕出深度20-30nm深度的光柵圖樣，然後用溼法腐蝕法再腐蝕30-40nm深度的光柵圖樣，整個光柵為深度60-70nm的近似正弦型光柵。
3.如權利要求1所述的平面型光子晶體波導分布反饋雷射器，其特徵在於，其中所述的二維控陣列光子晶體波導，是三角晶格或是正方晶格。
4.如權利要求4所述的平面型光子晶體波導分布反饋雷射器，其特徵在於，其中所述的二維光子晶體的晶格常數為500-700nm、孔半徑為200-280nm。
5.如權利要求1所述的平面型光子晶體波導分布反饋雷射器，其特徵在於，其中所述的光子晶體波導是直波導或彎曲波導或Y分支波導。
6.如權利要求5所述的平面型光子晶體波導分布反饋雷射器，其特徵在於，其中所述的光子晶體波導是直波導時，長度為200-300μm。
7.一種平面型光子晶體波導分布反饋雷射器的製作方法，其特徵在於，包括如下步驟步驟1在襯底上用金屬有機化學氣相澱積方法生長一層過渡層；步驟2在過渡層上生長InGaAsP下勢壘層；步驟3在InGaAsP下勢壘層上生長多量子阱有源區；步驟4在多量子阱有源區上生長InGaAsP上勢壘層；該下勢壘層、量子阱有源區、上勢壘層三層構成雷射器的波導區；步驟5用電子束曝光和反應離子刻蝕的方法在InGaAsP上勢壘層上刻蝕一維λ/4相移光柵；步驟6在一維λ/4相移光柵上生長InP包層；步驟7在InP包層上生長一層InGaAs歐姆接觸層；步驟8在InGaAs歐姆接觸層上面的兩側採用電子束曝光和反應離子刻蝕的方法製作二維光子晶體，並在中間的InGaAs歐姆接觸層上製作電極；步驟9最後，對晶片進行清洗、拋光、解理成單個管芯。
8.如權利要求1所述的平面型光子晶體波導分布反饋雷射器的製作方法，其特徵在於，其中步驟5中的一維λ/4相移光柵是先用反應離子刻蝕或感應耦合等離子體刻蝕出深度20-30nm深度的光柵圖樣，然後用溼法腐蝕法再腐蝕30-40nm深度的光柵圖樣，整個光柵為深度60-70nm的近似正弦型光柵。
9.如權利要求1所述的平面型光子晶體波導分布反饋雷射器的製作方法，其特徵在於，其中使用電子束曝光和反應離子刻蝕或感應耦合等離子體刻蝕製作孔陣列二維控陣列光子晶體波導，是三角晶格或是正方晶格。
10.如權利要求1所述的平面型光子晶體波導分布反饋雷射器的製作方法，其特徵在於，其中步驟8中的二維光子晶體的晶格常數為500-700nm、孔半徑為200-280nm。
11.如權利要求1所述的平面型光子晶體波導分布反饋雷射器的製作方法，其特徵在於，其中光子晶體波導是直波導或彎曲波導或Y分支波導。
12.如權利要求5所述的平面型光子晶體波導分布反饋雷射器的製作方法，其特徵在於，其中光子晶體波導是直波導時，長度為200-300μm。
全文摘要
一種平面型光子晶體波導分布反饋雷射器，其中包括一襯底；一過渡層用金屬有機化學氣相澱積方法生長在襯底上；一InGaAsP下勢壘層生長在過渡層上；一多量子阱有源區生長在InGaAsP下勢壘層上；一InGaAsP上勢壘層生長在多量子阱有源區上；該下勢壘層、量子阱有源區、上勢壘層三層構成雷射器的波導區；一一維λ/4相移光柵用電子束曝光和反應離子刻蝕的方法刻蝕在InGaAsP上勢壘層上；一InP包層生長在一維λ/4相移光柵上；一InGaAs歐姆接觸層生長在InP包層上；一二維光子晶體製作在InGaAs歐姆接觸層上面的兩側；一電極製作在InGaAs歐姆接觸層的中間；解理成單個管芯。
文檔編號H01S5/323GK1874092SQ200510075408
公開日2006年12月6日 申請日期2005年5月31日 優先權日2005年5月31日
發明者趙致民, 許興勝, 陳弘達, 李芳 , 劉育梁 申請人:中國科學院半導體研究所