半導體分布反饋雷射器的製造方法
2023-05-05 08:18:56
半導體分布反饋雷射器的製造方法
【專利摘要】一種半導體分布反饋雷射器，包括：有源層、波導層、上包層、下包層，所述有源區具有應變量子阱和應變量子壘交替混合的結構，所述波導層內具有分布反饋雷射器腔折射率光柵；其特徵在於：所述有源區、波導層、上包層和下包層優選採用熱膨脹係數相同或相近的材料製成，所述有源區的壓縮應變量子阱的應變值為0.2~1.0%，拉伸應變量子壘的應變值為0.2~1.0%。
【專利說明】 半導體分布反饋雷射器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種物聯網中的光網構架中的用於光通信信號源，信息處理和光纖放大器激發光源的半導體雷射器，尤其是一種半導體分布反饋雷射器。
【背景技術】
[0002]物聯網中需要強大的通信網絡作為載體進行信息交換，光纖通信，即光網是目前主流的通信網絡。半導體雷射器是用電注入或光激發等方式使電子受激輻射躍遷(產生雷射)的半導體器件。可用作中、長距離高速光纖通信系統的光源。雷射的特點是受激輻射發出的光的全部特性與激發光完全相同。為了使半導體雷射器發射雷射，要求將大量非平衡載流子注入並限制在有源區以形成粒子數反轉分布，使載流子在該區域內受激複合發光。此外，還必須使該區域形成光學諧振腔，光在腔內來回反射而不斷被放大，以維持雷射振蕩。在光纖通信系統中常用的有條型雷射器和單頻雷射器(單縱模雷射器)。
[0003]分布反饋半導體雷射器是在晶片的有源區長度之內含有布喇格(Bragg)衍射光柵的半導體雷射器。它與普通半導體雷射器的區別是具有不同的光反饋機理: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。這種器件的優點是波長選擇性好，發射波長隨溫度和電流的變化不靈敏，在高速調製下仍然能保持單模0，是一種理想的動態單模雷射器。1975年，日本中村道治首先製作了分布反饋半導體雷射器。20多年來，分布反饋半導體雷射器迅速發展，在室溫下連續工作的器件主要有發射波長?0.85 μ m的AlGaAs/GaAs器件和發射波長為1.55 μ m的InGaAsP/InP器件兩大系列，是波分復用和大容量、長距離光纖通信系統的理想光源。近幾年，量子阱結構分布反饋雷射器問世，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體雷射器已經研製成功。例如，在一塊襯底上集成了五個不同發射波長的分布反饋雷射器，以及光波導、耦合器和調製器。目前，在美、日、英、法等國，分布反饋半導體雷射器已經商品化，單片集成器件仍然是其主要研究方向。在我國,AlGaAs/GaAs和InGaAsP/InP分布反饋雷射器均已研製成功，並在實驗系統中試用。此外，也可以在有源區長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體雷射器大致相同，通常稱為分布布喇格反射半導體雷射器。
[0004]1962年後期,美國研製成功GaAs同質結半導體雷射器,第一代半導體雷射器產生；到1967年人們使用液相外延的方法製成了單異質結雷射器，實現了在室溫下脈衝工作的半導體雷射器；80年代，量子阱結構的出現使半導體雷射器出現了大的飛躍，經過90年代的發展，各方面理論研究和實驗技術都得到了提高和成熟。
[0005]光通信網絡正不斷向更高速的方向發展，而雷射器的調製帶寬卻受到了嚴重的限制，並且由於環境溫度的變化，雷射器要求能適應很寬工作溫度範圍，不管是高溫還是低溫環境，都能良好的工作，故研究寬溫度範圍超高速調製雷射器受到了廣泛的關注，與雙異質結半導體雷射器(DH)相比，量子阱雷射器由於其良好的量子限制效應，其具有閾值電流密度低、量子效應好、溫度特性好、輸出功率大、動態特性好、壽命長、激射波長範圍廣等等優點，量子阱雷射器是半導體雷射器發展的主流方向。
[0006]本發明設計的基本方法主要依據「能帶工程」理論和一般的半導體雷射器理論，其賦予半導體雷射器以新的生命力，其器件性能出現大的飛躍。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在於提供一種半導體分布反饋雷射器，分布反饋雷射器該雷射器能夠適應未來光通信及信息處理用的高速化，大容量，寬帶寬，超高速調製等和光通信的信號源或光纖放大器的激發光源對光源的需要，並且實現在溫度變化無常的條件下依然能正常工作的超高速調製的光通信用光源，滿足即將大規模鋪設的每秒100G光網的雷射器光源市場需求，同時由於本發明採用的特殊的材料和製造工藝使得所述雷射器具有較好是環境適應性，其能在溫度跨度較大的環境中工作，其光輸出質量較高。
[0008]本發明的技術方案在於:一種半導體雷射器，包括
[0009]至少具有有源區，波導層，包層，所述有源區具有應變量子阱和應變量子壘交替混合的結構，
[0010]所述波導層內具有分布反饋雷射器強折射率光柵。
[0011]所述有源區為光增益區，是壓縮應變量子阱和拉伸應變量子壘的交替混合的多層量子講結構。
[0012]所述分布反饋雷射器強折射率光柵為吸收折射率複合光柵或吸收增益光柵。
[0013]所述有源區的壓縮應變量子阱的應變值為0.2^1.0%，拉伸應變量子壘的應變值為
0.2~1.0%。
[0014]所述有源區採用InGaAsP或AlInGaAs同一種材料不同組分生長或兩種材料交替生長形成光增益區，即形成 InGaAsP-1nGaAsP 或 InGaAsP-AlInGaAs 或 AlInGaAs-AlInGaAs體系。
[0015]所述分布反饋雷射器強折射率光柵為多段分布反饋雷射器強折射率光柵。
[0016]所述有源區、波導層、上包層和下包層優選採用熱膨脹係數相同或相近的材料製成，這樣做的好處在於:在溫度變化時不同的半導體層之間其熱膨脹變化量基本一致，兩個相鄰的層之間的擠壓應力較小，有利於雷射器光輸出穩定性的提高。
[0017]更優選的，所述有源區、波導層、上包層和下包層採用熱膨脹係數相同或相近，其熱膨脹係數較小的半導體材料製成。
[0018]本發明的另一目的在於提供一種寬溫度超高速半導體直調分布反饋雷射器雷射器的製備方法，該方法能夠確保精確地控制和實現雷射器的製備。
[0019]本發明的另一技術方案在於:一種半導體雷射器的製備方法，其特徵在於:按以下步驟進行:
[0020]I)在InP襯底上一次生長緩衝層、下包層、波導層；
[0021]2)在生長波導層時，在波導層內生長吸收層，並在吸收層上刻蝕多段分布反饋雷射器強折射率光柵；
[0022]3)生長有源區的壓應變量子阱及拉應變量子壘；
[0023]4)在有源區上方二次外延生長波導層和上包層。
[0024]本發明的優點在於:(I)有源區量子阱的應變是壓應變，其應變值為0.2—1.0%，而量子壘層是張應變，其應變值在0.2-1.0%之間，這樣的設計，限制了載流子的自由行為，減少了電子洩露，並且多量子阱結構降低了增益飽和效應，並且提高了微分增益；
[0025](2)採用InGaAsP-AlGaInAs混合材料，可使量子阱層輕空穴能級和量子壘層輕空穴能級在同一能級上或者相差很小的能量，這有利於光躍遷和載流子在有源區內的均勻分布，可以有效消除空間燒孔效應，並且一般採用應變補償，使結構的總應變大致為零，這樣減小了應變帶來的缺陷，確保了材料質量，以使得對空穴的限制弱，有利於空穴的均勻分布和對電子的限制相對強些，進而減少漏電流，降低器件的閾值電流，增強空穴的均勻分布；此種量子化的應變能級結構，本身受溫度的影響小，保證了器件的溫度穩定性；
[0026](3)波導層設計了多段分布反饋雷射器強折射率光柵，以消除模式簡併；並在波導層中間或者其頂部的限制層中製備吸收光柵防止在高溫工作時發生跳模並有效控制線寬因子的增加。我們通過設定分布反饋雷射器光柵的周期性，精確控制發射波長和提高微分增益並減小線寬增強因子，提高了器件的高速性能和溫度穩定性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1為本發明的吸收折射率光柵的複合結構之一。
[0028]圖2為本發明的吸收折射率光柵的複合結構之二。
【具體實施方式】
[0029]一種半導體雷射器，包括
[0030]至少具有有源區，波導層，上包層、下包層，其特徵在於:
[0031]所述有源區具有應變量子阱和應變量子壘交替混合的結構，
[0032]所述波導層內具有分布反饋雷射器強折射率光柵。
[0033]所述有源區、波導層、上包層和下包層優選採用熱膨脹係數相同或相近的材料製成，這樣做的好處在於:在溫度變化時不同的半導體層之間其熱膨脹變化量基本一致，兩個相鄰的層之間的擠壓應力較小，有利於雷射器光輸出穩定性的提高。
[0034]更優選的，所述有源區、波導層、上包層和下包層採用熱膨脹係數相同或相近，其熱膨脹係數較小的半導體材料製成。
[0035]一種半導體雷射器的製備方法，其特徵在於:按以下步驟進行:
[0036]I)在InP襯底上一次生長緩衝層、下包層、波導層I ;
[0037]2)在生長波導層時，在波導層內生長吸收層2，並在吸收層上刻蝕多段分布反饋雷射器強折射率光柵3 ；
[0038]3)生長有源區4的壓應變量子阱及拉應變量子壘；
[0039]4)在有源區上方二次外延生長波導層5和上包層。
[0040]或按以下步驟進行:
[0041]I)在InP襯底上一次生長緩衝層、下包層、波導層；
[0042]2)在波導層內刻蝕多段分布反饋雷射器強折射率光柵；
[0043]3)生長有源區的壓應變量子阱及拉應變量子壘；
[0044]4)在有源區上方二次外延生長波導層，在波導層內生長吸收層；
[0045]5)生長上包層。[0046]所述有源區為光增益區，是壓縮應變量子阱和拉伸應變量子壘的交替混合的多層量子講結構。
[0047]所述分布反饋雷射器強折射率光柵為吸收折射率複合光柵或吸收增益光柵。
[0048]所述有源區的壓縮應變量子阱的應變值為0.2^1.0%，拉伸應變量子壘的應變值為
0.2~1.0%。
[0049]所述有源區採用InGaAsP或AlInGaAs同一種材料不同組分生長或兩種材料交替生長形成光增益區，即形成 InGaAsP-1nGaAsP 或 InGaAsP-AlInGaAs 或 AlInGaAs-AlInGaAs體系。
[0050]所述分布反饋雷射器強折射率光柵為多段分布反饋雷射器強折射率光柵。
[0051]本發明所述的半導體雷射器有源區採以以InGaAsP為量子阱，AlGaInAs或InGaAsP為勢壘，在不影響材料質量的條件下，採用高晶格不匹配常數來提高調製帶寬。按預先設計好的外延結構，採用MOCVD或者MBE生長出外延層。
[0052]具體的步驟為:在InP襯底上先生長緩衝層，再生長下包層，波導層(SCH層，以下簡稱SCH層)，並通過全息的方法製作多段光柵，然後生長本發明的核心部分:有源區一壓應變的量子阱層和拉應變的量子壘，其中阱層的厚度為:5-7.5nm，壘層的厚度為:5_10nm之間，應變都在1.0%以內，發射波長在1.lum-1.7um範圍，然後二次外延生長SCH層和上包層，其中，在上包層和SCH層之間，或者是SCH層內生長吸收層，並通過光刻在吸收層上製作光柵以實現增益耦合和消除模式簡併，上述這些外延，在MOCVD上都可以實現精確控制。
[0053]通過多段光柵可以消除模式簡併，而在上、下波導層中間或者上波導層頂部的上包層中製備吸收光柵，進一步消除模式簡併，特別是在高溫工作時抑制激發波長向長波長方向漂移並有效控制線寬因子的增加，實現穩定地單模輸出。
[0054]所述的光柵可以是普通的吸收增益結構，也可以是吸收折射率複合結構，圖2所示的吸收折射率光柵複合結構之一，其中吸收層製備在上、下波導層中間或者上波導層頂部的上包層中，吸收層內製備光柵，最後將含光柵的吸收層製備成周期結構，其中吸收層的佔空比小於0.2 ;圖1所示，吸收折射率複合光柵結構之二，其吸收層製備在上、下波導層中間或者上波導層頂部的上包層中，折射率光柵位於非吸收層所在的波導層中，整個光柵的周期一致，但是光柵在I，II，III區的折射率不同，以致形成多段光柵；或者，整個光柵的折射率一致，但是光柵在I，II，III區的周期不同，以致形成多段光柵，另外，多段光柵的數目不限。
[0055]以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
【權利要求】
1.一種半導體分布反饋雷射器，包括:有源層、波導層、上包層、下包層，所述有源區具有應變量子阱和應變量子壘交替混合的結構，所述波導層內具有分布反饋雷射器腔折射率光柵；其特徵在於:所述有源區、波導層、上包層和下包層優選採用熱膨脹係數相同或相近的材料製成，所述有源區的壓縮應變量子阱的應變值為0.2^1.0%，拉伸應變量子壘的應變值為0.2~1.0%。
2.如權利要求1所述的分布反饋雷射器，所述有源層、波導層、上包層、下包層按照一定的順序形成在同一襯底上。
3.如權利要 求1所述的分布反饋雷射器，在所述波導層內形成有光吸收層。
【文檔編號】H01S5/34GK103812002SQ201210442009
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年11月7日 優先權日:2012年11月7日
【發明者】耿振民 申請人:無錫華御信息技術有限公司