專利名稱：基于環(huán)形諧振腔的多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及ー種基于環(huán)形諧振腔的多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器，屬半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高速、高效、大容量的全光通信是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的目標(biāo)，它消除了光-電-光的轉(zhuǎn)換時(shí)間，打破了電傳輸?shù)钠款i，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。全光通訊中光源是光通信的關(guān)鍵器件，尤其多波長(zhǎng)激光光源在國(guó)外得到較為廣泛 的研究，應(yīng)用前景看好。傳統(tǒng)的多波長(zhǎng)激光器有兩種一種是將多個(gè)分離的單縱模激光器簡(jiǎn)單的組合在一起，或?qū)⒍嗫v模激光器與外部波長(zhǎng)選擇器件簡(jiǎn)單的組合在一起形成的多波長(zhǎng)激光器，這種器件封裝復(fù)雜，體積大、成本高且不易與其它器件集成；另ー種是在ー個(gè)單ー的晶片上面生長(zhǎng)出能產(chǎn)生多個(gè)波長(zhǎng)輸出的有源層結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于多個(gè)單縱模激光器有源層的疊加，材料生長(zhǎng)復(fù)雜。而且傳統(tǒng)的激光器多是法布里-珀羅(FP)腔半導(dǎo)體激光器和分布反饋(DFB)腔半導(dǎo)體激光器，分別通過解理面和光柵實(shí)現(xiàn)諧振腔，或是器件受解理腔面的限制不易大規(guī)模集成，或是需要在大面積基片上制備光柵及進(jìn)行高質(zhì)量的二次材料生長(zhǎng)，エ藝復(fù)雜，成本高。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型利用不同周長(zhǎng)的環(huán)形腔其諧振波長(zhǎng)不同的原理，提供了ー種基于環(huán)形諧振腔的多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器。該激光器不僅可以輸出多種波長(zhǎng)的激光光束，而且制作エ藝簡(jiǎn)單，體積小巧，既大大降低了激光器的成本，而且使得激光器便干與其他器件集成，具有很好的應(yīng)用前景。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為一種基于環(huán)形諧振腔的多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器，自下而上依次包括襯底層、緩沖層、下包層、激活層、上包層和歐姆接觸層；所述激光器上設(shè)有至少由歐姆接觸層與部分上包層或全部上包層共同形成的在正向偏壓下可產(chǎn)生激光光束的環(huán)形脊波導(dǎo)以及在正向偏壓下可放大激光光束光功率的耦合波導(dǎo)；所述環(huán)形脊波導(dǎo)與激活層組成環(huán)形諧振腔；所述環(huán)形脊波導(dǎo)為ー個(gè)以上，各環(huán)形脊波導(dǎo)的周長(zhǎng)互不相等；所述耦合波導(dǎo)與環(huán)形脊波導(dǎo)相鄰設(shè)置。所述環(huán)形脊波導(dǎo)由歐姆接觸層和部分上包層組成。所述環(huán)形脊波導(dǎo)的形狀為圓形、跑道形、三角形或矩形；所述耦合波導(dǎo)的形狀為直線形或弧線形。所述環(huán)形脊波導(dǎo)位于耦合波導(dǎo)的ー側(cè)或兩側(cè)。所述激活層采用量子阱結(jié)構(gòu)。在所述耦合波導(dǎo)與環(huán)形脊波導(dǎo)的上表面上均設(shè)有上電極金屬層，在所述襯底層的下表面上設(shè)有下電極金屬層。本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)原理為通過由環(huán)形脊波導(dǎo)形成的環(huán)形諧振腔實(shí)現(xiàn)光學(xué)諧振產(chǎn)生激光光束，將多個(gè)可產(chǎn)生不同波長(zhǎng)激光光束的環(huán)形諧振腔集成在一起，通過與其緊鄰的耦合波導(dǎo)(兩者間距納米量級(jí))將激光光束放大并耦合輸出，形成多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器。采用上述技術(shù)方案取得的技術(shù)進(jìn)步為I、與傳統(tǒng)的多波長(zhǎng)激光器不同，本實(shí)用新型采用多個(gè)閉合的環(huán)形腔實(shí)現(xiàn)光學(xué)諧振，使得激光器不再受解理腔面的限制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，容易與其他器件集成；避免了多個(gè)單縱模激光器有源層的疊加，減小了材料生長(zhǎng)難度；不需要在大面積基片上制備光柵及進(jìn)行高質(zhì)量的二次材料生長(zhǎng)，可采用一次外延層材料實(shí)現(xiàn)，不需要解理鍍膜エ藝，簡(jiǎn)化了エ藝，降低了成本；2、采用不同周長(zhǎng)的環(huán)形脊波導(dǎo)與相鄰耦合波導(dǎo)之間的耦合方式輸出激光，使得激光光束的輸出路徑靈活可調(diào)且容易實(shí)現(xiàn)激光器的大規(guī)模集成；3、多個(gè)激光光束通過耦合集中到同一耦合波導(dǎo)中，給耦合波導(dǎo)加正向偏置電壓，將激光光束光放大后輸出，提高了輸出功率；4、環(huán)形脊波導(dǎo)與耦合波導(dǎo)采用橫向耦合方式，制備エ藝簡(jiǎn)單，成本低。

圖I為本實(shí)用新型實(shí)施例I的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖I所示實(shí)施例I的層結(jié)構(gòu)圖；圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，I、上電極金屬層，2、歐姆接觸層，3、上包層，4、激活層，5、下包層，6、緩沖層，
7、襯底層，8、下電極金屬層，9、耦合波導(dǎo)，10、環(huán)形脊波導(dǎo)。
具體實(shí)施方式
由圖I和圖2所示的實(shí)施例I可知，基于環(huán)形諧振腔的多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器，自下而上依次包括襯底層7、緩沖層6、下包層5、激活層4、上包層3和歐姆接觸層2 ;所述激光器上設(shè)有至少由歐姆接觸層2與部分上包層3或全部上包層3共同形成的在正向偏壓下可產(chǎn)生激光光束的環(huán)形脊波導(dǎo)10以及在正向偏壓下可放大激光光束光功率的耦合波導(dǎo)9 ;所述環(huán)形脊波導(dǎo)10與激活層4組成環(huán)形諧振腔；所述環(huán)形脊波導(dǎo)10為三個(gè)，三個(gè)環(huán)形脊波導(dǎo)10的周長(zhǎng)互不相等；所述耦合波導(dǎo)9與環(huán)形脊波導(dǎo)10相鄰設(shè)置；所述環(huán)形脊波導(dǎo)10由歐姆接觸層2和部分上包層3組成；所述環(huán)形脊波導(dǎo)10的形狀為圓形；所述耦合波導(dǎo)9的形狀為直線形；所述環(huán)形脊波導(dǎo)10位于耦合波導(dǎo)9的ー側(cè)；所述激活層4采用量子阱結(jié)構(gòu)；在所述耦合波導(dǎo)9與環(huán)形脊波導(dǎo)10的上表面上均設(shè)有上電極金屬層I，在所述襯底層7的下表面上設(shè)有下電極金屬層8。實(shí)施例I采用III 一 V族化合物制作而成，根據(jù)激射波長(zhǎng)選擇GaAsAlxGahAs、InPzlrvxGaxAsyP1I或InP/AlxIni_x_yGayAS量子阱材料作為激活層(即有源區(qū))4，其中x、y的取值可根據(jù)相應(yīng)波長(zhǎng)設(shè)計(jì)。以產(chǎn)生波長(zhǎng)為1550nm的激光器的層結(jié)構(gòu)為例，用分子束外延(MBE)或金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)等薄膜外延設(shè)備在InP襯底上自下而上依次生長(zhǎng)層結(jié)構(gòu)為高摻雜N型InP襯底層7 (即下歐姆接觸層)、N型InP緩沖層6、1 y m厚的N型InP下包層5、6個(gè)周期的AlxIn1TyGayAs多量子阱激活層4，I. 6 y m厚的P型InP上包層3、0. 3 ii m厚的P型重?fù)诫s的Ina53Gaa47As歐姆接觸層2。其中量子阱區(qū)的PL普顯示其峰值波長(zhǎng)Xa=1525nm，勢(shì)壘和阱層的厚度分別為IOnm和6nm。在本實(shí)施例中，采用上述層結(jié)構(gòu)，但是在P型重?fù)诫s的InGaAs歐姆接觸層2和部分P型InP上包層3上形成3個(gè)周長(zhǎng)不等的環(huán)形脊波導(dǎo)10與直線形的耦合波導(dǎo)9 ;環(huán)形脊波導(dǎo)10與耦合波導(dǎo)9通過感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕實(shí)現(xiàn)，刻蝕深度控制在量子阱即激活層4以上、上包層3高度為20 SOnm處。在3個(gè)環(huán)形脊波導(dǎo)10和部分耦合波導(dǎo)9的歐姆接觸層2上設(shè)有上電極金屬層1，在襯底層7的下表面上設(shè)有下金屬電極層8。上金屬電極層I和下金屬電極層8均采用合金材料制成。在上電極金屬層I上施加正向偏壓時(shí)，由三個(gè)環(huán)形脊波導(dǎo)10組成的環(huán)形諧振腔可產(chǎn)生三束波長(zhǎng)不等的激光光束，光束的方向?yàn)轫槙r(shí)針或逆時(shí)針，可通過調(diào)節(jié)所加的正向偏壓來控制光束的方向；三個(gè)環(huán)形諧振腔內(nèi)的激光光束通過耦合方式進(jìn)入相鄰設(shè)置的直線形的耦合波導(dǎo)9中，由于耦合波導(dǎo)9與環(huán)形脊波導(dǎo)10共享上電極金屬層1，因此施加正向偏壓的耦合波導(dǎo)9可將從環(huán)形諧振腔內(nèi)耦合過來的激光光束經(jīng)功率放大后輸出，形成多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器。 實(shí)施例I的制作方法及過程為I、準(zhǔn)備外延材料，材料結(jié)構(gòu)如上面所述,并用有機(jī)溶劑清洗材料；2、淀積Si02，用常規(guī)半導(dǎo)體光刻エ藝形成環(huán)形脊波導(dǎo)10及耦合波導(dǎo)9的圖形，并以Si02做掩蔽，刻蝕InP系材料形制作環(huán)形脊波導(dǎo)10及耦合波導(dǎo)9臺(tái)面；3、淀積Si02，用常規(guī)半導(dǎo)體光刻エ藝制作上環(huán)形脊波導(dǎo)10及耦合波導(dǎo)9的上電極金屬層I的圖形，并以光刻膠做掩蔽刻蝕Si02，去掉光刻膠，金屬蒸發(fā)Ti/Pt/Au=10nm/20nm/100nm,用Si02輔助剝離得到環(huán)形脊波導(dǎo)10及稱合波導(dǎo)9的上電極,除電極部分露出，其他均被Si02覆蓋；4、濺射Ti/Au進(jìn)行布線金屬化，并用常規(guī)半導(dǎo)體光刻エ藝制作上電極壓焊點(diǎn)圖形，并進(jìn)行Au電鍍加厚，電鍍完成后腐蝕Au/Ti，形成上電極壓焊點(diǎn)，上電極壓焊點(diǎn)大小、位置可根據(jù)需要設(shè)定；5、芯片背面經(jīng)磨片減薄,派射Ge/Ni/Au=10nm/20nm/100nm,并合金形成下電極金
屬層8 ；6、采用劃片機(jī)將芯片解理形成單個(gè)管芯。由圖3所示的實(shí)施例2可知，與實(shí)施例I不同的是，全部上包層3和歐姆接觸層2形成環(huán)形脊波導(dǎo)10和耦合波導(dǎo)9。所述環(huán)形脊波導(dǎo)10為3個(gè)，3個(gè)環(huán)形脊波導(dǎo)10的形狀分別為圓形、跑道形、三角形，三個(gè)形狀不同的環(huán)形脊波導(dǎo)10位于耦合波導(dǎo)9的兩側(cè)，其中三角形的環(huán)形脊波導(dǎo)10位于耦合波導(dǎo)9的左側(cè)，另外兩個(gè)環(huán)形脊波導(dǎo)10位于耦合波導(dǎo)9的右側(cè)；耦合波導(dǎo)9的上表面上設(shè)有全覆蓋的上電極金屬層I。如圖4所示的實(shí)施例3，與實(shí)施例2不同的是，耦合波導(dǎo)9由直線形波導(dǎo)和弧線形波導(dǎo)組成，三角形和跑道形的環(huán)形脊波導(dǎo)10分別位于直線形波導(dǎo)的兩側(cè)，圓形的環(huán)形脊波導(dǎo)10被弧線形波導(dǎo)半環(huán)繞，以增加耦合長(zhǎng)度，提高激光光束的輸出功率。在三個(gè)環(huán)形脊波導(dǎo)10的上表面和弧線形波導(dǎo)的上表面上設(shè)有上電極金屬層I。如圖5所示的實(shí)施例4，與實(shí)施例I不同的是，所述歐姆接觸層2、上包層3、激活層4、下包層5和緩沖層6形成環(huán)形脊波導(dǎo)10和耦合波導(dǎo)9。[0037]本實(shí)用新型的環(huán)形脊波導(dǎo)10和耦合波導(dǎo)9的刻蝕深度根據(jù)自身需要自行掌握，可以刻蝕某個(gè)層的一部分，也可以刻蝕多個(gè)層，但是至少應(yīng)刻蝕整個(gè)歐姆接觸層2和部分上包層3。環(huán)形脊波導(dǎo)10與耦合波導(dǎo)9之間的距離在IOOnm 300nm時(shí)，耦合效率最高，因此，為了保證耦合效率 ，環(huán)形脊波導(dǎo)10與耦合波導(dǎo)9之間的距離應(yīng)設(shè)置在這個(gè)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種基于環(huán)形諧振腔的多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器，其特征在于自下而上依次包括襯底層(7)、緩沖層(6)、下包層(5)、激活層(4)、上包層(3)和歐姆接觸層(2);所述激光器上設(shè)有至少由歐姆接觸層(2)與部分上包層(3)或全部上包層(3)共同形成的在正向偏壓下可產(chǎn)生激光光束的環(huán)形脊波導(dǎo)(10)以及在正向偏壓下可放大激光光束光功率的耦合波導(dǎo)(9)；所述環(huán)形脊波導(dǎo)(10)與激活層(4)組成環(huán)形諧振腔；所述環(huán)形脊波導(dǎo)(10)為ー個(gè)以上，各環(huán)形脊波導(dǎo)(10)的周長(zhǎng)互不相等；所述耦合波導(dǎo)(9)與環(huán)形脊波導(dǎo)(10)相鄰設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于環(huán)形諧振腔的多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述環(huán)形脊波導(dǎo)(10)由歐姆接觸層(2)和部分上包層(3)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于環(huán)形諧振腔的多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述環(huán)形脊波導(dǎo)(10)的形狀為圓形、跑道形、三角形或矩形；所述耦合波導(dǎo)(9)的形狀為直線形或弧線形。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于環(huán)形諧振腔的多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述環(huán)形脊波導(dǎo)(10)位于耦合波導(dǎo)(9)的ー側(cè)或兩側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于環(huán)形諧振腔的多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述激活層(4)采用量子阱結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于環(huán)形諧振腔的多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器，其特征在于在所述耦合波導(dǎo)(9)與環(huán)形脊波導(dǎo)(10)的上表面上均設(shè)有上電極金屬層(I )，在所述襯底層(7)的下表面上設(shè)有下電極金屬層(8)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于環(huán)形諧振腔的多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器，屬半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域。本實(shí)用新型自下而上依次包括襯底層、緩沖層、下包層、激活層、上包層和歐姆接觸層；所述激光器上設(shè)有至少由歐姆接觸層與部分上包層或全部上包層共同形成的在正向偏壓下可產(chǎn)生激光光束的環(huán)形脊波導(dǎo)以及在正向偏壓下可放大激光光束光功率的耦合波導(dǎo)；環(huán)形脊波導(dǎo)與激活層組成環(huán)形諧振腔；環(huán)形脊波導(dǎo)為一個(gè)以上，各環(huán)形脊波導(dǎo)的周長(zhǎng)互不相等；耦合波導(dǎo)與環(huán)形脊波導(dǎo)相鄰設(shè)置。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，容易與其他器件集成；簡(jiǎn)化了工藝，降低了成本；避免了多個(gè)單縱模激光器有源層的疊加，減小了材料生長(zhǎng)難度；激光光束的輸出路徑靈活可調(diào)且容易實(shí)現(xiàn)激光器的大規(guī)模集成。
文檔編號(hào)H01S5/22GK202395304SQ20122000222
公開日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者尹順政, 李獻(xiàn)杰, 蔡道民, 趙永林, 過帆, 齊利芳 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所