一種基于帶通濾波結(jié)構(gòu)的單縱模半導(dǎo)體激光器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供的一種基于帶通濾波結(jié)構(gòu)的單縱模半導(dǎo)體激光器，其橫向結(jié)構(gòu)即x-y截面所示的結(jié)構(gòu)為脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，由自下而上依次排列的N型電極(1)、襯底(2)、下包層(3)、下分別限制層(4)、應(yīng)變多量子阱有源層(5)、上分別限制層(6)、上包層(7)、上包層脊條部分(8)、P型電極(9)組成；其縱向結(jié)構(gòu)即沿z方向所示的結(jié)構(gòu)是由普通的FP腔(10)和位于該腔內(nèi)的一個(gè)帶通濾波單元(11)組成，該帶通濾波單元設(shè)有斜槽。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作工藝簡(jiǎn)單和制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，可滿(mǎn)足G/10GPON-FTTH網(wǎng)絡(luò)中ONU應(yīng)用對(duì)高成品率、低成本單縱模激光器的要求。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于帶通濾波結(jié)構(gòu)的單縱模半導(dǎo)體激光器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光器，特別是一種基于帶通濾波結(jié)構(gòu)單縱模半導(dǎo)體激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖到戶(hù)(FTTH)網(wǎng)絡(luò)中光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)的所有成本，需要由單個(gè)用戶(hù)承擔(dān)，因此，在ONU中使用低成本的光電器件對(duì)該技術(shù)的普及發(fā)展至關(guān)重要。參見(jiàn)文 獻(xiàn)[I](W.P.Huang, X.Li,et al., Invited tutorial IEEE/0SA J.0f LightwaveTechnol.，25(1)，11-27，2007.)，在ONU中所涉及到的各個(gè)光電器件成本中，光源(激光器)占了最大的份額(激光器成本是整個(gè)ONU成本的70%左右)。于是，研制低成本又能滿(mǎn)足FTTH網(wǎng)絡(luò)中ONU對(duì)光源性能要求的半導(dǎo)體激光器是關(guān)系到能否使FTTH網(wǎng)絡(luò)迅速普及推廣的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
[0003]制作成本低而成品率高的Fabry-Perot (FP)腔半導(dǎo)體激光器是多縱模工作的，這使得其無(wú)法用于以吉比特及10吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)(G/10GP0N)技術(shù)所構(gòu)建的FTTH網(wǎng)絡(luò)。各類(lèi)依賴(lài)光柵結(jié)構(gòu)例如分布反饋(DFB)或分布Bragg反射(DBR)以及外腔結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器盡管以單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)，因而可以滿(mǎn)足G/10GP0N-FTTH網(wǎng)絡(luò)中對(duì)ONU的光源性能要求，但其制作成本高，成品率比FP腔激光器低得多。并且這類(lèi)激光器一般在使用時(shí)還必須采用光隔離器以避免由出光端面反射進(jìn)入的外部光影響單模工作的穩(wěn)定性，從而進(jìn)一步增加了成本。
[0004]國(guó)內(nèi)外對(duì)動(dòng)態(tài)單縱模激光器的研究歷史長(zhǎng)久，成果眾多。歸納起來(lái)，單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)主要有三種途徑，即通過(guò)耦合腔(包括外腔)結(jié)構(gòu)、DFB結(jié)構(gòu)及DBR結(jié)構(gòu)。
[0005]由文獻(xiàn)[2] (N.0lsson, and ff.Tsang, United States Patent4785454, 1988.)、文獻(xiàn)[3] (L.Coldren, and T.Koch, IEEE/0SA J.0f Lightwave Technol., 2, 1045-1051，1984.)以及文獻(xiàn)[4] (Yin Wang, Youguang Yang, Sen Zhang, Lei Wang, and Jian-Jun He, IEEE/OSA J.0f Lightwave Technol.，24 (14)，1233-1235，2012.)可知，耦合腔結(jié)構(gòu)激光器對(duì)腔長(zhǎng)等器件參數(shù)的控制要求極為嚴(yán)格。例如文獻(xiàn)[4]利用兩個(gè)垂直于脊波導(dǎo)的直槽形成耦合腔結(jié)構(gòu)，其總腔長(zhǎng)的精度無(wú)法通過(guò)普通的管芯解理工藝保證而需采用復(fù)雜的刻蝕工藝形成器件的兩個(gè)端面。此外，此類(lèi)器件封裝或偏置的復(fù)雜性也會(huì)導(dǎo)致高成本及低可靠性。報(bào)道DFB激光器也有許多種類(lèi)，依其光柵設(shè)計(jì)的不同可分為:折射率耦合均勻光柵型(參見(jiàn)文獻(xiàn)[5], H.Kogelnik, and C.Shank, App1.Phys.Lett., 18 ⑷，152-154，1971)，折射率耦合相移光柵型(參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]，H.Haus, and C.Shank, IEEE J.0f QuantumElectron.，12 (9)，532-540，1976.)，以及折射率/增益混合耦合型(參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]，Y.Luoet al.，Appl.Phys.Lett.，56，1620-1622，1990.)。與 FP 腔內(nèi)光在到達(dá)端面前左、右行波之間獨(dú)立傳輸而互不干涉不同，DFB腔內(nèi)的兩個(gè)相向行波因受光柵的部分反射而邊傳播邊耦合，通過(guò)光柵設(shè)計(jì)，相位匹配的條件可被控制而達(dá)成單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，制作最簡(jiǎn)單的折射率耦合均勻光柵DFB激光器本質(zhì)上是雙模工作的。為避免雙模激射，對(duì)此種激光器的兩端必需加以非對(duì)稱(chēng)鍍膜以破壞其結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性(參見(jiàn)文獻(xiàn)[8], ff.Streifer, R.Burnham, andD.Scifres, IEEE J.0f Quantum Electron.，11 (4)，154-161，1975.)。然而，由于器件端面解理位置的不確定性以及器件的制作工藝問(wèn)題，該器件單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的成品率只有20%~30%。采用1/4波長(zhǎng)相移光柵(參見(jiàn)文獻(xiàn)[6])后，單模運(yùn)轉(zhuǎn)可以直接達(dá)成。盡管以此種結(jié)構(gòu)為代表的DFB激光器是目前最為成熟的動(dòng)態(tài)單縱模激光器產(chǎn)品，但其光柵制作較為復(fù)雜，并且該器件在性能上仍有下述缺點(diǎn):
[0006](I)由后端面發(fā)射的光(占總光功率的50% )因無(wú)法利用而被浪費(fèi)；
[0007](2)對(duì)外部光反饋極為敏感。
[0008]此外，折射率/增益混合耦合型光柵結(jié)構(gòu)通過(guò)破壞光譜中Bragg波長(zhǎng)兩側(cè)模式的增益或損耗對(duì)稱(chēng)性而抑制一邊的模式，從而可實(shí)現(xiàn)單模運(yùn)轉(zhuǎn)。盡管對(duì)此結(jié)構(gòu)的優(yōu)秀特性及高成品率有過(guò)許多報(bào)道，這種激光器卻一直未能成為流行產(chǎn)品，通常認(rèn)為其主要原因是折射率/增益混合耦合型光柵結(jié)構(gòu)的介入會(huì)引起器件的可靠性問(wèn)題。參見(jiàn)文獻(xiàn)[9] (Z.Fan, P.Heim, J.Song, M.Dagenais, et al.，Proc.SPIE3491, 185-188，1998)，該文獻(xiàn)公布的 DBR 激光器利用了無(wú)源的Bragg光柵作為激光器的端面反射器以替代FP腔中的鏡面反射。一旦Bragg光柵反射帶被設(shè)計(jì)為只有一個(gè)FP腔模落入其內(nèi)，單模運(yùn)轉(zhuǎn)條件即可達(dá)成。然而，DBR結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于:(I)需要無(wú)源光柵波導(dǎo)與有源區(qū)波導(dǎo)的單片集成對(duì)接生長(zhǎng)技術(shù)；(2)無(wú)源光柵區(qū)必需具有一定長(zhǎng)度以達(dá)到要求的邊模抑制比。
[0009]現(xiàn)行的G/10GP0N-FTTH網(wǎng)絡(luò)中ONU的光源普遍采用基于折射率耦合均勻光柵DFB激光器，目前主要存在成品率低及成本高的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明所要解 決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種基于帶通濾波結(jié)構(gòu)的單縱模半導(dǎo)體激光器，以滿(mǎn)足G/10GP0N-FTTH網(wǎng)絡(luò)中ONU應(yīng)用對(duì)高成品率、低成本單縱模激光器的要求。
[0011]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用以下的技術(shù)方案:
[0012]本發(fā)明提供的基于帶通濾波結(jié)構(gòu)的單縱模半導(dǎo)體激光器，其橫向結(jié)構(gòu)即x-y截面所示的結(jié)構(gòu)為脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，由自下而上依次排列的N型電極、襯底、下包層、下分別限制層、應(yīng)變多量子阱有源層、上分別限制層、上包層、上包層脊條部分、P型電極組成；其縱向結(jié)構(gòu)即沿z方向所示的結(jié)構(gòu)是由普通的FP腔和位于該腔內(nèi)的一個(gè)帶通濾波單元組成，該帶通濾波單元設(shè)有斜槽。
[0013]所述的帶通濾波單元由兩個(gè)斜槽，以及兩個(gè)斜槽兩側(cè)未刻蝕的脊條部分組成。
[0014]所述兩個(gè)斜槽具有相同的結(jié)構(gòu)尺寸，并且滿(mǎn)足:
[0015]1)槽寬/? = (2々 + 1)^^彳=0,1,2,…… 公式(I)
[0016]其中:λ。為激射模式在真空中的波長(zhǎng)，Ii2為斜槽內(nèi)部即向下刻蝕區(qū)域內(nèi)的有效折射率；
[0017]2)兩個(gè)斜槽的間=招=0，1，2，……公式(2)
[0018]其中:λ。為激射模式在真空中的波長(zhǎng)，ηι為斜槽外部脊條部分即未向下刻蝕的脊條區(qū)域的有效折射率。
[0019]所述的兩個(gè)斜槽是從上包層脊條部分的頂部向下刻蝕形成；所述的兩個(gè)斜槽刻蝕的深度可根據(jù)器件單模特性的要求和工藝條件確定，通?？梢钥涛g至上包層脊條部分以下、襯底以上。
[0020]所述的兩個(gè)斜槽與y方向具有一定夾角Θ，也即斜槽與光在所述單縱模半導(dǎo)體激光器內(nèi)的傳播方向不垂直；對(duì)于不同的材料體系以及所述單縱模半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)尺寸，Θ的最佳設(shè)計(jì)值不同，取值范圍為3° < Θ < 10°。
[0021]所述的兩個(gè)斜槽由普通光刻加刻蝕工藝制作形成；斜槽內(nèi)部為空氣,或填充包括二氧化硅的低折射率絕緣材料。
[0022]所述的帶通濾波單元為無(wú)源結(jié)構(gòu)，即不對(duì)該單元制作獨(dú)立電極；所述的單縱模半導(dǎo)體激光器運(yùn)行時(shí)，工作電流僅從帶通濾波單元之外的普通的FP腔的電極注入。
[0023]本發(fā)明提供的上述單縱模半導(dǎo)體激光器，其用途是:滿(mǎn)足G/10GP0N-FTTH網(wǎng)絡(luò)中ONU應(yīng)用對(duì)高成品率、低成本單縱模激光器的要求。
[0024]本發(fā)明激光器與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的主要優(yōu)點(diǎn):
[0025]1.所提供的激光器的制作工藝步驟與已成熟的普通脊波導(dǎo)條形FP腔半導(dǎo)體激光器的制作工藝步驟一致，不需要進(jìn)行光柵制作。所提供的激光器制作成本較現(xiàn)有基于DFB/DBR結(jié)構(gòu)的器件大大降低。而所提供的激光器輸出的單模特性與現(xiàn)有的基于光柵結(jié)構(gòu)的DFB/DBR激光器相當(dāng)。
[0026]2.帶通濾波單元11為無(wú)源結(jié)構(gòu)，無(wú)電流注入，因而無(wú)需對(duì)濾波單元制作獨(dú)立電極。本激光器電極制作簡(jiǎn)單，并且工作控制簡(jiǎn)單。
[0027]3.本激光器的工作不基于耦合腔原理，對(duì)本激光器的總腔長(zhǎng)以及帶通濾波單元11離端面的距離無(wú)嚴(yán)格要求，因而本激光器端面可采用普通的管芯解理工藝完成。
[0028]5.由于本激光器不包含光柵結(jié)構(gòu)，激射模式對(duì)端面相位條件不敏感，外部反饋光對(duì)單模運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定度影響小，因而這種激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且在使用中不需要光隔離器。
[0029]6.由于本激光器不包含光柵結(jié)構(gòu)，因而這種激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且不存在由光柵在端面處的隨機(jī)相位導(dǎo)致的成品率下降問(wèn)題。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1為本發(fā)明激光器的立體示意圖。
[0031]圖2為本發(fā)明主要?jiǎng)?chuàng)新部件帶通濾波單元的y_z面俯視圖及帶通濾波單元的工作原理示意。
[0032]圖3為本發(fā)明激光器的工作原理示意圖。
[0033]圖4是未采用本發(fā)明所提供的技術(shù)的激光器輸出光功率譜圖。
[0034]圖5是采用了本發(fā)明所提供的技術(shù)的激光器輸出光功率譜圖。
[0035]圖6為未采用本發(fā)明所提供的技術(shù)的激光器輸出“功率-電流-電壓”曲線(xiàn)。
[0036]圖7為采用了本發(fā)明所提供的技術(shù)的激光器輸出“功率-電流-電壓”曲線(xiàn)。
[0037]圖中:1.N型電極；2.襯底；3.下包層；4.下分別限制層；5.應(yīng)變多量子阱有源層；6.上分別限制層；7.上包層；8.上包層脊形部分；9.P型電極；10.普通FP腔；11.帶通濾波單元；12.斜槽；13.斜槽；14.帶通濾波單元11內(nèi)上包層脊條未刻蝕部分。
【具體實(shí)施方式】[0038]本發(fā)明提供的基于帶通濾波結(jié)構(gòu)單縱模半導(dǎo)體激光器，通過(guò)在FP腔半導(dǎo)體激光器中插入一個(gè)由雙斜槽構(gòu)成的帶通濾波單元，利用該單元對(duì)傳播光場(chǎng)的諧振隧穿效應(yīng)，使該單元的透射譜具有帶通濾波特性，從而實(shí)現(xiàn)FP腔半導(dǎo)體激光器的單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。本發(fā)明提供的器件具有類(lèi)似于DFB激光器的特性，但只需要類(lèi)似于FP激光器的制作工藝和成本，并具有類(lèi)似于FP激光器的成品率。因而可以解決G/10GP0N-FTTH網(wǎng)絡(luò)中ONU光源現(xiàn)存的主要問(wèn)題。
[0039]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不限定本發(fā)明。
[0040]本發(fā)明提供的基于帶通濾波結(jié)構(gòu)的單縱模半導(dǎo)體激光器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)器件)，其結(jié)構(gòu)如附圖1所示，其橫向結(jié)構(gòu)(x-y截面)為脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，由自下而上依次排列的N型電極1、襯底2、下包層3、下分別限制層4、應(yīng)變多量子阱有源層5、上分別限制層6、上包層7、上包層脊條部分8、P型電極9組成；其縱向結(jié)構(gòu)(z方向)由普通FP(Fabry-Perot)腔10和位于該腔內(nèi)的一個(gè)帶通濾波單元11組成。
[0041]本發(fā)明器件中的編號(hào)2至編號(hào)8的部件可以采用任何用于半導(dǎo)體激光器制作的三五族半導(dǎo) 體材料體系，例如但不局限于:
[0042]所述襯底2和下包層3可采用砷化鎵、磷化銦。
[0043]所述下分別限制層4和上分別限制層6可采用銦鎵砷、銦鎵砷磷、鋁鎵銦砷。
[0044]所述有源層5可采用銦鎵砷、銦鎵砷磷、鋁鎵銦砷。
[0045]所述上包層7和上包層脊條部分8可采用砷化鎵、磷化銦。
[0046]本發(fā)明器件中的N型電極I和P型電極9為金屬電極層,例如但不局限于:
[0047]所述N型電極I可采用鈦、鉬、金三種金屬自下而上疊加而成。
[0048]所述P型電極9為金、鍺、鎳三種金屬自下而上疊加而成。
[0049]本發(fā)明器件中的FP腔10的縱向腔長(zhǎng)為220 μ m，兩端面為自然解理面。
[0050]本發(fā)明器件中的帶通濾波單元11為本發(fā)明的關(guān)鍵創(chuàng)新部件，沿z方向處于普通FP腔10的中間或該腔的其它部位。該帶通濾波單元由上包層脊條部分8的頂部向下方(沿-X方向)刻蝕形成的斜槽12、斜槽13，以及此兩個(gè)斜槽兩側(cè)未刻蝕的脊條部分14組成。該帶通濾波單元沿z方向的長(zhǎng)度需小于激光器沿z方向總腔長(zhǎng)的1/10，以減小光場(chǎng)的損耗，保證未加注入的帶通濾波單元在形成單縱模激射的同時(shí)，對(duì)激光器的其它性能幾乎不產(chǎn)生影響。例如，對(duì)于總腔長(zhǎng)為220 μ m的激光器，帶通濾波單元長(zhǎng)度在22 μ m以?xún)?nèi)。
[0051]所述帶通濾波單元為無(wú)源結(jié)構(gòu)，無(wú)電流注入，即不對(duì)該單元制作獨(dú)立電極。器件運(yùn)行時(shí)，工作電流僅從帶通濾波單元11之外的FP腔的電極注入。
[0052]所述斜槽12和斜槽13通過(guò)在上包層脊條部分8的頂部采用普通光刻加刻蝕工藝制備完成，斜槽內(nèi)部可為空氣或填充包括二氧化硅的低折射率絕緣材料。
[0053]所述斜槽12和斜槽13具有相同的結(jié)構(gòu)尺寸，并且滿(mǎn)足:
[0054]1)槽寬6 = (2々 + 1).￡^,女=0,1,2,……公式(I)
[0055]公式(I)中:λ。為激射模式在真空中的波長(zhǎng)，Ii2為斜槽內(nèi)部即向下刻蝕區(qū)域內(nèi)的有效折射率?？芍?，斜槽寬b由器件設(shè)計(jì)所要求的激射波長(zhǎng)λ ^、構(gòu)成器件的材料體系以及器件制作的工藝水平共同決定。[0056]2)兩個(gè)斜槽的間距
【權(quán)利要求】
1.一種基于帶通濾波結(jié)構(gòu)的單縱模半導(dǎo)體激光器，其特征在于其橫向結(jié)構(gòu)即x-y截面所示的結(jié)構(gòu)為脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，由自下而上依次排列的N型電極(I)、襯底(2)、下包層(3)、下分別限制層(4)、應(yīng)變多量子阱有源層(5)、上分別限制層(6)、上包層(7)、上包層脊條部分(8)、P型電極(9)組成；其縱向結(jié)構(gòu)即沿z方向所示的結(jié)構(gòu)是由普通的FP腔(10)和位于該腔內(nèi)的一個(gè)帶通濾波單元(11)組成，該帶通濾波單元設(shè)有斜槽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單縱模半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述的帶通濾波單元(11)由兩個(gè)斜槽，以及兩個(gè)斜槽兩側(cè)未刻蝕的脊條部分(14)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單縱模半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述兩個(gè)斜槽具有相同的結(jié)構(gòu)尺寸，并且滿(mǎn)足: 1)槽寬
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單縱模半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述的兩個(gè)斜槽是從上包層脊條部分(8)的頂部向下刻蝕形成；所述的兩個(gè)斜槽刻蝕的深度可根據(jù)器件單模特性的要求和工藝條件確定，通?？梢钥涛g至上包層脊條部分(8)以下，襯底(2)以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單縱模半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述的兩個(gè)斜槽與I方向具有一定夾角Θ，也即斜槽與光在所述單縱模半導(dǎo)體激光器內(nèi)的傳播方向不垂直；對(duì)于不同的材料體系以及所述單縱模半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)尺寸，Θ的最佳設(shè)計(jì)值不同，取值范圍為 3。< Θ < 10°。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單縱模半導(dǎo)體激光器，其特征在于兩個(gè)斜槽由普通光刻加刻蝕工藝制作形成；斜槽內(nèi)部為空氣，或填充包括二氧化硅的低折射率絕緣材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單縱模半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述的帶通濾波單元(11)為無(wú)源結(jié)構(gòu)，即不對(duì)該單元制作獨(dú)立電極；所述的單縱模半導(dǎo)體激光器運(yùn)行時(shí)，工作電流僅從帶通濾波單元(11)之外的普通的FP腔(10)的電極注入。
8.權(quán)利要求1至7中任一權(quán)利要求所述單縱模半導(dǎo)體激光器的用途，其特征在于該單縱模半導(dǎo)體激光器滿(mǎn)足G/10GP0N-FTTH網(wǎng)絡(luò)中ONU應(yīng)用對(duì)高成品率、低成本單縱模激光器的要求。
【文檔編號(hào)】H01S5/10GK103986063SQ201410205796
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】李洵, 奚燕萍, 韓林, 周寧 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)