本發(fā)明涉及脊型激光器，尤其涉及一種小發(fā)散角脊型激光器及其制作方法。

背景技術(shù)：

以半導(dǎo)體技術(shù)為基礎(chǔ)的芯片技術(shù)成就了當(dāng)今信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，使我們獲取和交換信息的能力大大加強(qiáng)。在信息化時代中，信息的傳遞和獲取對每個人和集體來說都是至關(guān)重要的，對信息的需求越來越高，需要更高的傳輸速度、更廣泛的獲取范圍、更長的使用時間。但是隨著光纖入戶、光纖入村等實際需求及未來新型設(shè)備或者其他可能的需求，在信息網(wǎng)絡(luò)中的ONU（Optical Network Unit既光網(wǎng)絡(luò)單元）、OLT（Optical Line Terminal既光纖路終端）等設(shè)備的使用量及要求會越來越高，對設(shè)備模塊中的最核心的光芯片會提出更高的要求。

光芯片包括發(fā)射端和接收端，其中對發(fā)射端的主要要求是功率高、光束質(zhì)量好等等。在光芯片發(fā)射端的使用中，需要對光芯片進(jìn)行封裝，封裝過程中需要使用透鏡，其主要目的是為了對光束進(jìn)行約束，使光耦合進(jìn)光纖中的耦合效率提高。

如果能降低光束的發(fā)散角，那么我們可以得到更集中的光束，光耦合進(jìn)光纖中的耦合效率就更高，提高了后續(xù)工藝的容差。除此之外，具有小垂直發(fā)散角的半導(dǎo)體激光器在激光泵浦、 光纖耦合、 光學(xué)存儲以及光互連等許多實際應(yīng)用中有著十分重要的意義。

現(xiàn)有的量子阱半導(dǎo)體激光器閾值較低、效率較高、可以高功率輸出，但是快軸和慢軸光場不對稱，并且由于衍射效應(yīng)，快軸方向光束發(fā)散角較大，約為40°（半高全寬），遠(yuǎn)大于水平方向發(fā)散角（8°~12°），快慢軸的不對稱，不利于光束的調(diào)整，降低了光纖耦合效率，限制及影響了它的很多領(lǐng)域的使用。

為了實現(xiàn)脊型半導(dǎo)體激光器小發(fā)散角的目的，需要對光芯片進(jìn)行改進(jìn)，最典型和常用的改進(jìn)方式是對波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，例如極窄波導(dǎo)、極寬波導(dǎo)、加入模式擴(kuò)展波導(dǎo)、大光腔、非對稱包層、非對稱脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等。目前通常采用的典型結(jié)構(gòu)有兩種類型：一為大光腔，引入一個折射率略大的波導(dǎo)層，增大了諧振腔的垂直方向上的寬度和出光面積；二為漸變結(jié)構(gòu)，細(xì)分為整體漸變，出光口收窄結(jié)構(gòu)和增益區(qū)不變，出光口收窄漸變結(jié)構(gòu)。大光腔需要對外延結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，并且在減小發(fā)散角的同時容易引入高階模式激射的因素，不能使垂直發(fā)散角繼續(xù)減小，并且會提高閾值電流；而出光口收窄結(jié)構(gòu)通過減小近場光斑尺寸來獲得小的垂直發(fā)散角，垂直發(fā)散角會有一定程度的降低，但是由于發(fā)光面積的減小，使半導(dǎo)體激光器的總輸出功率不高，對我們的整體使用時的主要參數(shù)有影響。

因此我們需要設(shè)計一種新的小發(fā)散角脊型激光器及其制作方法，以解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種小發(fā)散角脊型激光器及其制作方法，旨在用于解決現(xiàn)有的小發(fā)散角脊型激光器需要對外延結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整并且會提高閾值電流以及總輸出功率不高的問題。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：

本發(fā)明提供一種小發(fā)散角脊型激光器，包括外延結(jié)構(gòu)以及形成于外延結(jié)構(gòu)上的脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括沿出光方向依次設(shè)置的平行增益區(qū)和光場模式擴(kuò)展區(qū)，所述光場模式擴(kuò)展區(qū)的寬度沿著出光方向逐漸增加，所述光場模式擴(kuò)展區(qū)的較窄端與所述平行增益區(qū)相連且寬度與所述平行增益區(qū)的寬度相等，所述平行增益區(qū)的長度為100-300um，所述光場模式擴(kuò)展區(qū)的長度為10~150um。

進(jìn)一步地，所述脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)還包括與所述光場模式擴(kuò)展區(qū)的較寬端連接的光場模式穩(wěn)定及束縛區(qū)，所述光場模式穩(wěn)定及束縛區(qū)的寬度與所述光場模式擴(kuò)展區(qū)的較寬端的寬度一致，所述光場模式穩(wěn)定及束縛區(qū)的長度為10~150um。

進(jìn)一步地，所述平行增益區(qū)的寬度為1-3um。

進(jìn)一步地，所述光場模式穩(wěn)定及束縛區(qū)的寬度為4-10um。

進(jìn)一步地，所述外延結(jié)構(gòu)從下往上依次包括：銦磷襯底、N型銦磷層、N型銦鋁砷層、本征漸變的銦鋁砷層、鋁鎵銦砷/銦磷有源層、本征漸變的銦鋁砷層、本征銦鋁砷層、P性銦磷層、P性銦鎵砷磷層、P型銦磷層、P型銦鎵砷磷層、P型銦鎵砷層。

本發(fā)明還提供一種小發(fā)散角脊型激光器的制作方法，包括以下步驟：

步驟1：制作脊波導(dǎo)光刻板；

步驟2：采用脊波導(dǎo)光刻板對外延片進(jìn)行光刻，形成脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括沿出光方向依次設(shè)置的平行增益區(qū)和光場模式擴(kuò)展區(qū)，所述光場模式擴(kuò)展區(qū)的寬度沿著出光方向逐漸增加，所述光場模式擴(kuò)展區(qū)的較窄端與所述平行增益區(qū)相連且寬度與所述平行增益區(qū)的寬度相等，所述平行增益區(qū)的長度為100-300um，所述光場模式擴(kuò)展區(qū)的長度為10~150um；

步驟3：采用PECVD設(shè)備在外延片上生長SiO2；

步驟4：采用套刻工藝，完成脊條電注入?yún)^(qū)域的光刻；

步驟5：通過干法刻蝕，將脊條電注入?yún)^(qū)域上的SiO2刻蝕掉，并使用KOH溶液，清洗掉表面的光刻膠；

步驟6：對脊條上表面進(jìn)行光刻，并在外延片上表面蒸鍍TiPtAu作為P面電極；

步驟7：使用研磨機(jī)，將襯底減薄至50~200um；

步驟8：在襯底底面蒸鍍TiPtAu作為N面電極；

步驟9：合金，使鈦鉑金與半導(dǎo)體形成歐姆接觸；

步驟10：解理成單個管芯并進(jìn)行封裝。

進(jìn)一步地，所述步驟2中，所述脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)還包括與所述光場模式擴(kuò)展區(qū)的較寬端連接的光場模式穩(wěn)定及束縛區(qū)，所述光場模式穩(wěn)定及束縛區(qū)的寬度與所述光場模式擴(kuò)展區(qū)的較寬端的寬度一致，所述光場模式穩(wěn)定及束縛區(qū)的長度為10~150um。

進(jìn)一步地，所述步驟2具體包括：

（1）SiO2生長：采用PECVD設(shè)備在外延片上生長SiO2；

（2）脊條光刻：采用脊波導(dǎo)光刻板進(jìn)行光刻；

（3）SiO2干法刻蝕：通過干法刻蝕，將脊條溝槽上的SiO2刻蝕掉；

（4）膠膜清洗：使用KOH溶液，清洗掉表面的光刻膠；

（5）InP干法刻蝕：通過干法刻蝕，將脊條溝槽上的InGaAsP及InP刻蝕0.2~2um；

（6）InP濕法刻蝕：通過腐蝕液進(jìn)行濕法腐蝕，制備脊型，腐蝕深度0.2~2um；

（7）去除SiO2：將wafer靜置在BOE中，去除表面的SiO2。

進(jìn)一步地，所述步驟3與所述步驟4之間還包括以下步驟：

解理區(qū)光刻：采用解理區(qū)光刻板，進(jìn)行解理區(qū)光刻；

解理區(qū)制備：通過濕法腐蝕，腐蝕掉解理區(qū)的SiO2，得到解理區(qū)；

膠膜清洗：使用KOH溶液，清洗掉表面的光刻膠。

進(jìn)一步地，所述步驟9與所述步驟10之間還包括以下步驟：

腔面鍍膜：增透膜反射率范圍為10%~15%，增反膜反射率范圍為90%~98%。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明提供的這種小發(fā)散角脊型激光器及其制作方法，不需要對外延結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，不需要引入新的外延工藝和工藝過程，保證了簡化工藝流程的目的；該小發(fā)散角脊型激光器具有一個較窄的平行增益區(qū)，因此可以控制閾值電流不會有較大的提高，對閾值電流的影響較??；在出光口位置，提供了一種較大的出光面積，不會限制半導(dǎo)體激光器的輸出功率，對輸出功率有10%以上的提高，對使用時的主要參數(shù)性能有一定的提高，對于發(fā)散角有一定改善，對光場的約束能力更強(qiáng)，能量密度更為集中，在后期的使用中，更便于耦合，能提供更高的耦合功率和更大的耦合容差，允許使用小球進(jìn)行耦合。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種小發(fā)散角脊型激光器的俯視圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的一種小發(fā)散角脊型激光器出光面的解剖圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的一種小發(fā)散角脊型激光器背光面的解剖圖；

附圖標(biāo)記說明：1-外延結(jié)構(gòu)、2-脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、3-平行增益區(qū)、4-光場模式擴(kuò)展區(qū)、5-光場模式穩(wěn)定及束縛區(qū)、6-P面電極、7-有源層、8-SiO2鈍化層。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1至圖3所示，本發(fā)明實施例提供一種小發(fā)散角脊型激光器，包括外延結(jié)構(gòu)1以及形成于外延結(jié)構(gòu)1上的脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2，所述脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2包括沿出光方向依次設(shè)置的平行增益區(qū)3和光場模式擴(kuò)展區(qū)4，所述平行增益區(qū)3用于提供增益，所述光場模式擴(kuò)展區(qū)4的寬度沿著出光方向逐漸增加，用于實現(xiàn)較大的出光面積、實現(xiàn)較好的發(fā)散角以及提高功率，所述光場模式擴(kuò)展區(qū)4的較窄端與所述平行增益區(qū)3相連且寬度與所述平行增益區(qū)3的寬度相等，所述平行增益區(qū)3的長度為100-300um，所述光場模式擴(kuò)展區(qū)4的長度為10~150um，從而實現(xiàn)較好的小發(fā)散角效果。

本優(yōu)選實施例中，所述脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2還包括與所述光場模式擴(kuò)展區(qū)4的較寬端連接的光場模式穩(wěn)定及束縛區(qū)5，所述光場模式穩(wěn)定及束縛區(qū)5的寬度與所述光場模式擴(kuò)展區(qū)4的較寬端的寬度一致，用于使出光面積在一個合適范圍內(nèi)，并使發(fā)散角束縛在出光方向，所述光場模式穩(wěn)定及束縛區(qū)5的長度為10~150um。

作為優(yōu)選地，所述平行增益區(qū)3的寬度為1-3um，所述光場模式穩(wěn)定及束縛區(qū)5的寬度為4-10um，此范圍下的激光器性能較佳。

本實施例中，所述外延結(jié)構(gòu)1從下往上依次包括：銦磷襯底、N型銦磷層、N型銦鋁砷層、本征漸變的銦鋁砷層、鋁鎵銦砷/銦磷有源層7、本征漸變的銦鋁砷層、本征銦鋁砷層、P性銦磷層、P性銦鎵砷磷層、P型銦磷層、P型銦鎵砷磷層、P型銦鎵砷層。在其他實施例中，所述外延結(jié)構(gòu)1不限于此。所述外延結(jié)構(gòu)1的上表面覆蓋有一層SiO2鈍化層8，在制作過程中所述脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2上表面的SiO2鈍化層已被刻蝕掉，且在所述脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2上表面及四周側(cè)壁制作有一P面電極6，所述外延結(jié)構(gòu)1的下表面制作有一N面電極。

本發(fā)明提供的這種小發(fā)散角脊型激光器，在出光方向有一個漸漸變大的然后保持一定長度平行的脊結(jié)構(gòu)，在出光口位置，提供了一種較大的出光面積，由于半導(dǎo)體激光器的垂直發(fā)散角是通過近場光斑的傅里葉變換得到的，近場光斑尺寸有兩個區(qū)間，在一定范圍內(nèi)減小時，會使垂直發(fā)散角減小，超過這個范圍，近場光斑尺寸增大時，也會使垂直發(fā)散角減小，本發(fā)明與極寬波導(dǎo)相比，由于有一個平行增益區(qū)，不會使閾值電流密度有較大變化；第二本發(fā)明沒有引入一個折射率略大的波導(dǎo)層，避免引入了高階模式激射的因素，并且不會因為光場的擴(kuò)展導(dǎo)致光限制因子減小，使閾值電流密度上升；第三本發(fā)明沒有使用光口收窄結(jié)構(gòu)來減小近場光斑尺寸來獲得校的發(fā)散角，不會使出光功率降低。另外，本發(fā)明不需要對現(xiàn)有脊型激光器的外延結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，制作時不需要引入新的外延工藝。

本發(fā)明還提供一種小發(fā)散角脊型激光器的制作方法，包括以下步驟：

步驟1：制作脊波導(dǎo)光刻板；通過脊波導(dǎo)光刻板實現(xiàn)我們想要的結(jié)構(gòu)，脊波導(dǎo)光刻板的光芯片尺寸在150um*150um至300um*300um之間，利用其光刻形成的脊條的寬度在1um~5um之間，平行增益區(qū)的長度在100~300um之間，光場模式擴(kuò)展區(qū)的長度在10~150um之間；

步驟2：采用脊波導(dǎo)光刻板對外延片進(jìn)行光刻，形成脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括沿出光方向依次設(shè)置的平行增益區(qū)和光場模式擴(kuò)展區(qū)，所述光場模式擴(kuò)展區(qū)的寬度沿著出光方向逐漸增加，所述光場模式擴(kuò)展區(qū)的較窄端與所述平行增益區(qū)相連且寬度與所述平行增益區(qū)的寬度相等，所述平行增益區(qū)的長度為100-300um，所述光場模式擴(kuò)展區(qū)的長度為10~150um；

進(jìn)一步地，所述步驟2具體包括：

（1）SiO2生長：采用PECVD設(shè)備在外延片上生長SiO2；為了在脊條的制作過程中保護(hù)脊條，SiO2層需要選擇合適的厚度。

（2）脊條光刻：采用脊波導(dǎo)光刻板進(jìn)行光刻；為了在下一步SiO2層的干法刻蝕過程中保護(hù)脊條上的SiO2不被刻蝕并且刻蝕的精確性，需要選擇合適厚度的光刻膠。

（3）SiO2干法刻蝕：通過干法刻蝕，將脊條溝槽上的SiO2刻蝕掉；

（4）膠膜清洗：使用KOH溶液，清洗掉表面的光刻膠；

（5）InP干法刻蝕：通過干法刻蝕，將脊條溝槽上的InGaAsP及InP刻蝕0.2~2um；

（6）InP濕法刻蝕：通過腐蝕液進(jìn)行濕法腐蝕，制備脊型，腐蝕深度0.2~2um；

（7）去除SiO2：將wafer靜置在BOE中，去除表面的SiO2。

步驟3：采用PECVD設(shè)備在外延片上生長SiO2；

步驟4：采用套刻工藝，完成脊條電注入?yún)^(qū)域的光刻；

其中步驟4不需要在外延片表面涂抹HMDS，能夠保證性能。

步驟5：通過干法刻蝕，將脊條電注入?yún)^(qū)域上的SiO2刻蝕掉，并使用KOH溶液，清洗掉表面的光刻膠；

步驟6：對脊條上表面進(jìn)行光刻，在外延片上表面蒸鍍TiPtAu作為P面電極，然后進(jìn)行金屬淀積、剝離清洗；

步驟7：使用研磨機(jī)，將襯底減薄至50~200um；

步驟8：在襯底底面蒸鍍TiPtAu作為N面電極；

步驟9：合金，使鈦鉑金與半導(dǎo)體形成歐姆接觸；

步驟10：bar條測試激光器單管的LIV曲線特性，挑選出特性正常的管芯，解理成單個管芯并進(jìn)行封裝。

作為優(yōu)選地，所述步驟10之后還需測試激光器性能。

作為優(yōu)選地，所述步驟2中，所述脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)還包括與所述光場模式擴(kuò)展區(qū)的較寬端連接的光場模式穩(wěn)定及束縛區(qū)，所述光場模式穩(wěn)定及束縛區(qū)的寬度與所述光場模式擴(kuò)展區(qū)的較寬端的寬度一致，所述光場模式穩(wěn)定及束縛區(qū)的長度為10~150um。

作為優(yōu)選地，所述步驟3與所述步驟4之間還包括以下步驟：

解理區(qū)光刻：采用解理區(qū)光刻板，進(jìn)行解理區(qū)光刻；

解理區(qū)制備：通過濕法腐蝕，腐蝕掉解理區(qū)的SiO2，得到解理區(qū)；

膠膜清洗：使用KOH溶液，清洗掉表面的光刻膠。

作為優(yōu)選地，所述步驟9與所述步驟10之間還包括以下步驟：

腔面鍍膜：增透膜反射率范圍為10%~15%，優(yōu)選為12.65%，增反膜反射率范圍為90%~98%，優(yōu)選為96%。

本發(fā)明提供的這種小發(fā)散角脊型激光器的制作方法，通過光刻板實現(xiàn)我們想要的小發(fā)散角脊型激光器的結(jié)構(gòu)，制得的小發(fā)散角脊型激光器擁有較窄的平行增益區(qū)、擁有一個逐漸變寬的光場擴(kuò)展區(qū)、擁有一個光束穩(wěn)定及束縛區(qū)，做出來的芯片垂直發(fā)散角為28度，水平發(fā)散角為13度，相對于改進(jìn)之前垂直發(fā)散角37度，水平發(fā)散角22度提高了很多，能夠滿足小發(fā)散角要求，且對閾值電流的影響較小，不會限制半導(dǎo)體激光器的輸出功率；該制作方法不需要對外延結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，不需要引入新的外延工藝和工藝過程，保證了簡化工藝流程的目的；兩次SiO2生長及一次去除SiO2，可以使芯片表面更加潔凈、顆粒物更少，鈍化層性質(zhì)更好。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。