CN107611772B

CN107611772B - 电吸收调制激光器及其制备方法

Info

Publication number: CN107611772B
Application number: CN201710876247.3A
Authority: CN
Inventors: 王健; 罗毅; 孙长征; 熊兵
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2037-09-25
Also published as: CN107611772A

Abstract

本发明提出一种电吸收调制激光器及其制备方法，该电吸收调制激光器由集成在同一衬底上的分布反馈(DFB)激光器和电吸收(EA)组成，关键结构包含光栅、波导和输出光端面，其特征在于：DFB激光器的光栅为表面光栅，特别是侧向耦合表面光栅，位于电吸收调制激光器条形波导的欧姆接触层和波导上限制层两侧，从外延片表面向下延伸到波导芯层上表面；输出光端面为刻蚀形成的垂直于外延片表面的端面，无需解理就可以进行端面镀膜。本发明的优点在于：只需一次外延，且无需解理衬底就可以进行电吸收调制激光器的端面镀膜，大大简化了制作工艺，并有利于在电吸收调制激光器和其他光电子器件在同一衬底上进行集成。

Description

电吸收调制激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，特别涉及一种电吸收调制激光器及其制备方法。

背景技术

电吸收调制激光器(Electroabsorption modulated laser，EML)是光通讯的重要光源，广泛用于光纤通讯骨干网、城域网、接入网以及芯片间互联通讯。EML是由分布反馈(Distributed Feedback Laser，DFB)半导体激光器和电吸收(Electro Absorption，EA)调制器组成的光子集成器件。在EML中，光栅分布在DFB激光器的整个波导，利用光栅的选频特性对纵模进行选择，光波获得增益同时得到反馈；再加上横模结构的限制，从而实现单一纵模和横模的激光。而EA调制器则对DFB产生的激光进行电吸收调制，并通过EA调制器的端面输出电调制的激光。

目前，技术人员普遍采用内置光栅的结构、多次外延的方法制作EML。所谓外延，指的是利用晶体生长动力学原理在衬底晶体上按照其晶格生长单晶薄膜的过程。在光电子材料中常用的外延方法主要有液相外延(Liquid phase epitaxy，LPE)、分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)以及金属有机化合物化学气相外延(Metal-OrganicChemicalVaporDeposition，MOVPE)等技术。传统的EML，在制作完DFB激光器的光栅之前，首先在衬底上外延生长一次(一次外延)；光栅制作完毕之后再进行至少一次的外延(再外延)；外延结束以后，再经过其它后部工艺，才能制作出EML。外延工艺需要耗费大量原材料，加之设备昂贵，所以此工序成本较高。而且，由于外延的加热作用会使光栅变形，为保证光栅质量，需要对再外延提出更加苛刻的工艺要求，再外延的制作成本比一次外延更高。因此，高昂的制作成本，成为阻碍EML应用的主要原因。为此，相关技术提出了表面光栅的方法，即在EML各层结构外延生长以后，在表面直接刻蚀光栅以实现单纵模。表面光栅EML只需要一次外延，能有效降低制作成本，在未来的光纤通讯网络具有广泛的应用前景。

然而，由于表面光栅距离有源层相对较远，纵模选择能力相对较弱。另外，EML有两个端面，一个在DFB激光器波导的末端，另一个在EA调制器波导的末端，这两个端面会形成等效的Fabry–Pérot(FP)腔，而FP腔往往产生多个纵模。即使在纵模选择能力相对较强的内置光栅的EML中，为抑制FP模式，往往需要将EML从衬底上解理成多个长度为几百微米的EML列，然后每列EML装载到特殊的样品夹具上，放入真空镀膜设备对EML端面镀光学膜。这种方式，不仅生产效率低下，而且，由于在镀膜之前已经将EML从衬底上解理开，该EML制作完成以后已经是一个单独的分立器件，难以进行进一步的单片光子集成。而FP模式的干扰问题，对于纵模选择能力相对较弱的表面光栅EML尤为严重。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种电吸收调制激光器，该电吸收调制激光器只需一次外延，且无需解理衬底就可以进行电吸收调制激光器的端面镀膜，大大简化了制作工艺，并有利于在电吸收调制激光器和其他光电子器件在同一衬底上进行集成。

本发明的另一个目的在于提出一种电吸收调制激光器的制备方法。

为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例提出了一种电吸收调制激光器，由集成在同一个衬底上的分布反馈半导体激光器和电吸收调制器组成，包括一段波导、一段光栅和两个端面，所述波导贯穿所述电吸收调制激光器，所述光栅位于分布反馈半导体激光器区域，所述两个端面中的一个位于所述分布反馈半导体激光器的末端，另一个位于电吸收调制器的末端，其中，所述光栅为表面光栅，其从所述电吸收调制激光器外延片的分布反馈半导体激光器区域的表面延伸到分布反馈半导体激光器波导的芯层顶部，所述两个端面为刻蚀形成的端面。

另外，根据本发明上述实施例的电吸收调制激光器还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述光栅位于所述分布反馈半导体激光器的波导的欧姆接触层和上限制层的两侧，由周期性排列的半导体区域和绝缘体填充区域构成，形成用于纵模选择的折射率耦合表面光栅和横模选择的脊波导。

在一些示例中，所述分布反馈半导体激光器在正向电流注入工作时，一部分电流从所述光栅的半导体区域注入，而不从所述光栅的绝缘体填充区域注入，形成含有增益耦合机制的表面光栅。

在一些示例中，所述电吸收调制激光器的刻蚀形成的两个端面与所述外延片的表面垂直。

在一些示例中，还包括：位于电吸收调制器端面的抗反射膜，所述电吸收调制器端面可以在无需解理衬底的情况下镀所述抗反射膜。

在一些示例中，还包括：于分布反馈半导体激光器端面的高反射膜，所述分布反馈半导体激光器端面可以在无需解理衬底的情况下镀所述高反射膜。

在一些示例中，所述电吸收调制激光器位于分布反馈半导体激光器末端的端面为平面，该平面与所述电吸收调制激光器的波导方向垂直。

在一些示例中，所述电吸收调制激光器位于电吸收调制器末端的端面为对称的渐变尖锥面，该尖锥面的对称轴和所述电吸收调制激光器的波导中心线重合。

根据本发明实施例的电吸收调制激光器，同时具有表面光栅和刻蚀端面，巧妙地解决了内置光栅的EML需要多次外延、而表面光栅的EML纵模选择能力相对较弱、难以有效抑制端面FP模式、并且EML需要在解理后才能进行端面镀膜等诸多困难，该电吸收调制激光器只需一次外延，且无需解理衬底就可以进行电吸收调制激光器的端面镀膜，大大简化了制作工艺，并有利于在电吸收调制激光器和其他光电子器件在同一衬底上进行集成。

为了实现上述目的，本发明第二方面的实施例提出了一种电吸收调制激光器的制备方法，该电吸收调制激光器为本发明上述第一方面实施例所述的电吸收调制激光器，该方法包括以下步骤：S1：进行外延生长；S2：进行波导、表面光栅和端面的制作；S3：进行绝缘层填充及顶部电极的制作；S4：进行端面镀膜；S5：进行衬底减薄、制作背电极和解理，其中，所述电吸收调制激光器在整个制备过程中只需要一次外延，通过刻蚀所述分布反馈半导体激光器波导两侧区域的欧姆层和上限制层、以及填充绝缘体材料来实现所述表面光栅，通过刻蚀形成所述电吸收调制激光器的两个端面，并在无需解理衬底的情况下，对所述电吸收调制激光器的两个端面进行光学镀膜。

根据本发明实施例的电吸收调制激光器的制备方法，巧妙地解决了内置光栅的EML需要多次外延、而表面光栅的EML纵模选择能力相对较弱、难以有效抑制端面FP模式、并且EML需要在解理后才能进行端面镀膜等诸多困难，得到的电吸收调制激光器只需一次外延，且无需解理衬底就可以进行电吸收调制激光器的端面镀膜，大大简化了制作工艺，并有利于在电吸收调制激光器和其他光电子器件在同一衬底上进行集成。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的电吸收调制激光器的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的电吸收调制激光器的制备方法的整体流程图。

附图标记说明：

DFB半导体激光器1、EA调制器2、衬底3、背电极4、光栅11、DFB激光器末端的刻蚀端面12、DFB激光器正面电极14、DFB激光器绝缘层15、EA调制器末端的刻蚀端面22、EA调制器正面电极24、EA调制器绝缘层25。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图描述根据本发明实施例的电吸收调制激光器及其制备方法。

图1是根据本发明一个实施例的电吸收调制激光器的结构示意图。如图1所示，该电吸收调制激光器EML由集成在同一个衬底3上的分布反馈半导体激光器1(DFB半导体激光器1)和电吸收调制器2(EA调制器2)组成，包括一段波导、一段光栅和两个端面，其中，波导贯穿电吸收调制激光器，光栅11位于分布反馈半导体激光器区域，两个端面中的一个位于分布反馈半导体激光器1的末端，另一个位于电吸收调制器2的末端。在本发明的实施例中，光栅为表面光栅11，其从电吸收调制激光器外延片的分布反馈半导体激光器区域的表面延伸到分布反馈半导体激光器波导的芯层顶部，两个端面为刻蚀形成的端面。如图1所示，DFB激光器末端的刻蚀端面即端面12，EA调制器末端的刻蚀端面即端面22。

具体地说，衬底3例如为常用的半导体激光器衬底，如InP、GaAs等，具体根据外延层的材料而选定。EML可直接采用常见的FP腔半导体激光器的外延结构，主要包括下限制层、芯层、上限制层和欧姆接触层。外延层的材料根据EML的激光波长而定，常见的外延材料例如包括InGaAsP/InP、AlGaInAs/AlInAs、GaAlAs/GaAs等。

在本发明的一个实施例中，光栅11(即DFB激光器1的表面光栅11)位于分布反馈半导体激光器1的波导的欧姆接触层和上限制层的两侧，由周期性排列的半导体区域和绝缘体填充区域构成，形成用于纵模选择的折射率耦合表面光栅和横模选择的脊波导。

在本发明的一个实施例中，分布反馈半导体激光器1在正向电流注入工作时，一部分电流从光栅11的半导体区域注入，而不从光栅11的绝缘体填充区域注入，形成含有增益耦合机制的表面光栅。

结合图1，具体地说，即DFB激光器1的表面光栅11位于DFB激光器1波导上限制层和欧姆接触层的两侧，表面光栅11的顶部从外延片的表面开始，底部延伸到DFB激光器1的芯层顶部，表面光栅11沿着波导方向，由两种材料周期性排列而成。一种为半导体材料，由DFB激光器1的上限制层和欧姆接触层构成，对于InP基半导体激光器，常见的有InP上限制层和InGaAs欧姆接触层，对于GaAs基半导体激光器，常见的有GaAlAs上限制层和InGaAs欧姆接触层，光栅的周期性结构通过光刻和刻蚀形成；另一种为绝缘体材料，常见的有硅的氮氧化物、聚酰亚胺、光刻胶等，通过沉积、光刻和刻蚀形成。绝缘体材料的平均折射率低于半导体材料；周期性的高折射率半导体和低折射率的绝缘材料，既形成了周期性的折射率分布，即表面光栅结构，又形成了横模限制，即DFB激光器1的波导结构。正是因为表面光栅11可以从外延片的表面直接制作，不需要在制作完DFB光栅以后进行再次外延，所以本发明实施例的电吸收调制激光器EML只需要一次外延，可以采用普通的FP腔激光器的外延片，从而大大简化了制作工艺。

在本发明的一个实施例中，电吸收调制激光器的刻蚀形成的两个端面(即端面12和22)与外延片的表面垂直。

在本发明的一个实施例中，该电吸收调制激光器还包括：位于电吸收调制器端面22的抗反射膜，电吸收调制器端面22可以在无需解理衬底的情况下镀抗反射膜。

在本发明的一个实施例中，该电吸收调制激光器还包括：位于分布反馈半导体激光器端面12的高反射膜，分布反馈半导体激光器端面12可以在无需解理衬底的情况下镀高反射膜。

在本发明的一个实施例中，电吸收调制激光器位于分布反馈半导体激光器末端的端面12为平面，该平面与电吸收调制激光器的波导方向垂直。

在本发明的一个实施例中，电吸收调制激光器位于电吸收调制器末端的端面22为对称的渐变尖锥面，该尖锥面的对称轴和电吸收调制激光器的波导中心线重合。

结合图1，具体地说，即EML的刻蚀端面包括端面12和22，端面12位于DFB半导体激光器1一端，端面22位于EA调制器2一端。相比于解理端面，刻蚀端面可以通过模板实现各种形状的端面。比如，为抑制FP腔的干扰，将出光的端面22设计成垂直于外延片表面的渐变尖锥曲面。为减少DFB激光器端面12的出光，将端面12设计成垂直于外延片表面、且垂直于波导的平面。一般的EML，端面通过解离形成，解离完毕以后就变成一个单独的器件，端面镀膜需要对每个单独的器件逐个进行，而刻蚀端面可以在整个外延片上完成，刻蚀端面形成后所有的EML还是在同一个衬底3上。这不仅可以让端面在整个外延片上进行，一次完成整个衬底3上所有EML的端面镀膜，而且更有利于在同一个衬底3上将EML和其它光电子器件集成。

综上，本发明上述实施例的电吸收调制激光器，作为一种基于表面光栅和刻蚀端面分布反馈(DFB)半导体激光器和电吸收(EA)调制器组成的集成器件，其包括光栅和输出光端面，光栅为侧向耦合表面光栅，位于EML条形波导的欧姆接触层和波导上限制层两侧，从外延片表面向下延伸到波导芯层上表面，由周期性的半导体和绝缘材料构成。输出光端面为刻蚀形成的垂直于外延片表面的端面，无需解理就可以进行端面镀膜。输出光端面有两个，一个位于DFB激光器的一端，表面镀有对激光高反射率的薄膜，一个位于EA调制器的一端，表面镀有对激光低反射率的薄膜。该EML只需一次外延，在无需解理激光器的情况下对端面进行镀膜，从而便于单片光子集成。

本发明的进一步实施例还提出了一种电吸收调制激光器的制备方法。

图2是根据本发明一个实施例的电吸收调制激光器的制备方法的整体流程图。其中，该电吸收调制激光器例如为本发明上述任意一个实施例所描述的电吸收调制激光器。也即，该电吸收调制激光器的制备方法中涉及的电吸收调制激光器的具体实现方式与本发明上述实施例描述的电吸收调制激光器的具体实现方式类似，具体请参见对电吸收调制激光器部分的描述，为了减少冗余，此处不再赘述。

基于此，如图2所示，该电吸收调制激光器的制备方法，包括以下步骤：

S1：进行外延生长。

S2：进行波导、表面光栅和端面的制作。

S3：进行绝缘层填充及顶部电极的制作。

S4：进行端面镀膜。

S5：进行衬底减薄、制作背电极和解理。

其中，电吸收调制激光器在整个制备过程中只需要一次外延，通过刻蚀分布反馈半导体激光器波导两侧区域的欧姆层和上限制层、以及填充绝缘体材料来实现表面光栅，通过刻蚀形成电吸收调制激光器的两个端面。另外，在无需解理衬底的情况下，对电吸收调制激光器的两个端面进行光学镀膜。

该电吸收调制激光器的制备方法，只需要一次外延，通过刻蚀波导两侧的欧姆接触层和上限制层、并填充绝缘材料实现EML中的DFB半导体激光器的光栅，通过刻蚀波导两端的上限制层、有源层、下限制层和一部分衬底以及整个晶片镀膜实现EML的输出光端面，并在无需解理衬底的情况下，对DFB半导体激光器两个端面进行光学镀膜。

为了便于更好地理解本发明，以下结合具体的实施例，对本发明上述实施例的电吸收调制激光器的结构和制备方法进行详细示例性描述。

实施例1

在本实施例中，以一种波长为1550nm波段、基于表面光栅和刻蚀端面的InGaAsP/InP EML的制备方法为例进行说明，该方法具体包括以下步骤：

1.外延生长。在一个高掺杂的n型InP衬底上外延生长一种典型的1550nmInGaAsP/InP FP腔半导体激光器的外延结构。包括如下外延层：n型InP缓冲层(厚度160nm、掺杂浓度约1×10¹⁸cm^-3)，非掺杂晶格匹配InGaAsP下波导层(厚度80nm，光荧光波长1150nm)，InGaAsP有源层多量子阱(10对量子阱，阱宽10nm，0.7％压应变，光荧光波长1550nm，垒宽10nm，晶格匹配材料，光荧光波长1200nm)，非掺杂型晶格匹配InGaAsP上波导层(厚度100nm，光荧光波长1150nm)，p型InP波导上限制层(厚度1500nm，掺杂浓度从3×10¹⁷cm^-3渐变到为1×10¹⁸cm^-3)和的p型InGaAs欧姆接触层(厚度100nm，掺杂浓度约1×10¹⁹cm^-3)。其中n-InP缓冲层和n-InP衬底的一部分构成EML波导的下限制层，InGaAsP下波导层、有源层多量子阱和InGaAsP上波导层构成波导的芯层。本发明的EML只需要这一次外延生长，大大简化了器件制作工艺。

2.波导、表面光栅和刻蚀端面制作。采用等离子体增强化学气相沉积(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)或磁控溅射等方法，在欧姆接触层上沉积厚度200～500nm的SiN_x或SiO₂。采用电子束曝光，形成EML的波导和DFB激光器的波导、表面光栅和两个端面的光刻胶图案：波导大部分区域宽度为1～3μm，长度为200～1000μm；DFB激光器的光栅位于DFB激光器的波导两侧，每侧的宽度为1～5μm，周期为460～500nm，对应1550nm波段InGaAsP DFB激光器的二阶光栅。采用反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)，以SF₆等离子体刻蚀SiN_x，或以CF₄等离子体刻蚀SiO₂，将波导、表面光栅和刻蚀端面的图案从光刻胶转移到SiN_x或SiO₂。采用电感应耦合等离子体刻蚀(Inductively CoupledPlasma，ICP)，以Cl₂、CH₄、H₂和Ar混合气体形成的等离子体，刻蚀InGaAs欧姆接触层和InP波导上限制层，刻蚀底部到达芯层的顶部，形成EML的浅脊波导、表面光栅和刻蚀端面图案。采用接触式曝光，形成只覆盖DFB激光器浅脊波导和表面光栅的光刻胶图案。再采用ICP，以Cl₂、CH₄、H₂和Ar混合气体形成的等离子体，刻蚀EA调制器和两个端面区域的芯层和InP波导下限制层，刻蚀底部达到InP衬底，从InGaAsP芯层底面到刻蚀底部的深度不低于InP上限制层的厚度，形成EA调制器的深脊波导和EML的两个刻蚀端面。

3.绝缘层填充及顶部电极制作。采用PECVD，沉积SiO₂，厚度等于两个刻蚀端面底部到EML的芯层顶部的高度。光刻形成EA调制器的电极焊盘的光刻胶图案，然后采用缓冲氢氟酸腐蚀形成EA调制器的第一层电极焊盘下的SiO₂介质。采用PECVD，沉积SiO₂，厚度等于从EML的芯层顶部到InGaAs绝缘层顶部的高度。光刻形成DFB激光器的电极焊盘和EA调制器的电极焊盘的光刻胶图案，然后采用缓冲氢氟酸腐蚀形成DFB激光器和EA调制器的顶部电极焊盘下的SiO₂介质。采用原子层沉积(Atomic layer deposition，ALD)，沉积厚度为50～100nm的SiN_x，形成对EML波导、DFB激光器的表面光栅、EML的两个刻蚀端面的侧壁钝化。在SiN_x的表面进一步旋转涂覆光敏聚酰亚胺，使得该聚酰亚胺填充EML波导、表面光栅的缝隙；光刻去除EML波导、DFB激光器的表面光栅顶部的聚酰亚胺。进一步，采用RIE，以SF₆为反应气体，去除EML波导、DFB激光器的表面光栅顶部的SiN_x，露出波导和表面光栅的InGaAs欧姆接触层。

光刻，去除EML顶部电极区域的光刻胶；依次溅射Ti、Pt、Au，然后丙酮超声剥离形成EML的顶部图形电极，包括DFB激光器的顶部图形电极和EA调制器的顶部图形电极。采用选择性腐蚀液，去除DFB激光器的顶部图形电极和EA调制器的顶部图形电极之间的EML波导上的InGaAs欧姆接触层。

4.刻蚀端面镀膜。光刻，形成一个露出EA调制器的刻蚀端面的图案，电感应耦合等离子体增强化学气相沉积(ICP-PECVD)沉积奇数层SiO₂/SiN_x，丙酮超声剥离后形成EA调制器的渐变尖锥端面的抗反射膜。光刻，形成一个露出DFB激光器的刻蚀端面的图案，ICP-PECVD沉积偶数层SiO₂/SiN_x，丙酮超声剥离形成DFB激光器的平面刻蚀端面的高反镀膜。

5.衬底减薄、制作背电极和解理。将带有器件的外延片正面密封，背面机械研磨，使得外延片的厚度降低到80～120μm。依次溅射Ni、Au，形成背部电极。解理，完成EML的制作。

实施例2

在本实施例中，以一种波长为1310nm波段、基于表面光栅和刻蚀端面的AlGaInAs/InP EML的制备方法为例进行说明，该方法具体包括以下步骤：

1.外延生长。在一个高掺杂的n型InP衬底上外延生长一种典型的1310nmAlGaInAs/InP FP腔半导体激光器的外延结构。该结构一般包括如下外延层：n型InP缓冲层(厚度500nm、掺杂浓度约1×10¹⁸cm^-3)，非掺杂晶格匹配InGaAsP下波导层(厚度100nm，光荧光波长1050nm)，非掺杂应变AlGaInAs多量子阱有源层(10周期,1％压应变阱，厚度6nm；晶格匹配垒，厚度10nm，光荧光波长1270nm)，非掺杂型晶格匹配InGaAsP上波导层(厚度150nm，光荧光波长1050nm)，p型InP波导上限制层I(厚度100nm，掺杂浓度约1×10¹⁷cm^-3)、InGaAsP脊波导腐蚀停止层(厚度20nm)、p型InP波导上限制层II(厚度1.7μm～1.8μm,掺杂浓度约8×10¹⁷cm^-3)和p型InGaAs欧姆接触层(厚度300nm，掺杂浓度约1×10¹⁹cm^-3)。其中n-InP缓冲层和n-InP衬底的一部分构成EML波导的下限制层，InGaAsP下波导层、AlGaInAs多量子阱有源层和InGaAsP上波导层构成EML波导的芯层，p-InP层I和II构成EML波导的上限制层。本发明的EML只需要这一次外延生长，大大简化器件制作工艺。

2.波导、表面光栅和刻蚀端面制作。采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或磁控溅射等方法，在欧姆接触层上沉积厚度200～500nm的SiN_x或SiO₂。采用电子束曝光，形成EML的波导和DFB激光器的波导、表面光栅和两个端面的光刻胶图案：波导大部分区域宽度为1～3μm，长度为200～1000μm；DFB激光器的光栅位于DFB激光器的波导两侧，每侧的宽度为1～5μm，周期为580～620nm，对应1310nm波段AlGaInAs DFB激光器的三阶光栅。采用反应离子刻蚀(RIE)，以SF₆等离子体刻蚀SiN_x，或以CF₄等离子体刻蚀SiO₂，将波导、表面光栅和刻蚀端面的图案从光刻胶转移到SiN_x或SiO₂。采用电感应耦合等离子体刻蚀(ICP)，以Cl₂、CH₄、H₂和Ar混合气体形成的等离子体，刻蚀InGaAs欧姆接触层和InP波导上限制层，刻蚀底部到达芯层的顶部，形成EML的浅脊波导、表面光栅和刻蚀端面图案。光刻，形成只覆盖DFB激光器浅脊波导和表面光栅的光刻胶图案。再采用ICP，以Cl₂、BCl₃和Ar混合气体形成的等离子体，刻蚀EA调制器和两个端面区域的芯层和InP波导下限制层，刻蚀底部达到InP衬底，从InGaAsP芯层底面到刻蚀底部的深度不低于InP上限制层的厚度，形成EA调制器的深脊波导和EML的两个刻蚀端面。

3.绝缘层填充及顶部电极制作。采用PECVD，沉积SiO₂，厚度等于两个刻蚀端面底部到EML的芯层顶部的高度。光刻形成EA调制器的电极焊盘的光刻胶图案，然后采用缓冲氢氟酸腐蚀形成EA调制器的第一层电极焊盘下的SiO₂介质。采用PECVD，沉积SiO₂，厚度等于从EML的芯层顶部到InGaAs绝缘层顶部的高度。光刻形成DFB激光器的电极焊盘和EA调制器的电极焊盘的光刻胶图案，然后采用缓冲氢氟酸腐蚀形成DFB激光器和EA调制器的顶部电极焊盘下的SiO₂介质。采用原子层沉积(ALD)，沉积厚度为50～100nm的SiN_x，形成对EML波导、DFB激光器的表面光栅、EML的两个刻蚀端面的侧壁钝化。在SiN_x的表面进一步旋转涂覆光敏聚酰亚胺，使得该聚酰亚胺填充EML波导、表面光栅的缝隙；光刻去除EML波导、DFB激光器的表面光栅顶部的聚酰亚胺。进一步，采用RIE，以SF₆为反应气体，去除EML波导、DFB激光器的表面光栅顶部的SiN_x，露出波导和表面光栅的InGaAs欧姆接触层。

实施例3

在本实施例中，以一种波长为850nm波段、基于表面光栅和刻蚀端面的GaAlAs/GaAs EML的制备方法为例进行说明，该方法具体包括以下步骤：

1.外延生长。在一个高掺杂的n型GaAs衬底上外延生长一种典型的850nm GaAlAs/GaAs FP腔半导体激光器的外延结构。一般包括如下外延层：n型GaAs缓冲层(厚度500nm，掺杂浓度约1×10¹⁸cm^-3)，非掺杂晶格匹配Ga_1-xAl_xAs波导下限制层(厚度1000nm，x＝0.45，掺杂浓度约5×10¹⁷cm^-3)，非掺杂晶格匹配Ga_1-xAl_xAs下波导层(厚度150nm，x＝0.06)，非掺杂应变GaAs/Ga_1-xAl_xAs多量子阱有源层(10周期，GaAs量子阱，厚度10nm；Ga_1-xAl_xAs垒，厚度10nm，x＝0.06)，非掺杂晶格匹配Ga_1-xAl_xAs上波导层(厚度150nm，x＝0.06)，p型Ga_1-xAl_xAs波导上限制层(厚度1000nm，x＝0.45，掺杂浓度约5×10¹⁷cm^-3)和p型GaAs欧姆接触层(厚度300nm，掺杂浓度约1×10¹⁹cm^-3)。其中非掺杂晶格匹配Ga_1-xAl_xAs下波导层(厚度150nm，x＝0.06)、非掺杂应变GaAs/Ga_1-xAl_xAs多量子阱有源层(10周期,GaAs量子阱，厚度10nm；Ga_1- _xAl_xAs垒，厚度10nm，x＝0.06)和非掺杂晶格匹配Ga_1-xAl_xAs上波导层(厚度150nm，x＝0.06)组成了EML波导的芯层。本发明的EML只需要这一次外延生长，大大简化器件制作工艺。

2.波导、表面光栅和刻蚀端面制作。采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或磁控溅射等方法，在欧姆接触层上沉积厚度200～500nm的SiN_x或SiO₂。采用电子束曝光，形成EML的波导和DFB激光器的波导、表面光栅和两个端面的光刻胶图案：波导大部分区域宽度为1～3μm，长度为200～1000μm；DFB激光器的光栅位于DFB激光器的波导两侧，每侧的宽度为1～5μm，周期为500～540nm，对应850nm波段GaAlAs/GaAs DFB激光器的四阶光栅。采用反应离子刻蚀(RIE)，以SF₆等离子体刻蚀SiN_x，或以CF₄等离子体刻蚀SiO₂，将波导、表面光栅和刻蚀端面的图案从光刻胶转移到SiN_x或SiO₂。采用电感应耦合等离子体刻蚀(ICP)，以Cl₂、BCl₃和Ar混合气体形成的等离子体，刻蚀InGaAs欧姆接触层和Ga_1-xAl_xAs波导上限制层，刻蚀底部到达芯层的顶部，形成EML的浅脊波导、表面光栅和刻蚀端面图案。采用接触式曝光，形成只覆盖DFB激光器浅脊波导和表面光栅的光刻胶图案。再采用ICP，以Cl₂、BCl₃和Ar混合气体形成的等离子体，刻蚀EA调制器和两个端面区域的芯层和Ga_1-xAl_xAs波导下限制层，刻蚀底部达到GaAs衬底，从芯层底面到刻蚀底部的深度不低于Ga_1-xAl_xAs上限制层的厚度，形成EA调制器的深脊波导和EML的两个刻蚀端面。

3.绝缘层填充及顶部电极制作。采用PECVD，沉积SiO₂，厚度等于刻蚀的两个端面底部到EML的芯层顶部的高度。光刻形成EA调制器的电极焊盘的光刻胶图案，然后采用缓冲氢氟酸腐蚀形成EA调制器的第一层电极焊盘下的SiO₂介质。采用PECVD，沉积SiO₂，厚度等于从EML的芯层顶部到InGaAs绝缘层顶部的高度。光刻形成DFB激光器的电极焊盘和EA调制器的电极焊盘的光刻胶图案，然后采用缓冲氢氟酸腐蚀形成DFB激光器和EA调制器的顶部电极焊盘下的SiO₂介质。采用原子层沉积(ALD)，沉积厚度为50～100nm的SiN_x，形成对EML波导、DFB激光器的表面光栅、EML的两个刻蚀端面的侧壁钝化。在SiN_x的表面进一步旋转涂覆光敏聚酰亚胺，使得该聚酰亚胺填充EML波导、表面光栅的缝隙；光刻去除EML波导、DFB激光器的表面光栅顶部的聚酰亚胺。进一步，采用RIE，以SF₆为反应气体，去除EML波导、DFB激光器的表面光栅顶部的SiN_x，露出波导和表面光栅的InGaAs欧姆接触层。

综上，本发明上述实施例的电吸收调制激光器的制备方法，一方面，由于采用表面光栅，整个EML制作过程只需要一次外延生长，大大简化了制作工艺；另一发明，所需EML端面通过刻蚀形成，可以在无需解理的情况下进行基于整个衬底的端面镀膜，进一步增强EML和其它光子器件单片集成的能力。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims

1.一种电吸收调制激光器，由集成在同一个衬底上的分布反馈半导体激光器和电吸收调制器组成，包括一段波导、一段光栅和两个端面，其中，所述波导贯穿所述电吸收调制激光器，所述光栅位于分布反馈半导体激光器区域，所述两个端面中的一个位于所述分布反馈半导体激光器的末端，另一个位于电吸收调制器的末端，其特征在于，所述光栅为表面光栅，其从所述电吸收调制激光器外延片的分布反馈半导体激光器区域的表面延伸到分布反馈半导体激光器波导的芯层顶部，所述两个端面为刻蚀形成的端面，其中，所述电吸收调制激光器位于电吸收调制器末端的端面为对称的渐变尖锥面，以抑制FP腔的干扰，该尖锥面的对称轴和所述电吸收调制激光器的波导中心线重合，所述分布反馈半导体激光器在正向电流注入工作时，一部分电流从所述光栅的半导体区域注入，而不从所述光栅的绝缘体填充区域注入，形成含有增益耦合机制的表面光栅。

2.根据权利要求1所述的电吸收调制激光器，其特征在于，所述光栅位于所述分布反馈半导体激光器的波导的欧姆接触层和上限制层的两侧，由周期性排列的半导体区域和绝缘体填充区域构成，形成用于纵模选择的折射率耦合表面光栅和横模选择的脊波导。

3.根据权利要求1所述的电吸收调制激光器，其特征在于，所述电吸收调制激光器的刻蚀形成的两个端面与所述外延片的表面垂直。

4.根据权利要求1所述的电吸收调制激光器，其特征在于，还包括：

位于电吸收调制器端面的抗反射膜，所述电吸收调制器端面可以在无需解理衬底的情况下镀所述抗反射膜。

5.根据权利要求1所述的电吸收调制激光器，其特征在于，还包括：

位于分布反馈半导体激光器端面的高反射膜，所述分布反馈半导体激光器端面可以在无需解理衬底的情况下镀所述高反射膜。

6.根据权利要求1所述的电吸收调制激光器，其特征在于，所述电吸收调制激光器位于分布反馈半导体激光器末端的端面为平面，该平面与所述电吸收调制激光器的波导方向垂直。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的电吸收调制激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：进行外延生长；

S2：进行波导、表面光栅和端面的制作；

S3：进行绝缘层填充及顶部电极的制作；

S4：进行端面镀膜；

S5：进行衬底减薄、制作背电极和解理，

其中，所述电吸收调制激光器在整个制备过程中只需要一次外延，通过刻蚀所述分布反馈半导体激光器波导两侧区域的欧姆层和上限制层、以及填充绝缘体材料来实现所述表面光栅，通过刻蚀形成所述电吸收调制激光器的两个端面，并在无需解理衬底的情况下，对所述电吸收调制激光器的两个端面进行光学镀膜。