CN109802299A - 一种用于硅光子电路的高功率分布反馈布拉格光栅激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种用于硅光子电路的高功率分布反馈布拉格光栅激光器，其包括：器件主体，器件主体的底部设有衬底，衬底上部设有波导层，波导层上方设有轻度掺杂层，轻度掺杂层内部的前端嵌入有光栅，轻度掺杂层的上方设有重度掺杂层，重度掺杂层的上方设有P金属层，P金属层的上方与电极相连接；器件主体的后端面为高反射面，器件主体的前端面为低反射面，器件主体中所产生的激光通过波导层中的光栅从低反射面射出；本发明通过对激光器的构造进行了改进，使其在满足了输出光功率的需求同时，极大地降低了输入激光器的功率，其极大地降低了能耗，满足了当今社会对节能环保的要求。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种用于硅光子电路的高功率分布反馈布拉格光栅激光器。
背景技术
硅光子技术是一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术，其通过硅基光芯片实现计算机和其它电子设备之间的光信息发送和接收。由于硅基光芯片中的硅光子电路与III-V族化合物之间的插入损耗很大，而且在硅光子电路中，单个光源需要驱动多个通道，故其需要很高的功率特性来保证接收端有良好的误码率。
目前，III-V族激光仍是硅基光芯片的主流光源。因为焦点对齐的偏差导致光源与硅基光芯片之间耦合效率低，由于光斑不匹配，以及拓扑结构的多级并联或串联级联功能部分硅电路，故其需要增大激光的输入大功率以弥补光损失以及提高接收端的输出光功率；因此，其能耗较高。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明的目的即在于提供一种能有效提高输出功率的分布反馈布拉格光栅激光器。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明是一种用于硅光子电路的高功率分布反馈布拉格光栅激光器，其包括：
器件主体，所述器件主体的底部设有衬底，所述衬底上部设有波导层，所述波导层上方设有轻度掺杂层，所述轻度掺杂层内部的前端嵌入有光栅，所述轻度掺杂层的上方设有重度掺杂层，所述重度掺杂层的上方设有P金属层，所述P金属层的上方与电极相连接；所述器件主体的后端面为高反射面，所述器件主体的前端面为低反射面，所述器件主体中所产生的激光通过所述波导层中的光栅从所述低反射面射出。
本发明通过对激光器的构造进行了改进，使其在满足了输出光功率的需求同时，极大地降低了输入激光器的功率，其极大地降低了能耗，满足了当今社会对节能环保的要求。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作详细描述。
图1为本发明激光器的横截面结构示意图；
图2为本发明激光器部分区域的纵截面结构示意图；
图3为本发明激光器中的量子阱结构的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1至图3，下面以一个实施例对本发明的一种用于硅光子电路的高功率分布反馈布拉格光栅激光器进行具体描述，其包括：
在本发明实施例中，提供了一种长腔光栅分布反馈布拉格光栅DFB激光芯片结构；激光芯片的腔长度cavity length达1毫米以上，而现有技术中此类激光芯片提供的长度是300至500微米；采用长达1毫米以上的腔长，可以提高窄线宽的频谱质量，也可以在同等条件下提高输出功率；光栅比率达30％以上，虽然减小了耦合的光强度但是可以维持足够的光耦合效率。去除了芯片中的沟道，沟道的去除加强了芯片的散热；比现有技术更大的金属焊盘尺寸也进一步增强了散热效果；包层进行重掺杂，变化范围从1×1018变化到2×1018cm-3，用以减小串联电阻。
本发明提供一个大功率的激光芯片，激光芯片的结构如图1，自上而下依次是：Grating光栅、pad电极、via间隔层、P-metal P金属层、heavy doped重度参杂层、lightdoped轻度参杂层、waveguide波导层、doped n-clad衬底(铟磷材料)；左边是HR为高反射层，右边的AR是低反射层，激光从右侧的AR层射出，左侧的HR层防止激光射出。
芯片的生长以衬底为基础，依次自下而上生长、刻蚀，本方案保护芯片结构。Pad的面积比p metal的面积大，pad与p metal直接接触，在两者未接触的区域，P mental表面由VIA填充。
长条形的器件主体，所述器件主体的底部设有N型衬底，所述衬底上部设有波导层，该波导层用于供激光进行传播；所述波导层上方设有轻度掺杂层，该轻度掺杂层由轻度掺杂半导体构成，所述轻度掺杂层内部的前端嵌入有布拉格光栅，所述轻度掺杂层的上方设有重度掺杂层，该重度掺杂层由重度掺杂半导体构成，该重度掺杂层的掺杂度比轻度掺杂层的掺杂度高，所述的掺杂半导体其为在在四价的半导体内加入导电的元素，比如在硅，锗中加入三价的硼或者五价的磷等来提高导电性，加入的愈多，半导体材料的导电性越强，且所述重度掺杂层的掺杂度为2x1018cm-3，其有效地减小了激光器中的串联电阻，所述重度掺杂层的上方设有P金属层，所述p金属共有十种，包括Al、Ga、In、Tl、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi和Po；其分属于元素周期表中的IIIA族、IVA族和VA族；所述P金属层的上方与电极相连接；所述器件主体的后端面为高反射面，其中，在器件主体的后端设置高反射面，是为了防止激光从后端面射出，所述器件主体的前端面为低反射面，所述器件主体中所产生的激光通过所述波导层中的光栅从所述低反射面射出。
在本实施例中，所述电极的面积大于P金属层，在所述P金属层的水平面上，所述P金属层与所述电极不接触的区域中填充有间隔层。由于所述电极的面积大于P金属层，故其能有效增强散热效果。
在本实施例中，所述波导层中设有多重量子阱结构MQW，如图2所示，在量子阱层的周围填充势垒层SCH layer，在多重量子阱结构的左右两侧具有铟磷材料的掩埋层blocking。
激光芯片的有源区，多种量子阱结构采用如下设计：由三个以上相互隔离的量子阱构成的量子阱部，相邻的量子阱之间的隔离均距离相等；所述量子阱部顶部的两侧分别与第一平台层相接，所述第一平台层的外侧接有第二平台层，所述第二平台层高于所述第一平台层。该量子阱结构由不同的层形成，第二平台层处于第一平台层的外侧，且高于第一平台层；第一平台层的中部接有量子阱，优选地，该量子阱的数量为五个。
在本实施例中，所述第一平台层、第二平台层和量子阱由不同的材料构成。
在本实施例中，所述量子阱之间的隔离宽度大于所述量子阱的宽度，所述第一平台层的宽度与所述第二平台层的宽度相同。所述第二平台层在该第一平台层两侧的宽度均为450A，其中，A＝10的负十次方；第一平台层在该量子阱两侧的宽度也均为450A，所述量子阱的宽度为75A，而量子阱之间的间距为100A。其中，所述第二平台层为In0.893Ga0.107As0.236P0.764，所述第一平台层为In0.856Ga0.144As0.316P0.684，所述量子阱In0.690Ga0.310As0.668P0.332。
在本实施例中，所述衬底由铟磷材料构成。
在本实施例中，所述器件主体的前端面与后端面之间的距离为1毫米。而其他现有的激光器的长度是在300至500微米之间，在本实施例中，将其距离设置为1毫米，其有效地提高窄线宽的频谱质量，并提高输出功率与注入载流子密度
在本实施例中，所述光栅的透光率为30％，故其在减少耦合强度的同时保持一个合适的耦合系数。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式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方式或示例中。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方式或示例。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方式或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于硅光子电路的高功率分布反馈布拉格光栅激光器，其特征在于，包括：器件主体，所述器件主体的底部设有衬底，所述衬底上部设有波导层，所述波导层上方设有轻度掺杂层，所述轻度掺杂层内部的前端嵌入有光栅，所述轻度掺杂层的上方设有重度掺杂层，所述重度掺杂层的上方设有P金属层，所述P金属层的上方与电极相连接；所述器件主体的后端面为高反射面，所述器件主体的前端面为低反射面，所述器件主体中所产生的激光通过所述波导层中的光栅从所述低反射面射出。
2.根据权利要求1所述的用于硅光子电路的高功率分布反馈布拉格光栅激光器，其特征在于，所述电极的面积大于P金属层，在所述P金属层的水平面上，所述P金属层与所述电极不接触的区域中填充有间隔层。
3.根据权利要求2所述的用于硅光子电路的高功率分布反馈布拉格光栅激光器，其特征在于，所述波导层中设有量子阱结构，所述量子阱结构包括：
由三个以上相互隔离的量子阱构成的量子阱部，相邻的量子阱之间的隔离均距离相等；所述量子阱部顶部的两侧分别与第一平台层相接，所述第一平台层的外侧接有第二平台层，所述第二平台层高于所述第一平台层。
4.根据权利要求3所述的用于硅光子电路的高功率分布反馈布拉格光栅激光器，其特征在于，所述第一平台层、第二平台层和量子阱由不同的材料构成。
5.根据权利要求4所述的用于硅光子电路的高功率分布反馈布拉格光栅激光器，其特征在于，所述量子阱之间的隔离宽度大于所述量子阱的宽度，所述第一平台层的宽度与所述第二平台层的宽度相同。
6.根据权利要求5所述的用于硅光子电路的高功率分布反馈布拉格光栅激光器，其特征在于，所述衬底由铟磷材料构成。
7.根据权利要求6所述的用于硅光子电路的高功率分布反馈布拉格光栅激光器，其特征在于，所述器件主体的前端面与后端面之间的距离为1毫米。
8.根据权利要求7所述的用于硅光子电路的高功率分布反馈布拉格光栅激光器，其特征在于，所述光栅的透光率为30％。
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