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CN113948965B - 一种纯增益耦合分布反馈式半导体激光器及制备方法 - Google Patents

一种纯增益耦合分布反馈式半导体激光器及制备方法 Download PDF

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CN113948965B CN202111209007.0A CN202111209007A CN113948965B CN 113948965 B CN113948965 B CN 113948965B CN 202111209007 A CN202111209007 A CN 202111209007A CN 113948965 B CN113948965 B CN 113948965B
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Abstract

本发明公开了一种纯增益耦合分布反馈式半导体激光器及制备方法，该激光器包括设置于外延层上的脊形波导、布拉格光栅、光放大器和外延层的上波导层，所述光放大器为锥形放大器，布拉格光栅由未经离子注入并与电极欧姆接触的电流注入区域和离子注入的绝缘区域构成，脊形波导包括一部分布拉格光栅，上波导层包括另一部分布拉格光栅，锥形放大器输入端与脊形波导连接，输出端位于激光器前腔面。本发明采用离子注入的方式在脊波导上形成周期性的纯增益耦合型布拉格光栅，其光栅深度只由离子注入的深度决定，无需对光栅进行刻蚀。采用较大的注入深度，能在不引入折射率耦合效应的同时增加增益耦合系数，减小了光学损耗并且有利于保持单纵模激光输出的稳定性。简化了制备工艺，可实现稳定的高亮度单纵模激光输出。

Description

一种纯增益耦合分布反馈式半导体激光器及制备方法
技术领域
本发明属于半导体激光器件技术领域，尤其涉及一种纯增益耦合分布反馈式半导体激光器及制备方法。
背景技术
分布反馈式(DFB)半导体激光器具有窄线宽、单纵模、波长可调谐、调制速率高等优点，被广泛应用于光通信、吸收光谱检测技术、激光雷达、泵浦光源等领域。其按不同的反馈机理可以分为折射率耦合型DFB半导体激光器与增益耦合型DFB半导体激光器。折射率耦合型分布反馈式半导体激光器常采用具有非线性结构的四分之一相移光栅来实现单纵模调制，其光栅制作需要非常精密的光刻技术，制备成本高，并且随着谐振腔内功率密度的增加，相移光栅处的功率密度会急剧增加，导致空间烧孔现象发生，影响器件的单纵模特性。而增益耦合型反馈式半导体激光器采用均匀的光栅结构，制备成本较低，并且其不受端面相位的影响，可在激光腔面镀高反膜与增透膜，从而提升激光器的功率与效率。
然而增益耦合型反馈式半导体激光器的制备仍需要纳米尺度的光栅制备技术。在制备光栅的过程中需要刻蚀沟槽，不但使制备工艺更加复杂，而且刻蚀深度受折射率耦合效应的影响，刻蚀深度较浅(约为400nm)，增益耦合系数受限，影响器件的单纵模特性，阻碍了增益耦合型DFB半导体激光器的发展与应用。因此，亟需解决如何使增益耦合型DFB半导体激光器既能在不引入折射率耦合效应的同时增加光栅的增益耦合系数，简化制备工艺，又能保持较好单纵模特性的问题。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种纯增益耦合分布反馈式半导体激光器及制备方法,采用离子注入的方式在脊波导上形成周期性的纯增益耦合型布拉格光栅，其光栅深度只由离子注入的深度决定，无需对光栅进行刻蚀。采用较大的注入深度，能在不引入折射率耦合效应的同时增加增益耦合系数，减小了光学损耗并且有利于保持单纵模激光输出的稳定性。简化了制备工艺，可实现稳定的高亮度单纵模激光输出。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种纯增益耦合分布反馈式半导体激光器，包括设置于外延层上的脊形波导、布拉格光栅、光放大器和外延层的上波导层，所述光放大器为锥形放大器，布拉格光栅由未经离子注入并与电极欧姆接触的电流注入区域和离子注入的绝缘区域构成，脊形波导包括一部分布拉格光栅，上波导层包括另一部分布拉格光栅，锥形放大器输入端与脊形波导连接，输出端位于激光器前腔面。
进一步的，所述布拉格光栅离子注入的深度不超过上接触层、上限制层和上波导层的厚度之和。
进一步的，所述布拉格光栅长度不超过所述脊形波导长度。
进一步的，所述激光器前腔面设有增透膜，激光器后腔面设有增反膜。
另一方面，本发明还提供了一种纯增益耦合分布反馈式半导体激光器制备方法，包括以下步骤：
在外延层上制备脊形波导；
在脊形波导上通过离子注入形成周期性的绝缘区域，未进行离子注入的部分与电极形成欧姆接触，产生周期性的电流注入区域，周期性的电流注入区域与绝缘区域共同形成纯增益耦合型布拉格光栅，所述布拉格光栅覆盖整个脊形波导；
在外延层上制备锥形放大器，所述锥形放大器的输入端与脊形波导连接，构成纯增益耦合分布反馈式半导体激光器；
在激光器前腔面镀增透膜，在激光器后腔面镀增反膜。
进一步的，在离子注入以后，对离子注入区域进行退火，退火温度为300-600度，退火时间为60s-90s之间。
进一步的，所述光栅周期的取值范围为500nm-14um，占空比为10％-90％。
进一步的，所述离子注入的离子源可以为H+、He+、B+和O+，注入剂量为1*1013cm-2-1*1015cm-2，离子注入的深度不超过上接触层、上限制层和上波导层的厚度之和。
进一步的，所述脊形波导宽度的取值范围为3um-15um，脊形波导长度的取值范围为3mm-10mm。
进一步的，所述锥形放大器的锥角的取值范围为1.5°-6°，锥形放大器长度的取值范围为4mm-10mm。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供的半导体激光器采用离子注入的方式在脊波导上形成周期性的纯增益耦合型布拉格光栅，其光栅深度只由离子注入的深度决定，无需对光栅进行刻蚀。
(2)本发明提供的半导体激光器采用较大的注入深度，能在不引入折射率耦合效应的同时增加增益耦合系数，减小了光学损耗并且有利于保持单纵模激光输出的稳定性。
(3)本发明提供的半导体激光器制备方法，相比于传统的分布反馈式半导体激光器制备方法，无需刻蚀光栅，直接采用离子注入，避免了折射率耦合效应，简化了制备工艺，可实现稳定的高亮度单纵模激光输出。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的纯增益耦合分布反馈式半导体激光器结构示意图；
图2是本发明实施例1提供的纯增益耦合分布反馈式激光器后腔面示意图；
图3是本发明实施例2提供的纯增益耦合分布反馈式半导体激光器制备方法流程框图。
101-激光器后腔面，102-脊形波导，103-布拉格光栅，104-电极，105-锥形放大器，106-激光器前腔面，107-上接触层，108-上限制层，109-上波导层，110-量子阱层，111-下外延层。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在制备光栅的过程中需要刻蚀沟槽，不但使制备工艺更加复杂，而且刻蚀深度受折射率耦合效应的影响，刻蚀深度较浅(约为400nm)，增益耦合系数受限，影响器件的单纵模特性，阻碍了增益耦合型DFB半导体激光器的发展与应用。
为了解决上述技术问题，本发明提出了纯增益耦合分布反馈式半导体激光器和纯增益耦合分布反馈式半导体激光器制备方法的各个实施例。
实施例1
参照图1和图2，如图1所示是本实施例提供的纯增益耦合分布反馈式半导体激光器结构框图，如图2所示是本实施例提供的纯增益耦合分布反馈式半导体激光器后腔面示意图。该半导体激光器包括设置于外延层上的脊形波导102、布拉格光栅103、光放大器和外延层的上波导层109。图1中阴影所示部分表示离子注入形成的分布反馈激光器的部分，该部分覆盖整个脊形波导。图2中阴影所示部分表示离子注入深度。
外延层包括从上至下的上接触层107、上限制层108、上波导层109、量子阱层110和下外延层111。
光放大器为锥形放大器105，所述布拉格光栅103未经刻蚀，布拉格光栅103由未经离子注入并与电极104欧姆接触的电流注入区域和离子注入的绝缘区域构成，脊形波导102包括一部分布拉格光栅103,上波导层109包括另一部分布拉格光栅103，锥形放大器105输入端与脊形波导102连接，输出端位于激光器前腔面106。
其中，布拉格光栅103周期的取值范围为500nm-14um之间，占空比为10％-90％。光栅区的长度的取值范围为1mm-10mm之间，不超过脊形波导102的长度。
脊形波导102注入离子的深度不超过上接触层107、上限制层108和上波导层109的厚度之和。具体而言，离子注入深度的取值范围为600nm-1600nm之间。
激光器前腔面设有增透膜，激光器后腔面设有增反膜。增透膜的反射率取值范围0.001-0.1，后腔面镀膜反射率取值范围0.05-1。
脊形波导宽度的取值范围为3um-15um，脊形波导长度的取值范围为3mm-10mm。
锥形放大器的锥角的取值范围为1.5°-6°，长度的取值范围为4mm-10mm。
本实施例提供的纯增益耦合分布反馈式半导体激光器，采用离子注入的方式在脊波导上形成周期性的纯增益耦合型布拉格光栅，其光栅深度只由离子注入的深度决定，无需刻蚀外延层。采用较大的注入深度，能在不引入折射率耦合效应的同时增加增益耦合系数，减小了光学损耗并且有利于保持单纵模激光输出的稳定性。
实施例2
参照图3，如图3所示是本实施例提供的纯增益耦合分布反馈式半导体激光器制备方法流程框图，该方法包括以下步骤：
步骤S100：在外延层上制备脊形波导102。脊形波导102宽度的取值范围为3um-15um，脊形波导102长度的取值范围为3mm-10mm。波导是限制横向光场的结构，波导较窄时可以实现单横模激光器，波导较宽时就是多横模激光器，这个宽度的变化表明本实施例提供的脊形波导既可用于单横模激光器，也可用于多横模激光器。
步骤S200：在脊形波导102上通过离子注入形成周期性的绝缘区域，未进行离子注入的部分与电极104形成欧姆接触，产生周期性的电流注入区域，周期性的电流注入区域与绝缘区域共同形成纯增益耦合型布拉格光栅103，所述布拉格光栅103覆盖整个脊形波导102。
布拉格光栅103对脊形波导产102产生的种子激光进行调制，实现单纵模种子激光输出，锥形放大器105对种子激光功率进行放大。这种增益耦合型布拉格光栅的好处是其光栅不需要刻蚀，因此不会带来折射率耦合效应，减小了光学损耗。
在离子注入以后，对该器件的离子注入区域进行退火，退火温度为300-600度，退火时间为60s-90s之间。对器件进行退火是为了修复材料在离子注入中造成的晶格损伤，温度和时间是工艺中常用的参数，根据离子注入深度的不同而调整。
离子注入的离子源可以为H+、He+、B+和O+，注入剂量为1*1013cm-2-1*1015cm-2，离子注入深度的取值范围为600nm-1600nm之间，不超过上接触层107、上限制层108和上波导层109的厚度之和。
步骤S300：在外延层上利用刻蚀工艺形成锥形放大器105，锥形放大器105输入端与脊形波导102连接，构成纯增益耦合分布反馈式半导体激光器。锥形放大器105的锥角的取值范围为1.5°-6°，锥形放大器105长度的取值范围为4mm-10mm。锥形放大器105的锥角和长度需要与脊形波导102输出的光斑半径进行匹配来保证输出激光的横模模式，取值范围与脊形波导的宽度有关，根据实际情况进行调整。
步骤S400：在激光器前腔面106镀增透膜，在激光器后腔面101镀增反膜。增透膜的反射率取值范围为0.001-0.1，后腔面镀增反膜，反射率取值范围为0.05-1。
本实施例提供的纯增益耦合分布反馈式半导体激光器制备方法，相比于传统的分布反馈式半导体激光器制备方法，无需刻蚀光栅，直接采用离子注入，避免了折射率耦合效应，简化了制备工艺，可实现稳定的高亮度单纵模激光输出。
实施例3
本实施例提供了一种具体的纯增益耦合分布反馈式半导体激光器及其制备实施例。
在本实施例中，半导体激光器采用基于GaAs材料的976nm激光器外延结构。
半导体激光器由脊形波导102、布拉格光栅103与锥形放大器105组成。其中，在脊形波导102上通过He+离子注入形成周期性的具有高电阻率的绝缘区域，未进行离子注入的部分与电极104形成欧姆接触，产生周期性的电流注入区域，周期性的绝缘区域与电流注入区域共同形成增益耦合型布拉格光栅103，对脊波导产生的激光进行调制，实现单纵模种子激光输出；锥形放大器105将脊形波导102产生的种子激光的功率进行放大，实现高功率单纵模激光输出。
本实施例提供的纯增益耦合分布反馈式半导体激光器的优势在于，采用离子注入的方式在脊形波导102上形成周期性的纯增益耦合型布拉格光栅103，避免了刻蚀光栅引入的折射率耦合效应，减小了光学损耗，有利于保持单纵模激光输出的稳定性。简化了制备工艺，可实现稳定的高功率单纵模激光输出。
在本实施例中，纯增益耦合分布反馈半导体激光器的总宽度为800um，腔长为7mm，在实际应用时，可根据实际需求调整半导体激光器的总宽度与腔长。脊波导102的宽度为3um，长度为3mm，刻蚀深度为1um。利用He+离子注入形成布拉格光栅103，注入剂量为1*1014cm-2，注入深度为800nm，布拉格光栅103宽度为3um，长度为3mm，光栅周期为12um，光栅的占空比为50％，占空比指一个光栅周期内绝缘区域的长度与周期的比值。电极104与布拉格光栅103接触区域的宽度为2um，长度为3mm。锥形区105的锥形4度，长度为4mm，刻蚀深度为200nm。在实际应用时，可根据实际需求调节脊形波导102、布拉格光栅103与电极104与布拉格光栅103接触区域的宽度与长度以及锥形放大器104的角度、长度和刻蚀深度。在进行离子注入之后，需要对此器件的离子注入区域进行退火，退火温度为400度，退火时间为90秒。最后，在前腔面101镀增透膜(R＝0.001),后腔面106镀增反膜(R＝0.99)，R为反射率。
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 (9)

1.一种纯增益耦合分布反馈式半导体激光器，包括设置于外延层上的脊形波导、布拉格光栅、光放大器和外延层的上波导层，其特征在于，所述光放大器为锥形放大器，布拉格光栅由未经离子注入并与电极欧姆接触的电流注入区域和离子注入的绝缘区域构成，脊形波导包括一部分布拉格光栅，上波导层包括另一部分布拉格光栅，锥形放大器输入端与脊形波导连接，输出端位于激光器前腔面；
所述布拉格光栅离子注入的深度不超过上接触层、上限制层和上波导层的厚度之和，离子注入深度的取值范围为600nm-1600nm。
2.如权利要求1所述的一种纯增益耦合分布反馈式半导体激光器，其特征在于，所述布拉格光栅长度不超过所述脊形波导长度。
3.如权利要求1所述的一种纯增益耦合分布反馈式半导体激光器，其特征在于，所述激光器前腔面设有增透膜，激光器后腔面设有增反膜。
4.一种纯增益耦合分布反馈式半导体激光器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在外延层上制备脊形波导；
在脊形波导上通过离子注入形成周期性的绝缘区域，未进行离子注入的部分与电极形成欧姆接触，产生周期性的电流注入区域，周期性的电流注入区域与绝缘区域共同形成纯增益耦合型布拉格光栅，所述布拉格光栅覆盖整个脊形波导，离子注入的深度不超过上接触层、上限制层和上波导层的厚度之和，离子注入深度的取值范围为600nm-1600nm；
在外延层上制备锥形放大器，所述锥形放大器的输入端与脊形波导连接，构成纯增益耦合分布反馈式半导体激光器；
在激光器前腔面镀增透膜，在激光器后腔面镀增反膜。
5.如权利要求4所述的纯增益耦合分布反馈式半导体激光器制备方法，其特征在于，在离子注入以后，对离子注入区域进行退火，退火温度为300-600度，退火时间为60s-90s之间。
6.如权利要求4所述的纯增益耦合分布反馈式半导体激光器制备方法，其特征在于，所述光栅周期的取值范围为500nm-14um，占空比为10％-90％。
7.如权利要求4所述的纯增益耦合分布反馈式半导体激光器制备方法，其特征在于，所述离子注入的离子源为H+、He+、B+和O+，注入剂量为1*1013cm-2-1*1015cm-2。
8.如权利要求4所述的纯增益耦合分布反馈式半导体激光器制备方法，其特征在于，所述脊形波导宽度的取值范围为3um-15um，脊形波导长度的取值范围为3mm-10mm。
9.如权利要求4所述的纯增益耦合分布反馈式半导体激光器制备方法，其特征在于，所述锥形放大器的锥角的取值范围为1.5°-6°，锥形放大器长度的取值范围为4mm-10mm。
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Purely Gain-Coupled Distributed-Feedback Bragg Semiconductor Laser Diode Emitting at 770 nm;Chunkao Ruan et al.;applied sciences;第1页-第8页 *

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CN113948965A (zh) 2022-01-18

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