[发明专利]一种基于表面光栅的DFB激光器

说明书

本发明公开了一种基于表面光栅的DFB激光器。该激光器为脊形波导结构，自下而上包含：衬底、下波导盖层、有源层、上波导盖层；在脊形波导表面上刻蚀有布拉格光栅；脊区采用高折射率材料，使光栅具有大的耦合系数；脊形波导上面不做电极，电极位于脊形波导两侧；在脊形波导与两侧电极之间刻蚀有沟槽；该激光器的下波导盖层中含有一个或多个电流限制区，或者是在上波导盖层中制作一个掩埋隧道结来限制电流。本发明不需要材料的二次外延生长，制作工艺简便，因而降低了器件的制作成本，提高了器件的可靠性。此外本发明可以获得大的耦合系数，因而在激光器腔长很短的情况下能获得低阈值以及高速直调的激光器性能。

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，尤其涉及一种基于表面光栅的DFB激光器。

背景技术

分布反馈(Distributed Feedback,DFB)激光器(H.Kogelnik,C.V.Shank,Coupled-wave theory of distributed feedback lasers,J.Appl.Phys.,vol.43,pp.2327-2335,1972.)具有窄线宽、低啁啾、可调谐等特点，因而在光通信、光存储和光学检测等领域具有广泛的应用。目前主流的商用DFB激光器使用的是掩埋的一阶布拉格(Bragg)光栅来提供反馈，通常将布拉格光栅刻蚀在非常接近有源层的上波导盖层中并通过再生长的方式将光栅掩埋起来，所以在制作过程中会包含一次或多次的材料再生长过程。这种材料的再次生长过程会使激光器的制作变得复杂，从而降低了器件的成品率和可靠性。特别是含铝组分的材料在空气中极易被氧化，也不适用于材料再次生长。

目前不需要材料再生长的单模激光器主要为光栅刻蚀在脊波导两侧的侧边耦合表面光栅激光器(LC-DFB)以及光栅刻蚀在脊波导的表面上的脊波导表面光栅激光器(RW-DFB)。其中，LC-DFB是一种横向耦合的DFB激光器，最早由L.M.Miller提出(L.M.Miller,J.T.Verdeyen,J.J.Coleman,R.P.Bryan,J.J.Alwan,K.J.Beernink,J.S.Hughes,andT.M.Cockerill,A distributed feedback ridge waveguide quantumwellheterostructure laser,IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.3,pp.6-8,1991.)，该激光器不需要材料再生长，布拉格光栅刻蚀在激光器的脊波导的两侧，电流从脊波导表面注入。LC-DFB激光器的光栅可以是折射率耦合型的也可以是增益耦合型。另外，可以用金属条纹光栅来制作LC-DFB激光器(M.Kamp,J.Hofmann,A.Forchel,F.Schaf-er,andJ.P.Reithmaier,Low-thresholdhighquantumefficiencylaterallygain-coupledInGaAs/AlGaAsdistributed feedback lasers,Appl.Phys.Lett.,vol.74,pp.483-485,1999.),但是不管是折射率耦合型光栅还是折射率-增益复合耦合型的LC-DFB激光器都由于波导模式与光栅之间的弱耦合而导致耦合系数κ小，通常需要很长的激光器腔长L来得到较大的光栅归一化耦合系数κL来保证DFB激光器的性能；而且侧边金属光栅LC-DFB由于金属的引入，会对激光器带来额外的光损耗，并因此影响激光器的性能。而RW-DFB则是一种垂直耦合表面光栅激光器(G.M.Smith,J.S.Hughes,R.M.Lammert,M.L.Osowski and J.J.Coleman,Wavelength tunable two-pad ridge waveguidedistributed Bragg reflector InGaAs-GaAs quantum well lasers,Eletron.Lett.,vol.30,pp.1313-1314,1994.)。光栅级数比较低，有2级、3级布拉格光栅也有一级布拉格光栅(R.M.Lammert,J.S.Hughes,S.D.Roh,M.L.Osowski,A.M.jones,J.J.Coleman,Low-threshold narrow-linewidthInGaAs-GaAs ridgewaveguide DBR lasers with first-order surface gratings,IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.9,no.2,pp.149-151,1997.)。该激光器反馈来自解理面和光栅，光栅刻蚀在脊波导的表面，深度比脊波导浅，光栅区有电流注入。这类激光器通过引入非对称上下限制层，采用较薄的上限制层，来增强光栅与脊波导模场之间的重叠，以此来增大光栅的耦合系数。由于电极位于脊波导的表面上，会产生比较大的金属吸收损耗，而且采用低级光栅会增大光栅表面电极的制作难度。为了降低光栅表面电极的制作难度，表面光栅激光器也会采用高阶布拉格光栅，为了降低表面电极的吸收损耗，通常采用较厚的脊层并通过深刻蚀光栅来提高耦合系数，光栅的刻蚀深度可以超过1个微米。高阶表面光栅激光器主要有通过引入表面结构来选模的Fabry-Pérot(FP)腔激光器(B.Corbett,and D.McDonald,Single longitudinalmoderidgewaveguide1.3μmFabry-Perotlaser by modal perturbation,Electron.Lett.,vo.31,no.25,pp.2181-2182,1995。),该激光器的反馈主要来自于FP腔的两个镜面，在表面脊波导的脊中的特定位置刻蚀多个槽，从FP腔的众多纵模中选出一个来激射。这种激光器由于存在FP腔面影响，通常很难获得高的边模抑制比；也有高阶表面布拉格光栅DBR激光器(Q.Lu,A.Abdullaev,M.Nawrocka,G.Wei,J.Callaghan,F.Donegan,Slotted single modelasers integrated with a semi-conductor optical amplifier,IEEEPhoton.Technol.Lett.,vol.25,no.6,pp.564-567,2013.),该激光器在一端的脊波导表面刻蚀高阶布拉格光栅，该端的光反馈完全由光栅提供。这种激光器由于去除了FP腔的影响，通常可以获得比较高的边模抑制比。另一方面，为了制作简单，这种高阶光栅的槽宽通常比较宽，约1微米，因而可以采用普通的光刻工艺来制作，制作工艺简单，但是它的缺点是光栅的散射损耗较大，导致制备的激光器阈值偏高、输出功率和斜率效率偏低。为了降低光栅带来的损耗，高阶表面光栅激光器还可以采用窄槽宽的光栅(H.Wenzel,J.Fricke,J.Decker,P.Crump,and G.Erbert,“High-power distributed feedback lasers with surfacegratings:theory and experi-ments,”IEEE J.Sel.Topics Quantum Electron.,vol.21,pp.1502707,2015.)。这里槽宽只有100nm左右，为了在实验上实现这种窄槽宽的深刻蚀表面光栅，通常需要比较复杂的刻蚀工艺，因此存在成品率低、成本高的缺点。