[發明專利]一種基于表面光柵的DFB激光器

有效

• 申請號: 201611200634.7
• 申請日: 2016-12-22
• 公開（公告）號: CN106848835B
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 陸巧銀;張鵬斐;國偉華
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01S5/12
• 分類號: H01S5/12;H01S5/10
• 代理公司: 北京華沛德權律師事務所 11302
• 代理人: 房德權

本發明公開了一種基于表面光柵的DFB激光器。該激光器為脊形波導結構，自下而上包含：襯底、下波導蓋層、有源層、上波導蓋層；在脊形波導表面上刻蝕有布拉格光柵；脊區采用高折射率材料，使光柵具有大的耦合系數；脊形波導上面不做電極，電極位于脊形波導兩側；在脊形波導與兩側電極之間刻蝕有溝槽；該激光器的下波導蓋層中含有一個或多個電流限制區，或者是在上波導蓋層中制作一個掩埋隧道結來限制電流。本發明不需要材料的二次外延生長，制作工藝簡便，因而降低了器件的制作成本，提高了器件的可靠性。此外本發明可以獲得大的耦合系數，因而在激光器腔長很短的情況下能獲得低閾值以及高速直調的激光器性能。

技術領域

本發明屬于半導體激光器技術領域，尤其涉及一種基于表面光柵的DFB激光器。

背景技術

分布反饋(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.)具有窄線寬、低啁啾、可調諧等特點，因而在光通信、光存儲和光學檢測等領域具有廣泛的應用。目前主流的商用DFB激光器使用的是掩埋的一階布拉格(Bragg)光柵來提供反饋，通常將布拉格光柵刻蝕在非常接近有源層的上波導蓋層中并通過再生長的方式將光柵掩埋起來，所以在制作過程中會包含一次或多次的材料再生長過程。這種材料的再次生長過程會使激光器的制作變得復雜，從而降低了器件的成品率和可靠性。特別是含鋁組分的材料在空氣中極易被氧化，也不適用于材料再次生長。

目前不需要材料再生長的單模激光器主要為光柵刻蝕在脊波導兩側的側邊耦合表面光柵激光器(LC-DFB)以及光柵刻蝕在脊波導的表面上的脊波導表面光柵激光器(RW-DFB)。其中，LC-DFB是一種橫向耦合的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.)，該激光器不需要材料再生長，布拉格光柵刻蝕在激光器的脊波導的兩側，電流從脊波導表面注入。LC-DFB激光器的光柵可以是折射率耦合型的也可以是增益耦合型。另外，可以用金屬條紋光柵來制作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柵還是折射率-增益復合耦合型的LC-DFB激光器都由于波導模式與光柵之間的弱耦合而導致耦合系數κ小，通常需要很長的激光器腔長L來得到較大的光柵歸一化耦合系數κL來保證DFB激光器的性能；而且側邊金屬光柵LC-DFB由于金屬的引入，會對激光器帶來額外的光損耗，并因此影響激光器的性能。而RW-DFB則是一種垂直耦合表面光柵激光器(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.)。光柵級數比較低，有2級、3級布拉格光柵也有一級布拉格光柵(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.)。該激光器反饋來自解理面和光柵，光柵刻蝕在脊波導的表面，深度比脊波導淺，光柵區有電流注入。這類激光器通過引入非對稱上下限制層，采用較薄的上限制層，來增強光柵與脊波導模場之間的重疊，以此來增大光柵的耦合系數。由于電極位于脊波導的表面上，會產生比較大的金屬吸收損耗，而且采用低級光柵會增大光柵表面電極的制作難度。為了降低光柵表面電極的制作難度，表面光柵激光器也會采用高階布拉格光柵，為了降低表面電極的吸收損耗，通常采用較厚的脊層并通過深刻蝕光柵來提高耦合系數，光柵的刻蝕深度可以超過1個微米。高階表面光柵激光器主要有通過引入表面結構來選模的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。),該激光器的反饋主要來自于FP腔的兩個鏡面，在表面脊波導的脊中的特定位置刻蝕多個槽，從FP腔的眾多縱模中選出一個來激射。這種激光器由于存在FP腔面影響，通常很難獲得高的邊模抑制比；也有高階表面布拉格光柵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.),該激光器在一端的脊波導表面刻蝕高階布拉格光柵，該端的光反饋完全由光柵提供。這種激光器由于去除了FP腔的影響，通常可以獲得比較高的邊模抑制比。另一方面，為了制作簡單，這種高階光柵的槽寬通常比較寬，約1微米，因而可以采用普通的光刻工藝來制作，制作工藝簡單，但是它的缺點是光柵的散射損耗較大，導致制備的激光器閾值偏高、輸出功率和斜率效率偏低。為了降低光柵帶來的損耗，高階表面光柵激光器還可以采用窄槽寬的光柵(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.)。這里槽寬只有100nm左右，為了在實驗上實現這種窄槽寬的深刻蝕表面光柵，通常需要比較復雜的刻蝕工藝，因此存在成品率低、成本高的缺點。