專利名稱：用于改善條形激光器側向遠場的光子晶體波導的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有兩種不同條寬和周期的一維波導陣列，特別是指一種用于改 善條形激光器側向遠場的光子晶體波導的制作方法，以改善激光器的側向遠場特性。
背景技術：
隨著光通信，光互連技術以及各種光電子器件的發(fā)展，激光技術已經(jīng)成為現(xiàn)代科 技發(fā)展所不可或缺的部分，激光器的應用已經(jīng)覆蓋了生活、醫(yī)藥、勘探、國防等各個領域。隨 著應用面的不斷拓寬，激光器的種類也日漸繁多。但廉價，可靠是一類激光器能夠得到普 及的前提條件。在眾多激光器中，條形波導激光器二極管由于其成本低，制作工藝簡單，可 重復性好等優(yōu)點而倍受人們的青睞。這種激光器不僅可以直接應用，而且可以作為其他激 光器如全固態(tài)激光器的泵浦光源，因此是目前應用最為廣泛的一種半導體激光器。條形波 導激光器的橫向光場限制是通過生長不同的外延層實現(xiàn)的，而側向光場限制是通過在半導 體外延片上刻蝕出脊形波導結構實現(xiàn)。激光器的輸出功率可以通過增波導寬度來增加，但 寬條會導致多模激射，影響光束質(zhì)量，因此寬條激光器在耦合輸出的時候往往需要借助復 雜的校準設備，這增加的功率的損耗以及器件的復雜度。耦合波導結構是用來實現(xiàn)模式選 擇的一種有效手段，但耦合波導結構中，率先激射的模式相鄰波導的相位差η，遠場呈現(xiàn)雙 峰。因此如何調(diào)節(jié)脊形波導激光器中的模式是實現(xiàn)高光束質(zhì)量激光器的關鍵條形激光器發(fā)展至今已是經(jīng)相當成熟，在如何保證激光器基模激射的問題上，世 界上各個研究小組提出了各種不同的方案，已有采用金屬吸收，板耦合波導等抑制高階模 式的方案，但這些方案都是采用增加損耗的方式來實現(xiàn)模式分離，還未有有效的結構來進 行光場的調(diào)控。而光子晶體作為調(diào)控光場的有效手段，已經(jīng)受到廣泛的研究。因此在脊形 波導激光器的模式選擇上勢必會有很大效用。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于，提供一種用于改善條形激光器側向遠場的光子晶 體波導的制作方法，通過該方法可以調(diào)節(jié)激光器的側向模式，實現(xiàn)基側模激射從而改善激 光器的遠場。為達到上述目的，本發(fā)明提供一種用于改善條形激光器側向遠場的光子晶體波導 的制作方法，包括如下步驟步驟1 取一襯底；步驟2 在襯底上依次生長下限制層、有源區(qū)和上限制層，形成橫向波導結構；步驟3 采用感應耦合等離子體刻蝕的方法對上限制層進行刻蝕，在上限制層上 形成周期性的條狀結構，該條狀結構的一部分為條狀電流注入?yún)^(qū)，其余部分為光場調(diào)制區(qū)， 結合這兩個區(qū)便能實現(xiàn)側向模式的調(diào)控；步驟4 在條狀電流注入?yún)^(qū)的上面制作電極實現(xiàn)電流的選擇性注入；步驟5 將襯底減薄，改善電流注入特性；
步驟6 在襯底的背面制作背面電極，完成器件的制作。其中對上限制層進行刻蝕的刻蝕深度小于上限制層的厚度。其中周期性的條狀電流注入?yún)^(qū)的條寬小于倍的波長。其中周期性的條狀結構的光場調(diào)制區(qū)的條寬小于條狀電流注入?yún)^(qū)的條寬。其中襯底的材料為MP或GaAs。其中上限制層的材料為InP或AlGaAs。其中下限制層的材料為InP或AlGaAs。其中有源區(qū)的材料為InGaAsP、AlfeJnAs或InGaAs。從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明提供的這種光子晶體波導結構，可以對模式光場分布進行調(diào)控，能夠使 高階模與基模的光場區(qū)分開來，使基模光場限制在寬條區(qū)，而使高階模光場擴展到窄條區(qū)， 這樣結合后續(xù)選擇性的電流注入，可以實現(xiàn)基模的選擇。2、本發(fā)明提供的這種光子晶體波導結構，能夠有效地將基模的光場局限在寬條注 入?yún)^(qū)，不會額外增加基模的損耗，因而不會提高激射閾值。3、本發(fā)明提供的這種光子晶體波導結構，設置在有源區(qū)的上方，通過消逝場耦合 實現(xiàn)光場調(diào)制，無需穿透有源區(qū)，因而不會對有源區(qū)造成損傷。4、本發(fā)明提供的這種光子晶體波導結構，在工藝上與傳統(tǒng)的脊形波導激光器相 同，因此具有成熟的工藝，制作上有較高的重復性。


為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明，其中圖1是本發(fā)明提供的一種光子晶體波導結構的截面示意圖；采用了非對稱的結 構，對三周期的寬條陣列進行了光場調(diào)制。圖2是圖1結構中存在的低階模式的場分布；其中各個脊形條之間的光場相位相 同。圖3是圖1結構中存在的高階階模式的場分布；其中各個脊形條之間的光場相位 相差^。圖4是本發(fā)明提供的另一種光子晶體波導結構的截面示意圖；采用了對稱的結 構，對單個寬條進行了光場調(diào)制。圖5是采用圖4結構調(diào)制后的基模光場分布。圖6是采用圖4結構調(diào)制后的一階模光場分布。圖7是采用圖4結構調(diào)制后的二階模光場分布。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發(fā)明一種用于改善條形激光器側向遠場分布的光子晶體波導 的制作方法，包括如下步驟步驟1 取一襯底5，該襯底5的材料為InP或GaAs ；步驟2 在襯底5上依次生長下限制層4、有源區(qū)3和上限制層2。如襯底為hP，則可選擇生長InP作為上限制層2和下限制層4，InGaAsP或AlfetInAs作為有源層3 ；如襯 底為GaAs，可選擇生長MGaAs為上限制層2和下限制層4，InGaAs作為有源層3。步驟3 采用感應耦合等離子體刻蝕的方法對上限制層2進行刻蝕，在上限制層2 上形成周期性的條狀結構，該條狀結構的一部分為條狀電流注入?yún)^(qū)，所述周期性的條狀電 流注入?yún)^(qū)的條寬可以小于6倍波長的尺度，其余部分半為光場調(diào)制區(qū)，所述周期性的條狀 結構的光場調(diào)制區(qū)的條寬小于條狀電流注入?yún)^(qū)的條寬。對上限制層2進行刻蝕，刻蝕深度 小于上限制層2的厚度。步驟4 在條狀電流注入?yún)^(qū)的上面制作電極1 ；這樣電流只能從條狀電流注入?yún)^(qū)進 入，不同模式之間的增益就會有較大的差別，在我們的設計中基模的增益會顯著高于其他 模式。步驟5 將襯底5減?。贿@樣可以減小襯底帶來的載流子復合，改善器件的電注入 特性。步驟6 在襯底5的背面制作背面電極6，完成器件的制作。具體的器件結構如圖1和圖4所示，制作光子晶體波導的樣片結構包括上限制層 2，有源區(qū)3，下限制層4和襯底5，結合光學曝光和刻蝕技術在有源區(qū)上房的上限制層2制 作側向光子晶體結構，并在襯底和刻蝕后的上限制層沉積金屬分別作為背面電極6和上電 極1來實現(xiàn)載流子的選擇性注入。光子晶體是通過消逝場耦合來實現(xiàn)模式調(diào)制，無需穿透 有源區(qū)，從而避免對有源區(qū)造成損傷。實施例一在背景技術中提到“耦合波導結構是是用來實現(xiàn)模式選擇的一種有效手段，但耦 合波導結構中，率先激射的模式相鄰波導的相位差η，遠場呈現(xiàn)雙峰”，這是目前耦合波導 激光器面臨的問題，如何實現(xiàn)相鄰波導無相差的同相模式的率先激射是一項關鍵技術。本 實例中針對近紅外1. 55um的激光設計了如圖1所示的光子晶體波導結構，其中電流注入?yún)^(qū) 的陣列周期數(shù)為3，陣列周期5 μ m，條寬3um，光場調(diào)制區(qū)的陣列周期數(shù)為4，陣列周期4 μ m, 條寬2 μ m。在圖1所示結構的調(diào)制下，陣列中的模式光場分布發(fā)生了變化，具體效果可以對 比圖2和圖3。圖2所示的模式各個脊形條之間的光場相位相同，遠場具有類高斯狀的分 布，這是實際需要的模式；而圖3所示的模式之間相位相差π，遠場呈現(xiàn)雙峰，是需要抑制 掉的模式。通過對比可以法相這兩個模式光場分布的位置明顯不同。在圖1所示選擇性注 入的條件下，圖2所示的同相模式可以獲得更高的增益，從而率先激射，獲得較好的遠場。實施例二對于單條的波導結構，寬的脊形條會導致多模激射，影響光束質(zhì)量。本實例中同樣 針對近紅外1.55um的激光設計了如圖4所示的光子晶體波導結構，其中電流注入?yún)^(qū)只有一 個波導結構，條寬6um，光場調(diào)制區(qū)陣列周期數(shù)為3，陣列周期4 μ m，條寬2 μ m，設置在寬條 的兩側，形成對稱結構。在圖4所示結構的調(diào)制下，電流注入?yún)^(qū)中不同模式的光場分布發(fā)生 了變化，具體效果可以對比圖5-7。圖5是所需要的基模，圖6和圖7分別是調(diào)制后的一階 模和二階模，可以發(fā)現(xiàn)只有基模被局限在電流注入?yún)^(qū)，高階模式則是擴展到整個光子晶體 波導中，因此基模具有最高增益，可以選擇性的實現(xiàn)基模的激射。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種用于改善條形激光器側向遠場的光子晶體波導的制作方法，包括如下步驟步驟1 取一襯底；步驟2 在襯底上依次生長下限制層、有源區(qū)和上限制層，形成橫向波導結構；步驟3 采用感應耦合等離子體刻蝕的方法對上限制層進行刻蝕，在上限制層上形成 周期性的條狀結構，該條狀結構的一部分為條狀電流注入?yún)^(qū)，其余部分為光場調(diào)制區(qū)，結合 這兩個區(qū)便能實現(xiàn)側向模式的調(diào)控；步驟4 在條狀電流注入?yún)^(qū)的上面制作電極實現(xiàn)電流的選擇性注入；步驟5 將襯底減薄，改善電流注入特性；步驟6 在襯底的背面制作背面電極，完成器件的制作。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于改善條形激光器側向遠場的光子晶體波導的制作方法， 其中對上限制層進行刻蝕的刻蝕深度小于上限制層的厚度。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于改善條形激光器側向遠場的光子晶體波導的制作方法， 其中周期性的條狀電流注入?yún)^(qū)的條寬小于倍的波長。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于改善條形激光器側向遠場的光子晶體波導的制作方法， 其中周期性的條狀結構的光場調(diào)制區(qū)的條寬小于條狀電流注入?yún)^(qū)的條寬。
5.根據(jù)權利要求1所述的用于改善條形激光器側向遠場的光子晶體波導的制作方法， 其中襯底的材料為InP或GaAs。
6.根據(jù)權利要求1所述的用于改善條形激光器側向遠場的光子晶體波導的制作方法， 其中上限制層的材料為InP或AlGaAs。
7.根據(jù)權利要求1所述的用于改善條形激光器側向遠場的光子晶體波導的制作方法， 其中下限制層的材料為InP或AlGaAs。
8.根據(jù)權利要求1所述的用于改善條形激光器側向遠場的光子晶體波導的制作方法， 其中有源區(qū)的材料為InGaAsP、AlfeJnAs或InGaAs。
全文摘要
一種用于改善條形激光器側向遠場的光子晶體波導的制作方法，包括如下步驟步驟1取一襯底；步驟2在襯底上依次生長下限制層、有源區(qū)和上限制層，形成橫向波導結構；步驟3采用感應耦合等離子體刻蝕的方法對上限制層進行刻蝕，在上限制層上形成周期性的條狀結構，該條狀結構的一部分為條狀電流注入?yún)^(qū)，其余部分為光場調(diào)制區(qū)，結合這兩個區(qū)便能實現(xiàn)側向模式的調(diào)控；步驟4在條狀電流注入?yún)^(qū)的上面制作電極實現(xiàn)電流的選擇性注入；步驟5將襯底減薄，改善電流注入特性；步驟6在襯底的背面制作背面電極，完成器件的制作。
文檔編號H01S5/22GK102142657SQ20111004979
公開日2011年8月3日 申請日期2011年3月2日 優(yōu)先權日2011年3月2日
發(fā)明者付非亞, 劉安金, 周文君, 張建心, 渠紅偉, 鄭婉華, 陳微 申請人:中國科學院半導體研究所