本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于表面光柵的DFB激光器。

背景技術(shù)：

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(diào)諧等特點(diǎn)，因而在光通信、光存儲(chǔ)和光學(xué)檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)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(lái)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(dǎo)蓋層中并通過(guò)再生長(zhǎng)的方式將光柵掩埋起來(lái)，所以在制作過(guò)程中會(huì)包含一次或多次的材料再生長(zhǎng)過(guò)程。這種材料的再次生長(zhǎng)過(guò)程會(huì)使激光器的制作變得復(fù)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(zhǎng)。

目前不需要材料再生長(zhǎng)的單模激光器主要為光柵刻蝕在脊波導(dǎo)兩側(cè)的側(cè)邊耦合表面光柵激光器(LC-DFB)以及光柵刻蝕在脊波導(dǎo)的表面上的脊波導(dǎo)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,and T.M.Cockerill,"A distri-buted feedback ridge waveguide quantum wellheterostructure laser,"IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.3,pp.6-8,1991.)，該激光器不需要材料再生長(zhǎng)，布拉格光柵刻蝕在激光器的脊波導(dǎo)的兩側(cè)，電流從脊波導(dǎo)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(lái)制作LC-DFB激光器(M.Kamp,J.Hofmann,A.Forchel,F.Scha-fer,and J.P.Reithmaier,"Low-thresholdhighquantumefficiencylaterallygain-c oupledInGaAs/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(fù)合耦合型的LC-DFB激光器都由于波導(dǎo)模式與光柵之間的弱耦合而導(dǎo)致耦合系數(shù)κ小，通常需要很長(zhǎng)的激光器腔長(zhǎng)L來(lái)得到較大的光柵歸一化耦合系數(shù)κL來(lái)保證DFB激光器的性能；而且側(cè)邊金屬光柵LC-DFB由于金屬的引入，會(huì)對(duì)激光器帶來(lái)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 waveguide dis-tributed Bragg reflector InGaAs-GaAs quantum well lasers,"Eletron.Lett.,vol.30,pp.1313-1314,1994.)。光柵級(jí)數(shù)比較低，有2級(jí)、3級(jí)布拉格光柵也有一級(jí)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(lái)自解理面和光柵，光柵刻蝕在脊波導(dǎo)的表面，深度比脊波導(dǎo)淺，光柵區(qū)有電流注入。這類(lèi)激光器通過(guò)引入非對(duì)稱(chēng)上下限制層，采用較薄的上限制層，來(lái)增強(qiáng)光柵與脊波導(dǎo)模場(chǎng)之間的重疊，以此來(lái)增大光柵的耦合系數(shù)。由于電極位于脊波導(dǎo)的表面上，會(huì)產(chǎn)生比較大的金屬吸收損耗，而且采用低級(jí)光柵會(huì)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(huì)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(guò)深刻蝕光柵來(lái)提高耦合系數(shù)，光柵的刻蝕深度可以超過(guò)1個(gè)微米。高階表面光柵激光器主要有通過(guò)引入表面結(jié)構(gòu)來(lái)選模的Fabry-Pérot(FP)腔激光器(B.Corbett,and D.McDonald,"Single longitudinalmode ridgewaveguide 1.3μmFabry-Perotlaser by modal perturbation,"Electron.Lett.,vo.31,no.25,pp.2181-2182,1995。),該激光器的反饋主要來(lái)自于FP腔的兩個(gè)鏡面，在表面脊波導(dǎo)的脊中的特定位置刻蝕多個(gè)槽，從FP腔的眾多縱模中選出一個(gè)來(lái)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 mode lasers inte-grated with a semiconductor optical amplifier,"IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.25,no.6,pp.564-567,2013.),該激光器在一端的脊波導(dǎo)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?？梢垣@得比較高的邊模抑制比。另一方面，為了制作簡(jiǎn)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(lái)制作，制作工藝簡(jiǎn)單，但是它的缺點(diǎn)是光柵的散射損耗較大，導(dǎo)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(lái)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 surface gratings:theory and experiments,”IEEE J.Sel.Topics Quantum Elec-tron.,vol.21,pp.1502707,2015.)。這里槽寬只有100nm左右，為了在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)這種窄槽寬的深刻蝕表面光柵，通常需要比較復(fù)雜的刻蝕工藝，因此存在成品率低、成本高的缺點(diǎn)。

總之，現(xiàn)有的商用DFB激光器存在材料再生長(zhǎng)的問(wèn)題，導(dǎo)致成品率低、成本高。現(xiàn)有的表面光柵激光器存在光柵的耦合系數(shù)小或者電極損耗大的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提出一種基于表面光柵的DFB激光器，以克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺陷。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的一種基于表面光柵的DFB激光器，包括中間的脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和兩側(cè)的上下電極區(qū)，所述激光器的橫截面自下而上包括襯底、下波導(dǎo)蓋層、有源層、上波導(dǎo)蓋層；

所述上波導(dǎo)蓋層包含上下排列的高折射率層和高電導(dǎo)率層，所述高折射率層的材料折的射率能夠大于有源層的材料折射率，所述高折射率層的厚度小于1微米，所述高折射率層的中間區(qū)域形成所述脊形波導(dǎo)的脊區(qū)，所述脊區(qū)表面刻有布拉格光柵。

為了減小損耗并且降低電極制作難度，脊波導(dǎo)表面不做電極，所述上電極位于所述脊波導(dǎo)的兩側(cè)，所述脊波導(dǎo)與上電極之間刻有溝槽；所述高電導(dǎo)率層與脊波導(dǎo)兩側(cè)的上電極區(qū)相連；

所述下波導(dǎo)蓋層中含有一個(gè)或多個(gè)電流限制區(qū)；或者在所述上波導(dǎo)蓋層制作有一個(gè)掩埋隧道結(jié)，以用于限制電流。這樣整個(gè)脊波導(dǎo)的模式在脊區(qū)中有較大的光限制因子，與光柵的作用可以很強(qiáng)，光柵有大的耦合系數(shù)，在激光器腔長(zhǎng)L很短的情況下也可以獲得低閾值以及高速直調(diào)的激光器性能。

整個(gè)脊區(qū)的光場(chǎng)與所述布拉格光柵形成強(qiáng)相互作用，所述布拉格光柵的耦合系數(shù)足夠大，能夠大于250cm^-1。

優(yōu)選的，所述布拉格光柵選用一階布拉格光柵，且所述一階布拉格光柵包含一個(gè)或者多個(gè)λ_B/4的相移區(qū)；或者選用是高階光柵；所述布拉格光柵的周期為Λ＝mλ_B/2n_eff，其中λ_B和m分別為光柵所對(duì)應(yīng)的布拉格波長(zhǎng)和級(jí)數(shù)，n_eff為波導(dǎo)的有效折射率。

進(jìn)一步的，通過(guò)調(diào)整光柵的刻蝕深度、脊區(qū)的材料折射率以及脊區(qū)的厚度參數(shù)調(diào)整光柵的耦合系數(shù)，以提高光柵的耦合系數(shù)，最大能夠達(dá)到1000cm^-1以上。

優(yōu)選的，所述高電導(dǎo)率層為N型摻雜。

最優(yōu)的，所述溝槽的刻蝕深度至高電導(dǎo)率層，溝槽的寬度大于500納米，以使上電極區(qū)對(duì)脊波導(dǎo)的模式?jīng)]有影響。

可優(yōu)選的，所述上電極是N電極，電子在所述高電導(dǎo)率層橫向移動(dòng)后注入到脊波導(dǎo)下面的有源層區(qū)域中。所述下電極是P電極。

同樣優(yōu)選的，所述有源層不摻雜，有源層有源介質(zhì)層、以及一個(gè)或多個(gè)分別限制層；其中，有源介質(zhì)層選用多量子阱、量子點(diǎn)或者體材料。

優(yōu)選的，所述下波導(dǎo)蓋層為P型摻雜，所述下波導(dǎo)蓋層下含有高摻雜的P歐姆接觸層；所述上波導(dǎo)蓋層、有源層和下波導(dǎo)蓋層共同構(gòu)成N-i-P結(jié)構(gòu)；所述電流限制區(qū)是在P型摻雜的下波導(dǎo)蓋層中靠近有源層區(qū)域的位置形成，以限制空穴的注入。

優(yōu)選的，形成所述電流限制區(qū)的選用方式包括：通過(guò)離子注入相應(yīng)區(qū)域的方式形成；或者在相應(yīng)區(qū)域通過(guò)預(yù)埋高鋁組分層，然后從兩側(cè)氧化該高鋁組分層形成氧化鋁，從而形成高電阻區(qū)；或者在有源層區(qū)域的上方利用隧道結(jié)來(lái)限制空穴的注入。

本發(fā)明的有益效果是：整個(gè)脊形波導(dǎo)的模式在脊區(qū)中有大的光限制因子，與光柵的作用很強(qiáng)，光柵有大的耦合系數(shù)，在激光器腔長(zhǎng)L很短的情況下也能夠獲得低閾值以及高速直調(diào)的激光器性能；脊波導(dǎo)表面不做電極，上電極位于脊波導(dǎo)兩側(cè)，這樣減小損耗并且降低上電極制作難度。本發(fā)明不需要材料的二次外延生長(zhǎng)，制作工藝簡(jiǎn)便，因而降低了器件的制作成本，提高了器件的可靠性。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體說(shuō)明。

圖1為本發(fā)明激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2A為本發(fā)明激光器含有富鋁電流限制層的截面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2B為本發(fā)明激光器含有隧道結(jié)的截面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明激光器一個(gè)具體實(shí)例的縱向截面圖。

圖4為本發(fā)明激光器一個(gè)具體實(shí)例的脊波導(dǎo)高度和光柵刻蝕深度與光柵耦合系數(shù)的關(guān)系圖。

圖5A為本發(fā)明激光器一個(gè)具體實(shí)例的腔內(nèi)的載流子密度分布

圖5B為本發(fā)明激光器一個(gè)具體實(shí)例的腔內(nèi)的光子密度分布。

圖6為本發(fā)明激光器一個(gè)具體實(shí)例的的輸出光功率隨著輸入電流的變化關(guān)系曲線。

具體實(shí)施方式

下文結(jié)合附圖和具體實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的基于表面光柵的DFB激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。激光器的側(cè)向、橫向和縱向分別記為x、y和z方向，所有的示意圖都用相同的空間坐標(biāo)系和標(biāo)記。如圖1所示，該半導(dǎo)體激光器的分層結(jié)構(gòu)，橫截面自下而上包括襯底1、下波導(dǎo)蓋層3、有源層4、上波導(dǎo)蓋層5。其中，下波導(dǎo)蓋層3為P型摻雜，有源層4不摻雜，上波導(dǎo)蓋層5為N型摻雜，上波導(dǎo)蓋層5、有源層4和下波導(dǎo)蓋層3共同構(gòu)成N-i-P結(jié)構(gòu)。自下而上，下波導(dǎo)蓋層3中含有一層歐姆接觸層2，為P型重?fù)诫s，摻雜濃度范圍為10¹⁹～10²⁰cm^-3，來(lái)提供足夠的載流子；下波導(dǎo)蓋層3中還含有一個(gè)或多個(gè)電流限制區(qū)12，或者是在上波導(dǎo)蓋層5中制作一個(gè)掩埋隧道結(jié)來(lái)限制電流。有源層4以提供光增益，有源層4中含有一個(gè)或者多個(gè)量子阱7以及一個(gè)或多個(gè)下分別限制層6和上分別限制層8。量子阱7也選用體材料、量子線和量子點(diǎn)替代。上波導(dǎo)蓋層5包含高電導(dǎo)率層9以及其上的高折射率層10。

10為高折射率材料，厚度H_r如圖1中所示小于1微米，脊形波導(dǎo)的表面刻蝕有布拉格光柵11，整個(gè)脊形波導(dǎo)的模式在脊中有比較大的光限制因子，脊區(qū)的光場(chǎng)與脊表面的光柵形成強(qiáng)的相互作用，光柵有大的耦合系數(shù)，耦合系數(shù)能夠大于250cm^-1。這樣，在激光器腔長(zhǎng)L很短的情況下也可以獲得低閾值以及高速直調(diào)的激光器性能。

脊形波導(dǎo)表面的光柵11可以為一階布拉格光柵，可以包含一個(gè)或者多個(gè)λ_B/4的相移區(qū)，也可以是高階布拉格光柵。光柵的周期為Λ＝mλ_B/2n_eff，其中λ_B和m分別為光柵所對(duì)用的布拉格波長(zhǎng)和級(jí)數(shù)，n_eff為波導(dǎo)的有效折射率。

脊形波導(dǎo)的表面沒(méi)有電極，N面電極13位于脊形波導(dǎo)兩側(cè)，在脊形波導(dǎo)與兩側(cè)電極13之間刻蝕有溝槽，溝槽刻蝕至高電導(dǎo)率層9。溝槽的寬度W_r大于500納米，這樣電極區(qū)遠(yuǎn)離脊形波導(dǎo)芯區(qū)，因此對(duì)脊形波導(dǎo)的模式?jīng)]有影響。高折射率層10下面的高電導(dǎo)率層9與兩側(cè)的上電極區(qū)13相連。脊形波導(dǎo)的兩側(cè)，在P型摻雜的下波導(dǎo)蓋層3中靠近有源層4區(qū)域的位置形成高電阻區(qū)12來(lái)限制空穴的注入?？昭ㄖ荒軓募剐尾▽?dǎo)的正下方注入到有源層區(qū)域中，這樣空穴注入的區(qū)域與脊波導(dǎo)的模式能最大程度地重疊，從而提高激光器的注入效率。所述激光器的空穴注入限制區(qū)可以通過(guò)離子注入相應(yīng)區(qū)域的方式形成；也可以在相應(yīng)區(qū)域通過(guò)預(yù)埋高鋁組分層比如AlAs層，然后從兩側(cè)氧化該高鋁組分層形成氧化鋁，從而形成高電阻區(qū)。另外，也可以在有源層區(qū)域的上方利用隧道結(jié)來(lái)限制空穴的注入。具體如下：在N摻雜的高電導(dǎo)率層與有源層之間引入低摻雜的P摻雜層，在脊形波導(dǎo)的下方引入隧道結(jié)。這時(shí)下波導(dǎo)蓋層可以采用N摻雜，整個(gè)結(jié)構(gòu)在隧道結(jié)區(qū)域變成N-N++-P++-i-N，其中N++-P++就是隧道結(jié)。在隧道結(jié)以外的區(qū)域是N-P-i-N結(jié)構(gòu)。當(dāng)上面的N電極加正偏電壓時(shí)，在隧道結(jié)以外的區(qū)域由于NP結(jié)反偏無(wú)法注入電流，在隧道結(jié)的位置，電子可以通過(guò)量子隧穿的方式由P++層穿過(guò)隧道結(jié)進(jìn)入N++層，效果上就是空穴注入到隧道結(jié)下面的有源層區(qū)域中。

圖2為空穴注入限制區(qū)形成的高鋁氧化層和掩埋隧道結(jié)兩種方式下的激光器截面結(jié)構(gòu)示意圖(xy平面)。如圖2A所示，在該激光器中鄰近有源層4的下波導(dǎo)蓋層3中有一層富鋁電流限制層12(該層材料中的鋁組分高，能夠被氧化成(AlGa)_xO_y，該氧化物具有絕緣的效果，一般含鋁組分大于等于80％)，通過(guò)選擇區(qū)氧化該層形成高阻區(qū)。如圖2B所示，在該激光器中鄰近有源層4的上波導(dǎo)蓋層5中制作一個(gè)掩埋隧道結(jié)(Buried tunnel junction)，隧道結(jié)是由P型重?fù)诫s層15即P++層和N型重?fù)诫s層即N++層16組成。在N摻雜的高電導(dǎo)率層9與有源層4之間引入低摻雜的P摻雜層14，這時(shí)下波導(dǎo)蓋層3可以采用N摻雜。注入電流后，掩埋隧道結(jié)能夠形成電子空洞，從而很好的限制電流。

圖3為本發(fā)明的基于表面光柵的DFB激光器的一個(gè)具體實(shí)例激光器的縱向結(jié)構(gòu)示意圖(zy平面)。脊形波導(dǎo)表面含有2組一階布拉格光柵18和19，它們具有相同刻蝕深度H_g和周期Λ＝λ_B/2n_eff，其中λ_B和n_eff分別為光柵所對(duì)應(yīng)的布拉格波長(zhǎng)和波導(dǎo)的有效折射率，因而它們具有相同的耦合系數(shù)，并在布拉格波長(zhǎng)λ_B處光柵能夠提供最大的反射。在一階布拉格光柵18中插入λ/4相移區(qū)17來(lái)保證激光器能夠穩(wěn)定的工作在布拉格波長(zhǎng)λ_B處，該結(jié)構(gòu)在Bragg阻帶的中心即布拉格波長(zhǎng)處存在一個(gè)損耗最低的模式，從而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定波長(zhǎng)即布拉格波長(zhǎng)處的單模運(yùn)行。電極位于光柵18所對(duì)應(yīng)的脊波導(dǎo)兩側(cè)，而光柵19的脊形波導(dǎo)兩側(cè)沒(méi)有做電極。在在光柵所在脊形波導(dǎo)的下波導(dǎo)蓋層中靠近有源層區(qū)域通過(guò)離子注入可以形成限制空穴注入的高阻區(qū)，通過(guò)調(diào)整離子注入?yún)^(qū)域的位置可以有效控制電流的路徑。在光柵18對(duì)應(yīng)的高阻區(qū)在脊形波導(dǎo)的兩側(cè)，這樣空穴就從脊形波導(dǎo)的正下方注入到有源層區(qū)域中；而在光柵19對(duì)應(yīng)的高阻區(qū)則延伸至整個(gè)一層，這樣就沒(méi)有電流的注入，無(wú)法獲得增益，因此該光柵充當(dāng)反射區(qū)主要為激光器的光反饋，以降低閾值，并保證激光器的單模工作。在反射區(qū)光柵19的外端為激光器的輸出端，為了減小解理端面帶來(lái)反射，采用小角度彎曲波導(dǎo)或水平傾斜的端面端等，用于避免來(lái)自該端的反射。激光器的輸出端鍍?cè)鐾改ぃ鐾改さ姆瓷渎市∮?％。

脊區(qū)的高度H_r和光柵的刻蝕深度H_g可以根據(jù)所需激光器的性能來(lái)確定。但是一階表面布拉格光柵刻蝕不宜太深，所以選擇高折射率材料形成脊區(qū)，并選取較薄的脊厚度，厚度小于1微米，整個(gè)脊波導(dǎo)的模式在脊中有比較大的光限制因子，脊區(qū)的光場(chǎng)與光柵形成強(qiáng)的相互作用，光柵有大的耦合系數(shù)。脊區(qū)的高度H_r和光柵的刻蝕深度H_g(H_r>H_g)與光柵的耦合系數(shù)的大小有密切的關(guān)系如圖4所示，可見(jiàn)，脊區(qū)高度H_r越薄，光柵的刻蝕深度H_g越深，光柵的耦合系數(shù)越大。通?，F(xiàn)有技術(shù)采用的掩埋光柵結(jié)構(gòu)中光柵的耦合系數(shù)小于250cm^-1，本發(fā)明則能夠達(dá)到1000cm^-1以上，如圖4所示，此時(shí)脊區(qū)的厚度小于0.5微米。

圖5A和5B分別為本發(fā)明該具體實(shí)例激光器在注入電流2mA下腔內(nèi)的載流子密度和光子密度分布分布，可以看出它們?cè)诠鈻?6和光柵反射區(qū)15的分布是非常不均勻的。圖6為該激光器的輸出功率隨著輸入電流的變化關(guān)系曲線，可以看到閾值電流很低，僅為為0.2mA左右，而斜率效率達(dá)到了0.5mW/mA，可見(jiàn)該激光器實(shí)現(xiàn)了短腔長(zhǎng)下低閾值高斜率效率的激光器性能。最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上具體實(shí)施方式僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。