窄发散角脊波导半导体激光器

摘要

本发明公开了一种窄发散角脊波导半导体激光器，包括衬底层、缓冲层、N型限制层、下限制层、下波导层、多量子阱区、上波导层、上限制层、腐蚀阻挡层、P型限制层和电极接触层；在缓冲层和N型限制层之间还设有扩展波导层，扩展波导层为N型InGaAsP材料，扩展波导层的厚度为0.2μm‑0.5μm，下波导层的厚度为0.05μm‑0.15μm，上波导层的厚度为0.05μm‑0.15μm，扩展波导层到多量子阱区的距离为1μm‑2μm；P型限制层和电极接触层设置在腐蚀阻挡层的纵向中部，构成脊波导；采用小球透镜封装。本发明减小了垂直发散角，提高耦合效率，温度特性能满足要求，工艺过程简化，提高芯片成品率，成本低廉。

权利要求

1.一种窄发散角脊波导半导体激光器，包括衬底层（1）、在衬底层（1）上由下至上依次设有的缓冲层（2）、N型限制层（4）、下限制层（5）、下波导层（6）、多量子阱区（7）、上波导层（8）、上限制层（9）、腐蚀阻挡层（10）、P型限制层（11）和电极接触层（12）；其特征在于在缓冲层（2）和N型限制层（4）之间还设有扩展波导层（3），所述扩展波导层（3）为N型InGaAsP材料，扩展波导层（3）的厚度为0.2μm-0.5μm，所述下波导层（6）的厚度为0.05μm-0.15μm，上波导层（8）的厚度为0.05μm-0.15μm，扩展波导层（3）到多量子阱区（7）的距离为1μm-2μm；所述P型限制层（11）和电极接触层（12）设置在腐蚀阻挡层（10）的纵向中部，构成脊波导；采用直径为1.5mm-2.0mm的小球透镜封装。

2.根据权利要求1所述的窄发散角脊波导半导体激光器，其特征在于所述扩展波导层（3）的厚度为0.3μm，下波导层（6）的厚度为0.1μm，上波导层（8）的厚度为0.1μm，扩展波导层（3）到多量子阱区（7）的距离为1.4μm。

3.根据权利要求1所述的窄发散角脊波导半导体激光器，其特征在于采用直径为1.5mm小球透镜封装。

4.根据权利要求3所述的窄发散角脊波导半导体激光器，其特征在于所述小球透镜封装的折射率为1.45-1.8，有效数值孔径为0.1-0.2。

5.根据权利要求1所述的窄发散角脊波导半导体激光器，其特征在于所述下波导层（6）、多量子阱区（7）和上波导层（8）采用非掺杂的AlGaInAs材料。

6.根据权利要求1所述的窄发散角脊波导半导体激光器，其特征在于所述下限制层（5）采用N型的AlGaInAs材料。

7.根据权利要求1所述的窄发散角脊波导半导体激光器，其特征在于所述脊波导的宽度为2.5μm，深度为1.8μm。

说明书

窄发散角脊波导半导体激光器

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体激光器技术领域。

背景技术

[0002] 随着光纤网络的发展，对于光收发元件的要求也是越来越高，由于市场的激烈竞争，同时拥有更好性能且拥有更低成本的元件才往往有优势。广泛应用的EPON（以太无源光网络）通常要求较高的耦合出纤功率，这就对TO器件提出了较高要求。如果采用高效率芯片和非球透镜封装，由于非球面透镜成本较球透镜成本高，因此导致使用非球透镜封装的器件价格上不占优势。若要采用球透镜降低封装成本，为了得到更高的出纤光功率就需要开发出窄发散角激光器芯片。现有的小球透镜封装的TO器件使用铟镓砷磷（InGaAsP）材料掩埋异质结的结构，其采用小发散角工作，且成本低廉，但是，其芯片内部电子限制不好，高温工作时阈值过高、效率偏低。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种窄发散角脊波导半导体激光器，减小了垂直发散角，提高耦合效率，温度特性能满足要求，工艺过程简化，提高芯片成品率，成本低廉。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

[0005] 一种窄发散角脊波导半导体激光发射器，包括衬底层、在衬底层上由下至上依次设有的缓冲层、N型限制层、下限制层、下波导层、多量子阱区、上波导层、上限制层、腐蚀阻挡层、P型限制层和电极接触层；在缓冲层和N型限制层之间还设有扩展波导层，所述扩展波导层为N型InGaAsP材料，扩展波导层的厚度为0.2μm-0.4μm，所述下波导层的厚度为0.05μm-0.15μm，上波导层的厚度为0.05μm-0.15μm，扩展波导层到多量子阱区的距离为1.0μm-2.0μm；所述P型限制层和电极接触层设置在腐蚀阻挡层的纵向中部，构成脊波导；采用直径为1.5mm-2mm的小球透镜封装。

[0006] 进一步的技术方案，所述扩展波导层的厚度为0.3μm，下波导层的厚度为0.1μm，上波导层的厚度为0.1μm，扩展波导层到多量子阱区的距离为1.4μm。

[0007] 进一步的技术方案，采用直径为1.5mm小球透镜封装。

[0008] 进一步的技术方案，所述小球透镜封装的折射率为1.45-1.8，有效数值孔径为0.1-0.2。

[0009] 进一步的技术方案，所述下波导层、多量子阱区和上波导层采用非掺杂的AlGaInAs材料。

[0010] 进一步的技术方案，所述下限制层采用N型的AlGaInAs材料。

[0011] 进一步的技术方案，所述脊波导的宽度为2.5μm，深度为1.8μm。

[0012] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于：减小了垂直发散角，提高耦合效率，温度特性能满足要求，工艺过程简化，提高芯片成品率，成本低廉；采用单边拓展结构设计，减小了垂直发散角，提高了耦合效率；AlGaInAs（铝镓铟砷）代替InGaAsP材料体系，提高了内部电子限制，提高了高温工作时的特性，无需增加制冷器，更适合非制冷工作；脊波导芯片结构代替掩埋异质结结构，工艺过程简化，降低芯片制作成本和提高芯片成品率；采用小球透镜封装，成本低廉。

附图说明

[0013] 图1是本发明的结构示意图；

[0014] 图2是入射孔径和像差的关系；

[0015] 图3是近场分布仿真结果；

[0016] 图4是远场仿真结果；

[0017] 图5是芯片显微照片；

[0018] 图6是芯片功能区截面照片；

[0019] 图7是芯片功率和效率曲线；

[0020] 图8是芯片的发散角测试曲线；

[0021] 在附图中：1、衬底层，2、缓冲层，3、扩展波导层，4、N型限制层，5、下限制层，6、下波导层，7、多量子阱区，8、上波导层，9、上限制层，10、腐蚀阻挡层，11、P型限制层，12、电极接触层。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0023] 如图1所示，窄发散角脊波导半导体激光器，自下而上依次包括：

[0024] 衬底层1，用于在其上进行半导体激光器各层材料的生长，本发明中衬底层1是N型（100）面的InP，能够有利于电子的注入，减小衬底材料的串联电阻。缓冲层2，制作在衬底层1上，为N型InP材料，目的是形成高质量的外延表面，减小衬底层1与其他各层的应力，消除衬底层1的缺陷向其他各层的传播，以利于器件其他各层的材料的生长。扩展波导层3，为N型InGaAsP材料，该层有较高的折射率，其目的是使光场从主波导中能够扩展一部分到该区域中，起到扩展近场光斑的作用，从而减小激光器的远场发散角。N型限制层4，为N型的InP材料，能够有效阻碍电子的扩散和漂移，并且限制光场横模向该层的扩展，从而减小光的损耗，即降低势垒，减小电压亏损。下限制层5，为N型的AlGaInAs材料。能够有效阻碍电子的扩散和漂移，并且限制光场横模向该层的扩展，从而减小光的损耗，即降低势垒，减小电压亏损。下波导层6，为非掺杂的AlGaInAs材料。目的是加强对光场的限制。多量子阱区7，由5个量子阱和6个垒构成，为非掺杂的AlGaInAs材料。作为激光器的有源区，提供足够的光增益，并决定器件的激射波长及器件的使用寿命。上波导层8，为非掺杂的AlGaInAs材料。目的是加强对光场的限制。上限制层9，为P型的AlInAs材料。作用同下限制层5。腐蚀阻挡层10，为P型的InGaAsP腐蚀阻挡层。在工艺刻蚀中起到腐蚀阻挡的作用。P型限制层11，为P型的InP材料。作用与N型限制层4相同。电极接触层12，为重掺杂的P型InGaAs材料。其目的是实现良好的欧姆接触，减小串联电阻，提高器件的转换效率。P型限制层11和电极接触层12设置在腐蚀阻挡层10的纵向中部，构成脊波导。各层的厚度如表1所示。

[0025] 表1

[0026]外延层序号 材料组分 厚度(μm)
电极接触层12 InGaAs 0.2
P型限制层11 InP 1.6
腐蚀阻挡层10 InGaAsP 0.02
上限制层9 AlGaInAs 0.1
上波导层8 AlGaInAs 0.1
多量子阱区7 AlGaInAs  
下波导层6 AlGaInAs 0.1
下限制层5 AlGaInAs 0.1
N型限制层4 InP 1.2
扩展波导层3 InGaAsP 0.3
缓冲层2 InP 0.5
衬底层1 InP衬底  

[0027] 外延片结构采用扩展波导结构，芯片结构采用通常的脊波导结构，脊宽设计宽度2.5μm，因为材料结构中有腐蚀停止层，设计脊深即通过选择腐蚀控制在表1的第10层之上的层厚之和1.8μm。芯片设计腔长250μm，两端面反射率为15%和85%。针对该结构的仿真结果如图2和图3所示。

[0028] 通常GPON、EPON等光纤通讯用LD-TO使用的管帽透镜主要有三种，直径1.5mm球形透镜、直径2.0mm球形透镜和非球面透镜。其中直径1.5mm球形透镜俗称小球透镜，价格最低，直径2.0mm球形透镜俗称大球透镜，因为透镜材质原因，比小球透镜价格稍高，而非球透镜因为加工成本原因，在三种透镜中价格是最高的。因此本发明采用小球透镜封装，降低芯片的成本。表2简单列出了三种透镜的光学参数。

[0029] 表2三种LD-TO管帽透镜参数

[0030]  直径(mm) 折射率 有效孔径
小球透镜 1.5 1.50 0.125*
大球透镜 2.0 1.78 0.16*
非球面透镜 2.0 1.67 0.40

[0031] 球形透镜在远轴角度有很大的像差，因为球形透镜也是一种特殊的球面镜，而因球面的引起的像差又称球差。使用光线追迹图2给出了三种透镜，在高功率TO应用中入射口径和像差的关系。由像差曲线和光纤的模场直径（普通通讯用光纤模场直径8.2μm）可以估算出透镜的有效孔径，估算的数值见表2，由像差和有效孔径分析，耦合效率要达到25%水平时，一般要求LD芯片的发散角半宽快慢轴平均值在20度以内。

[0032] 如图3所示，因为器件结构的对称性，采用对称边条件，模拟半边的分布。图中左侧为强度等高线，显示光场强度的二维分布；图右侧为对称轴处纵向剖面的光场强度分布。可以看出，图的上部，在有源区光场分布较强，只有一小部分光耦合到了下方的扩展波导中，这有效地压缩了快轴的发散角并且对芯片参数如阈值效率等参数没有明显影响。从图3中还可以看出，扩展波导中的光场，较主波导有更大的横向宽度，这有利于压缩慢轴发散角。图4显示模拟的快慢轴发散角，半强度全宽分别是23度和14度。

[0033] 材料外延采用平行气流反应室结构的生长设备，外延片放在石墨基座上，石墨基座具有公转和自转的运动特性，以得到较好的均匀性。外延生长采用3英寸N+衬底，主要生长源为三甲基镓、三甲基铟、三甲基铝、磷烷和砷烷，P型掺杂源为二乙基锌，N型掺杂源为稀释的硅烷，生长温度为650℃，生长压力为100mBar。

[0034] 芯片工艺中，脊波导条形采用投影光刻工艺精确控制条形宽度，条宽精度为±0.1μm，光刻方向与晶向对准偏差小于0.06度。采用干法刻蚀，再湿法腐蚀制作脊波导。这些制备工艺与我们量产的普通脊波导FP激光器相同。芯片外观如图5所示，电镜截面检测照片如图6所示，电镜照片标出了主波导（有源区）和扩展波导的位置。

[0035] 如图7所示，具有扩展波导的芯片阈值10mA，效率0.60mW/mA，阈值以上20mA功率为11.95mW。这里说明一下，因为这里使用面探测器测试功率，因为校准问题，对应发散角度小的芯片，效率和功率都会偏大一些。相同有源区结构的无扩展波导结构，因为发散角较大，效率和功率的测试值分别为0.50mW/mA和10.0mW，与具有扩展波导结构的窄发散角芯片有显著差别，估计使用积分球测量功率二者会没有明显差别。具有扩展波导芯片85℃条件下阈值20mA，效率0.55mW/mA，可见高温特性同样很好。

[0036] 如图8所示，芯片的发散角测试值与仿真结果对应得非常好，半强度全宽分别是23度和13度，远场特性按照上文对小球透镜有效数值孔径和球差分析，满足小球TO封装的EPON应用。

[0037] 为了在验证应用效果，随机抽取8只芯片，使用1.5mm直径小球透镜封装成TO器件，并以BOSA形式组装，测量预耦合光纤耦合出光功率，并与无扩展波导结构的普通芯片进行对比，具体结果见表3。

[0038] 表3 芯片TO封装参数及预耦合测试对比

[0039]编号 TO器件阈值(mA) TO器件效率(mW/mA) 预耦出纤功率(μW)
1 9.6 0.42 2350
2 9.8 0.42 2360
3 10.1 0.42 2040
4 10.2 0.42 2275
5 9.9 0.41 2412
6 9.8 0.40 2150
7 10.1 0.42 2106
8 10.0 0.42 2123
平均 9.94 0.416 2227
普通芯片平均 9.1 0.317 1037

[0040] 从表3可以看出，使用窄发散角芯片封装成1.5mm小球透镜的TO器件，预耦合出纤功率超过了2000μW，经过焊接固定、老化测试后仍然超过1800μW，远高于EPON应用1200μW标准的限制，满足EPON应用要求。

[0041] 本发明的具有扩展波导结构的脊波导1310nm FP芯片，具有窄发散角、高效率温度特性好等特点，使用低成本的1.5mm小球透镜封装成的TO器件满足EPON应用要求。