单片集成窄线宽耦合腔半导体激光器制造技术

本发明专利技术提供了一种单片集成窄线宽耦合腔半导体激光器，该单片集成窄线宽耦合腔半导体激光器，包括：N面电极；下接触层，形成在N面电极上；N型衬底，形成在下接触层上；耦合腔，形成在N型衬底上，其中，耦合腔包括回音壁型微腔和FP型微腔；其中，回音壁型微腔与FP型微腔均为叠层结构，FP型微腔由下到上依次包括N型限制层、波导芯层、腐蚀阻挡层、有源层、P型限制层、P型盖层、上接触层和P面电极；回音壁型微腔由下到上依次包括N型限制层、波导芯层、腐蚀阻挡层、P型限制层、P型盖层、上接触层和P面电极；在回音壁型微腔中，腐蚀阻挡层和P型限制层直接接触。接触。接触。

【技术实现步骤摘要】
单片集成窄线宽耦合腔半导体激光器


[0001]本专利技术涉及半导体光电子
，尤其涉及一种单片集成窄线宽耦合腔半导体激光器。

技术介绍

[0002]随着信息技术的高速发展，互联网中的信息数据呈现出爆炸性的增长，数据通信技术正朝着高速率、大容量及低能耗的方向发展。与传统的电互联技术相比，光网络技术利用光子作为信息载体，能够实现低能耗、低串扰、高带宽和高速率的数据传输，是信息技术进一步发展的优选方案。
[0003]相干光通信具有灵敏度高、中继距离长、选择性好、通信容量大等优点，在相干光通信系统中，由于相位噪声会影响载波与本振光之间的同步，引起星座在复平面上抖动和旋转，导致错误判决，引起误码。作为相干光通信系统中的光源，半导体激光器线宽越窄，相位稳定性越好，误码率越低。此外，低噪声的窄线宽半导体激光器在光学原子钟、光学传感、激光雷达及高分辨率光谱学等方面也具有重要应用。
[0004]目前，窄线宽半导体激光器通常利用外腔反馈或异质集成高品质因子微腔、微环等的方式实现。基于外腔反馈的窄线宽半导体激光器的增益区和反馈区一般为分立的元件，两者通过透镜或直接对接耦合，工作时易受外界环境，如温度、湿度、震动等的影响。此外，基于外腔反馈的窄线宽半导体激光器要求外腔的反馈强度较大、延时较长，因此其外腔结构具有较大的体积，不利于在相干光通信、光互连、光学传感等中的应用。基于异质集成高品质因子微腔、微环的窄线宽半导体激光器虽然克服了工作稳定性差的缺点，但是制备工艺复杂，需要将硅/
Ⅲ‑Ⅴ
族或氮化硅//>Ⅲ‑Ⅴ
族等进行异质集成，制备成本高、器件体积较大。
[0005]因此，有必要专利技术一种单片集成、小体积、低功耗、低成本的窄线宽半导体激光器。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，为了能够至少部分地解决上述问题，本专利技术提供了一种单片集成窄线宽耦合腔半导体激光器。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术的一个方面提供了一种单片集成窄线宽耦合腔半导体激光器，包括：N面电极；下接触层，形成在N面电极上；N型衬底，形成在下接触层上；耦合腔，形成在N型衬底上，其中，耦合腔包括回音壁型微腔和FP型微腔；其中，回音壁型微腔与FP型微腔均为叠层结构，FP型微腔由下到上依次包括N型限制层、波导芯层、腐蚀阻挡层、有源层、P型限制层、P型盖层、上接触层和P面电极；回音壁型微腔由下到上依次包括N型限制层、波导芯层、腐蚀阻挡层、P型限制层、P型盖层、上接触层和P面电极；在回音壁型微腔中，腐蚀阻挡层和P型限制层直接接触。
[0008]根据本专利技术的实施例，其中，回音壁型微腔和FP型微腔中每一个的波导芯层均包括低损耗介质。
[0009]根据本专利技术的实施例，其中，回音壁型微腔在N型衬底上的正投影的形状包括以下至少之一：圆盘型、圆环形、椭圆形、多边形、弧边多边形。
[0010]根据本专利技术的实施例，其中，回音壁型微腔在N型衬底上的正投影的形状可以为弧边四边形。
[0011]根据本专利技术的实施例，其中，弧边四边形的变形量为δ，其中，a为直边边长。
[0012]根据本专利技术的实施例，其中，回音壁型微腔具有规定的反射率，光从FP型微腔进入回音壁型微腔后，在回音壁型微腔中经过一定的光程后能够部分返回FP型微腔中，形成耦合模式。
[0013]根据本专利技术的实施例，其中，FP型微腔在N型衬底上的正投影的形状包括条状。
[0014]根据本专利技术的实施例，一种单片集成窄线宽耦合腔半导体激光器，还包括：在FP型微腔和回音壁型微腔的耦合处的P型盖层上表面设置有电隔离槽。
[0015]基于上述技术方案可知，本专利技术相对于现有技术具有如下有益效果：
[0016](1)通过本专利技术提供的单片集成窄线宽耦合腔半导体激光器，回音壁型微腔设计在无源区，减小了有源区体积，减少自发辐射产生的光子数，降低自发发射噪声；FP型微腔设计在有源区，通过电注入提供足够的增益；
[0017](2)本专利技术提供的单片集成窄线宽耦合腔半导体激光器是通过有源增益介质和无源低损耗介质混合集成，将回音壁型微腔设计为低损耗介质的无源微腔，利用高品质因子的回音壁型微腔提高谐振腔的模式光子数。
[0018](3)本专利技术提供的单片集成窄线宽耦合腔半导体激光器，基于低损耗介质的高品质因子回音壁型微腔和低损耗介质的波导芯层，有效降低载流子对光子的吸收，保持模式的高品质因子，减小光场在有源层的光限制比例，实现耦合腔半导体激光器线宽的压窄。
[0019](4)本专利技术提供的单片集成窄线宽耦合腔半导体激光器中，FP型微腔与回音壁型微腔通过有源无源集成技术直接对接，实现高效稳定耦合，工作稳定性好。
[0020](5)本专利技术提供的单片集成窄线宽耦合腔半导体激光器不需要外腔结构进行反馈，克服了工作稳定性差的缺点，与异质集成氮化硅微腔的窄线宽半导体激光器相比，该单片集成窄线宽耦合腔半导体激光器具有体积小、制备工艺简单、成品率高、成本低等优点，在相干光通信、光学传感、激光雷达及高分辨率光谱学等方面具有重要应用。
附图说明
[0021]图1示意性示出了根据本专利技术实施例的单片集成窄线宽耦合腔半导体激光器立体结构示意图；
[0022]图2示意性示出了本专利技术实施例中回音壁型微腔在N型衬底上的正投影的形状为弧边四边形时，通过仿真得到的变形量δ与Q值的变化关系；
[0023]图3(a)示意性示出了根据本专利技术实施例回音壁型微腔在N型衬底上的正投影的形状为弧边四边形时，通过有限元方法仿真Q值与δ关系及模场分布的模型示意图，图3(b)示意性示出了弧边四边形的结构参数；
[0024]图4示意性示出了根据有限元方法计算得到的弧边四边形
‑
FP耦合腔的基模模式
场分布；
[0025]图5示意性示出了弧边四边形
‑
FP耦合腔不同模式对应的品质因子；
[0026]图6示意性示出了根据有限元法计算得到的角向直连波导的弧边四边形反射率谱；
[0027]图7(a)示意性示出了当回音壁型微腔与FP型微腔均为有源腔时，回音壁型微腔注入电流20mA，FP型微腔注入电流100mA，在其他参数不变的条件下，计算了品质因子分别为5
×
103、1
×
104和5
×
104时的频率噪声谱；图7(b)为回音壁型微腔注入电流20mA，FP型微腔注入电流100mA，FP型微腔中的模式限制因子分别为0.3、0.4、0.5和0.7计算得到的频率噪声谱；
[0028]图8示意性示出了当回音壁型微腔为无源腔、FP型微腔为有源腔时，FP腔注入电流为100mA，品质因子为3
×
104时，计算得到的频率噪声谱。
[0029]【附图标记说明】
[0030]101
‑
N面电极；102
‑
下接触层；103
‑
N型衬底；104
‑
N型限制层；1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单片集成窄线宽耦合腔半导体激光器，其特征在于，包括：N面电极；下接触层，形成在所述N面电极上；N型衬底，形成在所述下接触层上；耦合腔，形成在所述N型衬底上，其中，所述耦合腔包括回音壁型微腔和FP型微腔；其中，所述回音壁型微腔与所述FP型微腔均为叠层结构，所述FP型微腔由下到上依次包括N型限制层、波导芯层、腐蚀阻挡层、有源层、P型限制层、P型盖层、上接触层和P面电极；所述回音壁型微腔由下到上依次包括N型限制层、波导芯层、腐蚀阻挡层、P型限制层、P型盖层、上接触层和P面电极；在所述回音壁型微腔中，所述腐蚀阻挡层和所述P型限制层直接接触。2.根据权利要求1所述的单片集成窄线宽耦合腔半导体激光器，其特征在于，所述回音壁型微腔和所述FP型微腔中每一个的波导芯层均包括低损耗介质。3.根据权利要求1所述的单片集成窄线宽耦合腔半导体激光器，其特征在于，所述回音壁型微腔在所述N型衬底上的正投影的形状包括以下至少之...

【专利技术属性】
技术研发人员：绳梦伟，郝友增，黄永箴，杨跃德，肖金龙，刘家辰，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：