基于非对称相移光栅的窄线宽DFB半导体激光器

摘要

一种基于非对称相移光栅的窄线宽DFB半导体激光器，包括：一缓冲层；一下波导层，该下波导层制作在缓冲层上；一多量子阱有源层，该多量子阱有源层制作在下包层上；一光栅层，该光栅层制作在多量子阱有源层上；一上波导层，该上波导层制作在光栅层上；一包层，该包层制作在上波导层上；一接触层，该接触层制作在包层上；一P电极，该P电极制作在接触层上；一N电极，该N电极制作在缓冲层的背面。本发明可以克服外部反射光对激光器内部的影响，压窄激光线宽，增加激光器的频率稳定性和增大输出功率的效果。

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种基于非对称相移光栅的窄 线宽DFB半导体激光器。

背景技术

窄线宽半导体激光器具有非常重要的应用价值。(1)在前沿科学研究 方面，可用于高精度光谱测量、量子/原子频标等领域；(2)在国防安全领 域可用于激光雷达系统、激光通信、光电对抗、光电导航等；(3)在物联 网领域、高速通信领域，高稳定度窄线宽激光器是光纤高灵敏度光纤传感 系统和相干光通信系统的核心器件。半导体激光器相比于光纤激光器和 YAG激光器具有可靠性高、寿命长、能耗低、体积小等优点，非常有益于 在上述领域中的应用。

半导体激光器相比于光纤激光器和YAG激光器具有可靠性高、寿命 长、能耗低、体积小等优点，非常有益于在上述领域中的应用。传统的窄 线宽半导体激光器主要包括：法布里-珀罗(F-P)腔半导体激光器、分布反 馈半导体激光器(DFB)、分布布拉格反射半导体激光器(DBR)和外腔半导体 激光器(ECDL)。其中，普通结构的法布里-珀罗(F-P)腔半导体激光器中， 利用解理而成的两个面构成谐振腔，简单易做，然而这类激光器仅能在直 流驱动下实现静态单纵模工作，而在高速调制下不能保证单纵模工作，增 益峰值、振荡模式、工作频率都会随驱动电流、环境温度等外部因素发生 较大的变化。外腔半导体激光器以其窄线宽和灵活的波长调谐能力得到了 广泛的关注。但较长的外腔容易受到外界温度变化、大气变化、机械振动 以及磁场的影响，导致激光频率不稳定。

分布反馈(DFB)半导体激光器用作光通信的光源，与一般其它半导体 激光器的主要区别在于在半导体激光器的内部建立一个布拉格光栅，利用 布拉格光栅来构成谐振腔，选择工作波长，可以实现动态单纵模工作，获 得稳定的单一波长的激光。目前DFB半导体激光器的光栅结构是在均匀分 布DFB光栅的中心位置引入一个λ/4或λ/8相移，但是这种结构受激光器 效率的影响，输出功率往往不高，且由于激光器解理面的不对称性以及端 面镀膜的不对称性，容易引起激光器发射波长的不稳定性，无法满足光通 信系统中对激光器性能的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于非对称相移光栅的窄线宽DFB半导体激 光器，其是基于非对称相移光栅的窄线宽DFB半导体激光器，其可克服外 部反射光对激光器内部的影响，压窄激光线宽，增加激光器的频率稳定性 和增大输出功率的效果。

本发明提供一种基于非对称相移光栅的窄线宽DFB半导体激光器，包 括：

一缓冲层；

一下波导层，该下波导层制作在缓冲层上；

一多量子阱有源层，该多量子阱有源层制作在下包层上；

一光栅层，该光栅层制作在多量子阱有源层上；

一上波导层，该上波导层制作在光栅层上；

一包层，该包层制作在上波导层上；

一接触层，该接触层制作在包层上；

一P电极，该P电极制作在接触层上；

一N电极，该N电极制作在缓冲层的背面。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图对本发明作 进一步的详细说明，其中：

图1是本发明窄线宽DFB半导体激光器的立体结构示意图；

图2是本发明窄线宽DFB半导体激光器的横截面结构示意图；

图3是图2的局部放大示意图，显示光栅层4的端面示意图；

图4是本发明窄线宽DFB半导体激光器的典型光谱图。

具体实施方式

请参阅图1至图4所示，本发明提供一种基于非对称相移光栅的窄线 宽DFB半导体激光器，包括：一缓冲层1、一下波导层2、一多量子阱有 源层3、一光栅层4、一上波导层5、一包层6、一接触层7，一P电极8 和一N电极9。其中：

一缓冲层1，该缓冲层1的材料为选择III-V族化合物半导体材料、 II-VI族化合物半导体材料、IV-VI族化合物半导体材料或四元化合物半导 体材料；对于InP缓冲层，厚度为200nm、掺杂浓度约1×10¹⁸cm^-2。

一下波导层2，该下波导层2制作在缓冲层1上，其厚度为100nm的 非掺杂晶格匹配的InGaAsP材料。

一多量子阱有源层3，该多量子阱有源层3制作在下包层2上，应变 InGaAsP多量子阱，具有7个量子阱，其中阱宽为8nm，1％的压应变，垒 宽为10nm，采用晶格匹配材料，光荧光波长为1200nm。采用量子阱结构 增大微分增益，与普通的双异质结结构激光器相比，量子阱激光器具有低 阈值、输出功率大、调制速率高等特点，且在量子阱结构中引入压应变或 张应变以增加微分增益，优化阱和垒的层厚以减小载流子通过光限制层的 输运时间及载流子从有源区中的逃逸。

一光栅层4，该光栅层4制作在多量子阱有源层3上，厚度为70nm。 所述的光栅层4是非对称结构，相移为λ/4或λ/8，其中λ为激光器的输 出波长，将λ/4或λ/8相移相对光栅中心非对称地放置，从此位置把原光 栅看成2个长度分别为L₁和L₂的光栅段，即L₁≠L₂，如图3所示。此类 型设计中，在相移附近建立起非常强的激光振荡强度，可以认为，向左和 向右传输的光场被2个光栅段束缚在光栅内发生相移的附近，并在形成的 有效谐振腔内振荡。相移左侧的光栅段L₁可视为高反射率的全反镜，右侧 的光栅段L₂可视为低反射率的输出镜，则能从光栅段较短的一端获得更大 的激光功率输出，且L₁或L₂与L的比值为0.55-0.7，如果不满足这个条 件，将无法产生单纵模的激光输出。当L₁＞L₂从相移光栅右端输出的激光 功率更大，而当L₁＜L₂从相移光栅左端输出的激光功率更大。该光栅结构 可以通过全息干涉曝光法、双光束干涉法或纳米压印法制作出。

该光栅层4的两侧为一斜面41(参阅图3所示)，且两侧的斜面41为 平行结构，两侧斜面41的角度为6-12度。将光栅端面倾斜一定角度，其 端面反射小，回损较大，能有效抑制回程反射光。所述的光栅层4两侧的 斜面上镀有增透膜，可以达到抑制外部反射光对激光器性能的影响。

一上波导层5，该上波导层5制作在光栅层4上，二次外延P型晶格 匹配InGaAsP波导层，光荧光波长为1200nm，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-2，DFB 段该层的厚度为100nm，1700nm厚P型InP限制层，掺杂浓度为3×10¹⁷cm^-2逐渐变化为1×10¹⁸cm^-2，上波导层的主要作用在于降低界面散射损耗，提 高耦合效率。

光栅制作完成后，再通过二次外延生长P-InP和P型InGaAsP包层6，， 该包层6制作在上波导层5上，厚度为100nm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-2。 刻蚀形成脊形波导和接触层7，该接触层7制作在包层6上，InGaAs接触 层的厚度为100nm。脊形波导长度一般为数百微米量级，脊宽3微米，脊 侧沟宽为20微米，深为1.5微米。再通过等离子加强化学汽相沉积法， 将脊形周围填充SiO₂或有机物BCB形成绝缘层。

一接触层7，该接触层7制作在包层6上，InGaAs接触层的厚度为 100nm；

一P电极8，该P电极8制作在接触层7上；

一N电极9，该N电极9制作在缓冲层1的背面。

图4是本发明窄线宽DFB半导体激光器的典型光谱图，输出激光的中 心波长为1550.38nm，具有较好的边模抑制比。本发明的基于非对称λ/4 相移光栅的窄线宽DFB半导体激光器可以克服外部反射光对激光器内部的 影响，达到压窄激光线宽，增加激光器的频率稳定性和增大输出功率的目 的。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技 术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下， 可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。