用于改善条形激光器侧向远场的光子晶体波导的制作方法

摘要

一种用于改善条形激光器侧向远场的光子晶体波导的制作方法，包括如下步骤：步骤1：取一衬底；步骤2：在衬底上依次生长下限制层、有源区和上限制层，形成横向波导结构；步骤3：采用感应耦合等离子体刻蚀的方法对上限制层进行刻蚀，在上限制层上形成周期性的条状结构，该条状结构的一部分为条状电流注入区，其余部分为光场调制区，结合这两个区便能实现侧向模式的调控；步骤4：在条状电流注入区的上面制作电极实现电流的选择性注入；步骤5：将衬底减薄，改善电流注入特性；步骤6：在衬底的背面制作背面电极，完成器件的制作。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有两种不同条宽和周期的一维波导阵列，特别是指一种用于改善条形激光器侧向远场的光子晶体波导的制作方法，以改善激光器的侧向远场特性。

背景技术

随着光通信，光互连技术以及各种光电子器件的发展，激光技术已经成为现代科技发展所不可或缺的部分，激光器的应用已经覆盖了生活、医药、勘探、国防等各个领域。随着应用面的不断拓宽，激光器的种类也日渐繁多。但廉价，可靠是一类激光器能够得到普及的前提条件。在众多激光器中，条形波导激光器二极管由于其成本低，制作工艺简单，可重复性好等优点而倍受人们的青睐。这种激光器不仅可以直接应用，而且可以作为其他激光器如全固态激光器的泵浦光源，因此是目前应用最为广泛的一种半导体激光器。条形波导激光器的横向光场限制是通过生长不同的外延层实现的，而侧向光场限制是通过在半导体外延片上刻蚀出脊形波导结构实现。激光器的输出功率可以通过增波导宽度来增加，但宽条会导致多模激射，影响光束质量，因此宽条激光器在耦合输出的时候往往需要借助复杂的校准设备，这增加的功率的损耗以及器件的复杂度。耦合波导结构是用来实现模式选择的一种有效手段，但耦合波导结构中，率先激射的模式相邻波导的相位差π，远场呈现双峰。因此如何调节脊形波导激光器中的模式是实现高光束质量激光器的关键

条形激光器发展至今已是经相当成熟，在如何保证激光器基模激射的问题上，世界上各个研究小组提出了各种不同的方案，已有采用金属吸收，板耦合波导等抑制高阶模式的方案，但这些方案都是采用增加损耗的方式来实现模式分离，还未有有效的结构来进行光场的调控。而光子晶体作为调控光场的有效手段，已经受到广泛的研究。因此在脊形波导激光器的模式选择上势必会有很大效用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于，提供一种用于改善条形激光器侧向远场的光子晶体波导的制作方法，通过该方法可以调节激光器的侧向模式，实现基侧模激射从而改善激光器的远场。

为达到上述目的，本发明提供一种用于改善条形激光器侧向远场的光子晶体波导的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：取一衬底；

步骤2：在衬底上依次生长下限制层、有源区和上限制层，形成横向波导结构；

步骤3：采用感应耦合等离子体刻蚀的方法对上限制层进行刻蚀，在上限制层上形成周期性的条状结构，该条状结构的一部分为条状电流注入区，其余部分为光场调制区，结合这两个区便能实现侧向模式的调控；

步骤4：在条状电流注入区的上面制作电极实现电流的选择性注入；

步骤5：将衬底减薄，改善电流注入特性；

步骤6：在衬底的背面制作背面电极，完成器件的制作。

其中对上限制层进行刻蚀的刻蚀深度小于上限制层的厚度。

其中周期性的条状电流注入区的条宽小于倍的波长。

其中周期性的条状结构的光场调制区的条宽小于条状电流注入区的条宽。

其中衬底的材料为InP或GaAs。

其中上限制层的材料为InP或AlGaAs。

其中下限制层的材料为InP或AlGaAs。

其中有源区的材料为InGaAsP、AlGaInAs或InGaAs。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种光子晶体波导结构，可以对模式光场分布进行调控，能够使高阶模与基模的光场区分开来，使基模光场限制在宽条区，而使高阶模光场扩展到窄条区，这样结合后续选择性的电流注入，可以实现基模的选择。

2、本发明提供的这种光子晶体波导结构，能够有效地将基模的光场局限在宽条注入区，不会额外增加基模的损耗，因而不会提高激射阈值。

3、本发明提供的这种光子晶体波导结构，设置在有源区的上方，通过消逝场耦合实现光场调制，无需穿透有源区，因而不会对有源区造成损伤。

4、本发明提供的这种光子晶体波导结构，在工艺上与传统的脊形波导激光器相同，因此具有成熟的工艺，制作上有较高的重复性。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1是本发明提供的一种光子晶体波导结构的截面示意图；采用了非对称的结构，对三周期的宽条阵列进行了光场调制。

图2是图1结构中存在的低阶模式的场分布；其中各个脊形条之间的光场相位相同。

图3是图1结构中存在的高阶阶模式的场分布；其中各个脊形条之间的光场相位相差π。

图4是本发明提供的另一种光子晶体波导结构的截面示意图；采用了对称的结构，对单个宽条进行了光场调制。

图5是采用图4结构调制后的基模光场分布。

图6是采用图4结构调制后的一阶模光场分布。

图7是采用图4结构调制后的二阶模光场分布。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种用于改善条形激光器侧向远场分布的光子晶体波导的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：取一衬底5，该衬底5的材料为InP或GaAs；

步骤2：在衬底5上依次生长下限制层4、有源区3和上限制层2。如衬底为InP，则可选择生长InP作为上限制层2和下限制层4，InGaAsP或AlGaInAs作为有源层3；如衬底为GaAs，可选择生长AlGaAs为上限制层2和下限制层4，InGaAs作为有源层3。

步骤3：采用感应耦合等离子体刻蚀的方法对上限制层2进行刻蚀，在上限制层2上形成周期性的条状结构，该条状结构的一部分为条状电流注入区，所述周期性的条状电流注入区的条宽可以小于6倍波长的尺度，其余部分半为光场调制区，所述周期性的条状结构的光场调制区的条宽小于条状电流注入区的条宽。对上限制层2进行刻蚀，刻蚀深度小于上限制层2的厚度。

步骤4：在条状电流注入区的上面制作电极1；这样电流只能从条状电流注入区进入，不同模式之间的增益就会有较大的差别，在我们的设计中基模的增益会显著高于其他模式。

步骤5：将衬底5减薄；这样可以减小衬底带来的载流子复合，改善器件的电注入特性。

步骤6：在衬底5的背面制作背面电极6，完成器件的制作。

具体的器件结构如图1和图4所示，制作光子晶体波导的样片结构包括上限制层2，有源区3，下限制层4和衬底5，结合光学曝光和刻蚀技术在有源区上房的上限制层2制作侧向光子晶体结构，并在衬底和刻蚀后的上限制层沉积金属分别作为背面电极6和上电极1来实现载流子的选择性注入。光子晶体是通过消逝场耦合来实现模式调制，无需穿透有源区，从而避免对有源区造成损伤。

实施例一

在背景技术中提到“耦合波导结构是是用来实现模式选择的一种有效手段，但耦合波导结构中，率先激射的模式相邻波导的相位差π，远场呈现双峰”，这是目前耦合波导激光器面临的问题，如何实现相邻波导无相差的同相模式的率先激射是一项关键技术。本实例中针对近红外1.55um的激光设计了如图1所示的光子晶体波导结构，其中电流注入区的阵列周期数为3，阵列周期5μm，条宽3um，光场调制区的阵列周期数为4，阵列周期4μm，条宽2μm。在图1所示结构的调制下，阵列中的模式光场分布发生了变化，具体效果可以对比图2和图3。图2所示的模式各个脊形条之间的光场相位相同，远场具有类高斯状的分布，这是实际需要的模式；而图3所示的模式之间相位相差π，远场呈现双峰，是需要抑制掉的模式。通过对比可以法相这两个模式光场分布的位置明显不同。在图1所示选择性注入的条件下，图2所示的同相模式可以获得更高的增益，从而率先激射，获得较好的远场。

实施例二

对于单条的波导结构，宽的脊形条会导致多模激射，影响光束质量。本实例中同样针对近红外1.55um的激光设计了如图4所示的光子晶体波导结构，其中电流注入区只有一个波导结构，条宽6um，光场调制区阵列周期数为3，阵列周期4μm，条宽2μm，设置在宽条的两侧，形成对称结构。在图4所示结构的调制下，电流注入区中不同模式的光场分布发生了变化，具体效果可以对比图5-7。图5是所需要的基模，图6和图7分别是调制后的一阶模和二阶模，可以发现只有基模被局限在电流注入区，高阶模式则是扩展到整个光子晶体波导中，因此基模具有最高增益，可以选择性的实现基模的激射。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。