专利名称：自锁模半导体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体激光器，更具体而言涉及带间自锁模半导体激光器。
背景技术：
电子可调谐的高重复率(>10GHz)自锁模半导体激光器可以被视 为电子电路中压控振荡器(VCO)的光学对应件，其对于受控高速逻 辑和数字通信而言是非常重要的。自大约15年前出现以来，这种单片 集成自锁模半导体激光器已经得到广泛的研究。在大多数情形下，短 的反向偏置有源部分被用于可饱和吸收。还研究了使用离子注入形成 可饱和吸收体。这些方案涉及比常规激光二极管制作更多的工艺步骤。 已经报道了在利用具有大且超快的光学非线性子带间电子跃迁的量子 级联激光器中的基于克尔透镜锁模的自锁模半导体激光器(例如见文 章R. Paiella， F. Capasso， C. Gmachl， D. L. Sivco， J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho， and H. C. Liu， "Self-mode-locking of quantum cascade lasers with giant ultrafast optical nonlinearities，" Science, 290， 1739-1742 (2000))。这种方案在制作时不需要附加工艺步骤且因此是优 选的。然而，涉及带间跃迁而非子带间跃迁的1.55jim的半导体激光器 的固有自锁模效应要弱得多。近年来，已经报道了在大面积半导体激 光器中使用皮秒脉冲注入的弱自锁模的增强。需要一种在制作中不需 要附加工艺步骤的改进的自锁模(SML)半导体激光器。
发明内容
依据本发明， 一种带间自锁模(SML)半导体激光器使用包括有 源波导部分和共同增强自锁模的一个或多个无源波导部分的有源波导 结构。这种方案最低程度地调整激光二极管制作工艺并提供对激光器 腔长的更短限制，因此其推动对脉冲重复率的限制。在一个实施例中， 1.56jim自锁模半导体激光器工作于40GHz重复率。该SML激光器基 于通过将有源部分与一个或多个无源波导部分垂直地组合的增强克尔
透镜锁模。脉冲光谱的半高宽(FWHM)宽度大于8nm,且时间域脉 冲持续时间约为10ps。耦合到解理光纤的平均输出功率高于OdBm。 更具体而言，依据本发明，我们描述了一种自锁模半导体激光器，
包括
n+磷化铟(InP)衬底；
沉积在该n+ InP衬底上的P+磷化铟(InP )层； 掩埋在该InP层内的有源波导部分；以及
掩埋在该InP层内并与该MQW有源波导部分分隔的第一无源波 导部分。
可使用多量子阱(MQW)结构或者使用体材料来实施该有源波导 部分。其它实施例包括在该有源波导部分的下方或上方形成第一无源 波导部分，或者添加具有一个或多个层的第二无源波导部分。第二无 源波导部分也可以位于该有源波导部分的上方或下方。其它实施例不 同。用于笫一和第二无源波导部分的折射率材料可以选自Ql.l、 Q1.2 和Q1.3型铟镓砷磷(InGaAsP )材料。
本发明的其它方面、特征和优点通过下述详细描述、所附权利要 求和附图而更加显而易见，附图中
图1示出现有技术边缘发射折射率导引半导体激光器的俯视图； 图2示出图1的截面a-a的示意性截面图3示出依据本发明的带间自锁模(SML)半导体激光器的示意 性截面图4示出Im-xGaxAsyPLy的计算折射率与光子能量的函数，y组分
增量为0.1;以及
图5示出图3的我们的带间SML激光器的示意性脉沖重复率。 在下述说明书中，不同附图中的相同元件标记代表相同元件。此
外在元件标记中，第一位表示该元件第一次所在的附图(例如，101第
一次在图1中出现)。
具体实施例方式
参考图1，示出了现有技术边缘发射折射率导引半导体激光器100
的俯视图。阴影区域表示有源波导101,在现有技术中，这种激光器被 制作成带间连续波(cw)激光器或者被制作成子带间自启动自锁模 (SML)激光器。激光器腔体L由两个解理面102和103形成，激光 器频率由腔长和波导的折射率决定。在已经完成制作激光器100之后 进行激光器100的解理，如参考图2所描述。边缘发射激光器100的输 出从有源多量子阱(MQW)区域发射，如104所示。
参考图2，示出了图1的截面a-a的示意性截面图。可以使用用于 弱折射率导引的脊形波导结构或者用于强折射率导引的腐蚀台面来制 作CW激光器100。在G. P. Agrawal的书中一般性地描述了折射率导 引半导体激光器的制作(G. P. Agrawal， "Fiberoptic communication systems," John Wiley & Sons, Inc. (1992)第100-101页，此处引用其描 述作为参考)。图2示出用于腐蚀台面CW激光器100的波导结构。参 考图2，通过在基底晶片衬底201的整个宽度Ws上沉积或者外延生长 层101和203而形成CW激光器100。基底晶片衬底201由n+材料， 即重掺杂n型磷化铟(InP )半导体制成。层101为铟镓砷磷(InGaAsP ) 多量子阱(MQW)区域，且层203为p型InP区域。在形成层201、 101和203之后，通过深湿法腐蚀工艺形成沟槽204，直至MQW层101 形成宽度为W的有源波导区域(或部分)为止。此后，依次外延生长 n型InP层205、 i型半绝缘掺铁InP层206以及第二 n型InP层207 以掩埋有源波导区域。随后沉积重掺杂p型InP的p+区域作为跨过整 个基底晶片宽度Ws的层208。随后在表面209和210上形成接触。为 了操作激光器，直流I (dc)被施加到接触209和210且边缘发射激光 器输出104从有源波导区域101的解理边缘103输出。
可以按照类似方式制作先前提到的子带间自启动自锁模(SML) 激光器。在上述R.Paiella等人的文章中(通过参考在此引入)描述了 这种子带间自启动自锁模(SML)激光器的波导结构制作和操作。在 R. Paiella等人的文章中，子带间SML激光器的腐蚀台面型制作的截 面图示于图4。该激光器包括利用子带间电子跃迁，即量子化导带能态 之间的跃迁来产生超短SML激光信号的有源波导区域。
图3示出依据本发明的带间SML半导体激光器300的一个实施例 的示意性截面图。我们的带间SML半导体激光器的俯视图看上去和图 l所示的一样。我们的带间SML激光器使用腐蚀台面制作，基本上利
用与图2所示的前述CW激光器相同的制作步骤。然而，与CW激光 器不同，我们的带间SML激光器既包括有源MQW部分101，又包括 至少一个分隔的无源波导部分(在图3中示出了两个无源波导部分 301A和301B)。我们的带间SML激光器的具体实施例包括由InP层 314分隔的两个无源波导部分301A (厚约300nm)和301B (厚约 100nm)。其它带间SML激光器实施例可包括位于有源MQW部分101 的上方或下方的无源波导部分(例如301A和301B )。当仅使用 一个无 源波导部分，例如仅301B时，如图3所示，这一个无源波导部分(调 整的厚度约为300mn)可位于有源MQW部分101的下方并通过InP 层315 (厚约15nm)与该有源MQW部分101分隔，或者位于有源 MQW部分lOl的上方(位于图3中标记301B，所示位置)。标记301B， 所示的位置说明该一个无源波导部分将位于有源MQW部分101的上 方和下方并通过InP层(厚约15nm)与该有源MQW部分101分隔。 当仅使用 一个无源波导部分时，材料将为Q1.3折射率材料 (InGaAsP-1.3fim )。
尽管以使用MQW结构的有源波导部分101来描述本发明，不过 应理解，体材料结构也可以用作有源波导部分IOI。根据期望的工作波 长来选择所述体材料。例如，如果期望工作于1.55nm的波长，则体材 料可以为Q1.55。然而如果期望工作波长为1.3jim,则体材料可以为 Q1.3且无源材料结构应沿相同方向相应地偏移，例如，波导部分301B 应在Ql.l至Q1.2的范围，且波导部分301A的层应在Q1.0至Q1.2的 范围。
此外，当仅使用一个无源波导部分301B时，该无源波导部分可包 括一个、两个或三个相邻层。因此，如果仅使用一个无源波导部分301B 且其具有三个相邻层，则该三层将如无源波导部分^1A中目前所示的 那样布置。用于该三层的折射率材料选自Ql.l、 Q1.2和Q1.3折射率 材料，其中Ql.l( InGaAsP-l.lfim)的折射率小于Q1.2( InGaAsP-1.2fim ) 的折射率，Q1.2( InGaAsP-1.2fim )的折射率小于Q1.3( InGaAsP-1.3^n ) 的折射率，且其中最靠近MQW有源部分101的层必需具有更大折射 率值。在这种实施例中，Ql.l、 Q1.2和Q1.3折射率材料的厚度将分别 为100nm、 lOOnm和100nm。如果使用两个无源波导部分，第一无源 波导部分(如图3所示的无源波导部分301B)比第二无源波导部分更靠近MQW有源部分101，则仅第二无源波导部分可具有多层(311、 312和313)。第二无源波导部分的这些多层将全部布置为使得最靠近 第一无源波导部分的无源波导层具有最大折射率，且更远离第一无源 波导部分的任何更低相邻层的折射率更小。因此，例如在图3中，第 二无源波导部分301A具有三个相邻层311、 312和313，其中无源波导 层313为最靠近第一无源波导部分的无源波导层，因此具有最大折射 率Q1.3,且其中次靠近的无源波导层312具有折射率Q1.2，且其中最 远离的无源波导层311具有折射率Ql.l。应注意，在两个无源波导部 分的实施例中，如图3所示，第一无源波导部分301B的单层的折射率 具有折射率Q1.3，其等于或者大于第二无源波导部分301A的第一层 313的折射率Q1.3。
继续参考图3，我们描述包括两个无源波导部分301A和301B的 我们的带间自启动锁模(SML)激光器的优选实施例。基底晶片衬底 301由n+ InP材料，即厚100至500pm的重掺杂n型磷化铟(InP )半 导体制成。无源波导部分301A示为包括三层311、 312和313。在基底 晶片衬底301上(与之邻近)外延生长折射率Ql.l (InGaAsP-l.lnm) 材料的第一层311。随后在第一层311上直接外延生长折射率Q1.2 (InGaAsP-1.2fim )材料的第二层312,且随后在第二层312上直接外 延生长折射率Q1.3 (InGaAsP-1.3pm )材料的第三层313。示意性地， 这三层311、 312和313分别具有115rnn、 115nm和120nm的厚度。一 般而言，这三层311、 312和313具有相同的厚度。
随后在层313上外延生长厚15nm的InP材料的层314，且随后在 层314上外延生长105nm厚的折射率Q1.3 (InGaAsP-1.3jim )材料的 无源波导部分301B。此后，在无源波导部分301B上外延生长15nm厚 的另一层InP材料315。随后在层315上制作铟镓砷磷(InGaAsP)多 量子阱(MQW)有源波导部分IOI。该MQW有源波导部分101可具 有约80nm的厚度，且包括多量子阱(示意性地18nm )。随后在该MQW 有源波导部分101上沉积650nm厚的p型InP区域303。所有上述制 作是在整个宽度Ws上进行，使得器件的尺寸为HxWs (例如尺寸为 lmmx0.5mm)。下一步涉及通过^吏用深湿法腐蚀来腐蚀沟槽304,直至 MQW层101具有约lnm宽度为止(图1所示)。此后，在沟槽的侧面 204依次沉积n型InP层305、 i型半绝缘掺铁InP层306以及最终
的第二n型InP层307，以掩埋有源MQW波导区域101。该再生长必 需生长到p型层303的顶部。随后沉积2fim厚的重掺杂p型InP的p+ 区域作为跨过整个基底晶片宽度Ws的层308。随后在表面309和310 上形成接触。在如上所述制作带间SML激光结构300之后，随后沿其 边缘(图1的102和103)解理以形成期望的激光器腔长(图1的L)。 制作之后，我们的SML激光器300看上去为具有沉积在n+ InP村底 上的p+磷化铟(InP )层的n+磷化铟(InP)衬底，多量子阱(MQW) 有源波导部分掩埋在该InP层内，且第一无源波导部分掩埋在该InP 层内且与该MQW有源波导部分分隔。尽管我们的带间SML激光器 300已经被描述为使用湿法腐蚀台面技术来制作，不过可以使用诸如干 法腐蚀的其它制作技术。
为了操作带间SML激光器300，直流I (dc)被施加到接触309 和310且锁模脉冲串信号104从有源波导区域101的解理边缘102和 103发射。如图5所示，该锁模脉冲串的重复率为40GHz，其在时间域 上对应于25ns的脉冲间隔。该重复率是由腔长(图1的L)以及由 MQW有源波导部分101和两个无源波导部分301A和301B形成的有 效有源波导结构的折射率决定。由于我们的布置提供了对激光器腔长
(图1的L)的更短限制，因此增大了锁模脉冲串的重复率的上限，
结合先前引用的R， Pailla等人的文章中所述的子带间激光器并且 区别于该子带间激光器描述我们的带间SML激光器的一般操作。通过 某种外部或内部机制将激光器腔体(图1的L)的纵模锁定为同相，以 产生重复率等于腔体往返频率(在我们的示例中为40GHz)的脉冲串， 由此产生超短锁模脉冲。该短锁模脉冲基于带间电子跃迁，即，在我 们的MQW有源波导部分中的导带和价带能态之间的跃迁。自锁模
(SML)特性来源于带间电子跃迁的非线性特性一一强度相关的折射 率(通常被称为光学克尔效应)。折射率随着光学强度以非线性方式改 变。
图4为如S. Adachi， "Physical properties of III画V semiconductor compounds", John Wiley & Sons, Inc. (1992)的Fig.8.27所示的不同 InGaAsP材料的折射率曲线。图4示出In^GaxASyPi-y的计算折射率与 光子能量(hw)的函数，y组分增量为O.l。实线和点线分别表示理想 情形和具有中等阻尼因子的情形。在图4中示出用于无源波导部分
301A和301B的各种折射率材料Ql.l、 Q1.2和Q1.3以及SML工作波 长401。如图4所示，QL3层为无源波导部分301A的最重要的层，因 为其带隙最靠近工作波长401,此外，由于载流子效应，偏置电流I改 变波导折射率，因此腔长可以在约1%的较大范围内被快速调谐。
有源区域(MQW有源波导部分101 )连同无源部分301A和301B 的组合一起形成我们的SML激光器300。 MQW有源波导部分101提 供了增益且无源波导结构(无源部分301A和301B)增强了克尔透镜 效应，且因此有利于自锁模。有源部分101和无源部分301A、 301B均 被掩埋在基底材料即InP内。占据总的有源波导结构的更大部分的无 源波导结构301A和301B增强了克尔透镜效应，且因此增强了自锁模。 无源波导示意性地由带边缘从1100nm ( Ql.l材料)、1200nm ( Q1.2材 料)到1300nm ( Q1.3材料)的折射率渐变四元层组成。图3的MQW 部分101示意性使用由对称张应变垒层来应变补偿的4个压应变量子 阱。应注意，有源部分101可以使用提供光学增益的量子阱(MQW) 结构或者体结构制成。SML激光二极管300约lmm长(图1的L)以 形成40GHz重复率，且其宽度W (图1)为lOOfim (器件的实际宽度 不重要，临界宽度为有源波导101的宽度，在我们的情形中约为ljim)。
得到的带间SML激光器最低程度地调整了激光二极管制作工艺 并提供了对激光器腔体长度L的更短限制，且因此其推动了对脉冲重 复率的限制。在一个实施例中，1.56jim波长自锁模半导体激光器工作 于40GHz重复率。我们的带间SML激光器通过将有源部分与一个或 多个无源波导部分垂直地组合而呈现增强的克尔透镜锁模效应。脉冲 光谱的FWHM宽度大于8nm，且时间域脉冲持续时间约为10ps。耦 合到解理光纤的锁模脉冲串104的平均输出功率高于0dBm。
本发明所属技术领域的技术人员显见的所述实施例的各种调整以 及本发明的其它实施例，均被视为落在如所附权利要求界定的本发明 的原理和范围之内。
尽管在下述方法权利要求中使用相应标记按特定顺序叙述步骤 (如果有)，除非权利要求叙述以别的方式暗示用于实施部分或所有这 些步骤的特定顺序，否则这些步骤不一定限于按该具体顺序实施。
权利要求
1.一种自锁模半导体激光器，包括n+磷化铟(InP)衬底；沉积在所述n+InP衬底上的P+磷化铟(InP)层；掩埋在所述InP层内的有源波导部分；以及掩埋在所述InP层内并与所述MQW有源波导部分分隔的第一无源波导部分P1。
2. 如权利要求l所述的自锁模半导体激光器，其中所述有源波导 部分为多量子阱(MQW)。
3. 如权利要求l所述的自锁模半导体激光器，其中所述有源波导 部分为体材料。
4. 如权利要求l所述的自锁模半导体激光器，其中所述笫一无源 波导部分由Q1.3折射率材料制成。
5. 如权利要求l所述的自锁模半导体激光器，其中所述第一无源 波导部分掩埋在所述有源波导部分的下方。
6. 如权利要求l所述的自锁模半导体激光器，还包括与所述第一 无源波导部分分隔的第二无源波导部分P2,所述第二无源波导部分包 括一个或多个无源波导层。
7. 如权利要求l所述的自锁模半导体激光器，其中所述第一无源 波导部分掩埋在所述有源波导部分的下方且所述第二无源波导部分掩 埋在所述第一无源波导部分的下方。
8. 如权利要求6所述的自锁模半导体激光器，其中所述第一无源 波导部分由Q1.3折射率材料制成且所述第二无源波导部分由选自 Ql.l、 Q1.2或Q1.3折射率材料的材料制成，其中Q1.1的折射率小于 Q1.2, Q1.2的折射率小于Q1.3。
9. 如权利要求5所述的自锁模半导体激光器，其中所述笫二无源 波导部分包括多个相邻的无源波导层，且最靠近所述第一无源波导部 分的无源波导层具有最大折射率，且任一随后相邻层的折射率随着所 述层远离所述第一无源波导部分而递减。
10. 如权利要求6所述的自锁模半导体激光器，其中所述第二无 源波导部分与所述第一无源波导部分分隔预定距离。
全文摘要
自锁模半导体激光器。一种带间自锁模(SML)半导体激光器使用包括有源波导部分(101)和共同增强自锁模的一个或多个无源波导部分(301A、301B、301B’)的有源波导结构。该SML激光器工作是基于通过将有源部分与一个或多个无源波导部分垂直光学组合的增强克尔透镜锁模。
文档编号H01S5/065GK101351938SQ200680040250
公开日2009年1月21日 申请日期2006年10月20日 优先权日2005年10月28日
发明者W·杨, 章力明 申请人:卢森特技术有限公司