DFB的顶部光栅与底部光栅

咱们常见的DFB激光器,有脊型波导的,有掩埋波导的,这不是今天的重点。DFB是分布反馈型谐振腔,使用光栅制作的微型分布谐振腔。

对于光栅而言,可以位于量子阱有源层内,也可以位于量子阱的上方或者下方,光栅直接在量子阱内制作,理论上是效率最好的,但是可靠性风险太大,几乎没有厂家使用。

大多数厂家呢,把光栅设计在量子阱的上方,相比较而言,这个工艺难度较低。

在CW 大功率光源,或者是降低阈值,提高激光器增益的高速激光器中,把光栅制作在量子阱下方的越来越多。

我的理解啊,这并不是光栅有什么本质变化,而是光场的分布变了。我们看一个典型的BH结构的波导分布。

以前的光斑分布在量子阱上下方,但是P型半导体的掺杂金属离子,有很大的损耗。(合集2021下第368-372页,聊了光斑与有源层的相对位置)

对于高速激光器而言,需要降低PN结宽导致的电容,那么就需要有很大的增益很低的损耗才能满足有限的发光位置,能发出足够的光。

对于CW的大功率激光器而言,也同样需要扩大光斑,降低损耗,提高激光器效率,从而提高激光器的发光功率。

高速激光器和CW大功率激光器,他们的光斑和PN结宽是不一样的设计,但有个共同的需求,就是降低腔内损耗。

那么把光场分布在N型半导体内,尽量避开P型半导体,损耗就低一些。

有各种各样的光斑下拉的设计,在ECOC2022中,Lumentum增加光的引导层下拉光场到N型半导体,在华为的设计中,PN半导体的非对称分布,下拉光场到N型半导体,….

让光场主要位于量子阱下方的N型低损耗的半导体,那么光栅作为谐振腔,需要作用在光场范围内才行。那么光栅在量子阱的上方,和在量子阱的下方,对于下拉的光场而言,就产生了较大的区别。

对于光场没有下拉太多的场景,则光栅位于上方或下方,差异就不大。

如果光栅需要配合光场设计,位于量子阱下方的话,工艺流程是先做光栅再生长有源层。

有两个问题,

第一个是光栅的形貌的保持型,后续的高温工艺那么多,一遍遍加热后,会对早期光栅制作的形貌产生破坏性。

第二个问题是光栅与有源层的相对位置,偏差很大,需要额外的设计进行补偿。这个偏差主要是第②步刻蚀工艺引起的。外延生长每层的精度控制的很好,但刻蚀就不一定做到极高的厚度层控制,有可能刻蚀的深一些或浅一些。

当刻蚀的每个批次不一样时,后期掩埋材料数量是一定的,那么刻蚀的太深,会导致第③步掩埋回填时,顶部高度下降。

激光器的谐振腔设计,与量子阱与光栅的距离t有关。如果是底部光栅的话,由于刻蚀的精准度不高,导致t与刻蚀的深浅产生关联。

但如果是顶部光栅,t就与光栅的刻蚀深度无关了。

小结一下底部光栅:

要提高激光器的效率,降低损耗,光场会设计下拉在N型半导体区域,主要的光场能量分布于量子阱下方。

光栅位于量子阱底部,则针对下拉光场的设计,具有更好的效果。

底部光栅的制作难度较大,需要额外的补偿工艺进行精确回填或反向折射率分布的光栅进行调节。

所以有些厂家基于工艺的可实现性,依然在下拉光场的新型设计中保留了顶部光栅的传统工艺。