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书书书
第
34
卷
第
2
期
光
学
学
报
Vol.34
,
No.2
2014
年
2
月
犃犆犜犃犗犘犜犐犆犃犛犐犖犐犆犃
犉犲犫狉狌犪狉
狔
,
2014
纳米压印工艺制作
犇犉犅
激光器的可靠性研究
赵建宜
1
陈
鑫
1
周
宁
2
曹明德
2
黄晓东
2
刘
文
1
,
3
1
华中科技大学光学与电子信息学院光电国家实验室,湖北 武汉
430074
2
光迅科技股份有限公司,湖北 武汉
430074
;
3
中国科学技术大学先进技术研究院,安徽 合肥
( )
230026
摘要
利用光荧光谱及
X
射线双晶衍射研究了纳米压印 工艺对 半导 体外延 材料 的影响。 利用 纳米 压 印工 艺制 作
了
1.55
μ
m
通信用分布反馈(
DFB
)半导体激光器,并 对制 作的 器 件进 行了 老 化寿 命试 验。实 验结 果 表明,采 用软
模版压印并不会劣化半导体外延材料的特性。制作的半 导体 激光 器 预期 寿命 与 普通 双光 束 曝光 法制 得 的器 件预
期相当
,表明纳米压印工艺制作半导体激光器是可靠的。
关键词
集成光学;纳米压印;半导体激光器;单片光子集成电路
中图分类号
TN248
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
犃犗犛201434.0206003
犚犲犾犻犪犫犻犾犻狋
狔
犛狋狌犱
狔
狅犳犇犉犅 犔犪狊犲狉犉犪犫狉犻犮犪狋犲犱犫
狔
犖犪狀狅犻犿
狆
狉犻狀狋犜犲犮犺狀狅犾狅
犵狔
犣犺犪狅犑犻犪狀
狔
犻
1
犆犺犲狀犡犻狀
1
犣犺狅狌犖犻狀
犵
2
犆犪狅犕犻狀
犵
犱犲
2
犎狌犪狀
犵
犡犻犪狅犱狅狀
犵
2
犔犻狌 犠犲狀
1
,
3
1
犠狌犺犪狀犖犪狋犻狅狀犪犾犔犪犫狅狉犪狋狅狉
狔犳
狅狉犗
狆
狋狅犲犾犲犮狋狉狅狀犻犮狊
,
犛犮犺狅狅犾狅
犳
犗
狆
狋犻犮犪犾犪狀犱犈犾犲犮狋狉狅狀犻犮犐狀
犳
狅狉犿犪狋犻狅狀
,
犎狌犪狕犺狅狀
犵
犝狀犻狏犲狉狊犻狋
狔
狅
犳
犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犜犲犮犺狀狅犾狅
犵狔
,
犠狌犺犪狀
,
犎狌犫犲犻
430074
,
犆犺犻狀犪
2
犃犮犮犲犾犻狀犽犜犲犮犺狀狅犾狅
犵
犻犲狊犆狅犿
狆
犪狀
狔
,
犔狋犱
.
,
犠狌犺犪狀
,
犎狌犫犲犻
430074
,
犆犺犻狀犪
3
犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅
犳
犃犱狏犪狀犮犲犱犜犲犮犺狀狅犾狅
犵狔
,
犝狀犻狏犲狉狊犻狋
狔
狅
犳
犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犜犲犮犺狀狅犾狅
犵狔
狅
犳
犆犺犻狀犪
,
犎犲
犳
犲犻
,
犃狀犺狌犻
230026
,
烄
烆
烌
烎
犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋
犜犺犲犻狀犳犾狌犲狀犮犲 狅犳 狀犪狀狅犻犿
狆
狉犻狀狋狋犲犮犺狀狅犾狅
犵狔
狅狀 狋犺犲 犲
狆
犻狋犪狓犻犪犾 犿犪狋犲狉犻犪犾狊犻狊 犪狀犪犾
狔
狕犲犱 狑犻狋犺 狋犺犲 狌狊犲 狅犳
狆
犺狅狋狅犾狌犿犻狀犲狊犮犲狀犮犲犪狀犱 犡狉犪
狔
犱犻犳犳狉犪犮狋犻狅狀.1.55
μ
犿 犱犻狊狋狉犻犫狌狋犲犱 犳犲犲犱犫犪犮犽
(
犇犉犅
)
犾犪狊犲狉 犱犻狅犱犲狊犳狅狉 狅
狆
狋犻犮犪犾犳犻犫犲狉
犮狅犿犿狌狀犻犮犪狋犻狅狀犪狉犲犳犪犫狉犻犮犪狋犲犱 狌狊犻狀
犵
狀犪狀狅犻犿
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狉犻狀狋狋犲犮犺狀狅犾狅
犵狔
,
犪狀犱狋犺犲狀 犪犮犮犲犾犲狉犪狋犻狀
犵
犾犻犳犲狋犲狊狋犻狊犪
狆狆
犾犻犲犱狋狅狋犺犲狊犲
犱犲狏犻犮犲狊.犚犲狊狌犾狋狊狊犺狅狑狋犺犪狋狊狅犳狋狊狋犪犿
狆
狀犪狀狅犻犿
狆
狉犻狀狋狑犻犾犾狀狅狋犾犲犪犱狋狅犪狊犲狉犻狅狌狊犱犲
犵
狉犪犱犪狋犻狅狀狅犳狋犺犲犲
狆
犻狋犪狓犻犪犾犿犪狋犲狉犻犪犾狊.
犜犺犲犾犻犳犲狋犻犿犲狊狅犳狋犺犲犾犪狊犲狉狊犳犪犫狉犻犮犪狋犲犱犫
狔
狀犪狀狅犻犿
狆
狉犻狀狋犪狀犱犲狓
狆
狅狊狌狉犲 犿犲狋犺狅犱犪狉犲狅狀狋犺犲狊犪犿犲狅狉犱犲狉狅犳 犿犪
犵
狀犻狋狌犱犲
,
犻狀犱犻犮犪狋犻狀
犵
狋犺犪狋狀犪狀狅犻犿
狆
狉犻狀狋狋犲犮犺狀狅犾狅
犵狔
犻狊狊犪犳犲犪狀犱狉犲犾犻犪犫犾犲狋狅狋犺犲犳犪犫狉犻犮犪狋犻狅狀狅犳犾犪狊犲狉狊.
犓犲
狔
狑狅狉犱狊
犻狀狋犲
犵
狉犪狋犲犱狅
狆
狋犻犮狊
;
狀犪狀狅犻犿
狆
狉犻狀狋
;
狊犲犿犻犮狅狀犱狌犮狋狅狉犾犪狊犲狉
;
犿狅狀狅犾犻狋犺犻犮
狆
犺狅狋狅狀犻犮犻狀狋犲
犵
狉犪狋犲犱犮犻狉犮狌犻狋
犗犆犐犛犮狅犱犲狊
060.1810
;
130.3120
;
130.5990
;
050.2770
收稿日期:
20130719
;收到修改稿日期:
20130913
基金项目:国家
973
计划(
2010CB327603
)、国家
863
计划(
2011AA010304
)、武汉市科技晨光计划(
2013070104010033
)
作者简介:赵建宜(
1986
—),男,博士研究生,主要从事光电子器件设计与制造方面的研究。
Email
:
Jian
y
i.zhao
@
accelink.com
导师简介:刘
文(
1960
—),男,博士,教授级高工,主要从事光通信系统及器件方面的研究。
Email
:
wen.liu
@
wri.com
1
引
言
分布反馈(
DFB
)半导体激光器是目前光通信系
统中广泛使用的光源。由于采用了内藏布拉格光栅
选择工作波长,使其 谐振腔的 损 耗有了明 显 的波长
依赖性,因此在单色 性及稳定 性 方面优于 一 般的法
布里 珀罗(
FP
)腔激光 器
[
1
]
。由于光栅 尺度一般在
亚微米量级,典型 周 期为
240nm
,因 此 很 难 用 传 统
光刻技术制作。 目前
DFB
激光器常用的光栅制作
技术为双光束全息 曝光法,该方法可 以 快速低成 本
地制作均匀光 栅。但是 用 均匀光栅制作的
DFB
激
光器在布拉格阻带 边上存在 两 个对称的 激 射模,一
般通过在两侧解离 面上一边 镀 高反射膜,一边镀低
反射膜的方式消除模式简并
[
2
]
。但是解离面相对光
栅存在一个随机相 位,造 成 激光器 腔 长 不能恰 好 是
光栅长度的半整数倍,在某些特定相位范围内,简并
依然不能有效消除,限制了均匀光栅
DFB
激光器单
模成品率。随后双面镀增透膜的四分之一相移激光
器的方法被提出来以解决这个问题
[
3
]
。由于光栅存
在四分之一相移,使激射模恰好处于布拉格波长处,
模式简并被消除,激光器单 模 成品率大 大 提高。但
02060031
光
学
学
报
是四分之一相移激 光器由于 相 移的引入,使该处光
场不连续,导致光子在该处集中,产生了所谓空间烧
孔效应,限制了 其 高功率运 用。 为解决 空 间烧孔效
应,
DFB
激光器设计者们在
20
世纪
90
年代初提出
了各式各样的解决方案,主要集中在四个方面:
1
)在
光栅中引入 多 个 相 移,如 两 相 移
[
4
]
、三 相 移
[
5-6
]
、五
相移等
;
2
)引入分布相移即所谓变节距光栅
[
7
]
;
3
)分
布耦合系数
[
8
]
;
4
)增益耦合 光 栅
[
9
]
。 以上四种方案
中前三种既可以单 独使用也 可 以组合使 用,如 双 变
节距光栅
[
10
]
、三变节距光栅
[
11
]
和分布相移分布耦合
系数光栅
[
12
]
,通过排列组合可以延伸 出各种形式 的
光栅。面对这些复 杂光栅,双光束曝 光 的方式制 作
效果往往不理想。而电子束光刻(
EBL
)生产效率太
低,不适合工业级批量制造时应用。因此,由于加工
手段的限制,此类高性能复杂光栅
DFB
激光器的研
究与应 用 在 相 当 长 一 段 时 间 内 停 滞 不 前,阻 碍 了
DFB
激光器的发展。
1995
年,
Chou
等
[
13
]
发 明 了 纳 米 压 印 光 刻
(
NIL
)技术,将 印 章 技 术 成 功 地 运 用 于 纳 米 级 图 形
制作中。目前,几乎 所有的光 电 子器件都 可 采用纳
米压印技术制作出来
[
14-17
]
,这其中光栅作为光学基
础器件,其线宽更是已经作为衡量纳米压印技术进步
的标志之一。将纳米压印制作技术应用于
DFB
半导
体激光器中
[
18
]
,可 以获得和电 子束光刻近 似的加工
能力,同时极大地提高产率、降低成本。
Zhao
等
[
18
]
开
展了纳米压印制作半导体激光器的研究,先后研制出
基于纳米压印的
16
波长密集波分复用(
DWDM
)阵列
激光器、四通道粗波分复用(
CWDM
)阵列激光器、多
相移激光器
[
19
]
等,验证了 纳米 压印技 术在 制作复 杂
光栅
DFB
激光器中的独特优势。
不同 于普通光刻 技术,纳 米压印 技术 属于接 触
式工艺,需要依靠机械接触,挤压光刻胶变形转移图
形,因此机械损伤是 纳米压印 技 术不同于 普 通光刻
技术且难以回避的问题。 通 过 光 荧 光 谱 (
PL
)及
X
射线双晶衍射(
XRD
)分析,对纳 米压印造 成的
DFB
激光器量子阱外延材料的退化进行了分析。对本课
题组用纳米压 印 技 术 制 作 的
1.55
μ
m
通 信 用 半 导
体激光器的可靠 性 进行了初 步 分析。结 果 表明,纳
米压印工艺制作的
DFB
激光器实 际 预期寿命大于
1×10
6
h
,满足半导体激光器对可靠性的要求。
2
实
验
实验样品为普通商用
DFB
激光器一次外延片。
纳米压印实施前首先在一次外延片上利用相对位置
坐标标记六个测试点,如图
1
所示,利 用
XRD
测试
了外延片上这六个点的双晶衍射图样。同时在外延
片中心标记了
5mm×5mm
的正方形区域,在该区
域划分了
25
个格点,依次测试了该区域每个格点处
的光荧光谱。
图
1
测试位置示意图
Fi
g
.1 Schematicoftest
p
osition
图
2
压印流程。(
a
)软模板制作;(
b
)光栅压印
Fi
g
.2 Nanoim
p
rint
p
rocess.Fabricationof
(
a
)
softstam
p
and
(
b
)
g
ratin
g
完成 测试以后,再 在一次外延 片上利用纳 米压
印 工 艺 制 作 光 栅,采 用 的 是 软 模 版 热 辅 助 紫 外
(
UV
)压印技术。传 统的硬压印 技术直 接 用硬质模
板压印衬底,容易因为杂质而损坏图形,严重时甚至
会损坏模版及衬底。而软模版压印利用有机高分子
聚合物作为中间介 质转移图 形,避 免 了 硬质的 模 版
与衬底的直接接触,可以有效地提高压印质量,避免
模版及衬底的损伤。具体的工艺过程如图
2
所示。
02060032
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