一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其包括：襯底；下波導(dǎo)層，該下波導(dǎo)層生長在該襯底正面；下光限制層，該下光限制層生長在下波導(dǎo)層上；有源區(qū)，該有源區(qū)生長在下光限制層上；上光限制層，該上光限制層生長在該有源區(qū)上；光柵層，該光柵層制作于上光限制層的上，并且該光柵層具有二級分布反饋結(jié)構(gòu)；上波導(dǎo)層，該上波導(dǎo)層生長在該光柵層上；亞波長金屬光柵層，該亞波長金屬光柵層制作于該襯底。本發(fā)明公開的上述方案用亞波長金屬光柵結(jié)構(gòu)對面發(fā)射量子級聯(lián)激光器進(jìn)行光束整形，既減小了波導(dǎo)方向的發(fā)散角又沒有影響器件的倒裝焊接。在中紅外波段很容易激發(fā)等離子體波，且等離子體波的傳播距離較遠(yuǎn)、吸收損耗較小。
【專利說明】一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外半導(dǎo)體光電器件【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]波長為4?8 μ m的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器因具有單模、低發(fā)散角和便于集成等優(yōu)點(diǎn)在大氣環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、高分辨率光譜等領(lǐng)域中具有十分廣闊的應(yīng)用前景。量子級聯(lián)激光器是基于子帶間的躍遷，根據(jù)躍遷選擇定則，常規(guī)的量子級聯(lián)激光器不能進(jìn)行面發(fā)射，但是可以通過制作二級分布反饋光柵結(jié)構(gòu)，利用其一階傅里葉電場分量的輻射模式進(jìn)行面發(fā)射器件的制作。面發(fā)射器件因其較大的發(fā)光面積和構(gòu)建的相干條件可以很好的改善器件的遠(yuǎn)場發(fā)散角。當(dāng)前國際上實(shí)現(xiàn)量子級聯(lián)激光器面發(fā)射的主要手段包括:普通的二級光柵結(jié)構(gòu)[D.Hofstetter, J.Faist, and M.Beck, Appl.Phys.Lett., 75, 3769, (1999)]，三級光柵結(jié)構(gòu)[Μ.1.Amanti, M.Fischer, G.Scalari, Μ.Beck, and J.Faist, Nature photon.,3，586，(2009)]，光子晶體晶格結(jié)構(gòu)[S.Kumar, B.S.Williams, Q.Qin, A.ff.M.Lee, andQ.Hu, Optics Express, 15,113 (2007)]和二級環(huán)形光柵結(jié)構(gòu)[E.MujagiC, L.K.Hoffmann,S.Schartner, M.Nobile, ff.Schrenk, M.P.Semtsiv, M.ffienold, ff.T.Masselink, andG.Strasser, Appl.Phys.Lett.,93,161101 (2008)]。普通的二級光柵結(jié)構(gòu)因其工藝簡單，抽取效率高等被廣泛研究。然而，為了實(shí)現(xiàn)器件的室溫連續(xù)工作，有源區(qū)的寬度必須減小到波長量級，這導(dǎo)致其遠(yuǎn)場發(fā)散角只能在腔長方向得到改善，波導(dǎo)方向仍然很大，一般為15-30°。三級光柵若滿足相匹配條件，根據(jù)天線理論，器件的腔長和波導(dǎo)方向的遠(yuǎn)場發(fā)散角是可以通過相干增強(qiáng)而同時減小的。但相匹配條件的滿足十分困難且器件必須進(jìn)行正裝焊接，很難實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)工作。光子晶體面發(fā)射量子級聯(lián)激光器能夠同時改善器件腔長和波導(dǎo)兩個方向的遠(yuǎn)場發(fā)散角并得到近似圓形的高斯光斑，但是，面發(fā)射光子晶體量子級聯(lián)激光器因很高的電功率注入密度而無法實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)工作。二級環(huán)形光柵結(jié)構(gòu)同樣能夠改善器件腔長和波導(dǎo)兩個方向的遠(yuǎn)場發(fā)散角，而且環(huán)形腔的結(jié)構(gòu)極大的減小了器件的鏡面損耗，有利于降低器件的閾值電流密度。國際上西北大學(xué)Razeghi小組已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了環(huán)形光柵面發(fā)射量子級聯(lián)激光器的室溫連續(xù)工作，輸出功率已經(jīng)達(dá)到了 500mW[Y.Bai, S.Tsao,N.Bandyopadhyay, S.Slivken, Q.Y.Lu, D.Caffey, M.Pushkarsky, T.Day, and M.Razeghi,Appl.Phys.Lett.，99，161104，(2011)]。但從實(shí)用化的角度分析，環(huán)形光柵器件本身存在著兩個較大的缺點(diǎn):i)環(huán)形光柵面發(fā)射量子級聯(lián)激光器的遠(yuǎn)場光束為同心環(huán)結(jié)構(gòu)且不具有高斯分布特征；ii)環(huán)形光柵的制作工藝十分復(fù)雜，需要高精度的微納加工技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]鑒于以上技術(shù)問題，本發(fā)明綜合考慮各種光調(diào)制技術(shù)制作工藝的難度、物理內(nèi)涵等因素，提出基于普通的二級光柵面發(fā)射的光束整形方法實(shí)現(xiàn)量子級聯(lián)激光器的低遠(yuǎn)場發(fā)散角及單模室溫連續(xù)工作。為此，本發(fā)明提供一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用亞波長金屬光柵結(jié)構(gòu)對具有較窄有源區(qū)寬度的面發(fā)射二級光柵分布反饋量子級聯(lián)激光器的輸出光束進(jìn)行整形，同時實(shí)現(xiàn)器件腔長方向和水平波導(dǎo)方向遠(yuǎn)場發(fā)散角的改
盡
口 O
[0004]本發(fā)明提出的一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其包括:
[0005]一襯底；
[0006]—下波導(dǎo)層，該下波導(dǎo)層生長在該襯底正面；
[0007]—下光限制層，該下光限制層生長在下波導(dǎo)層上；
[0008]一有源區(qū)，該有源區(qū)生長在下光限制層上；
[0009]一上光限制層，該上光限制層生長在該有源區(qū)上；
[0010]一光柵層，該光柵層制作于上光限制層的上，并且該光柵層具有二級分布反饋結(jié)構(gòu)；
[0011]一上波導(dǎo)層，該上波導(dǎo)層生長在該光柵層上；
[0012]—亞波長金屬光柵層，該亞波長金屬光柵層制作于該襯底背面。
[0013]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提出的一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)具有以下有益效果:在襯底上進(jìn)行亞波長金屬光柵的制作工藝簡單。用亞波長金屬光柵結(jié)構(gòu)對面發(fā)射量子級聯(lián)激光器進(jìn)行光束整形，既減小了波導(dǎo)方向的發(fā)散角又沒有影響器件的倒裝焊接。在中紅外波段很容易激發(fā)等離子體波，且等離子體波的傳播距離較遠(yuǎn)、吸收損耗較小。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例中低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器的結(jié)構(gòu)圖；
[0015]圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例中亞波長金屬光柵調(diào)制前后面發(fā)射量子級聯(lián)激光器遠(yuǎn)場圖形。
【具體實(shí)施方式】
[0016]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0017]本發(fā)明提供了一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提出的低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的三維示意圖。如圖1所示，該結(jié)構(gòu)包括:
[0018]一襯底I，該襯底I為InP襯底，摻雜濃度為I X 1017-3 X IO1W,優(yōu)選為2 X IO1W3 ；
[0019]一下波導(dǎo)層2，該下波導(dǎo)層生長在該襯底的正面，該波導(dǎo)層2的材料為η型InP，摻雜濃度為 2X1016-4X1016cnT3，層厚為 l-2ym ；
[0020]一下光限制層3，該下光限制層生長在下波導(dǎo)層2上，下光限制層3的材料為η型InGaAs，摻雜濃度為 2 X 1016_4X 1016，層厚為 0.3-0.5 μ m ；
[0021]一有源層4，該有源層生長在下光限制層3上，該有源層4由20-60個周期的InGaAs/InAlAs組成，該有源層對應(yīng)的波長為4-8 μ m ;
[0022]一上光限制層5，該上光限制層生長在該有源層上，該上光限制層5的材料為InGaAs，該波導(dǎo)層5為η型摻雜，摻雜濃度為2Χ 1016_4Χ 1016，層厚為0.3-0.5ym；
[0023]—光柵層6,該光柵層制作于上光限制層5的上面并且該光柵層材料為InGaAs/InP,具有二級分布反饋結(jié)構(gòu)；
[0024]一上波導(dǎo)層7，該上波導(dǎo)層生長在該光柵層上，該上波導(dǎo)層7的材料為η型InP，其通過先生長層厚和摻雜濃度為2-3 μ m,2 X IO1MxIO1W的低摻雜材料，再生長層厚和摻雜濃度為0.4-1 μ m、5 X IO18-1 X 1019cm_3的高摻雜材料形成；
[0025]—亞波長金屬光柵層8,該亞波長金屬光柵層制作在InP襯底I的背面,其光柵方向與光柵層6的光柵方向一致；該亞波長金屬光柵層8由金屬和InP組成,金屬材料為AuGeNiAu,金屬光柵周期小于有源區(qū)的激射波長，為亞波長尺寸，光柵深度為0.1-1ym0
[0026]至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對本實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對本發(fā)明一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)有了清楚的認(rèn)識。
[0027]此外，上述對各元件、方法的定義并不僅限于實(shí)施方式中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方法，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可對其進(jìn)行簡單地熟知地替換，例如:
[0028](I)用Au或Ag等金屬材料代替AuGeNiAu作為亞波長金屬光柵中的金屬材料；
[0029](2)將二級分布反饋光柵制作在上波導(dǎo)層7上代替將二級分布反饋光柵制作在上光限制層5上用于量子級聯(lián)激光器面輻射分量的抽?。?br> [0030]以下詳細(xì)說明上述所提供的一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的設(shè)計依據(jù)。
[0031]通常，為了實(shí)現(xiàn)器件的室溫連續(xù)工作，有源區(qū)的平均寬度必須在波長量級，那么由衍射極限所決定的水平波導(dǎo)方向的遠(yuǎn)場發(fā)散角將會比較大，一般為15-30°。量子級聯(lián)激光器的有源區(qū)發(fā)出TM偏振的中紅外光波，與襯底處的亞波長金屬光柵相互作用很容易激發(fā)等離子體波，部分光束的傳播方向?qū)l(fā)生改變。在中紅外波段等離子體波的傳播距離比較長有數(shù)百微米，因此，器件的有效發(fā)光面積得到了擴(kuò)展，光束的波前得到了整形，在水平波導(dǎo)方向的發(fā)光面積得到了有效的擴(kuò)展。根據(jù)衍射極限理論，光束的近場模變大，從而減小了水平波導(dǎo)方向的遠(yuǎn)場發(fā)散角。此外，中紅外波與亞波長金屬光柵的相互作用并沒有顯著的增加器件的波導(dǎo)損耗，基本不會影響器件的室溫連續(xù)工作。
[0032]圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例中波長為4.6微米、有源區(qū)寬度為13微米的亞波長金屬光柵調(diào)制前后面發(fā)射量子級聯(lián)激光器的遠(yuǎn)場圖形。圖2(a)示出了水平波導(dǎo)方向的遠(yuǎn)場圖形；圖2(b)示出了腔長方向的遠(yuǎn)場圖形
[0033]綜上所述，本發(fā)明提供了一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用用亞波長金屬光柵結(jié)構(gòu)對具有較窄有源區(qū)寬度的面發(fā)射二級光柵分布反饋量子級聯(lián)激光器的輸出光束進(jìn)行整形，同時實(shí)現(xiàn)器件腔長方向和水平波導(dǎo)方向遠(yuǎn)場發(fā)散角的改善。
[0034]以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其包括: 一襯底； 一下波導(dǎo)層，該下波導(dǎo)層生長在該襯底正面； 一下光限制層，該下光限制層生長在下波導(dǎo)層上； 一有源區(qū)，該有源區(qū)生長在下光限制層上； 一上光限制層，該上光限制層生長在該有源區(qū)上； 一光柵層，該光柵層制作于上光限制層的上，并且該光柵層具有二級分布反饋結(jié)構(gòu)； 一上波導(dǎo)層，該上波導(dǎo)層生長在該光柵層上； 一亞波長金屬光柵層，該亞波長金屬光柵層制作于該襯底背面。
2.如權(quán)利要求1所述的一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其中所述的襯底為InP襯底，摻雜濃度為1X10^17-3X10^17cm^3。
3.如權(quán)利要求1所述的一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其中所述的下波導(dǎo)層的材料為Inp，該波導(dǎo)層為n型摻雜，摻雜濃度為2x10^-5-4x10^16cm^3，層厚為1-2 μ m。
4.如權(quán)利要求1所述的一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其中所述的下光限制層的材料為InGaAs，該下光限制層為η型摻雜，摻雜濃度為2Χ 10^16~4Χ 10^16，層厚為0.3-0.5 μ m。
5.如權(quán)利要求1所述的一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其中所述的有源區(qū)由20-60個周期的InGaAs/InAlAs組成，該有源區(qū)對應(yīng)的波長為4_8 μ m。
6.如權(quán)利要求1所述的一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其中所述的上光限制層的材料為InGaAs，該上光限制為η型摻雜，摻雜濃度為2Χ 10^16-4Χ 10^16，層厚為0.3-0.5 μ m。
7.如權(quán)利要求1所述的一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其中所述的光柵層的材料為InGaAs/InP。
8.如權(quán)利要求1所述的一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其中所述的上波導(dǎo)層的材料為InP，該波導(dǎo)層為η型摻雜，且為先生長低摻雜材料，層厚為2-3 μ m，濃度為2 x10^15x10^-5cm^-3,再生長高摻雜材料，且層厚為0.4-1 μ m，濃度為5 X 10^-8-1 X 10^19cm^-3
9.如權(quán)利要求1所述的一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其中所述的亞波長金屬光柵層由金屬和InP組成,金屬材料為AuGeNiAu,金屬光柵周期小于有源區(qū)的激射波長，即為亞波長尺寸，光柵深度為0.1-1 μ m。
【文檔編號】H01S5/06GK103532013SQ201310503782
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月23日
【發(fā)明者】張錦川, 姚丹陽, 閆方亮, 劉峰奇, 王利軍, 劉俊岐, 王占國 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所