CN102651535B - 一种制作双波长分布反馈集成激光器的方法 - Google Patents

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本发明公开了一种制作双波长分布反馈集成激光器的方法，该双波长分布反馈集成激光器用于探测CO与CH4的浓度，该方法包括：在掺杂磷化铟衬底上制作长条形介质掩膜图形；在掺杂磷化铟衬底上外延生长有源增益区和复合光栅层，在该复合光栅层上制作光栅；在该光栅上外延生长掺杂磷化铟盖层和重掺杂欧姆接触层，并制作串行条形波导结构或并行条形波导耦合结构；其余按标准激光器管芯工艺和光纤耦合工艺完成后续制作，得到双波长分布反馈集成激光器。利用本发明提供的方法制作的双波长分布反馈集成激光器，结合目前通用的宽谱红外探测器及电路处理技术，能够将CO和CH4两种气体浓度的检测合并于同一仪器内，实现对CO与CH4两种气体浓度的快速检测和预警。

Description

一种制作双波长分布反馈集成激光器的方法
技术领域
本发明涉及分布反馈集成激光器制作技术领域，特别涉及一种制作双波长分布反馈集成激光器的方法，该双波长分布反馈集成激光器用于探测CO与CH4的浓度。
背景技术
有毒有害和易燃易爆气体是矿井安全的重大隐患，其中尤以一氧化碳(分子式CO)和甲烷(分子式CH4)两种气体的危害最大。矿井内需要有稳定可靠的这两种气体浓度的监测和预警系统，才能确保井下人员的生命安全。
目前气体浓度主要通过热催化、显色剂、光干涉、气敏半导体、电化学、红外吸收等技术方法进行检测。其中红外吸收方法是利用气体分子的吸收光谱来识别气体种类和气体浓度的方法，例如CO的吸收光谱落在1567nm波长处，CH4的吸收光谱落在1665nm波长处等，只要能探测到这些特定波长光谱强度的变化，就能计算出相应气体浓度的起伏。红外吸收方法具有响应速度快、选择性强、不易受其他气体干扰、使用寿命长的特点，是现代最为先进的气体浓度检测方法之一。
在红外吸收光谱检测仪中，需要具有特定波长的激光光源来进行气体种类的识别及其浓度的测定。早期一般采用和气体吸收谱线接近的固定频率的气体激光器或可调谐铅盐激光器。但是，这些激光器价格昂贵，发射谱线多模，结构笨重，严重制约了其在气体传感中的应用。半导体分布反馈激光器能够通过调节内部光栅结构，实现与气体吸收谱线波长对应的单纵模激光输出，而且半导体激光器体积小、重量轻、波长稳定可控、可靠性高，已逐渐成为新一代气体检测仪的激光光源。
但目前的红外吸收气体检测仪器，都只能探测单一特定波长的气体。例如矿井内的CO和CH4，就需要两种气体探测仪器，才能分别对CO和CH4两种气体的浓度作检测，这无疑增加了井下监控预警系统的成本费用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供了一种制作双波长分布反馈集成激光器的方法，以实现对CO与CH4两种气体浓度的快速检测和预警。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种制作双波长分布反馈集成激光器的方法，该双波长分布反馈集成激光器用于探测CO与CH4的浓度，该方法包括：在掺杂磷化铟衬底上制作长条形介质掩膜图形；在制作有该长条形介质掩膜图形的掺杂磷化铟衬底上外延生长有源增益区和复合光栅层，在该复合光栅层上制作光栅；在该光栅上外延生长掺杂磷化铟盖层和重掺杂欧姆接触层，并制作串行条形波导结构或并行条形波导耦合结构；其余按标准激光器管芯工艺和光纤耦合工艺完成后续制作，得到双波长分布反馈集成激光器。
上述方案中，所述在掺杂磷化铟衬底上制作长条形介质掩膜图形，是在表面生长有介质掩膜的掺杂磷化铟衬底上，采用标准光刻工艺对该介质掩膜进行刻蚀，形成长条形介质掩膜图形对1。所述掺杂磷化铟衬底为n型或p型；长条形介质掩膜图形对1采用SiO2或Si3N4材料，厚度为50-200nm，该长条形介质掩膜图形对1中每个长条形介质掩膜的宽度2为20-60μm，两个长条形介质掩膜的间距3为5-20μm。
上述方案中，所述在制作有该长条形介质掩膜图形的掺杂磷化铟衬底上外延生长有源增益区和复合光栅层，在该复合光栅层上制作光栅，包括：在形成该长条形介质掩膜图形对1的掺杂磷化铟衬底上外延生长有源增益区，该有源增益区从下到上依次包括磷化铟缓冲层、下分别限制层、有源增益波导层和上分别限制层；在该有源增益区上生长复合光栅层，该复合光栅层从下到上依次包括磷化铟层、铟镓砷磷层及其p/n反型结层；对该复合光栅层进行两次全息曝光或电子束直写，分别在DFB-LD1区和DFB-LD2区形成两种周期光栅。
上述方案中，所述磷化铟缓冲层采用与掺杂磷化铟衬底同类型的掺杂或不掺杂的磷化铟材料；所述上分别限制层、下分别限制层为不掺杂的带隙波长为1.15μm-1.35μm的铟镓砷磷或铟镓铝砷材料；所述有源增益波导层为铟镓砷/铟镓砷磷/磷化铟、铟镓砷磷/磷化铟、铟镓铝砷/磷化铟体系的多量子阱材料层或铟镓砷磷、铟镓铝砷的体发光材料层，且所述有源增益波导层处于上分别限制层与下分别限制层之间，其峰值波长在该长条形介质掩膜图形对1之间的区域内为1665nm±20nm，在无掩膜的外部区域为1567nm±20nm。
上述方案中，所述在该光栅上外延生长掺杂磷化铟盖层和重掺杂欧姆接触层并制作串行条形波导结构或并行条形波导耦合结构，包括：在形成的两种周期光栅上外延掺杂磷化铟盖层和重掺杂欧姆接触层，刻蚀出串行的条形波导结构或并行条形波导耦合结构。
上述方案中，所述外延掺杂磷化铟盖层和重掺杂欧姆接触层的掺杂类型与掺杂磷化铟衬底的掺杂类型相反；所述串行条形波导结构为两个波长的分布反馈激光器通过波导前后串联输出，在该长条形介质掩膜图形对1之间的区域3内制作1665nm波长的第一激光器4，在掩膜图形外制作1567nm波长的第二激光器5，并且1665nm波长的第一激光器4处于串联的后段，1567nm波长的第二激光器5处于串联的出光前段；所述并行条形波导耦合结构为两个波长的分布反馈激光器通过波导并联、经Y波导6或多模干涉器(MMI)耦合后经单一波导7输出，在该长条形介质掩膜图形对1之间的区域3内制作1665nm波长的第一激光器4，在掩膜图形外制作1567nm波长的第二激光器5。所述串行条形波导结构或并行条形波导耦合结构的第一激光器4和第二激光器5，其电极独立引出或连接在一起之后引出，独立引出的第一激光器4与第二激光器5之间有隔离区8。
上述方案中，该双波长分布反馈集成激光器，其输出波长为1567nm±2.5nm和1665nm±2.5nm。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明提供的制作双波长分布反馈集成激光器的方法制作的双波长分布反馈集成激光器，结合目前通用的宽谱红外探测器及电路处理技术，能够将CO和CH4两种气体浓度的检测合并于同一仪器内，实现对CO与CH4两种气体浓度的快速检测和预警。
2、与现有的多波长分布反馈激光器阵列最多只涉及20-30nm的波长范围不同，本发明提供将CO和CH4相距～100nm吸收峰的超宽范围双波长分布反馈激光器集成在单一芯片内并经单一波导输出的方法。
附图说明
图1为依照本发明实施例的制作双波长分布反馈集成激光器的方法流程图。
图2为依照本发明实施例的串行条形波导结构的俯视示意图。
图3为依照本发明实施例的并行条形波导耦合结构的俯视示意图。
具体实施方式
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。
本发明提供的制作双波长分布反馈集成激光器的方法，由介质掩膜选区外延形成具有不同增益峰值波长的双增益有源区材料，利用两次全息曝光或电子束直写的方式制作周期性光栅，利用串行条形或并行耦合的输出结构、单一器件即可实现1567nm和1665nm双波长分布反馈激光器的功能。
如图1、图2和图3所示，本发明提供的制作双波长分布反馈集成激光器的方法，包括以下步骤：
步骤1：在表面生长有介质掩膜的掺杂磷化铟衬底上，采用标准光刻工艺对该介质掩膜进行刻蚀，形成长条形介质掩膜图形对1；
步骤2：在形成该长条形介质掩膜图形对1的掺杂磷化铟衬底上外延生长有源增益区和复合光栅层，该有源增益区从下到上依次包括磷化铟缓冲层、下分别限制层、有源增益波导层和上分别限制层；该复合光栅层从下到上依次包括磷化铟层、铟镓砷磷层及其p/n反型结层；
步骤3：对该复合光栅层进行两次全息曝光或电子束直写，分别在该复合光栅层的DFB-LD1区和DFB-LD2区形成两种周期的光栅；
步骤4：在形成的不同周期的光栅上外延掺杂磷化铟盖层和重掺杂欧姆接触层，刻蚀出串行条形波导结构(如图2中的4和5)或并行条形波导耦合结构(如图3中的4、5、6、7)；
步骤5：按标准激光器管芯基本工艺和光纤耦合工艺方法，完成双波长分布反馈集成激光器的后续制作，得到双波长分布反馈集成激光器。
其中双波长分布反馈集成激光器，输出波长为1567nm(±2.5nm)和1665nm(±2.5nm)；
步骤1中掺杂磷化铟衬底为n型或p型；长条形介质掩膜图形对1采用SiO2或Si3N4材料，厚度为50-200nm，该长条形介质掩膜图形对1中每个长条形介质掩膜的宽度2为20-60μm，两个长条形介质掩膜的间距3为5-20μm；
步骤2中磷化铟缓冲层采用与掺杂磷化铟衬底同类型的掺杂或不掺杂的磷化铟材料；上分别限制层、下分别限制层为不掺杂的带隙波长为1.15μm-1.35μm的铟镓砷磷或铟镓铝砷材料；有源增益波导层为铟镓砷/铟镓砷磷/磷化铟、铟镓砷磷/磷化铟、铟镓铝砷/磷化铟体系的多量子阱材料层或铟镓砷磷、铟镓铝砷的体发光材料层，有源增益波导层处于上分别限制层与下分别限制层之间，其峰值波长在该长条形介质掩膜图形对1之间区域3内为1665nm(±20nm)，在无掩膜的外部区域为1567nm(±20nm)；
步骤4中外延掺杂磷化铟盖层和重掺杂欧姆接触层的掺杂类型与掺杂磷化铟衬底的掺杂类型相反；
步骤4中串行条形波导结构为两个波长的分布反馈激光器通过波导前后串联(如图2)输出，在该长条形介质掩膜图形对1之间的区域3内制作1665nm波长的第一激光器4，在掩膜图形外制作1567nm波长的第二激光器5，并且1665nm波长的第一激光器4处于串联的后段，1567nm波长的第二激光器5处于串联的出光前段；
步骤4中并行条形波导耦合结构为两个波长的分布反馈激光器通过波导并联(如图3)、经Y波导6或多模干涉器(MMI)耦合后经单一波导7输出，在该长条形介质掩膜图形对1之间的区域3内制作1665nm波长的第一激光器4，在掩膜图形外制作1567nm波长的第二激光器5；
其中串行条形波导结构或并行条形波导耦合结构的第一激光器4和第二激光器5，其电极独立引出或连接在一起之后引出，独立引出的第一激光器4和第二激光器5之间有隔离区8。
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。

Claims (7)

1.一种制作双波长分布反馈集成激光器的方法，该双波长分布反馈集成激光器用于探测CO与CH4的浓度，其特征在于，该方法包括： 
在掺杂磷化铟衬底上制作长条形介质掩膜图形；所述在掺杂磷化铟衬底上制作长条形介质掩膜图形，是在表面生长有介质掩膜的掺杂磷化铟衬底上，采用标准光刻工艺对该介质掩膜进行刻蚀，形成长条形介质掩膜图形对(1)； 
在制作有该长条形介质掩膜图形对的掺杂磷化铟衬底上外延生长有源增益区和复合光栅层，在该复合光栅层上制作光栅； 
在该光栅上外延生长掺杂磷化铟盖层和重掺杂欧姆接触层，并制作串行条形波导结构或并行条形波导耦合结构； 
其余按标准激光器管芯工艺和光纤耦合工艺完成后续制作，得到双波长分布反馈集成激光器； 
其中，所述在该光栅上外延生长掺杂磷化铟盖层和重掺杂欧姆接触层并制作串行条形波导结构或并行条形波导耦合结构，是在形成的两种周期光栅上外延生长掺杂磷化铟盖层和重掺杂欧姆接触层，刻蚀出串行条形波导结构或并行条形波导耦合结构；所述外延掺杂磷化铟盖层和重掺杂欧姆接触层的掺杂类型与掺杂磷化铟衬底的掺杂类型相反；所述串行条形波导结构为两个波长的分布反馈激光器通过波导前后串联输出，在该长条形介质掩膜图形对(1)之间的区域(3)内制作1665nm波长的第一激光器(4)，在长条形介质掩膜图形对外制作1567nm波长的第二激光器(5)，并且1665nm波长的第一激光器(4)处于串联的后段，1567nm波长的第二激光器(5)处于串联的出光前段；所述并行条形波导耦合结构为两个波长的分布反馈激光器通过波导并联、经Y波导(6)或多模干涉器(MMI)耦合后经单一波导(7)输出，在该长条形介质掩膜图形对(1)之间的区域内制作1665nm波长的第一激光器(4)，在长条形介质掩膜图形对外制作1567nm波长的第二激光器(5)。 
2.根据权利要求1所述的制作双波长分布反馈集成激光器的方法，其特征在于，所述掺杂磷化铟衬底为n型或p型；长条形介质掩膜图形对 (1)采用SiO2或Si3N4材料，厚度为50-200nm，该长条形介质掩膜图形对(1)中每个长条形介质掩膜的宽度(2)为20-60μm，两个长条形介质掩膜的间距(3)为5-20μm。 
3.根据权利要求1所述的制作双波长分布反馈集成激光器的方法，其特征在于，所述在制作有该长条形介质掩膜图形对的掺杂磷化铟衬底上外延生长有源增益区和复合光栅层，在该复合光栅层上制作光栅，包括： 
在形成该长条形介质掩膜图形对(1)的掺杂磷化铟衬底上外延生长有源增益区，该有源增益区从下到上依次包括磷化铟缓冲层、下分别限制层、有源增益波导层和上分别限制层； 
在该有源增益区上生长复合光栅层，该复合光栅层从下到上依次包括磷化铟层、铟镓砷磷层及其p/n反型结层。 
4.根据权利要求3所述的制作双波长分布反馈集成激光器的方法，其特征在于， 
所述磷化铟缓冲层采用与掺杂磷化铟衬底同类型的掺杂或不掺杂的磷化铟材料； 
所述上分别限制层、下分别限制层为不掺杂的带隙波长为1.15μm-1.35μm的铟镓砷磷或铟镓铝砷材料； 
所述有源增益波导层为铟镓砷/铟镓砷磷/磷化铟、铟镓砷磷/磷化铟、铟镓铝砷/磷化铟体系的多量子阱材料层或铟镓砷磷、铟镓铝砷的体发光材料层，且所述有源增益波导层处于上分别限制层与下分别限制层之间，其峰值波长在该长条形介质掩膜图形对(1)之间的区域内为1665nm±20nm，在无掩膜的外部区域为1567nm±20nm。 
5.根据权利要求1所述的制作双波长分布反馈集成激光器的方法，其特征在于，所述在复合光栅层上制作光栅为在铟镓砷磷层及其p/n反型结层上进行两次全息曝光或电子束直写，分别在DFB-LD1区和DFB-LD2区形成两种周期光栅。 
6.根据权利要求1所述的制作双波长分布反馈集成激光器的方法，其特征在于，所述串行条形波导结构或并行条形波导耦合结构的第一激光器(4)和第二激光器(5)，其电极独立引出或连接在一起之后引出，独立引出的第一激光器(4)与第二激光器(5)之间有隔离区(8)。 
7.根据权利要求1所述的制作双波长分布反馈集成激光器的方法，其特征在于，该双波长分布反馈集成激光器，其输出波长为1567nm±2.5nm和1665nm±2.5nm。 
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