CN103532013B - 一种低发散角的面发射量子级联激光器结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低发散角的面发射量子级联激光器结构，其包括：衬底；下波导层，该下波导层生长在该衬底正面；下光限制层，该下光限制层生长在下波导层上；有源区，该有源区生长在下光限制层上；上光限制层，该上光限制层生长在该有源区上；光栅层，该光栅层制作于上光限制层的上，并且该光栅层具有二级分布反馈结构；上波导层，该上波导层生长在该光栅层上；亚波长金属光栅层，该亚波长金属光栅层制作于该衬底。本发明公开的上述方案用亚波长金属光栅结构对面发射量子级联激光器进行光束整形，既减小了波导方向的发散角又没有影响器件的倒装焊接。在中红外波段很容易激发等离子体波，且等离子体波的传播距离较远、吸收损耗较小。

Description

一种低发散角的面发射量子级联激光器结构

技术领域

本发明涉及红外半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种低发散角的面发射量子级联激光器结构。

背景技术

波长为4～8μm的面发射量子级联激光器因具有单模、低发散角和便于集成等优点在大气环境监测、医疗诊断、高分辨率光谱等领域中具有十分广阔的应用前景。量子级联激光器是基于子带间的跃迁，根据跃迁选择定则，常规的量子级联激光器不能进行面发射，但是可以通过制作二级分布反馈光栅结构，利用其一阶傅里叶电场分量的辐射模式进行面发射器件的制作。面发射器件因其较大的发光面积和构建的相干条件可以很好的改善器件的远场发散角。当前国际上实现量子级联激光器面发射的主要手段包括：普通的二级光栅结构[D.Hofstetter，J.Faist，andM.Beck，Appl.Phys.Lett.，75，3769，(1999)]，三级光栅结构[M.I.Amanti，M.Fischer，G.Scalari，M.Beck，andJ.Faist，Naturephoton.，3，586，(2009)]，光子晶体晶格结构[S.Kumar，B.S.Williams，Q.Qin，A.W.M.Lee，andQ.Hu，OpticsExpress，15，113(2007)]和二级环形光栅结构[E.MujagiC，L.K.Hoffmann，S.Schartner，M.Nobile，W.Schrenk，M.P.Semtsiv,M.Wienold，W.T.Masselink，andG.Strasser,Appl.Phys.Lett.，93，161101(2008)]。普通的二级光栅结构因其工艺简单，抽取效率高等被广泛研究。然而，为了实现器件的室温连续工作，有源区的宽度必须减小到波长量级，这导致其远场发散角只能在腔长方向得到改善，波导方向仍然很大，一般为15-30°。三级光栅若满足相匹配条件，根据天线理论，器件的腔长和波导方向的远场发散角是可以通过相干增强而同时减小的。但相匹配条件的满足十分困难且器件必须进行正装焊接，很难实现室温连续工作。光子晶体面发射量子级联激光器能够同时改善器件腔长和波导两个方向的远场发散角并得到近似圆形的高斯光斑，但是，面发射光子晶体量子级联激光器因很高的电功率注入密度而无法实现室温连续工作。二级环形光栅结构同样能够改善器件腔长和波导两个方向的远场发散角，而且环形腔的结构极大的减小了器件的镜面损耗，有利于降低器件的阈值电流密度。国际上西北大学Razeghi小组已经实现了环形光栅面发射量子级联激光器的室温连续工作，输出功率已经达到了500mW[Y.Bai，S.Tsao，N.Bandyopadhyay,S.Slivken，Q.Y.Lu，D.Caffey,M.Pushkarsky,T.Day,andM.Razeghi，Appl.Phys.Lett.，99，161104，(2011)]。但从实用化的角度分析，环形光栅器件本身存在着两个较大的缺点：i)环形光栅面发射量子级联激光器的远场光束为同心环结构且不具有高斯分布特征；ii)环形光栅的制作工艺十分复杂，需要高精度的微纳加工技术。

发明内容

鉴于以上技术问题，本发明综合考虑各种光调制技术制作工艺的难度、物理内涵等因素，提出基于普通的二级光栅面发射的光束整形方法实现量子级联激光器的低远场发散角及单模室温连续工作。为此，本发明提供一种低发散角的面发射量子级联激光器结构。该结构采用亚波长金属光栅结构对具有较窄有源区宽度的面发射二级光栅分布反馈量子级联激光器的输出光束进行整形，同时实现器件腔长方向和水平波导方向远场发散角的改善。

本发明提出的一种低发散角的面发射量子级联激光器结构，其包括：

一衬底；

一下波导层，该下波导层生长在该衬底正面；

一下光限制层，该下光限制层生长在下波导层上；

一有源区，该有源区生长在下光限制层上；

一上光限制层，该上光限制层生长在该有源区上；

一光栅层，该光栅层制作于上光限制层的上面，并且该光栅层具有二级分布反馈结构；

一上波导层，该上波导层生长在该光栅层上；

一亚波长金属光栅层，该亚波长金属光栅层制作于该衬底背面。

从上述技术方案可以看出，本发明提出的一种低发散角的面发射量子级联激光器结构具有以下有益效果：在衬底上进行亚波长金属光栅的制作工艺简单。用亚波长金属光栅结构对面发射量子级联激光器进行光束整形，既减小了波导方向的发散角又没有影响器件的倒装焊接。在中红外波段很容易激发等离子体波，且等离子体波的传播距离较远、吸收损耗较小。

附图说明

图1为根据本发明实施例中低发散角的面发射量子级联激光器的结构图；

图2为根据本发明实施例中亚波长金属光栅调制前后面发射量子级联激光器远场图形。

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，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种低发散角的面发射量子级联激光器结构。图1示出了根据本发明实施例提出的低发散角的面发射量子级联激光器结构的三维示意图。如图1所示，该结构包括：

一衬底1，该衬底1为InP衬底，掺杂浓度为1×10¹⁷-3×10¹⁷cm^-3，优选为2×10¹⁷cm^-3；

一下波导层2，该下波导层生长在该衬底的正面，该波导层2的材料为n型InP，掺杂浓度为2×10¹⁶-4×10¹⁶cm^-3，层厚为1-2μm；

一下光限制层3，该下光限制层生长在下波导层2上，下光限制层3的材料为n型InGaAs，掺杂浓度为2×10¹⁶-4×10¹⁶，层厚为0.3-0.5μm；

一有源层4，该有源层生长在下光限制层3上，该有源层4由20-60个周期的InGaAs/InAlAs组成，该有源层对应的波长为4-8μm；

一上光限制层5，该上光限制层生长在该有源层上，该上光限制层5的材料为InGaAs，该上光限制层5为n型掺杂，掺杂浓度为2×10¹⁶-4×10¹⁶，层厚为0.3-0.5μm；

一光栅层6，该光栅层制作于上光限制层5的上面并且该光栅层材料为InGaAs/InP，具有二级分布反馈结构；

一上波导层7，该上波导层生长在该光栅层上，该上波导层7的材料为n型InP，其通过先生长层厚和掺杂浓度为2-3μm、2×10¹⁶-4×10¹⁶cm^-3的低掺杂材料，再生长层厚和掺杂浓度为0.4-1μm、5×10¹⁸-1×10¹⁹cm^-3的高掺杂材料形成；

一亚波长金属光栅层8，该亚波长金属光栅层制作在InP衬底1的背面，其光栅方向与光栅层6的光栅方向一致；该亚波长金属光栅层8由金属和InP组成，金属材料为AuGeNiAu，金属光栅周期小于有源区的激射波长，为亚波长尺寸，光栅深度为0.1-1μm。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种低发散角的面发射量子级联激光器结构有了清楚的认识。

此外，上述对各元件、方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方法，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

(1)用Au或Ag等金属材料代替AuGeNiAu作为亚波长金属光栅中的金属材料；

(2)将二级分布反馈光栅制作在上波导层7上代替将二级分布反馈光栅制作在上光限制层5上用于量子级联激光器面辐射分量的抽取；

以下详细说明上述所提供的一种低发散角的面发射量子级联激光器结构的设计依据。

通常，为了实现器件的室温连续工作，有源区的平均宽度必须在波长量级，那么由衍射极限所决定的水平波导方向的远场发散角将会比较大，一般为15-30°。量子级联激光器的有源区发出TM偏振的中红外光波，与衬底处的亚波长金属光栅相互作用很容易激发等离子体波，部分光束的传播方向将会发生改变。在中红外波段等离子体波的传播距离比较长有数百微米，因此，器件的有效发光面积得到了扩展，光束的波前得到了整形，在水平波导方向的发光面积得到了有效的扩展。根据衍射极限理论，光束的近场模变大，从而减小了水平波导方向的远场发散角。此外，中红外波与亚波长金属光栅的相互作用并没有显著的增加器件的波导损耗，基本不会影响器件的室温连续工作。

图2示出了本发明实施例中波长为4.6微米、有源区宽度为13微米的亚波长金属光栅调制前后面发射量子级联激光器的远场图形。图2(a)示出了水平波导方向的远场图形；图2(b)示出了腔长方向的远场图形

综上所述，本发明提供了一种低发散角的面发射量子级联激光器结构。该结构采用用亚波长金属光栅结构对具有较窄有源区宽度的面发射二级光栅分布反馈量子级联激光器的输出光束进行整形，同时实现器件腔长方向和水平波导方向远场发散角的改善。

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，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 (9)

1.一种低发散角的面发射量子级联激光器结构，其包括：

一衬底；

一下波导层，该下波导层生长在该衬底正面；

一下光限制层，该下光限制层生长在下波导层上；

一有源区，该有源区生长在下光限制层上；

一上光限制层，该上光限制层生长在该有源区上；

一光栅层，该光栅层制作于上光限制层的上面，并且该光栅层具有二级分布反馈结构；

一上波导层，该上波导层生长在该光栅层上；

一亚波长金属光栅层，该亚波长金属光栅层制作于该衬底背面；

其中，所述有源区发出TM偏振的中红外光波，与所述亚波长金属光栅相互作用激发等离子体波，使得部分光束的传播方向发生改变。

2.如权利要求1所述的一种低发散角的面发射量子级联激光器结构，其中所述的衬底为InP衬底，掺杂浓度为1×10¹⁷-3×10¹⁷cm^-3。

3.如权利要求1所述的一种低发散角的面发射量子级联激光器结构，其中所述的下波导层的材料为InP，该波导层为n型掺杂，掺杂浓度为2×10¹⁶-4×10¹⁶cm^-3，层厚为1-2μm。

4.如权利要求1所述的一种低发散角的面发射量子级联激光器结构，其中所述的下光限制层的材料为InGaAs，该下光限制层为n型掺杂，掺杂浓度为2×10¹⁶-4×10¹⁶，层厚为0.3-0.5μm。

5.如权利要求1所述的一种低发散角的面发射量子级联激光器结构，其中所述的有源区由20-60个周期的InGaAs/InAlAs组成，该有源区对应的波长为4-8μm。

6.如权利要求1所述的一种低发散角的面发射量子级联激光器结构，其中所述的上光限制层的材料为InGaAs，该上光限制层为n型掺杂，掺杂浓度为2×10¹⁶-4×10¹⁶，层厚为0.3-0.5μm。

7.如权利要求1所述的一种低发散角的面发射量子级联激光器结构，其中所述的光栅层的材料为InGaAs/InP。

8.如权利要求1所述的一种低发散角的面发射量子级联激光器结构，其中所述的上波导层的材料为InP，该波导层为n型掺杂，且为先生长低掺杂材料，层厚为2-3μm，浓度为2×10¹⁶-4×10¹⁶cm^-3，再生长高掺杂材料，且层厚为0.4-1μm，浓度为5×10¹⁸-1×10¹⁹cm^-3。

9.如权利要求1所述的一种低发散角的面发射量子级联激光器结构，其中所述的亚波长金属光栅层由金属和InP组成，金属材料为AuGeNiAu，金属光栅周期小于有源区的激射波长，即为亚波长尺寸，光栅深度为0.1-1μm。