CN111342344B - 一种光子晶体大功率激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种光子晶体大功率激光器制备方法,通过在量子阱发光层和下布拉格反射层之间加入隔离层，通过在生长完毕外延片后进行激光刻蚀形成空气柱成为光子晶体，量子阱发光层工作产生的光子只能通过共振隧道效应穿越光子晶体表面，能有效提高更宽的谐调范围和更窄的线宽，在一个激光器集成下布拉格发射层和上布拉格反射层，形成两个独立的光栅，实现更宽的波长谐调范围，以及更窄的光谱线宽，更高的功率，受激辐射的光与外来的引起受激辐射的光有相同的频率、位相、偏振及传播方向。通过受激辐射，可以实现同态光子数放大从而得到光子简并度极高的相干光。由于目前激光器功率普遍较低，高功率能够实现激光长距离、多路等更广泛的应用。

Description

一种光子晶体大功率激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电子制造技术领域，具体涉及一种光子晶体大功率激光器及其制备方法。
背景技术
半导体激光器因其体积小、退化率低、可长时间使用和具有较高的电光转换效率等特点在应用领域中被大量使用，涉及了光纤信号远距离传输、焊接加工等等诸多领域[16-23]。
半导体激光器的最重要应用是光纤通信，其对光源的频谱要求十分严格。为此人们在激光器的纵向方向加入调制性周期机构，如分布布拉格反射结构。窄线宽的分布反馈布拉格半导体激光器(DFB-LD)用于光纤通信，单信道码率可达10Gb/S，为适应更高码率的波分复用(WDM)和时分复用(TWM)等光纤信号传输技术，发展了量子阱多段结构的可调谐DFB-LD或分布布拉格反射激光器(DBR-LD)，由于其线宽窄，微分增益系数大，有利于降低调制引起的展宽，这样有助于提高信道码率。
在光盘存储领域的应用方面，半导体激光器用于光盘写入时，要提高信息存储量，对半导体激光器模式要求非常高，必须要有稳定的基模工作。其关键技术为光斑聚焦和光束圆化。在高速高分辨率图像印刷中的应用中己经开发出了具有0.6 W连续功率输出的光纤耦合输出半导体激光器，具有很小的光斑尺寸和较低的光束发散角，该类半导体激光器可以满足大面积高分辨率图像印刷对光源的要求。
在工业处理应用中，高功率光束质量好的半导体激光器应用越来越广泛，尤其是在工业加工领域，与传统的机械加工相比较，激光加工因为其光束质量好，速度快，而且可以加工传统机械加工所达不到的精度，而广泛应用于切割、焊接、表面淬火、去锈和打标等领域。除材料加工外，大功率半导体还可以泵浦固体激光器，从而可以进一步用于激光核聚变、同位素分离、检测、分析以及军事国防等领域。半导体激光器的光束质量目前还较差，而这一缺点很大程度的限制了半导体激光器的应用，在只对光束质量要求不高但还需要高功率的激光焊接等领域有较广泛的应用。如果能够提高半导体激光器的光束质量，其在工业领域将有更好的应用前景。半导体激光由于重复操作、重量轻、体积小、可重复操作、电光转换效率高、寿命长、可靠性高等特点，因此具备了传输速度快、能量集中、转移火力快、作用距离远等优点，也越来越广泛的应用于军事领域。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种提高激光器功率、实现长距离输出及多路应用的光子晶体大功率激光器及其制备方法。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种光子晶体大功率激光器，GaAs衬底上自下而上依次形成GaAs低温缓冲层、AlGaAs下限制层、AlGaAs下布拉格反射层、隔离层、量子阱发光层、AlGaAs上布拉格反射层、AlGaAs上限制层以及GaAs帽层，若干孔形结构的空气柱沿竖直方向设置，所述空气柱依次穿透GaAs帽层、AlGaAs上限制层、AlGaAs上布拉格反射层、量子阱发光层以及隔离层。
上述空气柱的横截面为圆形或椭圆形或多边形。
一种光子晶体大功率激光器制备方法，包括如下步骤：
a)将GaAs衬底放入MOCVD设备生长室内，通入
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，在温度为700±20℃的环境下烘烤30分钟，烘烤完毕后通入
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，去除衬底表面水氧完成衬底表面热处理；
b)将温度降低至650±20℃，通入
Figure 566052DEST_PATH_IMAGE004
和TMGa，在将GaAs衬底上生长厚度为0.5-1μm的GaAs低温缓冲层；
c)温度保持650±20℃，通入
Figure 952034DEST_PATH_IMAGE004
、TMGa及TMAl，在GaAs低温缓冲层上生长AlGaAs下限制层；
d)温度保持650±20℃，在AlGaAs下限制层上生长材料为n型AlxGayAs/AlxGayAs的下布拉格反射层，其中
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
；
e)关闭TMAl，通入
Figure 59667DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，在下布拉格反射层上生长材料为GaInAsP的隔离层；
f)温度降低至600±20℃，在隔离层上生长阱(AlxGa1-x)yIn1-yAs/垒(AlxGa1-x)yIn1-yAs的量子阱发光层，其中
Figure 97286DEST_PATH_IMAGE006
；
g)温度升高至650±20℃，在量子阱发光层上生长材料为p型AlxGayAs/AlxGayAs的上布拉格反射层，其中
Figure 646079DEST_PATH_IMAGE006
；
h)温度升高至700±20℃，通入TMGa、TMAl和
Figure 16012DEST_PATH_IMAGE004
，在上布拉格反射层（6）上生长AlGaAs上限制层；
i)温度降低至550±20℃，关闭TMAl，通入TMGa和
Figure 142100DEST_PATH_IMAGE004
，在AlGaAs上限制层（7）上生长GaAs帽层；
j)利用激光刻蚀工艺以竖直方向刻蚀形成若干孔形的空气柱，所述空气柱自上而下依次穿过GaAs帽层、AlGaAs上限制层、上布拉格反射层、量子阱发光层以及隔离层，各个空气柱形成光子晶体。
进一步的，步骤b)中生长GaAs低温缓冲层时MOCVD设备生长室内的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
，步骤c)中生长AlGaAs下限制层时MOCVD设备生长室内的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/
Figure 855847DEST_PATH_IMAGE010
。
进一步的，步骤d)中下布拉格反射层的厚度为0.5-2μm，生长下布拉格反射层时MOCVD设备生长室内的掺杂浓度为1E16-5E17个原子/
Figure 587043DEST_PATH_IMAGE010
，生长下布拉格反射层时采用循环生长，循环次数为20-30次。
进一步的，步骤f)中量子阱发光层的厚度为0.1-0.3μm，生长量子阱发光层时MOCVD设备生长室内的掺杂浓度为1E18-5E18个原子/
Figure 924614DEST_PATH_IMAGE010
。
进一步的，步骤g)中上布拉格反射层的厚度为0.1-3μm，生长上布拉格反射层时MOCVD设备生长室内的掺杂浓度为1E18-5E18个原子/
Figure 413364DEST_PATH_IMAGE010
，生长上布拉格反射层时采用循环生长，循环次数为20-30次。
进一步的，步骤h)中生长AlGaAs上限制层时MOCVD设备生长室内的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/
Figure 743851DEST_PATH_IMAGE010
，AlGaAs上限制层的厚度为0.3μm。
进一步的，步骤j)中空气柱的横截面为圆形或椭圆形或多边形。
本发明的有益效果是：通过在量子阱发光层和下布拉格反射层之间加入隔离层，通过在生长完毕外延片后进行激光刻蚀形成空气柱成为光子晶体，量子阱发光层工作产生的光子只能通过共振隧道效应穿越光子晶体表面，能有效提高更宽的谐调范围和更窄的线宽，在一个激光器集成下布拉格发射层和上布拉格反射层，形成两个独立的光栅，实现更宽的波长谐调范围，以及更窄的光谱线宽，更高的功率，受激辐射的光与外来的引起受激辐射的光有相同的频率、位相、偏振及传播方向。通过受激辐射，可以实现同态光子数放大从而得到光子简并度极高的相干光。由于目前激光器功率普遍较低，高功率能够实现激光长距离、多路等更广泛的应用。
附图说明
图1为本发明的激光器的断面结构示意图；
图2为本发明的激光刻蚀形成空气柱的结构示意图；
图中，1.GaAs低温缓冲层 2.AlGaAs下限制层 3.下布拉格反射层 4.隔离层 5.量子阱发光层 6.上布拉格反射层 7.AlGaAs上限制层 8.GaAs帽层 9.空气柱。
具体实施方式
下面结合附图1、附图2对本发明做进一步说明。
一种光子晶体大功率激光器，GaAs衬底上自下而上依次形成GaAs低温缓冲层1、AlGaAs下限制层2、AlGaAs下布拉格反射层3、隔离层4、量子阱发光层5、AlGaAs上布拉格反射层6、AlGaAs上限制层7以及GaAs帽层8，若干孔形结构的空气柱9沿竖直方向设置，所述空气柱9依次穿透GaAs帽层8、AlGaAs上限制层7、AlGaAs上布拉格反射层6、量子阱发光层5以及隔离层4。通过在量子阱发光层5和下布拉格反射层3之间加入隔离层4，通过在生长完毕外延片后进行激光刻蚀形成空气柱成为光子晶体，量子阱发光层5工作产生的光子只能通过共振隧道效应穿越光子晶体表面，能有效提高更宽的谐调范围和更窄的线宽，在一个激光器集成下布拉格发射层3和上布拉格反射层6，形成两个独立的光栅，实现更宽的波长谐调范围，以及更窄的光谱线宽，更高的功率，受激辐射的光与外来的引起受激辐射的光有相同的频率、位相、偏振及传播方向。通过受激辐射，可以实现同态光子数放大从而得到光子简并度极高的相干光。由于目前激光器功率普遍较低，高功率能够实现激光长距离、多路等更广泛的应用。
实施例1：
进一步的，空气柱9的横截面为圆形或椭圆形或多边形。
一种光子晶体大功率激光器制备方法，包括如下步骤：
a)将GaAs衬底放入MOCVD设备生长室内，通入
Figure 316172DEST_PATH_IMAGE002
，在温度为700±20℃的环境下烘烤30分钟，烘烤完毕后通入
Figure 214857DEST_PATH_IMAGE004
，去除衬底表面水氧完成衬底表面热处理；
b)将温度降低至650±20℃，通入
Figure 315538DEST_PATH_IMAGE004
和TMGa，在将GaAs衬底上生长厚度为0.5-1μm的GaAs低温缓冲层1；
c)温度保持650±20℃，通入
Figure 138131DEST_PATH_IMAGE004
、TMGa及TMAl，在GaAs低温缓冲层1上生长AlGaAs下限制层2；
d)温度保持650±20℃，在AlGaAs下限制层2上生长材料为n型AlxGayAs/AlxGayAs的下布拉格反射层3，其中
Figure 250444DEST_PATH_IMAGE006
；
e)关闭TMAl，通入
Figure 444665DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 642428DEST_PATH_IMAGE008
，在下布拉格反射层3上生长材料为GaInAsP的隔离层4；
f)温度降低至600±20℃，在隔离层4上生长阱(AlxGa1-x)yIn1-yAs/垒(AlxGa1-x)yIn1-yAs的量子阱发光层5，其中
Figure 767247DEST_PATH_IMAGE006
；
g)温度升高至650±20℃，在量子阱发光层5上生长材料为p型AlxGayAs/AlxGayAs的上布拉格反射层6，其中
Figure 858700DEST_PATH_IMAGE006
；
h)温度升高至700±20℃，通入TMGa、TMAl和
Figure 364768DEST_PATH_IMAGE004
，在上布拉格反射层6上生长AlGaAs上限制层7；
i)温度降低至550±20℃，关闭TMAl，通入TMGa和
Figure 659614DEST_PATH_IMAGE004
，在AlGaAs上限制层7上生长GaAs帽层8；
j)利用激光刻蚀工艺以竖直方向刻蚀形成若干孔形的空气柱，所述空气柱自上而下依次穿过GaAs帽层8、AlGaAs上限制层7、上布拉格反射层6、量子阱发光层5以及隔离层4，各个空气柱形成光子晶体。
通过在量子阱发光层5与下布拉格反射层3之间设置隔离层，同时在生长完毕外延片后进行激光刻蚀形成空气柱成为光子晶体，量子阱发光层5工作产生的光子只能通过共振隧道效应穿越光子晶体表面，能有效提高更宽的谐调范围和更窄的线宽，在一个激光器集成两个独立的光栅，实现更宽的波长谐调范围，以及更窄的光谱线宽，更高的功率。
实施例2：
优选的，步骤b)中生长GaAs低温缓冲层1时MOCVD设备生长室内的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/
Figure 338857DEST_PATH_IMAGE010
，步骤c)中生长AlGaAs下限制层2时MOCVD设备生长室内的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/
Figure 160183DEST_PATH_IMAGE010
。
实施例3：
优选的，步骤d)中下布拉格反射层3的厚度为0.5-2μm，生长下布拉格反射层3时MOCVD设备生长室内的掺杂浓度为1E16-5E17个原子/
Figure 417245DEST_PATH_IMAGE010
，生长下布拉格反射层3时采用循环生长，循环次数为20-30次。
实施例4：
步骤f)中量子阱发光层5的厚度为0.1-0.3μm，生长量子阱发光层5时MOCVD设备生长室内的掺杂浓度为1E18-5E18个原子/
Figure 714234DEST_PATH_IMAGE010
。
实施例5：
步骤g)中上布拉格反射层6的厚度为0.1-3μm，生长上布拉格反射层6时MOCVD设备生长室内的掺杂浓度为1E18-5E18个原子/
Figure 682321DEST_PATH_IMAGE010
，生长上布拉格反射层6时采用循环生长，循环次数为20-30次。
实施例6：
步骤h)中生长AlGaAs上限制层7时MOCVD设备生长室内的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/
Figure 889312DEST_PATH_IMAGE010
，AlGaAs上限制层7的厚度为0.3μm。
实施例7：
步骤j)中空气柱的横截面为圆形或椭圆形或多边形。

Claims (7)

1.一种光子晶体大功率激光器制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)将GaAs衬底放入MOCVD设备生长室内，通入
Figure 619137DEST_PATH_IMAGE002
，在温度为700±20℃的环境下烘烤30分钟，烘烤完毕后通入
Figure 395332DEST_PATH_IMAGE004
，去除衬底表面水氧完成衬底表面热处理；
b)将温度降低至650±20℃，通入
Figure 771474DEST_PATH_IMAGE004
和TMGa，在将GaAs衬底上生长厚度为0.5-1μm的GaAs低温缓冲层（1）；
c)温度保持650±20℃，通入
Figure 963421DEST_PATH_IMAGE004
、TMGa及TMAl，在GaAs低温缓冲层（1）上生长AlGaAs下限制层（2）；
d)温度保持650±20℃，在AlGaAs下限制层（2）上生长材料为n型AlxGayAs/AlxGayAs的下布拉格反射层（3），其中
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；
e)关闭TMAl，通入
Figure 699165DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 583944DEST_PATH_IMAGE008
，在下布拉格反射层（3）上生长材料为GaInAsP的隔离层（4）；
f)温度降低至600±20℃，在隔离层（4）上生长阱(AlxGa1-x)yIn1-yAs/垒(AlxGa1-x)yIn1-yAs的量子阱发光层（5），其中
Figure 444453DEST_PATH_IMAGE006
；
g)温度升高至650±20℃，在量子阱发光层（5）上生长材料为p型AlxGayAs/AlxGayAs的上布拉格反射层（6），其中
Figure 705670DEST_PATH_IMAGE006
；
h)温度升高至700±20℃，通入TMGa、TMAl和
Figure 439795DEST_PATH_IMAGE004
，在上布拉格反射层（6）上生长AlGaAs上限制层（7）；
i)温度降低至550±20℃，关闭TMAl，通入TMGa和
Figure 495476DEST_PATH_IMAGE004
，在AlGaAs上限制层（7）上生长GaAs帽层（8）；
j)利用激光刻蚀工艺以竖直方向刻蚀形成若干孔形的空气柱，所述空气柱自上而下依次穿过GaAs帽层（8）、AlGaAs上限制层（7）、上布拉格反射层（6）、量子阱发光层（5）以及隔离层（4），各个空气柱形成光子晶体。
2.根据权利要求1所述的光子晶体大功率激光器制备方法，其特征在于：步骤b)中生长GaAs低温缓冲层（1）时MOCVD设备生长室内的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，步骤c)中生长AlGaAs下限制层（2）时MOCVD设备生长室内的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/
Figure 905598DEST_PATH_IMAGE010
。
3.根据权利要求1所述的光子晶体大功率激光器制备方法，其特征在于：步骤d)中下布拉格反射层（3）的厚度为0.5-2μm，生长下布拉格反射层（3）时MOCVD设备生长室内的掺杂浓度为1E16-5E17个原子/
Figure 704926DEST_PATH_IMAGE010
，生长下布拉格反射层（3）时采用循环生长，循环次数为20-30次。
4.根据权利要求1所述的光子晶体大功率激光器制备方法，其特征在于：步骤f)中量子阱发光层（5）的厚度为0.1-0.3μm，生长量子阱发光层（5）时MOCVD设备生长室内的掺杂浓度为1E18-5E18个原子/
Figure 25049DEST_PATH_IMAGE010
。
5.根据权利要求1所述的光子晶体大功率激光器制备方法，其特征在于：步骤g)中上布拉格反射层（6）的厚度为0.1-3μm，生长上布拉格反射层（6）时MOCVD设备生长室内的掺杂浓度为1E18-5E18个原子/
Figure 517210DEST_PATH_IMAGE010
，生长上布拉格反射层（6）时采用循环生长，循环次数为20-30次。
6.根据权利要求1所述的光子晶体大功率激光器制备方法，其特征在于：步骤h)中生长AlGaAs上限制层（7）时MOCVD设备生长室内的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/
Figure 555574DEST_PATH_IMAGE010
，AlGaAs上限制层（7）的厚度为0.3μm。
7.根据权利要求1所述的光子晶体大功率激光器制备方法，其特征在于：步骤j)中空气柱的横截面为圆形或椭圆形或多边形。
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