CN112968345B - 基于InAs/GaSb超晶格的中红外半导体可饱和吸收镜及其制备方法 - Google Patents

基于InAs/GaSb超晶格的中红外半导体可饱和吸收镜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于InAs/GaSb超晶格的中红外半导体可饱和吸收镜，包括：GaSb衬底；在该GaSb衬底的下表面镀有高透膜；InAs/GaSb超晶格，该InAs/GaSb超晶格具有特定的结构和厚度，制作在所述GaSb衬底上；反射膜，该反射膜制作在所述InAs/GaSb超晶格上；所述的反射膜由多对1/4波长厚度的ZnS和YbF3膜层构成，且所述的YbF3膜层与所述InAs/GaSb超晶格相接。本发明不仅具有宽带的中红外工作范围，且具有皮实、稳定可靠、参数可调等优良特性，为中红外超快锁模激光器的发展铺平了道路。

Description

基于InAs/GaSb超晶格的中红外半导体可饱和吸收镜及其制 备方法
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种基于短周期InAs/GaSb超晶格的中红外波段半导体可饱和吸收镜及其制备方法。
背景技术
半导体可饱和吸收镜是开发超快锁模激光器的核心元件。将半导体可饱和吸收镜作为激光器的一面腔镜，通过光的可饱和吸收效应就可以实现稳定的锁模。半导体可饱和吸收镜具有参数设计灵活、性能稳定、易于集成等优点，已经成为超快锁模激光器锁模元件的首要选择。
过去的半导体可饱和吸收镜主要采用InxGa1-xAs量子阱作为可饱和吸收层，通过调控势阱InxGa1-xAs中In的含量来调节量子化能级的能隙。InxGa1-xAs量子化能级的能隙随着In含量的增加而减少。然而，即使当InxGa1-xAs量子阱中In含量达到最大的100％，其能隙仍然有0.36eV，对应的光吸收截止波长为～3.4μm。事实上，当In含量接近100％时，势阱层InxGa1-xAs和势垒层GaAs的晶格失配会变得异常严重，导致可饱和吸收镜的破坏负载急剧下降，因此传统的基于InxGa1-xAs量子阱的半导体可饱和吸收镜的工作波长受限于3μm以下。
3-20μm中红外位于众多气体和有机分子的振动和转动特征指纹谱区域，同时该区域还涵盖了空间大气的两个透明窗口，因此3-20μm中红外超快激光在气体光谱学、医疗诊断、遥感和空间通信等领域具有重要的应用价值。过去十年中，由于氟化物和硫化物增益光纤的快速发展，3μm以上中红外激光器开始引起人们的广泛关注。然而，稳定可靠的可饱和吸收元件的缺乏，严重阻碍了3μm以上超快锁模激光器的发展。因此，迫切需要开发3μm以上的中红外半导体可饱和吸收镜。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于InAs/GaSb超晶格的中红外半导体可饱和吸收镜及其制备方法。InAs/GaSb超晶格是以几个原子层厚度的InAs和GaSb交替生长而形成的一种人造周期性结构，通过InAs和GaSb层的厚度设计调控能隙，InAs/GaSb超晶格可以工作在3μm以上的中红外波段；InAs/GaSb超晶格的周期厚度只有几个纳米，由于厚度较小，势阱(势垒)之间的电子(空穴)波函数能够互相耦合，使得超晶格的电子能级(空穴能级)被大幅加宽，从而可获得超宽的工作带宽；InAs/GaSb超晶格和GaSb衬底具有良好的晶格匹配，还可以通过InSb界面的引入进一步减少材料晶格失配，有利于提高半导体可饱和吸收镜的破坏阈值。为了制备成中红外可饱和吸收镜元件，超晶格的纳米结构和厚度需要严格控制，满足可饱和吸收镜的工作条件。此外，在InAs/GaSb超晶格和GaSb衬底上分别镀上了Bragg反射膜层和高透膜层。通过设计合适的Bragg反射膜层，一方面可使得InAs/GaSb超晶格处在驻波光场的波峰位置，从而降低锁模的饱和能流；另外一方面采用高透膜层可使得光全部通过InAs/GaSb超晶格，进一步降低饱和能流，同时消除可饱和吸收镜元件的F-P腔效应以实现大的工作带宽。同时该种结构Bragg反射膜层直接通过真空离子束溅射镀在超晶格表面，无需与超晶格晶格匹配。基于InAs/GaSb超晶格的半导体可饱和吸收镜，不仅继承了近红外半导体可饱和吸收镜的优良特性(灵活的设计性、长期的稳定性、系统可集成性等)，而且可以将工作波长拓展到3μm以上并具有超宽的工作带宽。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于InAs/GaSb超晶格的中红外半导体可饱和吸收镜，其特点在于，包括：
GaSb衬底；在该GaSb衬底的下表面镀有高透膜；
InAs/GaSb超晶格，该InAs/GaSb超晶格具有特定的结构和厚度，制作在所述GaSb衬底上；
反射膜，该反射膜制作在所述InAs/GaSb超晶格上；
所述的反射膜由多对1/4波长厚度的ZnS和YbF3膜层构成，且所述的YbF3膜层与所述InAs/GaSb超晶格相接。
在所述的反射膜的上表面粘接有热沉。
所述的InAs/GaSb超晶格包括交替生长的GaSb层和InAs层，在所述的GaSb层和InAs层之间包含InSb过渡层，所述的InAs/GaSb超晶格的周期为20-100，每个周期内InAs和GaSb的厚度为5-30个原子层。
所述的InAs/GaSb超晶格位于驻波光场的波峰位置。
所述的反射膜对入射激光具有高反射率，由多对1/4波长厚度的高折射率材料和低折射率材料交替生长而成，其中高折射率材料为ZnS、低折射率材料为YbF3,采用真空离子束溅射沉积在InAs/GaSb超晶格表面。
所述的热沉为热导率高的金属，比如铜。
上述基于InAs/GaSb超晶格的中红外半导体可饱和吸收镜的制备方法，包括如下步骤：
首先，对GaSb半导体基片抛光获得GaSb衬底；
然后，采用分子束外延技术在GaSb衬底上交替生长短周期结构InAs纳米层、InSb过渡层、GaSb纳米层形成低失配InAs/GaSb超晶格；
其次，利用真空离子束溅射技术在InAs/GaSb超晶格表面和衬底表面分别镀上反射膜和高透膜；
最后，将制备的样品通过导热胶粘贴在高热导率的金属热沉上，制备成中红外半导体可饱和吸收镜。
所述的InAs/GaSb超晶格为多层交替生长的InAs和GaSb纳米层，作为可饱和吸收层；InAs/GaSb超晶格相邻势阱(势垒)波函数耦合使得电子量子化能级(空穴量子化能级)被加宽，因而具有超宽的工作波长范围。所述的InAs/GaSb超晶格，采用分子束外延方法生长而成。
所述的衬底是半导体GaSb，在其表面生长InAs/GaSb超晶格，采用InSb过渡层实现与超晶格良好的晶格匹配。
所述的高透膜对入射激光具有高透过率，采用真空离子束溅射制作而成。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
(1)具有更长的工作波长，能够满足3μm以上锁模激光器的应用需求。具有皮实、稳定可靠、参数可调等优良特性，为中红外超快锁模激光器的发展铺平了道路。
(2)InAs/GaSb超晶格的电子量子化能级(空穴量子化能级)由于相邻势阱(势垒)的强耦合作用而加宽，导致超晶格具有宽的工作带宽。
(3)Bragg反射膜层通过真空离子束溅射镀在超晶格表面，无需与超晶格晶格匹配，也无需通过复杂的分子束外延方法制备，和传统方法相比大幅降低了制备难度。
附图说明
图1是本发明基于InAs/GaSb超晶格的中红外半导体可饱和吸收镜的结构示意图和入射光场驻波强度分布示意图。
图2是本发明中红外半导体可饱和吸收镜在3.5μm波长测得的反射率随泵浦能流变化的曲线。
图3是本发明在3.5μm氟化物光纤锁模激光器中的使用状态图。
图4是利用本发明建立的3.5μm氟化物光纤锁模激光器输出的脉冲序列。
图5是利用本发明建立的3.5μm氟化物光纤锁模激光器输出脉冲的自相关曲线。
图6是利用本发明建立的3.5μm氟化物光纤锁模激光器输出激光的光谱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明基于InAs/GaSb超晶格的中红外半导体可饱和吸收镜的结构示意图和入射光场驻波强度分布示意图。由图可见，基于InAs/GaSb超晶格的中红外半导体可饱和吸收镜，从左至右依次包括热沉1、反射膜2、InAs/GaSb超晶格3、GaSb衬底4、以及高透膜5。
首先在衬底4上生长InAs/GaSb超晶格3。衬底4是半导体GaSb，厚度为500μm，上下表面进行抛光处理后具有良好的表面质量，满足生长超晶格的要求。InAs/GaSb超晶格3是利用分子束外延方法交替生长的InAs(8原子层)和GaSb(8原子层)薄膜，厚度都为2.4nm，InAs薄膜和GaSb薄膜之间生长有单原子层InSb作为过渡层。InAs/GaSb超晶格包含50个周期，累计厚度约250nm。数值计算表明该InAs/GaSb超晶格的能隙大小为0.244eV，最长工作波长超过5μm。
然后，在衬底4的表面镀高透膜5，降低饱和能流；在InAs/GaSb超晶格3的表面镀反射膜2，反射膜2是由20个周期的YbF3/ZnS薄膜堆叠而成，YbF3和ZnS薄膜的厚度都为激光中心波长的四分之一，其中YbF3薄膜与超晶格直接相接，如图1所示。
最后，将制作完成的样品用高热导率胶粘贴到铜板热沉表面。
通过Z-Scan技术证实了基于InAs/GaSb超晶格的中红外可饱和吸收镜的可饱和吸收特性，其在3.5μm的调制深度为11.5％，饱和能流为74μJ/cm2，如图2所示。
图3是本发明在3.5μm氟化物光纤锁模激光器中的使用状态图。由图可知，泵浦激光系统发出的泵浦光6和7经过合束镜8合束后，依次经过三色镜9、透镜11、输出耦合镜12，入射到氟化物光纤13内。激光谐振腔由输出耦合镜12、氟化物光纤13、透镜14、三色镜15、透镜16以及中红外半导体可饱和吸收镜17构成。激光器输出的激光经过三色镜9反射后，与泵浦光6和7分离。
基于InAs/GaSb超晶格的中红外半导体可饱和吸收镜17是3.5μm锁模激光器的核心元件。在图3所示的3.5μm锁模光纤激光器中，中红外半导体可饱和吸收镜作为激光器的端镜，一方面与其它光学元件构成整个锁模腔，另一方面，作为锁模元件用来启动和维持锁模运转。图4是激光器输出的锁模脉冲序列，脉冲间隔为30ns，对应的重复频率为33.24MHz。图5和图6分别是锁模脉冲的自相关曲线和光谱，锁模脉冲的脉宽为14ps，中心波长为3489nm。
实验结果表明，本发明可以实现稳定的3.5μm氟化物光纤激光器锁模。当输出功率为64mW时，在中红外半导体可饱和吸收镜上的能流约6mJ/cm2，超过了通用近红外半导体可饱和吸收镜的破坏阈值(～2mJ/cm2)，这主要因为InAs/GaSb超晶格良好的晶格匹配导致了中红外半导体可饱和吸收镜具有高的破坏阈值。总之，基于InAs/GaSb超晶格的中红外半导体可饱和吸收镜不仅拓展了半导体可饱和吸收镜的工作波长范围，并且具有高的破坏阈值、超宽的工作带宽，为中红外超快锁模激光器的发展提供了有力的支持。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于InAs/GaSb超晶格的中红外半导体可饱和吸收镜，其特征在于，包括：
GaSb衬底；在该GaSb衬底的下表面镀有高透膜；
InAs/GaSb超晶格，该InAs/GaSb超晶格制作在所述GaSb衬底上；
反射膜，该反射膜制作在所述InAs/GaSb超晶格上；
所述的反射膜由多对ZnS和YbF3膜层构成，且所述的YbF3膜层与所述InAs/GaSb超晶格相接。
2.根据权利要求1所述的基于InAs/GaSb超晶格的中红外半导体可饱和吸收镜，其特征在于，在所述的反射膜的上表面粘接有热沉。
3.根据权利要求1所述的基于InAs/GaSb超晶格的中红外半导体可饱和吸收镜，其特征在于，所述的InAs/GaSb超晶格包括交替生长的GaSb层和InAs层，在所述的GaSb层和InAs层之间包含InSb过渡层调节材料失配，所述的InAs/GaSb超晶格的周期为20-100，每个周期内InAs和GaSb的厚度为5-30个原子层，可覆盖中波到长波的红外吸收，其具体厚度根据激光波长和超晶格材料吸收系数决定。
4.根据权利要求1所述的基于InAs/GaSb超晶格的中红外半导体可饱和吸收镜，其特征在于，所述的InAs/GaSb超晶格位于驻波光场的波峰位置。
5.根据权利要求1所述的基于InAs/GaSb超晶格的中红外半导体可饱和吸收镜，其特征在于，所述的反射膜是周期性YbF3/ZnS薄膜堆叠而成，YbF3和ZnS薄膜的厚度均为激光中心波长的四分之一。
6.权利要求1-5任一所述的基于InAs/GaSb超晶格的中红外半导体可饱和吸收镜的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
首先，对GaSb半导体基片抛光获得GaSb衬底；
然后，采用分子束外延技术在GaSb衬底上交替生长短周期结构的InAs纳米层、InSb过渡层、GaSb纳米层形成InAs/GaSb超晶格；
其次，利用真空离子束溅射技术在InAs/GaSb超晶格表面和衬底表面分别镀上反射膜和高透膜；
最后，将制备的样品通过导热胶粘贴在高热导率的金属热沉上，制备成中红外半导体可饱和吸收镜。
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