CN114300941A - 一种自发脉冲式光子级联半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自发脉冲式光子级联半导体激光器，涉及半导体激光器技术领域，包括：自下而上依次设置的第二谐振腔下反射结构、半导体可饱和吸收体调制结构、掺杂有镧系稀土元素的泵浦用VCSEL激光外延结构、衬底和第二谐振腔上反射结构；泵浦用VCSEL激光外延结构产生第一波长激光泵浦，使掺杂的镧系稀土离子光致发出第二波长光，第二波长光在第二谐振腔上、下反射结构之间振荡，同时，半导体可饱和吸收体调制结构对第二波长光进行调制，最终输出第二波长激光脉冲。本发明将半导体可饱和吸收体同全反射结构DBR结合，制备于VCSEL片上结构中，从而得到高峰值功率脉冲输出的光子级联激光器。

Description

一种自发脉冲式光子级联半导体激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其是涉及一种自发脉冲式光子级联半导体激光器。

背景技术

锁模是获得超短脉冲激光最常用的技术之一。具有数千兆赫重复频率的激光器是许多应用的关键部件，可用于大容量通信系统、光子交换设备、光互连以及时钟分配等。

可饱和吸收体是一种随着光强度的增加而降低光吸收的材料。可饱和吸收体的关键参数是其波长范围(吸收位置)、动态响应(恢复速度)、饱和强度和通量(饱和强度或脉冲能量密度)。然而，半导体材料可以吸收很宽的波长范围(从可见光到中红外)。我们还可以通过改变生长参数和器件设计来控制它们的吸收恢复时间和饱和通量(通常为1到100mJ/cm2)。SESAM(半导体可饱和吸收镜)是一种在反射中工作的可饱和吸收体，其反射率随着入射脉冲强度的增加而增加。

由于传统的VCSEL半导体激光器难以实现高峰值功率脉冲输出，半导体可饱和吸收体已成为紧凑型锁模固体激光器的重要组成部分。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种自发脉冲式光子级联半导体激光器，将半导体可饱和吸收体层同全反射结构DBR结合，外延生长制备于VCSEL片上结构中，并以被动调制方式进行片上调制，从而得到高峰值功率脉冲输出的光子级联激光器。

为实现上述目的，本发明提供了一种自发脉冲式光子级联半导体激光器，包括：自下而上依次设置的第二谐振腔下反射结构、半导体可饱和吸收体调制结构、泵浦用VCSEL激光外延结构、衬底和第二谐振腔上反射结构，所述泵浦用VCSEL激光外延结构中掺杂有镧系稀土元素；

所述泵浦用VCSEL激光外延结构产生第一波长激光泵浦，所述第一波长激光泵浦使掺杂的镧系稀土离子光致发出第二波长光，所述第二波长光在所述第二谐振腔上反射结构和所述第二谐振腔下反射结构之间振荡，振荡过程中，所述半导体可饱和吸收体调制结构对所述第二波长光进行调制，最终输出第二波长激光脉冲。

作为本发明的进一步改进，所述泵浦用VCSEL激光外延结构自上而下包括：N-DBR层、N型波导层、有源层、P型波导层、氧化层、P-DBR层，所述N-DBR层和P-DBR层均为全反射结构。

作为本发明的进一步改进，在所述N-DBR层的多对DBR结构中掺杂镧系稀土元素。

作为本发明的进一步改进，掺杂镧系稀土元素进入所述DBR结构的方式为离子注入或直接外延生长含掺元素晶体。

作为本发明的进一步改进，采用III-V族元素生长所述半导体可饱和吸收体调制结构的多量子阱结构，构成多个驻波周期。

作为本发明的进一步改进，每个所述量子阱结构均采用AlGaAs应变补偿层、GaAlAs透明层、InGaAs层、GaAlAs透明层、InGaAs层、GaAlAs透明层、AlGaAs应变补偿层的对称结构。

作为本发明的进一步改进，所述泵浦用VCSEL激光外延结构产生的第一波长激光对应掺杂的镧系稀土元素光致发出第二波长激光的特殊泵浦波长。

作为本发明的进一步改进，所述第二谐振腔上反射结构为半反半透型，所述第二谐振腔下反射结构为全反射型。

本发明还提供了一种自发脉冲式光子级联半导体激光器的制备方法，包括：

在衬底一侧表面制备掺杂镧系稀土元素的泵浦用VCSEL激光外延结构；

在所述泵浦用VCSEL激光外延结构表面生长半导体可饱和吸收体调制结构；

在所述半导体可饱和吸收体调制结构表面外延生长第二谐振腔下反射结构；

在所述衬底另一侧表面制备第二谐振腔上反射结构。

作为本发明的进一步改进，所述在衬底一侧表面制备掺杂镧系稀土元素的泵浦用VCSEL激光外延结构的方法有两种；

一种是先在所述衬底一侧表面生长N-DBR层、N型波导层、有源层、P型波导层、氧化层、P-DBR层，再将镧系稀土离子注入至所述有源层下方N-DBR层中的多对DBR结构中；

另一种是先在所述衬底一侧表面生长N-DBR层时，直接掺杂镧系稀土元素，再在N-DBR层表面依次生长N型波导层、有源层、P型波导层、氧化层、P-DBR层。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明利用泵浦源VCSEL输出某波长特定激光泵浦，使掺杂在VCSEL半导体激光外延结构有源区下方的镧系稀土元素掺杂层中的稀土粒子能级发生粒子数反转，光致发光，形成光子级联，其产生的新波长光在第二谐振腔上、下反射结构内振荡，并由半导体可饱和吸收体调制结构进行被动调制。随着新波长信号光的低强度部分被吸收，而高强度部分将以较小的损耗通过材料，从而导致趋向脉冲形式的压缩，最终输出激光脉冲。

本发明相较于传统的VCSEL半导体激光器，通过光子级联的方式实现了高峰值功率脉冲输出。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的自发脉冲式光子级联半导体激光器结构示意图；

图2为本发明一种实施例公开的自发脉冲式光子级联半导体激光器制备方法流程图；

图3为本发明一种实施例公开的自发脉冲式光子级联半导体激光器第一种制备流程示意图；

图4为本发明一种实施例公开的自发脉冲式光子级联半导体激光器第二种制备流程示意图。

附图标记说明：

1、衬底；2、N-DBR层；3、N型波导层；4、有源层；5、P型波导层；6、氧化层；7、P-DBR层；8、半导体可饱和吸收体调制结构；9、第二谐振腔下反射结构；10、掺杂镧系稀土元素区域；11、第二谐振腔上反射结构。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1所示，本发明提供的一种自发脉冲式光子级联半导体激光器，包括：自下而上依次设置的第二谐振腔下反射结构9、半导体可饱和吸收体调制结构8、泵浦用VCSEL激光外延结构、衬底1和第二谐振腔上反射结构11，泵浦用VCSEL激光外延结构中掺杂有镧系稀土元素，即图1中掺杂镧系稀土元素区域10；

泵浦用VCSEL激光外延结构自上而下包括：N-DBR层2、N型波导层3、有源层4、P型波导层5、氧化层6、P-DBR层7，N-DBR层2和P-DBR层7均为全反射结构；在N-DBR层2的多对DBR结构中掺杂镧系稀土元素；第二谐振腔上反射结构11为半反半透型，第二谐振腔下反射结构9为全反射型。

泵浦用VCSEL激光外延结构产生第一波长激光泵浦，第一波长激光泵浦使掺杂的镧系稀土离子光致发出第二波长光，第二波长光在第二谐振腔上反射结构11和第二谐振腔下反射结构9之间振荡，振荡过程中，半导体可饱和吸收体调制结构8对第二波长光进行调制，最终输出第二波长激光脉冲。

其中，

掺杂镧系稀土元素进入DBR结构的方式为离子注入。

采用III-V族元素生长半导体可饱和吸收体调制结构8的多量子阱结构，构成多个驻波周期。

每个量子阱结构均采用AlGaAs应变补偿层、GaAlAs透明层、InGaAs层、GaAlAs透明层、InGaAs层、GaAlAs透明层、AlGaAs应变补偿层的对称结构。

进一步的，

泵浦用VCSEL激光外延结构产生的第一波长激光对应掺杂的镧系稀土元素光致发出第二波长激光的特殊泵浦波长。

如图2所示，本发明还提供了一种自发脉冲式光子级联半导体激光器的制备方法，包括：

S1、在衬底1一侧表面制备掺杂镧系稀土元素的泵浦用VCSEL激光外延结构；

其中，包括两种制备方法，具体为：

一种是先在衬底1一侧表面生长N-DBR层2、N型波导层3、有源层4、P型波导层5、氧化层6、P-DBR层7，再采用合适的注入能量、剂量将镧系稀土离子注入至有源层4下方数N-DBR层2中数对DBR结构中，掺杂浓度约为10¹⁹/cm³。

另一种是先在衬底1一侧表面生长N-DBR层2时，开启所需掺杂稀土元素源、As源，关闭Ga源、Al源，相应源蒸发形成具有一定束流密度的原子束，并在低于10^-8Torr的高真空下射向GaAs衬底1上正在生长的外延层结构；从源射出的原子束撞击衬底1表面被吸附；被吸附的原子在表面迁移、分解；原子进入晶格位置发生外延生长，而未进入晶格的原子因热脱附而离开表面，最终形成掺杂元素晶体的晶化过程区；再在N-DBR层2表面依次生长N型波导层3、有源层4、P型波导层5、氧化层6、P-DBR层7。

S2、将得到的掺杂镧系稀土元素的泵浦用VCSEL激光外延结构通过沉积工艺、光刻工艺、刻蚀工艺、湿法氧化、金属溅射/剥离等工艺制得片上光子级联半导体激光器的台面、出光限制孔径、N接触电极、P接触电极等器件结构；

S3、在泵浦用VCSEL激光外延结构表面生长半导体可饱和吸收体调制结构8；

其中，在泵浦源VCSEL激光结构P-DBR层7表面生长半导体可饱和吸收体调制结构8，即采用III-V族元素生长半导体可饱和吸收镜的多量子阱结构，以此构成多个驻波周期，每个量子阱采用AlGaAs应变补偿层、GaAlAs透明层、InGaAs层、GaAlAs透明层、InGaAs层、GaAlAs透明层、AlGaAs应变补偿层的对称结构，构成半导体可饱和吸收体调制结构8；

S3、在半导体可饱和吸收体调制结构8表面外延生长第二谐振腔下反射结构9；

其中，

第二谐振腔下反射结构9为针对第二波长激光的全反射型DBR。

S4、在衬底1另一侧表面生长第二谐振腔上反射结构11。

其中，

在衬底1另一侧表面蒸镀半反半透型薄膜，得到第二谐振腔上反射结构11；第二谐振腔上反射结构11为针对第二波长激光的半反半透型薄膜。

实施例1：

如图3所示，本发明自发性脉冲式光子级联半导体激光器第一种制备过程如下：

步骤1、制备掺杂镧系稀土元素的泵浦用VCSEL激光外延结构。

经过清洗的衬底1一侧表面依次外延生长泵浦用VCSEL激光外延结构的全反射型N-DBR层2、N型波导层3、有源层4、P型波导层5、氧化层6和全反射型P-DBR层7；

将外延片清洗后用高纯度氮气保护吹干并加热烘干，采用PECVD在泵浦用VCSEL的全反射型P-DBR层7上表面沉积一定厚度的SiO2或Si3N4，保护外延片表面不受离子注入的损伤。选择合适的注入能量和剂量将外延片放进离子注入机中完成注入，即：在有源区下的N-DBR层2中4-6对DBR结构中注入所需的稀土离子Er³⁺，形成稀土离子掺杂层；最后，通过磨抛或化学刻蚀去除作为保护层的SiO₂或Si₃N₄。

步骤2、制作半导体可饱和吸收体调制结构8。

在掺杂镧系稀土元素的泵浦用VCSEL激光外延结构的全反射型P-DBR层7上表面继续外延生长半导体可饱和吸收体调制结构8、第二谐振下反射结构。

具体的，采用III-V族元素生长半导体可饱和吸收镜的多量子阱结构，以此构成多个驻波周期，每个量子阱结构采用AlGaAs应变补偿层、GaAlAs透明层、InGaAs层、GaAlAs透明层、InGaAs层、、GaAlAs透明层、AlGaAs应变补偿层的对称设置结构，和针对第二波长1550nm的全反射型DBR结构；

步骤3、器件工艺制作：

将步骤2中得到的外延结构，经过光刻相关工艺后，采用湿法腐蚀或者干法刻蚀等方法，在待加工外延片上制作出台面结构。先采用干法刻蚀暴露出芯片氧化层6，刻蚀Cl₂/BCl₃气体流量比为1：3，刻蚀功率为500W，并清洗芯片。最后，清洗完毕后将待加工外延片用高纯度氮气吹干，确保干净以后，加热烘干，待用；

利用湿法选择性氧化技术，将在待加工外延片台面中的氧化层6，从外侧氧化进去，形成一个氧化孔径。其目的是在高增益有源层4上方限制载流子扩散和约束横向光场。湿法选择性氧化过程包括：氧化炉升温至430℃，水温设定90℃，通微量N₂，流量为1L/min，稳定20min，排除氧化炉内多余空气。20min以后，开始通N₂，流量为9L/min，稳定30min。稳定30min以后，将外延片放入氧化炉进行氧化，氧化时间根据需要氧化的氧化孔径而定。氧化结束以后，等待炉温降到80℃后，取出外延片，待用；

在待加工外延片涂上SU-8负性光刻胶，通过光刻显影后，制作N电极图形，然后通过磁控溅射技术生长N电极金属材料；

将生长完N电极金属的外延片放在丙酮溶液中浸泡2～4小时，然后进行金属剥离，剥离掉非N电极的金属，制作金属N电极；

在待加工外延片涂上L300负性光刻胶，通过光刻显影后，制作P电极的图形，然后通过磁控溅射技术生长P电极金属材料；

金属将生长完P电极金属的外延片放在丙酮溶液中浸泡4-5h，然后进行金属剥离工艺，剥离非P电极的金属，制作金属P电极；

步骤4、制备第二谐振腔上反射结构11：

在衬底1另一侧表面沉积Si₃N₄等透红外光学材料，构成针对第二波长1550nm的半反半透结构。

实施例2：

如图4所示，本发明自发性脉冲式光子级联半导体激光器第二种制备过程如下：

步骤1、制备掺杂镧系稀土元素的泵浦用VCSEL激光外延结构。

经过清洗的衬底1一侧表面依次外延生长泵浦用VCSEL的全反射型N-DBR层2、N型波导层3、有源层4、P型波导层5、氧化层6和全反射型P-DBR层7；

其中，在生长半导体量子肼层之前，以光刻胶为保护层，利用适宜的能量、剂量，向N型波导层3靠近上表面的区域均匀注入稀土离子Er³⁺于有源区下4-6对DBR区域处，形成稀土离子掺杂层；注入完成后，去除光刻胶、清洗外延片，开展后续工艺；

步骤2、制作半导体可饱和吸收调制结构。

在VCSEL激光外延结构全反射型P-DBR层7上表面继续外延生长半导体可饱和吸收体调制结构8、第二谐振下反射结构，具体分别为采用III-V族元素生长半导体可饱和吸收镜的多量子阱结构，以此构成多个驻波周期，每个量子阱采用AlGaAs应变补偿层、GaAlAs透明层、InGaAs层、GaAlAs透明层、InGaAs层、、GaAlAs透明层、AlGaAs应变补偿层的对称设置结构，和针对第二波长1550nm的全反射型DBR结构；

步骤3、器件工艺制作。

将步骤2得到的外延结构，经过光刻相关工艺后，采用湿法腐蚀或者干法刻蚀等方法，在待加工外延片制作出台面结构。先采用干法刻蚀暴露出芯片氧化层6，刻蚀Cl₂/BCl₃气体流量比为1：3，刻蚀功率为500W，并清洗芯片。最后，清洗完毕后将待加工外延片用高纯度氮气吹干，确保干净以后，加热烘干，待用；

利用湿法选择性氧化技术，将在待加工外延片台面中的氧化层6，从外侧氧化进去，形成一个氧化孔径。其目的是在高增益有源层4上方限制载流子扩散和约束横向光场。湿法选择性氧化过程：氧化炉升温至430℃，水温设定90℃，通微量N₂，流量为1L/min，稳定20min，排除氧化炉内多余空气。20min以后，开始通N₂，流量为9L/min，稳定30min。稳定30min以后，将外延片放入氧化炉进行氧化，氧化时间根据需要氧化的氧化孔径而定。氧化结束以后，等待炉温降到80℃后，取出外延片，待用；

在待加工外延片涂上SU-8负性光刻胶，通过光刻显影后，制作N电极图形，然后通过磁控溅射技术生长N电极金属材料；

将生长完N电极金属的外延片放在丙酮溶液中浸泡2～4小时，然后进行金属剥离，剥离非N电极的金属，制作金属N电极；

在待加工外延片涂上L300负性光刻胶，通过光刻显影后，制作P电极的图形，然后通过磁控溅射技术生长P电极金属材料；

金属将生长完P电极金属的外延片放在丙酮溶液中浸泡4-5h，然后进行金属剥离工艺，剥离非P电极的金属，制作金属P电极。

步骤4、制备第二谐振腔上反射结构11。

在衬底1下表面二次外延生长，构成针对第二波长1550nm的半反半透型DBR结构；

本发明的优点：

本发明利用泵浦源VCSEL输出某波长特定激光泵浦，使掺杂在VCSEL半导体激光外延结构有源区下方的镧系稀土元素掺杂层中的稀土粒子能级发生粒子数反转，光致发光，形成光子级联，其产生的新波长光在第二谐振腔上、下反射结构内振荡，并由半导体可饱和吸收体调制结构进行被动调制。随着新波长信号光的低强度部分被吸收，而高强度部分将以较小的损耗通过材料，从而导致趋向脉冲形式的压缩，最终输出激光脉冲。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自发脉冲式光子级联半导体激光器，其特征在于，包括：自下而上依次设置的第二谐振腔下反射结构、半导体可饱和吸收体调制结构、泵浦用VCSEL激光外延结构、衬底和第二谐振腔上反射结构，所述泵浦用VCSEL激光外延结构中掺杂有镧系稀土元素；

所述泵浦用VCSEL激光外延结构产生第一波长激光泵浦，所述第一波长激光泵浦使掺杂的镧系稀土离子光致发出第二波长光，所述第二波长光在所述第二谐振腔上反射结构和所述第二谐振腔下反射结构之间振荡，振荡过程中，所述半导体可饱和吸收体调制结构对所述第二波长光进行调制，最终输出第二波长激光脉冲。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述泵浦用VCSEL激光外延结构自上而下包括：N-DBR层、N型波导层、有源层、P型波导层、氧化层、P-DBR层，所述N-DBR层和P-DBR层均为全反射结构。

3.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于：在所述N-DBR层的多对DBR结构中掺杂镧系稀土元素。

4.根据权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于：掺杂镧系稀土元素进入所述DBR结构的方式为离子注入或直接外延生长含掺元素晶体。

5.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于：采用III-V族元素生长所述半导体可饱和吸收体调制结构的多量子阱结构，构成多个驻波周期。

6.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于：每个所述量子阱结构均采用AlGaAs应变补偿层、GaAlAs透明层、InGaAs层、GaAlAs透明层、InGaAs层、GaAlAs透明层、AlGaAs应变补偿层的对称结构。

7.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于：所述泵浦用VCSEL激光外延结构产生的第一波长激光对应掺杂的镧系稀土元素光致发出第二波长激光的特殊泵浦波长。

8.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于：所述第二谐振腔上反射结构为半反半透型，所述第二谐振腔下反射结构为全反射型。

9.一种基于权利要求1～8中任一所述的一种自发脉冲式光子级联半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括：

在衬底一侧表面制备掺杂镧系稀土元素的泵浦用VCSEL激光外延结构；

在所述泵浦用VCSEL激光外延结构表面生长半导体可饱和吸收体调制结构；

在所述半导体可饱和吸收体调制结构表面外延生长第二谐振腔下反射结构；

在所述衬底另一侧表面制备第二谐振腔上反射结构。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述在衬底一侧表面制备掺杂镧系稀土元素的泵浦用VCSEL激光外延结构的方法有两种；

一种是先在所述衬底一侧表面生长N-DBR层、N型波导层、有源层、P型波导层、氧化层、P-DBR层，再将镧系稀土离子注入至所述有源层下方N-DBR层中的多对DBR结构中；

另一种是先在所述衬底一侧表面生长N-DBR层时，直接掺杂镧系稀土元素，再在N-DBR层表面依次生长N型波导层、有源层、P型波导层、氧化层、P-DBR层。

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