CN1167353A - 饱和布喇格反射器结构及其制造工艺 - Google Patents

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Abstract

通过一个非线性反射器与一个n层半波长应变消除层(其中n是一个大于零的奇数)内的一个或更多半导体量子阱组合，可以获得低光学损耗和简化的制造，该应变消除层形成在一个标准半导体四分之一波长叠层反射器上。控制半波长层的生长，使得在界面区域形成足够浓度的位错，以有效地作为无辐射复合源。饱和以后，在下一往返程的光脉冲到达激光器谐振腔以前，这些复合源移去量子阱中的载流子。

Description

饱和布喇格反射器结构及其制造工艺
本发明涉及半导体器件以及，特别是，用于在锁模激光器中产生超短光脉冲的强度相关反射器。
由激光器锁模产生的短时光脉冲对于高速信号处理和数据通信很有用，并且因为它们在皮秒和亚皮秒的范围内显示脉冲宽度而通常称之为超短脉冲。半导体饱和吸收器在被动锁模固态激光器中的使用证明是一种用于产生超短光脉冲的实用方法。由于半导体结构廉价、紧凑，能设计成在宽光谱范围内工作，并且具有快速响应时间，因此对于此目的特别有吸引力。
饱和吸收器包括一个放在激光光谐振腔内或耦合到激光谐振腔的外部光谐振腔内的非线性反射器元件。因为其不透明性作为在特定波长处的入射辐射强度的函数而变化，所以该饱和吸收器作为入射辐射的遮光器发挥作用。在特定波长处的所有微弱的入射辐射都被一个饱和吸收器吸收。到达一个足够高的强度-即饱和强度-的入射辐射通过该饱和吸收器。通常，因为吸收器在所需波长处已饱和进入一种透明状态，所以吸收器引起的减弱比较低。
半导体饱和吸收器已被制造用于窄带和宽带响应。体半导体材料和多级量子阱异质结已被用于窄带吸收应用，而特殊分级的带隙多级量子阱异质结已被广泛用于宽带应用。在这些吸收器器件的量子阱实现中，该量子阱异质结已被生长在一个半导体四分之一波长叠层反射器上。在另一个配置中，已知为一个反共振法布里-珀罗饱和吸收器，一个薄膜氧化物部分反射器叠层被沉积在一个量子阱异质结上，以形成一个带半导体四分之一波长叠层反射器的法布里-珀罗标准具。对于后一器件，饱和吸收器元件(MQW)在法布里-珀罗标准具响应特性的反共振部分响应波长处的辐射。该装置产生与激光器谐振腔的微弱耦合，并且比用于锁模激光器的其它多级量子阱器件引入较少的损耗。不幸的是，该反共振法布里-珀罗饱和吸收器需要大量附加的器件处理和优化来实现。
在美国专利申请系列号08/404,664中，由W.Knox于1995年3月15日申请，名称为“饱和布喇格反射器”，并且转让给Lucent TechnologiesInc.，本申请的受让人，描述了一种已知用于完成腔内被动锁模的新的、单片的半导体结构。Knox公开的一个示意的吸收器结构通过在一个高反射率的GaAs/AlGaAs布喇格反射器叠层内生长一单个GaAs量子阱(QW)制造而成。不象以前的饱和吸收器实现，这种饱和吸收器结构不需要任何生长后处理步骤。Knox在上述专利申请中描述的吸收器已被成功地用于锁模一个二极管泵浦的Cr∶LiSAF激光器-在850nm处产生100fs的脉冲。这样一来，固态激光器由于其小的发射截面而通常显示低的增益，而且二极管泵浦的激光器显示尤其低的增益，因此这种结构显示极低的损耗、极为需要的特性。但是，不利的是，Knox描述的吸收器结构不适合工作在与目前期望的远程通信应用有关的较长的波长(例如，1300nm，1550nm，等)。
如上所述，包括一个饱和布喇格反射器(BR)的两个叠层是一个高反射率的反射镜叠层(＞99％)和作为吸收介质的一个或多个量子阱。对于850nm应用，这些叠层能以直接方式制造，如Knox所示，而将现有技术扩展到制造能够锁模一个工作在与远程通信应用有关的更长波长的激光器的吸收器结构，则面临一些挑战。能够工作在一个典型通信波长(例如，1550nm)的结构，通常生长在InP衬底上。但是，由于没有与InP名义晶格匹配的二元半导体系统，因此生长在InP上的任何有用的异质结必须在有力地控制、晶格匹配的条件下生长。另外，能够用于组成一个布喇格反射器的不同混合物之间的折射率之差，Δn，非常小(在1550nm处为0.12数量级)。因此，一个极大数量(例如40)的厚度(例如240nm)区域必须与布喇格反射器组合以获得大于99.5％的反射率-导致一个超过6mm的总外延厚度。上述因素使得高反射率反射镜在InP衬底上的生长成为一个极其困难和耗时的工作。
前述缺陷已经说过了，并且技术上作了一些改进，通过应用InP基化合物在GaAs衬底上的异质外延生长获得高质量非线性反射器结构。用这种方式实现的结构不需要生长后处理，并且已成功应用于被动锁模Cr4+∶YAG和Er-Yb∶光纤激光器中，二者作为用于远程通信领域的激光源都是有利的。
根据本发明，通过非线性反射器与一个n层半波长应变消除层(其中n为大于零的奇数)内的一个或多个半导体量子阱组合，获得低光学损耗和简化的制造。该应变消除层形成于一个标准半导体四分之一波长叠层反射器上。控制半波长层的生长，使得在界面区域形成足够浓度的位错，以有效地作为无辐射复合源。饱和以后，在下一往返程的光脉冲到达激光器谐振腔以前，这些复合源移去量子阱中的载流子。这些复合源的存在可以解释在根据本发明制造的结构的研究中已被观察到的超快响应时间。正如将被那些熟练的技术人员所容易理解的那样，具有这种响应时间的器件象涉及多波长通信应用中的WDM源一样具有重大的价值。
非线性反射器能够在与很多目前期望的远程通信应用有关的长波长处工作，并且在这些波长处提供一个强度相关响应，它被允许用于激光器主振荡谐振腔内的直接饱和吸收。非线性反射器的饱和强度和与此有关的激光锁模特性能够通过在应变消除层内特定位置沉积量子阱来控制。
根据本发明的一个示意实施例，一个或多个InGaAs/InP量子阱直接地异质外延生长在一个高反射率的AlAs/GaAs反射镜结构上，相应地，该结构形成在一个GaAs衬底上。包括一个或多个InGaAs/InP量子阱的InP应变消除层生长到λ/2(光学波长的一半)的光学厚度，使得相关的光学转移矩阵有效地变为1，相应地保存了该结构的高反射率状态。选择在应变消除层生长期间应用的温度，使得在反射镜结构和应变消除层之间形成包括大量位错的界面。这些QW位于这个高缺陷区域。当有人推理地认为这种结果不好的同时，发明者这里已经发现反之才是正确的。惊奇的是，以这种方式制造的QW不仅显示了极好的锁模特性，还显示了相当高质量的光致发光(PL)。
通过阅读本发明的特殊示意实施例的以下说明以及其中的附图，可以获得对本发明的更完整的理解：
图1是根据本发明的一个示意实施例构造的非线性反射器结构的剖视图；
图2是通过图1的结构显示的室温光致发光光谱的描述图；
图3是AlAs/GaAs反射镜与图1的完整结构的反射率光谱的比较图；
图4A是通过将图1的结构放在激光器谐振腔内被动锁模的一个示意Cr4+∶YAG激光器装置的示意图；
图4B是通过将图1的结构放在激光器谐振腔内被动锁模的一个示意铒-镱激光器装置的示意图；
图5是通过使用图1的结构锁模图4A的激光器获得的自动校正曲线，所述锁模脉冲显示110fs的FWHM；以及
图6是图5的锁模脉冲的光谱说明图。
正如上述背景部分所指出的，在InP衬底上生长高反射率的反射镜这里已经成为一个极其困难和耗时的工作，使得制造一个适合用于远程通信领域目前期望的许多应用的非线性反射器在经济上不现实。本发明实际上基于发明者这里承认异质外延生长在GaAs衬底上的GaAs和AlAs高反射率布喇格反射镜可以以某种方式被有利地应用，而这种方式可完全避免这种结构直接在InP上生长引起的问题。
InP在GaAs上的异质外延生长在以前已经被别人完成过。使用金属氧化物化学蒸汽沉积(MOCVD)，例如，A.G.Dentai等人已经演示过高质量的InP能够直接生长在GaAs上，尽管有较大的失配(～3.8％)。“直接生长在GaAs衬底上的MOVPE InGaAs/InP”，Electron.Lett.22，1186(1986)。另外，InP基的器件例如直接生长在GaAs衬底上的探测器和晶体管已经被报道以和生长在InP衬底上的器件作比较。见，例如，A.G.Dentai等人写的文章，题目为“通过MOVPE生长在GaAs衬底上的InGaAs P-I-N光电二极管”，Electron.Lett.23，38(1987)。在前述的MOCVD处理中，在生长过程中通常保持650℃的衬底温度以确保有机金属源在晶片表面的裂化。
为了减少在Dentai等人所述类型的结构中的失配生长造成的缺陷，在GaAs衬底和器件层之间生长了至少1微米厚的InP缓冲层。但是，在本发明中，这么厚的缓冲层的生长是不可能的。特别是，由于GaAs和InP材料的介电常数的差异将导致反射率的不能接受的损失。
以Knox在上述共同未决的专利申请中所教导的方式构造的一个非线性或饱和布喇格反射器应用了一个具有高反射率的四分之一波长叠层介电反射器，相应地，与一个或多个放置在反射器内部预定位置的量子阱组合，以便为反射器提供非线性特性。这个结构用作能直接用在一个激光器例如固态激光器的主激光谐振腔内的一个低损耗饱和吸收器。量子阱的位置，连同其它因素，决定该饱和反射器的饱和强度。本发明与Knox所教导的装置的不同之处在于，这些量子阱形成在一个半波长应变消除层(光程长度的一半)内，该应变消除层生长或用其它方法形成在四分之一波长叠层介电反射器上。
图1描述了根据本发明构造的一个示范非线性反射器结构10。图1所示的本发明的示意实施例应用多个生长在InP应变消除层14内的量子阱(仅显示了其中2个，12a和12b)，该应变消除层相应地生长在四分之一波长叠层介电反射镜结构16上。反射镜结构16形成在GaAs衬底18上并且，仅为示意目的，包括形成在GaAs/AlAs半导体混合物系统中的层。
结构10由气体源分子束外延(GSMBE)生长，其中裂化的AsH3和PH3作为V族源使用，而III族源为自然界中的元素。在具有大约350μm厚度的GaAs衬底18上，四分之一波长叠层介电反射镜16由生长的30周期交替的GaAs和砷化铝在V/III比率为2，衬底温度为600℃的条件下形成。图1的示意布喇格反射器因此包括一系列具有不同折射率的交替材料层。它还可看作许多对层，其中每对层20包括一个宽能带隙层20a和一个窄能带隙层20b。当这些层的单个层厚度约为四分之一波长(光程长度的四分之一)时，这些层将形成一个反射率接近1的反射镜。对于图1的装置，宽带隙层20a为AlAs，窄带隙层20b为GaAs。这种层系统适合用于工作在1550nm左右的波长范围。由于该反射器是一个标准四分之一波长叠层设计，因此每层的光学厚度应约为所需工作波长的四分之一。不带量子阱的单独的反射器显示一个强度无关的反射率并且，如果放置在一个激光器谐振腔内，将不会影响或诱发锁模。
正如广泛应用于GaAs在硅上的异质外延生长的处理那样，可以使用一个两步的处理来生长示意结构10的InP应变消除层14。对于GaAs在硅上情况的两步处理的详细讨论，可能必须参考J.E.Cunningham等人写的论文，题目为“通过气体源分子束取向用于850nm光学互连的GaAs在硅上的生长”，J.Vac.Sci.Technol.B12，1(1994)。根据这个两步处理的一个创造性的改编，在示意实施例中具有大约180A厚度的应变消除层14的第一部分生长在该四分之一波长叠层结构16的最上层。
在应变消除层14的第一部分的生长过程中，保持一个足够低的温度以制造一个具有至少1×105/cm2并且最好在1×106/cm2以上的位错密度的四分之一波长叠层的界面。发明者这里已经发现在界面区域的足够浓度处，这些位错作为无辐射复合源。饱和以后，在下一往返程的光脉冲到达激光器谐振腔中以前，这些复合源移去量子阱中的载流子。这些复合源的存在还负责已经在发明者这里已指导的实验中观察到的超快响应时间。相信能够具有这种响应时间的器件象WDM源在涉及多波长通信应用中一样具有重大的价值。
对于图1的示意结构，应用了约为400℃的初始生长温度(通过放在衬底夹持器后面的热电偶测量)。在应变消除层14的第一部分的生长以后，生长温度可能升到一个选定的较高温度以便限制以前在界面区域发展的位错的复合或迁移。
在图1结构的构造中，温度可能升到520℃直到InP层达到大约300埃的厚度。然后该结构通过升到大约650℃的温度并且在20 SCCM(标准立方厘米/分钟)的氢化磷流速下保持这个温度5分钟退火。在退火循环的最后，一个清晰的(2×4)重构变成可见的-指示大范围单晶InP的形成。
然后衬底温度降到500℃并且在与R.N.Pathak等人在一篇与高质量InP/InGaAs调制器的生长有关的题为“显示优于通过GSMBE生长的用于1.55微米应用的8∶1比率的InGaAs-InP P-I(MQW)-N表面常规电吸附调制器”，IEEE Phot.Tech.Lett.6，1439(1994)的论文中描述的同一条件下，InP的生长被恢复。根据用于制造图1的装置的这个处理的示意性修改，量子阱层以设为0.53单层/秒的铟生长率在500℃下生长。镓生长率为0.50单层/秒以产生0.53摩尔分数的铟。设置砷和磷流量以产生2∶1的族V/III比率。用这种方式，包括一个8nm厚的InGaAs层18和一个10nm厚的InP层20的InGaAs量子阱层生长在应变消除层16上。QW结构的生长后面跟随着一个InP覆盖层22，该层具有选定的厚度以保证一个半波长应变消除层结构。
根据前述示意性工艺生长的示范结构被发现显示很强的光致发光。图2显示了图1结构的典型的室温PL光谱。主峰是由于被限制的电子和重空穴态之间的电子-空穴对复合，而较小的信号可能由于电子和轻空穴态。主峰的FWHM为12meV，指示确实获得了高质量的QW生长。在光学对比显微镜下不见任何应变消除引起的晶格的指示，发现其结构为高反射。由于它将入射光散射引起的任何损失减小到最低限度，因此这是创造性生长处理的一个重要方面。图3显示了在一个AVIV分光计中生长前后的反射镜叠层上测量的反射率。但是这个仪器的精度已知为4～5％。在一个激光器的谐振腔内更仔细的测量显示，对于来自这样生长的反射镜的最终结构，反射率的降低低于0.5％。
图4A显示作为一个饱和吸收器应用以锁模一个Cr4+∶YAG激光器28的图1非线性反射器结构10。主激光器谐振腔在高反射率反射镜42和反射器结构10之间形成。如图4A所见，激光器谐振腔为一个像散补偿的折叠式Z形配置。一个布儒斯特切割的20×5mm Cr4+∶YAG晶棒30为锁模激光器提供光学增益介质。每个反射镜32、34、36和42具有中心在1550nm左右的反射率并且每个折叠式反射镜34和36具有10cm的曲率半径。折叠式反射镜34和36引导光信号通过作为增益介质的棒30。在一端，两个熔融石英棱镜38和40提供用于脉冲整形的可调的正负色散。饱和反射器结构10大体位于10cm曲率半径的高反射率反射镜32的焦点处，并安装在一个铜块上，到直径约为100μm2的区域。因此，反射镜32将谐振腔模式聚焦在非线性反射器结构10的表面。一个4μm的半反射器44放在具有一个可变输出耦合器的一端的接近布儒斯特角处。由SprectaPhysics提供的一个外部Nd∶YVO4激光器(没有显示)通过连到激光器头的两个20W二极管阵列光纤泵浦。两个具有焦距12和15cm的透镜46和48，分别地，用于将有限泵浦的折射光束通过折叠式反射器36耦合到光学谐振腔内。
非线性反射器结构10还被成功地作为一个饱和布喇格反射器应用以锁模一个Er-Yb∶光纤激光器50，如图4B所示。这种类型的装置作为用于线性调频脉冲WDM发射系统的可能的宽带压缩激光源特别有利。在图4B的示意装置中，反射器结构10插入激光器50的主谐振腔内。一个90mW980nm的泵浦二极管52通过一个波分复用器54，然后通过一个旋转接合器56耦合，该接合器镀了一层膜，对1550nm的反射率为99％，而对980nm为透明。Er/Yb光纤58的一部分作为增益介质作用，而色散位移光纤(DSF)60的一部分提供色散补偿。该光纤谐振腔终止于非线性反射器结构10。
图5和图6描述了在图4A的装置的锁模工作过程中获得的实验数据。饱和布喇格反射器10的饱和锁模图4A中的激光器，产生光脉冲的锁模序列。脉冲宽度由饱和布喇格反射器的色散和带宽限制性质决定。图4A中所示的装置已被用于产生超短光脉冲，这些超短光脉冲具有大约110fs的脉冲自相关和大约以1541nm为中心的26nm的带宽，分别如图5和图6所示。
如图1所示，量子阱层生长在应变消除层14内。选择量子阱的摩尔分数x使得电子-空穴对被限制到布喇格反射器中窄带隙InxGa1-xAs层的带隙以下的状态。在来自实际实验的例子中，小于x＝0.53的摩尔分数是适用的。厚度约为60，间距70的量子阱已被用于电子-空穴对波长约为1550nm的实验器件中。量子阱与半波长结构的表面相距150。
正如Knox在上述专利申请中提到的，在一个饱和吸收器结构中，包括量子阱的反射器层的厚度能够保持在其标准四分之一波长厚度减去量子阱厚度，而不引起任何显著变化。即，对于一级近似没有必要计算由于反射器层中的量子阱的存在引起的光程长度的实际变化。这样，反射器层与量子阱层的总厚度能够用不带量子阱的同一材料类型的标准反射器层的四分之一波长厚度的极好的结果近似。
应该注意到布儒斯特棱镜38和40提供的色散补偿可以从图4A的装置中的激光器谐振腔中移去。在这种情况下，能够从激光器获得大约100毫微微秒的脉冲宽度。因为饱和非线性是基于入射辐射的能量，而非其强度，所以用于锁模处理的自起动可容易地获得。
考虑量子阱能够在低温下生长以便为所考虑的器件产生短的响应时间。理解到，当族III-V材料系统AlAs/GaAs在上面已述用于制造饱和布喇格反射器的同时，可以从其它半导体族III-V系统，如GaAs/InGaAs、InGaAs/InGaAlAs、InGaAs/InAlAs、GaAs/AlAs、GaAsSb/GaAlAsSb和InGaAsP/InP中选择其它的材料组合来实现该器件。最后，还考虑了将器件结构扩展到族II-VI和族IV中的半导体混合物。

Claims (24)

1.一种介电反射镜，包括一个介质材料层的四分之一波长叠层，一个n层半波长应变消除层，其中n是大于零的奇数，以及一个位于所述应变消除层内的量子阱层，使得所述介电反射镜对入射辐射提供一个非线性饱和响应。
2.权利要求1定义的介电反射镜，其中四分之一波长叠层包括多层交替宽和窄带隙半导体材料层。
3.权利要求1定义的介电反射镜，其中四分之一波长叠层生长在GaAs上并且其中所述应变消除层为InP。
4.权利要求3定义的介电反射镜，其中宽带隙层包括AlAs，窄带隙层包括GaAs。
5.权利要求3定义的介电反射镜，其中所述四分之一波长叠层和所述应变消除层之间的界面定义一个大于1×106/cm2的位错浓度。
6.权利要求3定义的介电反射镜，其中所述应变消除层异质外延生长在所述四分之一波长叠层的最上层。
7.权利要求1定义的介电反射镜，其中所述应变消除层包括一种与所述四分之一波长叠层晶格失配的半导体材料。
8.权利要求1定义的介电反射镜，其中所述应变消除层包括一种已被氧化的半导体材料。
9.权利要求1定义的介电反射镜，其中所述应变消除层包括一种与所述四分之一波长叠层晶格失配的半导体材料。
10.一台激光器，用于以第一波长产生光束，所述激光器包括第一和第二端反射器以及一种增益介质，所述第二端反射器包括一个介质材料层的四分之一波长叠层，一个n层半波长应变消除层，其中n是一个大于零的奇数，以及一个位于所述应变消除层内的量子阱，使得所述介电反射镜对入射辐射提供一个非线性饱和响应以锁模所述激光器。
11.权利要求10定义的激光器，其中四分之一波长叠层包括多层交替宽和窄带隙半导体材料层。
12.权利要求10定义的激光器，其中四分之一波长叠层生长在GaAs上。
13.权利要求10定义的激光器，其中宽带隙层包括AlAs，窄带隙层包括GaAs。
14.权利要求10定义的激光器，其中增益介质包括铒镱掺杂光纤。
15.权利要求10定义的激光器，其中色散介质包括一根色散补偿光纤。
16.权利要求10定义的激光器，其中第一波长的波带中心在1550nm处。
17.权利要求10定义的激光器，进一步包括一个外部泵浦激光源。
18.权利要求10定义的激光器，其中所述外部泵浦激光源是一个半导体二极管激光器。
19.用于制造对入射辐射提供非线性饱和响应的介电反射镜的一种工艺，包括以下步骤：
    在衬底上形成一个介电材料层的四分之一波长叠层；
    异质外延生长一个n层半波长应变消除层，该应变消除层在所述四分之一波长叠层的最上层具有至少一个量子阱，其中n是一个大于零的奇数。
20.权利要求19定义的工艺，其中四分之一波长叠层包括多层交替宽和窄带隙半导体材料。
21.权利要求19定义的工艺，其中四分之一波长叠层在所述形成步骤中生长在GaAs上。
22.权利要求19定义的工艺，其中异质外延生长步骤包括：
    以足以生成一个与四分之一波长叠层的界面的第一温度生长所述应变消除层的第一部分，该四分之一波长叠层具有至少1×106/cm2的位错浓度。
23.权利要求22定义的工艺，其中异质外延生长步骤进一步包括
    生成所述界面后，在随后的生长中，通过逐渐增加衬底温度到能足够基本消除所有应变的温度，继续生长所述应变消除层。
24.权利要求23定义的工艺，其中所述衬底包括GaAs，其中所述应变消除层包括InP以及其中四分之一波长叠层包括AlAs和GaAs的交替层。
CN97111602A 1996-04-30 1997-04-29 饱和布喇格反射器结构及其制造工艺 Pending CN1167353A (zh)

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