[發明專利]垂直發射量子級聯激光器結構

無效

• 申請號: 201010171511.1
• 申請日: 2010-05-07
• 公開（公告）號: CN101847828A
• 公開（公告）日: 2010-09-29
• 發明（設計）人: 郭萬紅;劉俊岐;陸全勇;張偉;江宇超;李路;王利軍;劉峰奇;王占國
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01S5/183
• 分類號: H01S5/183;H01S5/187;H01S5/343
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 湯保平

技術領域

本發明涉及半導體光電器件技術領域，尤其涉及一種垂直發射量子級聯激光器結構。該結構的獨特之處在于，將表面等離子波導引入二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光器中，可以實現高的垂直耦合效率，同時簡化了材料生長和光柵制備工藝。

背景技術

波長為8~12μm的量子級聯激光器在大氣環境監測與紅外對抗等領域中具有十分廣闊的應用前景。與常規的法布里-珀羅腔量子級聯激光器所具有的多模工作和邊發射不同，垂直發射量子級聯激光器同時具備單模工作和垂直發射的優點，在實際的應用中能夠實現二維集成和在線檢測，因此正在得到廣泛的關注和研究。

當前的垂直發射量子級聯激光器主要有二維光子晶體分布反饋垂直發射量子級聯激光器和二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光器。其中，二維光子晶體分布反饋垂直發射量子級聯激光器要求其光子晶體圖形具備很高的縱橫比，同時要求其填充因子或者吸收邊能夠精確設計和控制，但是制作滿足這些要求的光子晶體圖形，對于目前的光刻工藝，卻是一個很大的挑戰。而相比之下，二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光器其光柵制備工藝相對簡單，因此成為了國際上垂直發射量子級聯激光器研究的一個熱點，并在過去的十年當中已經得到了深入的研究。

盡管對二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光器的深入研究已經取得了較多的成果，包括室溫脈沖激射和0.4度的遠場發散角，但是這些研究大部分都是基于傳統的介質波導結構。介質波導二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光器雖然具有具有較低的光學損耗，但是其很厚的波導層使得材料生長非常困難，同時其光柵要求刻蝕很深，這又使得刻蝕工藝很復雜。所以設計一種能夠簡化材料生長和光柵制作工藝，同時又能提高垂直耦合效率的二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光器結構是一個亟待解決的問題，而本專利就是為此而發明的。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種表面等離子波導二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光器結構。該結構采用很薄的接觸層代替了傳統介質波導二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光器中很厚的波導層，因此簡化了材料生長；同時僅僅采用金屬光柵就實現了很強的耦合，并不需要刻蝕半導體層，這簡化了刻蝕工藝。另外，表面等離子波導的采用使得激光器光場和光柵的交疊增加，同時通過優化光柵中金屬的占空比，最終獲得了很強的垂直耦合效率。

本發明提供一種垂直發射量子級聯激光器結構，包括：

一襯底，在該襯底上依次生長有波導層、有源層和接觸層；

金屬光柵層，該金屬光柵層位于接觸層的上面，并且該金屬光柵層具有二級布拉格周期。

其中所述的襯底為InP襯底。

其中所述的波導層的材料為InGaAs，該波導層為n型摻雜，摻雜濃度為6×10¹⁶cm^-3，層厚為0.55μm。

其中所述的有源層由40個周期的InGaAs/InAlAs組成，該有源層對應的波長為8-12μm。

其中所述的接觸層的材料為InGaAs，摻雜濃度為1×10¹⁹cm^-3，層厚為0.05μm。

其中所述的金屬光柵層的材料為銀，該金屬光柵層14的厚度為0.25μm，金屬的占空比為0.55。

其中所述的金屬光柵層在接觸層的上面分為4段結構。

附圖說明

為了進一步說明本發明的特征和效果，下面結合附圖及具體實施例對本發明做進一步的說明，其中：

圖1為本發明的實施例，其是等離子波導二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光器的波導和二級光柵結構的截面示意圖。

圖2為按圖1所述的實施例中，等離子波導二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光器的耦合系數隨著金屬光柵占空比的變化關系圖。

圖3為按圖1所述的實施例中，不同腔長的等離子波導二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光器的垂直耦合效率隨著金屬光柵占空比的變化關系圖。

圖4為按圖1所述的實施例中，不同腔長的等離子波導二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光器的閾值增益隨著金屬光柵占空比的變化關系圖。

具體實施方式

請參閱圖所示，本發明提供一種垂直發射量子級聯激光器結構，包括：