[發(fā)明專利]一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310503782.6
• 申請日: 2013-10-23
• 公開（公告）號: CN103532013A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張錦川;姚丹陽;閆方亮;劉峰奇;王利軍;劉俊岐;王占國
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類號: H01S5/18
• 分類號: H01S5/18;H01S5/06
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及紅外半導(dǎo)體光電器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

波長為4～8μm的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器因具有單模、低發(fā)散角和便于集成等優(yōu)點在大氣環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、高分辨率光譜等領(lǐng)域中具有十分廣闊的應(yīng)用前景。量子級聯(lián)激光器是基于子帶間的躍遷，根據(jù)躍遷選擇定則，常規(guī)的量子級聯(lián)激光器不能進行面發(fā)射，但是可以通過制作二級分布反饋光柵結(jié)構(gòu)，利用其一階傅里葉電場分量的輻射模式進行面發(fā)射器件的制作。面發(fā)射器件因其較大的發(fā)光面積和構(gòu)建的相干條件可以很好的改善器件的遠場發(fā)散角。當前國際上實現(xiàn)量子級聯(lián)激光器面發(fā)射的主要手段包括：普通的二級光柵結(jié)構(gòu)[D.Hofstetter，J.Faist，and?M.Beck，Appl.Phys.Lett.，75，3769，(1999)]，三級光柵結(jié)構(gòu)[M.I.Amanti，M.Fischer，G.Scalari，M.Beck，and?J.Faist，Nature?photon.，3，586，(2009)]，光子晶體晶格結(jié)構(gòu)[S.Kumar，B.S.Williams，Q.Qin，A.W.?M.Lee，and?Q.Hu，Optics?Express，15，113(2007)]和二級環(huán)形光柵結(jié)構(gòu)[E.MujagiC，L.?K.Hoffmann，S.Schartner，M.Nobile，W.?Schrenk，M.P.?Semtsiv,M.Wienold，W.T.Masselink，and?G.Strasser,Appl.Phys.Lett.，93，161101(2008)]。普通的二級光柵結(jié)構(gòu)因其工藝簡單，抽取效率高等被廣泛研究。然而，為了實現(xiàn)器件的室溫連續(xù)工作，有源區(qū)的寬度必須減小到波長量級，這導(dǎo)致其遠場發(fā)散角只能在腔長方向得到改善，波導(dǎo)方向仍然很大，一般為15-30°。三級光柵若滿足相匹配條件，根據(jù)天線理論，器件的腔長和波導(dǎo)方向的遠場發(fā)散角是可以通過相干增強而同時減小的。但相匹配條件的滿足十分困難且器件必須進行正裝焊接，很難實現(xiàn)室溫連續(xù)工作。光子晶體面發(fā)射量子級聯(lián)激光器能夠同時改善器件腔長和波導(dǎo)兩個方向的遠場發(fā)散角并得到近似圓形的高斯光斑，但是，面發(fā)射光子晶體量子級聯(lián)激光器因很高的電功率注入密度而無法實現(xiàn)室溫連續(xù)工作。二級環(huán)形光柵結(jié)構(gòu)同樣能夠改善器件腔長和波導(dǎo)兩個方向的遠場發(fā)散角，而且環(huán)形腔的結(jié)構(gòu)極大的減小了器件的鏡面損耗，有利于降低器件的閾值電流密度。國際上西北大學(xué)Razeghi小組已經(jīng)實現(xiàn)了環(huán)形光柵面發(fā)射量子級聯(lián)激光器的室溫連續(xù)工作，輸出功率已經(jīng)達到了500mW[Y.?Bai，S.Tsao，N.Bandyopadhyay,S.Slivken，Q.Y.?Lu，D.Caffey,M.Pushkarsky,T.Day,and?M.Razeghi，Appl.Phys.Lett.，99，161104，(2011)]。但從實用化的角度分析，環(huán)形光柵器件本身存在著兩個較大的缺點：i)環(huán)形光柵面發(fā)射量子級聯(lián)激光器的遠場光束為同心環(huán)結(jié)構(gòu)且不具有高斯分布特征；ii)環(huán)形光柵的制作工藝十分復(fù)雜，需要高精度的微納加工技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上技術(shù)問題，本發(fā)明綜合考慮各種光調(diào)制技術(shù)制作工藝的難度、物理內(nèi)涵等因素，提出基于普通的二級光柵面發(fā)射的光束整形方法實現(xiàn)量子級聯(lián)激光器的低遠場發(fā)散角及單模室溫連續(xù)工作。為此，本發(fā)明提供一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用亞波長金屬光柵結(jié)構(gòu)對具有較窄有源區(qū)寬度的面發(fā)射二級光柵分布反饋量子級聯(lián)激光器的輸出光束進行整形，同時實現(xiàn)器件腔長方向和水平波導(dǎo)方向遠場發(fā)散角的改善。

本發(fā)明提出的一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其包括：

一襯底；

一下波導(dǎo)層，該下波導(dǎo)層生長在該襯底正面；

一下光限制層，該下光限制層生長在下波導(dǎo)層上；

一有源區(qū)，該有源區(qū)生長在下光限制層上；

一上光限制層，該上光限制層生長在該有源區(qū)上；

一光柵層，該光柵層制作于上光限制層的上，并且該光柵層具有二級分布反饋結(jié)構(gòu)；

一上波導(dǎo)層，該上波導(dǎo)層生長在該光柵層上；

一亞波長金屬光柵層，該亞波長金屬光柵層制作于該襯底背面。

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提出的一種低發(fā)散角的面發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)具有以下有益效果：在襯底上進行亞波長金屬光柵的制作工藝簡單。用亞波長金屬光柵結(jié)構(gòu)對面發(fā)射量子級聯(lián)激光器進行光束整形，既減小了波導(dǎo)方向的發(fā)散角又沒有影響器件的倒裝焊接。在中紅外波段很容易激發(fā)等離子體波，且等離子體波的傳播距離較遠、吸收損耗較小。