啁啾采样光栅量子级联激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种啁啾采样光栅量子级联激光器，属于半导体光电器件技术领域。该啁啾采样量子级联激光器包括：衬底，下波导层，下限制层，有源层，上限制层，啁啾采样光栅，上波导层，高掺接触层。其中，在所述上限制层的上表面具有啁啾采样光栅。与传统均匀采样光栅相比，本发明专利技术啁啾采样光栅光场功率效率提高，减小了空间烧孔效应，增加了模式的稳定性；与非对称的光栅π相移技术相比，降低了制备难度和成本。

【技术实现步骤摘要】
啁啾采样光栅量子级联激光器
本专利技术涉及半导体光电器件
，尤其涉及一种啁啾采样光栅量子级联激光器。
技术介绍
量子级联激光器是一种利用电子在子带间跃迁发光的新型半导体激光器。其激射波长覆盖了3-25μm中远红外波段，在工业过程监控、痕量气体检测、医学诊断、以及自由空间通信等领域有着广泛的应用。在气体检测中通常需要波长稳定、高功率的单模量子级联激光器。实现单模量子级联激光器常规的做法是通过引入光栅工艺形成分布反馈结构，根据光栅层所处的位置可以分为掩埋光栅和表面光栅。为了增加波长的稳定性通常选择掩埋光栅，然而由于耦合系数的增加光场集中在谐振腔的中心部分产生了空间烧孔并且大大降低了量子级联激光器的腔面输出功率。由于腔面解理的随机相位影响也会导致光场不能集中在特定的腔面造成功率损失。为了提高腔面的功率效率可以制作一个非对称的光栅π相移，然而由于需要电子束直写使得这种技术复杂而昂贵。因此，有必要提出在一种量子级联激光器中制作啁啾采样光栅，实现特定腔面的光场分布强度增加并且改善了空间烧孔效应，提高了激光器的功率效率。这一技术对制作单模大功率量子级联激光器有着重要意义。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术提供一种啁啾采样光栅量子级联激光器，以改善掩埋光栅量子级联激光器的腔面输出功率低以及非对称的光栅π相移技术复杂而昂贵的问题。(二)技术方案根据本专利技术的一方面，提供一种啁啾采样光栅量子级联激光器，包括衬底，以及在该衬底上依次生长的外延层，所述外延层包括上限制层；其中，在所述上限制层的上表面具有啁啾采样光栅，该啁啾采样光栅包括啁啾区和采样光栅。在进一步的实施方案中，所述的啁啾采样光栅的材料为InGaAs/InP，深度为0.05～0.2μm。在进一步的实施方案中，所述的啁啾采样光栅的啁啾区长度占激光器总长度的25％～100％；所述啁啾采样光栅的采样光栅的采样周期为8～20μm，采样占空比沿腔长方向从左至右由90％均匀变化至50％。在进一步的实施方案中，所述的啁啾采样光栅量子级联激光器的外延层还包括：衬底；下波导层，生长在衬底上；下限制层，生长在下波导层上；有源层，生长在下限制层上；上波导层，生长在上限制层上；高掺接触层，生长在上波导层上。在进一步的实施方案中，所述的衬底为N型InP衬底，掺杂浓度为2×1017～1×1018/cm3。在进一步的实施方案中，所述的下波导层的材料为掺杂的InP，掺杂浓度为2×1016/cm3～3×1016/cm33，层厚为2～4μm；所述的上波导层的材料为掺杂的InP，2×1016/cm3～3×1016/cm3，层厚为2～4μm。在进一步的实施方案中，所述的下限制层的材料为掺杂的InGaAs，掺杂浓度为3×1016/cm3～4×1016/cm3，层厚为0.2～0.4μm；所述的上限制层的材料为掺杂的InGaAs，掺杂浓度为3×1016/cm3～4×1016/cm3，层厚为0.2～0.4μm。在进一步的实施方案中，所述的有源层由30～50个周期的InGaAs/InAlAs组成，激射波长为4～15μm。在进一步的实施方案中，所述的有源层为半导体带间或子带间跃迁发光有源区结构。在进一步的实施方案中，所述的高掺接触层为掺杂的InP，掺杂浓度为3×1018/cm3～5×1018/cm3，层厚为0.4～0.8μm。在进一步的实施方案中，所述的下波导层，下限制层，有源层，上限制层，啁啾采样光栅，上波导层，高掺接触层的两侧为梯形斜面。在进一步的实施方案中，还包括二氧化硅层生长在所述的梯形斜面上，留有电注入窗口。在进一步的实施方案中，还包括正面电极层，其均匀制备在二氧化硅层上表面；背面电极层，其均匀制备在衬底底面。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术啁啾采样量子级联激光器具有以下有益效果：(1)本专利技术通过改变采样光栅的占空比以改变采样光栅的耦合系数从而改变光场在谐振腔中的分布集中在前腔面使得器件的功率效率显著提高。(2)本专利技术改变采样光栅的占空比后，光场集中在前腔面，而非谐振腔的中心，以此有效改善空间烧孔效应，增加了模式的稳定性。(3)用啁啾采样光栅制作大功率分布反馈量子级联激光器对光栅的形貌要求较低，仅需要通过控制采样光栅占空比来调节光栅的耦合系数，这只有数微米的精度要求，一般的光刻技术就能满足，降低了制备难度和成本。附图说明图1为本专利技术实施例啁啾采样光栅量子级联激光器的三维示意图。图2为本专利技术实施例啁啾采样光栅量子级联激光器的啁啾采样光栅示意图，占空比从左至右依次递减。图3为本专利技术实施例的由转移矩阵计算的啁啾采样光栅透射谱与器件的电致发光谱图。图4为本专利技术实施例的一阶采样模式耦合系数与采样占空比的关系图。图5为本专利技术实施例的均匀采样光栅电场分布图。图6为本专利技术实施例的啁啾采样光栅电场分布图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。需要说明的事，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属
中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本专利技术。在本专利技术的一个实例性实施例中，提供了一种啁啾采样光栅量子级联激光器，如图1所示，该啁啾采样光栅量子级联激光器包括：衬底1和外延层，外延层包括：下波导层2、下限制层3、有源层4、上限制层5、啁啾采样光栅6、上波导层7、高掺接触层8。其中，衬底1，为N型InP衬底，掺杂浓度为2×1017～1×1018/cm3，该衬底可导电。下波导层2，生长在衬底1上，材料为Si掺杂的InP，掺杂浓度为2×1016/cm3～3×1016/cm33，层厚为2～4μm。下限制层3，生长在下波导层2上，材料为Si掺杂的InGaAs，掺杂浓度为3×1016/cm3～4×1016/cm3，层厚为0.2～0.4μm，提高有源区平均折射率，增大与波导层的折射率差，用于增强光模式限制。有源层4，生长在下限制层3上，由30～50个周期的InGaAs/InAlAs组成，每个周期包含约20层的InGaAs/InAlAs量子阱/垒层，有源层总层数约600～1000层，通过改变InGaAs/InAlAs量子阱/垒层的组分和厚度，激射波长可在4～15μm范围内调节，为器件发光区域。优选的，有源层4可以是半导体带间或子带间跃迁发光有源区结构。上限制层5，生长在有源层4上，材料为Si掺杂的InGaAs，掺杂浓度为3×1016/cm3～4×1016/cm3，层厚为0.2～0.4μm，作用同下限制层，用于增加光模式限制。啁啾采样光栅6，制作与上限制层5的上面，材料为InGaAs/InP，深度为0.05～0.2μm，该啁啾采样光栅包括啁啾区和采样光栅；所述啁啾区的长度占激光器总长度的25％～100％；采样光栅的采样周期为8～20μm，采样占空比沿腔长方向从左至右由90％均匀变化至50％，用于选择腔内模式以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种啁啾采样光栅量子级联激光器，其特征在于，包括衬底，以及在该衬底(1)上依次生长的外延层，所述外延层包括上限制层(5)；其中，在所述上限制层(5)的上表面具有啁啾采样光栅(6)，该啁啾采样光栅包括啁啾区和采样光栅。

【技术特征摘要】
1.一种啁啾采样光栅量子级联激光器，其特征在于，包括衬底，以及在该衬底(1)上依次生长的外延层，所述外延层包括上限制层(5)；其中，在所述上限制层(5)的上表面具有啁啾采样光栅(6)，该啁啾采样光栅包括啁啾区和采样光栅。2.根据权利要求1所述的啁啾采样光栅量子级联激光器，其特征在于：所述啁啾采样光栅(6)的材料为InGaAs/InP，深度为0.05～0.2μm。3.根据权利要求1所述的啁啾采样光栅量子级联激光器，其特征在于：所述啁啾采样光栅(6)的啁啾区长度占激光器总长度的25％～100％；所述啁啾采样光栅(6)的采样光栅的采样周期为8～20μm，采样占空比沿腔长方向从左至右由90％均匀变化至50％。4.根据权利要求1所述的啁啾采样光栅量子级联激光器，其特征在于，外延层还包括：下波导层(2)，生长在衬底上；下限制层(3)，生长在下波导层上；有源层(4)，生长在下限制层上；上波导层(7)，生长在上限制层上；高掺接触层(8)，生长在上波导层上。5.根据权利要求1所述的啁啾采样光栅量子级联激光器，其特征在于：所述的衬底(1)为N型InP衬底，掺杂浓度为2×1017～1×1018/cm3。6.根据权利要求4所述的啁啾采样光栅量子级联激光器，其特征在于：所述的下波导层(2)的材料为掺杂的InP，掺杂浓度为2×1016/cm3～3×1016/cm3，层厚为2～4μm；所述的上波导层(7)的材料为掺杂的InP，2×1016/cm3～3×1016/cm3，层厚为2...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾雪峰，王利军，顾增辉，卓宁，张锦川，刘俊岐，刘峰奇，王占国，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11