具有在掺杂中周期性变化所形成的光栅的量子级联激光器制造技术

可以通过在掺杂级中引入周期性变化来制作用于量子级联激光器和中红外波长垂直空腔表面发射激光器的掺杂衍射光栅，所述掺杂级导致周期性的折射率变化。典型情况下，通过使用ｎ型掺杂剂来实现掺杂。

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
量子级联激光器(Quantum cascade lasersQCL)使用电子子带间跃迁来在半导体超点阵中进行发射激光的动作。由于光被子带间跃迁有力地发射或吸收，所以所述光的电场一般垂直于外延层，并且量子势阱中的子带间跃迁主要吸收或发射横磁(TM)偏振光。表面等离子体激光(Surface plasmons)是沿着金属和半导体界面传播的TM偏振波。表面等离子体激光的振幅在所述界面的两侧按指数关系下降。表面等离子体激光是相当有损耗的，并且在所述表面等离子体激光模和发射激光模之间的任何耦合都是不希望的，这是因为此耦合对激光器来说带来了附加的损耗机制。由于不太可能使覆层生长得足够厚以便包含在诸如QCL之类的子带间半导体激光器的较长发射波长时存在的横模的长易消失的尾部，所以对于QCL中的横模限制，已经引入了等离子体激光波导结构。等离子体激光波导结构通过使用高掺杂(doping)来增加折射率对比度以便显著地降低覆层的折射率，从而提供了对光的限制。当掺杂级足够高时，半导体的等离子频率接近QCL发射频率，使得所述半导体的光学特性变得更像金属，其复折射率为n+ik，其中具有较小的实部n以及较大的虚部k。调整等离子体激光波导结构的掺杂和厚度，从而优化了模态损耗和具有量子级联增益的重叠。对于等离子体激光限制而言，用于在可见和近红外波长中掺杂的要求典型情况下太高而难于实施。然而，在一般与QCL相关联的较长、中和远红外(IR)波长时，数量级大约为1018/cm3左右的掺杂级足以降低覆层对于所述QCL的工作波长的折射率，以便提供横模限制。
技术实现思路
依照本专利技术，可以通过引入掺杂级的周期性变化来制作用于QCL和中红外波长VCSEL的掺杂衍射光栅，所述掺杂级的周期性变化会导致周期性折射率变化。典型情况下，通过使用n型掺杂剂来实现掺杂。将掺杂的衍射光栅置于QCL的波导区域中提供了用于稳定发射波长的分布布喇格反射器(distributed Bragg reflectorDBR)。依照本专利技术，还可以使用掺杂的衍射光栅来为中红外波长VCSEL提供DBR。附图说明图1示出了在波长为8μm时算得的InP的实数折射率和损耗的掺杂相关性。图2a示出了对于依照本专利技术的20、40、60、80和100个镜偶，DBR反射率与掺杂级别的对比。图2b示出了对于依照本专利技术的不同半导体散射时间，DBR反射率与掺杂级别的对比。图3a示出了依照本专利技术的QCL结构。图3b示出了示意性横截面。图3c示出了依照本专利技术的QCL结构。图3d示出了依照本专利技术的VCSEL结构。图4a示出了依照本专利技术的用于制作掺杂光栅的方法。图4b示出了依照本专利技术的用于制作掺杂光栅的方法。图5a-c示出了依照本专利技术的用于制作掺杂光栅的方法。具体实施例方式在数量级大约为1018/cm3的重掺杂级足以在InP层导致明显的折射率降低。在图1中，曲线101示出了对于具有InP覆层、以8μm工作的QCL，如果把掺杂级从1-2×1017/cm3增加到5×1018/cm3，那么这对应于实数折射率从大约3.1降低到大约2.6。图1中的曲线102示出了根据掺杂级所增加的损耗。依照本专利技术，可以使用掺杂的周期性变化来生成衍射光栅。对于掺杂变化的典型周期L由下式给出L＝λ/2neff，其中neff是有效的折射率并且λ是波长。掺杂周期的典型值的数量级约为1μm。作为选择，可以通过使用λ/2neff的奇数倍——(2m+1)λ/2neff来定义较高数量级的光栅，其中m是正整数。如果将该衍射光栅适当地定位在QC激光器的波导区域中，诸如InP覆层或波导芯，那么衍射光栅可以用作分布布喇格反射器(DBR)来控制所述发射波长。光栅强度可以由掺杂浓度以及重掺杂区域以及波导芯附近的厚度来控制。在一般与QCL相关联的长波长时掺杂所引起的折射率降低比得上或大于一般由常规的较短波长结构所实现的折射率的降低，所述较短波长结构依赖于合成的变化以便实现折射率的变化。然而，所实现的大折射率步长与大吸收损耗相关联。吸收损耗和折射率步长都随掺杂级增大而增加。因此，在希望的大折射率步长和不希望的大吸收损耗之间存在权衡。依照本专利技术，图2a示出了对于具有不同数目镜偶的DBR而言，峰值反射率R/单位为1×1018/cm3的掺杂级Lo。曲线205、210、215、220、225和230分别对应于20、40、60、80和100个镜偶。从图2a中很明显地看出，反射率R一般在宽掺杂级Lo范围内饱和到大约为0.9的峰值反射率。例如，用于表示20个镜偶的曲线205在大约5×1018/cm3的掺杂级Lo时饱和到大约为0.9的峰值反射率，并且用于表示100个镜偶的曲线230在大约1×1018/cm3的掺杂级Lo时饱和到大约为0.9的峰值反射率。由此可见，当较高的掺杂级Lo增加了折射率步长时，也增加了吸收损耗以致限制了峰值反射率。从图2a中很明显地看出，DBR的设计细节对精确的掺杂级和所选择的特定数目的镜偶来说相对并不那么敏感。然而最终，吸收损耗限制了能够实现的DBR的质量。在图2a中所示出的曲线205、210、215、220、225和230假定了对于用于计算所述曲线的半导体Drude模型来说散射时间为0.1ps。图2b示出了对于具有50个镜偶的DBR而言，依照本专利技术散射时间的变化怎样影响DBR反射率。曲线235、240、245和250分别对应于散射时间0.05ps、0.1ps、0.15ps和0.2ps。曲线235、240、245和250表明依照本专利技术，对于DBR来说，较大的散射时间典型情况下会产生较高的峰值反射率。因此，使用具有较大散射时间的材料典型情况下会产生较好的DBR。例如，对于InP材料，典型情况下散射时间在大约1×1018/cm3的掺杂级Lo时大约为0.1ps。在图2a-b中所示出的结果并没有考虑DBR区域与波导模的重叠。典型情况下，在典型的InP QCL 350中波导的上部覆层中存在10％到20％的波导模限制(参见图3a)。因此，如果在整个上部覆层中形成DBR，那么可以根据在图2a-b中所示出的结果将DBR的强度降低一定数量级。反射率R被定义为R＝tanh2κL(1)其中κ被定义为κ＝2ΓΔn/λ (2) 其中Δn是在DBR的镜偶之间的折射率步长。方程式(2)中DBR 354的横截面与波导模横截面399的重叠Γ(参见图3b)由下式给出 其中积分式是波导沿着传播方向的法线方向的横截面积。实现在图2a-b中所示出的反射率值R于是要求DBR的镜偶增加一定数量级。例如，如果整个上部覆层用来以5×1018/cm3的掺杂级Lo来创建具有200个镜偶的DBR，那么图2a-b表明可以实现具有大约为0.8到0.9反射率的DBR。与波导模具有较少重叠的DBR可能会要求按比例更长的光栅以便实现0.8到0.9的反射率。图3a示出了依照本专利技术的实施例的具有波导模399的QCL 350。包含DBR元件356和355的DBR镜偶357形成位于覆层区域360中的DBR 354的一部分。DBR元件356在掺杂级上不同于DBR元件355。DBR元件355和356之间的掺杂级的差异导致DBR元件356和DBR元件355之间对发射波长的折射率差异。DBR 354用作QCL 350的反向反本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种边缘发射半导体激光器，包括：　　　　波导层，包括覆层和波导芯；和　　　　位于所述波导层中的分布布喇格反射器，用于控制发射波长，所述分布布喇格反射器包括多个镜偶，其中所述镜偶的第一构件与所述镜偶的第二构件相差较高的掺杂级以便产生折射率差异。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：SW科尔齐恩，DP布尔，GE霍夫勒，
申请(专利权)人：阿瓦戈科技光纤IP新加坡股份有限公司，
类型：发明
国别省市：SG[新加坡]