[发明专利]垂直发射量子级联激光器结构

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种垂直发射量子级联激光器结构。该结构的独特之处在于，将表面等离子波导引入二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器中，可以实现高的垂直耦合效率，同时简化了材料生长和光栅制备工艺。

背景技术

波长为8~12μm的量子级联激光器在大气环境监测与红外对抗等领域中具有十分广阔的应用前景。与常规的法布里-珀罗腔量子级联激光器所具有的多模工作和边发射不同，垂直发射量子级联激光器同时具备单模工作和垂直发射的优点，在实际的应用中能够实现二维集成和在线检测，因此正在得到广泛的关注和研究。

当前的垂直发射量子级联激光器主要有二维光子晶体分布反馈垂直发射量子级联激光器和二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器。其中，二维光子晶体分布反馈垂直发射量子级联激光器要求其光子晶体图形具备很高的纵横比，同时要求其填充因子或者吸收边能够精确设计和控制，但是制作满足这些要求的光子晶体图形，对于目前的光刻工艺，却是一个很大的挑战。而相比之下，二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器其光栅制备工艺相对简单，因此成为了国际上垂直发射量子级联激光器研究的一个热点，并在过去的十年当中已经得到了深入的研究。

尽管对二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器的深入研究已经取得了较多的成果，包括室温脉冲激射和0.4度的远场发散角，但是这些研究大部分都是基于传统的介质波导结构。介质波导二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器虽然具有具有较低的光学损耗，但是其很厚的波导层使得材料生长非常困难，同时其光栅要求刻蚀很深，这又使得刻蚀工艺很复杂。所以设计一种能够简化材料生长和光栅制作工艺，同时又能提高垂直耦合效率的二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器结构是一个亟待解决的问题，而本专利就是为此而发明的。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种表面等离子波导二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器结构。该结构采用很薄的接触层代替了传统介质波导二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器中很厚的波导层，因此简化了材料生长；同时仅仅采用金属光栅就实现了很强的耦合，并不需要刻蚀半导体层，这简化了刻蚀工艺。另外，表面等离子波导的采用使得激光器光场和光栅的交叠增加，同时通过优化光栅中金属的占空比，最终获得了很强的垂直耦合效率。

本发明提供一种垂直发射量子级联激光器结构，包括：

一衬底，在该衬底上依次生长有波导层、有源层和接触层；

金属光栅层，该金属光栅层位于接触层的上面，并且该金属光栅层具有二级布拉格周期。

其中所述的衬底为InP衬底。

其中所述的波导层的材料为InGaAs，该波导层为n型掺杂，掺杂浓度为6×10¹⁶cm^-3，层厚为0.55μm。

其中所述的有源层由40个周期的InGaAs/InAlAs组成，该有源层对应的波长为8-12μm。

其中所述的接触层的材料为InGaAs，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，层厚为0.05μm。

其中所述的金属光栅层的材料为银，该金属光栅层14的厚度为0.25μm，金属的占空比为0.55。

其中所述的金属光栅层在接触层的上面分为4段结构。

附图说明

为了进一步说明本发明的特征和效果，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明的实施例，其是等离子波导二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器的波导和二级光栅结构的截面示意图。

图2为按图1所述的实施例中，等离子波导二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器的耦合系数随着金属光栅占空比的变化关系图。

图3为按图1所述的实施例中，不同腔长的等离子波导二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器的垂直耦合效率随着金属光栅占空比的变化关系图。

图4为按图1所述的实施例中，不同腔长的等离子波导二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器的阈值增益随着金属光栅占空比的变化关系图。

具体实施方式

请参阅图所示，本发明提供一种垂直发射量子级联激光器结构，包括：