[发明专利]一种可调谐衬底发射量子级联激光器阵列器件

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种中红外波长可调谐衬底发射量子级联阵列器件，更具体而言，是基于取样布拉格光栅技术制备的二级分布反馈量子级联激光器阵列衬底发射器件。

背景技术

量子级联激光器(QCL)是一种基于电子的共振隧穿及子带跃迁的新型半导体激光器，其波长可以覆盖3～24um的波段，这一波段覆盖了诸如CO₂、CO、SO₂、N₂、NH₃等气体的分子吸收峰，因此QCL在气体探测和环境监测方面有着重要的应用前景。

要进行环境中多种气体的同时探测，QCL需要满足两方面的特点：其一为单模；其二为波长可调谐；针对以上两方面的需求，科学家给出了很多种解决方案：普通DFB激光器[C.Gmachl，A.Straub，R.Colombelli，F.Cappasso，et.al，IEEE J.Quantum Electron.38，569(2002)]能够实现单模输出，但调谐范围有限；外腔量子级联激光器[R.Maulini，M.Beck，J.Faist，and E.Gini，Appl.Phys.Lett.84，1659(2004)]可以实现室温脉冲宽调谐的目的，但是外腔QCL系统复杂，对于光学器件、准直光路有很高的要求，成本高，不利系统小型化和产业化；尽管常规边发射DFB-QCL阵列器件[Benjamin G.Lee，Mikhail A.Belkin，ROss Audet，et.al，Appl.Phys.Lett91，233301(2007)]可以单片集成多个不同光栅周期的DFB激光器，从而实现单模、宽调谐的目的，但其仍然存在光束质量不高，远场发散角比较大的本征性缺点，从而极大影响了量子级联激光器的实际应用。

面发射QCL阵列器件可以实现单片集成多个面发射分布反馈量子级联激光器单元，其中每个单元的脊波导中具有不同取样光栅周期，从而实现不同波长激光的单模激射，达到宽调谐的目的。面发射量子级联激光器具有远场发散角小和单模工作的优点，十分有利于将激光器耦合进光学系统等实际应用，而且衬底面发射器件能够采用倒焊的方式，加强了激光器散热能力，更有利于实现室温连续工作。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述一个问题或多个问题，本发明提供一种可调谐衬底发射量子级联激光器阵列器件，可以实现单片集成多个不同波长的面发射DFB单元，同时采用阵列器件倒焊技术，不仅能够实现QCL单模、可调谐的特点，而且能够提供室温连续工作的低发散角、高质量光束衬底发射QCL光源。

本发明提供一种可调谐衬底发射量子级联激光器阵列器件，其特征在于，包括，

一衬底，其上依次生长有下波导层、下限制层、有源区、上限制层、上波导层、梯度掺杂盖层和高掺层；

一阵列器件，其包含多个DFB激光器单元，每个DFB激光器单元具有脊型波导结构，脊两侧的双沟腐蚀至有源区的下表面，脊上面的高掺层上刻蚀有二级布拉格取样光栅结构，不同DFB激光器单元脊型波导结构上面的二级布拉格取样光栅具有不同的取样周期；

一二氧化硅层，其覆盖了整个脊型波导结构的表面区域；

一正面电极层，其生长在二氧化硅层的上面及所述二级布拉格取样光栅上面；

一电隔离沟，其位于阵列器件两个相邻的DFB激光器单元的脊型波导之间；

一背面金属电极层，其生长在在衬底的下表面；

一出光窗口，其位于衬底下表面未被背面金属电极层覆盖的位置，每个DFB激光器单元的脊型波导均对应一个出光窗口；

其中，阵列器件前后腔面蒸镀高反膜，形成完整的量子级联激光器阵列器件。

本发明将能够发射不同波长的单模面发射QCL阵列单元集成为一个器件，同时采用倒焊的工艺，不仅能够保证器件的单模、可调谐及高质量的光束特点，而且还可以实现阵列器件的室温连续工作，从而能够为气体探测的应用提供高质量的QCL光源。

本发明提出的上述阵列器件，可以简化阵列器件的制备工艺，将全息曝光和光学曝光取样技术用于量子级联激光器阵列调谐器件中，可以实现器件的单模、宽调谐的目的。同时上述器件设计为衬底面发射，将倒装焊技术引入其中，可以获得室温连续工作的QCL阵列器件。

附图说明

图1为本发明中可调谐衬底发射量子级联激光器阵列器件的示意图；

图2为本发明中为制备二级布拉格取样光栅结构所使用的取样光刻版示意图。

图3为本发明中高掺层上二级布拉格取样光栅结构沿腔长方向的横截面示意图。