[发明专利]单片集成多波长量子级联激光器阵列结构及其制作方法

说明书

一种单片集成多波长量子级联激光器阵列结构及其制作方法，其中，激光器阵列结构包括形成于衬底上，脊型的阵列直条区、分布布拉格反射区和光束组合区；阵列直条区，形成呈阵列结构的多个解离腔；分布布拉格反射区，与阵列直条区结合形成呈阵列结构的多个完整谐振腔；光束组合区，用于将呈阵列结构的多个完整谐振腔耦合集成，实现光束多波长连续同轴输出；阵列直条区、分布布拉格反射区和光束组合区由下至上依次包括：下波导层、下限制层、有源层、上限制层、上波导层和欧姆接触层；在上限制层对应分布布拉格反射区刻蚀形成二级光栅。本发明一方面实现集成阵列单元单纵模输出；另一方面实现无损耦合，实现室温多波长连续同轴输出。

技术领域

本发明涉及红外半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种单片集成多波长量子级联激光器阵列结构及其制作方法。

背景技术

波长为3-30μm的中红外波段由于其特殊的光谱位置，大量分子的指纹吸收峰位于该波段，使其在光谱和远距离传感等科学技术领域中具有十分广阔的应用前景。例如很多气体分子在室温下的碰撞频率和等离子体振动频率、许多生物大分子的转动和振动能级处于中红外波段，因此可以通过中红外光谱来识别重要的物质信息，对毒品、爆炸物等进行检测，以及研究物质内部的非线性动力学过程；还可以通过生物分子在这个波段独特的响应进行医疗诊断。之前，由于缺乏高性能的室温中红外激光器，分子光谱传感主要使用傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪，这种检测方式需要预先制备样品，对于危险化学物品的监测和检测是非常不利的。此外，FTIR型光谱仪使用宽带热源，该热源仅能产生连续的黑体辐射，导致每个波长的功率都很低，所以它们在低浓度化学物质探测方面受到极大限制，而采用窄线宽中红外激光器的红外光学技术已被证明能够达到百万分之一(ppb)的精度。目前传统可用的中红外光源，除了量子级联激光器之外，还包括光参量振荡器(OPO)、二氧化碳激光器和带间级联激光器，这些辐射源由于系统较为复杂、电光转化效率低、体积庞大、输出功率较低、工作温度较低、波长覆盖范围较小等因素阻碍了其在光谱传感中的广泛应用。量子级联激光器中InGaAs为阱，InAlAs为垒，交替构成耦合量子阱结构，通过调整有源区阱垒厚度和组分对波长进行自由设计剪裁，可实现激射波长中远红外至太赫兹波段的覆盖。迄今为止，量子级联激光器已经实现3.0-11.5μm的室温连续工作，最高单管连续输出功率达到5.1W，且主要应用于光谱传感的分布式反馈(DFB)QCL，最大连续输出功率超过2.4W。此外通常的高精度检测仅依靠分子的单一特征吸收线，这并不足以完全确定其类型或排除常见的背景干扰，尤其在生物大分子检测领域，仅依靠一种气体分子的特定吸收线很难确保其检测精度，而通过多波长的数据采集来区分具有类似指纹吸收线的气体，可以极大地提高检测可靠性，降低探测失误率。目前用于光谱传感的可调谐量子级联激光器，包括外腔量子级联激光器(EC QCL)、单片多驱量子级联激光器和量子级联激光器阵列。EC QCL系统通过高精度步进电机调控闪耀光栅来提供波长选择性反馈。理想情况下，调谐范围可以覆盖整个材料增益区，但各模式的自由调谐受限于其机械调谐系统，且车载和便携化受限于其较差的抗震性而难有进展。单片多驱量子级联激光器通过调节前后采样光栅(SGDFB)注入电流，改变其反射谱重叠区域，实现波长调谐。在多数情况下，输出功率可达百毫瓦级，边模抑制比超过20dB，但是此装置操作复杂，由于模式竞争和空间烧孔效应，通常观测到的调谐行为与理论预测存在偏差。关于多波长量子级联激光器阵列，其基本理念是将多个不同波长的单模QCL制作到同一个芯片上，通过合理设计波长间隔，以实现大范围连续调谐。多波长阵列所面临的最大挑战在于如何精确控制每个单元的输出模式。目前国际上最成功且最常用的纵向模式选择方式是基于折射率耦合光栅的分布反馈(DFB)，通过严格控制DFB光栅的耦合强度以及合理的腔面设计优化，确保了高低频模式之间的单一模式输出。但是由于多波长量子级联激光器阵列必然存在多个输出端口，输出光束高度分散，通常慢轴上的远场发散角可达60°，仅通过单一聚焦透镜很难实现阵列光束准直优化。2015年MIT采用开环外腔光谱合束系统，可以将阵列光束慢轴发散偏离降低40倍以上。尽管与EC QCLs相比并不涉及移动组件，但是由于系统包括多个分立部件，且体积庞大，整体抗震性依旧很差。由于QCLs是基于半导体材料体系，因此非常适于发展大规模光子集成电路(PICs)，而完全集成的器件必然具有极好的稳定性和便携性。2016年美国西北大学M.Razeghi组采用双段SGDFB，进行8单元多波长阵列片上合束，但是其最大阵列单元脉冲峰值不超过5mW，且大部分阵列单元无法观测到有效激射。通过优化有源区增益，优化激光耦合方案以减小光模式在波导内干涉损耗，并在输出腔面镀宽带减反膜以抑制光束组合器自激，实现了脉冲毫瓦量级激射。不过由于设计不完善，集成阵列单元初始功率较低，电光转化效率低，无法实现连续输出，虽通过在光束组合器部分施加同步电流，增加了输出功率，但其操作方式也极为复杂。