四波長輸出半導體激光器及其制備方法技術

一種四波長輸出半導體激光器及其制備方法，該激光器為近紅外邊發(fā)射激光器，采用上下DBR帶代替現(xiàn)有上下限制層結(jié)構，且利用在一維光子晶體中插入缺陷層，實現(xiàn)將光子帶隙中的光限制在缺陷層的效果，具體包括：GaAs襯底、下DBR層、下匹配層、下波導層、有源區(qū)、上波導層、上匹配層、上DBR層、接觸層、絕緣層和P型電極；其中上DBR層和接觸層經(jīng)刻蝕形成脊形波導和雙電極結(jié)構。本發(fā)明專利技術能通過半導體激光器內(nèi)部模式匹配獲得四種不同波長的輸出，且通過控制其中一端電極可獲得調(diào)諧激光器的波長以及轉(zhuǎn)換激光器工作狀態(tài)的效果，基于此結(jié)構的器件首次同時獲得1.069μm、1.353μm、1.77μm、2.71μm的連續(xù)以及脈沖輸出。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術涉及近紅外邊發(fā)射激光器，特別是涉及一種四波長輸出半導體激光器及其制備方法。
技術介紹
不同波長的激光都有著它獨特的應用范圍，1-2μm波段的激光在激光測距、激光制導、相干研究、大氣研究、醫(yī)療器械、光學圖像處理、激光打印機、短距離光纖通信、長距離光纖通信中有重要的應用，2-5μm波段則可以廣泛應用于大氣污染監(jiān)測、氣體檢測等民用項目，5μm以上的波段在光電對抗等軍用項目中多有應用。而由于激光增益材料的限制，激光波長往往被限制在特定的波長。其他特殊的波長只能唯一通過光學參量轉(zhuǎn)換的方法獲得。但是目前利用PPLN(PeriodicallyPoledLithiumNiobate，周期性極化鈮酸鋰)等非線性晶體的光學參量振蕩器光路復雜、體積較大且價格昂貴。同時當前最具實用價值的量子通信中所需要的糾纏態(tài)光子對，以及糾纏態(tài)多光子只能利用非線性轉(zhuǎn)換途徑獲得。量子通信中單光子頻率轉(zhuǎn)換也只能靠非線性效應保持單光子態(tài)。體積大、價格貴和光路復雜的光學參量轉(zhuǎn)換設備限制著量子通信的快速發(fā)展。一種可靠的、小型化的非線性轉(zhuǎn)換器件是目前迫切需求的。此外，GaAs基激光器由于襯底的限制，被認為無法發(fā)射1.5μm以上的信號，因此有最成熟的工藝的GaAs基激光器卻沒有辦法用在2μm以上的波段當中；并且PPLN作為非線性轉(zhuǎn)換核心器件轉(zhuǎn)換波長范圍為0.4-5μm，沒有辦法用在5μm以上的波段當中，而AlGaAs作為非線性轉(zhuǎn)換核心器件轉(zhuǎn)換波長范圍為0.7-17μm，且二階非線性系數(shù)遠高于PPLN。因此，如何將兩者結(jié)合，從而在成熟的GaAs基激光器制造工藝上結(jié)合相位匹配技術來實現(xiàn)更高波段激光的發(fā)射，也是現(xiàn)在迫切需要解決的技術問題。
技術實現(xiàn)思路
有鑒于此，本專利技術的主要目的在于提供一種四波長輸出半導體激光器及其制備方法，以解決上述技術問題中的至少之一。為了實現(xiàn)上述目的，本專利技術提供了一種四波長輸出半導體激光器，其特征在于，所述半導體激光器為近紅外邊發(fā)射激光器，采用上下DBR帶代替現(xiàn)有邊發(fā)射激光器中的上下限制層結(jié)構，且利用在一維光子晶體中插入缺陷層的方法，來實現(xiàn)將光子帶隙中的光限制在缺陷層的效果。其中，所述半導體激光器包括：N型GaAs襯底、下DBR層、下匹配層、AlGaAs下波導層、有源區(qū)、AlGaAs上波導層、上匹配層、上DBR層、P型GaAs接觸層、絕緣層和P型電極；其中，所述上DBR層和P型GaAs接觸層經(jīng)刻蝕和腐蝕形成脊形波導和雙電極結(jié)構。其中，所述上DBR層和下DBR層均通過AlGaAs、GaAs交替生長來形成，AlGaAs和GaAs的厚度按照以下公式計算：其中，DAlGaAs為AlGaAs的厚度、nAlGaAs為AlGaAs材料的折射率、DGaAs為GaAs的厚度、nGaAs為GaAs材料的折射率、λ為有源區(qū)材料的發(fā)光波長，neff為激光腔內(nèi)模式的有效折射率。其中，所述上DBR層、下DBR層中AlGaAs和GaAs的對數(shù)為三對或三對以上，摻雜水平為5E17到4E18。其中，其中所述下匹配層包括N型GaAs第三下匹配層、N型AlGaAs第二下匹配層和N型GaAs第一下匹配層；作為優(yōu)選，所述N型GaAs第三下匹配層的摻雜水平為5E17-4E18，厚度為100-500nm；作為優(yōu)選，所述N型AlGaAs第二下匹配層的摻雜水平為1E17-2E18，厚度為250nm-700nm。作為優(yōu)選，所述N型GaAs第一下匹配層的摻雜水平為5E16-5E17，厚度為250nm-650nm。其中，所述AlGaAs下波導層的摻雜水平小于1E17，厚度為200-1100nm：作為優(yōu)選，所述有源區(qū)采用非摻雜的InGaAs材料，所述InGaAs材料為1-4層，所述有源區(qū)的總厚度為4-10nm；作為優(yōu)選，所述AlGaAs上波導層的摻雜水平小于1E17，厚度為200-1100nm。其中，所述上匹配層包括P型GaAs第一上匹配層、P型AlGaAs第二上匹配層和P型GaAs第三上匹配層；作為優(yōu)選，所述P型GaAs第一上匹配層的摻雜水平為5E16-5E17，厚度為250-650nm。作為優(yōu)選，所述P型AlGaAs第二上匹配層的摻雜水平為1E17-2E18，厚度為250-700nm。作為優(yōu)選，所述P型GaAs第三上匹配層的摻雜水平為5E17-4E18，厚度為100-500nm。作為優(yōu)選，所述P型電極采用Ti/Au制備，Ti厚度為50nm，Au厚度為600-1000nm。作為本專利技術的另一個方面，本專利技術還提供了一種四波長輸出半導體激光器的制備方法，包括如下步驟：步驟1：準備一GaAs襯底；步驟2：在所述GaAs襯底上依次形成下DBR層、下匹配層、AlGaAs下波導層、InGaAs多量子阱有源區(qū)、AlGaAs上波導層、上匹配層、上DBR層和P型GaAs接觸層；步驟3：采用光刻技術和刻蝕技術，從所述P型GaAs接觸層向下刻蝕，刻蝕深度到達上匹配層上表面，形成脊形波導結(jié)構；步驟4：采用光刻技術和腐蝕技術，去除部分脊型波導P型GaAs接觸層；步驟5：在步驟4制得的半成品上蒸鍍SiO2，并通過光刻技術和腐蝕技術去除所述脊型波導上的SiO2，隨后濺射Ti/Au，形成P型電極；步驟6：采用光刻技術和腐蝕技術，去除步驟4中除去P型GaAs接觸層的區(qū)域之上的Ti/Au，使所述P型電極形成雙電極結(jié)構，從而制得所述半導體激光器。其中，所述上DBR層和下DBR層均通過AlGaAs、GaAs交替生長來形成；其中，所述下DBR層包含N型摻雜的GaAs材料和N型摻雜的AlGaAs材料，所述AlGaAs材料的組分比例為Al0.3-0.7GaAs，厚度為200-700nm，所述GaAs材料的厚度為100-400nm，摻雜水平為5E17到4E18；其中，所述上DBR層包含P型摻雜的GaAs材料和P型摻雜的AlGaAs材料，所述AlGaAs材料的組分比例為Al0.3-0.7GaAs，厚度為200-700nm，所述GaAs材料的厚度為100-400nm，摻雜水平為5E17到4E18；其中，所述下匹配層包括N型GaAs第三下匹配層、N型AlGaAs第二下匹配層和N型GaAs第一下匹配層；所述N型GaAs第三下匹配層的摻雜水平為5E17-4E18，厚度為100-500nm；所述N型AlGaAs第二下匹配層的摻雜水平為1E17-2E18，厚度為250-700nm；所述N型GaAs第一下匹配層的摻雜水平為5E16-5E17，厚度為250-650nm；其中，所述AlGaAs下波導層的摻雜水平小于1E17，厚度為200-1100nm；所述有源區(qū)采用非摻雜的InGaAs材料，厚度為4-10nm；所述AlGaAs上波導層的摻雜水平小于1E17，厚度為200-1100nm；其中，所述上匹配層包括P型GaAs第一上匹配層、P型AlGaAs第二上匹配層和P型GaAs第三上匹配層；所述P型GaAs第一上匹配層的摻雜水平為5E16-5E17，厚度為250-650nm；所述P型AlGaAs第二上匹配層的摻雜水平為1E17-2E18，厚度為250-700nm；所述P型GaAs第三上匹配層的摻雜水平為5E17-4E18，厚度為100-500nm；其中，所述P型電極采用Ti/Au制備，Ti厚度為50nm，Au厚度為600-1000nm。其本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種四波長輸出半導體激光器，其特征在于，所述半導體激光器為近紅外邊發(fā)射激光器，采用上下DBR帶代替現(xiàn)有邊發(fā)射激光器中的上下限制層結(jié)構，且利用在一維光子晶體中插入缺陷層的方法，來實現(xiàn)將光子帶隙中的光限制在缺陷層的效果。

【技術特征摘要】
1.一種四波長輸出半導體激光器，其特征在于，所述半導體激光器為近紅外邊發(fā)射激光器，采用上下DBR帶代替現(xiàn)有邊發(fā)射激光器中的上下限制層結(jié)構，且利用在一維光子晶體中插入缺陷層的方法，來實現(xiàn)將光子帶隙中的光限制在缺陷層的效果。2.如權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于，所述半導體激光器包括：N型GaAs襯底、下DBR層、下匹配層、AlGaAs下波導層、有源區(qū)、AlGaAs上波導層、上匹配層、上DBR層、P型GaAs接觸層、絕緣層和P型電極；其中，所述上DBR層和P型GaAs接觸層經(jīng)刻蝕形成脊形波導和雙電極結(jié)構。3.如權利要求2所述的半導體激光器，其特征在于，所述上DBR層和下DBR層均通過AlGaAs、GaAs交替生長來形成，AlGaAs和GaAs的厚度按照以下公式計算：DAlGaAs=λ4nAlGaAs2-neff2;]]>DGaAs=λ4nGaAs2-neff2;]]>其中，DAlGaAs為AlGaAs的厚度、nAlGaAs為AlGaAs材料的折射率、DGaAs為GaAs的厚度、nGaAs為GaAs材料的折射率、λ為有源區(qū)材料的發(fā)光波長，neff為激光腔內(nèi)模式的有效折射率。4.如權利要求3所述的半導體激光器，其中所述上DBR層、下DBR層中AlGaAs和GaAs的對數(shù)為三對或三對以上，摻雜水平為5E17到4E18。5.如權利要求2所述的半導體激光器，其特征在于，其中所述下匹配層包括N型GaAs第三下匹配層、N型AlGaAs第二下匹配層和N型GaAs第一下匹配層；作為優(yōu)選，所述N型GaAs第三下匹配層的摻雜水平為5E17-4E18，厚度為100-500nm；作為優(yōu)選，所述N型AlGaAs第二下匹配層的摻雜水平為1E17-2E18，厚度為250nm-700nm；作為優(yōu)選，所述N型GaAs第一下匹配層的摻雜水平為5E16-5E17，厚度為250nm-650nm。6.如權利要求2所述的半導體激光器，其特征在于，所述AlGaAs下波導層的摻雜水平小于1E17，厚度為200-1100nm；作為優(yōu)選，所述有源區(qū)采用非摻雜的InGaAs材料，所述InGaAs材料為1-4層，所述有源區(qū)的總厚度為4-10nm；作為優(yōu)選，所述AlGaAs上波導層的摻雜水平小于1E17，厚度為200-1100nm。7.如權利要求2所述的半導體激光器，其特征在于，所述上匹配層包括P型GaAs第一上匹配層、P型AlGaAs第二上匹配層和P型GaAs第三上匹配層；作為優(yōu)選，所述P型GaAs第一上匹配層的摻雜水平為5E16-5E17，厚度為250-650nm；作為優(yōu)選，所述P型AlGaAs第二上匹配層的摻雜水平為1E17-2E18，厚度為250-700nm；作為優(yōu)選，所述P型GaAs第三上匹配層的摻雜水平為5E17-4E18，厚度為100-500nm；作為優(yōu)選，所述P型電極采用Ti/Au制備，Ti厚度為50nm，Au厚度為600-1000nm。8.一種四波長輸出半導體激光器的制備方法，包括如下步驟：步驟1：準備一...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：魏思航，張宇，廖永平，倪海橋，牛智川，
申請(專利權)人：中國科學院半導體研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11