四波长输出半导体激光器及其制备方法与流程

本发明涉及近红外边发射激光器，特别是涉及一种四波长输出半导体激光器及其制备方法。

背景技术：

不同波长的激光都有着它独特的应用范围，1-2μm波段的激光在激光测距、激光制导、相干研究、大气研究、医疗器械、光学图像处理、激光打印机、短距离光纤通信、长距离光纤通信中有重要的应用，2-5μm波段则可以广泛应用于大气污染监测、气体检测等民用项目，5μm以上的波段在光电对抗等军用项目中多有应用。而由于激光增益材料的限制，激光波长往往被限制在特定的波长。其他特殊的波长只能唯一通过光学参量转换的方法获得。但是目前利用PPLN(Periodically Poled Lithium Niobate，周期性极化铌酸锂)等非线性晶体的光学参量振荡器光路复杂、体积较大且价格昂贵。

同时当前最具实用价值的量子通信中所需要的纠缠态光子对，以及纠缠态多光子只能利用非线性转换途径获得。量子通信中单光子频率转换也只能靠非线性效应保持单光子态。体积大、价格贵和光路复杂的光学参量转换设备限制着量子通信的快速发展。一种可靠的、小型化的非线性转换器件是目前迫切需求的。

此外，GaAs基激光器由于衬底的限制，被认为无法发射1.5μm以上的信号，因此有最成熟的工艺的GaAs基激光器却没有办法用在2μm以上的波段当中；并且PPLN作为非线性转换核心器件转换波长范围为0.4-5μm，没有办法用在5μm以上的波段当中，而AlGaAs作为非线性转换核心器件转换波长范围为0.7-17μm，且二阶非线性系数远高于PPLN。因此，如何将两者结合，从而在成熟的GaAs基激光器制造工艺上结合相位匹配技术来实现更高波段激光的发射，也是现在迫切需要解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种四波长输出半导体激光器及其制备方法，以解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，本发明提供了一种四波长输出半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器为近红外边发射激光器，采用上下DBR带代替现有边发射激光器中的上下限制层结构，且利用在一维光子晶体中插入缺陷层的方法，来实现将光子带隙中的光限制在缺陷层的效果。

其中，所述半导体激光器包括：N型GaAs衬底、下DBR层、下匹配层、AlGaAs下波导层、有源区、AlGaAs上波导层、上匹配层、上DBR层、P型GaAs接触层、绝缘层和P型电极；

其中，所述上DBR层和P型GaAs接触层经刻蚀和腐蚀形成脊形波导和双电极结构。

其中，所述上DBR层和下DBR层均通过AlGaAs、GaAs交替生长来形成，AlGaAs和GaAs的厚度按照以下公式计算：

其中，D_AlGaAs为AlGaAs的厚度、n_AlGaAs为AlGaAs材料的折射率、D_GaAs为GaAs的厚度、n_GaAs为GaAs材料的折射率、λ为有源区材料的发光波长，n_eff为激光腔内模式的有效折射率。

其中，所述上DBR层、下DBR层中AlGaAs和GaAs的对数为三对或三对以上，掺杂水平为5E17到4E18。

其中，其中所述下匹配层包括N型GaAs第三下匹配层、N型AlGaAs第二下匹配层和N型GaAs第一下匹配层；

作为优选，所述N型GaAs第三下匹配层的掺杂水平为5E17-4E18，厚度为100-500nm；

作为优选，所述N型AlGaAs第二下匹配层的掺杂水平为1E17-2E18，厚度为250nm-700nm。

作为优选，所述N型GaAs第一下匹配层的掺杂水平为5E16-5E17，厚度为250nm-650nm。

其中，所述AlGaAs下波导层的掺杂水平小于1E17，厚度为200-1100nm：

作为优选，所述有源区采用非掺杂的InGaAs材料，所述InGaAs材料为1-4层，所述有源区的总厚度为4-10nm；

作为优选，所述AlGaAs上波导层的掺杂水平小于1E17，厚度为200-1100nm。

其中，所述上匹配层包括P型GaAs第一上匹配层、P型AlGaAs第二上匹配层和P型GaAs第三上匹配层；

作为优选，所述P型GaAs第一上匹配层的掺杂水平为5E16-5E17，厚度为250-650nm。

作为优选，所述P型AlGaAs第二上匹配层的掺杂水平为1E17-2E18，厚度为250-700nm。

作为优选，所述P型GaAs第三上匹配层的掺杂水平为5E17-4E18，厚度为100-500nm。

作为优选，所述P型电极采用Ti/Au制备，Ti厚度为50nm，Au厚度为600-1000nm。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种四波长输出半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：准备一GaAs衬底；

步骤2：在所述GaAs衬底上依次形成下DBR层、下匹配层、AlGaAs下波导层、InGaAs多量子阱有源区、AlGaAs上波导层、上匹配层、上DBR层和P型GaAs接触层；

步骤3：采用光刻技术和刻蚀技术，从所述P型GaAs接触层向下刻蚀，刻蚀深度到达上匹配层上表面，形成脊形波导结构；

步骤4：采用光刻技术和腐蚀技术，去除部分脊型波导P型GaAs接触层；

步骤5：在步骤4制得的半成品上蒸镀SiO₂，并通过光刻技术和腐蚀技术去除所述脊型波导上的SiO₂，随后溅射Ti/Au，形成P型电极；

步骤6：采用光刻技术和腐蚀技术，去除步骤4中除去P型GaAs接触层的区域之上的Ti/Au，使所述P型电极形成双电极结构，从而制得所述半导体激光器。

其中，所述上DBR层和下DBR层均通过AlGaAs、GaAs交替生长来形成；其中，所述下DBR层包含N型掺杂的GaAs材料和N型掺杂的AlGaAs材料，所述AlGaAs材料的组分比例为Al_0.3-0.7GaAs，厚度为200-700nm，所述GaAs材料的厚度为100-400nm，掺杂水平为5E17到4E18；其中，所述上DBR层包含P型掺杂的GaAs材料和P型掺杂的AlGaAs材料，所述AlGaAs材料的组分比例为Al_0.3-0.7GaAs，厚度为200-700nm，所述GaAs材料的厚度为100-400nm，掺杂水平为5E17到4E18；

其中，所述下匹配层包括N型GaAs第三下匹配层、N型AlGaAs第二下匹配层和N型GaAs第一下匹配层；所述N型GaAs第三下匹配层的掺杂水平为5E17-4E18，厚度为100-500nm；所述N型AlGaAs第二下匹配层的掺杂水平为1E17-2E18，厚度为250-700nm；所述N型GaAs第一下匹配层的掺杂水平为5E16-5E17，厚度为250-650nm；

其中，所述AlGaAs下波导层的掺杂水平小于1E17，厚度为200-1100nm；所述有源区采用非掺杂的InGaAs材料，厚度为4-10nm；所述AlGaAs上波导层的掺杂水平小于1E17，厚度为200-1100nm；

其中，所述上匹配层包括P型GaAs第一上匹配层、P型AlGaAs第二上匹配层和P型GaAs第三上匹配层；所述P型GaAs第一上匹配层的掺杂水平为5E16-5E17，厚度为250-650nm；所述P型AlGaAs第二上匹配层的掺杂水平为1E17-2E18，厚度为250-700nm；所述P型GaAs第三上匹配层的掺杂水平为5E17-4E18，厚度为100-500nm；

其中，所述P型电极采用Ti/Au制备，Ti厚度为50nm，Au厚度为600-1000nm。

其中，所述脊形波导结构的宽度为3.5-6μm，长度为600μm-2mm；以及

步骤4中被去除的P型GaAs接触层的宽度和所述脊型波导结构的宽度一致，长度为5-30μm，以最终能在所述双电极之间提供2KΩ以上的电阻阻值为标准。

基于上述技术方案可知，本发明的激光器及其制造方法具有如下有益效果：

(1)提供了一种将非线性参量转换器件和半导体激光器集成在同一片芯片上的技术，这种技术和其他基于非线性转换晶体的参量转换装置相比，一方面该技术将大型的非线性光学系统压缩为只有单半导体芯片大小，使成本、能耗都得到了极大地改善；另一方面由于参量转换过程中的泵浦光由器件本身内部光场提供因此不需要调整光路就可以获得高强度的泵浦光能量，使稳定性和便利性都得到了极大地提高；

(2)利用在一维光子晶体中插入缺陷层的方法，获得将光子带隙中的光限制在缺陷层的效果；由此，由光子带隙效应获得的传输模式和传统边发射激光器的全内反射效应获得的传输模式，这两种截然不同的光波传输模式可以同时在此结构中稳定存在，由此能够有效地使不同的腔内光波传输模式完成相位匹配，基于此结构首次同时获得1.069μm、1.353μm、1.77μm、2.71μm的连续以及脉冲输出；

(3)采用在缺陷层中加入有源半导体材料，并且根据一维光子晶体带隙设计有源半导体材料的组份，来获得与之匹配的发光波长；当电流超过阈值时器件能以光子带隙模式激射，提供了很强的腔内光场，提高了转换效率；

(4)在有源区两侧采用了3层匹配层结构，匹配层厚度经过精确设计和模拟计算，从而可以使激光器激射模式稳定为光子带隙模式，使设计波段光波模式的有效折射率满足相位匹配条件以及增加各个转换波长的模式交迭获得更高的转换效率；

(5)采用了两段电极结构，一方面通过给一端电极加偏压调节此激光器的激射波长来弥补实际制作的器件和模拟设计的器件参数上的误差以及调谐转换波长，能够有效的实现调谐激射波长从而获得调谐转换波长的效果，克服了由于制备工艺中的偏差(比如厚度、刻蚀深度等)所引起的相位失配，另一方面通过给一端电极加反压使激光器工作在锁模状态，锁模工作状态下腔内激射光波峰值功率增加，转换效率也随之增加，能极大的提高非线性转换效率，即提高转换光的输出功率；

(6)使AlGaAs/GaAs或InP材料能获得3μm以及更长波长的发光波长，与基于其他材料(如GaSb)和结构(如量子级联、带间级联)的2-5μm激光器相比，该技术中所依靠的GaAsInP材料的制备技术更成熟，更简单，可重复性更高。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1是本发明的半导体激光器的层状结构示意图；

图2是本发明的计算结果示意图；

图3是本发明的结构器件的截面扫描电镜图；

图4是本发明的结构器件的光谱测试图。

上图中，附图标记含义如下：

1 P型GaAs接触层

2 P型上DBR中的AlGaAs

3 P型上DBR中的GaAs

4 P型上DBR中的AlGaAs

5 P型上DBR中的GaAs

6 P型上DBR中的AlGaAs

7 P型上DBR中的GaAs

8 P型上DBR中的AlGaAs

9 P型上DBR中的AGaAs

10 P型上DBR中的AlGaAs

11 P型GaAs第三上匹配层

12 P型AlGaAs第二上匹配层

13 P型GaAs第一上匹配层

14 AlGaAs上波导层

15 有源区

16 AlGaAs下波导层

17 N型GaAs第一下匹配层

18 N型AlGaAs第二下匹配层

19 N型GaAs第三下匹配层

20 N型下DBR中的AlGaAs

21 N型下DBR中的GaAs

22 N型下DBR中的AlGaAs

23 N型下DBR中的GaAs

24 N型下DBR中的AlGaAs

25 N型下DBR中的GaAs

26 N型下DBR中的AlGaAs

27 N型GaAs缓冲层

28 N型GaAs衬底

29 电极隔离槽

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所公知的形式。另外，虽然本文提供了包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的具体材料和厚度等参数只是用来说明而并非用来限制本发明。

本发明中提出了一种用上下DBR带代替传统边发射激光器的上下限制层的结构，其中利用在一维光子晶体中插入缺陷层的方法，获得将光子带隙中的光限制在缺陷层的效果。该结构的特殊性在于，由光子带隙效应获得的传输模式和传统边发射激光器的全内反射效应获得的传输模式，这两种截然不同的光波传输模式可以同时在此结构中稳定存在。本发明采用在缺陷层中加入有源半导体材料，并且根据一维光子晶体带隙设计有源半导体材料的组份，来获得与之匹配的发光波长。本发明还在有源区两侧采用了3层匹配层结构，匹配层厚度经过精确设计和模拟计算；此结构的特殊性在于，可以使激光器激射模式稳定为光子带隙模式，使设计波段光波模式的有效折射率满足相位匹配条件以及增加各个转换波长的模式交迭获得更高的转换效率。同时本发明采用了两段电极结构，一方面通过给一端电极加偏压以调节此激光器的激射波长，从而弥补实际制作的器件和模拟设计的器件参数上的误差以及调谐转换波长，另一方面通过给一端电极加反压使激光器工作在锁模状态，锁模工作状态下腔内激射光波峰值功率增加，转换效率也随之增加。

更具体地，本发明公开了一种可调谐的单片集成四波长输出半导体光学参量振荡激光器，通过对普通GaAs基激光器的外延层结构进行特殊改进使内腔中传输模式相位匹配，并对普通GaAs激光器的电极结构进行特殊改进，使激光器激射波长能够调谐且可以工作在锁模状态下。该半导体激光器利用激光器腔内模式匹配来达到自发频率转换，并且使用了双电极结构来达到调节输出光波长以及被动锁模的效果，不但可以拓展GaAs/AlGaAs激光器的波长，更可以获得PPLN无法实现的5μm以上的转换波长。

本发明还公开了一种可调谐的单片集成四波长输出半导体光学参量振荡激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：准备一GaAs衬底；

步骤2：在该GaAs衬底上依次形成N型GaAs缓冲层、N型AlGaAs/GaAs下DBR(Distributed Bragg Reflector，分布式布拉格反射镜)、N型GaAs第三下匹配层、N型AlGaAs第二下匹配层、N型GaAs第一下匹配层、AlGaAs下波导层、InGaAs多量子阱有源区、AlGaAs上波导层、P型GaAs第一上匹配层、P型AlGaAs第二上匹配层、P型GaAs第三上匹配层、P型AlGaAs/GaAs上DBR、P型GaAs接触层。

步骤3：采用光刻技术和刻蚀技术，从P型GaAs接触层向下刻蚀，刻蚀深度到达P型GaAs第三上匹配层，形成脊形波导结构。

步骤4：采用光刻技术和腐蚀技术，去除部分脊型波导P型GaAs接触层。

步骤5：蒸镀SiO₂，并通过光刻技术和腐蚀技术去除脊型波导上的SiO₂，随后溅射Ti/Au。

步骤6：采用光刻技术和腐蚀技术，去除步骤4区域之上的Ti/Au形成电极隔离。此时器件制备结束。

其中下DBR包含N型掺杂的AlGaAs材料，其组分比例为Al_0.3-0.7GaAs，厚度为200-700nm，GaAs材料厚度为100-400nm，掺杂水平为5E17到4E18(即5×10¹⁷至4×10¹⁸，简写成科学计数法表示)。

其中N型GaAs第三下匹配层掺杂水平为5E17-4E18，厚度为100-500nm。

其中N型AlGaAs第二下匹配层掺杂水平为1E17-2E18，其组分比例为Al_0.05-0.45GaAs，厚度为250-700nm。

其中N型GaAs第一下匹配层掺杂水平为5E16-5E17，厚度为250-650nm。

其中AlGaAs下波导层，掺杂水平小于1E17，其组分比例为Al_0.3-0.7GaAs，厚度为200-1100nm。

其中有源区为InGaAs材料，其组分比例为In_0.05-0.37GaAs，厚度为4-10nm。

其中AlGaAs上波导层，掺杂水平小于1E17，其组分比例为Al_0.3-0.7GaAs，厚度为200-1100nm。

其中P型GaAs第一上匹配层掺杂水平为5E16-5E17，厚度为250-650nm。

其中P型AlGaAs第二上匹配层掺杂水平为1E17-2E18，其组分比例为Al_0.05-0.45GaAs，厚度为250-700nm。

其中P型GaAs第三上匹配层掺杂水平为5E17-4E18，厚度为100-500nm。

其中上DBR包含P型掺杂的AlGaAs材料，其组分比例为Al_0.3-0.7GaAs，厚度为200-700nm，GaAs材料厚度为100-400nm，掺杂水平为5E17到4E18。

其中P型GaAs接触层掺杂水平为3E19-7E19，厚度为150-250nm。

其中SiO₂厚度为200-350nm。

其中Ti/Au厚度为50nm/600-1000nm。

其中脊形波导结构的宽度为3.5-6μm，长度为600μm-2mm。

其中步骤4中被去除的P型GaAs接触层的宽度和脊型波导宽度一致，长度为5-30μm。以最终能在双电极之间提供2KΩ以上的电阻阻值为标准。

作为一个优选实施例，上述步骤6中的P型金属Au先由I∶IK∶H₂O＝1∶1∶4腐蚀600-1000nm，随后由HF∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶4腐蚀Ti，深度为50nm，最终实现双电极结构。

下面结合附图对本发明的一个优选实施例进行进一步阐述说明。

以下首先分别对本实施例可调谐的单片集成四波长输出半导体光学参量振荡激光器的各个部分进行详细的说明。

如图1所示，衬底28为(100)面向(110)面带2度偏角的N型镓砷材料。

外延层包括：N型GaAs缓冲层27、三对N型AlGaAs/GaAs下DBR 20-26、N型GaAs第三下匹配层19、N型AlGaAs第二下匹配层18、N型GaAs第一下匹配层17、AlGaAs下波导层16、有源区15、AlGaAs上波导层14、P型GaAs第一上匹配层13、P型AlGaAs第二上匹配层12、P型GaAs第三上匹配层11、四对P型AlGaAs/GaAs上DBR 2-10、P型GaAs接触层1。

其中，三对N型AlGaAs/GaAs下DBR 20-26及四对P型AlGaAs/GaAs上DBR 2-10的外延生长在工艺上并没有难点，主要是由DBR的周期性折射率机构实现垂直于(110)面的一维光子晶体结构。厚度为四分之一光学厚度，具体计算公式如下：

需要强调的是四分之一光学厚度仅方便说明，利用其他光学厚度实现光子晶体的结构都包括在内。

N型GaAs第三下匹配层19、N型AlGaAs第二下匹配层18、N型GaAs第一下匹配层17、AlGaAs下波导层16、有源区15、AlGaAs上波导层14、P型GaAs第一上匹配层13、P型AlGaAs第二上匹配层12、P型GaAs第三上匹配层12这9层材料放置于上述一维光子晶体当中，作为光子晶体中的缺陷层，使位于一维光子晶体带隙中光波可以在缺陷层中传输，此传输模式在这里简称为光子带隙模式。

N型GaAs第一下匹配层17和P型GaAs第一上匹配层13，这两层材料折射率比附近的AlGaAs材料高，光波可以在其中稳定传输，此传输模式在这里简称为全内反射模式。

根据非线性光学，要获得腔内频率转换必须满足能量守恒和动量守恒条件，即满足以下方程：

二阶非线性：

三阶非线性：

其中n表示对应波长折射率，w表示光波频率。传统GaAs激光器只存在全内反射模式，因此无法达到上述条件。参照图2，在此结构中上述两种模式的色散关系是完全独立的。通过使短波传输模式稳定为光子带隙模式，并通过调节缺陷层中9层材料的厚度可以获得图2中的色散关系，最终可以满足频率转换的条件。

电极隔离槽29实现两端电极的电隔离，在实际制作中由于工艺步骤中的误差，可能导致激光器激射波长不满足非线性转换条件。此时可以通过改变此双电极结构中其中一端偏压来调节激射波长。具体原理为通过偏压控制一端的带隙，使两端电极区域之下有源区材料带隙的相对位置发生偏移，改变器件中的净增益。

此外，通过将一端电极反向偏置作为可饱和吸收体，实现器件被动锁模。器件激射波长在锁模工作下，脉冲峰值功率增加，非线性转换效率和功率也随之增加。

在本发明的另一个实施例中，还提供了一种上述激光器的制备方法，图3为本发明实施例可调谐的单片集成四波长输出半导体光学参量振荡激光器的截面扫描电镜图。详细制备流程如下：

步骤1，在GaAs衬底上外延247nm的N型GaAs缓冲层、598nm/247nm的N型AlGaAs/GaAs下DBR、156nm的N型GaAs第三下匹配层、417nm的N型AlGaAs第二下匹配层、408nm的N型GaAs第一下匹配层、493nm的AlGaAs下波导层、6nm的InGaAs三量子阱有源区、493nm的AlGaAs上波导层、408nm的P型GaAs第一上匹配层、417nm的P型AlGaAs第二上匹配层、156nm的P型GaAs第三上匹配层、598nm/247nm的P型AlGaAs/GaAs上DBR、150nm的P型GaAs接触层。

步骤2，在步骤1所述结构材料上制备脊形波导，在SiO₂刻蚀保护层表面涂上光刻胶，用普通的接触式光刻的方法，用光刻板做掩膜，刻出条形波导图形。

步骤3，以光刻胶加SiO₂做掩膜，用ICP方法对结构材料进行刻蚀，刻蚀深度为3.5μm，该脊形波导宽度为5μm，长度为1mm。

步骤4，采用光刻加磷酸、双氧水化学腐蚀的方法去除电极隔离槽下的P型GaAs接触层。

步骤5，利用PECVD技术沉积250nm的SiO₂，并采用光刻和刻蚀技术去除在脊型波导之上的SiO₂，随后利用磁控溅射技术沉积50nm的Ti和600nm的Au。

步骤6，利用碘、碘化钾，和氢氟酸、硝酸腐蚀液依次去除电极隔离槽之上的P型接触金属。

需要说明的是，该器件还有器件减薄、下电极制备、解理等多个工艺，其并不是本发明的重点所在，且均采用公知工艺，此处不再赘述。

该半导体激光器的实测光谱图如图4所示，同时存在激光器的激射波长1.069μm，以及由二阶、三阶非线性效应获得的1.353μm，1.77μm，2.71μm转换光波。依据此描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚准确的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体厚度或者形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知的替换，例如250nm SiO₂可替换为300nmSiN。

综上所述，本发明提供了一种半导体激光器及其制备方法。该激光器中特殊的一维光子晶体结构和多层缺陷层结构能够有效的使不同的腔内光波传输模式完成相位匹配。该激光器中特殊的双电极结构能够有效的实现调谐激射波长从而获得调谐转换波长的效果。同时该激光器可以被动锁模输出，提高了转换效率和转换光的功率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。