一种双波长量子级联激光器芯片及双波长发射方法

1.本发明属于光电子芯片领域，特别是一种双波长量子级联激光器芯片及双波长发射方法。


背景技术：

2.在中远红外波段主要包含两个低吸收的大气窗口，分别是3～5μm和 8～12μm。其中3μm～5μm波段在用于军事方面红外对抗、爆炸物监测、环境污染监测、太赫兹成像等方面有具有非常可观的应用前景。8～12μm红外波段是许多新型飞机侦察、导弹制导突防的大气窗口；此外，喷气引擎尾焰的特征光谱处于中长波附近，工作于此波段的探测器被大量应用于红外制导导弹的制导。
3.初期红外对抗用的qcl需求主要是3～5μm波段，如今先进的红外制导探测器正朝着中、长波复合制导的方向发展。为了有效应对这一趋势，红外光电对抗系统也必须相应的采用中长波双波段激光。目前还没有单一芯片发射两个波长的红外对抗技术，但是目前美国已经开展了中长波复合干扰红外光源的研究，而我国这项技术仍为空白。因此，研发单一芯片发射两个波长的红外对抗技术，已经成为当前我国相关技术研究人员工作中必不可少的内容。
4.若红外光电对抗系统采用中长波双波段激光，那么就对长波高功率红外量子级联激光器芯片提出了更高的技术要求。但目前8～12μm波段半导体激光器芯片达不到定向红外对抗系统(dircm)所要求的输出功率、光束质量。大功率长波量子级联激光器芯片的发展一直落后于中红外波段，其主要原因主如下：第一，上激射能级寿命随着波长的增加而迅速降低，导致粒子数反转更加的困难；第二，长波能量较低，能级间隔更小，由注入能级向低激射能级的泄漏显著增加；第三，由于自由载流子的吸收引起的波导损耗和波长的平方成正比，所以长波激光会有更高的波导损耗。
5.中远红外量子级联激光器芯片流行的材料体系是inp衬底上生长 ingaas/inalas材料体系。在设计量子级联激光器芯片时，有两个思路。第一个思路是应变补偿。即在生长ingaas/inalas材料体系时，如果想要生长好材料，首先需要生长与inp衬底晶格匹配的材料体系。ingaas晶格常数比衬底晶格常数大，inalas比衬底晶格常数小，理论上通过应变补偿，可以让整个材料的失配度几乎是零。然而，量子级联激光器往往有几百层材料，每一层的晶格常数和衬底晶格常数不一样，无法对生长过程进行有效控制，即无法使整体应力积累达到最小，导致量子级联激光器芯片的实际生长过程变得非常复杂。第二个思路，低能态电子双声子共振弛豫。即在双声子共振方案中，激光上下能级决定激射波长。激光下能级之下还有两个能级，这三个能级之间的能级差都为一个纵光学声子的能量。经过两次纵光学声子的弛豫，低能态电子的寿命会减小很多，粒子数反转的效率就会很高。但是双声子共振中需要严格设计各能级差，不仅波长设计灵活度不高，而且能带剪裁难度大。
6.因此，如何使单一的激光器芯片同时发射两个波长，同时简化量子级联激光器芯片的生长过程、提高双声子共振中对各能级差调整的灵活度，已经成为当前研究的关键问
题。


技术实现要素：

7.鉴于上述问题，本发明提供一种至少解决上述部分技术问题的一种双波长量子级联激光器芯片及双波长发射方法，通过该芯片可以同时发射两个波长，并且该芯片的生产过程较为简单。
8.一方面，本发明实施例提供了一种双波长量子级联激光器芯片，包括多个波长器件、上包层和下包层；
9.每个所述波长器件均包括m个双掺杂超晶格；每个所述双掺杂超晶格包括 n个超晶格单元；
10.每个所述双掺杂超晶格，其所包括的第1个所述超晶格单元为有源区，剩余n-1个所述超晶格单元为注入区；
11.所述上包层和下包层分别位于所述多个波长器件的上方和下方；所述上包层和下包层共同作用，用于将电子限制在所述多个波长器件的有源区。
12.进一步地，还包括帽层；所述帽层位于所述上包层的上方，用于降低欧姆接触电阻。
13.进一步地，所述上包层、下包层和帽层均采用inp材料。
14.进一步地，任意相邻两个所述波长器件的中间设有凹形隔离槽。
15.另一方面，本发明实施例还提供了一种双波长发射方法，应用于上述的双波长量子级联激光器芯片；该方法包括：
16.s1、对每个双掺杂超晶格，将其所包括的第1个超晶格单元作为有源区，将其所包括的剩余n-1个所述超晶格单元作为注入区；且每个所述超晶格单元满足泊松分布方程；
17.s2、分别将m个双掺杂超晶格所对应的有源区和注入区相结合，获得集成有源区和集成注入区；
18.s3、按照预设规则向所述集成注入区中注入不同强度的电流，在所述集成有源区的多个区域内产生对应的电场差；
19.s4、基于所述电场差，通过计算获得激射波长。
20.进一步地，在所述s1中，所述泊松分布方程表示为：
[0021][0022][0023]
其中，v表示电势；vs表示电子的等效速度；q《vs》表示电势能；ρ
l
表示电阻率，xi表示第i个双掺杂超晶格的起始坐标值；ε表示介电常数；e表示单位电荷；e《vs》表示电子电势能；je表示该双掺杂超晶格内的电流密度；nd
+
表示施主离子浓度；nd(x)表示坐标x位置处施主离子的浓度；l表示1个双掺杂超晶格的长度。
[0024]
进一步地，在所述s3中，将每个所述双掺杂超晶格区域的长度设为l；将每个所述超晶格单元中的有源区的掺杂浓度设为nd1，将每个所述超晶格单元中的注入区的掺杂浓度设为n
d2
，且n
d1
》n
d2
；基于此，通过所述公式(2) 可得：
[0025][0026]
其中，n表示双掺杂超晶格区域内带正电的施主离子；
[0027]
通过对所述双掺杂超晶格中的第j个超晶格单元上的电荷密度进行积分，获得该双掺杂超晶格中，第j个超晶格单元和第j+1个超晶格单元之间的电场差；所述电场差表示为：
[0028][0029]
其中，l表示一个单元超晶格的长度。
[0030]
进一步地，所述s4具体包括：
[0031]
s41、基于电场差，通过计算获得光学跃迁能量；对应的计算公式表示为：
[0032]
δe
ot
＝αδf+β
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0033]
其中，δe
ot
表示光学跃迁能量；α和β均表示超晶格单元拟合常数；
[0034]
s42、基于光学跃迁能量，通过计算获得激射波长；对应的计算公式表示为：
[0035][0036]
其中，λ表示激射波长。
[0037]
与现有技术相比，本发明记载的一种双波长量子级联激光器芯片，具有如下有益效果：
[0038]
(1)由相同的超晶格单元slc组成，但将交替掺杂集成到一个单一的sl 堆栈，同质有源区大大降低了材料生长的难度，更容易获得较高的材料薄膜质量与界面质量。
[0039]
(2)对所有的超晶格单元slc采用双掺杂方法，在特定的注入电流强度下产生不同的电场，从而产生一个具有多个光学跃移的单个sl堆栈。光跃迁能量差与所加电场差成正比，电场差由双掺杂决定，故通过改变掺杂可以调节光能量。
[0040]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
[0041]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0042]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0043]
图1为本发明实施例提供的双波长量子级联激光器芯片结构图。
[0044]
图2为本发明实施例提供的波长器件结构示意图。
具体实施方式
[0045]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0046]
参见图1所示，本发明实施例提供了一种双波长量子级联激光器芯片，从衬底开始从下网上生长，依次包括：下包层、多个波长器件、上包层和帽层；
[0047]
其中，本发明实施例中提供了两个波长器件，每个波长器件均包括m个双掺杂超晶格d2sls(dual doping super lattice stack)，m通常为25～35个周期，具体参见图2所示；每个双掺杂超晶格d2sls包括n个超晶格单元slc(superlattice cell)；对每个超晶格单元slc均采用双掺杂方法，即对于单一的双掺杂超晶格d2sls结构来讲，将其所包括的第1个超晶格单元slc的掺杂浓度设为n
d1
，并将其作为有源区；剩余n-1个超晶格单元的掺杂浓度为n
d2
，并将其作为注入区；每个超晶格单元slc之间均满足泊松分布方程，确保可以实现载流子的级联；多个d2sls集成到有源区，在特定的注入电流强度下将在有源区的不同区域产生不同的电场，通过设计d2sls的掺杂分布，可得到一定值的电场差δf；不同电场差δf对应不同的光学跃迁能量差δe
ot
；电场差δf决定光学跃迁能量差δe
ot
，从而实现特定的激射波长λ。本发明实施例中采用的双掺杂超晶格有源区，相比双声子共振的有源区，可以大大提高器件设计的灵活性。
[0048]
参照下表1所示，本发明实施例中，芯片下包层为500μm厚的inp衬底，core 1、core 2均为双掺杂有源区，分别对应4.6μm、8.5μm波长；上包层为3μm 厚的inp材料，上下包层结构共同作用有效地将电子限制在有源区，同时起到光限制作用；外延最后一层材料为1μm厚的inp帽层结构，帽层结构高掺杂有助于电极形成良好的欧姆接触，降低欧姆接触电阻；本发明实施例中采用晶格匹配的ingaas/inalas/inp材料，可以规避应变补偿技术带来的问题；
[0049]
表1
[0050][0051][0052]
外延生长完成后，进行台面腐蚀、dbr刻蚀、衬底减薄、电极沉积等芯片工艺厚，获得图1所示的带有双分布布拉格反射器(dual-dbr)的单片集成锥形波导双波长近衍射极限量子级联激光器芯片，其中两个dbr为激射波长分别对应4.6μm、8.5μm的布拉格光栅，光栅作为附加的模式滤波器实现稳定的双波长输出；隔离槽使得两个波长器件结构之间电绝缘
可对4.6μm、8.5μm 两个波长芯片结构施加不同的电流注入，进而实现同时或分别输出两个波长激光的功能；脊状波导(rw)的发射光被单片耦合到作为功率放大的锥形结构中，锥形结构起到功率放大的作用，。该芯片采用双掺杂有源区结构和隔离槽结构，可以同时或分别输出4.6
±
0.5μm、8.5
±
0.5μm激光。在军事红外对抗中，可以根据对方导弹波长选择输出4.6μm或8.5μm，甚至可以实现单一芯片对抗两个不同目标波长的导弹。
[0053]
本发明实施例还提供一种双波长发射方法，应用于上述的双波长量子级联激光器芯片；该方法包括：
[0054]
s1、对每个双掺杂超晶格，将其所包括的第1个超晶格单元作为有源区，将其所包括的剩余n-1个超晶格单元作为注入区；且每个超晶格单元满足泊松分布方程；
[0055]
s2、分别将m个双掺杂超晶格所对应的有源区和注入区相结合，获得集成有源区和集成注入区；
[0056]
s3、按照预设规则向集成注入区中注入不同强度的电流，在集成有源区的多个区域内产生对应的电场差；
[0057]
s4、基于电场差，通过计算获得激射波长。
[0058]
下面分别对上述各个步骤进行详细的说明。
[0059]
在上述步骤s1中，泊松分布方程表示为：
[0060][0061][0062]
其中，v表示电势；vs表示电子的等效速度；q《vs》表示电势能；ρ
l
表示电阻率，xi表示第i个双掺杂超晶格的起始坐标值；x表示以衬底为起点，外延方向为正向的一维坐标；ε表示介电常数；e表示单位电荷；e《vs》表示电子电势能；je表示该双掺杂超晶格内的电流密度；nd
+
表示施主离子浓度；nd(x) 表示坐标x位置处施主离子的浓度；l表示1个双掺杂超晶格的长度。
[0063]
在上述步骤s3中，将每个双掺杂超晶格区域的长度设为l；将每个超晶格单元中的有源区的掺杂浓度设为nd1，将每个超晶格单元中的注入区的掺杂浓度设为n
d2
，且n
d1
》n
d2
；基于此，为了简化推导认为je、ε、νs为常数。把双掺杂浓度和掺杂区域的长度代入方程(2)，可得：
[0064][0065]
其中，n表示双掺杂超晶格区域内带正电的施主离子；
[0066]
外加偏置电压下，负电子流使得所有slc的本征区带负电，这将导致 d2sls中电场呈锯齿形周期分布。通过对所述双掺杂超晶格中的第j个超晶格单元slc上的电荷密度进行积分，获得该双掺杂超晶格d2sls中，第j个超晶格单元slc和第j+1个超晶格单元slc之间的电场差δf；所述电场差δf表示为：
[0067][0068]
其中，l表示一个超晶格单元的长度。
[0069]
在上述步骤s4中，在上述公式(4)中，由于slc具有周期性，所以可令积分极限xi+(j-1)*为0。从公式(4)可以看出，在第i个d2sls当中，从第2个slc到第n个slc，以及从第2个slc第(i+1)个d2sls的第1个slc，电场差δf是恒定的，并且与slc序列无关，即相邻有源区的电场沿着这些 slc线性减少。当sl区域在不同的电场下偏置时，可以实现可调的光学跃迁能量eot：
[0070]
δe
ot
＝αδf+β
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0071]
其中α、β为slc设计拟合常数参数，电场变化量为δf。通过施加不同电场变化量δf将得到相应的光学跃迁能量差δe
ot
＝αδf。通过设计d2sls的掺杂分布，可得到一定值的电场变化量δf，根据式(5)，进而在每个slc中实现不同的e
ot
具有恒定的空间能量δe
ot
，因此，通过每个slc中不同的e
ot
可以获得中红外、太赫兹波段宽而平坦的增益谱。简而言之，光跃迁能量差与所加电场差成正比，电场差由双掺杂决定，故通过改变掺杂可以调节光能量，进而改变激光器芯片对应的波长。激射波长对应的计算公式表示为：
[0072][0073]
其中，λ表示激射波长。
[0074]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。