基于量子阱及量子点混合有源区的超宽谱高增益饱和增益芯片的制作方法

1.本发明属于芯片制备技术领域，涉及基于量子阱及量子点混合有源区的超宽谱高增益饱和增益芯片。


背景技术：

2.典型的外腔半导体激光器需要用到高性能的增益芯片，用以提供粒子数反转必要的有源材料。增益芯片的光谱范围、出光功率、增益饱和性能等都决定了最终外腔半导体激光器的激射波长、激光功率及增益饱和特性。尤其针对目前光通信、光传感领域广泛应用的窄线宽可调谐外腔半导体激光器，其增益芯片需要满足宽光谱、低光限制因子、单模等特性，用以配合外腔反馈结构形成mhz以下线宽的激光输出。
3.现有的增益芯片多基于多量子阱结构有源区，目前商用的增益芯片在o波段、c波段的 3db光谱范围约为50nm。对应的外腔可调谐窄线宽半导体激光器的激射波长也在相应光谱范围内，可调谐的光谱范围较窄，难以实现80nm以上的光谱调谐范围。为了拓展增益芯片的光谱范围，一般采用啁啾量子阱结构、量子阱混杂、引入量子阱高阶跃迁、量子短线等手段。但是这些方法都不尽完善，如啁啾量子阱受限于非对称量子阱结构带来的光子重吸收问题；量子阱混杂的增益芯片损耗较大，难以实现高增益等。
4.因此技术人员尝试采用量子点结构作为增益芯片有源材料，利用量子点结构的非均匀性实现超宽光谱。但是仅仅利用量子点的非均匀性特性实现宽光谱有一定局限性，量子点增益芯片在低电流注入时处于基态(gs)发射，随着注入电流的增加，量子点增益芯片会处于激发态(es)发射。激发态光谱一般较基态光谱红移。因此难以实现整个工作电流区域的宽光谱，从而限制了量子点增益芯片的应用。
5.再者，受限于现有量子点生长密度较低，量子点增益芯片为提供足够的增益，需要多层量子点，而多层量子点的设计则会增加芯片的光学限制因子，从而降低芯片的饱和增益，难以配合外腔反馈结构实现高功率的激光输出。
6.为克服上述困难，有必要研究一种基于量子阱及量子点混合有源区的超宽谱高增益饱和增益芯片，用于解决现有量子阱增益芯片谱宽窄，以及量子点增益芯片发光谱随注入电流改变出现的不连续变化问题，从而进一拓展光谱范围。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明的目的之一在于提供基于量子阱及量子点混合有源区的超宽谱高增益饱和增益芯片。
8.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.1.基于量子阱及量子点混合有源区的超宽谱高增益饱和增益芯片，所述饱和增益芯片的外延结构中由下至上依次为n面电极、n面衬底、n面缓冲层、n面限制层、n面波导层、混合量子阱量子点有源层、p面波导层、p面限制层、波导结构、p面接触层、p面电极；
10.所述混合量子阱量子点有源层由被势垒分隔的量子阱有源层和量子阱中量子点层组成，其中量子阱有源层和量子阱中量子点层的上下位置可变换。
11.优选的，所述混合量子阱量子点有源层中量子阱有源层的层数不多于量子阱中量子点层的层数。
12.优选的，所述饱和增益芯片采用gaas材料体系或inp材料体系。
13.优选的，所述饱和增益芯片的侧面两端镀制膜层，所述膜层为增透膜层或高反膜层；
14.所述饱和增益芯片同外部反馈结构耦合的一端镀制增透膜层。
15.进一步优选的，所述饱和增益芯片设置镀增透膜层的一端通过采用弯曲波导或者斜波导来减小端面反射率。
16.优选的，所述饱和增益芯片通过采用脊波导结构或者掩埋异质结结构来保证单模特性。
17.优选的，所述饱和增益芯片中镀制增透膜层的一端通过增加放大波导段来提升增益芯片的输出光功率。
18.本发明的有益效果在于：本发明公开了基于量子阱及量子点混合有源区的超宽谱高增益饱和增益芯片，主要是在增益芯片中设置多量子阱有源层和量子阱中量子点层，可以解决现有增益芯片谱宽有限，增益饱和功率较小等难题。量子阱本身难以实现宽光谱，但是具有随着注入电流变化光谱呈现连续变化的特性；量子点易实现宽光谱，但是其基态、激发态光谱导致的光谱不连续性特性。因此本发明通过结合量子阱及量子点的发光性能优势，弥补两者的不足，实现连续超宽光谱发光。同时针对外腔窄线宽半导体激光器的应用需求，采用高密度、低层数量子点，减小增益芯片的光学限制因子，提高饱和增益，从而保证外腔激光器拥有较大的输出光功率。本发明解决了目前单量子阱材料和单量子点材料难以实现超宽谱高增益饱和的增益芯片难题，为窄线宽可调谐半导体激光器提供高性能的增益芯片。
19.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
20.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
21.图1为实施例1中饱和增益芯片结构图；
22.图2为不同组合的混合量子阱量子点有源层(qw-qd)，其中a、b、c和d分别为不同组成的混合量子金量子点有源层；
23.图3为饱和增益芯片中将镀增透膜层的一端设置为采用斜波导(a)或者弯曲波导(b)；
24.图4为将施例1中饱和增益芯片(gaas材料体系)的可见光光谱测试图。
具体实施方式
25.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
26.实施例1
27.基于量子阱及量子点混合有源区的超宽谱高增益饱和增益芯片(gaas材料体系)，如图 1所示，具体如下：由下至上依次为n面电极(n-m)、n面衬底(n-s)、n面缓冲层(n-b)、 n面限制层(n-sch)、n面波导层(n-w)、混合量子阱量子点有源层(qw-qd)、p面波导层(p-w)、p面限制层(p-sch)、波导结构(wg)、p面接触层(p-t)，p面电极 (p-m)。
28.其中最为关键的就是混合量子阱量子点有源层(qw-qd)，采用多量子阱加多量子点层，由下至上依次为量子阱中量子点层、量子阱有源层、量子阱中量子点层，其中量子阱有源层的材料采用ingaas，势垒的材料采用gaas，量子阱中量子点层中材料为ingaas/inas/ingaas (dwell)，量子点密度大于10
11
cm-2
。本饱和增益芯片中量子阱层的层数不多于量子点层的层数，保证足够增益的同时尽量减小光限制因子。
29.同时上述饱和增益芯片中n面电极(n-m)的材料选用ni/auge、n面衬底(n-s)的材料为减薄后n-gaas、n面缓冲层(n-b)的材料为n-gaas、n面限制层(n-sch)和p面限制层(p-sch)的材料为折射率渐变的algaas、n面波导层(n-w)和p面波导层的材料为algaas、p面接触层采用的材料为p-gaas、p面电极(p-m)的材料选用ti/pt/au。
30.另外上述饱和增益芯片的波导宽度为3μm，为弯曲波导；直波导部分为600μm，弯曲角度为7
°
。整个增益芯片长度为1000μm。弯曲端的端面镀增透膜，增透膜反射率小于10-4
。
31.实施例1中的饱和增益芯片利用量子点层尺寸不均匀特性带来的天然宽光谱特性，结合量子阱结构随注入电流拥有线性光谱变化特性，实现超宽谱增益芯片。同时提升量子点密度，减少量子点层数，从而减少光限制因子，提升增益芯片的增益饱和值。通过波导结构限制增益芯片的模式，保证单模输出。在波导结构中引入斜波导或弯曲波导等方式，减少增益芯片与外腔端面的耦合反射率。最终实现超宽谱、高增益饱和的增益芯片。
32.实施例2
33.基于量子阱及量子点混合有源区的超宽谱高增益饱和增益芯片(inp材料体系)，其结构与实施例1的结构相同，只是采用的材料不相同。主要为：n面电极(n-m)的材料选用 ni/auge、n面衬底(n-s)的材料为减薄后n-inp、n面缓冲层(n-b)的材料为n-inp、n 面限制层(n-sch)和p面限制层(p-sch)的材料为折射率渐变的ingaasp、n面波导层 (n-w)和p面波导层的材料为ingaasp、p面接触层的材料采用p-ingaas、p面电极(p-m) 的材料选用ti/pt/au。
34.量子阱有源层的材料采用ingaasp，势垒的材料采用ingaasp，量子阱中量子点层的材料为ingaasp/inas/ingaasp。
35.本发明的饱和增益芯片中混合量子阱量子点有源层(qw-qd)中量子阱有源层和量子阱中量子点层的设置可以按照多种方式进行，其混合量子阱量子点有源层(qw-qd)如图2
所示，其中a从下到上依次为势垒、量子阱有源层、势垒、量子阱有源层、势垒、量子阱中量子点层、势垒、量子阱中量子点层、势垒，b从下到上依次为势垒、量子阱中量子点层、势垒、量子阱中量子点层、势垒、量子阱有源层、势垒、量子阱有源层、势垒，c从下到上依次为势垒、量子阱有源层、势垒、量子阱中量子点层、势垒、量子阱中量子点层、量子阱有源层、势垒，d从下到上依次为势垒、量子阱中量子点层、势垒、量子阱有源层、势垒、量子阱中量子点层、势垒、量子阱有源层、势垒、量子阱中量子点层、势垒。
36.本发明的饱和增益芯片设置镀增透膜层的一端通过采用弯曲波导或者斜波导来减小端面反射率，其中斜波导如图3中a所示，弯曲波导如图3中b所示。
37.将实施例1中的基于量子阱及量子点混合有源区的超宽谱、高增益的饱和增益芯片(gaas 材料体系)进行可见光光谱测试，其结果如图4所示，从图4中可以看出，相比于其他材料，本发实施例1中的饱和增益芯片(gaas材料体系)具有更宽的发光光谱，其发光强度也更大。
38.综上所述，本发明公开了基于量子阱及量子点混合有源区的超宽谱高增益饱和增益芯片，主要是在增益芯片中设置多量子阱有源层和量子阱中量子点层，可以解决现有增益芯片谱宽有限，增益饱和功率较小等难题。量子阱本身难以实现宽光谱，但是具有随着注入电流变化光谱呈现连续变化的特性；量子点易实现宽光谱，但是其基态、激发态光谱导致的光谱不连续性特性。因此本发明通过结合量子阱及量子点的发光性能优势，弥补两者的不足，实现连续超宽光谱发光。同时针对外腔窄线宽半导体激光器的应用需求，采用高密度、低层数量子点，减小增益芯片的光学限制因子，提高饱和增益，从而保证外腔激光器拥有较大的输出光功率。本发明解决了目前单量子阱材料和单量子点材料难以实现超宽谱高增益饱和的增益芯片难题，为窄线宽可调谐半导体激光器提供高性能的增益芯片。
39.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。