饱和布喇格反射器结构及其制造工艺制造技术

通过一个非线性反射器与一个ｎ层半波长应变消除层（其中ｎ是一个大于零的奇数）内的一个或更多半导体量子阱组合，可以获得低光学损耗和简化的制造，该应变消除层形成在一个标准半导体四分之一波长叠层反射器上。控制半波长层的生长，使得在界面区域形成足够浓度的位错，以有效地作为无辐射复合源。饱和以后，在下一往返程的光脉冲到达激光器谐振腔以前，这些复合源移去量子阱中的载流子。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体器件以及，特别是，用于在锁模激光器中产生超短光脉冲的强度相关反射器。由激光器锁模产生的短时光脉冲对于高速信号处理和数据通信很有用，并且因为它们在皮秒和亚皮秒的范围内显示脉冲宽度而通常称之为超短脉冲。半导体饱和吸收器在被动锁模固态激光器中的使用证明是一种用于产生超短光脉冲的实用方法。由于半导体结构廉价、紧凑，能设计成在宽光谱范围内工作，并且具有快速响应时间，因此对于此目的特别有吸引力。饱和吸收器包括一个放在激光光谐振腔内或耦合到激光谐振腔的外部光谐振腔内的非线性反射器元件。因为其不透明性作为在特定波长处的入射辐射强度的函数而变化，所以该饱和吸收器作为入射辐射的遮光器发挥作用。在特定波长处的所有微弱的入射辐射都被一个饱和吸收器吸收。到达一个足够高的强度-即饱和强度-的入射辐射通过该饱和吸收器。通常，因为吸收器在所需波长处已饱和进入一种透明状态，所以吸收器引起的减弱比较低。半导体饱和吸收器已被制造用于窄带和宽带响应。体半导体材料和多级量子阱异质结已被用于窄带吸收应用，而特殊分级的带隙多级量子阱异质结已被广泛用于宽带应用。在这些吸收器器件的量子阱实现中，该量子阱异质结已被生长在一个半导体四分之一波长叠层反射器上。在另一个配置中，已知为一个反共振法布里-珀罗饱和吸收器，一个薄膜氧化物部分反射器叠层被沉积在一个量子阱异质结上，以形成一个带半导体四分之一波长叠层反射器的法布里-珀罗标准具。对于后一器件，饱和吸收器元件(MQW)在法布里-珀罗标准具响应特性的反共振部分响应波长处的辐射。该装置产生与激光器谐振腔的微弱耦合，并且比用于锁模激光器的其它多级量子阱器件引入较少的损耗。不幸的是，该反共振法布里-珀罗饱和吸收器需要大量附加的器件处理和优化来实现。在美国专利申请系列号08/404,664中，由W.Knox于1995年3月15日申请，名称为“饱和布喇格反射器”，并且转让给Lucent TechnologiesInc.，本申请的受让人，描述了一种已知用于完成腔内被动锁模的新的、单片的半导体结构。Knox公开的一个示意的吸收器结构通过在一个高反射率的GaAs/AlGaAs布喇格反射器叠层内生长一单个GaAs量子阱(QW)制造而成。不象以前的饱和吸收器实现，这种饱和吸收器结构不需要任何生长后处理步骤。Knox在上述专利申请中描述的吸收器已被成功地用于锁模一个二极管泵浦的Cr∶LiSAF激光器-在850nm处产生100fs的脉冲。这样一来，固态激光器由于其小的发射截面而通常显示低的增益，而且二极管泵浦的激光器显示尤其低的增益，因此这种结构显示极低的损耗、极为需要的特性。但是，不利的是，Knox描述的吸收器结构不适合工作在与目前期望的远程通信应用有关的较长的波长(例如，1300nm，1550nm，等)。如上所述，包括一个饱和布喇格反射器(BR)的两个叠层是一个高反射率的反射镜叠层(＞99％)和作为吸收介质的一个或多个量子阱。对于850nm应用，这些叠层能以直接方式制造，如Knox所示，而将现有技术扩展到制造能够锁模一个工作在与远程通信应用有关的更长波长的激光器的吸收器结构，则面临一些挑战。能够工作在一个典型通信波长(例如，1550nm)的结构，通常生长在InP衬底上。但是，由于没有与InP名义晶格匹配的二元半导体系统，因此生长在InP上的任何有用的异质结必须在有力地控制、晶格匹配的条件下生长。另外，能够用于组成一个布喇格反射器的不同混合物之间的折射率之差，Δn，非常小(在1550nm处为0.12数量级)。因此，一个极大数量(例如40)的厚度(例如240nm)区域必须与布喇格反射器组合以获得大于99.5％的反射率-导致一个超过6mm的总外延厚度。上述因素使得高反射率反射镜在InP衬底上的生长成为一个极其困难和耗时的工作。前述缺陷已经说过了，并且技术上作了一些改进，通过应用InP基化合物在GaAs衬底上的异质外延生长获得高质量非线性反射器结构。用这种方式实现的结构不需要生长后处理，并且已成功应用于被动锁模Cr4+∶YAG和Er-Yb∶光纤激光器中，二者作为用于远程通信领域的激光源都是有利的。根据本专利技术，通过非线性反射器与一个n层半波长应变消除层(其中n为大于零的奇数)内的一个或多个半导体量子阱组合，获得低光学损耗和简化的制造。该应变消除层形成于一个标准半导体四分之一波长叠层反射器上。控制半波长层的生长，使得在界面区域形成足够浓度的位错，以有效地作为无辐射复合源。饱和以后，在下一往返程的光脉冲到达激光器谐振腔以前，这些复合源移去量子阱中的载流子。这些复合源的存在可以解释在根据本专利技术制造的结构的研究中已被观察到的超快响应时间。正如将被那些熟练的技术人员所容易理解的那样，具有这种响应时间的器件象涉及多波长通信应用中的WDM源一样具有重大的价值。非线性反射器能够在与很多目前期望的远程通信应用有关的长波长处工作，并且在这些波长处提供一个强度相关响应，它被允许用于激光器主振荡谐振腔内的直接饱和吸收。非线性反射器的饱和强度和与此有关的激光锁模特性能够通过在应变消除层内特定位置沉积量子阱来控制。根据本专利技术的一个示意实施例，一个或多个InGaAs/InP量子阱直接地异质外延生长在一个高反射率的AlAs/GaAs反射镜结构上，相应地，该结构形成在一个GaAs衬底上。包括一个或多个InGaAs/InP量子阱的InP应变消除层生长到λ/2(光学波长的一半)的光学厚度，使得相关的光学转移矩阵有效地变为1，相应地保存了该结构的高反射率状态。选择在应变消除层生长期间应用的温度，使得在反射镜结构和应变消除层之间形成包括大量位错的界面。这些QW位于这个高缺陷区域。当有人推理地认为这种结果不好的同时，专利技术者这里已经发现反之才是正确的。惊奇的是，以这种方式制造的QW不仅显示了极好的锁模特性，还显示了相当高质量的光致发光(PL)。通过阅读本专利技术的特殊示意实施例的以下说明以及其中的附图，可以获得对本专利技术的更完整的理解附图说明图1是根据本专利技术的一个示意实施例构造的非线性反射器结构的剖视图；图2是通过图1的结构显示的室温光致发光光谱的描述图；图3是AlAs/GaAs反射镜与图1的完整结构的反射率光谱的比较图；图4A是通过将图1的结构放在激光器谐振腔内被动锁模的一个示意Cr4+∶YAG激光器装置的示意图；图4B是通过将图1的结构放在激光器谐振腔内被动锁模的一个示意铒-镱激光器装置的示意图；图5是通过使用图1的结构锁模图4A的激光器获得的自动校正曲线，所述锁模脉冲显示110fs的FWHM；以及图6是图5的锁模脉冲的光谱说明图。正如上述背景部分所指出的，在InP衬底上生长高反射率的反射镜这里已经成为一个极其困难和耗时的工作，使得制造一个适合用于远程通信领域目前期望的许多应用的非线性反射器在经济上不现实。本专利技术实际上基于专利技术者这里承认异质外延生长在GaAs衬底上的GaAs和AlAs高反射率布喇格反射镜可以以某种方式被有利地应用，而这种方式可完全避免这种结构直接在InP上生长引起的问题。InP在GaAs上的异质外延生长在以前已经被别人完成过。使用金属氧化物化学蒸汽沉积(MOCVD)，例如，A.G.Dentai等人已经演示过高质量的InP能够直接生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种介电反射镜，包括一个介质材料层的四分之一波长叠层，一个ｎ层半波长应变消除层，其中ｎ是大于零的奇数，以及一个位于所述应变消除层内的量子阱层，使得所述介电反射镜对入射辐射提供一个非线性饱和响应。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：约翰埃德沃德库宁哈姆，威廉姆扬简，韦尼哈维克诺克斯，瑟吉奥苏达，
申请(专利权)人：朗迅科技公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]