量子点激光器结构及制备方法技术

本公开提供一种量子点激光器结构，包括：衬底；外延层，设置在衬底上，所述外延层由下至上包括：缓冲层，下包层，下波导层，叠层量子点，上波导层，上包层，欧姆接触层；其中，上包层和欧姆接触层的中间区域制备有平行的两个沟槽，在两个沟槽之间形成凸起的脊波导；侧向耦合光栅，形成于两个沟槽内的上包层的表面，所述侧向耦合光栅的布拉格波长相较于激光器材料增益峰值的失谐量为1nm

【技术实现步骤摘要】
量子点激光器结构及制备方法


[0001]本公开涉及半导体
，尤其涉及一种宽温度范围、窄线宽的量子点激光器结构及制备方法。

技术介绍

[0002]窄线宽激光器在大容量光通信、高精度传感和高分辨率测量等领域都有重要的应用。市场对具有千赫兹级或更小的线宽的半导体激光器的需求量巨大。目前商业上多采用各种外部腔体来压窄量子阱分布式反馈(DFB)激光器的线宽，包括衍射光栅、光纤光栅和集成外腔等。但是这种复合系统增加了尺寸和成本，并且容易受到外部热干扰和振动扰动。同时，由于量子阱激光器的温度稳定性较差，上述系统需要额外的控温设备而难以适应更复杂的工作场景。由于量子点独特的三维载流子限制效应，半导体量子点激光器展现出了低阈值电流密度、高微分增益、高温度稳定性、高速率以及低的频率啁啾效应等优越特性，有望成为下一代光通信系统的重要光源。同时得益于较低的线宽增强(α)系数和较低的自发发射率，使用量子点(QDs)作为增益材料可以大大降低激光器的线宽。
[0003]但是实现宽温度范围窄线宽量子点DFB激光器需要考虑如下几个关键问题。首先，常规埋层量子点DFB激光器需要二次外延，工艺复杂，同时光栅制作容易在激光器内部引入缺陷而造成损耗，这不利于线宽和噪声的降低。其次，对于常规的量子点DFB激光器，其在室温下的激射波长在材料增益峰值附近，随着温度的上升，材料增益峰值红移速率(R
g
，约0.5nm/℃)和布拉格波长红移速率(R
b
，约0.1nm/K)的巨大差异导致了两者波长失谐的迅速增大，这会导致量子点DFB激光器的阈值电流、斜率效率、模式选择和调制带宽等明显变差；同时，随着温度升高，量子点DFB激光器的线宽增强因子也随着失谐量的增大而变大，这会导致高温下光谱线宽的显著展宽。再者，在宽脊波导或高注入电流下，高阶侧模可能会产生，这会恶化光谱和发散角，并增大线宽；特别是对于侧向耦合DFB激光器，高阶模式可能会拥有比基横模更高的耦合强度。最后，大注入电流下可能出现空间载流子烧孔现象，这会造成模式跳变和多模激射，并显著降低边模抑制比，恶化激光器的噪声和光谱线宽。

技术实现思路

[0004](一)要解决的技术问题
[0005]基于上述问题，本公开提供了一种量子点激光器结构及制备方法，以改进现有技术中DFB激光器在宽温度范围下、大电流注入下的温度稳定性较差、输出功率和光谱线宽还有待提高等技术问题。
[0006](二)技术方案
[0007]本公开的一个方面，提供一种量子点激光器结构，包括：衬底；外延层，设置在衬底上，所述外延层由下至上包括：缓冲层，下包层，下波导层，叠层量子点，上波导层，上包层，欧姆接触层；其中，上包层和欧姆接触层的中间区域制备有平行的两个沟槽，在两个沟槽之间形成凸起的脊波导；侧向耦合光栅，形成于两个沟槽内的上包层的表面，所述侧向耦合光
栅的布拉格波长相较于激光器材料增益峰值的失谐量为1nm
‑
60nm。
[0008]根据本公开的实施例，衬底材料选自GaAs、InP、Si、SOI，以及通过键合或外延得到的包含上述材料的复合衬底；缓冲层材料选自GaAs、InP、AlGaAs、InGaP、InGaAs、GaAsSb；下包层和上包层的材料选自GaAs、InP、AlGaAs、InGaP、InGaAs、GaAsSb；下波导层和上波导层材料选自GaAs、InP、AlGaAs、InGaP、InGaAs、GaAsSb。
[0009]根据本公开的实施例，所述叠层量子点的制备材料选自InAs、InGaAs、GaAsSb、GaAs、GaSb，所述叠层量子点的周期层数为1
‑
100层。
[0010]根据本公开的实施例，所述脊波导的宽度为1μm
‑
5μm，每个沟槽的宽度为1μm
‑
20μm。
[0011]根据本公开的实施例，所述侧向耦合光栅为刻蚀脊波导两侧沟槽内剩余的上包层而得到的，光栅刻蚀深度为1
‑
500nm，光栅最深处距离上波导层上表面的距离为1
‑
500nm。
[0012]根据本公开的实施例，所述侧向耦合光栅的周期为Λ，其值为150nm
‑
300nm，激光器结构的有效材料折射率为N
neff
，对应的布拉格波长为λ
b
＝2
×
N
neff
×
Λ。
[0013]根据本公开的实施例，所述侧向耦合光栅在室温25℃下周期对应的布拉格波长大于激光器材料增益峰值波长；室温25℃下量子点激光器的材料增益峰值为λ
g
，其值为1100nm
‑
1800nm。
[0014]根据本公开的实施例，衬底材料选自GaAs、InP、Si、SOI，以及通过键合或外延得到的包含上述材料的复合衬底；缓冲层材料选自GaAs、InP、AlGaAs、InGaP、InGaAs、GaAsSb；下包层和上包层的材料选自GaAs、InP、AlGaAs、InGaP、InGaAs、GaAsSb；下波导层和上波导层材料选自GaAs、InP、AlGaAs、InGaP、InGaAs、GaAsSb。
[0015]根据本公开的实施例，量子点激光器结构还包括填充介质，所述填充介质填充于两个沟槽内，所述填充介质为硅基化合物或者高分子聚合物。
[0016]本公开的另一方面，提供一种量子点激光器结构的制备方法，用于制备以上任一项所述的量子点激光器结构，所述制备方法包括：操作S1：在衬底上依次外延生长缓冲层，下包层，下波导层，叠层量子点，上波导层，上包层和欧姆接触层；操作S2：刻蚀欧姆接触层和上包层，形成两个沟槽和位于两个沟槽之间的脊波导；操作S3：在所述两个沟槽的底部的上包层的表面制备侧向耦合光栅；操作S4：在制备了侧向耦合光栅后的两个沟槽内填充硅基化合物或者高分子聚合物，并进行后续工艺和封装，完成量子点激光器结构的制备。
[0017](三)有益效果
[0018]从上述技术方案可以看出，本公开量子点激光器结构及制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
[0019](1)无需二次外延，损耗低，有利于获得良好的模式选择和品质因子，保证大注入电流下的基横模激射，进而有利于获得高的输出功率和窄的光谱线宽；
[0020](2)在侧向光栅布拉格波长和材料增益峰值之间引入的预失谐可以有效地改善激光器的温度稳定性和高温下的输出特性，在宽温度范围内保持阈值电流、输出功率的稳定和窄的光谱线宽；
[0021](3)上述宽温度范围窄线宽量子点激光器可以在宽温度范围下，无外部温控和外腔反馈条件下，实现高稳定性、大功率、窄线宽的激光输出，有利于降低激光器尺寸和成本，可以更广泛地应用于光通信、传感、测量、激光雷达等光电子相关领域。
附图说明
[0022]图1a示意性示出了本公开实施例的量子点激光器结构的立体图。
[0023本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种量子点激光器结构，包括：衬底；外延层，设置在衬底上，所述外延层由下至上包括：缓冲层，下包层，下波导层，叠层量子点，上波导层，上包层，欧姆接触层；其中，上包层和欧姆接触层的中间区域制备有平行的两个沟槽，在两个沟槽之间形成凸起的脊波导；侧向耦合光栅，形成于两个沟槽内的上包层的表面，所述侧向耦合光栅的布拉格波长相较于激光器材料增益峰值的失谐量为1nm
‑
60nm。2.根据权利要求1所述的量子点激光器结构，衬底材料选自GaAs、InP、Si、SOI，以及通过键合或外延得到的包含上述材料的复合衬底；缓冲层材料选自GaAs、InP、AlGaAs、InGaP、InGaAs、GaAsSb；下包层和上包层的材料选自GaAs、InP、AlGaAs、InGaP、InGaAs、GaAsSb；下波导层和上波导层材料选自GaAs、InP、AlGaAs、InGaP、InGaAs、GaAsSb。3.根据权利要求1所述的量子点激光器结构，所述叠层量子点的量子点材料选自InAs、InGaAs、GaAsSb、GaAs、GaSb，所述叠层量子点的周期层数为1
‑
100层。4.根据权利要求1所述的量子点激光器结构，所述脊波导的宽度为1μm
‑
5μm，每个沟槽的宽度为1μm
‑
20μm。5.根据权利要求1所述的量子点激光器结构，所述侧向耦合光栅制作于双沟脊波导形成之后，为刻蚀脊波导两侧沟槽内剩余的上包层而得到的，光栅刻蚀深度为1
‑
500nm，光栅最深处距离上波导层上表面的距离为1
‑
500nm。6.根据权利要求1所述的量子点激光器结构，...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪帅，杨涛，吕尊仁，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：