一种量子级联激光器
阅读说明：本技术 一种量子级联激光器 (Quantum cascade laser ) 是由 管延娇 王利军 卓宁 张锦川 翟慎强 刘舒曼 刘俊岐 刘峰奇 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种量子级联激光器,包括由下至上依次设置的衬底、下波导层、下限制层、第一有源层、间隔层、第二有源层、上限制层以及上波导层；其中,所述量子级联激光器包括两个布拉格反射镜以及两个增益区,两个所述布拉格反射镜以及两个所述增益区沿横向依次间隔交错设置,所述上限制层对应两个所述增益区设置有布拉格光栅结构。在本发明提供的技术方案中,上波导层上设置有两个增益区,在上限制层上对应制备有两个布拉格光栅结构,调控双有源区的激射特性,并通过在上波导层交错设置布拉格反射镜以及增益区,实现分区驱动,可以获得精准波长调控的紧凑型、大功率双波长量子级联激光器。(The invention provides a quantum cascade laser, which comprises a substrate, a lower waveguide layer, a lower limiting layer, a first active layer, a spacing layer, a second active layer, an upper limiting layer and an upper waveguide layer which are sequentially arranged from bottom to top; the quantum cascade laser comprises two Bragg reflectors and two gain regions, the two Bragg reflectors and the two gain regions are sequentially arranged at intervals in a staggered mode along the transverse direction, and Bragg grating structures are arranged on the upper limiting layer corresponding to the two gain regions. In the technical scheme provided by the invention, two gain regions are arranged on the upper waveguide layer, two Bragg grating structures are correspondingly prepared on the upper limiting layer, the lasing characteristic of the double active regions is regulated and controlled, and the Bragg reflectors and the gain regions are arranged on the upper waveguide layer in a staggered manner, so that the partition driving is realized, and the compact high-power double-wavelength quantum cascade laser capable of regulating and controlling the precise wavelength can be obtained.)
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种量子级联激光器。
背景技术
双波长激光器具有结构简单紧凑、输出光束质量高等优点，近年来，在医疗以及环境监测、精细激光光谱、自由空间通讯等领域具有广阔的应用前景。目前，双波长激光器多为采用单一增益介质的固体激光器，当两种波长激光在同一增益介质中产生时，存在着激烈的增益竞争，影响了激光输出的稳定性。另一方面，可通过外部光栅元件协调谐振腔内两种振荡波长之间的模式竞争获得双波长激光同时输出，但是外部光学系统需要极其稳定的抵抗环境影响的能力。
量子级联激光器是一种基于子带间跃迁的单极型红外光源，通过精准的能带设计，其激射波长能够覆盖中、远红外乃至太赫兹波段(3-300μm)。作为一种新型的红外光源，量子级联激光器有源区增益谱窄并且在其高频和低频两侧都是透明的。利用同一波导结构中多个增益介质的级联叠加能够实现多个波长的集成，同时发射多个波长可以同时检测多个分子谱线，而不需要额外的耦合器或者其他光学元件。目前在同一个波导脊中集成两个分布反馈光栅结构以获得双波长单模激射的器件已由Jágerská，J等人于2014年实现，但是其脉冲输出功率仅为25mW。2015年美国西北大学通过精确地能带计算和材料匹配，获得了多个有源区量子级联激光器的同步激射。然而，此类型的激光器只能通过多个有源区堆叠实现宽的增益谱，难以实现单个波长的单模调控。在激光光谱学中，激光发射的光谱位置和谱线宽度必须与目标气体的吸收谱线相匹配。因此获得精准的波长调控、单模激射的器件显得尤为重要。量子级联激光器的波长越长，其波导损耗越严重，因此为了提高长波范围内的器件性能，必须增加激光器的纵向腔长。然而分布反馈光栅在长腔长器件中容易出现过耦合，从而导致激光器功率难以提高。相比强耦合的分布反馈光栅，分布布拉格反射光栅的作用可等效为一个具有选频功能的反射镜，不存在过耦合对器件功率的影响。目前基于单个分布布拉格反射镜的长波量子级联激光器的室温连续功率已经达到600mW。为了同步调控双有源区激射特性同时增大各个激光输出功率，本发明提出在基于双分布布拉格反射镜的模式选择机制下实现可调双波长单模量子级联激光器。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种量子级联激光器，通过分区驱动调控两种激射波长之间的模式竞争，实现波长精准调控，获得紧凑型、大功率、双波长激光输出。
为实现上述目的，本发明提出一种量子级联激光器，包括由下至上依次设置的衬底、下波导层、下限制层、第一有源层、间隔层、第二有源层、上限制层以及上波导层；
其中，所述量子级联激光器包括两个布拉格反射镜以及两个增益区，两个所述布拉格反射镜以及两个所述增益区沿横向依次间隔交错设置，所述上限制层对应两个所述增益区设置有布拉格光栅结构。
可选的，所述上限制层的上端面对应所述增益区凹设有多条沿纵向延伸设置的沟槽，以形成所述布拉格光栅结构；
其中，所述上波导层覆设于所述上限制层上，且所述上波导层的下端填充至所述沟槽内。
可选的，所述上限制层的材料为n型掺杂的InGaAs，；
所述上波导层的材料为n型掺杂的InP。
可选的，两个所述布拉格光栅结构中，其中之一的反射谱相对于另一布拉格光栅结构对应的布拉格波长是透明的。
可选的，两个所述布拉格反射镜以及两个所述增益区中，包括沿横向依次分布的第一布拉格反射镜、第一增益区、第二布拉格反射镜以及第二增益区；
其中，所述第一布拉格反射镜的横向延伸长度为0.3-1mm，所述第一增益区的横向延伸长度为0.5-5mm；和/或，
所述第二布拉格反射镜的横向延伸长度为0.3-1mm，所述第二增益区的横向延伸长度为0.5-5mm。
可选的，两个所述布拉格反射镜以及两个所述增益区之间凹设有沿纵向延伸设置的电隔离沟，所述电隔离沟内填充有电隔离材料。
可选的，所述电隔离材料为SiO2；
所述电隔离沟宽度为20至200μm。
可选的，所述衬底材料为InP；
所述下波导层材料为n型掺杂的InP；
所述下限制层的材料为n型掺杂的InGaAs；
所述间隔层的材料为n型掺杂的InGaAs。
可选的，所述第一有源层和所述第二有源层由20-40周期级联结构组成。
可选的，每个所述周期包括多个InGaAs/InAlAs量子阱/垒对。
在本发明提供的技术方案中，上波导层上设置有两个增益区，在上限制层上对应制备有两个布拉格光栅结构，调控双有源区的激射特性，并通过在上波导层交错设置布拉格反射镜以及增益区，实现分区驱动，可以获得精准波长调控的紧凑型、大功率双波长量子级联激光器。
附图说明
图1为本发明提供的量子级联激光器的一实施例的立体结构示意图；
图2为根据本发明一实施例的量子级联激光器光谱调控图；
图3为根据本发明一实施例的量子级联激光器电流-功率特性图。
附图标号说明：
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，对本发明进一步详细说明。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请参阅图1，本发明提供一种量子级联激光器100，包括由下至上依次设置的衬底5、下波导层6、下限制层7、第一有源层8、间隔层9、第二有源层10、上限制层11以及上波导层12；其中，量子级联激光器100包括两个布拉格反射镜以及两个增益区，两个布拉格反射镜以及两个增益区沿横向依次交错设置，上限制层11对应两个增益区设置有布拉格光栅结构13。
在本发明提供的技术方案中，上波导层12上设置有两个增益区，在上限制层11上对应制备有两个布拉格光栅结构13，调控双有源区的激射特性，并通过在上波导层12交错设置布拉格反射镜以及增益区，实现分区驱动，可以获得精准波长调控的紧凑型、大功率双波长量子级联激光器。
进一步的，在本实施例中，上限制层11的上端面对应增益区10凹设有多条沿纵向延伸设置的沟槽，以形成布拉格光栅结构13；其中，上波导层12覆设于上限制层11上，且上波导层12的下端填充至沟槽内。布拉格光栅结构13位于上限制层11，用于实现对双目标波长选择，并实现双波长的单模激光输出。
具体的，上限制层11的材料为n型掺杂的InGaAs；所述上波导层的材料为n型掺杂的InP。
另一方面，两个布拉格光栅结构13中，其中之一的反射谱相对于另一布拉格光栅结构13对应的布拉格波长是透明的。
需要说明的是，布拉格光栅结构13的周期由目标波长根据公式Λ＝λ/2neff确定，其中，Λ为光栅周期，λ为目标波长，neff为光纤纤芯折射率。
进一步的，两个布拉格反射镜以及两个增益区中，包括沿横向依次分布的第一增益区1、第一布拉格反射镜2、第二增益区3以及第二布拉格反射镜4；
其中，第一布拉格反射镜2的横向延伸长度为0.3-1mm，第一增益区1的横向延伸长度为0.5-5mm；具体的，在本实施例中，第一布拉格反射镜2的长度为0.8mm，第一增益区1的长度为1.7mm；第一布拉格反射镜2用于选择位于第二有源层10增益谱内的目标波长。
同样的，第二布拉格反射镜4的横向延伸长度为0.3-1mm，第二增益区3的横向延伸长度为0.5-5mm；具体的，在本实施例中，第二布拉格反射镜4的长度为1mm，第二增益区3的长度为1mm；所述第二布拉格反射镜4用于选择位于第一有源层8增益谱内的目标波长。
需要说明的是，上述第一布拉格反射镜2与第一增益区1的长度选择、第二布拉格反射镜4与第二增益区3的长度选择两个相关技术特征中，可以择一存在，也可以同时存在，在此不做具体限制。
另一方面，两个布拉格反射镜以及两个增益区之间凹设有沿纵向延伸设置的电隔离沟14，电隔离沟14内填充有电隔离材料。通过在上波导层12制备电隔离沟14实现分区驱动。
具体的，电隔离材料为SiO2。
同样的，电隔离沟宽度为20至200μm；在本实施例中，电隔离沟的宽度为20μm。
为了形成量子级联激光器，衬底5材料为InP。
下波导层6材料为n型掺杂的InP。
下限制层7的材料为n型掺杂的InGaAs。
间隔层9的材料为n型掺杂的InGaAs；用于增强光限制和调节空间电荷。
另一方面，第一有源层8和第二有源层10由20-40周期级联结构组成。具体的，其中，第一有源层8由35周期级联结构组成，第二有源层10由40周期级联结构组成。
进一步的，每个周期包括多个InGaAs/InAlAs量子阱/垒对。
本发明提出的可调双波长的量子级联激光器100是在与两个布拉格反射镜结合下通过有效调控双增益区的激射特性的基础上实现的。即第一增益区1与第一布拉格反射镜2用于实现对1波长的单模选择；整个增益区与第二布拉格反射镜4用于实现对2波长的单模选择，同时，对应的布拉格光栅结构13的反射谱对2波长是透明的。
结合图1中所示的量子级联激光器100，仅对第一增益区1施加偏置电流进行驱动，能够产生1波长的单模激光输出；第一增益区1和第二增益区3分别由两台电源同时驱动时，能够实现双波长的选择性输出。本实施例中，第一增益区1固定电流不变，针对第二增益区3，小电流时仅1波长激射；随第二增益区3电流的变化，2波长输出逐渐增强。从整个器件的分区电流调控上来看，1波长和2波长实现如图2所示的选择性输出，且每个波长的激射强度自由可控。
另外，图3为本发明中该实施例的可调双波长量子级联激光器电流-功率特性曲线图。1波长的电流-功率特性由图3中黑色实心曲线示出，峰值功率可达300mW；2波长的电流-功率特性曲由图3中白色空心曲线示出，峰值功率可达150mW。由于采用增益介质分区驱动的方式，即当其中一个增益区工作时，另一增益区选择性驱动，避免了双增益区之间的光损耗。
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，所应理解的是，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。