一種非對稱金屬光柵包覆半導體多量子阱波導激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及激光技術與微納光電子學領域，公開了一種非對稱金屬光柵包覆半導體多量子阱波導激光器，其包括上金屬光柵層(1)、有源層(2)、下金屬包覆層(3)和襯底(4)。上金屬光柵層和下金屬包覆層將光場有效地局域在半導體有源層中。上金屬光柵層上制備有一維條形金屬光柵，結(jié)合局域表面等離子體共振形成類FP腔共振，可以實現(xiàn)對波長的有效選模。有源層采用多量子阱大增益材料，通過對泵浦光和目標光的強共振達到對泵浦光有效的吸收以及對目標光足夠的反饋，最終獲得低閾值的激射。本發(fā)明具有對光一維亞波長限制以及單向性較好等優(yōu)點。
【專利說明】一種非對稱金屬光柵包覆半導體多量子阱波導激光器【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于激光技術與微納光電子學領域，特別涉及一種非對稱金屬光柵包覆半導體多量子阱波導激光器。
【背景技術】
[0002]在光通訊領域，隨著片上光電集成的迫切需求，人們越來越關注片上集成光源的小型化。相比與低發(fā)散角大功率輸出激光器，人們開始研究低閾值的緊湊型激光器，并在近幾年內(nèi)有了一定的進展。因為遠低于衍射極限的光局域特性，表面等離子體提供了一種可以直接在納米尺度產(chǎn)生相干光場的超小型的激光的可能性。已經(jīng)報道過的納米級諧振器，如:金屬包覆納米柱，金屬包覆的納米環(huán)，在銀膜上的半導體納米線，和金納米球等。最近又在金屬孔陣列中，表面等離子體被作為光頻諧振器進行研究，并且觀察到激射現(xiàn)象。
[0003]在激光器的發(fā)展過程中，在統(tǒng)一的泵浦-反饋-選模原理下，產(chǎn)生了各種反饋和選模的機制。從最早的FP腔到DBR、DFB以及VCSEL，直到近期最受關注的微腔激光器，人們研究最多，被認為最有效的反饋機制仍然是FP腔反饋。FP腔與表面等離子體都有其自身的獨特的優(yōu)點。但FP腔與表面等離子體結(jié)合作為研究的激光器仍然沒見有過報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一 )要解決的技術問題
[0005]本發(fā)明所要解決是現(xiàn)有亞波長腔激光器以及微腔激光器單向性差的技術問題。
[0006]( 二 )技術方案
[0007]為解決上述技術問題，本發(fā)明提出一種非對稱金屬光柵包覆半導體多量子阱波導激光器，通過結(jié)合局域表面等離子體共振以及類FP共振，在保證激光器尺寸較小的前提下，改善激光器的單向性。該激光器包括從上到下依次疊置的上金屬光柵層、有源層、下金屬包覆層和襯底，其中所述上金屬光柵層和下金屬包覆層均由金屬構(gòu)成，所述上金屬光柵層上制作有一維條形金屬光柵；所述有源層是由多量子阱材料構(gòu)成；所述上金屬光柵層和下金屬包覆層的表面結(jié)構(gòu)不同，該上金屬光柵層和下金屬包覆層能將光場局域在所述有源層中。
[0008]在一種【具體實施方式】中，所述一維條形金屬光柵的周期300nm~800nm之間。
[0009]在一種【具體實施方式】中，所述一維條形金屬光柵的占空比為20%~50%。
[0010]在一種【具體實施方式】中，所述有源層的厚度為200nm~500nm。
[0011]在一種【具體實施方式】中，所述有源層材料是InGaAsP、AlGaInAs或者GaAs/InGaAs0
[0012]在一種【具體實施方式】中，所述上金屬光柵層和下金屬包覆層的厚度均在30~IOOnm0
[0013]在一種【具體實施方式】中，所述上金屬光柵層和下金屬包覆層材料為銀、金、鋁、銅和鎳的任何一種。[0014]在一種【具體實施方式】中,所述襯底為娃、藍寶石或者金屬。
[0015](三)有益效果
[0016]本發(fā)明的非對稱金屬光柵包覆半導體多量子阱波導激光器具有結(jié)合表面等離子體激光器對光一維亞波長限制以及傳統(tǒng)FP激光器單向性較好等優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的非對稱金屬光柵包覆半導體多量子阱波導激光器結(jié)構(gòu)示意圖(斜視圖)；
[0018]圖2為本發(fā)明的非對稱金屬光柵包覆半導體多量子阱波導激光器的結(jié)構(gòu)測試圖以及一些重要參數(shù)的定義；
[0019]圖3為本發(fā)明實施例中結(jié)構(gòu)參數(shù)下的共振譜以及1064nm泵浦光和1550nm目標光共振峰處的場分布圖(內(nèi)嵌)；
[0020]圖4為圖3所示頻譜中在1064nm泵浦光附近共振峰位置處的場分布；
[0021]圖5為圖3所示頻譜中在1550nm目標光附近共振峰位置處的場分布；
[0022]圖6為本發(fā)實的實施例的頻譜隨金屬光柵厚度在40nm、50nm和60nm對應的頻譜的漂移。
【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明提出了一種結(jié)合類FP腔與局域表面等離子體共振相結(jié)合的新型波導激光器。本發(fā)明采用兩個金屬表面的全內(nèi)反射，以減輕輻射損耗，同時在金屬光柵-半導體-金屬三層結(jié)構(gòu)中對半導體材料的選擇上采用多量子阱大增益材料，以補償由金屬引入的腔損耗以及傳播損耗。類FP腔共振和局域表面等離子體共振耦合顯著增強了在半導體層中的光場。金屬光柵除了可以有效的耦合泵浦光之外，通過局域表面等離子體共振與類FP共振的耦合來對共振波長有一個很好的選模作用。
[0024]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0025]本發(fā)明提供了一種非對稱金屬光柵包覆半導體多量子阱波導激光器，結(jié)構(gòu)上分為:上金屬光柵層、有源層、下金屬包覆層和襯底。
[0026]在一個實施例中，首先，通過MOCVD在InP襯底上生長一定厚度的InGaAsP多量子阱以及光學限制層作為半導體有源層。通過磁控濺射將指定金屬沉積在半導體有源材料表面作為下金屬包覆層，再進行鍵合將整個器件轉(zhuǎn)移到襯底上。濕法腐蝕去掉上面的InP襯底，再通過磁控濺射沉積一層金屬作為上金屬光柵層。通過電子束曝光和剝離工藝在上金屬光柵層上制作金屬的一維條形光柵。器件的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0027]對稱的金屬包覆介質(zhì)波導對波長沒有選擇性:對應一個波長通過改變?nèi)肷浣牵偰苷业侥骋粋€入射角，在這個入射角下光在兩次全反射引入的相位差和在介質(zhì)中傳播的時候的光程總合達到一個相干疊加的效果，即對應導模。介質(zhì)層的厚度和兩側(cè)金屬的材料屬性決定了在這種波導中存在導模的截至厚度。與全介質(zhì)波導相比較，對稱金屬包覆介質(zhì)波導導模存在的范圍更廣，因此導模的傳播常數(shù)可以更小，而獲得類FP共振的導模。我們在對稱金屬包覆介質(zhì)波導結(jié)構(gòu)中的單側(cè)金屬層上制作光柵，使其破壞對稱性，結(jié)合表面等離子體共振可以獲得對波長的選擇性。即對應一種結(jié)構(gòu)，不是所有截至波長以下的光波都存在導模。此外，我們通過調(diào)整金屬光柵的周期以及占空比來進行有效的選模，獲得對特定波長的光的相干疊加，即類FP共振和局域表面等離子體共振耦合增強。
[0028]金屬光柵除了起到耦合局域表面等離子體共振的模式選擇性，獲得類FP共振之夕卜，還必須滿足耦合泵浦光進入半導體材料，進行對有源材料的有效泵浦，以降低器件的閾值。
[0029]本實實施例中，通過調(diào)整參數(shù)，我們在頂層金屬光柵的厚度(W)，周期(Λ)以及占空比(a)分別為410nm、550nm和41.8%的時候，同時獲得106411111泵浦光以及155011111目標光在激光器中的共振。1064nm泵浦光在激光器中的共振，可以使半導體有源層對泵浦光進行往返的有效吸收以提高泵浦效率，達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。而1550nm目標光的共振提供了受激輻射到激射所需的必要反饋。在本實施例中的共振譜如圖3所示，我們可以看到在泵浦光和目標光位置處光場共振增強了接近7倍。這也充分說明了，頂層的光柵不僅起到一個選模的作用，更重要的是通過這種類FP共振與局域的表面等離子體共振增強了光場。1064nm泵浦光和1550nm目標光在結(jié)構(gòu)中共振的場分布分別如圖4和圖5。我們可以明顯看出1064nm泵浦光共振是屬于TM2階，1550nm目標光共振屬于TMl階的類FP共振。
[0030]此外，我們保持在本實施例中厚度、周期和占空比等決定性因素不變的情況下，改變金屬光柵的金屬厚度(h)，研究了共振峰的漂移隨金屬厚度(h)變化的穩(wěn)定性。如圖6所示，在金屬厚度變化20%對應的泵浦光以及目標光共振峰的漂移都要低于1.8nm。相比于制備過程中對周期和占空比的制備誤差所引入的波長漂移，金屬厚度對其影響可以忽略不計。
[0031]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種非對稱金屬光柵包覆半導體多量子阱波導激光器，其特征在于:包括從上到下依次疊置的上金屬光柵層、有源層、下金屬包覆層和襯底，其中 所述上金屬光柵層和下金屬包覆層均由金屬構(gòu)成，所述上金屬光柵層上制作有一維條形金屬光柵； 所述有源層是由多量子阱材料構(gòu)成； 所述上金屬光柵層和下金屬包覆層的表面結(jié)構(gòu)不同，該上金屬光柵層和下金屬包覆層能將光場局域在所述有源層中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱金屬光柵包覆半導體多量子阱波導激光器，其特征在于，所述一維條形金屬光柵的周期300nm?800nm之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱金屬光柵包覆半導體多量子阱波導激光器，其特征在于，所述一維條形金屬光柵的占空比為20%?50%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱金屬光柵包覆半導體多量子阱波導激光器，其特征在于，所述有源層的厚度為200nm?500nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱金屬光柵包覆半導體多量子講波導激光器，其特征在于，所述有源層材料是InGaAsP、AlGaInAs或者GaAs/InGaAs。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱金屬光柵包覆半導體多量子阱波導激光器，其特征在于，所述上金屬光柵層和下金屬包覆層的厚度均在30?lOOnm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱金屬光柵包覆半導體多量子阱波導激光器，其特征在于，所述上金屬光柵層和下金屬包覆層材料為銀、金、鋁、銅和鎳的任何一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱金屬光柵包覆半導體多量子阱波導激光器，其特征在于，所述襯底為娃、藍寶石或者金屬。
【文檔編號】H01S5/343GK103887709SQ201410104279
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】鄭婉華, 張斯日古楞, 王宇飛, 齊愛誼, 馬傳龍, 劉磊, 劉云, 郭小杰 申請人:中國科學院半導體研究所