[发明专利]分布式反馈表面等离子体振子激光器

说明书

本发明涉及表面等离子体振子(plasmon)激光器的结构，特别涉及到提供长波长单模运行的包括分布式反馈(DFB)结构的表面等离子体振子激光器。

基于Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的带间跃迁的关于长波长注入激光器的现有技术典型地局限于λ＜5μm的波长范围，只有铅盐激光器能提供波长在其余的相当大的中远红外部分的激光。但是，目前已经证明运行在InGaAs/AlInAs异质结构中导带态间的次能带间跃迁的量子级联(QC)激光器是具有极其多用途的，它覆盖了两个大气窗口的波长范围(3.4-13μm)，并且在室温下给出高光功率。当形成了分布式反馈(DFB)器件(包括在紧邻激活区嵌入光波导中的光栅结构)时，单模运行是可能的。由于内核(激活)区具有比周围(外部)包层区高的折射率，可以获得光波传导。但是，波长较长时，光波导层(核及包层)的整体厚度变得难以控制，并且自由载流子(尤其是在相对高掺杂的n型QC包层中)的光吸收会导致较大的信号损失。另外，在较长波长下运行的DFB结构需要极深的蚀刻以形成光栅结构，这使得再生变成问题，并且只有将弱耦合的光栅留在远离激活区。所有这些困难导致了DFB结构未成为长波长应用的有吸引力的候选者。

但是，电磁理论的麦克斯韦定律允许另一种类型的光约束发生在两种均匀物质的界面之间。存在这样的光波，其特征为在与界面正交的两个方向上强度呈指数衰减，条件是两种物质的介电常数(ε)具有符号相反的实部。对一个给定的辐射频率，产生具有沿平行于界面和垂直于传播方向极化的磁场(即横磁(TM)极化)的一种单一约束模式。

具有负实部的介电常数通常出现在带电谐振子的电磁响应中，尤其是在频率高于振子谐振点ω₀直至频率ω_L时，其中ε(ω_L)=0，并且能传播纯纵模式。在金属或高掺杂的半导体中存在的近自由电子对横向激发行为如同精确零谐振频率的简谐振子，而同时显示出非常高的ω_L，一般在可见或UV波长范围。后者名为“等离子体频率”ω_P，是电荷密度振荡的频率。因此，金属有一个极宽的波长范围，其中Re[ε]＜0，且金属能支持界面约束的电磁波，该波被称为“表面等离子体振子(surface plasmon)”。最近已经在中红外半导体激光器领域里探索了用表面等离子体振子代替较常规的多层电介质光频波导的可能性，但是这些表面等离子体振子器件的边缘特性还无法与那些传统的层式结构竞争。

因此，现有技术有这样一个需求，即对于相对长波长的激光器(即λ＞15μm)，既不要厚得无法接受，在技术上也不要象制造DFB器件那样困难。

本发明提出了能满足该需求的方案，它涉及一种表面等离子体振子激光器的结构，更具体地，涉及提供单模、长波长(例如λ=17μm)发射的包括分布式反馈(DFB)结构的表面等离子体振子激光器。

表面等离子体振子激光器包括由绝缘脊构成的激活区，它还包括沿该脊纵向设置的与激活区邻接的金属表面层。该结构导致表面等离子体振子传播的形成，其中发现在波长大于15μm时在金属中与穿透深度(即趋肤深度)相关的能损被大大减低了。伴随波导层厚度的减小(从现有技术的近9μm减小至小于4μm)，所产生的大波模约束Γ有益于用来制造长波长激光器。

按照本发明所述，金属表面层包括一个金属栅状(即周期性的)表面结构，因此形成了能单模发射的DFB表面等离子体振子激光器。在一个实施例中，钛条首先被沉积到激活区的裸露表面，接着是一层连续的金层。所形成的Ti/Au-Au光栅提供了单模表面等离子体振子的辐射输出，其中改变器件运行温度可以“调谐”输出波长。

在本发明的一个具体实施例中，DFB表面等离子体振子激光器的激活区可包含量子级联(QC)结构，包括多个基本相同的重复单元，各重复单元包含一个或多个量子井。载流子连续从高能态向低能态跃迁导致光子发射，光子的能量取决于重复单元的结构和具体排列。

本发明的其它更进一步优点和装置将在下面的讨论及对附图的参照过程中显现出来。

现在参照附图：

图1是一个根据本发明构成的DFB表面等离子体振子激光器的等角投影视图；

图2是图1中器件的前平面示意图；

图3是图1中的单模DFB表面等离子体振子激光器侧视剖面图；

图4是一个曲线图，它包含一个根据本发明带有常规电介质波导的表面等离子体振子激光器的示例的波模强度和介电常数实部；