[发明专利]基于InAs/GaSb超晶格的中红外半导体可饱和吸收镜及其制备方法

说明书

一种基于InAs/GaSb超晶格的中红外半导体可饱和吸收镜，包括：GaSb衬底；在该GaSb衬底的下表面镀有高透膜；InAs/GaSb超晶格，该InAs/GaSb超晶格具有特定的结构和厚度，制作在所述GaSb衬底上；反射膜，该反射膜制作在所述InAs/GaSb超晶格上；所述的反射膜由多对1/4波长厚度的ZnS和YbF₃膜层构成，且所述的YbF₃膜层与所述InAs/GaSb超晶格相接。本发明不仅具有宽带的中红外工作范围，且具有皮实、稳定可靠、参数可调等优良特性，为中红外超快锁模激光器的发展铺平了道路。

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种基于短周期InAs/GaSb超晶格的中红外波段半导体可饱和吸收镜及其制备方法。

背景技术

半导体可饱和吸收镜是开发超快锁模激光器的核心元件。将半导体可饱和吸收镜作为激光器的一面腔镜，通过光的可饱和吸收效应就可以实现稳定的锁模。半导体可饱和吸收镜具有参数设计灵活、性能稳定、易于集成等优点，已经成为超快锁模激光器锁模元件的首要选择。

过去的半导体可饱和吸收镜主要采用In_xGa_1-xAs量子阱作为可饱和吸收层，通过调控势阱In_xGa_1-xAs中In的含量来调节量子化能级的能隙。In_xGa_1-xAs量子化能级的能隙随着In含量的增加而减少。然而，即使当In_xGa_1-xAs量子阱中In含量达到最大的100％，其能隙仍然有0.36eV，对应的光吸收截止波长为～3.4μm。事实上，当In含量接近100％时，势阱层In_xGa_1-xAs和势垒层GaAs的晶格失配会变得异常严重，导致可饱和吸收镜的破坏负载急剧下降，因此传统的基于In_xGa_1-xAs量子阱的半导体可饱和吸收镜的工作波长受限于3μm以下。

3-20μm中红外位于众多气体和有机分子的振动和转动特征指纹谱区域，同时该区域还涵盖了空间大气的两个透明窗口，因此3-20μm中红外超快激光在气体光谱学、医疗诊断、遥感和空间通信等领域具有重要的应用价值。过去十年中，由于氟化物和硫化物增益光纤的快速发展，3μm以上中红外激光器开始引起人们的广泛关注。然而，稳定可靠的可饱和吸收元件的缺乏，严重阻碍了3μm以上超快锁模激光器的发展。因此，迫切需要开发3μm以上的中红外半导体可饱和吸收镜。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于InAs/GaSb超晶格的中红外半导体可饱和吸收镜及其制备方法。InAs/GaSb超晶格是以几个原子层厚度的InAs和GaSb交替生长而形成的一种人造周期性结构，通过InAs和GaSb层的厚度设计调控能隙，InAs/GaSb超晶格可以工作在3μm以上的中红外波段；InAs/GaSb超晶格的周期厚度只有几个纳米，由于厚度较小，势阱(势垒)之间的电子(空穴)波函数能够互相耦合，使得超晶格的电子能级(空穴能级)被大幅加宽，从而可获得超宽的工作带宽；InAs/GaSb超晶格和GaSb衬底具有良好的晶格匹配，还可以通过InSb界面的引入进一步减少材料晶格失配，有利于提高半导体可饱和吸收镜的破坏阈值。为了制备成中红外可饱和吸收镜元件，超晶格的纳米结构和厚度需要严格控制，满足可饱和吸收镜的工作条件。此外，在InAs/GaSb超晶格和GaSb衬底上分别镀上了Bragg反射膜层和高透膜层。通过设计合适的Bragg反射膜层，一方面可使得InAs/GaSb超晶格处在驻波光场的波峰位置，从而降低锁模的饱和能流；另外一方面采用高透膜层可使得光全部通过InAs/GaSb超晶格，进一步降低饱和能流，同时消除可饱和吸收镜元件的F-P腔效应以实现大的工作带宽。同时该种结构Bragg反射膜层直接通过真空离子束溅射镀在超晶格表面，无需与超晶格晶格匹配。基于InAs/GaSb超晶格的半导体可饱和吸收镜，不仅继承了近红外半导体可饱和吸收镜的优良特性(灵活的设计性、长期的稳定性、系统可集成性等)，而且可以将工作波长拓展到3μm以上并具有超宽的工作带宽。