微纳结构高对比度亚波长光栅GaSb基面发射激光器研究

The main limitation of electrically-pumped surfac-emitting laser（SEL），particularly for GaSb-based one, originates from p-type distributed Bragg reflectors （DBRs） which exhibit very high electrical impedance with high optical losses. A method of the combination of theoretical analysis and experiment is adopted to investigate high contrast grating （HCG） and its integration with GaSb-based SEL from a multi-interdisciplinary piont of view. A new HCG mirror is proposed to solve some serious physical problems in its integration with GaSb-based SEL, such as reflectance decreased,reflection bandwidth narrowed,and hetero epitaxial technique problem. The HCG has stable performance,easy fabrication and convenience in improving features of SEL. This research promotes the progress of technology and application in environmental monitoring, free space optical communication and molecular spectra measurement.

针对当前GaSb基面发射激光器（SEL）发展中由于厚的分布布拉格反射镜（DBRs）带来的高电阻和严重的光吸收这一瓶颈问题，从半导体物理、材料科学、激光技术、薄膜技术及微纳加工技术等多学科交叉融合的角度，采用理论分析和实验相结合的研究方法，深入研究高对比度亚波长光栅（HCG）及其与GaSb基SEL集成中的物理问题和关键技术。设计一种基于GaSb衬底上的新结构HCG作为SEL顶部反射镜，解决当前HCG与GaSb基SEL集成中反射率降低、带宽变窄等严重物理问题及制备上异质外延等技术难题。该结构具有性能稳定，便于制作的特点，有望实现集成HCG的GaSb基SEL的激光激射，这对改善器件的电学、热学、偏振和模式特性，尤其是获得更长波性能优异的中红外半导体激光器具有重要意义。因此，本项目研究将大大推动GaSb基SEL的技术进步和实用化进程，加速其在环境监测、自由空间光通讯、分子光谱测量等领域的应用步伐。

本项目针对高对比度亚波长光栅（HCG）及其与GaSb基面发射激光器（SEL）集成中的物理问题和关键技术按计划完成相应的研究工作，设计一种基于GaSb基底上的HCG替代传统的P侧DBRs反射镜，解决当前GaSb基SEL发展中由于厚的分布布拉格反射镜（DBRs）带来的高电阻和严重的光吸收这一瓶颈问题，实现了2μm HCG-SEL的激光激射。理论上深入研究了亚波长光栅及其在SEL中应用的机理，采用严格耦合波方法仿真分析了HCG的各结构参量对其反射特性的作用规律，设计的HCG反射镜反射率大于99.5%的带宽达到447nm，体现了超宽带高反射特性；研究了集成HCG的GaSb基SEL结构，仿真分析集成HCG时器件谐振腔内驻波电场强度分布、光场分布及光谱特性；实验研究了HCG的关键制备技术，如高分辨率的光栅图形制备技术，低应力的高质量薄膜沉积技术，高精度的刻蚀技术等，制备出高反射带宽大于270nm的HCG反射镜（R≥99.5%）；实验研究了SEL上集成HCG的器件制备技术，优化工艺路线，完成版图的设计和制备，深入研究了GaSb湿法刻蚀技术、套刻技术、金属电极剥离技术等，实现了2μm HCG-SEL的激光激射。研究工作对于推动GaSb基SEL的技术进步和实用化进程，获得性能优异的长波半导体激光器，加速其在环境监测、自由空间光通讯、分子光谱测量等领域的应用步伐具有重要意义。在项目研究过程中，申请国家发明专利7项(已授权4项)，发表学术论文23篇，出版专著1部，培养研究生6名。