專利名稱：一種制作雙波長分布反饋集成激光器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分布反饋集成激光器制作技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及ー種制作雙波長分布反饋集成激光器的方法，該雙波長分布反饋集成激光器用于探測CO與CH4的濃度。
背景技術(shù)：
有毒有害和易燃易爆氣體是礦井安全的重大隱患，其中尤以一氧化碳(分子式CO)和甲烷(分子式CH4)兩種氣體的危害最大。礦井內(nèi)需要有穩(wěn)定可靠的這兩種氣體濃度的監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，才能確保井下人員的生命安全。
目前氣體濃度主要通過熱催化、顯色劑、光干渉、氣敏半導(dǎo)體、電化學(xué)、紅外吸收等技術(shù)方法進(jìn)行檢測。其中紅外吸收方法是利用氣體分子的吸收光譜來識別氣體種類和氣體濃度的方法，例如CO的吸收光譜落在1567nm波長處，CH4的吸收光譜落在1665nm波長處等，只要能探測到這些特定波長光譜強(qiáng)度的變化，就能計算出相應(yīng)氣體濃度的起伏。紅外吸收方法具有響應(yīng)速度快、選擇性強(qiáng)、不易受其他氣體干擾、使用壽命長的特點(diǎn)，是現(xiàn)代最為先進(jìn)的氣體濃度檢測方法之一。在紅外吸收光譜檢測儀中，需要具有特定波長的激光光源來進(jìn)行氣體種類的識別及其濃度的測定。早期一般采用和氣體吸收譜線接近的固定頻率的氣體激光器或可調(diào)諧鉛鹽激光器。但是，這些激光器價格昂貴，發(fā)射譜線多摸，結(jié)構(gòu)笨重，嚴(yán)重制約了其在氣體傳感中的應(yīng)用。半導(dǎo)體分布反饋激光器能夠通過調(diào)節(jié)內(nèi)部光柵結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)與氣體吸收譜線波長對應(yīng)的單縱模激光輸出，而且半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、波長穩(wěn)定可控、可靠性高，已逐漸成為新一代氣體檢測儀的激光光源。但目前的紅外吸收氣體檢測儀器，都只能探測單ー特定波長的氣體。例如礦井內(nèi)的CO和CH4,就需要兩種氣體探測儀器，才能分別對CO和CH4兩種氣體的濃度作檢測，這無疑増加了井下監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的成本費(fèi)用。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供了ー種制作雙波長分布反饋集成激光器的方法，以實(shí)現(xiàn)對CO與CH4兩種氣體濃度的快速檢測和預(yù)警。( ニ )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了ー種制作雙波長分布反饋集成激光器的方法，該雙波長分布反饋集成激光器用于探測CO與CH4的濃度，該方法包括在摻雜磷化銦襯底上制作長條形介質(zhì)掩膜圖形；在制作有該長條形介質(zhì)掩膜圖形的摻雜磷化銦襯底上外延生長有源増益區(qū)和復(fù)合光柵層，在該復(fù)合光柵層上制作光柵；在該光柵上外延生長摻雜磷化銦蓋層和重?fù)诫s歐姆接觸層，并制作串行條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或并行條形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)；其余按標(biāo)準(zhǔn)激光器管芯エ藝和光纖耦合エ藝完成后續(xù)制作，得到雙波長分布反饋集成激光器。上述方案中，所述在摻雜磷化銦襯底上制作長條形介質(zhì)掩膜圖形，是在表面生長有介質(zhì)掩膜的摻雜磷化銦襯底上，采用標(biāo)準(zhǔn)光刻エ藝對該介質(zhì)掩膜進(jìn)行刻蝕，形成長條形介質(zhì)掩膜圖形對I。所述摻雜磷化銦襯底為η型或P型；長條形介質(zhì)掩膜圖形對I采用SiO2或Si3N4材料,厚度為50-200nm,該長條形介質(zhì)掩膜圖形對I中姆個長條形介質(zhì)掩膜的寬度2為20-60 μ m，兩個長條形介質(zhì)掩膜的間距3為5_20 μ m。上述方案中，所述在制作有該長條形介質(zhì)掩膜圖形的摻雜磷化銦襯底上外延生長有源増益區(qū)和復(fù)合光柵層，在該復(fù)合光柵層上制作光柵，包括在形成該長條形介質(zhì)掩膜圖形對I的摻雜磷化銦襯底上外延生長有源増益區(qū)，該有源増益區(qū)從下到上依次包括磷化銦緩沖層、下分別限制層、有源増益波導(dǎo)層和上分別限制層；在該有源増益區(qū)上生長復(fù)合光柵層，該復(fù)合光柵層從下到上依次包括磷化銦層、銦鎵砷磷層及其p/n反型結(jié)層；對該復(fù)合光柵層進(jìn)行兩次全息曝光或電子束直寫，分別在DFB-LDl區(qū)和DFB-LD2區(qū)形成兩種周期光柵。上述方案中，所述磷化銦緩沖層采用與摻雜磷化銦襯底同類型的摻雜或不摻雜的磷化銦材料；所述上分別限制層、下分別限制層為不摻雜的帶隙波長為I. 15μπι-1. 35 μ m的銦鎵砷磷或銦鎵鋁砷材料；所述有源増益波導(dǎo)層為銦鎵砷/銦鎵砷磷/磷化銦、銦鎵砷磷/磷化銦、銦鎵鋁砷/磷化銦體系的多量子阱材料層或銦鎵砷磷、銦鎵鋁砷的體發(fā) 光材料層，且所述有源増益波導(dǎo)層處于上分別限制層與下分別限制層之間，其峰值波長在該長條形介質(zhì)掩膜圖形對I之間的區(qū)域內(nèi)為1665nm±20nm,在無掩膜的外部區(qū)域?yàn)?567nm±20nmo上述方案中，所述在該光柵上外延生長摻雜磷化銦蓋層和重?fù)诫s歐姆接觸層并制作串行條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或并行條形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)，包括在形成的兩種周期光柵上外延摻雜磷化銦蓋層和重?fù)诫s歐姆接觸層，刻蝕出串行的條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或并行條形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)。上述方案中，所述外延摻雜磷化銦蓋層和重?fù)诫s歐姆接觸層的摻雜類型與摻雜磷化銦襯底的摻雜類型相反；所述串行條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為兩個波長的分布反饋激光器通過波導(dǎo)前后串聯(lián)輸出，在該長條形介質(zhì)掩膜圖形對I之間的區(qū)域3內(nèi)制作1665nm波長的第一激光器4，在掩膜圖形外制作1567nm波長的第二激光器5，并且1665nm波長的第一激光器4處于串聯(lián)的后段，1567nm波長的第二激光器5處于串聯(lián)的出光前段；所述并行條形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)為兩個波長的分布反饋激光器通過波導(dǎo)并聯(lián)、經(jīng)Y波導(dǎo)6或多模干涉器(MMI)耦合后經(jīng)單一波導(dǎo)7輸出，在該長條形介質(zhì)掩膜圖形對I之間的區(qū)域3內(nèi)制作1665nm波長的第一激光器4，在掩膜圖形外制作1567nm波長的第二激光器5。所述串行條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或并行條形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)的第一激光器4和第二激光器5，其電極獨(dú)立引出或連接在一起之后引出，獨(dú)立引出的第一激光器4與第二激光器5之間有隔離區(qū)8。上述方案中，該雙波長分布反饋集成激光器，其輸出波長為1567nm±2. 5nm和1665nm + 2. 5nm。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果I、利用本發(fā)明提供的制作雙波長分布反饋集成激光器的方法制作的雙波長分布反饋集成激光器，結(jié)合目前通用的寬譜紅外探測器及電路處理技木，能夠?qū)O和CH4兩種氣體濃度的檢測合并于同一儀器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對CO與CH4兩種氣體濃度的快速檢測和預(yù)警。2、與現(xiàn)有的多波長分布反饋激光器陣列最多只涉及20_30nm的波長范圍不同，本發(fā)明提供將CO和CH4相距 IOOnm吸收峰的超寬范圍雙波長分布反饋激光器集成在単一芯片內(nèi)并經(jīng)單一波導(dǎo)輸出的方法。


圖I為依照本發(fā)明實(shí)施例的制作雙波長分布反饋集成激光器的方法流程圖。圖2為依照本發(fā)明實(shí)施例的串行條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的俯視示意圖。圖3為依照本發(fā)明實(shí)施例的并行條形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)的俯視示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)ー步詳細(xì)說明。本發(fā)明提供的制作雙波長分布反饋集成激光器的方法，由介質(zhì)掩膜選區(qū)外延形成具有不同増益峰值波長的雙増益有源區(qū)材料，利用兩次全息曝光或電子束直寫的方式制作周期性光柵，利用串行條形或并行耦合的輸出結(jié)構(gòu)、単一器件即可實(shí)現(xiàn)1567nm和1665nm雙波長分布反饋激光器的功能。如圖I、圖2和圖3所示，本發(fā)明提供的制作雙波長分布反饋集成激光器的方法，包括以下步驟步驟I :在表面生長有介質(zhì)掩膜的摻雜磷化銦襯底上，采用標(biāo)準(zhǔn)光刻エ藝對該介質(zhì)掩膜進(jìn)行刻蝕，形成長條形介質(zhì)掩膜圖形對I ;步驟2 :在形成該長條形介質(zhì)掩膜圖形對I的摻雜磷化銦襯底上外延生長有源增益區(qū)和復(fù)合光柵層，該有源増益區(qū)從下到上依次包括磷化銦緩沖層、下分別限制層、有源增益波導(dǎo)層和上分別限制層；該復(fù)合光柵層從下到上依次包括磷化銦層、銦鎵砷磷層及其P/η反型結(jié)層；步驟3 :對該復(fù)合光柵層進(jìn)行兩次全息曝光或電子束直寫，分別在該復(fù)合光柵層的DFB-LDl區(qū)和DFB-LD2區(qū)形成兩種周期的光柵；步驟4 :在形成的不同周期的光柵上外延摻雜磷化銦蓋層和重?fù)诫s歐姆接觸層，刻蝕出串行條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(如圖2中的4和5)或并行條形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)(如圖3中的4、5、6、7)；步驟5 :按標(biāo)準(zhǔn)激光器管芯基本エ藝和光纖耦合エ藝方法，完成雙波長分布反饋集成激光器的后續(xù)制作，得到雙波長分布反饋集成激光器。其中雙波長分布反饋集成激光器，輸出波長為1567nm(±2. 5nm)和1665nm( + 2. 5nm)；步驟I中摻雜磷化銦襯底為η型或P型；長條形介質(zhì)掩膜圖形對I采用SiO2或Si3N4材料,厚度為50-200nm,該長條形介質(zhì)掩膜圖形對I中姆個長條形介質(zhì)掩膜的寬度2為20-60 μ m，兩個長條形介質(zhì)掩膜的間距3為5-20 μ m ；步驟2中磷化銦緩沖層采用與摻雜磷化銦襯底同類型的摻雜或不摻雜的磷化銦材料；上分別限制層、下分別限制層為不摻雜的帶隙波長為I. 15ym-l. 35 μ m的銦鎵砷磷或銦鎵鋁砷材料；有源増益波導(dǎo)層為銦鎵砷/銦鎵砷磷/磷化銦、銦鎵砷磷/磷化銦、銦鎵鋁砷/磷化銦體系的多量子阱材料層或銦鎵砷磷、銦鎵鋁砷的體發(fā)光材料層，有源増益波導(dǎo)層處于上分別限制層與下分別限制層之間，其峰值波長在該長條形介質(zhì)掩膜圖形對I之間區(qū)域3內(nèi)為1665nm(±20nm),在無 掩膜的外部區(qū)域?yàn)?567nm(±20nm)；步驟4中外延摻雜磷化銦蓋層和重?fù)诫s歐姆接觸層的摻雜類型與摻雜磷化銦襯底的摻雜類型相反；步驟4中串行條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為兩個波長的分布反饋激光器通過波導(dǎo)前后串聯(lián)(如圖2)輸出，在該長條形介質(zhì)掩膜圖形對I之間的區(qū)域3內(nèi)制作1665nm波長的第一激光器4，在掩膜圖形外制作1567nm波長的第二激光器5，并且1665nm波長的第一激光器4處于串聯(lián)的后段，1567nm波長的第二激光器5處于串聯(lián)的出光前段；步驟4中并行條形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)為兩個波長的分布反饋激光器通過波導(dǎo)并聯(lián)(如圖3)、經(jīng)Y波導(dǎo)6或多模干涉器(MMI)耦合后經(jīng)單一波導(dǎo)7輸出，在該長條形介質(zhì)掩膜圖形對I之間的區(qū)域3內(nèi)制作1665nm波長的第一激光器4,在掩膜圖形外制作1567nm波長的第ニ激光器5 ；其中串行條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或并行條形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)的第一激光器4和第二激光器5，其電極獨(dú)立弓I出或連接在一起之后弓I出，獨(dú)立引出的第一激光器4和第二激光器5之間有隔離區(qū)8。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)ー步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)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(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種制作雙波長分布反饋集成激光器的方法，該雙波長分布反饋集成激光器用于探測CO與CH4的濃度，其特征在于，該方法包括 在摻雜磷化銦襯底上制作長條形介質(zhì)掩膜圖形； 在制作有該長條形介質(zhì)掩膜圖形的摻雜磷化銦襯底上外延生長有源増益區(qū)和復(fù)合光柵層，在該復(fù)合光柵層上制作光柵； 在該光柵上外延生長摻雜磷化銦蓋層和重?fù)诫s歐姆接觸層，并制作串行條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或并行條形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)； 其余按標(biāo)準(zhǔn)激光器管芯エ藝和光纖耦合エ藝完成后續(xù)制作，得到雙波長分布反饋集成激光器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制作雙波長分布反饋集成激光器的方法，其特征在于，所述在摻雜磷化銦襯底上制作長條形介質(zhì)掩膜圖形，是在表面生長有介質(zhì)掩膜的摻雜磷化銦襯 底上，采用標(biāo)準(zhǔn)光刻エ藝對該介質(zhì)掩膜進(jìn)行刻蝕，形成長條形介質(zhì)掩膜圖形對(I)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的制作雙波長分布反饋集成激光器的方法，其特征在于，所述摻雜磷化銦襯底為n型或p型；長條形介質(zhì)掩膜圖形對(I)采用SiO2或Si3N4材料，厚度為50-200nm,該長條形介質(zhì)掩膜圖形對(I)中姆個長條形介質(zhì)掩膜的寬度(2)為20-60 ii m,兩個長條形介質(zhì)掩膜的間距(3)為5_20iim。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制作雙波長分布反饋集成激光器的方法，其特征在于，所述在制作有該長條形介質(zhì)掩膜圖形的摻雜磷化銦襯底上外延生長有源増益區(qū)和復(fù)合光柵層，在該復(fù)合光柵層上制作光柵，包括 在形成該長條形介質(zhì)掩膜圖形對(I)的摻雜磷化銦襯底上外延生長有源増益區(qū)，該有源増益區(qū)從下到上依次包括磷化銦緩沖層、下分別限制層、有源増益波導(dǎo)層和上分別限制層； 在該有源増益區(qū)上生長復(fù)合光柵層，該復(fù)合光柵層從下到上依次包括磷化銦層、銦鎵砷磷層及其p/n反型結(jié)層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作雙波長分布反饋集成激光器的方法，其特征在干， 所述磷化銦緩沖層采用與摻雜磷化銦襯底同類型的摻雜或不摻雜的磷化銦材料； 所述上分別限制層、下分別限制層為不摻雜的帶隙波長為I. 15um-l. 35 的銦鎵砷磷或銦鎵招砷材料； 所述有源増益波導(dǎo)層為銦鎵砷/銦鎵砷磷/磷化銦、銦鎵砷磷/磷化銦、銦鎵鋁砷/磷化銦體系的多量子阱材料層或銦鎵砷磷、銦鎵鋁砷的體發(fā)光材料層，且所述有源増益波導(dǎo)層處于上分別限制層與下分別限制層之間，其峰值波長在該長條形介質(zhì)掩膜圖形對(I)之間的區(qū)域內(nèi)為1665nm±20nm,在無掩膜的外部區(qū)域?yàn)?567nm±20nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制作雙波長分布反饋集成激光器的方法，其特征在于，所述在復(fù)合光柵層上制作光柵為在銦鎵砷磷層及其P/n反型結(jié)層上進(jìn)行兩次全息曝光或電子束直寫，分別在DFB-LDl區(qū)和DFB-LD2區(qū)形成兩種周期光柵。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制作雙波長分布反饋集成激光器的方法，其特征在于，所述在該光柵上外延生長摻雜磷化銦蓋層和重?fù)诫s歐姆接觸層并制作串行條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或并行條形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)，包括 在形成的兩種周期光柵上外延摻雜磷化銦蓋層和重?fù)诫s歐姆接觸層，刻蝕出串行條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或并行條形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制作雙波長分布反饋集成激光器的方法，其特征在干， 所述外延摻雜磷化銦蓋層和重?fù)诫s歐姆接觸層的摻雜類型與摻雜磷化銦襯底的摻雜類型相反； 所述串行條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為兩個波長的分布反饋激光器通過波導(dǎo)前后串聯(lián)輸出，在該長條形介質(zhì)掩膜圖形對(I)之間的區(qū)域(3)內(nèi)制作1665nm波長的第一激光器(4)，在掩膜圖形外制作1567nm波長的第二激光器(5)，并且1665nm波長的第一激光器(4)處于串聯(lián)的后段，1567nm波長的第二激光器(5)處于串聯(lián)的出光前段； 所述并行條形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)為兩個波長的分布反饋激光器通過波導(dǎo)并聯(lián)、經(jīng)Y波導(dǎo)(6)或多模干涉器(MMI)耦合后經(jīng)單一波導(dǎo)(7)輸出，在該長條形介質(zhì)掩膜圖形對(I)之間的區(qū)域內(nèi)制作1665nm波長的第一激光器(4),在掩膜圖形外制作1567nm波長的第二激光 器(5)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制作雙波長分布反饋集成激光器的方法，其特征在于，所述串行條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或并行條形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)的第一激光器(4)和第二激光器(5)，其電極獨(dú)立引出或連接在一起之后引出，獨(dú)立引出的第一激光器(4)與第二激光器(5)之間有隔離區(qū)(8)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制作雙波長分布反饋集成激光器的方法，其特征在于，該雙波長分布反饋集成激光器，其輸出波長為1567nm±2. 5nm和1665nm±2. 5nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制作雙波長分布反饋集成激光器的方法，該雙波長分布反饋集成激光器用于探測CO與CH4的濃度，該方法包括在摻雜磷化銦襯底上制作長條形介質(zhì)掩膜圖形；在摻雜磷化銦襯底上外延生長有源增益區(qū)和復(fù)合光柵層，在該復(fù)合光柵層上制作光柵；在該光柵上外延生長摻雜磷化銦蓋層和重?fù)诫s歐姆接觸層，并制作串行條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或并行條形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)；其余按標(biāo)準(zhǔn)激光器管芯工藝和光纖耦合工藝完成后續(xù)制作，得到雙波長分布反饋集成激光器。利用本發(fā)明提供的方法制作的雙波長分布反饋集成激光器，結(jié)合目前通用的寬譜紅外探測器及電路處理技術(shù)，能夠?qū)O和CH4兩種氣體濃度的檢測合并于同一儀器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對CO與CH4兩種氣體濃度的快速檢測和預(yù)警。
文檔編號H01S5/12GK102651535SQ20121015419
公開日2012年8月29日 申請日期2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月17日
發(fā)明者朱洪亮, 潘教青, 王圩, 王寶軍, 趙玲娟 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所