CN102255240A

CN102255240A - 实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构

Info

Publication number: CN102255240A
Application number: CN 201110147409
Authority: CN
Inventors: 郑婉华; 陈微; 张建心; 渠红伟; 付非亚
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2011-11-23
Anticipated expiration: 2031-06-02
Also published as: CN102255240B

Abstract

一种实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构，包括：一砷化镓衬底；一光子晶体区域，该光子晶体区域制作在砷化镓衬底上，用来实现基模的大面积振荡；一过渡层，该过渡层制作在光子晶体区域上；一上限制层，该上限制层制作在过渡层上，用来限制光场向上的泄露；一接触层，该接触层制作在上限制层上，用来与金属形成上电极，这样便形成实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构。

Description

实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构。

背景技术

半导体激光器迄今已有近50年的发展历史，这期间半导体材料外延技术、激光器封装技术、制冷技术以及光束的耦合整形技术都取得了很大的进步。无论是国外还是国内，都从半导体外延材料、激光器结构设计、激光器工艺制作、器件封装等方面进行了详尽的研究，已经发展出一套完整成熟的生产制备工艺。高功率、长寿命、高光束质量的大功率半导体激光器的研究和应用也逐渐成熟。近年来国内外对大功率半导体激光器的研究和应用呈现快速发展的趋势。随着研究的深入，大功率半导体激光器的性能得到了快速提升。但半导体激光器中还是存在很多不尽如人意的地方，例如，在模式控制、光束质量以及大功率特性上，半导体激光器就明显逊于气体或全固态激光器。这源自于半导体激光器的波导结构，半导体外延材料极窄的有源层使得光场在横向强烈受限，导致大的远场发散角。

为了进一步满足工业和军事需求，半导体激光器功率的提高和光束质量的改善成为研究的热点，为此人们也想出了各种方法，尝试了很多结构。改善激光器性能的一个核心问题就是，实现大光斑的基模激射，为此，早期研究人员提出了一系列的波导结构，人们在普通三层波导基础上设计了诸如极薄的芯层结构、大光腔结构、模式扩展结构、复合波导结构、泄露波导结构等。这些设计的核心思想都是光场的拓展，它们在一定程度上降低了激光器的横向发散角，提高了其输出功率。但从光场调控的角度来看，这些设计仍然过于简单，还不能按人们的意愿来实现模场控制，此外这些结构中光场扩展有限，无法实现10°内的远场角，因此急需新的结构来实现具有高光束质量的半导体激光器

发明内容

本方法的主要目的在于提供一种实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构，解决半导体激光器中存在的横向发散角很大，以及最大输出功率受限的问题。

为达到上述目的，本发明提供一种实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构，包括：

一砷化镓衬底；

一光子晶体区域，该光子晶体区域制作在砷化镓衬底上，用来实现基模的大面积振荡；

一过渡层，该过渡层制作在光子晶体区域上；

一上限制层，该上限制层制作在过渡层上，用来限制光场向上的泄露；

一接触层，该接触层制作在上限制层上，用来与金属形成上电极，这样便形成实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构。

其中所述光子晶体区域包括：一下损耗调制层、一上损耗调制层、一下模式限制层、一上模式限制层、多个模式扩展层、一有源层和一峰值限制层，其中前述各层之间均有一低折射率层，在光子晶体区域的最下面还制作有一低折射率层。

其中所述多个模式扩展层的数量为5-10层。

其中所述模式扩展层的材料为Al_xGaAs，x为0.1-0.3光场可在此层扩展形成大的光斑。

其中所述的峰值限制层的材料为Al_xGaAs，其折射率大于模式扩展层，这样能够使模式的峰值位置位于有源层，从而获得大的增益。

其中所述的低折射率层的折射率小于模式扩展层，并控制在0.15以内。

其中所述的下模式限制层和上模式限制层的材料与模式扩展层相同，但厚度小于模式扩展层，这样能够加速模式从此层开始往下的衰减速度。

其中所述的下损耗调制层和上损耗调制层的材料与下模式限制层和上模式限制层相同但厚度比其大，通过此层可以增大高阶模的损耗，从而增大其阈值。

其中所述的上限制层的材料折射率小于低折射率层，通过它可以控制模式使其不往上扩展。

其中所述的过渡层的材料与低折射率层相同，它可作为峰值限制层与上限制层之间的过渡。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构，由于能够获得大面积的基模激射，因此能够获得较低的横向发发散角，器件的最大输出功率也能得到提高

2、本发明提供的这种实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构，由于结构中的基模仍具有较高的限制因子以及较低的损耗，因此器件能够保持较高的发光效率。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1为本发明提供的实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构的示意图。

图2为结构中存在的基模以及与其模式折射率最接近的三个高阶模的场分布。

图3为基模的远场分布图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构，包括：

一砷化镓衬底10；

一光子晶体区域11，该光子晶体区域11制作在砷化镓衬底10上，所述光子晶体区域11包括：一下损耗调制层112、一上损耗调制层113、一下模式限制层114、一上模式限制层115、多个模式扩展层116、一有源层117和一峰值限制层118，其中前述各层之间均有一低折射率层111，在光子晶体区域11的最下面还制作有一低折射率层111；所述多个模式扩展层116的数量为5-10层；，所述模式扩展层116的材料为Al_xGaAs，x为0.1-0.3，光场可在此层扩展形成大的光斑；所述的峰值限制层118的材料为Al_xGaAs，其折射率大于模式扩展层116，这样能够使模式的峰值位置位于有源层117，从而获得大的增益，所述的低折射率层111的折射率小于模式扩展层116，并控制在0.15以内；所述的下模式限制层114和上模式限制层115的材料与模式扩展层116相同，但厚度小于模式扩展层116，这样能够加速模式从此层开始往下的衰减速度；所述的下损耗调制层112和上损耗调制层113的材料与下模式限制层114和上模式限制层115相同但厚度比其大，通过此层可以增大高阶模的损耗，从而增大其阈值；

一过渡层12，该过渡层12制作在光子晶体区域11上，它可作为峰值限制层118与上限制层13之间的过渡；

一上限制层13，该上限制层13制作在过渡层12上，所述的上限制层13的材料折射率小于低折射率层111，通过它可以控制模式使其不往上扩展；

一接触层14，该接触层14制作在上限制层13上用来与金属形成上电极。

这些层最终共同形成实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构。

在这种结构中，模式经过光子晶体的调节后会发生很大变化。图2给出了结构中的基模以及与基模模式折射率最接近的三个模式的场分布图。从中可以发现基模的峰值位于有源层，而其他模式都偏出有源层，计算结果表明这四个模式的光限制因子分别为1.16％、0.21％、0.93％和0.58％，其中基模具有最高的光限制因子。另一方面，模式之间的损耗也不同，计算可知，四个模式的损耗分别为0.36cm^-1、4.8cm^-1、15.1cm^-1和24.8cm^-1，基模的损耗远小于其他模式。结合光限制因子和损耗两方面，基模将在模式竞争中优先激射，这样便能够获得横向低发散角的光束。图3给出了基模的远场分布图，从中可知模式的横向发散角可控制在10°以内。

实施例：

本实例采用图1所示的结构，给出了在光子晶体调制下激光器横模的变化情况。结构的衬底为P型掺杂的GaAs材料，结构从下到上每一层的材料和厚度如下：

上损耗调制层112和下损耗调制层113的材料和厚度分别为Al_0.2Ga_0.8As，0.2μm；下模式限制层114和一上模式限制层115的材料和厚度分别为Al_0.2Ga_0.8As，0.16μm；模式扩展层116的数量为5层，材料和厚度分别为Al_0.2GaAs，0.18μm；峰值限制层118的材料和厚度分别为Al_0.1Ga_0.9As，0.1μm；低折射率层111的材料和厚度分别为Al_0.35Ga_0.65As，0.5μm；过渡层12的材料和厚度分别为Al_0.35Ga_0.65As，0.2μm；上限制层13的材料和厚度分别为Al_0.45Ga_0.55As，0.8μm；接触层14的材料和厚度分别为GaAs，0.2μm。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构，包括：

一砷化镓衬底；

一过渡层，该过渡层制作在光子晶体区域上；

2.根据权利要求1所述的实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构，其中所述光子晶体区域包括：一下损耗调制层、一上损耗调制层、一下模式限制层、一上模式限制层、多个模式扩展层、一有源层和一峰值限制层，其中前述各层之间均有一低折射率层，在光子晶体区域的最下面还制作有一低折射率层。

3.根据权利要求2所述的实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构，其中所述多个模式扩展层的数量为5-10层。

4.根据权利要求3所述的实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构，其中所述模式扩展层的材料为Al_xGaAs，x为0.1-0.3光场可在此层扩展形成大的光斑。

5.根据权利要求1所述的实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构，其中所述的峰值限制层的材料为Al_xGaAs，其折射率大于模式扩展层，这样能够使模式的峰值位置位于有源层，从而获得大的增益。

6.根据权利要求1所述的实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构，其中所述的低折射率层的折射率小于模式扩展层，并控制在0.15以内。

7.根据权利要求1所述的实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构，其中所述的下模式限制层和上模式限制层的材料与模式扩展层相同，但厚度小于模式扩展层，这样能够加速模式从此层开始往下的衰减速度。

8.根据权利要求1所述的实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构，其中所述的下损耗调制层和上损耗调制层的材料与下模式限制层和上模式限制层相同但厚度比其大，通过此层可以增大高阶模的损耗，从而增大其阈值。

9.根据权利要求1所述的实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构，其中所述的上限制层的材料折射率小于低折射率层，通过它可以控制模式使其不往上扩展。

10.根据权利要求1所述的实现大功率横向低发散角的半导体激光器结构，其中所述的过渡层的材料与低折射率层相同，它可作为峰值限制层与上限制层之间的过渡。