CN103166108A - 圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器及复合波导装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于改善边发射激光器二维远场形貌的光子晶体复合波导装置，该结构由平行于异质节方向的脊波导结构和垂直于异质节方向非对称的光子晶体结构组合构成，两者结合来实现激光器的低发散角和圆斑输出。垂直方向结构从下至上依次为：n型衬底、n型光子晶体波导、有源层、p型限制层和p型盖层，所述n型光子晶体波导由高、低折射率的材料交替生长形成。基于光子晶体对光子态的调控作用，使得不同的模式场具有不同的光场分布，并且具有空间上的可区分性，使得低阶模的模式增益最大，从而实现低阶模的稳定激射。

Description

圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器及复合波导装置

技术领域

本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器及复合波导装置。

背景技术

随着光通信，光互连技术以及各种光电子器件的发展，激光技术已经成为现代科技发展所不可或缺的部分，激光器的应用已经覆盖了生活、医药、勘探、国防等各个领域。随着应用面的不断拓宽，激光器的种类也日渐繁多。但廉价、可靠是一类激光器能够得到普及的前提条件。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，为此人们尝试了很多结构，做了很多的努力。改善激光器性能的一个核心问题就是，实现大光场的基模激射。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。但这些结构中光场扩展有限，无法实现10°内的远场发散角，而在垂直方向引入光子晶体结构则可以实现这一目的。借助光子晶体的能带结构，形成对光子态的调控，波导中的光子态就可以由于耦合隧穿效应产生模式扩展，实现小于10°的远场发散角，同时基模作为缺陷模式主要是集中在有源区，保证其有效振荡及模式增益。

在众多激光器中，脊形波导激光器由于其成本低，制作工艺简单，可重复性好等优点而倍受人们的青睐。这种激光器不仅可以直接应用，而且可以作为其他激光器如全固态激光器的泵浦光源，因此是目前应用最为广泛的一种半导体激光器。脊形波导激光器水平方向光场的限制是通过在半导体外延片上刻蚀出脊波导结构实现。激光器的输出功率可以通过增加波导宽度来增加，但条宽过宽会导致多模激射，影响光束质量。因此，需要合理的调整脊波导两侧的折射率差和脊条的宽度来实现单瓣输出。为了增加模式的稳定性可以在脊波导两侧增加模式扩展区，一定程度上也可以实现降低水平方向远场发散角的目的。

发明内容

为达到上述目的，本发明提供了一种水平方向的脊波导结构和垂直方向非对称的光子晶体结构组合的波导结构，两者结合来实现激光器的低发散角和圆斑输出。

本发明提供了一种包括水平方向的脊波导结构和垂直方向非对称的光子晶体波导结构的复合波导装置，所述垂直方向非对称的光子晶体结构包括由不同光子晶体构成的损耗调制层和模式扩展层，模式扩展层制作在所述损耗调制层上方，有源区势垒区的折射率低于光子晶体波导结构的折射率；所述水平方向的脊波导结构包括脊波导和脊波导两侧的模式扩展区；其中，所述复合波导结构用于激光器器件，且所述垂直方向的光子晶体结构用于限制垂直方向的光场，所述水平方向的脊波导结构用于限制水平方向的光场，使得激光器在水平和垂直方向同时实现小的远场发散角，进而得到圆斑输出。

本发明还提出了一种圆斑低发散角边发射光子晶体激光器，其通过水平方向脊波导结构和垂直方向非对称的光子晶体波导结构对光场的分别限制，实现大小相同的水平和垂直发散角，使得远场输出为圆斑，其包括：

衬底；

垂直方向非对称的光子晶体波导结构，其制作在衬底上，用于限制垂直方向上的光场，其包括由不同光子晶体构成的损耗调制层和模式扩展层，损耗调制层用于增大激光器垂直方向波导内部基模与高阶模式之间模式损耗的差异；模式扩展层用于实现基模的模式扩展；

有源区，其制作在所述光子晶体波导结构上方；

p型区，其包括上限制层和盖层，所述上限制层制作在有源区上方，用于限制光场方向上的泄漏，所述盖层制作在所述上限制层上方，用于与金属接触形成上电极；

水平方向的脊波导结构，其通过刻蚀上限制层和盖层而形成，用于限制水平方向的光场。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的水平方向p型区的脊波导结构和垂直方向n型区的光子晶体结构组合的波导结构，可以对模式光场分布进行调控，能够使高阶模与基模的光场区分开来，使基模光场主要限制在有源区，而使高阶模光场扩展到光子晶体区域，结合损耗调制层对高阶模式引入的损耗，可以实现基模的选择。同时结合水平方向的脊波导调控，可以实现水平方向低发散角和圆斑输出。

2、本发明提供的水平方向的脊波导结构和垂直方向非对称的光子晶体结构组合的波导结构，能够有效地将基模的光场局限在宽条注入区，不会额外增加基模的损耗，因而不会提高激射阈值。

3、本发明提供的水平方向的脊波导结构，设置在激光器的p型区，两侧的台面可以增加模式的稳定性，在工艺上与传统的脊形波导激光器相同，因此具有成熟的工艺，制作上有较高的重复性。

附图说明

图1是本发明中基于由水平方向的脊波导结构和垂直方向非对称的光子晶体结构组成的复合波导结构的激光器的机构示意图；

图2是本发明中沿垂直方向折射率分布、基模的近场和远场分布示意图；

图3是本发明中沿平行方向有源区处的近场和远场分布示意图；

图4是本发明中激光器的远场分布示意图。

具体实施方式

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。

本发明提供了一种由水平方向的脊波导结构和垂直方向非对称的光子晶体波导结构组合而成的复合波导结构，其用于激光器器件，且所述水平方向的脊波导结构用于限制水平方向的广场，而所述垂直方向的非对称的光子晶体波导结构用于限制垂直方向的广场，使得激光器在水平和垂直方向同时实现较小的远场发散角，进而得到圆斑输出。

所述垂直方向非对称的光子晶体波导结构是由不同厚度和折射率的材料周期生长构成。激光器的有源区处于所述光子晶体波导结构上方，即模式扩展层位于所述激光器有源区的下方，有源区阱区或量子点区域的折射率大于光子晶体区域的折射率，所用的半导体材料为任意有源高介质折射率材料，如III-V族半导体量子阱或量子点材料，如GaN/AlGaN材料、GaAs/AlGaAs材料、或为InP/InGaAsP材料，II-VI族半导体材料如ZnO材料等，其模式的波长范围可覆盖近紫外到红外波段。

所述水平方向的脊波导结构包括脊波导和脊波导两侧的模式扩展区，其制作在激光器的p型区，通过合理的调整脊波导两侧的折射率差和脊条的宽度来使得输出光场的能量主要集中在中心区域，便于激光器与其他光学器件之间的耦合。当载流子注入有源区时发光，其中脊波导与金属形成欧姆接触作为载流子注入区，脊波导两侧可以增加台面，不与金属接触而作为光场调制区放置在脊波导的两侧。

如图1所示，本发明还公开了一种包括上述波导结构的激光器，其包括：

衬底1，其为N型砷化镓衬底；

垂直方向非对称的光子晶体波导结构，其包括n型光子晶体区域2，

该n型光子晶体区域制作在砷化镓衬底1上，在所述激光器的有源区3的下方。所述n型光子晶体区域2由损耗调制层6以及模式扩展层7构成，模式扩展层7在损耗调制层6上方，两者分别由两种不同厚度和/或折射率的一维光子晶体或者由相同厚度和/或折射率但掺杂浓度不同的一维光子晶体组合构成，两者的周期数都可以选为5-10个。在这些层的调制下，激光器垂直波导内的所有模式都实现了扩展，这一点主要是通过层7来实现，但由于不同模式在垂直波导内的分布的不同，所受到的模式损耗是不一样的，高阶模式受到的模式损耗更大一些，因此损耗调制层6的目的就是进一步增大基模和高阶模式之间模式损耗的差异，同时在设计的过程中要保证基模在有源区内的光限制因子是最大的，因而可以实现大面积的基模振荡，这样即提高了激光器的最大输出功率同时又实现了垂直方向低发散角。

有源区3，其包括量子阱或量子点及其两侧对称或不对称分布的不掺杂的窄波导，势垒区的折射率低于光子晶体波导结构的折射率；

p型区，其包括p型上限制层4和p型盖层5，该上限制层制作在有源区上，用于限制光场水平方向的泄漏；该盖层制作在上限制层上，用来与金属接触以形成上电极；

水平方向上脊波导结构，其包括脊波导8和外加在脊波导8两侧的模式扩展区9、10。所述脊波导8作为电流限制区，制作在激光器的p型区，由湿法或干法刻蚀p型上限制层4和p型盖层5得到，其制作所需的刻蚀深度要保证水平脊波导内的一阶及以上阶数的模式能够耦合到水平方向上的脊波导结构的脊波导两侧，同时要保证引入到损耗最小，以保证激光器有较高的斜率效率。所述模式扩展区9、10由刻蚀得到的台面结构构成，可以设置在脊波导8的两侧形成对称结构，用于高阶模式的扩展，增大其损耗，提高基模的稳定性。

所述模式扩展层7的材料的折射率要低于有源区阱区的折射率，以保证模式扩展的同时，模式具有较强的增益；而有源区势垒区的折射率可以低于光子晶体波导结构的折射率。有源区势垒区折射率的降低减弱了有源区对光场的限制作用，减少了光子晶体所需要的外延光子晶体层数，使得激光器的厚度降低，同时降低了电阻，减弱了掺杂引起的光损耗。上限制层4的折射率低于n型光子晶体区域中光子晶体的折射率，形成非对称波导结构，用于降低光场在p型区的分布和p型区的厚度，从而可以降低p型区空穴对光场的吸收和p型区的电阻。

所述激光器结构由MOCVD或MBE等生长得到。

如图2、3和4所示，垂直方向的基模的近场和远场分布和沿平行方向有源区处的近场和远场分布大小接近，从而保证远场的圆斑低发散角输出；其中，图2a示出了沿垂直方向折射率分布，图2b示出了基模的近场分布，图2c示出了基模的远场分布；图3a、3b分别示出了沿平行方向有源区处的近场分布和远场分布；图4示出了激光器的远场输出为一圆斑输出。

实施例

本发明一优选实例中垂直方向非对称的光子晶体波导结构中的损耗调制层6和模式扩展层7选用的都是n型Al_0.1GaAs/Al_0.2GaAs，厚度分别为0.1μm/0.9μm，层6与层7的掺杂浓度不同，层6进行了重掺杂。衬底为N型GaAs，有源区为3对连续生长的InGaAs/GaAsP量子阱，GaAsP层的折射率低于Al_0.2GaAs的折射率，其增益峰在红外波段1065nm附近。上限制层为p型Al_0.3GaAs，厚度为1μm，盖层为P型GaAs。脊波导的宽度为4μm，刻蚀深度到达第一对量子阱。作为模式扩展区的两侧台面与脊波导之间的距离可以根据光场的分布进行调节，使得模式稳定的同时，引入的光损耗最少。有源区势垒的折射率低于光子晶体区域的折射率。上限制层折射率低于光子晶体区域的折射率，构成非对称波导结构如图2a所示。沿垂直方向光子晶体结构的基模的近远场分布如图2b、2c所示。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。对比基模以及与基模模式折射率最接近的三个模式光限制因子，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0.94％、0.15％、0.20％和0.23％，其中基模具有最高的光限制因子。因此，基模将在模式竞争中优先激射，这样便能够获得垂直方向低发散角的光束。图3a、3b给出了水平方向有源区处模式的近远场分布图，从中可知模式的水平方向和垂直方向发散角可控制在7.5°以内。

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 (9)

1.一种包括水平方向的脊波导结构和垂直方向非对称的光子晶体波导结构的复合波导装置，所述垂直方向非对称的光子晶体结构包括由不同光子晶体构成的损耗调制层和模式扩展层，模式扩展层制作在所述损耗调制层上方；所述水平方向的脊波导结构包括脊波导和脊波导两侧的模式扩展区；其中，所述复合波导结构用于激光器器件，且所述垂直方向的光子晶体结构用于限制垂直方向的光场，所述水平方向的脊波导结构用于限制水平方向的光场，使得激光器在水平和垂直方向同时实现小的远场发散角，进而得到圆斑输出。

2.如权利要求1所述的复合波导装置，其特征在于，所述损耗调制层位于所述激光器的衬底上，而所述模式扩展层位于所述激光器的有源区下方。

3.如权利要求1所述的复合波导装置，其特征在于，所述损耗调制层和模式扩展层分别由两种不同厚度和/或折射率的光子晶体周期组合构成，或者由两种相同厚度和/或折射率的光子晶体但掺杂浓度不同的光子晶体周期组合构成，所述模式扩展层用于激光器垂直波导内所有模式的扩展，所述损耗调制层用于增大基模与高阶模式之间模式损耗的差异。

4.如权利要求1所述的复合波导结构，其特征在于，所述脊波导为电流限制区，其制作在所述激光器的p型区。

5.如权利要求4所述的复合波导装置，其特征在于，所述p型区包括上限制层和盖层，所述上限制层位于所述激光器的有源区上方，所述脊波导通过刻蚀所述上限制层和盖层得到，所述模式扩展区为设置在脊波导两侧的对称台面结构。

6.如权利要求2所述的复合波导装置，其特征在于，所述模式扩展层的折射率低于所述有源区阱区的折射率；而有源区势垒区的折射率低于光子晶体波导结构的折射率。

7.如权利要求1所述的复合波导装置，其特征在于，所述上限制层折射率低于光子晶体波导结构的折射率。

8.如权利要求1所述的复合波导装置，其特征在于，通过调整所述水平方向的脊波导结构两侧的折射率差和脊条的宽度，使得激光器的输出光场的能量集中在中心区域。

9.一种圆斑低发散角边发射光子晶体激光器，其通过水平方向脊波导结构和垂直方向非对称的光子晶体波导结构对光场的分别限制，实现大小相同的水平和垂直发散角，使得远场输出为圆斑，其包括：

衬底；

垂直方向非对称的光子晶体波导结构，其制作在衬底上，用于限制垂直方向上的光场，其包括由不同光子晶体构成的损耗调制层和模式扩展层，损耗调制层用于增大激光器垂直方向波导内部基模与高阶模式之间模式损耗的差异；模式扩展层用于实现基模的模式扩展；

有源区，其制作在所述光子晶体波导结构上方；

p型区，其包括上限制层和盖层，所述上限制层制作在有源区上方，用于限制光场方向上的泄漏，所述盖层制作在所述上限制层上方，用于与金属接触形成上电极；

水平方向的脊波导结构，其通过刻蚀上限制层和盖层而形成，用于限制水平方向的光场。

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