CN103259188B - 低发散角单纵模边发射光子晶体激光器 - Google Patents

Abstract

一种低发散角单纵模光子晶体边发射激光器，包括：在衬底上依次生长的N型光子晶体波导、N型下波导层、有源区、P型上波导层、P型上限制层，该P型上限制层的纵向剖面为一脊型结构，其上部的一侧为整体结构，另一侧为人工微结构，该人工微结构中包括多个狭槽，一P型欧姆接触层制作在P型上限制层脊型结构上部的上面，一绝缘层制作在P型上限制层脊型结构下部的上面和脊形结构上部的侧面，一P型电极制作在P型上限制层脊形结构的一侧、绝缘层的上面，该P型电极同时还制作在P型欧姆接触层的上面，一N型电极制作在衬底的背面。本发明可以降低制作成本；可以对激光器光场进行调控，降低了垂直发散角，改善了单纵模激光器光束质量，降低整形难度，提高光纤耦合的效率。

Description

低发散角单纵模边发射光子晶体激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，尤其涉及一种低发散角单纵模边发射光子晶体激光器的结构。

背景技术

单纵模半导体激光器的优点是没有模式竞争，激光的稳定性、相干性好。传统DFB激光器、DBR激光器作为典型的单模激光器得到人们的广泛关注，但是制备这种类型的激光器需要高精度分辨率电子束曝光或全息曝光等的光栅制备工艺和复杂的二次外延生长步骤，价格昂贵，限制其广泛应用。低成本单纵模半导体激光器是人们一直追求的目标，适应于空间通信、泵浦、医疗、气体检测、光纤传感及光子集成等应用领域。

半导体激光器具备转换效率高、功率高、可靠性强、寿命长、体积小以及成本低等诸多优点，但是传统半导体激光器由于自身量子阱波导结构的限制，垂直(快轴)发散角比较大，半导体激光器的输出光束质量，与固体激光器、CO₂激光器等传统激光器相比较差，需要复杂的光束整形才能直接应用，阻碍了其应用领域的拓展。人们也提出多种改善半导体激光器的垂直发散角，如极窄波导结构、宽对称波长、模式扩展结构、耦合波导结构、泄露波导结构等。这些方法在一定程度上降低了激光器的垂直发散角，但存在垂直发散角很能做到10度以下和设计容差小等问题。近年来，在垂直方向引入光子晶体结构，利用借助光子晶体的能带结构，形成对光子态的调控，从芯片层次实现小于10度的垂直发散角，但需要复杂的生长技术。

发明内容

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种低发散角单纵模边发射光子晶体激光器，在常规半导体激光器的脊型波导上引入光子晶体结构进行纵模选择，免去分布反馈激光器或分布布拉格反射激光器复杂光栅制备技术和二次外延技术，只需一次外延和普通光刻技术即可实现，大大降低制作成本；同时在纵向引入光子晶体波导，可以对激光器光场进行调控，降低了垂直发散角，改善了单纵模激光器光束质量，降低整形难度，提高光纤耦合的效率。

本发明提供一种低发散角单纵模光子晶体边发射激光器，包括：

一衬底；

一N型电极，其制作在衬底的背面；

一N型光子晶体波导，其制作在衬底的上面，用于形成电流注入通道和纵向光场扩展；

一N型下波导层，其制作在N型光子晶体波导的上面；

一有源区，其制作在N型下波导层的上面，提供光增益；

一P型上波导层，其制作在有源区的上面，用于形成电流注入通道和纵向光场限制；

一P型上限制层，其制作在P型上波导的上面，该P型上限制层的纵向剖面为一脊型结构，脊形结构上部的一侧为整体结构，另一侧为人工微结构，该人工微结构中包括多个狭槽，用于形成电流注入通道和纵向侧向光场限制；

一P型欧姆接触层，其制作在P型上限制层脊型结构上部的上面，用于形成欧姆接触；

一绝缘层，其制作在P型上限制层脊型结构下部的上面和脊形结构上部的侧面；

一P型电极，制作在P型上限制层脊形结构的一侧、绝缘层的上面，该P型电极同时还制作在P型欧姆接触层的上面；

其中该脊型结构的整体结构部分为脊型波导增益区，另一侧的人工微结构部分为光子晶体选模区。

从上述技术方案可以看出，本发明低发散角单纵模光子晶体边发射激光器具有以下有益效果：利用光子晶体选模区进行纵模选择，实现单模输出，免去分布反馈激光器(DFB-LD)或分布布拉格反射激光器(DBR-LD)复杂光栅制备技术和二次外延技术，只需一次外延和普通光刻技术即可实现，大大降低制作成本；同时在纵向引入光子晶体波导，对激光器光场进行调控，降低垂直发散角，改善单纵模激光器光束质量，降低整形难度，提高光纤耦合效率。

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为根据本发明单纵模光子晶体边发射激光器实施例结构示意图；

图2是图1所示单纵模光子晶体边发射激光器剖面图；

图3是模拟图1示光子晶体选模区的反射谱图；

图4是模拟图1所示单纵模光子晶体边发射激光器纵向光场分布图；

图5是模拟图1所示单纵模光子晶体边发射激光器远场发散角图；

图6是单纵模光子晶体边发射激光器的P-I-V曲线；

图7是图1所示单纵模光子晶体边发射激光器的光谱图；

图8是图1所示单纵模光子晶体边发射激光器的远场发散角图。

具体实施方式

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

请参阅图1及图2所示，本发明提供了一种低发散角单纵模光子晶体边发射激光器，包括：

一衬底2，所述衬底2的材料为GaAs、InP、GaSb或GaN，也可通过键合或倒装焊工艺键合在Si衬底或SOI衬底上，波长覆盖紫外到远红外波段；

一N型电极1，制作在衬底2的背面，材料为AuGeNi/Au等N型电极材料；

一N型光子晶体波导3，制作在衬底2的上方，制作在衬底2的上方，由多个周期组分渐变或突变高低折射率材料31、32为AlGaAs、InP、InGaAsP、AlGaAs或AlGaN材料交替分布一维光子晶体构成，用于形成电流注入通道和纵向光场扩展；N型光子晶体波导3周期数目大于5对，对单纵模激光器光场进行模式调控，增大模场面积，降低垂直发散角；N型光子晶体波导3为采用组分渐变折射率设计来降低垂直方向周期结构肖特基势垒限制，降低串联电阻，改善热特性；N型光子晶体波导3材料的折射率高于P型上限制层7的折射率，以保证模式扩展和基模较强的增益。

一N型下波导层4，制作在N型下波导层3的上方，材料为InGaAsP、AlGaInAs、AlGaAs或AlGaN，用于形成电流注入通道和纵向光场限制；

一有源区5，制作在N型下波导层4的上方，提供光增益，所述有源区5的结构为GaAs、InGaAs、AlGaInAs、InGaAsP、InGaN等量子阱、量子点或量子级联超晶格材料；

一P型上波导层6，制作在有源区5的上方，材料为InGaAsP、AlGaInAs、AlGaAs或AlGaN，用于形成电流注入通道和纵向光场限制；

一P型上限制层7，制作在P型上波导6的上方，该P型上限制层7的纵向剖面为一脊形结构，脊形结构上部的一侧为整体结构，另一侧为光子晶体选模区12，该横向光子晶体选模区12中包括多个狭槽，可以是周期或准周期结构，用于纵模选择。所述P型上限制层7脊形结构的上部的高度小于P型上限制层7的厚度，所述P型上限制层7脊形结构的上部的宽度为2-4μm，该脊形结构上部一侧的整体结构的长度大于100μm；

一P型欧姆接触层8，制作在P型上限制层7脊形结构上部的上方，用于形成欧姆接触；

一绝缘层9，制作在P型上限制层7脊形结构下部的上表面，材料为氮化硅或SiO₂，采用PECVD等方法制备；

一P型电极10，制作在P型上限制层7脊形结构的一侧、绝缘层9的上面，该P型电极10同时还制作在P型欧姆接触层8的上面，材料为TiPtAu、AuZnAu或CrAu，通过剥离方法、湿法腐蚀或干法刻蚀方法制备。

其中该脊形结构的整体结构部分为脊型波导增益区11，该增益区长度大于100μm，用于在出光方向上提供增益。该侧可镀或不镀高反膜，镀高反膜反射率大于95％，材料可以是TiO₂/SiO₂或Ta₂O₅/SiO₂等；另一侧的为光子晶体选模区12，所述光子晶体选模区12的周期数为10-40个，周期或准周期长度为3-20μm，狭槽宽度0.8-1.6μm，用于进行纵模选择，可以通过普通光刻和干法刻蚀技术制备。该侧可以镀或不镀增透反膜，镀高反膜反射率小于10％，增透膜材料可为Si或SiO₂等。

图3为光子晶体选模区反射谱图，光子晶体选模区由20个狭槽组成，狭槽周期10μm，狭槽宽度1.1μm，狭槽刻蚀深度1.2μm。从图中可以看出在0.85-0.95μm范围，反射谱中有三个高反射带，能量反射率0.4左右。考虑到量子阱增益谱的宽度50-60nm，在我们感兴趣的中心波长在915nm反射带，反射带半宽2.4nm，一般要求窄的反射谱，确保好的单模工作。

图4为低发散角单纵模光子晶体边发射激光器纵向光场分布，N型光子晶体波导周期10对，相应远场发射角见图5，模拟结果垂直发散角13.2度。

图6为低发散角单纵模光子晶体边发射激光器P-I-V曲线，脊型条宽3μm，单模激光器腔长500μm，其中增益区长度260μm，光子晶体选模区长度240μm，周期10μm，狭槽数目20个，狭槽宽度1.1μm。激光器阈值电流43mA，斜率效率0.29mW/mA，在室温直流78mA下，激光器输出功率分别10mW。

图7为上述低发散角单纵模光子晶体边发射激光器光谱图。室温直流78mA注入电流下，发射波长912.1nm；边模抑制比30dB。相应的垂直发散角见图8，垂直发散角13.8度。与理论模拟结果图5基本吻合。

需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

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)

1.一种低发散角单纵模光子晶体边发射激光器，包括：

一衬底；

一N型电极，其制作在衬底的背面；

一N型光子晶体波导，其制作在衬底的上面，用于形成电流注入通道和纵向光场扩展，该N型光子晶体波导由多个周期组分渐变或突变高低折射率材料交替分布一维光子晶体构成；

一N型下波导层，其制作在N型光子晶体波导的上面；

一有源区，其制作在N型下波导层的上面，提供光增益；

一P型上波导层，其制作在有源区的上面，用于形成电流注入通道和纵向光场限制；

一P型上限制层，其制作在P型上波导层的上面，该P型上限制层的纵向剖面为一脊型结构，脊形结构上部的一侧为整体结构，另一侧为人工微结构，该人工微结构中包括多个狭槽，用于形成电流注入通道和纵向侧向光场限制；

一P型欧姆接触层，其制作在P型上限制层脊型结构上部的上面，用于形成欧姆接触；

一绝缘层，其制作在P型上限制层脊型结构下部的上面和脊形结构上部的侧面；

一P型电极，制作在P型上限制层脊形结构的一侧、绝缘层的上面，该P型电极同时还制作在P型欧姆接触层的上面；

其中该脊型结构的整体结构部分为脊型波导增益区，另一侧的人工微结构部分为光子晶体选模区。

2.根据权利要求1所述的低发散角单纵模光子晶体边发射激光器，其中光子晶体选模区的周期或准周期数为10-40个，周期或准周期长度为3-20μm，狭槽宽度0.8-1.6μm，其是通过普通光刻和干法刻蚀技术制备。

3.根据权利要求2所述的低发散角单纵模光子晶体边发射激光器，其中所述光子晶体选模区，周期或准周期狭槽刻蚀深度到上限制层，即所述的P型上限制层脊型结构的上部的高度小于P型上限制层的厚度。

4.根据权利要求1所述的低发散角单纵模光子晶体边发射激光器，其中所述P型上限制层的脊型结构的上部的宽度为2-5μm，该脊形结构上部一侧的整体结构的长度大于100μm。

5.根据权利要求1所述的低发散角单纵模光子晶体边发射激光器，其中衬底的材料为GaAs、InP、GaSb或GaN，波长覆盖紫外到远红外波段。

6.根据权利要求3所述的低发散角单纵模光子晶体边发射激光器，其中所述有源区的结构为量子阱、量子点或超晶格材料。

7.根据权利要求1所述的低发散角单纵模光子晶体边发射激光器，其中构成N型光子晶体波导材料的折射率高于P型上限制层的折射率，以保证模式扩展和基模较强的增益。

8.根据权利要求7所述的低发散角单纵模光子晶体边发射激光器，其中N型光子晶体波导为采用组分渐变折射率设计来降低垂直方向周期结构肖特基势垒限制，降低串联电阻，改善热特性。

9.根据权利要求8所述的低发散角单纵模光子晶体边发射激光器，其中N型光子晶体波导由多对组分渐变或突变高低折射率分布一维光子晶体构成，周期或准周期数为5-20对，对单纵模激光器光场进行模式调控，增大模场面积，降低垂直发散角。