CN103326243A - 基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列 - Google Patents

基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列 Download PDF

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刘磊
张斯日古楞
渠红伟
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Abstract

本发明公开了一种基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列，包括：N型衬底；形成于该N型衬底之上的N型缓冲层；形成于该N型缓冲层之上的N型限制层；形成于该N型限制层之上的有源层；形成于该有源层之上的P型限制层；以及形成于该P型限制层之上的P型盖层；其中，对该P型盖层和该P型限制层进行刻蚀或腐蚀在该激光器阵列表面形成一个宽度呈啁啾变化的脊形波导阵列，该脊形波导阵列位于该激光器阵列表面中间部分的是电流注入区，位于该电流注入区两侧的是第一无源损耗区和第二无源损耗区。利用本发明，通过对注入载流子分布的调制实现基模激射，同时有效地改善水平方向的远场发散角，获得高亮度激光输出。

Description

基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列。
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，并已覆盖到医药、勘探、国防以及民生等各个领域。在众多激光器中，半导体激光器因其尺寸小、寿命长、成本低、易于集成等优势，已成为当前最热门的研究课题之一。此外，半导体激光器也是所有激光器中目前转换效率最高的激光器，目前最好的边发射半导体激光器的电光转换效率已经接近80％，相比于气态和全固态等其他激光器有着不可替代的优势和巨大的应用价值。同时，利用多个半导体激光器组成的激光器巴条和堆叠已使得半导体激光器输出功率超过了千瓦量级，在泵浦固态激光器、光纤通信中、材料焊接以及印刷工业、军事等相关领域都有广泛的应用前景。
然而，半导体激光器与气态、全固态激光器相比还存在明显的局限因素，其中最重要的一个就是激光器的横模和远场特性。虽然传统边发射半导体激光器远场光斑呈椭圆形的问题可以通过本研究团队申请的中国专利CN201110147409.2提出的一维非对称周期性光子晶体结构进行改善，但却无法同时改善水平方向的模式和远场特性。由于半导体激光器及其阵列在水平方向上的模式调控机制非常弱，即使在水平方向上引入周期性脊形波导结构形成激光器阵列，也难以解决模式竞争的问题。
激光器阵列的基模(同相模)的限制因子(即限制在电流注入区的能量比例)与高阶模(反相模)的非常接近，两个模式容易同时激射，这造成了水平发散角的增大。另外，由于电流注入区内载流子或热效应的影响，发散角会随着电流注入水平而显著变化，最终使远场特性恶化。这一模式不稳定问题使得边发射半导体激光器在很多领域难以直接应用，虽然采用外腔等结构在一定程度上能锁定模式，改善远场，但也存在着工艺复杂、难以集成、性能不够稳定等缺点。
在水平方向采用啁啾结构代替周期性结构后，对周期性的破坏会使基模局域，高阶模扩展。结合电流选择性注入方式，可以提高基模的限制因子，同时大大地降低高阶模的限制因子，从而“滤除”高阶模。最终整个阵列输出为同相模，水平方向的远场为稳定的基横模低发散角的单瓣分布。这对提高光纤耦合效率，增强激光输出功率密度等应用均有极为重要的意义。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列，在提高激光器输出功率的同时极大地改善水平方向的光束质量，获得稳定的高亮度激光输出。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列，包括：N型衬底101；形成于该N型衬底之上的N型缓冲层102；形成于该N型缓冲层之上的N型限制层103；形成于该N型限制层之上的有源层104；形成于该有源层之上的P型限制层105；以及形成于该P型限制层之上的P型盖层106；其中，对该P型盖层106和该P型限制层105进行刻蚀或腐蚀在该激光器阵列表面形成一个宽度呈啁啾变化的脊形波导阵列，该脊形波导阵列位于该激光器阵列表面中间部分的是电流注入区201，位于该电流注入区201两侧的是第一无源损耗区202和第二无源损耗区203。
上述方案中，所述有源层104包括中心的单层或多层量子阱，以及两侧对称或不对称分布的不掺杂的窄波导层。所述单层或多层量子阱采用的材料为任意有源介质材料。所述单层或多层量子阱采用的材料为III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料，增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。所述III-V族半导体材料为GaN/AlGaN、GaAs/AlGaAs或InP/InGaAsP，所述II-VI族半导体材料为ZnO。
上述方案中，所述宽度呈啁啾变化的脊形波导阵列的脊形宽度由阵列中心向阵列两侧方向逐渐减少，减小方式包括线性变化和抛物线型变化。
上述方案中，所述电流注入区201、第一无源损耗区202或第二无源损耗区203均至少包含一个脊形波导，所述电流注入区201中脊形波导204有电流注入，脊形波导204之间区域205没有电流注入。
上述方案中，所述对该P型盖层106和该P型限制层105进行刻蚀或腐蚀在该激光器阵列表面形成一个宽度呈啁啾变化的脊形波导阵列时，刻蚀或腐蚀深度大于该P型盖层106的厚度且小于该P型盖层106与该P型限制层105的厚度之和。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的这种基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列，其水平方向波导采用啁啾光子晶体结构，阵列中脊形波导的宽度从中心向两边逐渐减小。中心区为电流注入区，两侧为无源损耗区，使得基模能量主要集中在注入区而高阶模能量主要分布在损耗区。因此基模能与整个注入区的载流子相互作用而被放大，而高阶模能量则大部分被无源区所吸收。这样既能保留周期性光子晶体结构所实现的大模式体积、高功率、低发散角的优点，又克服了周期性光子晶体结构所存在的模式特性不稳定、光束质量差的问题。总之，本发明提供的这种基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列具有输出功率高、发散角窄、模式输出稳定等优点，且制备工艺简单，重复性好，成本低，在光纤通信、泵浦固态激光器、材料加工等领域中有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列输出端面的结构示意图。
图2(a)为依照本发明实施例1的激光器阵列在水平方向上的有效折射率分布示意图。
图2(b)为依照本发明实施例1的激光器阵列的基模和高阶模近场分布图。
图2(c)为依照本发明实施例1的激光器阵列的基模和高阶模远场分布图。
图3(a)为依照本发明实施例2的激光器阵列在水平方向上的有效折射率分布示意图。
图3(b)为依照本发明实施例2的激光器阵列的基模和高阶模近场分布图。
图3(c)为依照本发明实施例2的激光器阵列的基模和高阶模远场分布图。
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。
如图1所示，图1为本发明提供的基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列的结构示意图，该激光器阵列包括：N型衬底101；形成于该N型衬底101之上的N型缓冲层102；形成于该N型缓冲层102之上的N型限制层103；形成于该N型限制层103之上的有源层104；形成于该有源层104之上的P型限制层105；以及形成于该P型限制层105之上的P型盖层106；其中，对该P型盖层106和该P型限制层105进行刻蚀或腐蚀在该激光器阵列表面形成一个宽度呈啁啾变化的脊形波导阵列，该脊形波导阵列位于该激光器阵列表面中间部分的是电流注入区201，位于该电流注入区201两侧的是第一无源损耗区202和第二无源损耗区203。脊形波导宽度从电流注入区201的中心向阵列两侧逐渐减小，减小方式可以为任意形式，包括线性变化和抛物线型变化。
其中，所述有源层104包括中心的单层或多层量子阱，以及两侧对称或不对称分布的不掺杂的窄波导层。所述单层或多层量子阱采用的材料为任意有源介质材料。所述单层或多层量子阱采用的材料为III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料，增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。所述III-V族半导体材料为GaN/AlGaN、GaAs/AlGaAs或InP/InGaAsP，所述II-VI族半导体材料为ZnO。
电流注入区201、第一无源损耗区202或第二无源损耗区203均至少包含一个脊形波导。第一无源损耗区202和第二无源损耗区203相对于电流注入区201可为对称分布或非对称分布。电流注入区201中脊形波导204有电流注入，脊形波导204之间区域205没有电流注入。
所述对该P型盖层106和该P型限制层105进行刻蚀或腐蚀在该激光器阵列表面形成一个宽度呈啁啾变化的脊形波导阵列时，刻蚀或腐蚀深度大于该P型盖层106的厚度且小于该P型盖层106与该P型限制层105的厚度之和。
实施例1
图2(a)为一种均一折射率分布的InP基1.55μm波长基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列在水平方向上的有效折射率分布示意图。光子晶体激光器阵列包含9个对称分布的脊形波导。从中心到边缘波导宽度分别为5、4、4、3、3μm，相邻波导间的低折射率区宽度均为3μm。各波导与相邻低折射率区之间具有相同的有效折射率差。电流只在中心五个脊形波导内注入，两侧区域为无源损耗区。
图2(b)和图2(c)分别为均一折射率分布的InP基1.55μm波长基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列的模式近场和远场分布图，图中的基模和高阶模的近场分布均采用能量归一化的形式。从图2(b)可以看出，基模(同相模)的能量主要集中在中心的五个脊形波导内，而高阶模(反相模)的能量主峰主要分布在阵列两侧。这来源于啁啾光子晶体结构对水平方向模场分布的调制作用，使基模和高阶模的场分布产生明显差异。只在中心五个脊条内注入电流，得到的基模限制因子为高阶模的6倍，比同样选择性注入的周期性光子晶体结构得到的比值大一个数量级左右。这克服了周期性光子晶体激光器阵列中基模的限制因子略小于高阶模的缺点，从而避免了大电流下高阶模激射和远场双峰的问题。另外，增益主要集中在基模，高阶模由于损耗大而被抑制，使得注入载流子被合理利用而提高了器件的效率。同时由基模模式的展宽可获得低发散角(半高全宽)，如图2(c)所示，最终在水平方向获得了高光束质量单瓣低发散角激光输出，适用于高效光纤耦合等应用。
实施例2
图3(a)为一种非均一折射率分布的GaAs基808nm波长基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列在水平方向上的有效折射率分布示意图。水平方向光子晶体包含5个对称分布的脊形波导，从中心到边缘波导宽度分别为5、4、3μm，为线性啁啾变化，相邻波导间低折射率区宽度均为2μm。电流只在中心三个脊条波导内注入，两侧均为无源损耗区。各脊形波导与相邻低折射率区的有效折射率差不完全相同，电流注入区的有效折射率差比无源损耗区的有效折射率差要大。这在工艺上可以通过适当刻蚀(或腐蚀)无源损耗区的脊条波导来实现。
图3(b)和图3(c)分别为非均一折射率分布的GaAs基808nm波长基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列的模式近场和远场分布图，图中基模和高阶模的近场分布均采用能量归一化的形式。从图中可以看到，在注入区和损耗区采用不同的有效折射率差后，基模和高阶模的场分布区别很大。基模和高阶模的限制因子比超过了10∶1，这极大地增强了基模激射的优势，使得基横模输出更为稳定。同时，基模已经完全扩展到整个电流注入区，模式体积大于单脊条波导的情形，最终发散角(半高全宽)不到3度。因此该结构可输出稳定的高功率基横模低水平发散角的808nm波长的激光，适用于高效泵浦固态激光器等用途。
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 (8)

1.一种基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列，其特征在于，包括：
N型衬底(101)；
形成于该N型衬底之上的N型缓冲层(102)；
形成于该N型缓冲层之上的N型限制层(103)；
形成于该N型限制层之上的有源层(104)；
形成于该有源层之上的P型限制层(105)；以及
形成于该P型限制层之上的P型盖层(106)；
其中，对该P型盖层(106)和该P型限制层(105)进行刻蚀或腐蚀在该激光器阵列表面形成一个宽度呈啁啾变化的脊形波导阵列，该脊形波导阵列位于该激光器阵列表面中间部分的是电流注入区(201)，位于该电流注入区(201)两侧的是第一无源损耗区(202)和第二无源损耗区(203)。
2.根据权利要求1所述的基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列，其特征在于，所述有源层(104)包括中心的单层或多层量子阱，以及两侧对称或不对称分布的不掺杂的窄波导层。
3.根据权利要求2所述的基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列，其特征在于，所述单层或多层量子阱采用的材料为任意有源介质材料。
4.根据权利要求2所述的基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列，其特征在于，所述单层或多层量子阱采用的材料为III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料，增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。
5.根据权利要求4所述的基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列，其特征在于，所述III-V族半导体材料为GaN/AlGaN、GaAs/AlGaAs或InP/InGaAsP，所述II-VI族半导体材料为ZnO。
6.根据权利要求1所述的基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列，其特征在于，所述宽度呈啁啾变化的脊形波导阵列的脊形宽度由阵列中心向阵列两侧方向逐渐减少，减小方式包括线性变化和抛物线型变化。
7.根据权利要求1所述的基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列，其特征在于，所述电流注入区(201)、第一无源损耗区(202)或第二无源损耗区(203)均至少包含一个脊形波导，所述电流注入区(201)中脊形波导(204)有电流注入，脊形波导(204)之间区域(205)没有电流注入。
8.根据权利要求1所述的基横模低水平发散角一维啁啾光子晶体边发射激光器阵列，其特征在于，所述对该P型盖层(106)和该P型限制层(105)进行刻蚀或腐蚀在该激光器阵列表面形成一个宽度呈啁啾变化的脊形波导阵列时，刻蚀或腐蚀深度大于该P型盖层(106)的厚度且小于该P型盖层(106)与该P型限制层(105)的厚度之和。
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