CN103326244A - 一种实现高亮度水平远场单瓣分布的光子晶体激光器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，公开了一种实现高亮度水平远场单瓣分布的光子晶体激光器阵列。该阵列利用光子晶体对激光器阵列输出的模式进行相位调制，产生高亮度且水平远场单瓣分布的激光输出。该阵列包含三个部分：模式耦合区、光子晶体区和发射区。模式耦合区产生稳定的反相模式，经过光子晶体区的调制而转换成同相位分布的模式，转换后的模式在发射区输出一个窄发散角的单瓣远场图案。所述模式耦合区、光子晶体区和发射区的波导均通过传统光电子普通光刻及刻蚀工艺完成。利用本发明可有效解决半导体边发射激光器阵列输出功率过高时出现的水平方向远场双瓣分布、发散角大的缺点，产生高亮度的激光。预期激光亮度将提高一个数量级。

Description

一种实现高亮度水平远场单瓣分布的光子晶体激光器阵列

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种实现高亮度水平远场单瓣分布的光子晶体激光器阵列。

背景技术

半导体激光器的电光转化效率较高，具有覆盖波段范围广、寿命长、能直接调制、体积小、成本低等优点。其中，边发射半导体激光器阵列在高效率、大功率激光输出方面有着极大的优势，室温下单个激光器巴条连续输出功率已超过百瓦，激光器堆叠输出功率也超过了千瓦。但是其水平方向(平行于pn结平面的方向)的远场特性却不佳，一般表现为双瓣分布，远场发散角很大，降低了激光的亮度。这极大地限制了边发射半导体激光器阵列在很多领域的直接应用。

边发射半导体激光器阵列的水平远场双瓣现象来源于器件内部的模式竞争。在激光器阵列的水平方向上存在很多个模式，因为反相模损耗最低，与增益区的交叠最大，所以在所有模式中占主导地位且最稳定的模式是反相模。反相模在相邻波导的场分布为反相(即相位相差π)，正是这一模场分布决定了器件的远场分布为双瓣。国际上有研究小组通过一些特定的结构改变反相模的模场分布来获得单瓣的远场，包括采用外腔波片，在腔面上镀不均匀的膜，以及集成弯折波导阵列等，但这些结构或方法要么工艺复杂，稳定性差，集成度低，要么兼容度不高，损耗大。获得一种兼具有高功率、窄发散角和高稳定性、高集成度的边发射半导体激光器阵列结构，是大家目前努力的重要方向。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种实现高亮度水平远场单瓣分布的光子晶体激光器阵列，通过光子晶体调制相位的功能来解决边发射激光器阵列输出远场为双瓣且发散角大的问题，实现输出高亮度单瓣远场激光的目的。

(二)技术方案

本发明提出一种光子晶体激光器阵列，包括两组交替排列的波导：第一波导和第二波导，沿该第一波导和第二波导的传播方向分为三个部分：模式耦合区、光子晶体区和发射区，其中，所述模式耦合区用于产生阵列中相邻波导之间相互耦合的激光模式，并通过模式之间的竞争来输出稳定的反相模式；所述光子晶体区用于通过折射率的周期性变化，对所述模式耦合区中输出的反相模式进行相位调制，使其在相邻波导之间的相位差从180°降低至90°以内，从而将反相模式转换成同相位分布的模式；所述发射区用于将所述光子晶体区中输出的同相位分布的模式从激光器腔面稳定输出，产生一个单瓣远场图案。

根据本发明的具体实施方式，所述激光器阵列具有叠层结构，所述叠层结构包括：下电极；形成于该下电极之上的N型衬底；形成于该N型衬底之上的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；形成于该P型限制层之上的P型盖层；形成于该P型盖层之上的SiO₂绝缘层；以及形成于该SiO₂绝缘层之上的上电极，其中，所述第一波导和第二波导是由刻蚀P型盖层的整个厚度和P型限制层的部分厚度形成。

根据本发明的具体实施方式，所述有源层采用的材料为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。

根据本发明的具体实施方式，所述模式耦合区的波导上通过刻蚀或腐蚀所述SiO₂绝缘层形成电极窗口。

根据本发明的具体实施方式，所述模式耦合区的长度超过光子晶体区长度的两倍。

根据本发明的具体实施方式，所述第一波导在模式耦合区、光子晶体区和发射区内为均一宽度的第一条形波导；所述第二波导在模式耦合区和发射区内为均一宽度的第二条形波导，在光子晶体区内则包含两个锥形波导和一个第三条形波导。

根据本发明的具体实施方式，所述第二条形波导的宽度与第一条形波导的宽度相同，比第三条形波导的宽度大，且通过锥形波导和第三条形波导相连。

根据本发明的具体实施方式，所述锥形波导的长度不超过光子晶体区长度的十分之一。

根据本发明的具体实施方式，所述第三条形波导的长度L由如下公式决定：L＝Δψ·λ/(2π·Δn)，其中Δψ为通过光子晶体区的调制在第一波导和第二波导的光场之间产生的相移，Δn为在光子晶体区内，第一波导和第二波导中传播的光场之间的有效折射率差。

根据本发明的具体实施方式，所述相移Δψ的范围在(mπ-π/2)～mπ之间，其中m为奇数。

(三)有益效果

1、本发明提供一种实现高亮度水平远场单瓣分布的光子晶体激光器阵列，利用宽度周期性变化的波导阵列形成对特定光子态具有调控功能的光子晶体，实现对模式的相位调制，将阵列中稳定的反相模式转换成同相分布的模式并输出，从而产生单瓣的水平远场图案，且发散角很窄。

2、本发明的实现高亮度水平远场单瓣分布的光子晶体激光器阵列，结构紧凑，制备工艺简单，易于集成，可产生稳定的高亮度激光。

总之，本发明具有直接输出高亮度单瓣水平远场激光的优点，且工艺简单，稳定性高，成本低，在光纤通信、泵浦固态激光器、材料加工等领域中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明提供的实现高亮度水平远场单瓣分布的光子晶体激光器阵列的三维结构示意图；

图2为本发明的一个实施例的表面几何结构示意图；

图3为本发明的一个实施例的反相模在光子晶体区中的二维传输特性图；

图4为本发明的一个实施例的反相模在光子晶体调制前后的相位对比图；

图5为本发明的一个实施例的反相模在光子晶体调制前后的水平近场对比图；

图6为本发明的一个实施例的反相模在光子晶体调制前后的水平远场对比图。

具体实施方式

本发明通过波导宽度的周期性变化实现波导中光场有效折射率的周期性变化，形成光子晶体。由于光子晶体区中不同波导的有效折射率不同，其中传播的光场之间可产生一定的相位差，此即为光子晶体的相位调制功能。利用相位的调制对反相模式进行相位补偿，改反相特性为同相特性。相比于现有的同类结构，本发明既降低了模式匹配损耗和传输损耗，又兼具了光子晶体结构的稳定性，同时还具有制作方便，易于集成的优点。

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，对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明提供的实现高亮度水平远场单瓣分布的光子晶体激光器阵列的结构示意图。如图1所示，本发明设计了一种实现高亮度水平远场单瓣分布的光子晶体激光器阵列，该激光器阵列具有叠层结构，该叠层结构包括：下电极101；形成于该下电极之上的N型衬底102；形成于该N型衬底之上的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；形成于该P型限制层之上的P型盖层106；形成于该P型盖层之上的SiO₂绝缘层107；以及形成于该SiO₂绝缘层之上的上电极108。其中，所述有源层104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。

其中，对于该P型盖层106和该P型限制层105，在平行于该阵列表面的平面的部分区域中，该P型盖层106的整个厚度和该P型限制层105的部分厚度被刻蚀，由此形成两组交替排列的波导：第一波导201和第二波导202。

在该激光器阵列中，沿第一和第二波导的传播方向包括三个部分：模式耦合区203、光子晶体区204和发射区205。

模式耦合区203用于产生阵列中相邻波导之间相互耦合的激光模式，模式数目与波导的个数成正比。不同模式之间由于场分布的不同而具有不同的损耗，从而实现模式之间的竞争。因为反相模式的损耗最低，容易实现激射，因此模式耦合区203能够输出稳定的反相模式。

光子晶体区204通过折射率的周期性变化，对模式耦合区203中输出的反相模式进行相位调制，使其在相邻波导之间的相位差从180°降低至90°以内，从而将反相模式转换成同相位分布的模式；

发射区205是为了在芯片解理时让腔面位于此区域内，从而保证光子晶体区204的长度的精确性，同时它将光子晶体区204中输出的同相位分布的模式稳定输出至激光器腔面，产生一个窄发散角的单瓣远场图案。

所述模式耦合区203的长度需超过光子晶体区204长度的两倍，以保证激光器的出射功率。所述在第一波导201和第二波导202的光场之间产生的相移Δψ，其范围应该在(mπ-π/2)～mπ之间，其中m为奇数。

所述第一波导201在模式耦合区203、光子晶体区204和发射区205内为均一宽度的第一条形波导。所述第二波导202在模式耦合区203和发射区205内为均一宽度的第二条形波导202a，在光子晶体区204则包含两个锥形波导202b和一个第三条形波导202c。

所述第二条形波导202a的宽度与第一波导201的第一条形波导的宽度相同，比第二波导202的第三条形波导202c宽度大，且通过锥形波导202b和第三条形波导202c相连。

所述锥形波导202b长度不超过光子晶体区(204)长度的十分之一。

所述第三条形波导202c的长度L由如下公式决定：L＝Δψ·λ/(2π·Δn)，其中Δψ为通过光子晶体区204的调制在第一波导201和第二波导202的光场之间产生的相移，Δn为在光子晶体区204内，第一波导201和第二波导202中传播的光场之间的有效折射率差，此有效折射率差与第一波导201和第二波导202的宽度及外延片结构有关。

所述模式耦合区203的波导通过刻蚀或腐蚀SiO₂绝缘层107形成电极窗口203a。

以下结合具体的实施例对本发明提供的一种实现高亮度水平远场单瓣分布的光子晶体激光器阵列作进一步详细说明。

实施例

图2为一种实现高亮度水平远场单瓣分布的光子晶体激光器阵列的一个实施例的表面几何结构示意图。如图所示，该实施例的阵列包含9个波导，在模式耦合区203中，各波导宽度均为5μm，相邻波导间的区域的宽度为2μm，整个耦合区长度为1000μm。在光子晶体区204中，第一条形波导201宽度仍为5μm，第三条形波导202c宽度为2μm。整个光子晶体区长度为300μm，其中两个锥形波导202b长度均为25μm，第三条形波导202c长度为250μm。发射区205内所有波导宽度均为5μm，波导长度均为100μm。整个区域内的波导采用一步刻蚀工艺实现，刻蚀深度约为600nm。

图3为该实施例的反相模在光子晶体区204中二维传输特性图。反相模在阵列的相邻波导中的相位相差180°，场强是异号的。在相邻波导间非注入的刻蚀区内反相模场强基本为零，因此它与注入载流子有最大的交叠，相对于其它模式具有最低的损耗，最容易产生激射。从图中可以看到，第二波导202中传输的光场在锥形波导202b处有轻微的散射现象，在第三条形波导202c中传输的光场也存在明显的局域现象，而在第一波导201中传输的光场在排除了散射光的影响后变化不大。这些说明光子晶体对阵列中传播的模式场分布进行了调制，相邻波导的光场之间产生了差异。

图4为该实施例的反相模式经相位调制前后的相位对比图。在经光子晶体区调制之前，模式在相邻波导中的相位相差180°。在相位调制后，模式在相邻波导内的相位差基本都小于90°，即第二波导202中的光场相对于第一波导201中的光场产生了超过90°的相移。虽然在个别波导边界处存在360°的相位突变，但是因为光场在相邻波导交界处的振幅值最小，因此这些极个别的相位突变对输出模式的近场分布影响极小。

图5为该实施例的反相模式经相位调制前后的近场对比图。从图中可以看到，调制之前的模式在相邻波导中的场强是反号的，这正是180°的相位差造成的。经过相位调制后，第一波导201中的场强的最大值与相邻的第二波导202中的场强是同号的。也就是说，对于相邻波导中的光场，同相的比例要大于反相。由此产生的效果可以从图6中的水平远场分布对比中看出来。调制前的远场为双峰，发散角接近8°。经过相位调制后的远场变成单峰，发散角仅为0.88°，比调制前降低了一个数量级，所以激光器阵列的亮度也提高了一个数量级。这极大地改善了边发射激光器阵列的特性，在工业等领域有巨大的应用潜力。

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，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 (10)

1.一种光子晶体激光器阵列，其特征在于，

包括两组交替排列的波导：第一波导(201)和第二波导(202)，沿该第一波导(201)和第二波导(202)的传播方向分为三个部分：模式耦合区(203)、光子晶体区(204)和发射区(205)，其中，

所述模式耦合区(203)用于产生阵列中相邻波导之间相互耦合的激光模式，并通过模式之间的竞争来输出稳定的反相模式；

所述光子晶体区(204)用于通过折射率的周期性变化，对所述模式耦合区(203)中输出的反相模式进行相位调制，使其在相邻波导之间的相位差从180°降低至90°以内，从而将反相模式转换成同相位分布的模式；

所述发射区(205)用于将所述光子晶体区(204)中输出的同相位分布的模式从激光器腔面稳定输出，产生一个单瓣远场图案。

2.根据权利要求1所述的光子晶体激光器阵列，其特征在于，所述激光器阵列具有叠层结构，所述叠层结构包括：

下电极(101)；

形成于该下电极之上的N型衬底(102)；

形成于该N型衬底之上的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)；

形成于该P型限制层之上的P型盖层(106)；

形成于该P型盖层之上的SiO₂绝缘层(107)；以及

形成于该SiO₂绝缘层之上的上电极(108)，其中，

所述第一波导(201)和第二波导(202)是由刻蚀P型盖层(106)的整个厚度和P型限制层(105)的部分厚度形成。

3.根据权利要求2所述的光子晶体激光器阵列，其特征在于，所述有源层(104)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。

4.根据权利要求2所述的光子晶体激光器阵列，其特征在于，所述模式耦合区(203)的波导通过刻蚀或腐蚀所述SiO₂绝缘层(107)形成电极窗口(203a)。

5.根据权利要求1所述的光子晶体激光器阵列，其特征在于，所述模式耦合区(203)的长度超过光子晶体区(204)长度的两倍。

6.根据权利要求1所述的光子晶体激光器阵列，其特征在于，所述第一波导(201)在模式耦合区(203)、光子晶体区(204)和发射区(205)内为均一宽度的第一条形波导；所述第二波导(202)在模式耦合区(203)和发射区(205)内为均一宽度的第二条形波导(202a)，在光子晶体区(204)内则包含两个锥形波导(202b)和一个第三条形波导(202c)。

7.根据权利要求6所述的光子晶体激光器阵列，其特征在于，所述第二条形波导(202a)的宽度与第一条形波导(201)的宽度相同，比第三条形波导(202c)的宽度大，且通过锥形波导(202b)和第三条形波导(202c)相连。

8.根据权利要求6所述的光子晶体激光器阵列，其特征在于，所述锥形波导(202b)的长度不超过光子晶体区(204)长度的十分之一。

9.根据权利要求6所述的光子晶体激光器阵列，其特征在于，所述第三条形波导(202c)的长度L由如下公式决定：L＝Δψ·λ/(2π·Δn)，其中Δψ为通过光子晶体区(204)的调制在第一波导(201)和第二波导(202)的光场之间产生的相移，Δn为在光子晶体区(204)内，第一波导(201)和第二波导(202)中传播的光场之间的有效折射率差。

10.根据权利要求9所述的光子晶体激光器阵列，其特征在于，所述相移Δψ的范围在(mπ-π/2)～mπ之间，其中m为奇数。

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