CN103346478A - 镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器 - Google Patents

镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器，包括：n型衬底；沉积于n型衬底背面的n型电极；依次沉积于n型衬底正面的一维光子晶体、下波导层、有源层、上波导层、p型盖层、脊形条波导和p型电极。其中，脊形条波导、p型盖层、上波导层、有源层、下波导层、一维光子晶体构成P-N结，一维光子晶体的交替生长方向垂直于该P-N结的方向，脊形条波导的方向平行于该P-N结方向，脊形条波导和一维光子晶体形成非对称光子晶体复合波导。本发明将一维光子晶体引入脊形条波导激光器中，其可以对垂直于P-N结方向的模式进行调控，从而增加了基模的光场面积，减小了该方向的基模远场发散角。

Description

镓锑基中红外圆斑输出低发散角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技术领域，尤其涉及一种镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器。
背景技术
半导体激光器与其它激光器相比，具有转换效率高、体积小、质量轻、功率高、阈值低、易于集成等优点。所以半导体激光器被许多研究机构进行了广泛的研究。工作于2-10μm中红外波段的半导体激光器在自由空间光通信、分子光谱测量、激光医疗、红外雷达等领域表现出巨大的应用潜力。由于锑化物半导体材料的禁带宽度恰好可以覆盖这一波长范围，所以锑化物材料是制作中远红外半导体激光器的首选材料。
从1986年第一支InGaAsSb/AlGaAsSb双异质结激光器实现室温连续工作，到1992年MIT林肯实验室采用应变量子阱作为有源层，实现镓锑基激光器室温连续输出功率190mW，镓锑基半导体激光器的研究越来越深入。到目前为止，各研究机构改善材料生长工艺，设计众多的镓锑基激光器结构来改善和提高激光器的性能。在众多激光器结构中，脊形条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。
脊形条波导边发射激光器的垂直于P-N结方向的光场限制是通过生长不同的外延层实现的，而平行于P-N结方向的光场限制是通过在半导体外延片上刻蚀出波导结构实现。脊形条波导激光器的输出功率可以通过增波导宽度来增加，但宽脊形条会导致多模激射，影响光的远场发散角，光斑呈椭圆形。因此宽脊形条激光器在耦合输出的时候往往需要借助复杂的校准设备，这增加的功率的损耗以及器件的复杂度。因此如何调控脊形条波导激光器中的模式是实现低发散角圆斑输出的关键。脊形条波导激光器的发展已经相当成熟，在激光器的基模激射的基础上，世界上各个研究小组提出了各种不同的方案，如采用利用金属吸收，板耦合波导等抑制高阶模式，但大部分还是对称波导激光器结构。
现有技术脊形条波导激光器中，垂直于P-N结方向有源层厚度超薄，只有几十纳米，超薄的有源层所带来的问题是光限制因子的减小，所以在该方向产生的近似于高斯分布的基模光束束腰尺寸很小。又由于在半导体激光器中，光束的远场发散角与激光器有源层产生的光束束腰尺寸成反比，所以垂直于P-N结方向有源层中产生的很小的光束束腰导致该方向的远场发射角大。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器，以减小出射激光垂直于P-N结方向的发散角。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器，包括：n型衬底；沉积于n型衬底背面的n型电极；依次沉积于n型衬底正面的一维光子晶体、下波导层、有源层、上波导层、p型盖层、脊形条波导和p型电极。其中，脊形条波导、p型盖层、上波导层、有源层、下波导层、一维光子晶体构成P-N结，一维光子晶体的交替生长方向垂直于该P-N结的方向，脊形条波导的方向平行于该P-N结方向，脊形条波导和一维光子晶体形成非对称光子晶体复合波导。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器具有以下有益效果：
(1)将一维光子晶体引入脊形条波导激光器中，取代脊形条波导激光器中的N型层，一维光子晶体可以对垂直于P-N结方向的模式进行调控，高阶模式通过一维光子晶体滤除，基模大部分限制在有源层和上、下波导层中，并有一部分扩展到一维光子晶体，从而增加了基模的光场面积，减小了该方向的基模远场发散角；
(2)一维光子晶体结合制作在p型盖层上的脊形条波导，进而可以实现了低发散角的圆斑激光输出；
(3)一维光子晶体将基模大部分局限在有源层和上、下波导层中，不会额外增加基模的损耗，因而不会提高激射阈值；
(4)本发明镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器，通过MBE方法或MOCVD方法生长而成，不会引入额外的工艺；在激光器制作工艺上与传统的脊形条波导激光器相同，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为本发明实施例镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器的结构示意图；
图2为图1所示镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器中材料折射率随深度变化的曲线；
图3A、图3B和图3C分别为图1所示镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器在垂直于P-N结方向的基模、一阶模、二阶模的近场分布图；
图4为图1所示镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器在垂直于P-N结方向的基模远场发散角；
图5为图1所示镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器在平行于P-N结方向的基模远场发散角；
图6为图1所示镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器的远场分布。
【本发明主要元件符号说明】
Figure BDA00003339478000031
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。
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。
本发明提供了一种镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器，其将光子晶体结构引入脊形条波导激光器中，取代脊形条波导激光器中的N型层，形成非对称的光子晶体复合波导结构，从而实现了低发散角的圆斑激光输出。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器。如图1所示，本实施例镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器100包括：n型衬底111；沉积于n型衬底111背面的n型电极119；依次沉积于n型衬底111正面的一维光子晶体112、下波导层113、有源层114、上波导层115、p型盖层116、脊形条波导117和p型电极118。其中，脊形条波导117、p型盖层116、上波导层115、有源层114、下波导层113、一维光子晶体112构成P-N结。一维光子晶体112的交替生长方向垂直于该P-N结的方向，脊形条波导117的方向平行于该P-N结的方向，脊形条波导117和一维光子晶体112形成非对称光子晶体复合波导。
图2为图1所示镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器中材料折射率随深度变化的曲线。以下结合图1和图2，分别对本实施例镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器的各个组成部分进行详细说明。
本实施例中，衬底的材料可以是IV族半导体材料、III-V半导体材料、玻璃、蓝宝石。而一维光子晶体112、下波导层113、有源层114、上波导层115、p型盖层116、脊形条波导117等均为采用MBE或MOCVD方式生长的镓锑系半导体材料。
一维光子晶体112位于下波导层113的下方，衬底111的上方，是由两种不同的镓锑材料-Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.08/Al0.5Ga0.5As0.02Sb0.08，沿垂直于P-N结方向按周期a交替生长而成，其周期数为b，且其有效折射率小于有源层114的有效折射率。其中，一维光子晶体周期为a＝1.25μm，周期数b＝11。
此外，一维光子晶体112可以是镓锑基二元系、三元系、四元系材料中的任意两种，或者是任意一类二元系、三元系、四元系材料的不同组份的两种材料。而一维光子晶体112的周期个数可以是任意数目，周期长度可以是任意数值。
通过一维光子晶体产生的能带结构调控有源层114、上波导层115和下波导层113中垂直于P-N结方向的光场模式分布，将高阶模式滤除掉，将基模大部分限制在有源层114、上波导层115和下波导层113中，且一部分扩展至一维光子晶体区域，增大了基模的模场面积，从而减小该方向的远场发散角。同时基模集中在有源层和上波导层115、下波导层113中，而高阶模通过一维光子晶体过滤掉，从而可以实现基模的激射。
有源层114采用的是由镓锑系材料构成的量子阱或量子点结构，但也不局限于这两种结构。在本发明的脊形条波导激光器中，有源层114材料为In0.18Ga0.82Sb/Al0.35Ga0.65As0.02Sb0.98，其增益峰在2.1μm附近。有源区势垒的折射率低于一维光子晶体的折射率。
下波导层113、上波导层115是配备在有源层114两侧的低折射率的光限制层，其材料均为Al0.4Ga0.6As0.03Sb0.97，该波导层用来限制光子，等效于加厚了有源层114，使激光器的远场特性有大幅度的改善。在该层的折射率可以是渐变的，也可以是突变的。
p型盖层116材料为Al0.9Ga0.1As0.08Sb0.92，其中组份可以在0.4-0.9之间调节；其折射率低于一维光子晶体112的折射率，构成反波导结构。从而有效降低p型盖层116中的光限制因子，使光向一维光子晶体112所在区域扩展。
脊形条波导117包括GaSb和Al0.9Ga0.1As0.08Sb0.92，其方向平行于该P-N结方向，用于调控平行于P-N结方向的模式场，从而调节该方向的远场发散角。当垂直于P-N结方向的发散角和平行于P-N结方向的发散角相同时，实现圆斑激光激射。
脊形条波导制作在p型盖层上，其采用传统激光器制作工艺如刻蚀或湿法腐蚀而成。本实例中平行于P-N结方向的脊形条波导结构采用的是p型掺杂的镓锑材料，脊形条波导宽度w＝16μm，高度h＝1.6μm。波段覆盖到镓锑基材料所能达到的中远红外波段的任意波长。
本实施例中，制作在p型盖层上的脊形条波导通过损耗机制对平行于P-N结方向的模式进行调控，从而调控该方向的远场发散角。
在本实施例脊形条波导激光器中，模式经过一维光子晶体的调节后会发生很大变化。图3A、图3B和图3C分别为本发明实施例脊形条波导激光器垂直于P-N结方向的基模、一阶模和二阶模的近场分布图。其中，横坐标表示本发明实施例脊形条波导激光器垂直于P-N结方向上以脊形条波导117为零点依次到n型衬底111的该激光器结构的位置。纵坐标表示本发明实施例脊形条波导激光器垂直于P-N结方向上每个位置的电场强度与该方向上总电场强度的比值。对比基模和其它两个高阶模式的光限制因子，可以发现基模的峰值位于有源层114和上波导层115、下波导层113中，而其它模式都偏出有源层114和上波导层115、下波导层113中，计算结果表明这三个模式的光限制因子分别为3.2％、1.9％和1.8％，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。同时基模的一部分模场扩展到整个光子晶体区域，增加了模场面积，这样便能够获得低发散角的光束。
图4为图1所示镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器垂直于P-N结方向的基模远场分布图。图5为图1所示镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器平行于P-N结方向的模式远场分布图。从图4，图5中可知，这两个方向的模式的远场发散角可控制在8°以内，并且垂直于P-N结方向的基模的远场发散角和平行于P-N结方向的远场发散角相同，从而保证激光的低发散角圆斑输出，激光器的远场为一圆斑，如图6所示。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器有了清楚的认识。
此外，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。
综上所述，本发明提供一种镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器。该镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器中，一维光子晶体制作在n型盖层区域取代传统的n型盖层，利用n型区载流子传输效率高的特点，从而一维光子晶体的引入并不增加该区域的串联电阻，而且减小载流子在该区域的损耗，提高了脊形条波导激光器的斜率效率，从而增强脊形条波导激光器的发光效率；一维光子晶体产生的能带结构对垂直于P-N结方向的模场分布进行有效的调控，滤除高阶模，增大基模光场面积，减小该方向的远场发散角；p型盖层的脊形条通过损耗机制调控平行于P-N结方向的模场分布，减小该方向的远场发散角。
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 (10)

1.一种镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器，其特征在于，包括：
n型衬底；
沉积于所述n型衬底背面的n型电极；
依次沉积于所述n型衬底正面的一维光子晶体、下波导层、有源层、上波导层、p型盖层、脊形条波导和p型电极；
其中，所述脊形条波导、p型盖层、上波导层、有源层、下波导层、一维光子晶体构成P-N结，所述一维光子晶体的交替生长方向垂直于该P-N结的方向，所述脊形条波导的方向平行于该P-N结方向，所述脊形条波导和一维光子晶体形成非对称光子晶体复合波导。
2.根据权利要求1所述的镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器，其特征在于：所述一维光子晶体由两种不同的镓锑材料沿垂直于P-N结方向周期性交替生长而成，其有效折射率小于所述有源层的有效折射率。
3.根据权利要求2所述的镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器，其特征在于，制备所述一维光子晶体的两种不同的镓锑材料为：
镓锑基二元系材料、镓锑基三元系材料、镓锑基四元系材料中的任意两种；或
一类镓锑基二元系材料、镓锑基三元系，或镓锑基四元系材料的不同组份的两种材料。
4.根据权利要求2所述的镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器，其特征在于，所述一维光子晶体的周期a＝1.25μm，周期数b＝11。
5.根据权利要求1所述的镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器，其特征在于，所述脊形条波导的材料为p型掺杂的镓锑材料，其宽度w＝16μm，高度h＝1.6μm。
6.根据权利要求1所述的镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器，其特征在于，所述有源层为镓锑基材料构成的量子阱或量子点结构，有源区势垒的折射率低于一维光子晶体的折射率。
7.根据权利要求6所述的镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器，其特征在于，所述有源层的材料为In0.18Ga0.82Sb/Al0.35Ga0.65As0.02Sb0.08。
8.根据权利要求1所述的镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器，其特征在于，所述下波导层和上波导层为折射率突变或渐变的波导层。
9.根据权利要求1所述的镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器，其特征在于，所述p型盖层折射率低于所述一维光子晶体的折射率。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器，其特征在于，所述衬底的材料为以下材料中的一种：IV族半导体材料、III-V半导体材料、玻璃和蓝宝石。
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