CN103825194B - 单模光子晶体边发射半导体激光器 - Google Patents

Abstract

一种单模光子晶体边发射半导体激光器，包括一叠层结构，所述叠层结构包括：一下电极；一N型衬底制作在该下电极上；一N型限制层制作在该N型衬底上；一有源层制作在该N型限制层上；一P型限制层，其中间为沿纵向凸起的三段式波导，该三段式波导的两侧为相对的锥形波导，之间为光子晶体波导，其制作在该有源层之上；一P型盖层，其制作在该P型限制层上的三段式波导的上面；一SiO₂绝缘层，其制作在P型限制层上的三段式波导的侧壁上，并覆盖P型限制层的上面，形成基片；以及一上电极，其制作在基片除了侧壁的上面。本发明通过光子晶体波导选择激光器的纵模和侧模，并利用对称双锥形结构放大激光功率，实现高功率、单模、低水平发散角激光输出的目的。

Description

单模光子晶体边发射半导体激光器

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种单模光子晶体边发射半导体激光器。

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。但是它也存在一些问题，其中主要的两个表现为光谱特性差和水平(平行于pn结平面)方向远场性能差。光谱不佳主要表现为腔内多个纵模并存，模式竞争激烈，随注入电流而变化以及光谱线宽较宽。水平远场不佳主要是因为高阶侧模激射而导致远场双瓣分布，发散角大，输出激光亮度低。这些问题使半导体激光器在单色性、平行性两方面逊于其他类型激光器，极大地限制了半导体激光器在很多领域的直接应用。

传统解决半导体激光器多纵模问题的方法主要是在腔内制作分布反射光栅或分布反馈光栅，这些激光器制作上通常需要二次外延技术且引入的光损耗较大，输出功率不高(一般为几十个毫瓦)。国际上也有研究人员提出表面光栅结构来降低成本，提高输出功率，但也面临着电子束曝光、步进光刻等昂贵的制作工艺。既产生高功率、单纵模激光输出，又兼容低成本制作工艺的新型结构还没有被提出。另外，半导体激光器的水平远场双瓣现象来源于器件内部的侧模竞争。要获得大功率必须要采用宽波导结构，而宽的波导又不可避免地产生多个侧模，加剧侧模竞争，使远场角增大，并随电流而变化较大。因此，在半导体激光器中一直存在着提高功率与改善纵模特性、水平远场特性之间的矛盾，实现一种兼具有高功率、单模、低水平发散角以及低成本、高集成度的半导体激光器，是大家目前努力的重要方向。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种单模光子晶体边发射半导体激光器，通过光子晶体波导选择激光器的纵模和侧模，并利用对称双锥形结构放大激光功率，实现高功率、单模、低水平发散角激光输出的目的。

本发明提供一种单模光子晶体边发射半导体激光器，包括一叠层结构，所述叠层结构包括：

一下电极；

一N型衬底，其制作在该下电极之上；

一N型限制层，其制作在该N型衬底之上；

一有源层，其制作在该N型限制层之上；

一P型限制层，该P型限制层的中间为沿纵向凸起的三段式波导，该三段式波导的两侧为相对的锥形波导，之间为光子晶体波导，该P型限制层制作在该有源层之上；

一P型盖层，其制作在该P型限制层上的三段式波导的上面；

一SiO₂绝缘层，其制作在P型限制层上的三段式波导的侧壁上，并覆盖P型限制层的上面，形成基片；以及

一上电极，其制作在基片除了侧壁的上面。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这一种单模光子晶体边发射半导体激光器，利用侧向耦合的光子晶体波导实现基侧模和单纵模，既同时实现了两个维度上的模式选择，又避免了光子晶体的引入对模式产生的过大损耗。另外，采用对称的锥形波导结构可实现光放大，提高激光输出功率。

2、本发明提供的这一种单模光子晶体边发射半导体激光器，结构紧凑，与普通光刻、刻蚀工艺兼容，易于集成，可产生稳定的高亮度、单模半导体激光。

总之，本发明提供的这一种单模光子晶体边发射半导体激光器，具有直接输出高亮度单模低水平发散角激光的优点，且制工艺简单，稳定性高，成本低，在光纤通信、泵浦固态激光器、材料加工以及医学等领域中具有广阔的应用前景。

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，对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明的三维结构示意图；

图2为本发明实施例的光子晶体波导对腔内激光的振幅反射谱图；

图3为本发明实施例的输出激光的水平近场模拟图；

图4为本发明实施例的输出激光的水平远场模拟图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种单模光子晶体边发射半导体激光器，包括一叠层结构，所述叠层结构包括：

一下电极101；

一N型衬底102，其制作在该下电极101之上；

一N型限制层103，其制作在该N型衬底102之上；

一有源层104，其制作在该N型限制层103之上，所述有源层104采用的结构为量子阱、量子线或量子点，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；

一P型限制层105，该P型限制层105的中间为沿纵向凸起的三段式波导，该三段式波导的两侧为对称的锥形波导201，之间为光子晶体波导202，该P型限制层105制作在该有源层104之上。该锥形波导201的宽度变化可以为任意形式，包括线性形式和抛物线形式。该光子晶体波导202为一维光子晶体波导或二维光子晶体波导，该光子晶体波导202的两侧是对称分布的由刻蚀形成的周期或准周期的空气孔阵列203，中间未被刻蚀的区域为线缺陷204。所述P型限制层105中间凸起的三段式波导中两侧的锥形波导201为模式放大区，之间的光子晶体波导202为模式选择区；

一P型盖层106，其制作在该P型限制层105上的三段式波导的上面；

一SiO₂绝缘层107，其制作在P型限制层105上的三段式波导的侧壁上，并覆盖P型限制层105的上面，形成基片；以及

一上电极108，其制作在基片除了侧壁的上面。

所述空气孔阵列203为周期性的阵列时，其周期a需满足如下关系：2a＝N·λ·neff，其中N为正整数，λ为激光器激射波长，neff为光在光子晶体波导202中的有效折射率。

所述空气孔阵列203的宽度应尽可能宽，从而与高阶侧模有更多的交叠，达到更好的滤除侧模的效果。

所述线缺陷204的宽度在制作工艺满足的情况下应该尽可能地窄，以减少光子晶体波导中存在的侧模数目。

所述锥形波导201的宽端口宽度的增大可以提高激光器最高输出功率，而小的锥形角可以减小光在锥形波导201和光子晶体波导202之间耦合时的损耗，因此为了获得大的输出功率和小的光损耗，可以增加锥形波导201的长度。

以下结合具体的实施例对本发明提供的一种单模光子晶体边发射半导体激光器作进一步详细说明。

实施例

图1为单模光子晶体边发射半导体激光器的一个实施例的三维结构示意图。该半导体激光器激射波长为913nm，器件总长度为1300μm。其中，模式选择区长度为300μm，两个对称分布的模式放大区长度各为500μm。模式选择区中，光子晶体波导202中左右两侧空气孔阵列203宽度均为27.5μm，周期和占空比分别为3.05μm和0.5，线缺陷204宽度为5μm。模式放大区中，单个锥形波导201的宽度从窄端口的5μm线性增加到宽端口60μm。P型限制层105的中间凸起的三段式波导以及空气孔阵列203的刻蚀深度均为1.1μm。

图2为该实施例的光子晶体对腔内激光的振幅反射谱。反射谱的峰值波长为912.97nm，与激射波长913吻合。最高反射率约为0.77，反射带宽约为0.6nm。其中0.77的最高振幅反射率已经足以和其他结构如分布反馈光栅的反射率相比拟，足以选择纵向模式，实现单纵模输出。

图3为该实施例的输出激光的水平近场模拟图。从图中可以看到，腔面输出的近场是由一个主瓣和多个对称分布的小的侧瓣组成的，基侧模所占的能量比例很大。主瓣的宽度约为16μm，主瓣两侧一直到波导边界为一些稍小幅度的振荡，这些振荡是由于光在锥形波导201中传输时受到波导侧壁的侧向限制和反射而产生的。在波导边界以外仍然存在一些更小幅度的振荡，这些是由于光在锥形波导201和光子晶体波导202之间耦合时被波导侧壁以及空气孔散射而产生的。这些小幅度的振荡对器件性能的影响较小。

图4为该实施例的输出激光的水平远场模拟图。模拟得到的远场分布为单瓣分布，发散角的半高全宽值约为4度。相比于传统锥形波导激光器由于象散而产生的大发散角(十度以上)且多瓣的远场分布，本发明在远场性能方面已实现不小的改善，对提高光纤耦合效率等有很大的帮助。

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 (6)

1.一种单模光子晶体边发射半导体激光器，包括一叠层结构，所述叠层结构包括：

一下电极；

一N型衬底，其制作在该下电极之上；

一N型限制层，其制作在该N型衬底之上；

一有源层，其制作在该N型限制层之上；

一P型限制层，该P型限制层的中间为沿纵向凸起的三段式波导，该三段式波导的两侧为相对的锥形波导，之间为光子晶体波导，该P型限制层制作在该有源层之上；

一P型盖层，其制作在该P型限制层上的三段式波导的上面；

一SiO₂绝缘层，其制作在P型限制层上的三段式波导的侧壁上，并覆盖P型限制层的上面，形成基片；以及

一上电极，其制作在基片除了侧壁的上面。

2.根据权利要求1所述的单模光子晶体边发射半导体激光器，其中锥形波导的宽度变化为任意形式。

3.根据权利要求1所述的单模光子晶体边发射半导体激光器，其中该光子晶体波导为一维光子晶体波导或二维光子晶体波导。

4.根据权利要求1所述的单模光子晶体边发射半导体激光器，其中该光子晶体波导的两侧是对称分布的由刻蚀形成的周期或准周期的空气孔阵列，中间未被刻蚀的区域为线缺陷。

5.根据权利要求1所述的单模光子晶体边发射半导体激光器，其中P型限制层中间凸起的三段式波导中两侧的锥形波导为模式放大区，之间的光子晶体波导为模式选择区。

6.根据权利要求1所述的单模光子晶体边发射半导体激光器，其中所述有源层采用的结构为量子阱、量子线或量子点，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。