CN103904556B - 一种斜侧壁倾斜波导光子晶体半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斜侧壁倾斜波导光子晶体半导体激光器，包括：叠层结构，该叠层结构包括：N型衬底；形成于N型衬底下表面的下电极；形成于N型衬底上表面的N型限制层；形成于N型限制层之上的光子晶体；形成于光子晶体之上的有源层；形成于有源层之上的P型限制层；及形成于P型限制层之上的P型盖层；从叠层结构表面对叠层结构进行刻蚀于叠层结构上部中间位置形成的端面为正梯形的脊型结构；于具有脊型结构的叠层结构之上形成的SiO₂绝缘层；以及去除脊型结构上表面的SiO₂绝缘层并于露出的P型盖层之上及未被去除的SiO₂绝缘层表面形成的上电极。利用本发明可以降低窄垂直发散角光子晶体半导体激光器的制作成本，提高激光器的综合性能。

Description

一种斜侧壁倾斜波导光子晶体半导体激光器

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种斜侧壁倾斜波导光子晶体半导体激光器。

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。但是它的垂直方向远场角一般高达40度左右，比水平方向远场角高近一个数量级。垂直方向的大发散角不仅造成输出光斑呈非对称的椭圆形，限制了半导体激光的直接应用，而且严重降低了半导体激光向光纤耦合的效率。虽然采用光束整形等方式在一定程度上能降低快轴发散角，却无法解决模式不稳定等问题，同时还存在工艺复杂、难以集成等缺点。

为了降低激光器的垂直方向发散角，本研究团队申请的中国专利CN201110147409.2提出了在激光器外延结构N型一侧引入一维周期性光子晶体结构的方法。但是这一结构也存在着一定的限制，比如要获得更低的垂直发散角，就需要不断地增加光子晶体中周期排布的层数。而发散角与层数之间近似满足负e指数关系，即在小垂直发散角(小于10度)下，进一步降低发散角将需要更复杂结构的光子晶体，这些增加了批量化生产光子晶体激光器的挑战。

因此，进一步降低光子晶体半导体激光器的垂直发散角，同时不显著增加器件的制作难度和成本，并提高器件的综合性能，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斜侧壁倾斜波导光子晶体半导体激光器，在垂直方向上将光子晶体半导体激光器所实现的大模式体积进一步扩大，同时不减弱其周期性折射率调制的特性，也不增加制作工艺的难度，实现低成本高功率超低垂直发散角激光输出。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供了一种斜侧壁倾斜波导光子晶体半导体激光器，该激光器包括：

叠层结构，该叠层结构包括：

N型衬底102；

形成于该N型衬底102下表面的下电极101；

形成于该N型衬底上表面的N型限制层103；

形成于该N型限制层之上的光子晶体104；

形成于该光子晶体之上的有源层105；

形成于该有源层之上的P型限制层106；及

形成于该P型限制层之上的P型盖层107；

从该叠层结构表面对该叠层结构进行刻蚀于该叠层结构上部中间位置形成的端面为正梯形的脊型结构，其中该刻蚀是刻蚀至该光子晶体104中；

于具有该脊型结构的该叠层结构之上形成的SiO₂绝缘层108；以及

去除该脊型结构上表面的SiO₂绝缘层并于露出的P型盖层107之上及未被去除的SiO₂绝缘层表面形成的上电极109。

上述方案中，所述端面为正梯形的脊型结构、该脊型结构两侧面依次形成的SiO₂绝缘层和上电极、以及该脊型结构上表面形成的上电极构成一倾斜波导201，该倾斜波导201的侧壁202朝波导外侧倾斜，使波导输出端面呈正梯形；除倾斜波导201的上表面及侧面之外的SiO₂绝缘层之下的叠层结构形成该激光器的刻蚀区203。

上述方案中，所述倾斜波导201的长度L与波导宽度W以及波导相对于输出端面的倾斜角θ满足如下关系：L＝2mWcosθ/tanθ，其中m为正整数。

上述方案中，所述光子晶体104由至少两对低折射率材料110和高折射率材料111交替叠置而成。

上述方案中，所述有源层105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。

(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：

1、本发明提供的这种斜侧壁倾斜波导光子晶体半导体激光器，通过光子晶体在垂直方向上实现一定程度的模式扩展，并调控模式分布使得基模具有最大的增益。利用倾斜波导实现光在腔内的“之”字形弯折传输与振荡，而倾斜的波导侧壁则将光向衬底方向反射，进一步扩大垂直方向的基模的模式体积，产生超低的垂直发散角。

2、本发明提供的这种斜侧壁倾斜波导光子晶体半导体激光器，由于垂直方向上基模相对于高阶模更局域，与刻蚀形成的波导侧壁的交叠最大，因此光在波导内被侧壁反射时，基模被反射回波导内的比例最大，而高阶模的大部分能量则逸出到波导以外而有较大的损耗。因此垂直方向的模式鉴别能力被增强，基模的激射优势更加明显。

3、本发明提供的这种斜侧壁倾斜波导光子晶体半导体激光器，垂直发散角在不增加外延层层数和厚度的情况下被进一步降低，既降低了工艺成本，又优化了器件的电学性能。

总之，本发明提供的这种斜侧壁倾斜波导光子晶体半导体激光器，具有直接输出高亮度超低垂直发散角激光的优点，且性能稳定，制作工艺简单，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

图1a为本发明提供的斜侧壁倾斜波导光子晶体半导体激光器的三维结构示意图。

图1b为本发明提供的斜侧壁倾斜波导光子晶体半导体激光器的俯视图。

图2为模拟获得的直波导光子晶体半导体激光器的垂直发散角随光子晶体104的层数的变化曲线图。

图3为本发明的一个实施例与直波导光子晶体半导体激光器在垂直方向上的基模近场对比图。

图4为本发明的一个实施例与直波导光子晶体半导体激光器在垂直方向上的基模远场的对比图。

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1a和图1b所示，图1a为本发明提供的斜侧壁倾斜波导光子晶体半导体激光器的三维结构示意图，图1b为本发明提供的斜侧壁倾斜波导光子晶体半导体激光器的俯视图，该激光器包括：叠层结构、从该叠层结构表面对该叠层结构进行刻蚀于该叠层结构上部中间位置形成的端面为正梯形的脊型结构、于具有该脊型结构的该叠层结构之上形成的SiO₂绝缘层108；以及去除该脊型结构上表面的SiO₂绝缘层并于露出的P型盖层107之上及未被去除的SiO₂绝缘层表面形成的上电极109。其中，所述端面为正梯形的脊型结构、该脊型结构两侧面依次形成的SiO₂绝缘层和上电极、以及该脊型结构上表面形成的上电极构成一倾斜波导201，该倾斜波导201的侧壁202朝波导外侧倾斜，使波导输出端面呈正梯形。倾斜波导201的长度L与波导宽度W以及波导相对于输出端面的倾斜角θ满足如下关系：L＝2mWcosθ/tanθ，其中m为正整数。除倾斜波导201的上表面及侧面之外的SiO₂绝缘层之下的叠层结构形成该激光器的刻蚀区203。

再参照图1，该叠层结构包括：N型衬底102；形成于该N型衬底102下表面的下电极101；形成于该N型衬底上表面的N型限制层103；形成于该N型限制层之上的光子晶体104；形成于该光子晶体之上的有源层105；形成于该有源层之上的P型限制层106；及形成于该P型限制层之上的P型盖层107。

光子晶体104由至少两对低折射率材料110和高折射率材料111交替叠置而成。有源层105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。

本发明提供的斜侧壁倾斜波导光子晶体半导体激光器，在垂直于pn结方向上采用光子晶体结构实现模式的调控，扩大模式体积。在平行于pn结方向利用倾斜波导实现光在腔内的“之”字形弯折传输与反馈，而倾斜的波导侧壁在沿波导平面内反射光的同时也朝衬底方向反射光。光向衬底方向的反射与激光器外延方向波导的折射率限制同时作用，使得模式在垂直方向的尺寸得到进一步扩展。同时光子晶体的折射率调制稳定了扩展的模式分布，从而获得了稳定的超低垂直发散角的半导体激光。利用本发明可以降低窄垂直发散角光子晶体半导体激光器的制作成本，提高激光器的综合性能。

实施例

图1a为一种斜侧壁倾斜波导光子晶体半导体激光器的一个实施例的三维结构示意图，图1b为实施例的俯视图。该激光器有源层105中量子阱激射波长设计为905nm，垂直方向光子晶体104包含10对Al_0.2Ga_0.8As/Al_0.3Ga_0.7As交替生长的高、低折射率层，厚度分别为0.15μm和0.4μm，。倾斜波导201宽度为100μm，相对于输出端面的倾斜角θ为5度，长度L为2.2mm。波导侧壁202相对于铅垂方向的偏角为12度。波导两侧的叠层结构的刻蚀深度为3.1μm。SiO₂绝缘层108厚度为2μm。

图2展示了直波导光子晶体半导体激光器的垂直发散角随光子晶体104的层数变化的模拟结果。当光子晶体104中层数为20(即周期数为10)时，垂直发散角约为9.8度，相对于层数为4(周期数为2)的发散角降低了16度。但是当层数再增加16(即周期数为18)时，发散角仅从9.8度降低至7.6度，降低幅度仅有2度，比之前低了近一个数量级。因此在小发散角下通过增加光子晶体104中的周期数来进一步降低发散角是不合适的。

图3为本发明的一个实施例与直波导光子晶体半导体激光器在垂直方向上的基模近场对比图。我们可以看到，虽然两个近场的峰值基本重合，都位于有源层105内，但是倾斜波导的基模近场范围要大于直波导的的基模近场范围，主要体现在模式向光子晶体104中扩展的部分。而且倾斜波导的基模强度在光子晶体中的强度要高于直波导的基模强度。这些正是由于倾斜波导中光受侧壁202斜向下反射造成的。

图4为本发明的一个实施例与直波导光子晶体半导体激光器在垂直方向上的基模远场的对比图。由于斜侧壁倾斜波导的基横模相对于直波导的基横模有更大的模式尺寸和更均匀的分布，因此模拟得到的斜侧壁倾斜波导的垂直远场发散角的半高全宽(5.9度)要明显小于直波导的垂直远场发散角的半高全宽(9.8度)。这个低发散角是图2中仅仅通过增加光子晶体104的层数所不能达到的，在既不增加光子晶体层数也不提高工艺步骤和难度的前提下，实现了在垂直远场发散角上40％的降低。本发明的结构改善了半导体激光器的垂直远场特性，对提高光纤耦合效率等应用有很大的帮助。

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，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 (5)

1.一种斜侧壁倾斜波导光子晶体半导体激光器，其特征在于，该激光器包括：

叠层结构，该叠层结构包括：

N型衬底(102)；

形成于该N型衬底(102)下表面的下电极(101)；

形成于该N型衬底上表面的N型限制层(103)；

形成于该N型限制层之上的光子晶体(104)；

形成于该光子晶体之上的有源层(105)；

形成于该有源层之上的P型限制层(106)；及

形成于该P型限制层之上的P型盖层(107)；

从该叠层结构表面对该叠层结构进行刻蚀于该叠层结构上部中间位置形成的端面为正梯形的脊型结构，其中该刻蚀是刻蚀至该光子晶体(104)中；

于具有该脊型结构的该叠层结构之上形成的SiO₂绝缘层(108)；以及

去除该脊型结构上表面的SiO₂绝缘层并于露出的P型盖层(107)之上及未被去除的SiO₂绝缘层表面形成的上电极(109)。

2.根据权利要求1所述的斜侧壁倾斜波导光子晶体半导体激光器，其特征在于，所述端面为正梯形的脊型结构，该脊型结构两侧面依次形成的SiO₂绝缘层和上电极、以及该脊型结构上表面形成的上电极构成一倾斜波导(201)，该倾斜波导(201)的侧壁(202)朝波导外侧倾斜，使波导输出端面呈正梯形；除倾斜波导(201)的上表面及侧面之外的SiO₂绝缘层之下的叠层结构形成该激光器的刻蚀区(203)。

3.根据权利要求2所述的斜侧壁倾斜波导光子晶体半导体激光器，其特征在于，所述倾斜波导(201)的长度L与波导宽度W以及波导相对于输出端面的倾斜角θ满足如下关系：L＝2mWcosθ/tanθ，其中m为正整数。

4.根据权利要求1所述的斜侧壁倾斜波导光子晶体半导体激光器，其特征在于，所述光子晶体(104)由至少两对低折射率材料(110)和高折射率材料(111)交替叠置而成。

5.根据权利要求1所述的斜侧壁倾斜波导光子晶体半导体激光器，其特征在于，所述有源层(105)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。