CN103996972A - 一种同时调制波长和发散角的光子晶体边发射激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时调制波长和发散角的光子晶体边发射激光器，其包括：N型衬底，N型衬底上的N型缓冲层，N型缓冲层上的光子晶体，光子晶体上的有源区，有源区上的P型限制层以及P型盖层，其中，所述光子晶体由至少两个周期构成，且每个周期中采用折射率不同的两种材料构成。本发明利用激光腔中倾斜传播的光的模式特性和光子晶体对这种倾斜腔模的反射特性，获得损耗最小的激射模式，实现激射波长较高的稳定性。同时利用光子晶体导带模式，获得垂直方向的较小远场发散角。本发明提供的这种特殊结构可以应用于其他边发射激光器，如：窄条边发射激光器，锥形激光器等。

Description

一种同时调制波长和发散角的光子晶体边发射激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，尤其涉及一种同时调制波长和发散角的光子晶体边发射激光器。

背景技术

半导体激光器具有输出功率高、体积小、重量轻、泵浦效率高等优点，尤其是半导体边发射激光器在高效率，大功率激光输出方面具有极大的优势，并逐渐成为固态/光纤激光器的主要泵浦源。而半导体激光器由于带隙填充、等离子体色散等效应，使激射波长随温度和电流变化而变化，使传统的边发射激光器的温度系数达到0.3-0.4nm/K，即温度变化30度，波长变化约12nm。另外边发射激光器在垂直于pn结方向(即快轴方向)的发散角约40°，平行于pn结方向(即慢轴方向)的发散角约15°，远场光斑呈椭圆形，不利于与光纤耦合。

人们对实现激光器较高的波长稳定性已经进行了大量的研究。从改变器件结构(不考虑通过改善有源材料的生长条件)，实现波长稳定的角度出发，这些方法可以分为内腔法和外腔法。内腔法中，大多使用的是DFB/DBR结构。但是具有DFB结构的激光器需要通过复杂的二次外延生长技术，并且DFB/DBR光栅制作光需要比较精密的仪器，不适于大规模生产。具有DBR结构的VCSEL通常不能实现较大的输出功率，不利于其广泛应用。外腔法中，通常使用空间全息光栅(VHG)/空间布拉格光栅(VBG)结构来实现激光器较高的波长稳定性。德国Ondax公司和美国的nLight公司都采用这种方法。但这种方法需要对出射的激光进行光束整形，并且需要出射激光光束与VHG之间精确的对准。外腔方法中也有如专利文献CN2622721Y和专利文献CN2632689Y，利用负温度系数的陶瓷，对光纤的热胀冷缩进行补偿达到波长的温度稳定或者采用专利文献CN1442933A将波长漂移信号反馈给驱动电路，调节管芯温度。这些外腔方法都不利于片上集成。

为了便于片上集成和大规模生产，D.Bimberg等人报道了一种倾斜腔激光器(TCL)，其利用多层反射镜和有源腔中控制元件实现波长的温度稳定性控制，理论上实现了波长的完全控制。但其采用的是大光腔结构，光场主要分布在有源区中，利用多层反射镜的布拉格反射禁带模式，限制了光场的扩展，使垂直发散角20°。并且其有源腔中生长的控制元件需要达到157层才能实现温度系数0.001nm/K，生长工艺复杂。

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同时调制波长和发散角的光子晶体边发射激光器。在实现波长温度稳定的同时，获得了低垂直发散角。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种同时调制波长和发散角的光子晶体边发射激光器，其包括：N型衬底，N型衬底上的N型缓冲层，N型缓冲层上的光子晶体，光子晶体上的有源区，有源区上的P型限制层以及P型盖层，其中，所述光子晶体由至少两个周期构成，且每个周期中采用折射率不同的两种材料构成。

(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、本发明提供的这种同时调制波长和发散角的光子晶体边发射激光器。利用光子晶体导带模式，实现垂直方向近10°垂直远场发散角，相比于普通激光器减小了4倍，相比于倾斜腔激光器减小了2倍。大大改善了普通边发射激光器的远场椭圆光斑，有利于与光纤的耦合。

2、本发明提供的这种同时调制波长和发散角的光子晶体边发射激光器。通过金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)，在外延方向上生长一维光子晶体实现波长稳定性。优于之前在面上或材料内部制作一阶布拉格光栅的DFB/DBR结构，不需要精密的仪器制作。优于外腔结构，不需要在激光器与VHG之间进行精密对准。在工艺上容易实现。

3、本发明提供的这种同时调制波长和发散角的光子晶体边发射激光器，从芯片设计层面，包括低折射率上限制层、有源区和完美光子晶体。有源区的有效折射率介于光子晶体两种材料的折射率之间。使光模式即易于扩展又有一定的反射。利用完美光子晶体的导带模式扩展光场，实现垂直方向低发散角。并且利用激光腔中低折射率上限制层对倾斜传播的光模式的反射特性和光子晶体对这种倾斜腔模的反射特性，获得损耗最小的激射模式，实现激射波长较高的稳定性。可以广泛应用于各种边发射激光器。

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，以下结合具体实例并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1为依照本发明的同时调制波长和发散角的光子晶体边发射激光器输出端面的结构示意图；

图2为依照本发明的同时调制波长和发散角的光子晶体边发射激光器的侧面示意图；

图3为低折射率上限制层对有源区中光的反射特性图；

图4(a)、(b)分别为根据完美光子晶体的反射特性对其高、低折射率材料厚度的优化图；

图5为图1所示光子晶体的轴上能带结构图；

图6为室温、升温10°、20°、30°后激光器垂直方向基模的近场分布图；

图7为室温、升温10°、20°、30°后激光器垂直方向基模的远场分布图；

图8为20℃、30℃、40℃实测的器件光谱图；

图9为模拟结果与实验结果对比图。

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1所示，图1为依照本发明的同时调制波长和发散角的光子晶体边发射激光器输出端面的结构示意图。该激光器包括：N型衬底V6，N型衬底上的N型缓冲层V5，N型缓冲层上的具有缓冲结构的完美一维光子晶体V4，光子晶体上的有源区V3，有源区上的P型低折射率限制层V2以及P型盖层V1。在P型盖层V1刻蚀形成有刻蚀区S1、S3和脊型区S2，S1和S3分别位于脊型波导S2的两侧，且脊型波导S2相对于所述S1和S2向上凸起，S2宽度为100μm。其中S2为电流注入区，S1、S3为非注入区。S1、S3上覆盖有绝缘层E2，其材料为氮化硅或二氧化硅；S2和E2上覆盖正面电极E1，其材料采用金属，如钛铂金；V6下表面设置有背面电极E3，其材料采用金属，如金锗镍金。最终截取腔长为500μm的管芯进行测试。

本发明中的所述光子晶体V4为完美光子晶体结构，其包含至少两个周期，每个周期由两种折射率不同的材料构成，并且相邻材料之间有缓冲层，每个周期具有相同的折射率分布和厚度分布，即不同周期中的两种材料分别相同，且厚度也分别相同。

其中，所述有源区包含单层、多层量子阱或量子点结构，并且周围是对称的或者非对称的波导层。且所述有源区的有效折射率介于构成光子晶体的所述两种材料的折射率之间，这样能够使光子晶体即能对有源区中的光有反射又有扩展。

本发明中p型上限制层折射率低于光子晶体中低折射率材料的折射率使上限制层对光的反射也比较强。所述p型上限制层材料采用AlGaAs，其中Al组分大于0.35。

本发明中所述N型衬底上的缓冲层用于减小晶格失配；

本发明提出的上述激光器通过MOCVD，在GaAs衬底上先生长缓冲层，然后交替生长400nm的Al_0.3Ga_0.7As和150nm的Al_0.2Ga_0.8As的一维光子晶体。其中光子晶体两层材料之间具有20nm的缓冲层，即实际的Al_0.3Ga_0.7As380nm，Al_0.2Ga_0.8As是130nm。随后生长具有量子阱的有源层，p型限制层和p型盖层。

本发明提出的同时调制波长和发散角的光子晶体边发射激光器，利用激光腔中倾斜传播的光的模式特性和光子晶体对这种倾斜腔模的反射特性，获得损耗最小的激射模式，实现激射波长较高的稳定性。同时利用光子晶体导带模式的拓展性能，获得垂直方向的较小远场发散角。

以下结合具体的实施例对本发明提供的低发散角波长稳定的一维光子晶体边发射激光器作进一步详细说明。

实施例一

如图1为同时调制波长和发散角的一维光子晶体边发射激光器输出端面的结构示意图。该结构的光子晶体包含10个周期，每个周期中含有两种Al组分不同的AlGaAs材料，并且在层与层之间采用缓冲结构以降低激光器的串联电阻。光子晶体周期中两种材料的折射率差小于0.1。

如图2为依照本发明的同时调制波长和发散角的光子晶体边发射激光器的侧面示意图。其中分布于p型限制层，有源层，和光子晶体中的箭头表示光以一定的角度在激光腔中传播，并得到反馈。

如图3为低折射率上限制层对有源区中光的反射特性图。是根据光从有源区向上表面入射时，针对不同的入射光角度(以平行材料界面方向为入射角度0°方向)所得到的反射谱。反应了激光腔的模式特性。

如图4(a)、(b)分别为根据光子晶体的反射特性对其高、低折射率材料厚度的优化。这两幅图为用严格耦合波理论在一定的材料厚度下，对不同光入射角度(以平行材料界面方向为入射角度0°方向)下对900nm波长反射强度进行扫描。W1表示高折射率层的厚度，W2表示低折射率层的厚度。图中黑色框为我们选择的光子晶体高、低折射率材料的厚度。

如图5为图1所示光子晶体的轴上(即光垂直于界面)的能带结构图，。实例中光子晶体周期是0.55μm，针对900nm波长设计的(纵轴坐标＝光子晶体周期/激射波长)。在对应900nm波长处(图中箭头标记处)对应于光子晶体导带模式。

如图6为室温、升温10°、20°、30°激光器垂直方向基模的近场分布。在考虑强度大于1×10^-5的情况下，室温、升温10°、20°、30°下，近场扩展尺度分别为6.878μm、5.411μm、5.574μm、5.818μm。在室温下，基模在量子阱区的限制因子是1.3532％，高阶模中限制因子最高只有0.559％。升温10°之后，基模在量子阱区的限制因子是1.4545％，高阶模中限制因子最高是0.5997％。升温20°之后，基模在量子阱区的限制因子是1.528％，高阶模中限制因子最高是0.6045％。升温30°之后，基模在量子阱区的限制因子是1.6847％，高阶模中限制因子最高是0.5856％。由于基模的在量子阱中的限制因子都是高阶模最高限制因子的2倍以上，对应于基模激射，因此我们只考虑基模的近场和远场。由图可知，当温度升高时，由于材料折射率随温度升高而增大，限制了基模的扩展，使近场尺度相对于室温减小。但升温前后，基模的近场扩展始终大于5μm。

如图7为室温、升温10°、20°、30°激光器垂直方向基模的远场分布。室温下，远场角的半高全宽是8.584°。当温度升高10°的情况下，基模的远场发散角12.23°。升高20°的情况下，基模的远场发散角11.12°。升高30°的情况下，基模的远场发散角10.398°。这表明，垂直方向远场发散角随温度增加有所增大。但与一般边发射激光器垂直方向远场40°发散角，D.Bimberg等人的多层反射镜结构垂直方向远场20°发散角以及专利申请CN201210164640.7的双瓣远场相比，本发明中激光器在发散角方面有改进。

如图8为20℃、30℃、40℃实测的器件光谱图。从图中可以看到，随着温度的升高，所测量的光谱峰值蓝移。蓝移的速度约为-0.06nm/K。

如图9为模拟结果与实验结果所得到的温度系数对比图。实验中由于生长偏差的原因，造成激射波长与设计的波长有所偏移。但可以看到，模拟结果和实验结构所得到的温度系数几乎相同。模拟结果得到的温度系数是-0.08nm/K，实验得到的温度系数是-0.06nm/K。

本实例所获激光器的温度系数约-0.08nm/K，即升温30°时波长改变-2.4nm。而一般的边发射激光器的温度系数是0.3nm/K～0.4nm/K即升温30°时波长改变9nm～12nm。并且本实例所获得的激光器垂直方向的远场发散角为10°左右。本实例明显改善了边发射激光器的波长稳定性和垂直方向的远场发散角。通过此发明，我们实现了低发散角波长稳定性较高的边发射激光器。

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 (7)

1.一种同时调制波长和发散角的光子晶体边发射激光器，其包括：N型衬底，N型衬底上的N型缓冲层，N型缓冲层上的光子晶体，光子晶体上的有源区，有源区上的P型限制层以及P型盖层，其中，所述光子晶体由至少两个周期构成，且每个周期中采用折射率不同的两种材料构成。 

2.根据权利要求1所述的同时调制波长和发散角的光子晶体边发射激光器，其特征在于，有源区的有效折射率介于光子晶体中两种材料的折射率之间。 

3.根据权利要求1所述的同时调制波长和发散角的光子晶体边发射激光器，其特征在于，所述光子晶体中相邻材料之间具有缓冲层，且每个周期具有相同的折射率分布和厚度分布。 

4.根据权利要求1所述的同时调制波长和发散角的光子晶体边发射激光器，其特征在于，所述光子晶体中的两种材料选用Al组分不同的AlGaAs材料。 

5.根据权利要求4所述的同时调制波长和发散角的光子晶体边发射激光器，其特征在于，所述光子晶体中的两种材料的折射率差小于0.1。 

6.根据权利要求1所述的同时调制波长和发散角的光子晶体边发射激光器，其特征在于，有源区包含单层、多层量子阱或量子点结构，并且周围是对称的或者非对称的波导层。 

7.根据权利要求1所述的同时调制波长和发散角的光子晶体边发射激光器，其特征在于，在所述P型盖层上刻蚀形成有两个刻蚀区以及位于两个刻蚀区中间的脊型区，其中所述脊型区为电流注入区，而所述两个刻蚀区为非电流注入区。