CN104267503B - 一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构，其包括：衬底，其上制作有双沟道脊型波导结构，脊型区中设有激光器有源区；光栅层，制作在衬底上表面；电隔离层，制作在光栅层上表面，在光栅层与脊型区对应的上表面处断开形成电注入窗口；双沟填充物，填充在双沟道中；下欧姆接触层，制作在衬底的下表面；亚波长金属等离子体天线，制作在所述电隔离层和双沟填充物的上表面，在脊型区对应的上表面处断开，在形成电注入欧姆接触区域的同时形成光输出窗口。本发明有效的降低面发射激光器慢轴方向的远场发散角，实现小发散角准圆斑甚至圆斑面发射器件的制作。

Description

一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构
技术领域
本发明涉及半导体光电技术领域，特别涉及一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构。
背景技术
远场是半导体激光器一项重要的指标。采用二级布拉格分布反馈光栅的面发射半导体激光器，因其在腔长方向(快轴)上有很小的远场发散角，且器件封装简易而被广泛应用于大气环境监测、光纤通信以及自由空间光通信发射端系统中。但是由于器件构型的原因，面发射半导体激光器的远场并不完美，其脊宽方向(慢轴)的远场保持一个较大的发散角，通常在10°至30°之间。面发射半导体激光器的远场截面呈现为狭长的单瓣或双瓣枣核状轮廓，与标准的激光器圆斑远场还存在一定的差距。国际上采用光子晶体[R.Colombelli,et al.Quantum cascade surface-emitting photoniccrystal laser，Science 302,1374,(2003)]和一级光栅反馈二级光栅垂直发射的结构[G.Maisons,et al.Directional single mode quantum cascade laseremission using second-order metal grating coupler,Appl.Phys.Lett.98,021101,(2011)]可以实现准圆斑激光器远场，但是上述的结构一般要求较大有源区的宽度，对于一些类型的半导体激光器而言(例如量子级联激光器)，在宽脊情况下几乎不可能实现室温下的连续工作。半导体激光器远场的改善还可以利用波前工程技术，如周期为亚波长的金属光栅与出射光束之间若满足相位匹配条件，则会耦合出沿金属表面传播的等离子体波，在经过金属凹槽时垂直散射组成一组分立相干的辐射源，从而扩展出射光束的近场宽度，改善光束的远场分布。哈佛大学Capasso教授领导的课题组就在金属等离子体结构改善边发射激光器件远场发散角方面做了很多的工作[N.Yu,et al.Small divergence edge-emitting semiconductor lasers withtwo-dimensional plasmonic collimators,Appl.Phys.Lett.93,181101,2008]。但由于在激光器腔面上制作金属图形需要用到聚焦离子束刻蚀(FIB)技术，工艺难度大且价格极其昂贵，不适宜大面积批量化的生产。
发明内容
鉴于以上技术问题，本发明综合考虑物理原理以及各种波前光束调制技术工艺实现难度等因素，提出基于二级分布反馈光栅面发射半导体激光器的表面等离子体结构光束整形技术，实现高光束质量面发射半导体激光器的研制。为此本发明提出了一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构。该结构利用周期性金属等离子天线结构对面发射构型的半导体激光器出射光束慢轴方向的近场进行调制，实现慢轴方向远场发散角的改善。
本发明提出了一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构，其包括：衬底、光栅层、电隔离层、双沟填充物、下欧姆接触层和亚波长金属等离子体天线，其中：
所述衬底上制作有双沟道脊型波导结构，且所述双沟道脊型波导结构的脊型区中设有激光器有源区；
所述光栅层制作在所述衬底的上表面；
所述电隔离层制作在所述光栅层的上表面，且在所述光栅层与所述脊型区对应的上表面处断开，断开的部分形成电注入窗口；
所述双沟填充物填充在所述双沟道脊型波导结构的双沟道中；
所述下欧姆接触层制作在所述衬底的下表面；
所述亚波长金属等离子体天线制作在所述电隔离层和双沟填充物的上表面，且在所述脊型区对应的上表面处断开，断开的宽度小于所述电注入窗口的宽度，断开区域在形成电注入欧姆接触区域的同时形成光输出窗口。
其中，所述衬底为InP或GaAs衬底。
其中，所述激光器有源区包括光波导层，所述光波导层中包含有重掺杂半导体材料的盖层，所述光栅层位于所述光波导层中。
其中，所述激光器有源区为异质结激光器结构、带间级联激光器有源区结构或者量子级联激光器有源区结构。
其中，所述双沟道脊型波导的沟道深度大于激光器有源区的高度。
其中，所述双沟道脊型波导结构的脊型区的宽度为5-20μm，所述脊型区两侧沟道的宽度为20-100μm。
其中，所述电隔离层的制作材料为二氧化硅或氮化硅。
其中，所述双沟填充物为聚甲基丙烯酸甲酯或AZ5214光刻胶。
其中，所述亚波长金属等离子体天线包含的光栅周期小于激光器激射波长，为亚波长尺寸，光栅的深度为0.1-1μm。
其中，所述下欧姆接触层和所述亚波长金属等离子体天线均由金属膜层组成，所述下欧姆接触层的金属膜层为Au/Ge/Ni/Au四层膜，所述亚波长金属等离子体天线的金属膜层为Ti/Au两层膜，其中，Au层的厚度为0.5-2μm。
从上述技术方案可以看出，本发明提出的一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构具有以下有益效果：与传统平面工艺相兼容，仅需要在面发射激光器工艺基础上多一步双沟填充和一版光刻工艺。相比较基于衬底发射激光器图形制作于衬底面上而言，工艺更加简单，不需要双面套刻，因此套刻精度高，成品率有保证。
本发明天线结构利用激光器出射光与周期性金属光栅结构之间的相互作用，耦合出横向传播的表面等离子体波，通过散射形成相干光束阵列，等同于拓展光束近场，从而有效的降低面发射激光器慢轴方向的远场发散角，实现小发散角准圆斑甚至圆斑面发射器件的制作。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属等离子体天线的三维结构示意图；
图2为根据本发明一实施例的亚波长金属光栅受激产生横向传播的等离子体波的原理示意图。
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。
本发明提供了一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构，图1给出了根据本发明一实施例的改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线的三维结构示意图。如图1所示，所述天线包括：衬底1、光栅层2、电隔离层3、双沟填充物4、下欧姆接触层5、亚波长金属等离子体天线6，其中：
所述衬底1上制作有双沟道脊型波导结构，且所述双沟道脊型波导结构的脊型区，即双沟道之间设有激光器有源区；
其中，所述衬底1为InP或GaAs衬底；所述激光器有源区包括光波导层，所述光波导层中包含有重掺杂半导体材料的盖层，所述盖层掺杂的载流子浓度为5×1018-1×1019cm-3；所述激光器有源区可以为异质结激光器结构、带间级联激光器有源区结构或者量子级联激光器有源区结构；所述双沟道脊型波导的沟道深度大于激光器有源区的高度；所述双沟道脊型波导结构的脊型区的宽度为5-20μm，所述脊型区两侧沟道的宽度为20-100μm。
所述光栅层2制作在所述衬底1的上表面；
在本发明一实施例中，所述光栅层2位于所述光波导层中。
在本发明一实施例中，所述光栅层2为二级分布反馈布拉格光栅。
所述电隔离层3制作在所述光栅层2的上表面，且在所述光栅层2与所述脊型区对应的上表面处断开，断开的部分形成电注入窗口；
其中，所述电隔离层3的制作材料可以为二氧化硅或氮化硅。
所述双沟填充物4填充在所述双沟道脊型波导结构的双沟道中；
在本发明一实施例中，所述双沟填充物4为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或AZ5214光刻胶，填充的厚度为沟道深度。
所述下欧姆接触层5制作在所述衬底1的下表面；
在本发明一实施例中，所述下欧姆接触层5由金属膜层组成，所述金属膜层可以为Au/Ge/Ni/Au四层膜。
所述亚波长金属等离子体天线6制作在所述电隔离层3和双沟填充物4的上表面，且在所述脊型区对应的上表面处断开，断开的宽度小于所述电注入窗口的宽度，断开区域在形成电注入欧姆接触区域的同时形成光输出窗口；
所述亚波长金属等离子体天线6的金属光栅的周期小于激光器激射波长，为亚波长尺寸，光栅的深度为0.1-1μm。
其中，所述亚波长金属等离子体天线6由金属膜层组成，所述金属膜层可以为Ti/Au两层膜，其中，Au层的厚度为0.5-2μm。
其中，所述重掺杂半导体材料的盖层与所述亚波长金属等离子体天线6形成欧姆接触。
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提出的一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属等离子体天线的结构有了清楚的认识。
特定波长的出射光束与周期为亚波长的金属等离子体结构之间发生耦合作用，会产生出横向传播的表面等离子体波，查阅文献进行相关计算可知近红外和红外波段耦合出的表面等离子体波的传播距离可以达到数百微米。如图2所示，这些横向传播的波在金属槽中被垂直散射后组成一组相干的辐射阵列源，等同于扩展了出射光束的近场分布。周期性金属等离子体结构的周期为p,占空比为
根据衍射极限理论，光束的近场分布变大，会对应一个发散角缩小的远场分布。利用二级布拉格分布反馈光栅在垂直方向上有光衍射分量的原理而制作的面发射半导体激光器，远场一般呈现为极度压缩的枣核形状，快轴方向远场发散角为1°以内，慢轴方向的远场发散角受限于有源区宽度保持在15°至25°。将亚波长的金属等离子体结构制作在面发射器件出射光区域的两侧，对出射光的横向近场进行扩展调制，即可以改善该方向上的远场，将远场发散角控制在3°以内。由于该结构并不会影响有源区的电光转换过程，只是对出射的光束进行定向调制，因此不会影响到激光器的性能。
综上所述，本发明提供了一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构。该结构采用亚波长周期性金属天线结构对面发射半导体激光器的输出光束进行整形，实现了面发射半导体激光器慢轴方向发散角的改善。
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)

1.一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构，该天线包括：衬底、光栅层、电隔离层和下欧姆接触层；所述下欧姆接触层制作在所述衬底的下表面；其特征是，所述金属天线结构还包括：
双沟填充物和亚波长金属等离子体天线，其中：
所述衬底上制作有双沟道脊型波导结构，且所述双沟道脊型波导结构的脊型区中设有激光器有源区；
所述光栅层制作在所述衬底的上表面；
所述电隔离层制作在所述光栅层的上表面，且在所述光栅层与所述脊型区对应的上表面处断开，断开的部分形成电注入窗口；
所述双沟填充物填充在所述双沟道脊型波导结构的双沟道中；
所述亚波长金属等离子体天线制作在所述电隔离层和双沟填充物的上表面，且在所述脊型区对应的上表面处断开，断开的宽度小于所述电注入窗口的宽度，断开区域在形成电注入欧姆接触区域的同时形成光输出窗口。
2.根据权利要求1所述的一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构，其特征在于，所述衬底为InP或GaAs衬底。
3.根据权利要求1所述的一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构，其特征在于，所述激光器有源区包括光波导层，所述光波导层中包含有重掺杂半导体材料的盖层，所述光栅层位于所述光波导层中。
4.根据权利要求1所述的一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构，其特征在于，所述激光器有源区为异质结激光器结构、带间级联激光器有源区结构或者量子级联激光器有源区结构。
5.根据权利要求1所述的一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构，其特征在于，所述双沟道脊型波导的沟道深度大于激光器有源区的高度。
6.根据权利要求1所述的一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构，其特征在于，所述双沟道脊型波导结构的脊型区的宽度为5-20μm，所述脊型区两侧沟道的宽度为20-100μm。
7.根据权利要求1所述的一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构，其特征在于，所述电隔离层的制作材料为二氧化硅或氮化硅。
8.根据权利要求1所述的一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构，其特征在于，所述双沟填充物为聚甲基丙烯酸甲酯或AZ5214光刻胶。
9.根据权利要求1所述的一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构，其特征在于，所述亚波长金属等离子体天线的金属光栅的周期小于激光器激射波长，为亚波长尺寸，光栅的深度为0.1-1μm。
10.根据权利要求1所述的一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构，其特征在于，所述下欧姆接触层和所述亚波长金属等离子体天线均由金属膜层组成，所述下欧姆接触层的金属膜层为Au/Ge/Ni/Au四层膜，所述亚波长金属等离子体天线的金属膜层为Ti/Au两层膜，其中，Au层的厚度为0.5-2μm。
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