CN104409965A - 布拉格反射波导GaSb基半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种布拉格反射波导GaSb基半导体激光器，该激光器由下至上依次包括：n面电极、GaSb衬底、下限制层、下波导层、第一中心腔、第二中心腔、上波导层、上限制层、盖层和p面电极，第一中心腔和第二中心腔内设有有源层；下波导层包括多对n型掺杂的高、低折射率材料层周期交替生长的布拉格反射镜；上波导层包括多对p型掺杂的高、低折射率材料层周期交替生长的布拉格反射镜。本发明利用布拉格反射波导限制光场分布，可有效改善传统GaSb基边发射半导体激光器端面灾变性毁坏、烧空、电热烧毁和光束成丝等效应，提高激光机的光束质量，有效的降低了垂直发散角，其横向远场发散角半高全宽可达到10°以下。
Description
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种布拉格反射波导GaSb基半导体激光器。
背景技术
中红外2μm波段GaSb基半导体激光器在环境监测、天气预测、医疗、军事以及通信等方面有着极大的市场潜力，随着应用领域的扩展，对于该激光器的性能要求也逐步提高，高的输出功率、高的光束质量、稳定的单横模输出、低的发散角等等都成为提升激光器性能的目标。
从2004到2013年，中红外2μm波段GaSb基半导体激光器研究有了很大的进步，在输出功率方面，国际上室温连续激射功率最高达到4.2W。我国中国科学院半导体所也证明了室温连续输出功率82.2mW，并实现了高温80℃连续激射。然而，作为高功率中红外激光器，2μm波段GaSb基激光器主要存在着发散角大(>35°)，光束质量差，亮度低的问题。此外，小的光模式尺寸会使器件的功率密度增大，容易发生灾变光腔镜损伤，器件输出功率受到限制，这些因素限制了其激光器的应用。关于降低GaSb基激光器发散角，当前国际上A.Al-Muhanna等人(2010IEEEA.Al-Muhanna,A.Al-Harbi and A.Salhi“Designof Small Beam Divergence,Low Threshold,Long Wavelength GaSb Lasers”)通过在N型包层中加入V型弱波导将2μm波段GaSb基激光器远场发散角最低仅降低到了35°。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的GaSb基半导体激光器垂直方向的远场发散角过高的问题，而提供一种布拉格反射波导GaSb基半导体激光器。
本发明提供一种布拉格反射波导GaSb基半导体激光器，该激光器由下至上依次包括：
n面电极、GaSb衬底、下限制层、下波导层、第一中心腔、第二中心腔、上波导层、上限制层、盖层和p面电极；所述的第一中心腔和第二中心腔内设有有源层；
所述的下波导层包括多对n型掺杂的高、低折射率材料层周期交替生长的布拉格反射镜；所述的上波导层包括多对p型掺杂的高、低折射率材料层周期交替生长的布拉格反射镜。
本发明所述的n型掺杂的高折射率层和p型掺杂的高折射率层的折射率和厚度相同；所述的n型掺杂的低折射率层和p型掺杂的低折射率层的折射率和厚度相同。
本发明所述的所述上波导层包括的布拉格反射镜的对数与下波导层包括的布拉格反射镜的对数相同。
本发明所述的每一对n型掺杂的高、低折射率材料层和p型掺杂的高、低折射率材料层的厚度为0.8μm～1.4μm，对数为3-6对，高、低折射率材料层的厚度比为1：(3～7)，高、低折射率分别为3.647和3.548。
本发明所述的每一对n型掺杂的高、低折射率材料层和p型掺杂的高、低折射率材料层的厚度为1.2μm，对数为5对，高、低折射率材料层的厚度比为1：4，高、低折射率分别为3.647和3.548。
本发明所述的n型或p型掺杂的高、低折射率材料层采用不同铝组分的AlGaSb材料。
本发明所述的有源区为InGaSb/AlGaAsSb多层量子阱结构。
本发明的工作原理
本发明提供一种布拉格反射波导GaSb基半导体激光器，所述的下波导层和上波导层分别包括多对n型掺杂的高、低折射率材料层周期交替生长的布拉格反射镜；由于n面(n型掺杂部分)和p面(p型掺杂部分)采用对称的布拉格反射波导，实现利用光子带隙效应替代传统的全反射原理进行光场限制，通过增大垂直光模式尺寸，从而降低垂直方向光束发散角，实现大模式体积、稳定单模工作。
本发明的有益效果
本发明提供一种布拉格反射波导GaSb基半导体激光器，该激光器利用布拉格反射波导限制光场分布，可有效改善传统GaSb基边发射半导体激光器端面灾变性毁坏、烧空、电热烧毁和光束成丝等效应，提高激光机的光束质量，降低整形难度，提高光纤耦合效率，并且有效的降低了垂直发散角，其横向远场发散角半高全宽(FWHM)可达到10°以下。
附图说明
图1为本发明的超低横向发散角GaSb基布拉格反射波导边发射激光器的结构立体图。
图2(a)(b)(c)分别为实施例1布拉格反射波导GaSb基半导体激光器折射率分布、基横模近场和远场发散角示意图。
图3(a)(b)(c)分别为实施例2布拉格反射波导GaSb基半导体激光器折射率分布、基横模近场和远场发散角示意图。
图4(a)(b)(c)分别为实施例3布拉格反射波导GaSb基半导体激光器折射率分布、基横模近场和远场发散角示意图。
图5(a)(b)(c)分别为实施例4布拉格反射波导GaSb基半导体激光器折射率分布、基横模近场和远场发散角示意图。
图6(a)(b)(c)分别为实施例5布拉格反射波导GaSb基半导体激光器折射率分布、基横模近场和远场发散角示意图。
图7(a)(b)(c)分别为实施例6布拉格反射波导GaSb基半导体激光器折射率分布、基横模近场和远场发散角示意图。
图8(a)(b)(c)分别为实施例7布拉格反射波导GaSb基半导体激光器折射率分布、基横模近场和远场发散角示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
如图1所示，本发明一种布拉格反射波导GaSb基半导体激光器，包括n面电极1，GaSb衬底2，下限制层3，n-DBR高折射率层4a、4b、4c、4d、4e，n-DBR低折射率层5a、5b、5c、5d、5e，第一中心腔6，有源层7，第二中心腔8，p-DBR高折射率层9a、9b、9c、9d、9e，p-DBR低折射率层10a、10b、10c、10d、10e，上限制层11，盖层12，p面电极13；所述的衬底2上面依次长有限制层3、n-DBR高低折射率层、第一中心腔6、有源层7、第二中心腔8、p-DBR高低折射率层、上限制层11和盖层12，衬底2下面镀有n面电极1；p面电极13放置在盖层12的顶面上，且电连接到盖层12；所述n-DBR是采用多层n型掺杂高、低折射率材料沿z方向周期交替分布的布拉格反射波导层，p-DBR是采用多层p型掺杂高、低折射率材料沿z方向周期交替分布的布拉格反射波导层；所述第一中心腔6、第二中心腔8为光子晶体缺陷层，有源层7位于光子晶体缺陷层内，所述的上限制层11和与其相连的p-DBR高低折射率层的一部分形成脊形波导。
本实施方式所述的在GaSb基半导体激光器中引入布拉格反射波导，最关键的是如何确定布拉格反射镜(DBR)的厚度以及中心腔厚度等这几项重要外延生长参数，本发明运用布洛赫理论与矩阵光学理论对高折射率中心层双边布拉格反射波导(BRW)结构的模式场分布以及模式色散方程进行了推倒，并理论上计算和模拟了该结构设计并模拟了远场发散角FWHM以及光场限制因子Γ，最终优化设计出一种具有超低垂直发散角的2μm边发射半导体激光器。
本实施方式所述的n型掺杂的高折射率层和p型掺杂的高折射率层的折射率和厚度相同；所述的n型掺杂的低折射率层和p型掺杂的低折射率层的折射率和厚度相同，基模横向传输常数位于两个波导的交叠带隙处；所述上波导层包括的布拉格反射镜的对数与下波导层包括的布拉格反射镜的对数相同。
本实施方式所述的每一对n型掺杂的高、低折射率材料层和p型掺杂的高、低折射率材料层的厚度优选为0.8μm～1.4μm，对数为3-6对，高、低折射率材料层的厚度比为1：(3～7)，高、低折射率分别为3.647和3.548；更优选为每一对n型掺杂的高、低折射率材料层和p型掺杂的高、低折射率材料层的厚度为1.2μm，对数为5对，中心腔厚度为0.6μm，折射率为3.584，高、低折射率材料层的厚度比为1：4，高、低折射率分别为3.647和3.548。
本实施方式所述的上、下限制层采用n-Al0.6GaAs0.02Sb材料，第一中心腔6、第二中心腔8采用Al0.35GaAs0.02Sb材料，有源区为InGaSb/AlGaAsSb多层量子阱结构，位于中心腔中央，n-DBR，p-DBR高低折射率波导层采用不同铝组分的AlGaSb材料；盖层为p型GaSb材料，p面电极为TiPtAu合金，n面电极为AuGeNi合金。
以下结合实施例和附图对本发明进行进一步说明。
实施例1
如图2(a)、2(b)、2(c)所示，为一种单对DBR厚度为0.8μm对称结构的超低横向发散角GaSb基(波长为2μm)布拉格反射波导边发射半导体激光器的折射率分布、基横模近场分布、以及远场分布示意图。结构中所说的衬底为GaSb衬底，上、下限制层采用n-Al0.6GaAs0.02Sb材料，第一中心腔和第二中心腔采用Al0.35GaAs0.02Sb材料，厚度为0.6μm，折射率为3.584，有源区为In0.18GaSb/Al0.35GaAs0.02Sb多层量子阱，位于第一中心腔和第二中心腔中央，n-DBR，p-DBR高低折射率波导层采用5对周期生长的Al0.3GaSb/Al0.45GaSb材料,高、低折射率DBR厚度比为1:4，高、低折射率分别为3.647和3.548，盖层为p型GaSb材料，p面电极为TiPtAu合金，n面电极为AuGeNi合金。从图2(b)激光器的基横模近场分布可以看出，该设计实现了半导体激光器的光模式扩展，由图2(c)所示，极大的降低了激光器的横向远场发散角，半高全宽FWHM可降低到为14.66°。
实施例2
如图3(a)、3(b)、3(c)所示，为一种单对DBR厚度为1.4μm对称结构的超低横向发散角中红外GaSb基布拉格反射波导边发射半导体激光器的折射率分布、基横模近场分布、以及远场分布示意图。结构中所说的衬底为GaSb衬底，上、下限制层采用n-Al0.6GaAs0.02Sb材料，第一中心腔和第二中心腔采用Al0.35GaAs0.02Sb材料，厚度为0.6μm，折射率为3.584，有源区为In0.18GaSb/Al0.35GaAs0.02Sb多层量子阱，位于第一中心腔和第二中心腔中央，n-DBR，p-DBR高低折射率波导层采用5对周期生长的Al0.3GaSb/Al0.45GaSb材料,高、低折射率DBR厚度比为1:4，高、低折射率分别为3.647和3.548，盖层为p型GaSb材料，p面电极为TiPtAu合金，n面电极为AuGeNi合金。从图2(b)激光器的基横模近场分布可以看出，该设计实现了半导体激光器的光模式扩展，但由于单对DBR厚度过厚也导致了近场分布的最高峰值不在中心，因此会导致光限制因子降低，由图2(c)所示，该设计充分的降低了激光器的横向远场发散角，半高全宽FWHM仅为8.4°。
实施例3
如图4(a)、4(b)、4(c)所示，为一种n-DBR，p-DBR高低折射率波导层采用3对周期生长的Al0.3GaSb/Al0.45GaSb材料的对称结构GaSb基布拉格反射波导边发射半导体激光器的折射率分布、基横模近场分布、以及远场分布示意图。结构中所说的衬底为GaSb衬底，上、下限制层采用n-Al0.6GaAs0.02Sb材料，第一中心腔和第二中心腔采用Al0.35GaAs0.02Sb材料，厚度为0.6μm，折射率为3.584，有源区为In0.18GaSb/Al0.35GaAs0.02Sb多层量子阱，位于第一中心腔和第二中心腔中央，单对DBR厚度为1.4μm，高、低折射率DBR厚度比为1:4，高、低折射率分别为3.647和3.548，盖层为p型GaSb材料，p面电极为TiPtAu合金，n面电极为AuGeNi合金。从图2(b)激光器的基横模近场分布可以看出，该设计实现了半导体激光器的光模式扩展，由图2(c)所示，降低了激光器的横向远场发散角，半高全宽FWHM可降低到为16.18°。
实施例4
如图5(a)、5(b)、5(c)所示，为一种n-DBR，p-DBR高低折射率波导层采用6对周期生长的Al0.3GaSb/Al0.45GaSb材料的对称结构GaSb基布拉格反射波导边发射半导体激光器的折射率分布、基横模近场分布、以及远场分布示意图。结构中所说的衬底为GaSb衬底，上、下限制层采用n-Al0.6GaAs0.02Sb材料，第一中心腔和第二中心腔采用Al0.35GaAs0.02Sb材料，厚度为0.6μm，折射率为3.584，有源区为In0.18GaSb/Al0.35GaAs0.02Sb多层量子阱，位于第一中心腔和第二中心腔中央，单对DBR厚度为1.4μm，高、低折射率DBR厚度比为1:4，，高、低折射率分别为3.647和3.548，盖层为p型GaSb材料，p面电极为TiPtAu合金，n面电极为AuGeNi合金。从图5(b)激光器的基横模近场分布可以看出，该设计实现了半导体激光器的光模式扩展，由图5(c)所示，该设计充分的降低了激光器的横向远场发散角，半高全宽FWHM仅为8.71°，DBR对数的增加虽可降低远场发散角，但外延层生长的难度也随之增加，因此需要合理选择DBR对数，才可达到最优化的结构。
实施例5
如图6(a)、6(b)、6(c)所示，为一种高、低折射率DBR厚度比为1:3的对称结构的超低横向发散角GaSb基布拉格反射波导边发射半导体激光器的折射率分布、基横模近场分布、以及远场分布示意图。结构中所说的衬底为GaSb衬底，上、下限制层采用n-Al0.6GaAs0.02Sb材料，第一中心腔和第二中心腔采用Al0.35GaAs0.02Sb材料，厚度为0.6μm，折射率为3.584，有源区为In0.18GaSb/Al0.35GaAs0.02Sb多层量子阱，位于第一中心腔和第二中心腔中央，n-DBR，p-DBR高低折射率波导层采用5对周期生长的Al0.3GaSb/Al0.45GaSb材料,单对DBR厚度为1.4μm，高、低折射率分别为3.647和3.548，盖层为p型GaSb材料，p面电极为TiPtAu合金，n面电极为AuGeNi合金。从图6(b)激光器的基横模近场分布可以看出，该设计实现了半导体激光器的光模式扩展，但由于单对DBR厚度过厚也导致了近场分布的最高峰值不在中心，因此会导致光限制因子降低，由图6(c)所示，该设计充分的降低了激光器的横向远场发散角，半高全宽FWHM仅为9.35°。
实施例6
如图7(a)、7(b)、7(c)所示，为一种高、低折射率DBR厚度比为1:7的对称结构的超低横向发散角GaSb基布拉格反射波导边发射半导体激光器的折射率分布、基横模近场分布、以及远场分布示意图。结构中所说的衬底为GaSb衬底，上、下限制层采用n-Al0.6GaAs0.02Sb材料，第一中心腔和第二中心腔采用Al0.35GaAs0.02Sb材料，厚度为0.6μm，折射率为3.584，有源区为In0.18GaSb/Al0.35GaAs0.02Sb多层量子阱，位于第一中心腔和第二中心腔中央，n-DBR，p-DBR高低折射率波导层采用5对周期生长的Al0.3GaSb/Al0.45GaSb材料,单对DBR厚度为1.4μm，高、低折射率分别为3.647和3.548，盖层为p型GaSb材料，p面电极为TiPtAu合金，n面电极为AuGeNi合金。从图7(b)激光器的基横模近场分布可以看出，该设计实现了半导体激光器的光模式扩展，由图7(c)所示，该设计降低了激光器的横向远场发散角，半高全宽FWHM为13.78°。
实施例7
如图8(a)、8(b)、8(c)所示，为一种最优化的对称结构超低横向发散角GaSb基布拉格反射波导边发射半导体激光器的折射率分布、基横模近场分布、以及远场分布示意图。该结构为对称分布的布拉格反射波导激光器，结构中所说的衬底为GaSb衬底，上、下限制层采用n-Al0.6GaAs0.02Sb材料，第一中心腔和第二中心腔采用Al0.35GaAs0.02Sb材料，厚度为0.6μm，折射率为3.584，有源区为In0.18GaSb/Al0.35GaAs0.02Sb多层量子阱，位于第一中心腔和第二中心腔中央，n-DBR，p-DBR高低折射率波导层采用5对周期生长的Al0.3GaSb/Al0.45GaSb材料,单对DBR厚度为1.2μm，高、低折射率DBR厚度比为1:4，高、低折射率分别为3.647和3.548，盖层为p型GaSb材料，p面电极为TiPtAu合金，n面电极为AuGeNi合金。从图8(b)激光器的基横模近场分布可以看出，本发明实现了中红外GaSb基半导体激光器的光模式扩展，由图8(c)所示，极大的降低了激光器的横向远场发散角，半高全宽FWHM仅为9.68°。
本发明设计的激光器为在中红外GaSb基半导体激光器中引入布拉格反射波导，n-DBR、p-DBR同时都使用高低折射率交替分布的Al0.3GaSb/Al0.45GaSb材料，利用光子带隙效应替代传统的全反射原理进行光场限制，通过增大垂直光模式尺寸，从而降低垂直方向光束发散角，实现大模式体积、高光束质量、稳定单模工作的目的，且本发明的激光器性能稳定、容易推广。
Claims (7)
1.一种布拉格反射波导GaSb基半导体激光器，该激光器由下至上依次包括：n面电极(1)、GaSb衬底(2)、下限制层(3)、下波导层、第一中心腔(6)、第二中心腔(8)、上波导层、上限制层(11)、盖层(12)和p面电极(12)；所述的第一中心腔(6)和第二中心腔(8)内设有有源层(7)；其特征在于，所述的下波导层包括多对n型掺杂的高、低折射率材料层周期交替生长的布拉格反射镜；所述的上波导层包括多对p型掺杂的高、低折射率材料层周期交替生长的布拉格反射镜。
2.根据权利要求1所述的一种布拉格反射波导GaSb基半导体激光器，其特征在于，所述的n型掺杂的高折射率层和p型掺杂的高折射率层的折射率和厚度相同；所述的n型掺杂的低折射率层和p型掺杂的低折射率层的折射率和厚度相同。
3.根据权利要求1所述的一种布拉格反射波导GaSb基半导体激光器，其特征在于，所述上波导层包括的布拉格反射镜的对数与下波导层包括的布拉格反射镜的对数相同。
4.根据权利要求1所述的一种布拉格反射波导GaSb基半导体激光器，其特征在于，每一对n型掺杂的高、低折射率材料层和p型掺杂的高、低折射率材料层的厚度为0.8μm～1.4μm，对数为3-6对，高、低折射率材料层的厚度比为1：(3～7)，高、低折射率分别为3.647和3.548。
5.根据权利要求4所述的一种布拉格反射波导GaSb基半导体激光器，其特征在于，每一对n型掺杂的高、低折射率材料层和p型掺杂的高、低折射率材料层的厚度为1.2μm，对数为5对，高、低折射率材料层的厚度比为1：4，高、低折射率分别为3.647和3.548。
6.根据权利要求1所述的一种布拉格反射波导GaSb基半导体激光器，其特征在于，所述的n型或p型掺杂的高、低折射率材料层采用不同铝组分的AlGaSb材料。
7.根据权利要求1所述的一种布拉格反射波导GaSb基半导体激光器，其特征在于，所述的有源层(7)为InGaSb/AlGaAsSb多层量子阱结构。
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