CN105098582B - 准三维光子晶体窄线宽激光器 - Google Patents

Abstract

一种准三维光子晶体窄线宽激光器，包括：一n型衬底；一外延结构，其制作在n型衬底上；一有源层，其制作在外延结构上；一覆盖层，其制作在有源层上，该覆盖层上面的一侧形成多个凸起的宽条光栅，该覆盖层上面的中间为一平面区域，该覆盖层上面的另一侧形成多个凸起的窄条光栅。本发明具有窄线宽、低发散角的优点。

Description

准三维光子晶体窄线宽激光器

技术领域

本发明涉及高性能激光器领域，特别涉及一种准三维光子晶体窄线宽激光器。

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，大功率激光输出耦合方面具有极大的优势。

为了便于大功率激光器在通信方面的应用，一般要求激光器具有窄的线宽、小的发散角，实现与光纤的高效耦合，并通过光纤传输及放大。

为了获得窄的线宽，通常采用的是分布反馈(DFB)激光器，但是这种激光器一般需要经过二次外延，并且刻蚀的光栅一般是一阶光栅，对工艺的要求比较高。另外，在性能方面，由于DFB激光器本身损耗比较大，不容易得到较大的功率输出。以色列国立大学的Lang等人提出的角度光栅分布反馈半导体激光器，可以在大范围的电流注入下，得到单模的大功率光输出。这种激光器采用的是倾斜光栅的反馈机制，根据布拉格条件，在对以一定角度光反馈的情况下的光栅周期满足公式λ＝2nΛsinθ/m，从公式可以看出，这样得到的光栅的周期明显变大，降低了对工艺的要求。并且可以将这种光栅做到面上，实现倾斜DFB激光器，或倾斜光子晶体激光器，进一步降低了对生长工艺的要求。

为了高效的与光纤耦合，需要激光器输出具有小的发散角，对于一般的边发射激光器来说，输出的光斑是椭圆形的，在外延方向的发散角一般在40°左右。国际上大多数采用大光腔结构来实现外延方向发散角的降低。德国的D.Bimberg等人采用了具有一维光子晶体的外延结构，使基模在外延方向大范围扩展，高阶模在光子晶体中大量耗散，来实现垂直方向近5°的发散角。

本专利中，我们利用具有光子晶体的外延片在发散角方面的优势，并且在面上加入了对光具有二维反馈调制的倾斜光栅结构，实现了准三维的光子晶体激光器，并得到了窄的线宽和小的发散角。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种准三维光子晶体窄线宽激光器，具有窄线宽、低发散角的优点。

为达到上述目的，本方案提供一种准三维光子晶体窄线宽激光器，包括：

一n型衬底；

一外延结构，其制作在n型衬底上；

一有源层，其制作在外延结构上；

一覆盖层，其制作在有源层上，该覆盖层上面的一侧形成多个凸起的宽条光栅，该覆盖层上面的中间为一平面区域，该覆盖层上面的另一侧形成多个凸起的窄条光栅。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种准三维光子晶体窄线宽激光器，能够通过面上的结构得到窄的线宽，并利用垂直方向的一维光子晶体结构实现小的发散角。

2、本发明提供的这种准三维光子晶体窄线宽激光器，能够通过简单的制作工艺实现与光纤的高效耦合。

3、本发明提供的这种准三维光子晶体窄线宽激光器，可以在靠近腔面的地方做耦合光栅，将光耦合出倾斜腔，实现面上出光，拓展了该结构的应用范围。

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，对本发明进一步详细说明，其中：

图1为准三维光子晶体窄线宽激光器的三维结构示意图；

图2为准三维光子晶体窄线宽激光器的俯视示意图；

图3为窄条光栅33在入射光与光栅条夹角θ是15°的情况下的反射谱；

图4为宽条光栅31在入射光与光栅条夹角θ是15°的情况下的反射谱；

图5为宽条光栅31、窄条光栅33的反射谱重叠之后的总反射谱；

图6为水平光场振荡分布的模拟结果；

图7为外延方向的模式分布，插图为其基模的垂直方向远场分布图。

具体实施方式

请参阅图1、图2所示，本发明提供一种准三维光子晶体窄线宽激光器，包括：

一n型衬底10；

一外延结构20，其制作在n型衬底10上，所述外延结构20为光子晶体周期结构，每一周期包括一低折射率层201和一高折射率层202，并且201和202的厚度偏离布拉格反射条件λ＝2nd/m，其中λ是入射光波长，n是材料的有效折射率，d是低折射率层201、高折射率层202的厚度，m是正整数；

一有源层20’，其制作在外延结构20上，其中有源层20’是量子点或量子阱材料；

一覆盖层30，其制作在有源层20’上，该覆盖层30上面的一侧形成多个凸起的宽条光栅31，该覆盖层30上面的中间为一平面区域32，该覆盖层30上面的另一侧形成多个凸起的窄条光栅33，所述覆盖层30包括一P型限制层301和P型接触层302。

其中所述平面区域32与激光器的解理面法线方向有一夹角θ，5°＜θ＜20°(参阅图1、图2)；

其中宽条光栅31和窄条光栅33部分的光栅条平行，且都平行于平面区域32；

其中宽条光栅31和窄条光栅33的光栅周期满足公式λ＝2nΛsinθ/m，其中λ是入射光波长，n是材料的有效折射率，Λ是光栅周期，θ是光栅条与解理面法线方向的夹角，m是光栅级数；

其中宽条光栅31的光栅周期为Λ1，窄条光栅33的光栅为Λ2，该宽条光栅31和窄条光栅33的光栅结构为相同或不同；

其中该宽条光栅31和窄条光栅33为低阶光栅或高阶光栅；

其中该宽条光栅31和窄条光栅33的是通过刻蚀覆盖层30实现的，刻蚀深度到达P型限制层301内。

其中该激光器采用的是III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料，激光器工作的时候需要在宽条光栅31、窄条光栅33上生长绝缘层(可以是二氧化硅或氮化硅)，并在平面区域32以及生长了绝缘层的宽条光栅31和窄条光栅33上生长正面电极(可以是钛铂金、钛金)，使平面区域32形成电流注入区，并在减薄完的n型衬底上生长背面电极，是整个器件形成电流通道。

覆盖层30上的结构相互平行，并与激光器的解理面法线有夹角0。使其光场在里面以Zig-Zag形式振荡，其对光场的影响可以用二维稳态标量耦合波方程表示为其中k0是自由空间的波矢，η(x，z)是用y方向有效折射率近似得到的水平面上的折射率分布。可以看出光场在水平面内在x、z方向都会受到光栅的影响，因此面上光栅结构对光场的调制是二维的调制，可以看作二维的光子晶体结构，并且宽条光栅31和窄条光栅33形成对平面传播的光的不同反射特性，通过两个光栅不同反射特性，对比较窄的光谱范围形成反馈，从而得到窄线宽的光发射。同时该激光器结构可以在靠近腔面处制作面上耦合光栅(图未示)，使光实现面上耦合输出，而不局限于边发射光输出。

该激光器的外延方向采用的是具有一维光子晶体的外延结构，并且其每层材料厚度偏离布拉格反射条件，这就意味着光在外延方向的传播不受光子晶体结构的限制，并且能够被每个周期中的高折射率层202有效的引导，实现近场垂直光模式的有效扩展，从而得到小的垂直远场发散角。

以下结合具体的实施例对本发明提供的准三维光子晶体窄线宽激光器作进一步详细说明。

如图1所示，为准三维光子晶体窄线宽激光器的三维结构示意图。图中包含一n型衬底10；其上制作有外延结构20，其为光子晶体周期结构；其中有源层20’制作在外延结构20上；覆盖层30制作在有源层20’上由平面区域32，和两边平行分布的宽条光栅31和窄条光栅33构成。

如图2所示，为准三维光子晶体窄线宽激光器的俯视示意图，画出了沿x-z面上分布的倾斜平面区域32和宽条光栅31、窄条光栅33，并表示出了对倾斜角θ的定义，是倾斜条方向和解理面法线方向的夹角。

如图3所示，为窄条光栅33在入射光与光栅条夹角θ是15°的情况下的反射谱，其反射谱峰值对应的波长是920.2nm。反射谱的半高全宽(FWHM)是0.9nm。由于是高阶光栅，要形成足够的反馈需要比较大的光栅周期数，这里的光栅33的周期是Λ1，周期数是80。

如图4所示，为宽条光栅31在入射光与光栅条夹角θ是15°的情况下的反射谱，其反射谱峰值对应的波长是921.1nm。反射谱的半高全宽是0.55nm。为了使宽条光栅31和窄条光栅33的反射率基本相同，这里的宽条光栅31的周期是Λ2，周期数是90。

如图5所示，为宽条光栅31、窄条光栅33的反射谱的的叠加，反应了两个光栅共同参与反馈的情况下对波长的选择，其FWHM是0.5nm，优于窄条光栅33对波长的反馈，可与宽条光栅31的波长反馈滤波相比。但是，若注入区两边都是宽条光栅31，则会由于宽条光栅周期数的增加使器件尺度明显变大。

如图6所示，为通过软件模拟的在面上光栅对数比较少的情况下，光在面上倾斜光栅中以Zig-Zag形式振荡。通过模拟可知，光在传播过程中以设计的角度入射到光栅，并得到反馈。

如图7所示，为包括n型衬底10，外延结构20，有源层20’和覆盖层30在内的GaAs材料系的折射率分布以及几个低阶模式在外延方向的分布，图中基模限制因子最大，为1.3532％，高阶模中限制因子最高的如图所示为0.539％。因此远场主要是基模的贡献，图中插图为其基模的垂直方向远场分布图，基模的垂直方向远场发散角仅有8.58°(FWHM)，相对于普通激光器的垂直发散角近40°的远场发散角，有明显的减小，利于与光纤的高效耦合。

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 (8)

1.一种准三维光子晶体窄线宽激光器，包括：

一n型衬底；

一外延结构，其制作在n型衬底上；

一有源层，其制作在外延结构上；

一覆盖层，其制作在有源层上，该覆盖层上面的一侧形成多个凸起的宽条光栅，该覆盖层上面的中间为一平面区域，该覆盖层上面的另一侧形成多个凸起的窄条光栅；

其中外延结构为光子晶体周期结构，每一周期包括一低折射率层和一高折射率层，并且低折射率层和高折射率层的厚度偏离布拉格反射条件λ＝2nd/m，其中λ是入射光波长，n是材料的有效折射率，d是折射率层和高折射率层的厚度，m是正整数。

2.根据权利要求1所述的准三维光子晶体窄线宽激光器，其中有源层是量子点或量子阱材料。

3.根据权利要求1所述的准三维光子晶体窄线宽激光器，其中覆盖层包括一P型限制层和P型接触层。

4.根据权利要求1所述的准三维光子晶体窄线宽激光器，其中所述平面区域与激光器的解理面法线方向有一夹角θ，5°＜θ＜20°。

5.根据权利要求1所述的准三维光子晶体窄线宽激光器，其中宽条光栅和窄条光栅部分的光栅条平行，且都平行于平面区域。

6.根据权利要求5所述的准三维光子晶体窄线宽激光器，其中宽条光栅和窄条光栅的光栅周期满足公式λ＝2nΛsinθ/m，其中λ是入射光波长，n是材料的有效折射率，Λ是光栅周期，θ是光栅条与解理面法线方向的夹角，m是光栅级数。

7.根据权利要求6所述的准三维光子晶体窄线宽激光器，其中宽条光栅的光栅周期为Λ1，窄条光栅的光栅为Λ2，该宽条光栅和窄条光栅的光栅结构为相同或不同。

8.根据权利要求7所述的准三维光子晶体窄线宽激光器，其中该宽条光栅和窄条光栅为低阶光栅或高阶光栅。