CN105680319B - 基于模式增益损耗调控的高亮度半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

基于模式增益损耗调控的高亮度半导体激光器，属于光电子技术领域，为了克服现有技术的不足，基于模式增益损耗调控的高亮度半导体激光器，其结构由下至上依次为N面电极、衬底、缓冲层、N型包层、N型波导、有源区、P型波导、P型包层、P型盖层和P面电极；N型波导、有源区和P型波导组成激光器的波导层，波导层的折射率大于N型包层和P型包层的折射率，其特征是，在该半导体激光器台面上刻有多个微孔，所述多个微孔设置在两边相应于高阶侧模光场分布的波峰处，微孔的数量从中心到边缘递增；微孔深度从P面电极的表面至P型包层，且微孔的底部与P型包层下表面距离小于激光器波导层的倏逝波长度。

Description

基于模式增益损耗调控的高亮度半导体激光器
技术领域
本发明涉及一种基于模式增益损耗调控的高亮度半导体激光器，属于光电子技术领域。
背景技术
半导体激光器在泵浦、材料加工、医疗及国防等许多领域具有重要的应用，近几年来，迅速增长的市场对半导体激光器的亮度要求也越来越高，即高输出功率和高光束质量的激光输出。传统的宽区半导体激光器虽然具有高功率、高效率的优点，但其侧向模式易受局域增益和折射率变化的影响，如载流子反导引、空间烧孔、光丝效应及热等，通常工作在复杂的多模模式，直接导致器件输出发散角大、光束质量差，激光器亮度很低。采用窄的脊形波导结构可以实现单侧模工作，具有高的光束质量，但其输出功率又受到小输出口径的限制，亮度也不高。为实现高亮度激光输出，半导体激光器需要获得高功率、高光束质量激光输出，通常是在激光器侧向引入选模设计来降低侧向模式数，常用的方法有种子振荡功率放大器(MOPA)结构、锥形激光器、倾斜光栅分布反馈(α-DFB)激光器、外腔激光器、平板耦合波导激光器(SCOWL)以及光子晶体激光器等结构。MOPA结构是将一低功率的单模激光注入到半导体放大器中进行功率放大，它可采用混合或集成结构，但混合结构需要高精度的光学对准，而集成结构面临模式不稳定的问题。锥形激光器由单模工作的脊形种子源和锥形增益放大区组成，由于其侧向和横向光束束腰位置不同，具有大的散光，影响聚焦。α-DFB激光器结构由一个相对谐振腔轴倾斜一较小角度的侧向布拉格光栅组成，通过限制光传输方向降低侧向发散角，但其需要二次外延生长，而且面临严重的扭折现象。外腔激光器通常采用外置反射镜选择性反馈一个单侧模到激光腔内，其结构不紧凑。SCOWL采用多模波导管将一个高阶模式的光束转换成一个单模光束，但其实现难度大，拥有此技术的单位非常少。光子晶体激光器可实现大面积相干单模激射，从而获得非常高的光束质量，但这种激光器制备工艺复杂且昂贵，难以批量生产。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提出了一种基于模式增益损耗调控的高亮度半导体激光器，通过在台面刻蚀模式滤波结构来获得高亮度激光输出。
本发明解决技术问题的技术方案是：
基于模式增益损耗调控的高亮度半导体激光器，其结构由下至上依次为N面电极、衬底、缓冲层、N型包层、N型波导、有源区、P型波导、P型包层、P型盖层和P面电极；N型波导、有源区和P型波导组成激光器的波导层，波导层的折射率大于N型包层和P型包层的折射率，其特征是，在该半导体激光器台面上刻有多个微孔，所述多个微孔设置在两边相应于高阶侧模光场分布的波峰处，，微孔的数量从中心到边缘递增；微孔深度从P面电极的表面至P型包层，且微孔的底部与P型包层下表面距离小于激光器波导层的倏逝波长度。
本发明的有益效果是：在传统半导体激光器的基础上，引入模式滤波结构，通过在台面上高阶侧模波峰位置刻蚀微孔结构，阻止载流子注入，降低高阶侧模增益。另外，光传输经过刻蚀微孔，会遭受衍射和散射损耗，通过设计微孔形状、尺寸、深度、位置和数量，使基模中心峰附近不经过微孔、仅在低光场强度位置经过微孔，因此中心基模受到的损耗最低；而高阶侧模光场峰值处即面临刻蚀微孔引起的损耗，同时越靠近台面边缘经过的微孔周期越多，相应损耗就越大。微孔结构的设计可使高阶侧模相对基模具有低的增益和非常高的损耗，从而达到抑制高阶侧模的目的，保证高功率输出前提下实现高光束质量的激光输出。
附图说明
图1本发明基于模式增益损耗调控的高亮度半导体激光器的结构示意图。
图2本发明所述变方向微孔图案示意图。
图3本发明所述不同微孔图案组合的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，基于模式增益损耗调控的高亮度半导体激光器，该半导体激光器由下至上依次为N面电极10、衬底1、缓冲层2、N型包层3、N型波导4、有源区5、P型波导6、P型包层7、P型盖层8和P面电极9。其中：衬底1为Ⅲ-Ⅴ族化合物，例如GaAs、InP、GaSb和GaN等，通常N型掺杂。缓冲层2与衬底1材料相同，用于掩埋衬底1自身的缺陷。N型波导4、有源区5和P型波导6组成激光器的波导层12，有源区5位于N型波导4和P型波导6之间，有源区5可以为单层或多层的量子阱、量子点等，用作激光器的增益区。波导层12两边分别为N型包层3和P型包层7，其中波导层12的折射率通常大于N型包层3和P型包层7，从而形成全反射波导，激光器谐振腔内传输的光模被限制在波导层12内，但由于倏逝波效应仍会有部分光在N型包层3和P型包层7中传输，因此通过控制N型包层3和P型包层7的一些特性可影响波导层12中传输的光场特性。P型盖层8生长在P型包层7之上，重掺杂以利于欧姆接触。P面电极9沉积在P型盖层8的顶面，N面电极10沉积在衬底1上，二者作为激光器的电极，用于电流注入。
在所述半导体激光器台面上刻有多个微孔11，它具有如下特征：
所述微孔11可为圆形、矩形、三角形、多边形等。
光传输经过微孔11时会遭受衍射和散射损耗，微孔11深度从半导体激光器的上表面扩展到P型包层7中，但并不穿透到P型波导6中，并且微孔11的底部与P型包层7下表面间的距离应小于激光器波导层12的倏逝波长度(300nm左右)，这样既可影响光模式分布又不引入大的泄露损耗。另外，刻蚀的一系列微孔深度相同，或者刻蚀深度从中心向两边逐渐增大。
通过设计孔洞形状、尺寸、数量和位置，在激光器台面中心不刻蚀微孔，在两边相应于高阶侧模光场分布的波峰处，若台面宽度为D，二阶侧模光场波峰距离台面边缘为D/4、三阶侧模光场波峰距离台面边缘为D/6、四阶侧模光场波峰距离台面边缘为D/8和3D/8、五阶侧模光场波峰距离台面边缘为D/10和3D/10，以此类推，刻蚀一系列的微孔，并且微孔数量由中心向两边递增。另外，在台面不同位置刻蚀的微孔图案或尺寸可不相同，微孔图案数量由中心向两边递增。
微孔11表面覆盖绝缘层，阻止电流注入，从而调控载流子注入分布，降低高阶侧模的增益，同时还可以避免光传输经过金属电极层产生极大的吸收损耗。
本发明器件的制备工艺步骤如下：首先采用MOCVD或MBE设备在半导体衬底1上生长半导体激光器的外延层，然后采用光刻、湿法或干法刻蚀半导体激光器台面(台面两边刻蚀掉盖层8和部分P型包层7)，之后第二次光刻在半导体激光器的台面上刻蚀微孔11，大面积生长电绝缘层，第三次光刻、刻蚀去掉台面上的电绝缘层开电极窗口(保留微孔侧壁的电绝缘层)，采用磁控溅射、电子束蒸发设备在台面上生长P面电极9，最后衬底1减薄、抛光、在衬底1上生长N面电极10。
实施例1：
如图2所示，在半导体激光器的台面刻蚀一系列与光传输方向具有55°倾角的矩形微孔，微孔深度从P面电极9的表面至P型包层7，且微孔的底部与P型包层7下表面距离为200nm。激光器台面宽度为100μm，分别在距离台面中心15μm、25μm、35μm和45μm处沿纵向等间距刻蚀4、6、9和12个矩形微孔，矩形微孔长和宽分别为8μm和3μm，其中台面两侧刻蚀的微孔倾斜方向相反，用以分别调节正、反两个方向传输的光场，经过多次折返使光场能量集中于沿激光器纵向传输，而沿侧向传输的杂散光被反射出台面而损耗掉，从而实现高光束质量的激光输出。
实施例2：
如图3所示，在半导体激光器的台面刻蚀一系列不同图案的微孔，激光器台面宽度为100μm，分别在距离台面中心13μm、25μm、37μm和47μm处沿纵向等间距刻蚀4个三角形、6个平行四边形、12个圆形和38个矩形，这四种微孔的底部与P型包层7下表面距离分别为200nm、150nm、100nm和50nm。由于微孔数量依次从中心向两边递增，而且刻蚀深度从中心向两边递增，因此对基模光场引入的损耗很小，而对高阶模引入的损耗随模式阶数的增大而迅速增大，这可有效增强激光器的模式分辨、抑制高阶侧模激射，在保证高功率输出下提高激光器的光束质量。

Claims (4)

1.基于模式增益损耗调控的高亮度半导体激光器，其结构由下至上依次为N面电极(10)、衬底(1)、缓冲层(2)、N型包层(3)、N型波导(4)、有源区(5)、P型波导(6)、P型包层(7)、P型盖层(8)和P面电极(9)；N型波导(4)、有源区(5)和P型波导(6)组成激光器的波导层(12)，波导层(12)的折射率大于N型包层(3)和P型包层(7)的折射率，其特征是，在该半导体激光器台面上刻有多个微孔(11)，所述多个微孔(11)设置在两边相应于高阶侧模光场分布的波峰处，微孔(11)的数量从中心到边缘递增；微孔(11)深度从P面电极(9)的表面至P型包层(7)，且微孔(11)的底部与P型包层(7)下表面距离小于激光器波导层(12)的倏逝波长度。
2.根据权利要求1所述的基于模式增益损耗调控的高亮度半导体激光器，其特征是，微孔(11)的形状是圆形、多边形或两者形状的组合。
3.根据权利要求1所述的基于模式增益损耗调控的高亮度半导体激光器，其特征是，微孔(11)的刻蚀深度相同或从中心向两边逐渐增大。
4.根据权利要求1所述的基于模式增益损耗调控的高亮度半导体激光器，其特征是，微孔(11)内表面覆盖绝缘层。
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