CN105720479B - 一种具有光束扩散结构的高速半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体激光器，包括光波导结构，所述光波导结构包括自下而上依次叠置的下波导层(2)、多量子阱有源层(3)和上波导层(5)，在所述多量子阱有源层(3)中的上部形成有光栅层(4)，所述上波导层(5)、包层6和接触层7形成为凸脊，该凸脊具有入光端面和出光端面，并在出光端面一侧具有光束扩散结构。所述光束扩散结构具有扩束部分，所述扩束部分具有从所述出光端面向内部逐渐收缩的形状。扩束部分的水平发散角优选为5°～20°。本发明能够很好的抑制光在水平方向的扩散，改善光束质量，使其与光纤实现更好的模式匹配，并能够增加激光器的输出功率，改善激光器的高频响应特性。

Description

一种具有光束扩散结构的高速半导体激光器
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种出光端面具有光束扩散结构的高速半导体激光器。
背景技术
高速半导体激光器是高速通信系统的核心器件。高性能的发射机是由高功率、低噪声的DFB激光器作为光源，并通过直接调制或外调制来实现数据的加载。外调制技术可以实现较宽调制频率范围(＞75GHz)，但也存在一些不足之处，例如体积大，成本高，驱动电压高，插入损耗大(6～7dB)。而直接调制半导体激光器在直流偏置电流上叠加调制信号，可以对激光器输出光信号的幅度进行调制，是一种实现高效光发射的方法，具有小体积、低功耗、高线性，以及使用方便等独特优点。
直接调制激光器由于受内部物理效应以及寄生参数效应的影响，导致激光器张弛振荡频率下降，限制了传输系统的工作速率。一般半导体激光器的端面最容易发生光学损伤，因此激光器端面附近光功率密度决定了激光器的输出光功率和响应动态范围。
半导体激光器的输出光功率和张弛振荡频率与注入电流成正比，随着注入电流的增加，张弛振荡峰向高频方向移动。但是增大注入电流容易造成激光器端面出现不可恢复的损伤，甚至烧毁半导体激光器。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提高激光器的注入电流时不引起激光器端面的光学损伤，以在提高激光器输出光功率的同时提高激光器调制带宽。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出如下的半导体激光器，包括光波导结构，所述光波导结构包括自下而上依次叠置的下波导层、多量子阱有源层和上波导层，在所述多量子阱有源层中的上部形成有光栅层，所述上波导层形成为凸脊，该凸脊具有入光端面和出光端面，并在出光端面一侧具有光束扩散结构。
根据本发明的具体实施方式，所述光束扩散结构具有扩束部分，所述扩束部分具有从所述出光端面向内部逐渐收缩的形状。
根据本发明的具体实施方式，所述扩束部分的水平发散角为5°～20°。
根据本发明的具体实施方式，所述扩束部分的长度为5～30μm。
根据本发明的具体实施方式，所述激光器的入光端面镀有高反射膜，出光端面镀有增透膜。
根据本发明的具体实施方式，所述下波导层与上波导层具有厚度差。
根据本发明的具体实施方式，所述厚度差为30～60nm。
根据本发明的具体实施方式，在所述下波导层的下方为缓冲层。
根据本发明的具体实施方式，所述光波导结构的除了入光端面入出光端面之外的上部覆盖有包层。
(三)有益效果
本发明利用激光器出光端面处的光束扩散结构，能够很好的抑制光在水平方向的扩散，改善光束质量，使其与光纤实现更好的模式匹配；本发明的光束扩散结构降低了光腔面处的光功率密度，从而增加了激光器的输出功率，改善了激光器的高频响应特性。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1是本发明的出光端面具有光束扩散结构的高速半导体激光一个实施例的立体结构示意图；
图2是沿图1中的A-A’的剖面图；
图3是本发明的出光端面具有光束扩散结构的高速半导体激光一个实施例的去除P电极层8后的立体结构示意图；
图4显示了所述光束扩散结构的平面结构。
具体实施方式
为达到上述目的，本发明提供一种出光端面具有光束扩散结构的高速半导体激光器。具体来说，其包括光波导结构，所述光波导结构包括自下而上依次叠置的下波导层、多量子阱有源层和上波导层，在所述多量子阱有源层中的上部形成有光栅层。所述上波导层形成为凸脊，并在出光端面一侧具有光束扩散结构。所谓光束扩散结构，是指对于谐振腔长度为L的激光器的来说，入光面和出光面在布拉格光栅上的投影具有两条相互平行的边，所述的两条相互平行的边的边长不相等，所述的谐振腔腔长方向与所述的两条相互平行的边垂直。从谐振腔入光面到长度为L1处，呈长方形状，从L1到L2处，呈喇叭口状，光束扩散长度L2优选为5～30μm，水平扩散角度θ优选为5°～20°。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明。
图1是本发明的出光端面具有光束扩散结构的高速半导体激光一个实施例的立体结构示意图。图2是沿图1中的A-A’的剖面图。如图1和图2所示，所述激光器自下而上依次包括如下叠层结构：N电极层9、缓冲层1、下波导层2、多量子阱有源层3、光栅层4、上波导层5、包层6、接触层7和P电极层8。其中下波导层2、多量子阱有源层3、上波导层5构成光波导结构，光栅层4形成在多量子阱有源层3中的上部。
图3是上述实施例中去除P电极层8后的立体结构示意图。如图所示，所述上波导层5形成为凸脊，而非覆盖整个多量子阱有源层3。当形成该上波导层5之后，包层6用于覆盖上波层导5的上方。所述上波导层5的凸脊具有入光端面和出光端面，如图3中箭头所示为光的入射和出射方向。
如图3所示，凸脊具有入光端面和出光端面，并在出光端面一侧具有光束扩散结构。光束扩散结构具有扩束部分。
图4显示了所述光束扩散结构的平面结构。如图4所示，光束扩散结构包括扩束部分51和平直部分52，左侧一端为光束扩散结构的入光端面53，右侧一端为光束扩散结构的出光端面54，扩束部分位于出光端面54的一侧。从图中可见，扩束部分具有从所述出光端面向内部逐渐收缩的形状，或者称为喇叭口状。
所述扩束部分的水平发散角θ优选为5°～20°，水平发散角要与自由衍射光束的发散角匹配，即水平发散角等于或小于基模衍射角，从而防止高阶模耦合入基模中，并且有效利用载流子获得高微分量子效率。
在该实施例中，激光器的长度L为200～800μm，光束扩散长度L2优选为5～30μm。通过采用光束扩散结构，增大光斑的横向尺寸，扩展器件在腔面处的出光面积，在相同的功率输出下，降低单位出光面的光功率密度。
此外，本发明还提出采用非对称光波导结构，使多量子阱有源层3两侧的上波导层5和下波导层2存在一个厚度差，以此来增大基模和高阶模之间的光限制因子的差，从而抑制高阶模的激射。对一定的波导层厚度，随着多量子阱有源层3两侧上波导层5和下波导层2厚度差的增加，基模和高阶模的光限制因子都减小，但是高阶模的光限制因子的减小速率要比基模的快得多，基模和高阶模之间的光限制因子的差随之增大。对于总厚度为2μm的波导层，当多量子阱有源层3两侧上波导层5和下波导层2厚度差为30～60nm时，基模的光限制因子是高阶模的1.55倍。对于非对称光发散结构，一般使下波导层2的厚度大于上波导层5的厚度，这是由于空穴的迁移率小于电子的迁移率，空穴对光的吸收损耗更大。
采用光束扩散结构具有以下优点：(1)可以很好的抑制光束在水平方向的扩散，改善光束质量；(2)扩散结构改变了波导的数值孔径，斜反射光仍耦合回有源区，从而与光纤实现了更好的模式匹配；(3)激光器波导中端面处不均匀性是场分布比较集中的地方，也是最容易产生光损伤的区域，将光束在端面处扩束，减少不均匀性，降低不均匀性处的光功率密度，可以提高端面损伤阈值，因此就可以增加激光器的注入电流，从而增加输出功率；(4)因为随着半导体激光器注入电流的增加，张弛振荡频率往高频方向移动，因此增大注入电流也可以改善激光器的高频响应特性，提高调制带宽增加动态范围。
该实施例中，缓冲层1的材料可选择III-V族化合物半导体材料、II-VI族化合物半导体材料、IV-VI族化合物半导体材料或四元化合物半导体材料。在该实施例中，缓冲层的材料是InP，厚度为200nm、掺杂浓度约1×1018cm-2。下波导层2制作在缓冲层1上，在该实施例中，其厚度为100nm的非掺杂晶格匹配的InGaAsP材料。
多量子阱有源层3制作在下包层2上，在该实施例中，多量子阱有源层3采用应变InGaAsP多量子阱，具有7个量子阱，其中阱宽为8nm，1％的压应变，垒宽为10nm，采用晶格匹配材料，光荧光波长为1200nm。采用量子阱结构增大微分增益，与普通的双异质结结构激光器相比，量子阱激光器具有低阈值、输出功率大、调制速率高等特点，且在量子阱结构中引入压应变或张应变以增加微分增益，优化阱和垒的层厚以减小载流子通过光限制层的输运时间及载流子从有源区中的逃逸。
光栅层4制作在多量子阱有源层3中的上部。在该实施例中，光栅层4的厚度为70nm。该光栅层4的光栅结构可以通过全息干涉曝光法、双光束干涉法或纳米压印法制作出。并且，在该实施例中，光栅层4上的一端镀有高反射膜，另一端镀有增透膜，使光栅结构选定模式之外的其他光能反射回来转换为激射模能量，这些杂散模波长不集中，因此不改变激射模波长。
上波导层5制作在光栅层4上，在该实施例中，上波导层5是二次外延P型晶格匹配InGaAsP波导层，光荧光波长为1200nm，掺杂浓度为1×1017cm-2。上波导层5具有光栅层，在光栅段该上波导层5的厚度为100nm。1700nm厚P型InP限制层，掺杂浓度为3×1017cm-2逐渐变化为1×1018cm-2，上波导层的主要作用在于降低界面散射损耗，提高耦合效率。在该实施例中，上波导层5为脊形波导，可通过刻蚀形成，脊形波导部分主要是为了获得单模输出，从而使高速激光器的光输出接近衍射极限。脊形波导长度一般为数百μm量级，脊宽3μm，脊侧沟宽为20μm，深为1.5μm。可通过等离子加强化学汽相沉积法，将脊形周围填充SiO2或有机物BCB形成绝缘层。
所述光栅层4的光栅制作完成后，再通过二次外延生长包层，包层6制作在上波导层5上。包层6为P-InP和P型InGaAsP，厚度为100nm，掺杂浓度为1×1019cm-2，InGaAs接触层的厚度为100nm。脊形波导长度一般为数百微米量级，脊宽3微米，脊侧沟宽为20微米，深为1.5微米，再通过等离子加强化学汽相沉积法，将脊形周围填充SiO2或有机物BCB形成绝缘层。
所述接触层7制作在包层6上，该接触层7制作在包层6上，接触层7可与脊形波导同时刻蚀形成，采用InGaAs材料，厚度为100nm。
此外，该实施例的P电极8制作在接触层7上，N电极9制作在缓冲层1的背面。在脊形结构的两端填充SiO2绝缘层，所述P电极8是在脊形结构上形成条状电极。并在所述的绝缘层上制作圆形金属电极。
下面，再进一步对通过端面光束发散结构改善激光器高频特性的原理进行说明：
半导体激光器的调制带宽B与激光器各个参数的关系如下式所示：
其中A是微分光增益常量，P0是有源区稳态光子密度，τp是光子寿命。
可以通过以下方法增加激光器的调制带宽：(1)减小光子寿命；(2)增加微分增益A；(3)增加偏置光功率P0。而激光器内部光子密度与输出光功率密度成正比，对于数据通信链路中常用的GaAs基激光器，增加光功率密度可以带来不适当的退化，甚至灾变性失效。
腔面光学灾变损伤是限制激光器输出功率的主要原因之一，灾变损伤的产生主要是由于半导体激光器腔面处存在表面态或界面态，这些都是非辐射复合中心，在腔面附近由光吸收产生的电子空穴对通过这些非辐射复合中心产生非辐射复合，当半导体激光器输出功率的增加，器件出光腔面的光功率密度不断增大，由缺陷引起的腔面处的光吸收增加，光吸收增加导致腔面处的温度升高，导致腔面附近带隙收缩，使光吸收进一步增大，温度进一步升高；当腔面温度达到发光区材料的熔点时，会使器件腔面融毁，发生腔面灾变性损伤。
因此本发明利用激光器端面处的光发散扩束结构，可以很好的抑制光在水平方向的扩散，改善光束质量，使其与光纤实现更好的模式匹配；扩散结构降低了光腔面处的光功率密度，从而增加了激光器的输出功率，改善了激光器的高频响应特性。
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，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 (5)

1.一种半导体激光器，所述半导体激光器为高速直调半导体激光器，所述高速直调半导体激光器包括光波导结构，所述光波导结构包括自下而上依次叠置的下波导层(2)、多量子阱有源层(3)和脊形波导的上波导层(5)，在所述多量子阱有源层(3)中的上部形成有光栅层(4)，其特征在于，所述上波导层(5)、包层(6)和接触层(7)形成为凸脊，该凸脊具有入光端面和出光端面，并在出光端面一侧具有光束扩散结构，所述光束扩散结构包括扩束部分，所述扩束部分具有从所述出光端面向内部逐渐收缩的形状，且所述扩束部分的水平发散角为5°～20°，所述扩束部分的长度为5～30μm。
2.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述激光器的入光端面镀有高反射膜，出光端面镀有增透膜。
3.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述下波导层(2)与上波导层(5)具有厚度差。
4.如权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，所述厚度差为30～60nm。
5.如权利要求1至4中任一项所述的半导体激光器，其特征在于，在所述下波导层(2)的下方为缓冲层(1)。
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