CN106848836B - 一种高阶表面光栅面发射半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高阶表面光栅面发射半导体激光器，包括依次设置的表面金属电极层，脊波导层，p型掺杂包层，光栅层，p型掺杂光限制层，量子阱或量子点有源区，n型掺杂光限制层和衬底层；在光栅层分布有一阶光栅；在一阶光栅上方且在谐振腔中央分布有用于将沿着水平方向谐振的光能量耦合到垂直方向上输出的高阶表面光栅。位于光栅层上方，激光器谐振腔中央的长度为(9‑100)微米的高阶表面光栅。高阶表面光栅将激光器谐振腔中的行波模耦合成为辐射模，实现激光的表面输出。激光器表面输出光与标准单模光纤纤芯进行直接耦合。并在高阶表面光栅中央引入一段中央相移，可以使高阶表面光栅面发射激光器与标准单模光纤具有超过50％的耦合效率。

Description

一种高阶表面光栅面发射半导体激光器

技术领域

本发明属于光通信器件技术领域，更具体地，涉及一种高阶表面光栅面发射半导体激光器。

背景技术

半导体激光器通常被用在用于电信和数据通信网络的光学收发器中。现在光通信领域普遍使用的激光器是边发射激光器。边发射激光器是指激光器的出光方向平行于有源层(半导体激光器的一个特征层)，即在水平方向上，由端面出光。边发射激光器的光束发散角大，光斑通常为椭圆形，与光纤的耦合效率低，通常需要透镜或其他分立光学元件耦合到光纤，而且在测试时需要解理成bar条，测试成本高。与边发射激光器不同的另一种类型的激光器是面发射激光器。面发射激光器的出光方向垂直于激光器的有源层，在垂直方向上出光，即由表面出光。面发射激光器具有光束发散角小，圆形光斑出射，与光纤耦合效率高等优点，且能直接在晶圆片上完成测试，降低了制造成本，改善了激光器性能。此外，近年来光子芯片技术迅猛发展，面发射激光器十分适合形成二维激光器阵列及在光子芯片中使用。光子芯片时代即将来临，因此面发射激光器的开发与研制具有十分重大的意义。

面发射激光器主要有两种，一种是垂直腔面发射激光器，简称为VCSEL，另一种是光栅耦合表面发射激光器，简称为GSE-DFB。VCSEL由于材料上的限制，目前看来无法在光通信波长：1310nm与1550nm波段处使用。因此在光通信领域，最主要的面发射激光器是光栅耦合表面发射激光器。光栅耦合表面发射激光器的结构一般是基于传统的DFB激光器结构。传统的DFB激光器实现高性能发光的核心是其具有一段布拉格反馈光栅，这段光栅会单独构成DFB激光器中的一个层，称为光栅层。布拉格光栅的光栅周期与激光器的工作波长之间满足布拉格方程，光栅周期为布拉格光栅周期N倍的光栅称为N阶光栅。光栅耦合表面发射激光器正是通过在DFB激光器中引入N阶光栅的方法来实现表面发射。传统的光栅耦合表面发射半导体激光器通常采用的是二阶光栅来实现表面发射。对应于1550nm光通信波段的光栅耦合表面发射激光器，二阶光栅的周期在480nm左右。光栅周期小于500nm的光栅，目前在制作上比较困难，成本高昂且效率低下，对制作技术要求极高，不适于大规模工业化生产。因此制作上的困难限制了二阶光栅耦合表面发射激光器的大规模应用。这同时也限制了光栅耦合表面发射激光器的商业化进程。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高阶表面光栅面发射半导体激光器，旨在解决现有光栅耦合表面发射半导体激光器由于光栅周期短，光栅的刻蚀深度受到较大限制，不利于提高激光器的输出功率的问题。

本发明提供了一种高阶表面光栅面发射半导体激光器，包括：依次设置的表面金属电极层，脊波导层，p型掺杂包层，光栅层，p型掺杂光限制层，量子阱或量子点有源区，n型掺杂光限制层和衬底层；在所述光栅层分布有用于实现激光器的谐振和单模激射的一阶光栅；在所述一阶光栅上方分布有用于将沿着水平方向谐振的光能量耦合到垂直方向上输出的高阶表面光栅；水平方向是指激光器的光谐振方向，垂直方向是指与水平方向垂直的方向；谐振腔是指光波在其中来回反射从而提供光能反馈的腔，是激光器的必要组成部分，通常由工作介质和两端面反射镜构成。

本发明中，激光器包含两段光栅，一阶光栅和高阶表面光栅，所述一阶光栅位于光栅层，实现激光器单模选择和光反馈，保证激光器稳定单模激射并具有超过30dB的边模抑制比。所述高阶表面光栅位于一阶光栅上方，将沿着水平(谐振腔)方向传输的激光器的导模耦合输出，实现表面发射。通过优化设计激光器结构并在高阶表面光栅中央引入相移可以使这种激光器具有与标准单模光纤超过50％的耦合效率，低至11mA的阈值电流等。

更进一步地，高阶表面光栅的长度为9微米～500微米。

更进一步地，一阶光栅的周期为200nm～280nm，所述一阶光栅的占空比为50％，所述一阶光栅的深度为35nm～40nm。

更进一步地，高阶表面光栅的周期为1μm～5μm，所述高阶表面光栅的占空比为30％～70％，所述高阶表面光栅的深度为0.1μm～3μm。

更进一步地，高阶表面光栅为6阶。

更进一步地，谐振腔的腔长为300μm～500μm，端面功率反射率为3％～5％。

更进一步地，在一阶光栅层的顶部与高阶表面光栅的底部之间设置有用于保护一阶光栅的缓冲层。

更进一步地，在高阶表面光栅的中央设置一段相移区，所述相移区用于使得高阶表面光栅面发射激光器与标准单模光纤具有超过50％的耦合效率。

本发明所构思的设计方案，与现有设计方案相比，具备以下优点：

(1)高阶表面光栅的制作不需要EBL技术，可以利用普通的光学光刻技术，纳米压印技术等进行大规模的制作，制作难度和要求大大降低，成本更低，而且制作效率高，适于大规模制作，符合工业化生产要求。

(2)光栅的刻蚀深度受到光栅周期限制，随着光栅周期的增加，光栅的最大刻蚀深度也会增加，如6阶光栅的周期增大为一阶光栅周期的6倍。所以高阶表面光栅适于进行深刻蚀。通过优化设计可以利用深刻蚀来改善光栅的辐射特性，增加辐射功率等。

附图说明

图1为本发明实施例提供的高阶表面光栅面发射半导体激光器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的激光器的截面示意图；

图3为激光器在不同光栅阶数及光栅占空比时与标准单模光纤的耦合效率变化曲线；

图4为激光器在高阶表面光栅为6阶光栅，光栅占空比为0.5，激光器长度为500微米，端面功率反射率为3％条件下仿真得到的光谱。其边模抑制比大于30dB，符合设计预期。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明属于面发射分布反馈半导体激光器(SE-DFB)技术领域。本发明解决了现有光栅耦合表面发射半导体激光器由于设计造成的制作困难，不利于大规模工业化生产的缺点。现有的光栅耦合型面发射激光器普遍采用二阶光栅。对应于1.55微米通信波段的二阶光栅，其光栅周期通常小于500nm，这就造成现有光栅耦合型面发射激光器成本高昂，制作难度大，不适于大规模工业化生产等问题，而且由于光栅周期短，光栅的刻蚀深度就受到较大限制，不利于提高激光器的输出功率。

为实现上述目的，本发明提供了一种利用高阶表面光栅实现表面发射的光栅耦合型面发射半导体激光器，激光器包括两段光栅，分布于光栅层的，实现激光器选模和光反馈的一阶光栅，它保证了激光器的优良性能，如单模输出并具有超过30dB的边模抑制比等；位于光栅层上方，分布于激光器谐振腔中央(9-100)微米窗口内的高阶表面光栅。高阶表面光栅能够实现表面输出，高阶表面光栅优选为6阶。

利用数值仿真方法对激光器进行建模(时域行波模型与格林函数法模型)，计算出在给定激光器结构参数情况下的激光器输出特性。以提高激光器的输出光与标准单模光纤的耦合效率，提高激光器电流功率曲线斜效率，降低激光器阈值电流，增大激光器边模抑制比等为目的，优化设计激光器结构参数，如高阶表面光栅的阶数，占空比，刻蚀深度，激光器的端面反射率，激光器谐振腔长度，采用遮挡法在高阶表面光栅中央引入的相移区的长度，高阶表面光栅的刻蚀位置等，实现了本发明激光器圆形光斑输出，具有与标准单模光纤超过50％的耦合效率，边模抑制比大于30dB，阈值电流低至11mA，电流功率曲线斜效率达到0.2mW/mA。

在本发明实施例中，一阶光栅周期为200nm～280nm，光栅占空比为50％，光栅深度为35nm～40nm。一阶光栅主要的作用是提供光反馈和光耦合，本发明选择一阶光栅的占空比为50％有利于获得最优的光耦合效果。耦合因子与光栅的深度有关，过小的耦合因子会增大激光器阈值电流，甚至不能使激光器激射，过大的耦合因子会导致较强的空间烧孔现象，使激光器出现多个模式，综合考虑这两个方面，并结合仿真结果分析，我们最终确定激光器的耦合因子为100/cm～120/cm最优，相应的确定光栅深度为35nm左右。

在本发明实施例中，高阶表面光栅周期为1μm～5μm，光栅占空比为30％～70％，光栅深度为0.1μm～3μm。这个光栅周期范围内的光栅对应的光栅周期为6～20阶。经过仿真计算，发现光栅周期过大会使激光器的出光效果不好，与单模光纤的耦合效率极低，而且光束发散角大，因此为了得到良好的激光器性能，使用的高阶表面光栅阶数不超过21阶。而如果高阶表面光栅的周期太小，就会由于这种设计而造成激光器制作困难，与设计初衷违背，因此选择光栅周期在这个范围内。光栅占空比在50％附近时有利于提高出光功率，结合实际制作中的工艺误差与仿真中能得到较好出光性能的光栅占空比值，将光栅占空比最终确定于这个范围内。光栅的刻蚀深度受到光栅周期的限制，从理论上说光栅的刻蚀深度约深，光辐射能力越强，因此在利用高阶表面光栅时，将光栅的深度选的比较大，这样有利于辐射光能。综合考虑光栅周期的限制和辐射光能的要求，将光栅深度的取值选择在这个范围内。

在本发明实施例中，激光器谐振腔长为300μm～500μm，端面功率反射率为3％～5％。现在商业化的激光器的谐振腔长为300μm。由于设计的是面发射型激光器，增加谐振腔长度有利于改善出光性能，提高出光功率，仿真结果表明激光器谐振腔长度为500μm时能获得最优出光性能，因此我们将谐振腔长度选择在这个范围内，其中500μm是我们的最优选择谐振腔长度。在激光器存在端面反射率时，会带来端面随机相位。而现有DFB激光器的端面随机相位将其成品率降低了50％。为了克服端面随机相位的影响，我们选择激光器自然解理，此时其端面反射率在3％～5％。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1所示为本发明提出的高阶表面光栅面发射半导体激光器的结构示意图，最上方为耦合光纤，高阶表面光栅面发射半导体激光器由许多具有不同功能的材料层(不同层的材料的组分不同，折射率也相应不同)构成。图2所示为激光器的截面示意图，图中z方向为激光器的纵向方向，x方向为激光器的垂直方向(这里主要示意了高阶光栅所在的位置，激光器的端面没有画出)。从上到下依次为表面金属电极层1，脊波导层2，p型掺杂包层3，光栅层4，p型掺杂光限制层5，量子阱或量子点有源区6，n型掺杂光限制层7，衬底层8。衬底是外延生长激光器的基片。量子阱或量子点有源区是载流子复合产生激光的层，而位于其上下方的光限制层则用于在垂直方向上限制激光，防止有源区产生的激光泄漏出激光器，光限制层大大提高了激光器的出光效率。光栅层提供光学反馈和频率选择作用，用于实现激光器单模输出。包层是用于保护光栅层。脊波导层则用于在激光器的垂直于激光器谐振腔的截面上限制激光。表面金属电极则用于外部电流的注入(激光器需要加电流才能工作)；这里的光栅层分布的是一阶光栅，用以实现激光器的谐振和单模激射。水平方向是激光器的光谐振方向。图示最左侧为其端面，左右端面均对光有反射，两端端面与器件工作物质共同构成激光器的谐振腔(光波在其中来回反射从而提供光能反馈的腔，激光器的必要组成部分，通常由工作物质和反射端面组成)。在光栅层之上，分布有一段长度为(9-100)微米的高阶表面光栅，优选为六阶表面光栅。这一段光栅用于将一部分沿着激光器谐振腔方向(水平方向)谐振的光能量耦合到垂直方向上输出，即实现表面激光出射。

在高阶表面光栅的中央设置一段相移区，所述相移区用于使得高阶表面光栅面发射激光器与标准单模光纤具有超过50％的耦合效率。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的高阶表面光栅面发射半导体激光器，现简要介绍光栅耦合表面发射激光器的工作原理如下：

载流子通过金属电极注入激光器中，聚集到激光器有源层，在有源层中与空穴复合产生激光，激光受到限制层的限制在激光器谐振腔内来回传播，通过位于光栅层的分布于整个谐振腔的一阶光栅的光反馈和选模作用，最终在激光器谐振腔内形成稳定的沿正向传播和反向传播的行波模式，即谐振光，其波长一定(取决于布拉格波长和激光器工作条件)，与布拉格波长之间通常会存在一定失谐(与电流注入条件有关)，在激光器谐振腔内传播的行波模式通过位于光栅层上方的，激光器谐振腔中央的一段高阶表面光栅时，由于高阶表面光栅具有辐射性质，会将一部分的行波模耦合进入辐射模中，形成表面输出，其输出强度与激光器结构参数及高阶表面光栅参数等有关。通过优化设计，可以使辐射模成为单峰圆形光斑输出，具有高的与标准单模光纤的耦合效率。

本发明实施例中，激光器选择的材料为Ⅲ-Ⅴ族材料，激光器出射的中心波长选择在1550nm，激光器各层的厚度为典型值。激光器长度优选为500微米，端面功率反射率优选为3％。位于光栅层的一阶光栅的周期优选为240nm，占空比优选为0.5，光栅刻蚀深度优选为35nm。高阶表面光栅周期优选为1440nm，占空比优选为0.5，光栅刻蚀深度优选为2.1μm。高阶表面光栅中央为一段π的相移区。

本发明实施例中，激光器的腔长，端面反射率，一阶光栅的刻蚀深度，高阶表面光栅的周期，占空比，刻蚀深度等均为仿真优化设计得来。仿真高阶表面光栅耦合面发射半导体激光器的模型为时域动态行波模型和格林函数法。采用的数值算法为分步时域有限差分算法。

如图3所示为在不同光栅阶数及光栅占空比条件下计算得到的与单模光纤的耦合效率曲线。可知6阶光栅，占空比为0.5时具有最大的与单模光纤的耦合效率。纳米压印光刻技术的制作精度大约在500nm左右，可以用来制作6阶光栅。通过传统的制作边发射DFB激光器的技术与纳米压印制作表面高阶表面光栅的技术相结合，来完成高阶表面光栅面发射半导体激光器的实验制作。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高阶表面光栅面发射半导体激光器，其特征在于，包括：依次设置的表面金属电极层，脊波导层，p型掺杂包层，光栅层，p型掺杂光限制层，量子阱或量子点有源区，n型掺杂光限制层和衬底层；

在所述光栅层分布有用于实现激光器的谐振和单模激射的一阶光栅；在所述一阶光栅上方分布有用于将沿着水平方向谐振的光能量耦合到垂直方向上输出的高阶表面光栅；所述高阶表面光栅的周期为1μm～5μm；

所述水平方向是指激光器的光谐振方向，所述垂直方向是指与所述水平方向垂直的方向，所述谐振腔是指光波在其中来回反射从而提供光能反馈的腔，由工作介质和两端面反射镜构成。

2.如权利要求1所述的高阶表面光栅面发射半导体激光器，其特征在于，所述高阶表面光栅的长度为9微米～100微米。

3.如权利要求1所述的高阶表面光栅面发射半导体激光器，其特征在于，所述一阶光栅的周期为200nm～280nm，所述一阶光栅的占空比为50％，所述一阶光栅的深度为35nm～40nm。

4.如权利要求1-3任一项所述的高阶表面光栅面发射半导体激光器，其特征在于，所述高阶表面光栅的占空比为30％～70％，所述高阶表面光栅的深度为0.1μm～3μm。

5.如权利要求4所述的高阶表面光栅面发射半导体激光器，其特征在于，所述高阶表面光栅优选为6阶。

6.如权利要求1-3任一项所述的高阶表面光栅面发射半导体激光器，其特征在于，所述谐振腔的腔长为300μm～500μm，端面功率反射率为3％～5％。

7.如权利要求1-3任一项所述的高阶表面光栅面发射半导体激光器，其特征在于，在一阶光栅层的顶部与高阶表面光栅的底部之间设置有用于保护一阶光栅的缓冲层。

8.如权利要求1-3任一项所述的高阶表面光栅面发射半导体激光器，其特征在于，在所述高阶表面光栅的中央设置一段相移区，所述相移区用于使得高阶表面光栅面发射激光器与标准单模光纤具有超过50％的耦合效率。