CN107611775B - 一种半导体激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器及其制作方法，该半导体激光器包括：衬底，具有相对的第一表面以及第二表面；位于第一表面的图案化的外延功能层，外延功能层在第一方向上依次划分为高阶光栅耦合脊型波导、光波分束波导、脊型增益阵列波导以及自组织相干合束波导；高阶光栅耦合脊型波导产生单频单模的种子光源；光波分束波导位于高阶光栅耦合脊型波导出射光线的一端，将种子光源分束为多路激光；脊型增益阵列波导位于光波分束波导出射光线的一端，将多路激光进行增益放大；自组织相干合束波导位于脊型增益阵列波导出射光线的一端，将经过增益放大后的多路激光进行相干合成为一束输出光。本发明技术方案提高了输出光束的光束质量以及亮度。

Description

一种半导体激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，更具体的说，涉及一种半导体激光器及其制作方法。

背景技术

半导体激光器(LD)具有小巧、高效、寿命长、易于集成等诸多优点。高光束质量、窄线宽半导体激光器，具有更高的光束质量、更小的慢轴发散角和更窄的光谱线宽，更适用于大规模半导体激光整形合束。在工业、军事、医疗等方面具有更加广泛的应用前景。制造出高功率、高光束质量、窄线宽的半导体激光器一直是人们追求的目标。

传统的单片集成高光束质量半导体激光器结构，虽然在提高输出功率和优化光束质量等方面取得了很大的进步。但是，主控振荡器功率放大器(MOPA)的锥形放大器无法给种子光源提供反馈光束，会导致锥形放大区内载流子聚集，引发空间烧孔现象，激发高次横模，降低出光光束质量；锥形激光器的锥形波导在高电流工作时会产生光丝现象，导致恶化光束质量，对亮度的提升形成阻碍；分布反馈半导体激光器(DFB)的光栅结构制备，一般需要二次外延或者电子束光刻等技术，导致芯片制备成本高、成品率低。

发明内容

为了解决上述问题，本发明技术方案提供了一种半导体激光器及其制作方法，提高了输出光束的光束质量以及亮度，同时具有成品率高以及制作成本低的优点。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种半导体激光器，所述半导体激光器包括：

衬底，具有相对的第一表面以及第二表面；

位于所述第一表面的图案化的外延功能层，所述外延功能层在第一方向上依次划分为高阶光栅耦合脊型波导、光波分束波导、脊型增益阵列波导以及自组织相干合束波导；所述第一方向平行于所述第一表面；

所述高阶光栅耦合脊型波导用于产生单频单模的种子光源；

所述光波分束波导位于所述高阶光栅耦合脊型波导出射光线的一端，用于将所述种子光源分束为多路激光；

所述脊型增益阵列波导位于所述光波分束波导出射光线的一端，用于将所述多路激光进行增益放大；

所述自组织相干合束波导位于所述脊型增益阵列波导出射光线的一端，用于将经过增益放大后的所述多路激光进行相干合成为一束输出光。

优选的，在上述半导体激光器中，所述高阶光栅耦合脊型波导包括：在所述第一方向上依次排布的脊型波导以及高阶光栅；

所述高阶光栅位于所述脊型波导出射光线的一端，且位于所述光波分束波导入射光线的一端；

其中，所述脊型波导背离所述高阶光栅的一端侧面具有高反膜，该侧面垂直于所述第一方向。

优选的，在上述半导体激光器中，所述自组织相干合束波导出射光线的一端具有抗反膜，该侧面垂直于所述第一方向。

优选的，在上述半导体激光器中，还包括：第一金属电极，所述第一金属电极覆盖所述高阶光栅耦合脊型波导、所述光波分束波导、所述脊型增益阵列波导以及所述自组织相干合束波导。

优选的，在上述半导体激光器中，还包括：第二金属电极，所述第二金属电极位于所述第二表面。

优选的，在上述半导体激光器中，所述外延功能层包括在第二方向上依次设置在所述衬底的第一表面的N型包层、N型光波导层、量子结构层、P型光波导层以及P型包层；

其中，所述第二方向垂直于所述第一表面以及所述第二表面，且由所述衬底指向所述外延功能层。

优选的，在上述半导体激光器中，所述量子结构层为量子阱层或是量子点有源层。

优选的，在上述半导体激光器中，所述衬底为N型外延层衬底。

优选的，在上述半导体激光器中，所述N型外延层衬底为N型GaAs外延衬底。

本发明还提供了一种制作方法，用于制作上述任一项所述的半导体激光器，所述制作方法包括：

提供一衬底，具有相对的第一表面以及第二表面；

在所述第一表面形成外延功能层；

图案化所述外延功能层，通过所述外延功能层形成在第一方向上依次划分为高阶光栅耦合脊型波导、光波分束波导、脊型增益阵列波导以及自组织相干合束波导；所述第一方向平行于所述第一表面；

在图案化后的所述外延功能层表面形成第一金属电极；

在所述第二表面形成第二金属电极。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的半导体激光器包括：衬底，具有相对的第一表面以及第二表面；位于所述第一表面的图案化的外延功能层，所述外延功能层在第一方向上依次划分为高阶光栅耦合脊型波导、光波分束波导、脊型增益阵列波导以及自组织相干合束波导；所述第一方向平行于所述第一表面；所述高阶光栅耦合脊型波导用于产生单频单模的种子光源；所述光波分束波导位于所述高阶光栅耦合脊型波导出射光线的一端，用于将所述种子光源分束为多路激光；所述脊型增益阵列波导位于所述光波分束波导出射光线的一端，用于将所述多路激光进行增益放大；所述自组织相干合束波导位于所述脊型增益阵列波导出射光线的一端，用于将经过增益放大后的所述多路激光进行相干合成为一束输出光。

普通被动MMI波导结构的半导体激光器仅能对光束进行分束，本发明技术方案所述半导体激光器能够将光束分为多路激光并进行增益放大，为基于主动多模干涉(MMI)波导结构的半导体激光器，为单片集成的高功率以及高光束质量的半导体激光器，通过集成高阶光栅耦合脊型波导、光波分束波导、脊型增益阵列波导以及自组织相干合束波导，将单频单模的种子光源分束输入到脊型增益阵列波导中振荡放大，再相干合成一束出射光，实现了高功率、窄线宽的高光束质量激射输出，提高了输出光束的光束质量以及亮度，同时具有成品率高以及制作成本低的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种半导体激光器的结构示意图；

图2为图1所示半导体激光器的侧视图；

图3为图1所示半导体激光器的第一切面图；

图4为图1所示半导体激光器的第二切面图，

图5为图1所示半导体激光器的第三切面图；

图6为图1所示半导体激光器的第四切面图；

图7为图1所示半导体激光器的第五切面图；

图8为本发明实施例提供的一种半导体激光器的制作方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1-图7，图1为本发明实施例提供的一种半导体激光器的结构示意图，图2为图1所示半导体激光器的侧视图，图3为图1所示半导体激光器的第一切面图，图4为图1所示半导体激光器的第二切面图，图5为图1所示半导体激光器的第三切面图，图6为图1所示半导体激光器的第四切面图，图7为图1所示半导体激光器的第五切面图。其中，图3、图5、图6和图7垂直于X轴，图4的切面平行于X轴。

该半导体激光器包括：衬底14，所述衬底具有相对的第一表面以及第二表面；位于所述第一表面的图案化的外延功能层，所述外延功能层在第一方向上依次划分为高阶光栅耦合脊型波导10、光波分束波导4、脊型增益阵列波导5以及自组织相干合束波导6。所述第一方向平行于所述第一表面。在三维直角坐标系XYZ中，第一表面以及第二表面均平行于XY平面，第一方向与X轴正向相同，Z轴正向由外延功能层指向衬底14。

所述高阶光栅耦合脊型波导10用于产生单频单模的种子光源；所述光波分束波导4位于所述高阶光栅耦合脊型波导10出射光线的一端，用于将所述种子光源分束为多路激光；所述脊型增益阵列波导5位于所述光波分束波导4出射光线的一端，用于将所述多路激光进行增益放大；所述自组织相干合束波导6位于所述脊型增益阵列波导5出射光线的一端，用于将经过增益放大后的所述多路激光进行相干合成为一束输出光。

所述高阶光栅耦合脊型波导10包括：在所述第一方向上依次排布的脊型波导2以及高阶光栅3；所述高阶光栅3位于所述脊型波导2出射光线的一端，且位于所述光波分束波导4入射光线的一端；其中，所述脊型波导2背离所述高阶光栅3的一端侧面具有高反膜1，反射率大于95％，该侧面垂直于所述第一方向。所述自组织相干合束波导6出射光线的一端具有抗反膜7，透射率大于90％，反射率小于10％，如可以设定透射率为95％，反射率为5％，该侧面垂直于所述第一方向。

其中，所述高阶光栅3为低损耗高阶为DBR(分布式布拉格反射)光栅，使得所述高阶光栅耦合脊型波导10为低损耗高阶光栅耦合脊型波导。所述光波分束波导4为MMI光波分束波导。所述自组织相干合束波导6为MMI自组织相干合束波导。这样，本发明实施例所述半导体激光器为单片集成高功率、高光束质量半导体激光器，该半导体激光器通过集成低损耗高阶DBR光栅、MMI光波分束波导、脊型增益列阵波导和MMI自组织相干合束波导等结构，将单频单模的种子光源分束输入到脊型增益列阵波导中振荡放大，再相干合成为一束出射光，实现了高功率、窄线宽的高光束质量激射输出。

所述半导体激光器还包括：第一金属电极8，所述第一金属电极8覆盖所述高阶光栅耦合脊型波导10、所述光波分束波导4、所述脊型增益阵列波导5以及所述自组织相干合束波导6。所述半导体激光器还包括：第二金属电极15，所述第二金属电极15位于所述第二表面。

所述外延功能层包括在第二方向上依次设置在所述衬底14的第一表面的N型包层13、N型光波导层12、量子结构层11、P型光波导层10以及P型包层9。所述量子结构层11为量子阱层或是量子点有源层。其中，所述第二方向垂直于所述第一表面以及所述第二表面，且由所述衬底14指向所述外延功能层，即所述第二方向为Z轴的反向。可选的，所述衬底14为N型外延层衬底，如所述N型外延层衬底为N型GaAs外延衬底。

本发明实施例所述半导体激光器为基于主动MMI波导结构的高光束质量半导体激光器，该激光器包括：由同一外延功能层制备出激光器波导结构，在沿X轴的正向上，外延功能层依次为脊型波导2、低损耗的高阶光栅3、MMI结构的分束波导4、脊型增益列阵波导5以及MMI结构的自组织相干合束波导6。所述半导体激光器沿Z轴的负向自下而上依次为第二金属电极15、衬底14、N型包层13、N型光波导层12、量子结构层11、P型光波导层10、P型包层9以及第一金属电极8。第二金属电极15为N面金属电极，所述第一金属电极8为P面电极。所述半导体激光器中所有波导结构均由同一外延功能层制备而成。

本发明实施例所述半导体激光器的谐振腔由高反膜1、脊型波导2、低损耗的高阶光栅3、MMI结构的光波分束波导4、脊型增益列阵波导5、MMI结构的自组织相干合束波导6以及抗反膜。所述谐振腔中各波导结构在X轴正向上依次排布，脊型波导2和低损耗的高阶光栅3构成的低损耗高阶光栅耦合脊型波导10作为单频单模的种子光源；基于MMI结构的光波分束波导4将单频单模的种子光源分束输入到下一级的脊型增益列阵波导5，以保证在脊型增益列阵波导5内振荡的光模式均为相同频率的基横模；脊型增益列阵波导5将各脊型波导中的同频基横模激光进行增益放大；基于MMI结构的自组织相干合束波导6将多路单频单模光束进行相干合成为一束输出光，实现高功率单模窄线宽激光输出。

本发明实施例所述半导体激光器中，高阶光栅耦合脊型波导、光波分束波导、脊型增益阵列波导以及自组织相干合束波导均由同一外延功能层制备而成，进而形成单频高集成度的半导体激光器，由同一外延功能层制备的高阶光栅耦合脊型波导、光波分束波导、脊型增益阵列波导以及自组织相干合束波导中，相同膜层的性能参数一致。因此，本发明实施例所述半导体激光器大大提高了半导体激光器的稳定性以及结构紧凑性。

所述半导体激光器采用主动MMI波导自相干合束技术将单模单频种子激光场分束增益放大后，利用主动MMI波导的Talbot效应(泰伯效应，又称衍射自成像效应)将相位确定的多路单模单频激光场进行相干耦合，使输出光场强度呈近高斯分束的，提高激光器光束质量。本发明实施例所述技术方案可明显提高半导体激光器的稳定性和结构紧凑性，同时大大提升激光器的输出功率。此外，本发明实施例基于MMI自相干合束波导结构的高光束质量的半导体激光器是一种新型的高光束质量半导体激光器，实现了高功率、高光束质量、单模激光输出。

基于上述实施例，本发明另一实施例还提了一种制作方法，用于制作上述实施例所述半导体激光器，该制作方法如图8所示，图8为本发明实施例提供的一种半导体激光器的制作方法的流程示意图，该制作方法包括：

步骤S11：提供一衬底，具有相对的第一表面以及第二表面。

可以根据半导体激光器出射光线的波长选择衬底的材料，衬底可以为GaAs材料。

步骤S12：在所述第一表面形成外延功能层。

其中，外延功能层在Z轴上的层次结构可以参考上述实施例所述在此不再赘述。可以通过金属有机化合物气相沉积(MOCVD)工艺依次在衬底表面形成所述外延功能层中的各个层次结构。

步骤S13：图案化所述外延功能层，通过所述外延功能层形成在第一方向上依次划分为高阶光栅耦合脊型波导、光波分束波导、脊型增益阵列波导以及自组织相干合束波导；所述第一方向平行于所述第一表面。

其中，外延功能层中各个波导结构的布局可以参考上述实施例所述在此不再赘述。

该步骤中，首先通过光刻和等离子刻蚀技术制作低损耗的高阶光栅，刻蚀到P型光波导层。然后，采用光刻和等离子刻蚀技术制作脊型波导、MMI结构的光波分束波导、脊型增益列阵波导以及MMI结构的自组织相干合束波导，刻蚀到P型光波导层，刻蚀深度大于高阶光栅。

步骤S14：在图案化后的所述外延功能层表面形成第一金属电极。

在上述步骤中形成脊型波导、MMI结构的光波分束波导、脊型增益列阵波导以及MMI结构的自组织相干合束波导后，在该步骤中制作第一金属电极。

步骤S15：在所述第二表面形成第二金属电极。

为了保证器件具有较小的厚度，在形成第二金属电极之前可以对衬底的第二表面进行减薄处理，在减薄厚度第二表面形成第二金属电极。最后，在与出光端相对的侧面镀高反膜，在半导体激光器的出光端侧面镀抗反膜，完成整个器件的制作。

本发明实施例所述制作方法制备的半导体激光器可以出射600nm-1064nm的激光，可以通过调节外延功能层中各层次结构的材料以及衬底的材料，形成600nm-1064nm波段内的设定波长的激光，本发明实施例所述制作方法对延功能层中各层次结构的材料以及衬底的材料不做具体限定。

本发明实施例所述制作方法中，通过现有成熟的半导体制作工艺形成上述是实例所述的半导体激光器，具有成品率高以及制作成本低的优点，制作方法简单，形成的半导体激光器结构紧凑，集成度高。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的制作方法而言，由于其与实施例公开的半导体激光器相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见半导体激光器对应部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器包括：

衬底，具有相对的第一表面以及第二表面；

位于所述第一表面的图案化的外延功能层，所述外延功能层在第一方向上依次划分为高阶光栅耦合脊型波导、MMI结构的光波分束波导、脊型增益阵列波导以及MMI结构的自组织相干合束波导；所述第一方向平行于所述第一表面；所述高阶光栅耦合脊型波导包括：在所述第一方向上依次排布的脊型波导以及高阶光栅；所述高阶光栅位于所述脊型波导出射光线的一端，且位于所述光波分束波导入射光线的一端；

所述高阶光栅耦合脊型波导用于产生单频单模的种子光源；

所述光波分束波导位于所述高阶光栅耦合脊型波导出射光线的一端，用于将所述种子光源分束为多路激光；

所述脊型增益阵列波导位于所述光波分束波导出射光线的一端，用于将所述多路激光进行增益放大；

所述自组织相干合束波导位于所述脊型增益阵列波导出射光线的一端，用于将经过增益放大后的所述多路激光进行相干合成为一束输出光；

所述衬底为N型外延层衬底；所述半导体激光器为基于主动MMI波导结构的高光束质量半导体激光器，包括：由同一外延功能层制备出激光器波导结构；所述半导体激光器至下而上依次为第二金属电极、所述衬底、N型包层、N型光波导层、量子结构层、P型光波导层、P型包层以及第一金属电极，所述第二金属电极位于所述第二表面，所述第一金属电极覆盖所述高阶光栅耦合脊型波导、所述光波分束波导、所述脊型增益阵列波导以及所述自组织相干合束波导；所述半导体激光器中所有波导结构均由同一外延功能层制备而成。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述脊型波导背离所述高阶光栅的一端侧面具有高反膜，该侧面垂直于所述第一方向。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述自组织相干合束波导出射光线的一端侧面具有抗反膜，该侧面垂直于所述第一方向。

4.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述量子结构层为量子阱层或是量子点有源层。

5.根据权利要求1-4任一项所述的半导体激光器，其特征在于，所述衬底为N型外延层衬底。

6.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述N型外延层衬底为N型GaAs外延衬底。

7.一种用于制作如权利要求1-6任一项所述的半导体激光器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：

提供一衬底，具有相对的第一表面以及第二表面；

在所述第一表面形成外延功能层；

图案化所述外延功能层，通过所述外延功能层形成在第一方向上依次划分为高阶光栅耦合脊型波导、MMI结构的光波分束波导、脊型增益阵列波导以及MMI结构的自组织相干合束波导；所述第一方向平行于所述第一表面；所述高阶光栅耦合脊型波导包括：在所述第一方向上依次排布的脊型波导以及高阶光栅；所述高阶光栅位于所述脊型波导出射光线的一端，且位于所述光波分束波导入射光线的一端；

在图案化后的所述外延功能层表面形成第一金属电极；

在所述第二表面形成第二金属电极；

所述衬底为N型外延层衬底；所述半导体激光器为基于主动MMI波导结构的高光束质量半导体激光器，包括：由同一外延功能层制备出激光器波导结构；所述半导体激光器至下而上依次为所述第二金属电极、所述衬底、N型包层、N型光波导层、量子结构层、P型光波导层、P型包层以及所述第一金属电极，所述第二金属电极位于所述第二表面，所述第一金属电极覆盖所述高阶光栅耦合脊型波导、所述光波分束波导、所述脊型增益阵列波导以及所述自组织相干合束波导；所述半导体激光器中所有波导结构均由同一外延功能层制备而成。