CN107710529B - 半导体激光器及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种半导体激光器(100)及其加工方法，能够提高调制带宽。该半导体激光器(100)包括：谐振腔(110)和有源层(120)，该谐振腔(110)包括上反射镜层(111)和下反射镜层(112)，在该半导体激光器(100)的上反射镜层(111)或该下反射镜层(112)中的至少一层设置有至少两个凹部(114)，该至少两个凹部(114)在水平面的投影位于第一轴线上，该解理面(113)与该第一轴线的两个交点之间的距离LV是根据该有源层(120)发射的光束的波长λ和自由光谱宽度FSR确定的，该至少两个凹部(114)中的任意一个凹部(114)与该解理面(113)的最短距离L1是根据距离LV和氧化孔半径(130)Ro确定的，以使该有源层(120)在平行于第一轴线方向发射的、到达该解理面(113)后反射的第一光束与该有源层(120)在平行于该第一轴线方向发射的第二光束产生光子共振。

Description

半导体激光器及其加工方法
技术领域
本发明涉及光通信领域，并且更具体地，涉及一种半导体激光器及其加工方法。
背景技术
半导体激光器是光纤通信系统中发射光源的关键器件。随着通信技术的发展，信息量的增加，需要提供一种实现长距离、高速传输的光纤通信系统。目前，长波长半导体激光器，例如，垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)，成为长距离传输光纤通信的理想光源的发射器件。
随着通信技术的普及，对调制带宽的要求也日益提高，如何提高半导体激光器的调制带宽，成为急需解决的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种半导体激光器及其加工方法，能够提升半导体激光器的调制带宽。
第一方面，提供了一种半导体激光器，包括：谐振腔，用于使进入该谐振腔的光子增益，该谐振腔包括由半导体材料制成的上反射镜层和下反射镜层，该上反射镜层位于该下反射镜层的上方，该上反射镜层在水平面的投影全部处于该下反射镜层在水平面的投影范围内，该上反射镜层的侧面的部分或全部与该下反射镜层的侧面的部分或全部构成该半导体激光器的解理面，该解理面与水平面垂直；有源层，用于发射光束，该有源层由半导体材料制成，该有源层位于该上反射镜层和该下反射镜层之间，且该有源层在水平面的投影全部处于该下反射镜层在水平面的投影范围内，该有源层的上方设置有氧化孔径，该氧化孔径用于限制该光束的横模，其中，在该上反射镜层或该下反射镜层中的至少一层设置有至少两个凹部，该至少两个凹部在水平面的投影位于第一轴线上，该第一轴线与该解理面的切线方向垂直，且该第一轴线经过该有源层的中心在水平面的投影，或者，该第一轴线与该解理面垂直，该解理面与该第一轴线的两个交点之间的距离LV是根据该光束的波长λ和自由光谱宽度FSR确定的，该至少两个凹部中的每个凹部与该解理面的最短距离L1是根据该距离LV和该氧化孔半径Ro确定的，以使该有源层在平行于第一轴线方向发射的、到达该解理面后反射的第一光束与该有源层在平行于该第一轴线方向发射的第二光束产生光子共振。
结合第一方面，在第一方面的第一种实现方式中，该距离LV满足：
其中，ng为该半导体激光器腔内介质的群折射率。
结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的第二种实现方式中，该最短距离L1满足：
结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的第三种实现方式中，该每个凹部在水平面的投影与该有源层的中心在水平面的投影的距离L2和同一凹部与该第一轴线的两个交点之间的距离W满足：
Ro＞W+L2＞Rs，
其中，Rs为该半导体激光器的单横模光斑半径。
结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的第四种实现方式中，该氧化孔半径Ro>A，以使该半导体激光器处于多横模状态，其中，A为预设的决定该半导体激光器处于单横模状态或多横模状态的约束因子，该每个凹部的深度H是根据该波长λ确定的，以使该半导体激光器由该多横模状态转为单横模状态。
结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的第五种实现方式中，该深度H满足：
其中，m≥0，且m为整数，neff为该半导体激光器在未设置该至少两个凹部时的有效折射率。
结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的第六种实现方式中，该每个凹部与该有源层的中心在水平面的投影的距离L2满足：
且B＜Veff＜C，
其中，B、C为预设的决定该半导体激光器处于单纵模状态的约束因子，Veff为归一化频率参数，γ为该凹部的深度H的影响因子，neff为该半导体激光器在未设置该至少两个凹部时的有效折射率。
结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的第七种实现方式中，该上反射镜层为分布式布拉格反射镜，该下反射镜层为分布式布拉格反射镜，该半导体激光器为垂直腔面发射激光器。
第二方面，提供了一种半导体激光器的加工方法，该加工方法包括：形成谐振腔，该谐振腔用于使进入该谐振腔的光子增益，该谐振腔包括由半导体材料制成的上反射镜层和下反射镜层，该上反射镜层位于该下反射镜层的垂直上方，该上反射镜层在水平面的投影全部处于该下反射镜层在水平面的投影范围内，该上反射镜层的侧面的部分或全部与该下反射镜层的侧面的部分或全部构成该半导体激光器的解理面，该解理面与水平面垂直；形成有源层，用于发射光束，该有源层由半导体材料制成，该有源层位于该上反射镜层和该下反射镜层之间，且该有源层在水平面的投影全部处于该下反射镜层在水平面的投影范围内，该有源层的上方设置有氧化孔径，该氧化孔径用于限制该光束的横模；在该上反射镜层或该下反射镜层中的至少一层加工至少两个凹部，该至少两个凹部在水平面的投影位于第一轴线上，该第一轴线与该解理面的切线方向垂直，且该第一轴线经过该有源层的中心在水平面的投影，或者，该第一轴线与该解理面垂直，该解理面与该第一轴线的两个交点之间的距离LV是根据该光束的波长λ和自由光谱宽度FSR确定的，该至少两个凹部中的每个凹部与该解理面的最短距离L1是根据该距离LV和该氧化孔半径Ro确定的，以使该有源层在平行于第一轴线方向发射的、到达该解理面后反射的第一光束与该有源层在平行于该第一轴线方向发射的第二光束产生光子共振。
结合第二方面，在第二方面的第一种实现方式中，该距离LV满足：
其中，ng为该半导体激光器腔内介质的群折射率。
结合第二方面及其上述实现方式，在第二方面的第二种实现方式中，该最短距离L1满足：
结合第二方面及其上述实现方式，在第二方面的第三种实现方式中，该每个凹部在水平面的投影与该有源层的中心在水平面的投影的距离L2和同一凹部与该第一轴线的两个交点之间的距离W满足：
Ro＞W+L2＞Rs，
其中，Rs为该半导体激光器的单横模光斑半径。
结合第二方面及其上述实现方式，在第二方面的第四种实现方式中，该氧化孔半径Ro>A，以使该半导体激光器处于多横模状态，A为预设的决定该半导体激光器处于单横模状态或多横模状态的约束因子，其中，该在该上反射镜层或该下反射镜层中的至少一层加工至少两个凹部，包括：根据该波长λ确定该凹部的深度H；根据该深度H在该上反射镜层或该下反射镜层中的至少一层加工至少两个凹部，以使该半导体激光器由该多横模状态转化为单横模状态。
结合第二方面及其上述实现方式，在第二方面的第五种实现方式中，该根据该波长λ确定该凹部的深度H，包括：
根据确定该凹部的深度H，其中，m≥0，且m为整数，neff为该半导体激光器在未设置该至少两个凹部时的有效折射率。
结合第二方面及其上述实现方式，在第二方面的第六种实现方式中，该每个凹部在水平面的投影与该有源层的中心在水平面的投影的距离L2满足：
且B＜Veff＜C，
其中，B、C为预设的决定该半导体激光器处于单纵模状态的约束因子，neff为该半导体激光器在未设置该至少两个凹部时的有效折射率。
结合第二方面及其上述实现方式，在第二方面的第七种实现方式中，该上反射镜层为分布式布拉格反射镜，该下反射镜层为分布式布拉格反射镜，该半导体激光器为垂直腔面发射激光器。
本发明实施例的半导体激光器及其加工方法，通过在上反射镜层或者下反射镜层中的至少一层设置至少两个凹部，并对每个凹部的位置、尺寸以及半导体激光器的部分结构尺寸进行限制，使半导体激光器内横向传输的行波与反射波产生光子共振，从而提高了器件的调制带宽。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的半导体激光器的结构示意图。
图2是根据本发明实施例的半导体激光器的又一结构示意图。
图3是根据本发明实施例的半导体激光器的又一结构示意图。
图4是根据本发明实施例的半导体激光器的加工方法的示意性流程图。
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描述。
本发明的技术方案，可以应用于各种半导体激光器，例如：边发射激光器(Edge-Emitting Laser，EEL)、垂直腔面发射激光器VCSEL，以及其他半导体激光器等。
以下，为了方便说明和理解，以VCSEL为例，对本发明实施例的半导体激光器及其加工方法进行详细描述。VCSEL仅为示例说明，本发明并不限于此，本发明的技术方案也可以应用于其他类型的半导体激光器。
图1至图3示出了本发明实施例的半导体激光器100的结构示意图。其中，图1是该半导体激光器100的剖视图，图2和图3是该半导体激光器100的俯视图，其中，图2是圆形半导体激光器100的俯视图，图3是方形半导体激光器100的俯视图。如图1至图3所示，该半导体激光器100包括：
谐振腔110，用于使进入该谐振腔110的光子增益，该谐振腔110包括由半导体材料制成的上反射镜层111和下反射镜层112，该上反射镜层111位于该下反射镜层112的上方，该上反射镜层111在水平面的投影全部处于该下反射镜层112在水平面的投影范围内，该上反射镜层111的侧面的部分或全部与该下反射镜层112的侧面的部分或全部构成该半导体激光器100的解理面113，该解理面113与水平面垂直；
有源层120，用于发射光束，该有源层120由半导体材料制成，该有源层120位于该上反射层镜111和该下反射层镜112之间，且该有源层120在水平面的投影全部处于该下反射镜层112在水平面的投影范围内，该有源层120的上方设置有氧化孔径130，所述氧化孔径130用于限制该光束的横模，
其中，在该上反射镜层111或该下反射镜层112中的至少一层设置有至少两个凹部114，该至少两个凹部114在水平面的投影位于第一轴线上，该第一轴线与该解理面113的切线方向垂直，且该第一轴线经过该有源层120的中心在水平面的投影，或者，该第一轴线与该解理面113垂直，该解理面113与该第一轴线的两个交点之间的距离LV是根据该半导体激光器100发射的光束的波长λ和自由光谱宽度FSR确定的，该至少两个凹部中的每个凹部与该解理面的最短距离L1是根据所述距离LV和所述氧化孔径130的半径Ro确定的，以使该有源层120在平行于第一轴线方向发射的、到达该解理面113后反射的第一光束与该有源层120在平行于该第一轴线方向发射的第二光束产生光子共振。
具体而言，该半导体激光器100中，下反射镜层112在衬底上外延生长，与下反射镜层112的上表面相邻的是有源层120，该有源层120的上方设置有氧化孔径130，例如，在有源层120上方的上反射镜层112中，或者在该有源层120的上表面紧邻的一层介质中，设置有该氧化孔径130，该有源层120发射的光束经氧化孔径130向各个方向发射，该氧化孔径130可以限制该光束的横模，其孔径Ro决定该半导体激光器处于多横模状态还是单横模状态。其中，该有源层120在水平面的投影全部处于该下反射镜层112在水平面的投影范围内，也就是说，该有源层120与该下反射镜层112具有相同的尺寸与形状，或者具有比下反射镜层112较小的尺寸。例如，该下反射镜层112可以是方形，该有源层120为圆形，两层具有同一中心轴，或者，该下反射镜层112和该有源层120都为方形，具有完全相同的尺寸与形状。与此类似，上反射镜层113位于该有源层120的上方，该上反射镜层113在水平面的投影也处于该下反射镜层111在水平面的投影范围内。
需要说明的是，以上列举的半导体激光器100各层的具体形状、尺寸均为示例而非限定，半导体激光器100的形状不限于此，还可以为梯形、椭圆形等各种形状。
还需要说明的是，以上列举的氧化孔径的尺寸(例如，半径)仅为示例而非限定，在半导体激光器中氧化孔径的形状不限于圆形，也可以为方形或者其他形状，本发明并未特别限定。
不失一般性，在本发明实施例中，该半导体激光器100中的各层由不同的半导体材料制成。上反射镜层111和下反射镜层112由具有较高的反射率(例如，99.9％)的半导体材料制成，并且，上反射镜层111和下反射镜层112都分别由具有高折射率和低折射率的半导体材料交替外延生长而形成。上反射镜层111可以由提供空穴的P型半导体材料制成，下反射镜层112可以由提供电子的N型半导体材料制成，或者，上反射镜层111可以由N型半导体材料制成，下反射镜层112可以由P型半导体材料制成。上反射镜层111和下反射镜层112分别用以提供电子和空穴(统称为载流子)。
有源层120可以由具有高光增益的很薄的半导体材料制成，如量子阱(QuantumWell，QW)，以使载流子(例如，电子和空穴)在电流的激励下，在有源层120复合形成光子并发射出去。
受激发射出的光子进入谐振腔110后，在谐振腔内上反射镜层111和下反射镜层112之间振荡，谐振腔110选择频率一定、方向一致的光子做最优先的放大，而把其他频率和方向的光子加以抑制。例如，凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外，与工作介质不再接触。沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经上反射镜层111和下反射镜层112的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，即，激光，通过上反射镜层111发射出去。
在本发明实施例的半导体激光器100中，在该上反射镜层111和下反射镜层112中的至少一层设置至少两个凹部，该至少两个凹部位于同一直线上，即第一轴线上，该第一轴线与该解理面113的切线方向垂直，且该第一轴线经过该有源层120的中心在水平面的投影，或者，该第一轴线与该解理面113垂直。也就是说，当该半导体激光器为圆形时，该第一轴线与该解理面的切线方向垂直，并且经过该有源层120的中心在水平面的投影；当该半导体激光器为方形时，该第一轴线与该解理面垂直。因此，该第一轴线垂直地穿过该至少两个凹部的每个凹部114的侧壁。本发明通过对该凹部的位置、尺寸以及半导体激光器100的结构尺寸的限制，实现对该半导体激光器100中沿第一轴线方向发射的光束的相位控制。其中，该解理面113与该第一轴线的两个交点之间的距离记为LV(为方便说明，以下简称半导体芯片横向长度)，该每个凹部114与该解理面的最短距离记为L1(为方便说明，以下简称最短距离L1)。
通过仿真实验，根据该半导体激光器100在有源层120发射的光束的波长λ和自由光谱宽度(Free Spectral Range，FSR)确定半导体芯片横向长度，并且根据该距离LV和该氧化孔半径Ro确定最短距离L1，有利于光束在该半导体激光器100内产生共振，即，该半导体激光器100中的有源层120在平行于第一轴线方向(为方便说明，以下简称横向)发射的、到达该解理面113后反射的第一光束(由于光以波的形式传播，也可以称为光波)与该有源层120横向发射的第二光束产生光子共振，从而提升半导体激光器100的调制带宽。
可选地，该距离LV满足：
其中，ng为所述半导体激光器腔内介质的群折射率。
具体而言，该半导体芯片横向长度LV可以根据来确定。对于半导体激光器100来说，λ、ng和FSR都是确定值，通过确定半导体芯片横向长度LV，可以对光波的相位进行控制，以达到光子共振的效果。
需要说明的是，由于半导体激光器的形状、结构不同，例如，对于面发射激光器来说，可以为圆形、椭圆形等，对于圆形半导体激光器来说，该半导体芯片横向长度LV可以为圆形半导体激光器的直径；对于椭圆形半导体激光器来说，该半导体芯片横向长度LV可以根据该凹部的位置来确定，如果凹部在椭圆形的短轴上，那么该半导体芯片横向长度LV即为该椭圆形短轴的长度，而如果凹部在椭圆形的长轴上，那么该半导体芯片横向长度LV即为该椭圆形长轴的长度。又例如，对于其他类型的半导体激光器来说，还可以做成方形，该方形半导体激光器的半导体芯片横向长度LV可以为该方形半导体激光器的两平行解理面的面间距。应理解，对于不同形状、结构的半导体激光器，解理面不同，半导体芯片横向长度LV也不同，对于以上列举的解理面的确定、以及半导体的形状等具体内容，本发明并未特别限定。
还需要说明的是，图1的剖面图在一个平面内呈现的该凹部为长方形或方形，图2和图3的俯视图在一个平面内呈现的该凹部为长方形，本发明并不限于此，该凹部可以为方形槽、长方形槽、圆柱形槽等，还可以在该凹部中填充折射率小于neff的半导体材料介质，其中，neff为该半导体激光器在未设置该至少两个凹部时的有效折射率。以上列举的凹部(包括方形槽、长方形槽、圆柱型槽等)以及在该凹部中填充介质的结构，都可以称为光学结构。
在本发明实施例中，该最短距离L1可以是方形槽、长方形槽或圆形槽等在水平面的投影与第一轴线的两个交点分别与该解理面113的垂直距离中的较小值。
可选地，该最短距离L1满足：
具体而言，该最短距离L1可以根据确定，从而对光波的相位进行控制，以达到光子共振的效果。
在本发明实施例中，通过仿真实验，当根据确定半导体芯片横向长度LV，并根据确定最短距离L1时，更有利于光波在该半导体激光器100内产生光子共振，即，该半导体激光器100中的有源层120横向发射的、到达该解理面113后反射的第一光束与该有源层120横向发射的第二光束产生光子共振，增大模式差分增益而调制带宽与成正比，因此，通过引入光反馈产生光子共振，可以提升器件的调制带宽。
进一步地，在本发明实施例中，通过仿真实验，在VCSEL中引入该凹部后，啁啾降低，例如，在10Gb/s的速率下，引入凹部后啁啾降低了25％。
应理解，VCSEL仅为示例而非限定，本发明实施例中的凹部也可以应用于其他半导体激光器或者连续多波长种子光源中，本发明并未特别限定。
需要说明的是，对一个结构、尺寸确定的半导体激光器来说，氧化孔半径Ro是确定值，可以通过测量或者其他方式获得该半导体激光器100的氧化孔半径Ro。
因此，本发明实施例的半导体激光器，通过在上反射镜层或者下反射镜层中的至少一层设置至少两个凹部，并对每个凹部的位置、尺寸以及半导体激光器的部分结构、尺寸进行限制，从而使半导体激光器内横向传输的行波与反射波产生光子共振，提高器件的调制带宽，提高传输速率。
可选地，每个凹部114在水平面的投影与该有源层120在水平面投影的中心的距离L2和同一凹部114与该第一轴线的两个交点之间的距离W满足：
Ro＞W+L2＞Rs，
其中，Rs为该半导体激光器的单横模光斑半径。
需要说明的是，在本发明实施例中，由于凹部可以为方形槽、长方形槽、圆柱形槽等，该至少两个凹部中的每个凹部与该第一轴线的两个交点之间的距离W(为方便理解和说明，以下简称凹部宽度W)可以为该方形槽或长方形槽在第一轴线方向的宽度，或者，也可以为该圆柱形槽的直径。
还需要说明的是，在本发明实施例中，该距离L2可以是该方形槽、长方形槽或圆形槽等在水平面的投影与第一轴线的两个交点分别与该有源层的中心在水平面的投影的距离中的较小值。
还需要说明的是，在本发明实施例中，由于最短距离L1、凹部在水平面的投影与该有源层的中心在水平面的投影的距离L2(为方便说明，以下简称距离L2)、凹部宽度W和半导体芯片横向长度LV之间的关系满足L1+L2+W＝LV/2，因此，当该半导体激光器100具有对称结构时(例如，圆柱形、方形等)，W+L2＜Ro与是等价的。
还需要说明的是，对一个结构、尺寸确定的半导体激光器来说，单横模光斑半径Rs是确定值，可以通过测量或者其他方式获得该半导体激光器100的单横模光斑半径Rs。
具体而言，当半导体激光器100具有对称结构时，根据该半导体激光器100中有源层120发射的光束的波长λ和FSR确定该半导体芯片横向长度LV，并且当距离L2和凹部宽度W满足Ro＞W+L2＞Rs时，可以进一步地限制光波，使半导体激光器100的有源层120横向传输的行波与反射波产生光子共振。通过仿真实验可以确定，当该半导体芯片横向长度且凹部宽度W和距离L2满足Ro＞W+L2＞Rs时，可以使该半导体激光器100中有源层120横向传输的行波与反射波产生光子共振的效果达到最佳，振幅达到最大，从而大大提高调制带宽。
因此，本发明实施例的半导体激光器，通过在上反射镜层或者下反射镜层中的至少一层设置至少两个凹部，并对每个凹部的位置、尺寸以及半导体激光器的部分结构尺寸进行严格的限制，从而使半导体激光器内横向传输的行波与反射波产生光子共振，提高器件的调制带宽，降低啁啾。
本发明实施例中的VCSEL由于自身的结构特性，纵向和横向尺寸存在较大差别。器件的纵向尺寸较小，纵模间隔较大，易于实现在单纵模状态工作。而器件的横向尺寸则相对较大，模式限制较弱，其中存在多个横模，不同的横向模式分布不同，彼此之间存在交叠，且各横模之间竞争强烈，严重影响半导体激光器的出光功率。
由于单模的出光功率较多模的出光功率低，而单模传输损耗小，易于实现长距离传输，因此能够同时满足出光功率高、调制带宽大、单模输出是VCSEL成为长距离高速光纤通信的主要因素。
在本发明实施例中，通过控制氧化孔径130的半径Ro使半导体激光器100处于多横模状态，通过在上反射镜层111或下反射镜层112中的至少一层中设置至少两个凹部114，同时通过控制该凹部的位置尺寸(例如，最短距离L1或距离L2)和结构尺寸(例如，凹部宽度W和凹部深度H)引入模式限制，使该多横模半导体激光器的高阶模被限制，基横模仍能够正常工作，从而由多横模转化为单横模。但是由于仍具有多横模的出光功率，通过对上述尺寸的限制，使得该半导体激光器即便通过模式限制使多横模转成了单横模，出光功率比单纯的单横模的出光功率高很多。
可选地，该氧化孔半径Ro>A，以使所述半导体激光器处于多横模状态，其中，A为预设的决定所述半导体激光器处于单横模或多横模状态的约束因子，该凹部114的深度H是根据波长λ确定的，以使所述半导体激光器由多横模状态转为单横模状态。
作为示例而非限定，在本发明实施例的VCSEL中，当氧化孔半径Ro>2.5μm时，该半导体激光器为多横模VCSEL，当氧化孔半径Ro<2.5μm时，该半导体激光器为单横模VCSEL。
在本发明实施例中，可以在确定半导体芯片横向长度LV、凹部宽度W以及最短距离L1或距离L2的基础上，进一步根据该半导体激光器100中有源层120发射的光束波长λ确定该凹部的深度H，从而使该VCSEL由多横模状态转化为单横模状态工作。
由于凹部的深度H直接影响该半导体激光器的发光效率，例如，当凹部深度H较小时，对高阶模的损耗较小，不能实现单横模，而当凹部的深度H较大时，对高阶模和基横模都有损耗，不能实现单模工作时较高的出光功率，当凹部接近有源层时，就会影响到该有源层120的发光效率，因此，需要对凹部的深度H进行严格的控制，以使该半导体激光器100中有源层120横向传输的行波与反射波产生光子共振、提高调制带宽的基础上提高该半导体激光器的出光功率。
需要说明的是，以上列举的对出光功率的影响因素(即，凹部的深度H)仅为示例性说明，本发明不限于此，凹部的位置等因素同样也会影响该半导体激光器的出光功率。
可选地，该深度H满足：
其中，m≥0，且m为整数，neff为该半导体激光器在未设置该至少两个凹部时的有效折射率。
具体而言，在本发明实施例中，通过在限制半导体芯片横向长度LV、凹部宽度W以及最短距离L1或距离L2的基础上，进一步控制该凹部的深度H使其满足从而可以最有效的抑制高阶模，使该半导体激光器工作在单横模状态。
在本发明实施例中，通过仿真实验可以确定，当半导体芯片横向长度LV满足距离L2与该凹部宽度W满足Ro>W+L2>Rs，且该凹部114的深度H满足时，可以使该半导体激光器100中有源层120横向发射的光波产生光子共振的效果达到最佳，振幅达到最大，且出光功率达到最高。
因此，在本发明实施例中，可以同时控制该氧化孔半径Ro、最短距离L1或距离L2以及凹部深度H，通过各尺寸间的配合作用，使得该半导体激光器的出光功率得以提升。而改变其中的任一个尺寸，都会影响到出光功率，从而不能达到最佳值。
可选地，且该每个凹部在水平面的投影与该有源层的中心在水平面的投影的距离L2满足：
且B＜Veff＜C，
其中，B、C为预设的决定该半导体激光器处于单纵模状态的约束因子，Veff为归一化频率参数，γ为该凹部的深度H的影响因子，neff为该半导体激光器在未设置该至少两个凹部时的有效折射率。
本发明通过对多模VCSEL的结构、凹部的位置和尺寸进行限制，使半导体芯片横向长度LV满足距离L2与该凹部宽度W满足Ro>W+L2>Rs，且该凹部深度H满足从而在多模VCSEL中同时实现了单模工作、出光功率的提升和调制带宽的提升。
并且，进一步地，由于引入了凹部，可能会使该VCSEL的单纵模状态不稳定，因此通过对归一化频率参数进行控制，使0.6<Veff<2.405，由于最短距离L1或距离L2又与归一化频率参数Veff密切相关，即因此，需要通过对L1或L2的控制，来控制Veff使其满足0.6<Veff<2.405。从而可以使该多模VCSEL在单纵模、单横模状态稳定工作，并且可以减小热波动，实现可靠工作和获得较高出光功率。
应理解，以上对于预设的决定该半导体激光器处于单横模或多横模状态的约束因子A、预设的决定该半导体激光器处于单纵模状态的约束因子B和C的具体数值的列举仅为示例而非限定，对于不同类型的半导体激光器，该数值都有可能不同，本发明并未特别限定。
可选地，该半导体激光器100的上反射镜层111或下反射镜层112中设置有关于该有源层120的中心对称的两个凹部114。
在本发明实施例中，可以设置该凹部的数量为偶数个。作为示例而非限定，该半导体激光器100可以设置关于该有源层120的中心对称的两个凹部114。又例如，该半导体激光器100也可以设置多个凹部114，通过对该多个凹部114的位置、尺寸的限制，使该半导体激光器100中的有源层120横向发射的、到达该解理面113后反射的第一光束与该有源层120横向发射的第二光束产生光子共振。
需要说明的是，以上列举的凹部的位置、数量的具体内容均为示例性说明，不应对本发明构成任何限定。
可选地，该上反射镜层111为分布式布拉格反射镜，该下反射镜层112为分布式布拉格反射镜，该半导体激光器为垂直腔面发射激光器。
应理解，作为上反射镜层111和下反射镜层112的分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector，DBR)仅为示例而非限定，该上反射镜层111和下反射镜层112也可以为具有高折射率差的光栅或者薄膜材料等其他半导体材料制成，或者，该VCSEL中的上反射镜层111和下反射镜层112中的任意一层为DBR，本发明并未特别限定。
因此，本发明实施例的半导体激光器，通过引入凹部，并通过对半导体激光器结构尺寸的限制和凹部的位置、尺寸的限制，在半导体激光器内引入光反馈和模式限制，同时实现了多模转单模、出光功率提升、调制带宽提升、啁啾降低，更大程度地满足了高速、长距离传输的需求。
以上，结合图1至图3详细描述了本发明实施例的半导体激光器，以下，结合图4，对本发明实施例的半导体激光器的加工方法200进行详细描述。
图4示出了根据本发明实施例的半导体激光器的加工方法200。如图4所示，该方法200包括：
S210，形成谐振腔，该谐振腔用于使进入该谐振腔的光子增益，该谐振腔包括由半导体材料制成的上反射镜层和下反射镜层，该上反射镜层位于该下反射镜层的垂直上方，该上反射镜层在水平面的投影全部处于该下反射镜层在水平面的投影范围内，该上反射镜层的侧面的部分或全部与该下反射镜层的侧面的部分或全部构成该半导体激光器的解理面，该解理面与水平面垂直；
S220，形成有源层，该有源层用于发射光束，该有源层由半导体材料制成，该有源层位于该上反射镜层和该下反射镜层之间，且该有源层在水平面的投影全部处于该下反射镜层在水平面的投影范围内，在该有源层的上方设置有氧化孔径，该氧化孔径用于限制该光束的横模；
S230，在该上反射镜层或该下反射镜层中的至少一层加工至少两个凹部，该至少两个凹部在水平面的投影位于第一轴线上，该第一轴线与该解理面的切线方向垂直，且该第一轴线经过该有源层的中心在水平面的投影，或者，该第一轴线与该解理面垂直，该解理面与该第一轴线的两个交点之间的距离LV是根据该光束的波长λ和自由光谱宽度FSR确定的，该至少两个凹部中的每个凹部与该解理面的最短距离L1是根据该距离LV和该氧化孔半径Ro确定的，以使该有源层在平行于第一轴线方向发射的、到达该解理面后反射的第一光束与该有源层在平行于该第一轴线方向发射的第二光束产生光子共振。
可选地，该距离LV满足：
其中，ng为该半导体激光器腔内介质的群折射率。
可选地，该最短距离L1满足：
可选地，该每个凹部在水平面的投影与该有源层的中心在水平面的投影的距离L2和同一凹部与该第一轴线的两个交点之间的距离W满足：
Ro＞W+L2＞Rs，
其中，Rs为该半导体激光器的单横模光斑半径。
可选地，该氧化孔半径Ro>A，以使该半导体激光器处于多横模状态，其中，A为预设的决定该半导体激光器处于单横模或多横模状态的约束因子，
其中，该在该上反射镜层或该下反射镜层中的至少一层加工至少两个凹部，包括：
根据该波长λ确定该凹部的深度H；
根据该深度H在该上反射镜层或该下反射镜层中的至少一层加工至少两个凹部，以使该半导体激光器有该多横模状态转化为单横模状态。
可选地，该根据该波长λ确定该凹部的深度H，包括：
根据确定该凹部的深度H，其中，m≥0，且m为整数，neff为该半导体激光器在未设置该至少两个凹部时的有效折射率。
可选地，该氧化孔半径Ro>A，该每个凹部在水平面的投影与该有源层的中心在水平面的投影的距离L2满足：
且B＜Veff＜C，
其中，B、C为预设的决定该半导体激光器处于单纵模状态的约束因子，neff为该半导体激光器在未设置该至少两个凹部时的有效折射率。
可选地，该半导体激光器的上反射镜层或下反射镜层中设置有关于该有源层的中心对称的两个凹部。
可选地，该上反射镜层为分布式布拉格反射镜，该下反射镜层为分布式布拉格反射镜，该半导体激光器为垂直腔面发射激光器。
因此，本发明实施例的半导体激光器的加工方法，通过引入凹部，并通过对半导体激光器结构尺寸的限制和凹部的位置、尺寸的限制，在半导体激光器内引入光反馈和模式限制，同时实现了多模转单模、出光功率提升、调制带宽提升、啁啾降低，更大程度地满足了高速、长距离传输的需求。
应理解，在本发明的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种半导体激光器，其特征在于，包括：
谐振腔，用于使进入所述谐振腔的光子增益，所述谐振腔包括由半导体材料制成的上反射镜层和下反射镜层，所述上反射镜层位于所述下反射镜层的上方，所述上反射镜层在水平面的投影全部处于所述下反射镜层在水平面的投影范围内，所述上反射镜层的侧面的部分或全部与所述下反射镜层的侧面的部分或全部构成所述半导体激光器的解理面，所述解理面与水平面垂直；
有源层，用于发射光束，所述有源层由半导体材料制成，所述有源层位于所述上反射镜层和所述下反射镜层之间，且所述有源层在水平面的投影全部处于所述下反射镜层在水平面的投影范围内，所述有源层的上方设置有氧化孔径，所述氧化孔径用于限制所述光束的横模，
其中，在所述上反射镜层或所述下反射镜层中的至少一层设置有至少两个凹部，所述至少两个凹部在水平面的投影位于第一轴线上，所述第一轴线与所述解理面的切线方向垂直，且所述第一轴线经过所述有源层的中心在水平面的投影，或者，所述第一轴线与所述解理面垂直，所述解理面与所述第一轴线的两个交点之间的距离LV是根据所述光束的波长λ和自由光谱宽度FSR确定的，所述至少两个凹部中的每个凹部与所述解理面的最短距离L1是根据所述距离LV和所述氧化孔径的半径Ro确定的，以使所述有源层在平行于第一轴线方向发射的、到达所述解理面后反射的第一光束与所述有源层在平行于所述第一轴线方向发射的第二光束产生光子共振；
其中，所述每个凹部与所述有源层的中心在水平面的投影的距离L2满足：
且B<Veff<C，
其中，B、C为预设的决定所述半导体激光器处于单纵模状态的约束因子，Veff为归一化频率参数，γ为所述凹部的深度H的影响因子，neff为所述半导体激光器在未设置所述至少两个凹部时的有效折射率。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述距离LV满足：
其中，ng为所述半导体激光器腔内介质的群折射率。
3.根据权利要求1或2所述的半导体激光器，其特征在于，所述最短距离L1满足：
4.根据权利要求1或2所述的半导体激光器，其特征在于，所述每个凹部在水平面的投影与所述有源层的中心在水平面的投影的距离L2和同一凹部与所述第一轴线的两个交点之间的距离W满足：
Ro>W+L2>Rs，
其中，Rs为所述半导体激光器的单横模光斑半径。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述氧化孔径的半径Ro>A，以使所述半导体激光器处于多横模状态，其中，A为预设的决定所述半导体激光器处于单横模或多横模状态的约束因子，
所述每个凹部的深度H是根据所述波长λ确定的，以使所述半导体激光器由所述多横模状态转化为单横模状态。
6.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述深度H满足：
其中，m≥0，且m为整数，neff为所述半导体激光器在未设置所述至少两个凹部时的有效折射率。
7.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述上反射镜层为分布式布拉格反射镜，所述下反射镜层为分布式布拉格反射镜，所述半导体激光器为垂直腔面发射激光器。
8.一种半导体激光器的加工方法，其特征在于，所述方法包括：
形成谐振腔，所述谐振腔用于使进入所述谐振腔的光子增益，所述谐振腔包括由半导体材料制成的上反射镜层和下反射镜层，所述上反射镜层位于所述下反射镜层的垂直上方，所述上反射镜层在水平面的投影全部处于所述下反射镜层在水平面的投影范围内，所述上反射镜层的侧面的部分或全部与所述下反射镜层的侧面的部分或全部构成所述半导体激光器的解理面，所述解理面与水平面垂直；
形成有源层，用于发射光束，所述有源层由半导体材料制成，所述有源层位于所述上反射镜层和所述下反射镜层之间，且所述有源层在水平面的投影全部处于所述下反射镜层在水平面的投影范围内，所述有源层的上方设置有氧化孔径，所述氧化孔径用于限制所述光束的横模；
在所述上反射镜层或所述下反射镜层中的至少一层加工至少两个凹部，所述至少两个凹部在水平面的投影位于第一轴线上，所述第一轴线与所述解理面的切线方向垂直，且所述第一轴线经过所述有源层的中心在水平面的投影，或者，所述第一轴线与所述解理面垂直，所述解理面与所述第一轴线的两个交点之间的距离LV是根据所述光束的波长λ和自由光谱宽度FSR确定的，所述至少两个凹部中的每个凹部与所述解理面的最短距离L1是根据所述距离LV和所述氧化孔径的半径Ro确定的，以使所述有源层在平行于第一轴线方向发射的、到达所述解理面后反射的第一光束与所述有源层在平行于所述第一轴线方向发射的第二光束产生光子共振；
其中，所述每个凹部与所述有源层的中心在水平面的投影的距离L2满足：
且B<Veff<C，
其中，B、C为预设的决定所述半导体激光器处于单纵模状态的约束因子，Veff为归一化频率参数，γ为所述凹部的深度H的影响因子，neff为所述半导体激光器在未设置所述至少两个凹部时的有效折射率。
9.根据权利要求8所述的加工方法，其特征在于，所述距离LV满足：
其中，ng为所述半导体激光器腔内介质的群折射率。
10.根据权利要求8或9所述的加工方法，其特征在于，所述最短距离L1满足：
11.根据权利要求8或9所述的加工方法，其特征在于，所述每个凹部在水平面的投影与所述有源层的中心在水平面的投影的距离L2和同一凹部与所述第一轴线的两个交点之间的距离W满足：
Ro>W+L2>Rs，
其中，Rs为所述半导体激光器的单横模光斑半径。
12.根据权利要求8所述的加工方法，其特征在于，所述氧化孔径的半径Ro>A，以使所述半导体激光器处于多横模状态，A为预设的决定所述半导体激光器处于单横模或多横模状态的约束因子，
其中，所述在所述上反射镜层或所述下反射镜层中的至少一层加工至少两个凹部，还包括：
根据所述波长λ确定所述凹部的深度H；
根据所述深度H在所述上反射镜层或所述下反射镜层中的至少一层加工至少两个凹部，以使所述半导体激光器由所述多横模状态转化为单横模状态。
13.根据权利要求12所述的加工方法，其特征在于，所述根据所述波长λ确定所述深度H，包括：
根据确定所述深度H，其中，m≥0，且m为整数，neff为所述半导体激光器在未设置所述至少两个凹部时的有效折射率。
14.根据权利要求8所述的加工方法，其特征在于，所述上反射镜层为分布式布拉格反射镜，所述下反射镜层为分布式布拉格反射镜，所述半导体激光器为垂直腔面发射激光器。
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