CN107851952B - 发射半导体激光器型装置 - Google Patents

Abstract

具有镜面保护的半导体激光器装置包括横向上的具有双波导的结构以及纵向上的主分段和端部分段，所述双波导由有源波导和分离的或相邻的陷波波导组成，所述端部分段的上包层的厚度朝向反射镜逐渐减小。在主分段中，场分布是非对称的，主要位于下包层。在端部分段中，场分布逐渐进一步向下薄层传输。沿着端部分段，基模限制因子Γ逐渐且显著减小。限制因子Γ的减小防止有源区在出口反射镜上的投影的退化，激光元件对退换最敏感。

Description

发射半导体激光器型装置

相关申请的交叉引用

本申请是于2010年6月28日提交的未决的第12/803,476号美国申请的部分接续申请。第12/803,476号美国申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及边缘半导体激光器，还称为边缘二极管激光器，特别是具有用于镜面保护的端部分段的边缘发射半导体激光器型装置。本发明的实施例可以用于保护窗口刻面(window facets)免遭退化。通过使用包括平面结构的纵向端部分段来实现保护，所述平面结构通过使得基本结构进行简单的逐渐变化而朝向窗口逐渐改变，所述基本结构构造了放大的主分段。适用于窗口保护的平面结构是非对称结构，其中，横向基模的辐射场主要分布在有源区的一侧。从实际观点来看，在广义上，半导体激光器可以理解为半导体芯片和其中嵌入了芯片的支撑体二者，支撑体具有合适的机械、热学、电学和光学特性。在狭义上，半导体激光器仅被理解为具有光学、电学、热学以及机械性能的半导体激光器芯片，这可能对于广义上的产品成功是必不可少的。

背景技术

激光振荡器和激光放大器是最知名的半导体型激光装置，简而言之为半导体激光装置。本申请涉及边缘发射半导体激光器，其中，由于受激发射(激光效应)的放大沿着长度为几毫米的装置产生，并且发射通过在装置的端部处的反射镜(还称为窗口)出射。在两个反射镜之间限定激光共振器并且在两个窗口之间限定激光放大器是合适的。尽管如此，激光装置的出射镜通常被称为为出射窗口或前窗口。已知的是，在出射窗口刻面上的有源区投影是半导体型激光装置的对退化最敏感的要素。这是灾难性光学退化(COD)和重要的逐渐退化过程发生的地方。COD过程也存在于后窗口上，但由于光功率较低，所以COD过程不太强烈。这些退化过程代表了决定这些激光器在以高功率和高功率密度辐射穿过出射窗口的操作方面的限制的重要因素。功率密度有时被定义为每单位窗口面积的功率通量，而其他时候被定义为线性功率密度，即定义为出射孔径的每单位宽度的功率通量。当通过窗口刻面处的有源区发射的辐射的功率密度超过某个阈值时，灾难性的退化实际上是瞬时的。通过有源区并且产生灾难性退化的所发射的辐射的功率密度的值在很大程度上是材料特性。在一些情况下，从窗口开始逐渐退化，最终经过一段时间之后，出现与灾难性退化相同的效果，即，出现窗口的不可挽回的破坏以及激光器的不可挽回的破坏。为了避免退化，建议在低于灾难性退化水平的功率水平和功率密度水平下操作激光器。

灾难性退化是由于如下项的贡献：在出射窗口刻面处的电子态、改变电势的分布的表面态以及半导体材料-外部介质界面处的表面层处的光吸收现象。氧是产生大量表面态的最有害的要素。为了弥补这些表面态造成的影响，人们想到了多种用于获得半导体激光器的较不敏感的“窗口”的解决方案：

1)如下解决方案：通过降低通过所提及的最敏感的窗口元件的发射功率相对于总发射功率的比率来解决分层半导体激光器结构本身，该比率还被称为有源区限制因子Γ；

2)如下解决方案：解决出口窗口刻面的钝化；

3)如下解决方案：解决了具有纵向地位于主放大分段和出射窗口之间的改进的分层结构的整个端部分段、保护出射窗口的端部分段的引入。

在本节中，与上述1)和3)相关的现有解决方案被讨论为与本发明的主题密切相关。这些解决方案避免了与镜面钝化有关的麻烦的方法。

在降低限制因子Γ的解决方案中，最接近的解决方案是下述解决方案，该解决方案利用非对称双波导，所述非对称双波导横向地包括有源波导和位于有源波导一侧的无源陷波波导，其中，在有源区中发射的辐射的一部分被无源陷波波导捕获。所述波导被包层限定，所述包层还被称为限制层，其限制了横向范围，并且可以包含辐射分布的指数衰减。双波导被设计成优先放大两个波导上相同相位的基模。

有源波导包含有源区，由被量子势垒隔开的一个或多个量子阱组成，或者其宽度可大于通常所理解的量子阱宽度。有源区通常包含在有源波导中或者可以单独形成，本质上是有源波导。

美国专利6,522,677公开了这种具有双波导的结构。在该公开中，描述了这样的结构，其限制因子小于0.015％，甚至是对于大的有源区(宽于10nm)。降低的限制因子降低了模式增益，并且使得能够使用长度超过2毫米的长波导。降低的限制因子减小了通过有源区穿过输出窗口的功率密度，同时也增大了发生灾难性退化的总发射功率。对于这样的构造，获得了越来越好的结果，例如在Petrescu-Prahova等人的非专利文献[1]和[2]中进行的描述。在非常高的功率密度下，灾难性的光学退化仍然是一个问题。

上文所提及的具有双波导的横向结构非常适合用于纵向结构，所述纵向结构包括至少两个纵向分段：主分段和端部分段，主分段是发生辐射放大的地方，端部分段与前窗口相邻，在端部分段处，有源区被完全去除并用具有合适的光学特性的半导体材料代替。这样的结构在美国专利6,272,161中进行了描述。该专利的构造的基本事实是，描述在两个所提及的分段的横向基模的辐射分布的函数之间的重叠积分I₀₀具有非常接近于一致的值，这降低了穿过界面时的耦合损耗L，大约等于L＝1-|I₀₀|²。这种结构的优点在于，由于有源区被完全去除，所以在输出窗口处没有辐射通过有源区出射。在该公开中，提出了用于构建端部分段的蚀刻再生长方法。通过从与窗口相邻的分段进行蚀刻去除所有上层(包括有源区)，然后通过再生长将所有上层用其它具有合适的光学特性的层进行代替。美国专利6,272,161中描述的结构具有如下缺点：难以处理再生长之后的蚀刻过程，并且缺点还在于：使退化过程会从前窗口向主分段和端部分段之间的界面移动，使得腐蚀缺陷残留在未腐蚀有源区的末端。

Baoxue等人的非专利文献文献[3]中描述了一种横向上基于对称结构并且纵向上由至少两个分段组成的结构。该构造在图1中被示意性地示出。横向结构具有芯波导01、下包层02和上包层03。两个包层的结构具有相同的组成和厚度。纵向上，该构造具有主分段020和端部分段021。通过在不接触有源区的蚀刻工艺中，通过一步去除上包层的一部分来形成端部分段。在图2A中示意性地示出了这种结构的折射率分布。图2B和图2C示意性地示出了用于构造两个纵向分段的另外的两个横向结构。

理想的是，去除图1的构造中的上包层的一部分将会具有降低基模的限制因子Γ的效果，这降低了通过出口处的有源区的功率密度，并且还增大了发生灾难性退化的总发射功率。互补效应是两个分段的基模之间的耦合积分小于1。随着上包层03的蚀刻深度的增大，重叠的耦合积分I₀₀减小，耦合损耗L增大。两个分段的基模之间的耦合积分必须保持接近统一。通常认为，上层的被去除的部分越深，基模的限制因子的减小就越大，但这并非总是如此。在非专利文献[3]中所提出的具有对称横向结构的构造具有这样的缺点，即，限制因子Γ首先随着蚀刻深度的增大而增大，并且当限制因子Γ开始明显减小时损失非常显著。对于对称情况下所计算的Γ因子的变化与耦合损耗的增大之间的关系在图3中针对表1的行(a)中描述的对称808nm结构中被示出。

在US2011/0317730A1中描述了用于图1的构造的另一横向结构。它基于一种非对称结构，其具有低折射率的较薄的上包层03和具有高折射率的较厚的下包层02。在图2B中示意性地示出了这种结构的折射率分布。在图3中示出了在Γ因子的减小与耦合损耗的增大之间的更好的可接受的关系，即，非对称曲线比对称曲线更接近于Γ轴。表1的行(b)中描述了示例性的808nm非对称结构。

在US2011/0317730A1中还提出了另一种用于图1的构造的横向结构，其包括双波导。图2C示意性地示出了横向双波导结构的折射率分布。Γ因子的减小与耦合损耗的增大之间的关系的进一步改进在图3中对于表1的行(c)中描述的808nm的示例性双波导结构中被示出。

图3的情况B和C表明，限制因子Γ的合理减少不应低于主分段的值Γ₀的60％至70％，这是因为后续的耦合损耗值非常高。在US2011/0317730A1中描述的结构具有这样的局限，即，与主分段的限制因子相比，在与前窗口相邻的端部分段的基模的限制因子的降低相对较低，只有×1.3至×l.5。当蚀刻太深时，这种减小受限于补偿效应的增强，即，基模耦合的减小。

在本发明的一个实施例中，在前出射窗口和通常为反射镜的后窗口处获得了基模的限制因子Γ的显著更高的降低。这两个窗口通常称为出射窗口或者简言之为窗口。通过使用本发明中所描述的端部分段，实现了窗口处的限制因子Γ的显著降低，使得两个分段的基模之间进行了更好的耦合，并且避免了对高阶模式的高传输损耗，该高传输损耗会显著地减少半导体激光器的效率。通过这种构造，获得了通过灾难性退化来破坏窗口所需的总功率的显著增加。通过在半导体激光器在高功率下工作时进行出色的窗口保护，降低了灾难性退化的可能性，逐渐退化过程大大地减慢。

本发明的目的是针对主放大分段使用平面非对称、双波导、低限制半导体激光器分层结构，并且针对用于保护反射镜的端部分段使用的修改的横向分层结构。

发明内容

本发明的一个实施例提供了一种边沿发射器半导体激光器，其纵向地包括至少两个纵向分段：主分段和至少一个端部分段，在主分段处发生辐射放大，所述至少一个端部分段与出射窗口(图5)相邻。半导体激光器可以包括邻近后窗的次级端部分段。主分段有一个主平面，分层的光学结构，其中，包括一个双波导，只允许放大的横向基模，这是最好的有源区域耦合，并在所有模式中具有最高的限制因子。基模的横场分布不与横轴相交，并且在双波导的两个波导中具有相同的相位。对于这样的近场分布而言，在远场对应于对称的钟形分布。端部分段具有从主结构得到的平面分层光学结构。两个光学结构相对于包含有源区的平面芯波导具有不对称的折射率分布曲线。在主分段中，在有源区中产生的辐射向外扩散并朝着结构的芯波导周围的包层的边缘衰减。包层限制了在有源区产生的辐射并包含了所述辐射的一部分。结构中的不对称性决定了主分段的横截面中的传播辐射场分布的不对称性，使得辐射场主要分布在光学结构的下侧。主分段中产生的辐射在端部分段中进一步传播。端部分段的光学结构的上包层的厚度通过多个暂时性结构朝着窗口逐渐减小。上包层的连续厚度减小或者逐步地厚度减小是通过沿着端部分段的长度以可控的方式完成的。当在蚀刻工艺中完成时，光学结构的上包层的厚度减小是蚀刻深度。光学结构的上包层的厚度减小导致在窗口刻面处的基本横向模限制因子Γ的显著减小。横向基模限制因子Γ将被简称为Γ因子。当端部分段将失去时，Γ因子的大幅度降低高达一个数量级，相对于穿过有源区的功率密度，会产生通过有源区到达窗口小平面的功率密度的大约一个数量级的减小。通过有源区到达窗口刻面的功率密度的降低具有减少特定于窗口的降解过程的效果。对光学结构的上包层逐渐减小的控制被设计为尽管Γ因子大幅减小，但是调节和降低从基模到高阶模式的传输损耗。

附图说明

图1示出了具有使用了单个蚀刻步骤的端部分段的结构中的纵向截面。

图2A示出了对称结构的折射率分布。

图2B示出了非对称结构的折射率分布，所述结构的下包层的折射率高于所述结构的上包层的折射率。

图2C示出了具有次级陷波波导的结构的折射率分布，所述次级陷波波导包括在下包层中并且通过分离层与芯波导分开。

图3A示出对于以下结构，限制因子减少量Γ/Γ₀对耦合损耗的依赖性：对称结构(A)；其下包层的折射率高于其上包层的非对称结构(B)；以及具有包含在下包层中并通过分离层与芯波导分开的次级陷波波导的结构(C)。

图4是根据本发明的实施例的基本结构中的横截面。

图5是根据本发明另一实施例的半导体激光器的沿着纵向方向的截面图，该半导体激光器包含主分段和端部分段，其中，光学结构的上包层的厚度逐步地减小。

图6是根据本发明另一实施例的半导体激光器的沿着纵向方向的截面图，该半导体激光器包含主分段和端部分段，其中，光学结构的上包层的厚度逐步地减小。

图7A示出了对于对称结构而言，当上包层的厚度在20个等厚度间隔内减小时，基模场强度沿横向的分布。

图7B示出了对于下包层折射率高于上包层折射率的结构而言，当上包层的厚度以20等厚度间隔减小时，基模场强度沿横向方向的分布。

图7C示出了对于具有通过隔离层与芯波导分离的次级陷波波导的结构而言，当上包层的厚度以20等厚度间隔减小时，基模场强沿着横向的分布。

图7D示出了对于具有与芯波导相邻的次级陷波波导的结构而言，当上包层的厚度以20等厚度间隔减小时，基模场强度沿横向方向的分布。

图8示出了对于4个结构示例而言横向基模的限制因子Γ对其上包层的相对厚度减小量b_ref的依赖关系。

图9A示出了对于对称结构而言以模式阶数m＝1...5为参数的情况下作为其上包层的厚度减小量b的函数的本征耦合系数C_0m。

图9B示出了对于其下包层的折射率高于上包层的折射率的结构而言以模式阶数m＝1...5为参数的情况下作为其上包层的厚度减小量b的函数的本征耦合系数C_0m。

图9C示出了对于次级陷波波导通过分离层与芯波导隔离的结构而言以模式阶数m＝1...5为参数的情况下作为其上包层的厚度减小量b的函数的本征耦合系数C_0m。

图9D示出了对于次级陷波波导与芯波导相邻的结构而言以模式阶数m＝1...5为参数的情况下作为其上包层的厚度减小量b的函数的本征耦合系数C_0m。

图10A示出了对于对称结构而言以模式阶数m＝0...5为参数的情况下作为其上包层的厚度减小量b的函数的模式折射率n_m。

图10B示出了对于其下包层的折射率高于上包层的折射率的结构而言以模式阶数m＝0...5为参数的情况下作为其上包层的厚度减小量b的函数的模式折射率n_m。

图10C示出了对于次级陷波波导通过分离层与芯波导隔离的结构而言以模式阶数m＝0...5为参数的情况下作为其上包层的厚度减小量b的函数的模式折射率n_m。

图10D示出了对于次级陷波波导与芯波导相邻的结构而言以模式阶数m＝0...5为参数的情况下作为其上包层的厚度减小量b的函数的模式折射率n_m。

图11A示出了对于对称结构而言以模式阶数m＝0...5为参数的情况下线性垂直锥形的基模强度随水平锥形距离z的变化。

图11B示出了对于其下包层的折射率高于上包层的折射率的结构而言以模式阶数m＝0...5为参数的情况下线性垂直锥形的基模强度随水平锥形距离z的变化。

图11C示出了对于次级陷波波导通过分离层与芯波导隔离的结构而言以模式阶数m＝0...5为参数的情况下线性垂直锥形的基模强度随水平锥形距离z的变化。

图11D示出了对于次级陷波波导与芯波导相邻的结构而言以模式阶数m＝0...5为参数的情况下线性垂直锥形的基模强度随水平锥形距离z的变化。

图12示出了对于四个横向结构示例和对于线性垂直锥形而言，基模传输损耗随水平锥形距离z的变化。

图13示意性地示出了端部分段垂直锥形的四种几何形状。

图14示出了对于线性锥形和指数锥形而言相对比值Γ/Γ_O与传输损耗的关系。

图15示出了对于10阶准线性锥形、3阶准线性锥形以及3阶准指数锥形而言的相对比值Γ/Γ₀与传输损耗的关系。

图16示出了根据本发明实施例的具有带两个通道台阶(street step)的端部分段的脊台面结构的透视图。

图17示出了根据本发明实施例的在具有三个脊台阶的端部分段中继续的脊结构的透视图。

图18示出了根据本发明实施例的具有定制的三个脊台阶的脊结构的透视图。

图19示出了根据本发明实施例的具有形成变窄的水平锥形的三个脊形台阶的脊结构的透视图。

图20示出了根据本发明实施例的在台面端部处变窄的水平锥形的透视图，其中该台面的端部分段具有三个通道台阶。

图21示出了根据本发明实施例的以集成透镜端接的端部分段的透视图。

具体实施方式

根据本发明原理的说明性实施例的描述旨在结合被认为是整个书面描述的一部分的附图来一起进行阅读。在本文所公开的本发明的实施例的描述中，对方向或方位的任何提及仅仅是为了方便描述，并不以任何方式限制本发明的范围。诸如“下(lower)”，“上(upper)”，“水平(horizontal)”，“垂直(vertical)”，“上(above)”，“下(below)”，“上(up)”，“下(down)”，“顶部(top)”和“底部(bottom)”及其派生词(“水平地(horizontally)”，“向下地(downwardly)”，“向上地(upwardly)”等)应当被解释为指示当时所描述的方位或者正在讨论的附图中所示的方位。这些相对术语仅仅是为了便于描述，并且不要求设备以特定的方向构造或操作，除非明确地如此指示。诸如“附接”，“附着”，“连接”，“耦合”，“互连”等的术语是指这样的关系，其中，结构通过中间结构直接或间接地彼此固定或附接，以及两者活动或刚性附接或关系，除非另有明确说明。此外，本发明的特征和益处参照示例性实施例来说明。因此，本发明明确地不应该被限制于这样的示例性实施例，该示例性实施例示出了可以单独存在的特征或特征的其他组合的特征的一些可能的非限制性组合。本发明的范围由所附的权利要求限定。

本公开描述了目前所设想的实施本发明的最佳模式。本说明书并非意在以限制的含义来理解，而是提供仅为了说明性目的而参考附图给出的本发明的实例，以向本领域普通技术人员提供本发明的优点和结构方面的建议。在附图的各种图示中，相同的附图标记表示相同或相似的部分。

结构及其特征

从模型结构的讨论中可以明显看出新颖的横向-纵向结构的主要特征。这些实例将在GaAs衬底上构造，所述GaAs衬底由用于大多数层的属于AlGaAs系统的材料以及用于量子阱的包括InGaAs的AlGaAs和InAlGaAs系统构成。这些类型的材料，特别是用于量子阱的材料对通过有源区到达窗口尤其是在前窗口处的辐射功率引起的窗口退化非常敏感。那些熟悉半导体激光器的人知道，这样的工艺可能出现在其他III-V族化合物材料，例如GaAsP、InGaP、InAlGaP等中，以及其他类型元素制成的半导体化合物中。

以下示例中的半导体激光器用于以波长λ＝808nm进行发射，该波长在实际中被广泛使用。这一选择并非是将本发明限制于这些波长。本发明的实施例不仅可以在AlGaAs和InAlGaAs系统的可能的波长的整个范围内，即从700nm到1180nm，或超出这些限制而应用相同的效果，而且可以通过改变结构材料扩展到其他波长范围。可以通过MOCVD(金属有机化学气相沉积)、MBE(分子束外延)等方法之一来形成外延层状结构。

因此，在平面GaAs衬底上开始构造，在该平面GaAs衬底上放置多个外延平面层，这些外延平面层具有明确限定的几何特性，即，厚度和光学特性，即，折射率。最初的平面结构是形成端部分段的基础。在Al_xGa_1-xAs和In_y(Al_xGa_1-x)_1-yAs系统中，光学特性由组成指数x、y确定，由自由载流子的密度确定，并且在有源区的情况下由受激发射的激发程度确定，其由增益系数导出的折射率的虚部表示。有时，对于量子阱而言，每个量子阱的光致发光波长被提到，而不是所提到的x和y指数。模态场分布和模式有效折射率的本质是构成所述结构的材料的折射率。在大多数情况下，对于下面的公开内容，这些由吸收过程或放大过程确定的折射率的虚部可以被忽略。

图4表示基本分层结构的截面，其限定了适用于本发明实施例的目的的半导体激光器的外延层结构。外延分层结构包括作为基本子结构的：平面有源芯波导1、该结构的下平面包层2以及该结构的上平面包层3。包层2和包层3被称为主包层。结构元件1、2和3被嵌入在底部处的衬底4与在顶部处的接触层5之间。有利的是，在包层2与衬底4之间存在有次级下包层12，并且在上包层3与接触层5之间存在有次级上包层13。各个次级包层的折射率低于它们各自的第一包层的折射率。限定词“下(lower)”、“上(upper)”、“底部(bottom)”以及“顶部(top)”是常规的，与外延生长和加工过程中最常见的位置有关。主包层具有使得芯中产生的辐射限制在芯上的基本作用，由于在薄芯中生成的辐射延伸到芯之外，因此这种局限性在现代装置中仅是部分的。由于朝向包层边缘的损耗衰减，因此所述限制在下包层和上包层自身完成。次级包层具有几乎完全将辐射限制在基本结构元件1、2和3中的功能。子结构1、2和3可以由多个层组成。

适用于本发明的分层结构是非对称结构：在几何上，其上包层比其下包层窄，并且在光学上包层子结构具有合适的不同光学特性。这些结构及其子结构是由其折射率的横向空间分布来限定的。结构的不对称性决定了在结构中传播的辐射场分布的不对称性。在本发明中，辐射主要分布在下包层中。接下来，将公开具体的结构，这些结构的子结构以及不对称的辐射分布。

图4进一步详细说明了每个子结构的成分。有源芯波导1包括有源区，有源区包含形成有源区的一个或多个量子阱(QW)6。QW各个都是几纳米宽。该装置还可以工作在宽有源区，该有源区比通常所理解的QW要宽。QW被量子垒(QB)7隔开，并且可能被外部势垒8包围。成分6、成分7以及成分8或单个厚层形成有源区系统。有源区系统可以单独形成芯波导。优选地，有源区系统被下波导层9和上波导层10包围。更优选地，当层9和层10由AlGaAs系统的材料制成时，层9和层10具有可变带隙，其从相邻包层2和3的带隙开始朝向接近QB带隙的值减小。这些变化导致折射率朝向外部QB折射率的增大。

目前经典的半导体激光器光学结构是对称的，包层2和包层3二者具有相同的厚度和相等的折射率。在本发明的实施例中，所期望的性质，即辐射场分布中的不对称性，主要通过光学结构的下包层2的特定性质来获得的。基本上，不对称性是通过平均地相对于上包层3的折射率提高下包层2的折射率而获得的。这种提高的第一种方式是对构成包层2和包层3的材料使用均匀但不相同的组分。这些材料的折射率n₂和n₃满足关系n₂>n₃。用于这种提高的另一方式是在下包层2中包括具有高于n₂的折射率n₁₁的次级陷波波导11。折射率n₁₁i满足关系式

其中n₁₁上方的条表示平均值。作为下包层的组成部分，陷波波导用虚线表示。芯波导1和陷波次级波导11形成双波导。在芯波导1和陷波波导11之间存在分离层14。在另一种布置中，次级陷波波导11与芯波导1相邻，而不存在分离层14。在这种情况下，双波导是相邻的双波导。

所有描述的结构只需要在横向基模下就满足操作的基本要求。为简化讨论，远离芯的包层折射率被认为是均匀的，并且包层延伸到无限大。在芯波导中传播的场远离芯时将衰减为零。在这样的理想结构中，只有有限数量的模式可以在波导中传播，其他模式被切断。众所周知，对于光纤而言，当由V数量表达式所定义的光学测量小于某个临界值时，除了横向基模以外，所有模式的切断都被满足。可以为平面波导定义类似的光学测量。对于仅具有芯波导的平面结构而言，合适的光学测量是

其中，n是波导在横向x上的可变折射率，n₂是延伸的下包层2的折射率。λ是辐射波长。为了使没有次级波导的平面结构仅支持横向基模和高阶模被切断，OM应该小于1。对于OM＝1的情况，横向基模的场几乎完全局限于芯。对于较小的值，该场延伸到芯外，为了减小基本限制因子，期望延伸到包层2和包层3中。对于具有次级陷波波导的结构而言，应添加针对两个波导的光学测量。在具有相邻陷波波导的结构中，OM值接近于1，光场可以限制在这两个波导中，并且仍然具有低的横向基模限制因子值。

实际上，更高阶的模式是在光学上被次级包层12和次级包层13包围的任何实际结构所固有的，或者如果更高阶的模式不存在，则更所述实际结构在光学上被衬底4和接触层5以及其次为金属接触、光学涂层等包围。先前的段落中提到的具有均匀的包层折射率的结构在横向基模下工作的一个试验是：1阶模式的有效折射率低于最高包层折射率，即低于包层2的值n₂。

在半导体激光器中，衬底的存在有时是烦人的，因为会为衬底定义模式，而衬底本身就是波导。主要位于外延结构中的模式称为外延模式。主要位于衬底上的模式被称为衬底模式。当具有相同的有效折射率时，外延模式和衬底模式可以达到共振。在共振时，主分段中的基模可以在衬底中延伸并被部分吸收，所述基模是外延模式并且被激发的有源区放大。在端部分段中，在该端部分段处高阶模式通过耦合至基模来进行激发，高阶模式与基模共振可能是额外的损耗来源。次级下包层12避免了外延模式和衬底模式之间的共振。

芯波导边缘之间的某个位置是p-n结，该p-n结是用于有源区激励的电气装置。除了作为波导的光学作用之外，芯波导还具有在有源区中重新组合的电子和空穴二者的载流子收集的作用。下包层2具有与衬底4相同的掺杂类型，并且上包层3和接触层5具有与衬底4相反的掺杂类型。通常，对于由AlGaAs系统制成的装置而言，下部元件是n型，上部元件是p型。显然的，这并不排除掺杂状况相反的情况。

图5表示根据本发明的半导体激光器的纵向结构的纵向截面。纵向结构由一个主分段20、端部分段21以及端部分段22组成，主分段20处出现了由受激发射而造成的放大，端部部分21和端部分段22被设计成当辐射流横穿端部分段并且将传输损耗调整到更高阶模式时逐渐变换基模的辐射场强度分布。如非专利文献[4]中所描述的那样，端部分段21和端部分段22是垂直锥形的波导。两端部分段不一定完全相同。如果通过有源区到达后窗口的功率不足以导致比由端部分段21所保护的前窗口处的退化更强烈的退化，则后端部分段甚至可能不存在。端部分段不一定被激发而受激放大。在这种情况下，端部分段中的芯波导不再是有源的。

在图5中前端部分段的上包层3的厚度h以多个台阶朝着窗口逐渐减小。每个台阶都有自己的暂时性结构。h₀是元件3-5接口与元件3-1接口之间的上包层3的初始厚度。在开始的近似中，上包层3的厚度的减小以从高度h_i-1到高度h_i由指数i表示的高度Δh_i的增量进行。注意Δh＝h_i-h_i-1<0。代替使用厚度h_i，更便利的是使用厚度减小量或者蚀刻深度b_i，其中，b_i＝h₀-h_i。主分段的上包层3具有深度b_o＝0，即，其上包层3不被改变。对于每个台阶，增量式蚀刻深度从先前的蚀刻深度b_i-1(其与上包层3的高度h_i-1相对应)增加Δb_i，为Δb_i＝b_i-b_i-1＝-Δh_i>0。图5示出了台阶上升部(riser)31、32、33、34、35以及台阶踩踏部(stread)41、42、43、44、45。每个踩踏部具有确定的长度Δz_i。未改变的主分段20在z₀＝0处加入端部分段之前结束。z_i-1是从经修改的端部分段的起点到台阶i的踩踏部的起点的距离。z_i是从经修改的端部分段起点到台阶i的踩踏部的终点的距离。因此，台阶的踩踏部的长度为Δz_i＝z_i-z_i-1。

上包层3的厚度的减小可以持续直到厚度变为零为止。

对于本发明的一些实施例的具有陷波波导的装置而言，由于上包层3的厚度沿着端部分段的长度的减小降低了窗口退化的危险，在完全去除该包层之后，补充去除芯波导不妨碍设备操作。辐射将进一步传播通过陷波波导。这种观察开辟了一些新的或增强的附加结构功能：

a)使用侧向聚焦的柱面透镜进行SM操作结构；

b)作用于在陷波波导中传播的辐射的高效分布背反射器的结构。

这些结构将在下一节中进行介绍。

台阶的斜率是sl_i＝Δb_i/Δz_i。如果上升部的深度与台阶踩踏部成比例，则sl为常数，Δb_i＝slΔz_i；在这种情况下，台阶逐渐厚度减小b是线性的。台阶的平均斜率等于sl。图5表示阶梯式线性厚度减小。台阶以线性以外的其他方式减小也是可能的。

图6表示根据本发明实施例的另一纵向结构在纵向方向上的横截面，其中，端部分段在上包层3具有恒定斜率sl的情况下具有连续逐渐减小的厚度b。在这种情况下，b与z的关系通过连续线性函数b(z)＝zsl来描述。函数b(z)有可能存在不是线性的其他依赖关系，其中，斜率sl是：sl(z)＝db(z)/dz。可以通过近似于delta函数的sl(z)函数来描述高度为h的突然下降。

当基模进入端部分段时，位于下包层2和衬底4之间的次级下包层12(图4)具有如下有益效果：限制场分布在衬底1中的穿透，包括横向基模和高阶模式场分布二者。位于上包层3和接触层5之间的次级上包层13(图4)有利于限制场分布到主分段的上包层3的分布程度由此限制上包层3的厚度。次级上包层13减小了上包层3的总厚度，所述总厚度为端部分段的操作的控制要素。在端部分段中的上包层13将首先被去除，随后是上包层3的厚度b减小。

对于由GaAs衬底上的AlGaAs系统构成的半导体激光器而言以及对于大于衬底带隙的有源区光子能量而言，由于所述衬底具有高吸收率，因此下包层2中的场分布在下包层-衬底界面处趋于零。作为强吸收体，衬底表现为部分反射体。对于外延模式和衬底模式而言，下包层2与衬底4之间的界面都是准势垒。外延模式和衬底模式在相对侧只有很小的延伸。准势垒限制了这些模式之间的相互作用。

对于有源区光子能量小于衬底带隙的情况，衬底的吸收性较差。在端部分段中，通过与基模耦合而固有地产生的高阶模式都倾向于在衬底中延伸。在端部分段的上包层3的特定厚度处，高阶模式中的一个可以偶然地与衬底模式共振并被吸收。在外延模式的有效折射率随着距离而变化的连续渐变端部分段中，谐振条件可以在非常小的距离内被超越。在上包层3厚度逐步改变的端部分段中，可以在衬底和上包层两者的特定厚度的较长距离上获得高阶模式与衬底模式的共振。即使在这种情况下，谐振条件也可以被固有的衬底厚度变化所超越。衬底中高阶模式的吸收消极地反映在基模的总损耗上，因为其减少了与基模的反向耦合。对于小于衬底带隙的有源区光子能量而言，建议使用次级光学包层12。充当边界层的下光学包层12保护衬底中高阶模式以免其扩展。这种保护可能至少对于与端部分段中的基模最为耦合的最低阶模式、一阶模式、二阶模式以及其他一些高阶模式是有用的。

端部分段可以被涂层15覆盖。当涂层缺失时，周围的空气或真空也可被视为光学涂层，其折射率等于1。涂层可以是电介质，通常为氧化物或氮化物、非导电宽带隙半导体材料层或金属。这些涂层用作从上包层延伸的场分布的限制反射层。从光学角度来看，尽管不如反射器好，但是所述各层也可以是与衬底具有相同性质的掩埋层。如果该层也是一个良好的导体，则端部分段可以激发受激发射。然而，由于其限制因子Γ较小，即使它们被激发，端部分段也不会对总增益产生实质性贡献。端部分段的激励仍然具有避免吸收过程的优点。

本发明的一个实施例规定了通常的基本横向外延结构和端部分段的几何结构，其对于使窗口处的退化过程最小化，并且同时使朝向高阶模式的基模传输损耗最小化而言是必要的。对于未来退化过程的可能性而言是一个很好的度量的主要参数是出口端部分段的出口处的基模的有源区限制因子Γ。由于出射刻面的有源区是对退化最敏感的元件，所以到达出射刻面的高阶模式均应当具有不超过基模限制因子的有源区限制因子。一个很好的限制是1阶模式的限制因子小于它们的基模限制因子的50％。

在图5和图6的结构中，随着上包层3的高度h减小，或者上包层3的最大厚度h₀的减小量b增加，场分布被从芯波导中推出到下包层2。因此，横向基模的有源区限制因子减小。通过深度b的相应增加，可以实现Γ因子呈数量级降低。Γ因子的这种可能的减小表示通过端部分段来保护出射窗口的潜力巨大。尽管如此，包层厚度急剧显著地减小到对应于非常低的Γ因子的厚度会导致到高阶模式的非常高的传输损耗。因此，高度h的单个突然的深刻下降是不可取的。使用包层厚度的单级减小的现有技术解决方案更为简单，而只是对于大量减少端部分段的基模的Γ因子的问题的部分解决方案。

保护出射窗口的可能性可以通过多个暂时结构来使得上包层3的厚度的逐渐减小来实现，所述暂时结构使辐射功率向较高阶模式的传输变得缓和。

为了理解端部分段的功能作准备，有必要基于针对包层3的厚度h的每个增量式减少量Δh的任何两种不同模式之间的耦合的理解进行讨论。局部模式的方法被用作近似用于分析伴随着多个台阶的高度h的逐渐变化的模态场分布。多个台阶的变化将在极限Δh->0处变成连续的变化。在每个长度为Δz_i的台阶踩踏部处，该场以对应于踩踏部的暂时结构并且对应于其光学特性的模式进行传播。踩踏部模式的特征在于踩踏部的模态折射率n_j,i和归一化的模态场分布E_j,i(x)，其中j是模式阶数。函数E_j,i(x)是考虑到踩踏部长度为无穷大而获得的局部函数。模态传播常数为β_j,i＝2πη_j,i/λ,其中，λ是传播辐射的波长，η_j,i是局部模态有效折射率。另一个端部分段台阶参数是一起确定台阶斜率sl_i＝Δb_i/Δz_i的增量式深度Δb_i、踩踏部长度Δz_i。

归一化函数E_j,i(x)可以通过在垂直于y-z外延结构平面的横向方向x上求解电场E_y的标量方程来计算，假定在y方向上的E_y是均匀的。在下面的讨论中将省略y方向。指数j＝0表示横向基模，而指数j＝1,2,3...表示高阶模式。指数i＝1被分配给从主分段到第一台阶并且到第一台阶踩踏部的转换。

台阶蚀刻深度b_i为每一台阶确定踩踏部i处j阶模式的有效折射率n_j,i。主分段的基模在端部分段的第一台阶踩踏部中的过渡以及从先前的台阶踩踏部i到下一阶台阶踩踏部i+1的任何模式j到任意其他模式k的过渡通过与这些其他模式的部分耦合来完成。通常认为，台阶处的耦合的特征在于，在台阶之前和之后的模场分布之间的积分重叠。一个预积分透射因子被包含并且等于4(n_j,i-in_k，i/(n_j，i-1+n_k，i)²由于在小台阶处的折射率具有较小的变化，所以影响小。

重叠积分是通过以下表达式来定义的：

I_jk，i＝4(n_j，i-1n_k，i/(n_j，i-1+n_k，i)²(∫E_j，i-1(x)E_k，i(x)d_x) (1)

在台阶上升部处，还可以将预先存在的模式k耦合回模式j。这种耦合的特征在于与I_jk,i不同的I_kj,i的重叠积分。特别地，这两个系数具有相反的符号。由于预积分反射因子的值非常小，所以与反向传播模式的耦合被忽略。

重叠积分I_jk,i取决于台阶深度b_i和每个台阶的相对深度，即，台阶上升部Δb_i＝(b_i-b_i-1)。对于小的台阶，I_jk,i(Δb)对Δb的依赖性随着Δb增加而几乎线性增加，对于Δb＝0，从0开始。对于位于深度b_i处的某个步骤，重叠积分的差商可以通过计算该深度b_i的耦合系数和该深度变化Δb_i的耦合系数来进行计算：

D¹I_jk(b_i，Δb_i)ΔI_jk(b_i，Δb_i)/Δb_i＝[I_jk(b_i，Δb_i)-I_jk(b_i，0)]/Δb_i＝I_jk(b_i，Δb_i)/Δb_i (2)

固有耦合系数C_jk通过这些差商定义：C_jk＝D¹I_jk。

固有耦合系数又可以转换成与距离Δz_i相关的耦合系数K_jk。如果点Z位于台阶i的端部，则对于点z_i的K_jk为：

K_jk＝C_jkΔb_i/Δz_i＝sl_i D¹ I_jk(b_i，Δb_i)＝sl_i I_jk(b_i，Δb_i)/Δb_i (3)

在极限中，对于b与z的连续变化关系(3)变为：

K_jk(z)＝sl(z)C_jk(b(z)) (4)

由于模态的相互作用和交换，模态沿端部分段的变化在连续的界限内由模态波函数f来描述，该模态波函数f包括包络振幅的缓慢变化a_j(z)：f＝a_j(z)E_j(x)exp(-jβ_j z)。模态演化可以从模态振幅的耦合方程组得到：

da_j/dz＝-jβ_ja_j+∑_k≠jK_jk a_k (5)

系统(5)可以用数值方法求解，已知β_j和耦合系数K_jk是z的函数。

可以通过类似于系统(5)的系统来求解多个突变台阶的情况。突变台阶在多个点z_i处局部化，并且在小距离间隔Δz_I内从深度b_I-1变换到b_I。在这些点处，传播常数经历从β_j，I-1到β_j，I的突然转变，与每个踩踏部I上的有效折射率的变化有关。系数K将根据关系式(2)和(3)在距离Δz_I上重新定义为：K_jk＝I_jk(b_I，Δb_I)/Δb_I×Δb_I/Δz_I，其中Δb_I是一个较深的台阶高度，Δz_I是台阶踩踏部。K_jk在别处是零。在极限Δz_I-＞0处，系数可以借助于用于K的一系列delta函数来表示。

通过以1μmΔz间隔来划分端部分段计算数值求解。针对不同的基本平面结构和函数sl(z)的不同形状寻求解决方案，无论是连续的还是不连续的台阶。

半导体激光器横向结构的示例

在表1中给出了几种选定的半导体激光器实例的外延结构的构造细节，即，几何特性和光学特性。之前提到过这些外延结构。这些结构是在GaAs衬底上由大多数层属于Al_xGa_1-xAs系统的材料和量子阱的AlGaAs和InAlGaAs系统构成的。光学特性由组成指数x确定。当对波导层指示变化时，几何特性由层的厚度和x的线性相关性确定。设计工作波长为808nm。

为了便于比较，在可能的情况下，组成指数的值从一个结构保留到另一个结构，层厚度作为主要变量。表1中仅包括4个结构，从a)编制到d)。这些结构具有以下特征(关键词用斜体印刷)：

a)对称结构；

b)不具有陷波波导的非对称结构，其下包层的折射率高于其上包层的折射率；

c)具有通过分离层与芯波导分离的次级陷波波导的结构；

d)具有与芯波导相邻的次级陷波波导的结构。

所有结构被设计成具有约0.006至0.0065的有源区限制因子。这些限制因子的值使得该结构可用于约3-4mm的装置长度。从表中可以看出，并不是所有的结构都具有相同的层内容。基本结构a)是对称的，包层2和包层3具有相同的组成和厚度。结构b)、结构c)以及结构d)是不对称的，下包层2比上包层3大。可以看出，场分布在下包层2上占优势。

表1：外延激光器结构的示例

表1中的结构用于计算场分布、基模和高阶模式限制因子、光学测量OM、模态有效折射率以及基于重叠积分的本征耦合系数。在建模中，结构受狄利克雷(Dirichlet)边界条件限制。这些条件是合理的，因为这些结构在下包层处由具有较低折射率的光学包层12进行光学限制，在较高一侧由具有更低折射率的光学涂层进行光学限定，两者都是抵抗场延伸的有效势垒。在结构b)、结构c)以及结构d)中，上波导层比下波导层薄。

图7A至图7D示出了用于所有结构的基模的场强分布以便于比较。场分布通过改变其上包层3的厚度来进行改变。对于所有结构而言，在完全去除次级上包层13之后对上包层3进行改进。上包层3的厚度通过20个相等的变量进行了修改，直到它们的最终厚度为0.01μm为止。结构a)的最终厚度减小量b_max为2.5μm，并且对于结构b)、结构c)以及结构d)而言最终厚度减小量b_max为1μm。可以看出，在上包层3的厚度达到其原始厚度的40...50％之后，只有最后的曲线在场分布中显示出显著的变化。

对于对称结构a)而言，可以获得显著的变化，但是只有当基模场几乎全部移动到下包层时才能实现。在没有次级下包层的情况下，基模场将渗透到衬底中。此外，如果没有这个层，则未被芯波导捕获的高阶模式将从一开始就会进入衬底。对于具有相邻陷波波导的结构d)而言，预期的是，主结构的基模与经修改的结构的基模的非常高的重叠以及基模和高阶模式之间的低重叠。

如图7A至图7D所示，场从上包层侧移向下包层侧的重要结果是限制因子Γ的减小。图8总结了作为相对包层厚度减小量b_rel＝b/b_final的函数的限制因子的减小。限制因子减小量表示为比率Γ/Γ₀，其中，Γ₀是未修改的主分段结构20的基模限制因子。考虑到通过蚀刻改变厚度，则b是上包层3中的蚀刻深度。对于结构b)-d)，这些相关性是相似的。非对称结构b)显示了Γ与b_rel的最大灵敏度。对于结构a)而言，由于上包层3中场分布的减少，限制因子首先增大，而在下包层2中没有互补的延伸。Γ的最终减小与从芯波导到下包层2的场分布的移动一致。所有的结构都显示出Γ/Γ₀比下降到0.1-0.2的值，这意味着有可能通过在×5和×10之间或更多的因子来增加窗户抗退化的弹性。

图9A至图9D示出了对于所有四个结构而言，在m＝l...5的情况下，具有高阶模式的基模的本征耦合系数C_om与上包层3厚度减小b的依赖性。从基模到第一阶模式的耦合C₀₁的曲线具有b_rel范围的有效耦合，其具有大致相当于b_rel,max的40％...50％。这个宽度对应于基模场分布形状的显着变化的观测的brel范围，并且对应于限制因子Γ下降的范围。在对称结构的情况下，曲线延伸超过2.5μm。在非对称结构b)的情况下，在其它所有情况下的C₀₁值中，系数C₀₁具有最高的值。这些事实将以负面的方式影响在垂直渐缩端部分段中调节基模的传输损耗的可能性，因为这种可能性粗略近似地由C曲线下的面积确定。

图9A至图9D的C_om值相当高。它们等于突变垂直锥形的K个系数，对于结构a)而言斜率sl＝2.5以及对于结构b)、c)和d)而言sl＝1。为了避免高传输损耗，应使用较缓的垂直锥形来减小这些值，例如对于结构a)而言使用sl＝0.025，对于结构b)、c)以及d)而言使用sl＝0.01。在这种情况下，锥形应该是100μm长以将b从初始值减小到零。由于长的锥形将允许将功率的反向耦合传输到高阶模式，因为其长度与模式之间的耦合长度周期相同。

图10A图10D示出了对于所有4个结构而言，在m＝0...5的情况下，所有模式的模式折射率与上包层厚度减小量的相关性。这些曲线是沿着端部分段的耦合行为的重要部分。应该注意的是，基模折射率与1阶折射率之间的最大差异是结构d)，其具有与有源波导相邻的宽无源波导。

图9A至图9D和图10A至图10D包含用于评估沿着垂直逐渐变细的端部分段(即，具有多个台阶的端部分段)从基模到高阶模式的传输损耗所需的数据。为了进行初始比较，在类似条件下估算传输损耗，即端部分段长100μm，上包层从初始厚度下降到为0.01μm的最终厚度，对于结构a)为sl＝0.025，对于结构b)，c)和d)而言sl＝0.01。由等式(5)进行相互关联的场幅度a_i决定了传输损耗向高阶模式的演变。假设在端部分段入口处评估了其演化，对于m＝1...5的情况，a_o＝1并且a_m＝0。耦合到高于m＝5阶的模式被省略。在这些估计中显示，随着模式阶数的增加，耦合到高阶模式的速度降低得非常快。对较高模式的L_i的损耗以及从基模L₀的损耗计算如下：

L_j＝a_j|² j≠0 (6a)

L₀＝1-∑_j≠0|a_j|² (6b)

图11A至图11D示出了对于所有四个结构而言，阶m＝1...5的模式的沿着端部分段的距离z的强度相对于基模0的强度的演变，当这个模式进入端部分段时，基模0的强度为a₀ ²＝1。在这些图中，并不是所有的模式都可以在线性范围内看到。对于结构d)的情况，该结构具有与芯波导相邻的宽无源波导的结构，多达三种模式清晰可见。这是这样的结构，对于该结构而言，与模式1的耦合比其它情况低一个数量级，并且在基模和一阶模式之间具有最高的折射率。

通常，与一阶模式的强度相比，二阶模式强度较小，这是由于：一方面，其与基模的较低的本征耦合系数，另一方面，第二模式的耦合周期L₀₂比第一模式的耦合周期L₀₁短。众所周知，具有基模的高阶模式的幅度具有与周期性行为类似的变化，周期近似等于：

L_0m＝2π/(β₀-β_m)＝λ/(n₀-n_m) (7)

这些周期不是常数，因为如图9A-9D所示折射率差异取决于b，隐含地取决于z。对于较高的m值而言，耦合周期L₀可能较短。高阶模式强度的周期性行为反映了任何一对模式的前后耦合。这些周期性变化的结果是，如果忽略了与基模的互动，则模态强度变化的最大值M_m近似地下面的公式给出：

M_m≈|4C_0mL_0m|²＝|4C_0mλ/(n₀-n_m)|² (8)

最后一个公式说明了随着模式阶数增加，基模与高阶模耦合减小的原因。这个说法对任何一对j和k都是准确的。随着阶数j和k之间的差值的增加，传递最大值C_jk和L_jk的因子都减少了。

图12示出了对于结构a)，b)，c)以及d)而言的长度为100μm的线性垂直锥形的基模损耗。对于通常的比率Γ/Γ₀为20％的结构d)而言，与有源波导相邻的宽的无源陷波波导之间没有隔离层的结构具有最低的最大传输损耗0.5％。具有分离的陷波波导的结构c)，具有相似的性能。结构a)(对称)和b)(不对称且没有陷波波导)具有相当高的传输损耗值30％。这个值可能需要减更长锥形来减小。图12示出了具有垂直锥形的端部分段，其与图3所示的具有单个台阶的端部分段相比，它可以显著地将传输损耗降低到更高阶的模式。

这也表明，实现该效果的最佳方案是双波导结构。

表2给出了每种结构的附加特征参数。这些参数是芯波导的光学测量OM，或者芯波导与陷波波导，与基模限制因子Γ相关的一阶限制因子Γ_1st的平均比率以及基本结构的总厚度。

表2：示例性外延结构的其他特征参数

结构	OM	Γ<sub>1st</sub>/Γ	结构厚度(μm)
				a)对称	0.25	0.5	5.7
b)非对称w/o陷波波导	0.26	0.4	4.2
				c)分离的陷波波导	0.51	0.30	4.2
d)相邻的陷波波导	0.89	0.23	4.7

图9A至图9D和图10A至图10D和图12得出的，是评估横向结构用于反射镜保护的适用性的关键特征，其使用了在端部分段具有非常低的Γ值的垂直锥形端部分段。对于垂直锥形不变的端段，优选的横向结构是双波导结构。根据本发明的目的，横向结构是实现高效装置的第一构件。第二构件是端部分段的垂直锥形的纵向几何形状，并且也应该对其进行评估，以便保持传输损耗在较低值的高阶模式或者获得简化几何形状的低值。

垂直锥形的几何示例

对四种不同几何形状的结构c)而言在上包层3厚度的逐渐减小的情况下，对垂直锥形进行了评估(这些结构的关键词语用斜体表示)：

1)具有恒定斜率sl的连续线性垂直锥形几何形状(评估在上一节中完成)；

2)连续的指数衰减垂直锥形几何；

3)几乎没有具有相等的深度和相等的踩踏部的台阶的准线性垂直锥形几何形状；

4)具有几个台阶的准指数垂直锥形几何。

图13示意性地示出了用于端部分段竖直锥形的这四种几何形状。对于准线性和准指数锥形，添加了虚线以在视觉上帮助读者。

这些几何形状由函数s1(z)的形状表征。表3描述了这些函数。在这些示例中，连续的锥形具有等于100μm的长度，并且台阶状锥形的最后一个台阶的位置在小于100μm的距离处。仅针对结构c)对垂直锥形几何形状进行了评估，是用于具有端部分段的结构的最佳候选项之一。指数锥形2)在端部段的开始处更陡，并且朝向出口端更陡。对于相同长度的锥形，垂直锥形2)的这种斜率函数将使乘积C₀₁(z)s(z)更均匀并且将减小相对于线性锥形的传输损耗。准指数锥形4)，只有三个台阶，大致模拟了指数衰减锥形。台阶在端部分段的开始处较深，并且朝向末端处较浅。为了最小传输损耗，对这些台阶的沿着端部分段的位置进行选择。当沿着端部分段的长度充分传播时，所述选择利用从高阶模式到基模的反向耦合。算法计算第一蚀刻深度，z位置对应于第二台阶起始处的损耗最小值。在此位置处，第二蚀刻台阶开始并在新的损耗最小值的z位置处结束等等。准线性锥形3a)和3b)分别具有十个台阶和三个台阶。台阶是等距的，并有等于上升部。

表3：上包层厚度逐渐减小的特征斜率函数

在实践中，最好用逐渐的但是不连续的h减少来代替逐渐但连续减小的上包层的高度h，台阶式几何形状更容易实现。如果台阶数量足够大，例如大约十个台阶，则传输损耗几乎等于连续几何形状的传输损耗。更优选的是，台阶的个数是较小的数。只有三个台阶的情况下，在3阶准指数锥形的情况下，传输损耗可以降低到可接受的值。

图14示出了线性锥形1)与指数锥形2)之间的比较。线性锥形的曲线不断下降。在锥形的末端达到上包层厚度的最大减小量b。Γ值达到最小值，传输损耗最大值为2.5％。对于实际的设备而言，传输损耗小于10％仍然是可以接受的。曲线上的标记以1μm间隔来指示沿着锥形的值。标记的位置表明在锥形的端部变化更大。锥形端部处的较大变化与图8以及分别对应于图11A至图11D中所示的Γ因子和传输损耗L的较大变化b有关。

指数锥形2)具有振荡的传输损耗L，而Γ因子连续下降。振荡可以通过传输损耗对高阶模式的周期性依赖来解释，这些依赖与周期有关。由于锥形开始处的斜率更加陡峭，所以周期性依赖关系变得更容易可见。在开始处，传输损耗达到一个相对较高的值，Γ因子几乎没有下降。从这一点来看，传输损耗波动使整个传输损耗保持在一个非常低的值，小于0.3％。这个数值是非常小的，因为实际设备的传输损耗小于10％仍然是可以接受的。

图15示出十个台阶的准线性锥形3a)、三个台阶的准线性锥形3b)以及三个台阶的准指数锥形4)之间的比较。准线性锥形3a)和3b)的形状与线性锥形的形状非常相似，但是分别具有大约1.4×和10×传输损耗的增加。对于准线性锥形而言，图15中的标记对应于10μm间隔处的台阶位置以及相应地对应于33μm间隔处的台阶位置。当台阶间距离相等时，限制因子比值和传输损耗的变化量最大。

对于准指数锥形，通过算法选择台阶为1μm、22μm和46μm，所述算法通过最优地利用由于在每个台阶处的任何新耦合的固有相位差的固有存在而导致的损耗减小的优点来最小化最终的传输损耗。当到达一个台阶时，获得非常低的传输损耗，相对于已经传播的一个或多个更高阶模式，基模具有接近π弧度的相位差。已经传播的较高阶模式可以通过在该阶段新耦合的相同阶模式进行补偿。在图15中，这在最后一个台阶，其对应于准指数锥形的最后一个标记4)。传输损耗的大振荡由第一台阶上升部的深度值来帮助，这与端部分段开始处的指数渐变陡峭斜率具有类似的作用。图15示出了如果台阶设计良好，在选择台阶深度和台阶之间的距离时，小于4％的相对较低的传输损耗可以通过仅具有三个台阶的锥形获得。这个小的4％的传输损耗伴随着Γ因子的5倍下降，即窗口弹性相对于退化5倍地增加。对于实际的设备而言，传输损耗小于10％仍然是可以接受的。

十个台阶准线性锥形和精心设计的三个台阶准指数锥形最终具有相似的传输损耗，在Γ因子约化方面也有类似的优点。然而，如果不是非常困难的话，在晶圆上印刻10个台阶或更多台阶也是一项繁琐的工作。精心设计的树形渐变的成功与否，不仅取决于寻找梯级的值及其位置的算法，还取决于初始外延结构相对于其几何形状和光学特性的执行。

应该注意的是，在b₁＝0.75μm和h₁＝0.26μm的情况下。对于垂直锥形4)的第一台阶的折射率变化等于Δn＝0.0026。如果横向用于脊结构，则可以使用这个数量级的指数变化来获得具有端部分的脊的单模操作。这种由相同的上包层高度h₁所包围的分层结构的脊实际上是台面结构。

注意，图3表示与单个蚀刻台阶相关联的比率Γ/Γ₀以及对于每个深度值的相关损耗。图14和图15表示比率Γ/Γ₀与相应的传输损耗的关系，相关联的传输损耗对应于端部分段中的多个位置z处的多个蚀刻深度，其使得形成连续的垂直锥形或台阶式垂直锥形。Γ/Γ₀比率的最终值和传输损耗的最终值在整个端部分段锥形的末端获得。为了达到相同的最终Γ/Γ₀比率，对于单一蚀刻的情况，相关的损失大于40％，而对于锥形端部分段而言，相关联的损耗只有百分之几。

用于从基模获得最低传输损耗的垂直锥形的优选几何形状是连续的几何形状，线性和指数的，最优选的是指数连续的几何形状。具有准连续几何形状的优选竖直锥形用于从基模获得合理的传输损耗，但具有简单过程中可获得的简单几何形状，是具有几个台阶的准指数几何锥形，并且具有大约十个台阶。这些几何形状表明可以使用<＝100μm的垂直锥形将限制因子减小大于5倍，同时确保来自基模的传输损耗小于4％。

包含在多模半导体激光器中的端部分段

带有端部分段的结构可以主要用于带有单发射器(SE＝单发射器)的大面积激光器(BAL＝大面积激光器)。SE激光有条纹，其由主分段条纹组成，所述主分段条纹接着的是端部分段条纹。有源SE激光条纹相对较大，几十微米宽。如果几个这样宽的条纹被放置在一个单一装置中，则它们形成几毫米宽的阵列。宽半导体激光器支持多种横向模式。对于基本上具有相同长度的结构，使用端部分段允许将设备额定功率增加2至3倍，直到光电流特性中的侧翻为止。这种结构的优点是主要经济指标的增加，以每单位发电量的价格表示，价格基本上由每个设备的面积或总长度决定。

可以通过将上包层蚀刻成所期望的几何形状来获得端部分段。蚀刻是在平行于未来劈开方向的通道上完成的。半导体激光棒在两条分离线之间获得，这些分离线随后可以在半导体激光器芯片中分离。装置宽度被限定在纵向上的两条连续的分隔线之间，垂直于分割线。由于前后窗的端部分段不一定相同，因此对于每种类型的窗户，蚀刻都应该被单独定义。在这种类型的蚀刻的情况下，激光棒被“背靠背”放置在晶片上。

有时还需要通过蚀刻横向限定诸如SE激光器之类的单个装置。横向限定可以通过侧向纵向条纹进行横向限制。这些限制横向条纹也是通过蚀刻获得的。深度蚀刻低于端部分段的最后部分将限制活动条纹，包括其端部分段。为了获得均匀蚀刻的横向限制条纹，在蚀刻结束之后，需要在结构中包括蚀刻停止层。

与端部分段的最终蚀刻深度相比，可以通过相当低的蚀刻深度获得足够的折射率差。蚀刻工艺可以开始于在台面SE条纹周围进行蚀刻，接着对最终蚀刻道进行更深的蚀刻。在这种情况下，纵向蚀刻条纹仅光学地限制有源台面条纹。

包括到单模半导体激光器的端部分段

在下文中，几个例子将示出单模(SM)半导体激光器的出射窗口的端部分段的使用。SM激光器以单一空间模式运行。SM激光器最简单的几何形状是脊的几何形状。一般来说，SM脊形激光器的宽度必须在较高的值之间折中，这保证了较好的基模的侧向限制和较低的横向吸收，而较低的数值确保了消除或防止一阶横向模式。

图16示出脊形台面几何形状，其中，脊50由具有较低上包层厚度、较低有效折射率以及对有源区的较低限制因子Γ的区域41围绕。所包围的脊是台面结构并且可以通过第一蚀刻工艺获得。在脊下激发的辐射在窗口刻面51处出射。部分50和41之间的有效折射率之间的差异保证了脊下的横向基模的限制。脊之下和脊之前的有源区的限制因子Γ之间的比率确保朝向端面50处的退化的抵抗(resiliance)的增加。次级蚀刻的通道台阶42以补充的因子增加了这种抵抗。许多次级通道台阶也有可能进一步提高镜面反射率。对于双波导结构而言，在限制因子Γ减小5到10倍之后，有源波导的蚀刻也是可能的，波束传播在陷波波导中继续。

从脊输出开始，辐射在与脊宽度相关的角度内横向扩展。通过反射镜的部分几何反射，获得减少的激光反馈。镜面的光束扩展为镜面保护提供了一个补充的因子。端部分段可以起到补偿作用，用于滤除一阶模式和二阶模式，因为与基模的反馈减少相比，没有剩下限制并且它们的较大的横向延伸减小它们的反馈。

图17示出了沿着端部分段延续并且由脊形踩踏部41、42和43组成的脊部，脊形踩踏部41、42和43由单个最终横向蚀刻形成。比端部分段的最后部分43低的深度蚀刻将限制有源脊和端部分段台阶脊。该脊的最后一个脊形台阶43的折射率与侧向区域44的折射率之间的差值仅为横向基模的边界而调整。脊的其余部分的折射率之间的差异可以允许更高阶的横向模式。最后一个脊台阶43可以起到滤除高阶模式的作用。为了在端部通道被蚀刻后获得均匀的横向限制条纹，需要在结构中包括蚀刻停止层。

图18显示了更好地拒绝高阶横向模式的脊。沿着端部分段的长度，在每个台阶处，该脊由上包层3的较小侧向减小形成。用于脊外侧结构的上包层的厚度逐渐减小以更好地限制横向基模。当通过连续的脊部分时，横向基模沿着端部分段保持引导。该定制的蚀刻过程可以开始于形成由区域41围绕的台面50，随后连续推进形成围绕脊的分段41的区域42的掩模，然后在脊的分段42周围的区域43以及最后在脊的分段43周围的区域44。

图19示出了如果脊分段41、42、43具有朝向出射镜减小的宽度，则可以形成的变窄的横向锥形宽度。如果根据本发明的激光器在输出端具有非常低的横向限制因子，这补偿了窗口处增加的辐射浓度，并且避免了由较窄的近场引起的退化，则可以使用整个导向脊的减小的最终宽度，即横向变窄的锥形脊。如果沿横向y方向变窄的孔径达到x方向上的孔径值，激光器可以在输出处具有接近于圆形分布的近场分布从而与光纤更好的对接。可以获得连续的梯度垂直锥度与连续的侧向锥度的结合，然而代价是技术难度更大。

图20示出了使用以水平变窄的锥形结束的宽脊的构造。锥度可以很窄以至于基本上只允许横向基模离开。脊以具有几个通道台阶的端部分段继续，这极大地降低了出射镜51处的横向基模的限制因子，从而补偿窗口处增加的辐射浓度并避免了由较窄的近场引起的退化。根据其端部处的锥形脊宽度和端部分段的长度，可以使得出射点比宽脊宽度更窄。这样的结构增加了泵送装置的面积和从具有增大的弹性的单个空间模式到COD所发射的功率。

之前观察到，基模限制因子Γ以5至10的系数减小允许最后蚀刻有源区本身。基于这个观察结果是图21所示的结构。可以在具有双波导结构的装置的末端蚀刻柱面透镜。如果上包层被充分地减小以避免由蚀刻工艺引起的蚀刻表面的劣化，则蚀刻工艺可以在双波导中延伸而没有COD的危险。这样的透镜对于聚焦或聚焦出射光束是有用的。

图16至图21示出了出射刻面端部分段的不同用途。后反射镜也可以做同样的事情。图16和图17的横向基模的滤波动作也可以在后反射镜中使用。在后反射镜处，垂直扩展(从镜到主分段)锥形与横向扩展锥形相结合，可以在后反射镜附近启动SM操作，并且在放大主分段中扩展该模式，具有更大的宽度和更大的横向基模限制因子Γ。这种布置可以提供具有干净的远场的高功率SM设备。

包含用于分布式布拉格反射器的端部分段

在后反射镜处形成的如图17或图18所示的台阶结构的最后一个台阶通常可以有效地用于在这个末端处实现分布式布拉格反射器(DBR)。DBR通常与SM设备相关联，但还对BAL很有用。有效的DBR需要光栅中模态折射率的合理变化。如图10A至图10D所示，作为蚀刻深度b的函数的基模折射率的依赖性朝向上包层3的最大可能蚀刻深度更加明显。在标准的对称横向结构中，模态折射率的合理变化是通过将上包层3深度蚀刻到芯波导1而达到的，这使蚀刻变得更加困难。在图17和图18中，台阶43已经接近芯波导，使得可以通过相对较浅的蚀刻形成较薄的层来形成有效的光栅。对于具有双波导的结构，在有源波导的蚀刻之后可以获得更有效的光栅。在BAL和SM装置的端部分段实施梯度垂直锥形的多个实例表明，除了使用这些端部分段作为降低基模限制因子Γ的手段之外，它们也可以用于其它辅助用途：作为用于横向基模操作的滤波器，用于缩小横向近场，用于简化DBR的实现，用于晶片的晶片定义。垂直锥形可以用于上述目的组合。

参考文献

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虽然本发明已经以一些长度并且关于几个所描述的实施例具有一些特殊性进行了描述，但是并不意图将其限制于任何这样的细节或实施例或任何特定的实施例，而是应该以参考到所附权利要求，以便根据现有技术提供对这些权利要求的尽可能最广泛的解释，并且因此有效地涵盖了本发明的预期范围。此外，前面根据发明人预见到的实施例描述了本发明，尽管本发明的非实质性修改目前尚未预见，但仍然可以代表其等同形式。

Claims (10)

1.一种反射镜受保护的边缘发射器半导体激光器型装置，其包括两个反射镜，所述两个反射镜中的一个是出射镜，并且其在纵向上、在两个反射镜之间包括：

主分段(20)；以及

在所述主分段与其中出射镜之间的至少一个出射端部分段(21)；

所述反射镜受保护的边缘发射器半导体激光器型装置进一步包括在所述主分段的横向截面中的主分层光学结构，其在纵向方向上仅支持横向基模的放大，所述主分层光学结构包括：

有源波导(1)，其具有有源区；

上包层(3)，其包含延伸到所述有源波导上方的辐射；

下包层(2)，其包含延伸到有源波导下方的辐射；

所述下包层包括次级陷波波导(11)，其捕获在主分层光学结构中横向传输的一部分辐射，陷波波导通过中间隔离层与有源芯波导分离，或者，陷波波导与有源波导相邻；

所述反射镜受保护的边缘发射器半导体型激光器装置进一步包括：在纵向上在出射端部分段中的多个过渡的改型的分层光学结构(41、42、43、44、45)，所述多个改型的分层光学结构形成垂直锥形，所述垂直锥形始于所述主分段的主分层光学结构；

在横向方向、垂直于所述纵向方向上，所述主分段中和所述出射端部分段中的横向基模的场在有源波导以及陷波波导之间不同地分布，所述陷波波导被包括在下波导中；

在所述主分段中的有源区的横向基模限制因子比所述出射端部分段的过渡的改型的分层光学结构中的横向基模限制因子大；

在出射镜的有源区的横向基模的横向基模限制因子的降低，相应地降低在所述出射镜的退化过程的强度；

其特征在于，

所述出射端部分的过渡的改型的分层光学结构为垂直锥形，所述垂直锥形通过沿所述出射端部分的长度方向逐渐减小上包层的厚度来形成于所述上包层中；

所述垂直锥形在所述上包层中形成，而不会在有源区中产生引入退化缺陷的作用；

当所述横向基模通过所述端部分段的过渡的改型的结构朝向出射镜纵向传播时，所述主分段的有源区的横向基模的限制因子逐渐减小；

在出射端部分段中从一个过渡的改型的结构传播到另一过渡的改型的结构时通过模式耦合将横向基模的辐射通量传输到更高阶的横向模式，是通过对出射端部分段的上包层沿着所述出射端部分段的长度进行逐渐的且受控的厚度的减小来缓和的；并且

至少一个出射端部分段的末端的有源区横向基模限制因子相对于在主分段中的横向基模的限制因子的20％的限制因子比值，对应于在有源区出射镜处的退化过程的相应降低，并与横向基模的小于30％的耦合损耗的相关。

2.根据权利要求1所述的反射镜受保护的边缘发射器半导体激光器型装置，其中，所述下包层被构造成比所述上包层厚；并且所述下包层的折射率被构造成大于所述上包层的折射率。

3.根据权利要求2所述的反射镜受保护的边缘发射器半导体激光器型装置，其中，当包层均匀地远离双波导横向延伸时，只有横向基模横向传播，高阶横模被截止。

4.根据权利要求3所述的反射镜受保护的边缘发射器半导体激光器型装置，包括次级下包层，其被构造成以使得所述次级下包层位于主分层光学结构的下包层以及过渡的改型的分层光学结构的下方，以避免主分层光学结构及过渡的改型的分层光学结构与吸收衬底进行光学相互作用。

5.根据权利要求4所述的反射镜受保护的边缘发射器半导体激光器型装置，具有在上包层中的连续的下降的指数锥形，所述连续的下降的指数锥形形成在出射端部分段中；

由于刻蚀深度的增加，指数锥形的高度以沿纵向方向的距离为函数指数地减少；

所述刻蚀深度的一阶导数为，沿纵向方向的距离上的指数函数；

所述刻蚀深度的一阶导数为，沿纵向方向的距离的函数，其被设置成使得其与本征耦合系数的增函数的乘积均匀，所述本征耦合系数为基础横模与第一阶模式之间的耦合系数。

6.根据权利要求5所述的反射镜受保护的边缘发射器半导体激光器型装置，其中，

所述出射端部分段长100μm；

所述锥形形成在分层结构中，所述分层结构具有1μm厚的上包层；

限制因子的值减少大于5倍；并且

来自基模的传输损耗小于4％。

7.根据权利要求1所述的反射镜受保护的边缘发射器半导体激光器型装置，还包括，在所述主分段的上包层中和所述出射端部分段的上包层中的脊，所述脊包括垂直锥形，以通过降低出射端部分段的端部处的基模限制因子与未修改的主分段结构的基模限制因子之间的限制因子比值，使得在有源区的在所述出射端部分段的端部处的退化过程的相应的减少。

8.根据权利要求7所述的反射镜受保护的边缘发射器半导体激光器型装置，其中，通过降低所述限制因子会降低能量密度，所述能量密度引起出射镜的灾难性退化；并且所述脊的最终部分被构造以变窄的横向锥形及出射区域，并在所述出射镜处降低横向模式的大小。

9.根据权利要求1所述的反射镜受保护的边缘发射器半导体激光器型装置，还包括，台面结构，其在主分段的上包层中通过低的深度蚀刻形成，其限定脊，所述脊用于单个横向基模的传播，所述传播在垂直锥型中朝着出射镜方向延续，其降低了出射端部分段的端部处的基模限制因子与未修改的主分段结构的基模限制因子之间的限制因子比值，并相应地降低有源区的出射镜处的退化过程。

10.根据权利要求1所述的反射镜受保护的边缘发射器半导体激光器型装置，其中，所述出射镜被所述垂直锥形保护，并且在所述出射镜处形成柱面透镜。

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