CN107872006A - 一种表面发射半导体激光相干列阵器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种表面发射半导体激光相干列阵器件及其制备方法。器件包括设置在外延片P面的波导结构和外延片结构。波导结构包括光源模块、光束分离波导、增益列阵、光栅结构；光束分离波导将光源模块出射的单模单频激光光束进行分束；增益列阵将各子光束进行增益放大，光栅结构将增益放大的子光束衍射为沿相互垂直方向传播的二阶衍射光和一阶衍射光，二阶衍射光沿着传播方向振荡增益，一阶衍射光沿传播方向从出光孔激射；从外延片的N型衬底向上依次包括N型包层、N型光波导层、有源区、P型光波导层、P型包层；出光孔和N面金属电极设置在N型衬底的下表面，P面金属电极设置在P型包层上表面。本申请实现了高功率、高相干性激光输出。

Description

一种表面发射半导体激光相干列阵器件及其制备方法

技术领域

本发明实施例涉及激光器制造技术领域，特别是涉及一种表面发射半导体激光相干列阵器件及其制备方法。

背景技术

半导体激光器为利用半导体材料作为工作物质的激光器，具有小巧、高效、寿命长、易于集成等优势。表面发射半导体激光相干列阵器件，具有输出功率高、光束质量好、相干度高和激射光谱线宽窄等优势，可作为测量目标的精细参数的高精度探测系统的理想光源，如激光雷达、主动探测识别等应用。在半导体激光加工、光纤激光器和固体激光器泵浦等方面具有广泛的应用前景。

现有的表面发射半导体激光器列阵可包括垂直腔面发射半导体激光器列阵、外腔式面发射激光器列阵、表面发射分布反馈半导体激光列阵器件等。

尽管面发射半导体激光器列阵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，各类型的表面发射半导体激光器列阵仍存在各种问题。

垂直腔面发射半导体激光器列阵的各单元振荡模式间不存在相互耦合，会导致各单元激射光束的频率、相位出现不同程度的差异，引起列阵器件相干度大幅降低，相干性变差。

采用边发射半导体激光器和外腔反射镜组成的外腔式面发射激光器列阵，因其本身的结构复杂和各边发射激光器单元激射光束的频率不同，导致其对工作外部环境稳定性的要求很高，并且能量损失较大，无法实现高功率、高相干性激光输出。

常规表面发射分布反馈半导体激光列阵器件，一般采用内部耦合锁相方法实现距离很近的相邻单元光相互耦合，提高列阵器件的相干性，但是该种列阵单元间相互作用机制复杂，能量耦合强度不易控制，不适用于实现高功率激光输出。

鉴于此，如何实现高功率、高相干性的表面半导体激光输出，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种表面发射半导体激光相干列阵器件及其制备方法，实现了高功率、高相干性的表面半导体激光输出。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

本发明实施例一方面提供了一种表面发射半导体激光相干列阵器件，包括：

包括波导结构和外延片，所述波导结构设置在所述外延片的P面；

所述波导结构包括用于产生单频单模种子光源的光源模块、光束分离波导、增益列阵及光栅结构；

所述外延片在沿表面发射半导体激光相干列阵器件的纵向，从底部向上依次包括N型衬底、N型包层、N型光波导层、有源区、P型光波导层、P型包层；出光孔和N面金属电极设置在所述N型衬底的下表面，P面金属电极设置在所述P型包层上表面；

所述光束分离波导设置在光源模块后端，用于将所述光源模块出射的激光光束分为多束子光束，并传输至所述增益列阵；所述增益列阵设置在所述光束分离波导后端，用于将各子光束进行增益放大；所述光栅结构用于将增益放大的各子光束分别衍射为沿相互垂直方向传播的二阶衍射光和一阶衍射光，各二阶衍射光沿着传播方向进行振荡增益之后，进行选模和反馈，各一阶衍射光沿传播方向从底部出光孔激射。

可选的，所述光源模块为一阶反射光栅耦合第一波导，所述第一反射光栅设置在所述第一波导上。

可选的，所述第一波导为脊型波导。

可选的，还包括：

高反膜，设置在所述脊型波导的外侧端面。

可选的，所述增益列阵为脊型波导列阵。

可选的，所述光束分离波导为主动多模干涉波导。

可选的，所述光栅结构包括二阶衍射光栅和一阶反射光栅；

所述二阶衍射光栅位于所述增益列阵中部，用于将各子光束分别衍射为沿表面发射半导体激光相干列阵器件横向传播的二阶衍射光和沿所述表面发射半导体激光相干列阵器件纵向传播的一阶衍射光，各二阶衍射光沿着传播方向进行振荡增益，各一阶衍射光沿传播方向从所述表面发射半导体激光相干列阵器件底部的出光孔激射；

所述一阶反射光栅设置在所述增益阵列的尾部，用于将各二阶衍射光进行选模和反馈。

可选的，还包括：

抗反膜，设置在所述增益列阵的外侧端面。

可选的，所述有源区为量子阱有源区或量子点有源区。

本发明实施例另一方面提供了一种表面发射半导体激光相干列阵器件制备方法，包括：

将金属有机化合物利用气相沉积技术生长在N型掺杂的GaAs衬底，以作为N型GaAs外延衬底；

在所述N型GaAs外延衬底上方，依次制备N型包层、N型光波导层、有源区、P型光波导层、P型包层，所述P型包层上表面设置P面金属电极；

采用全息光刻/电子束曝光和等离子刻蚀技术制作光栅结构；

采用I-line光刻和等离子刻蚀技术将脊型波导、光束分离波导、列阵波导，刻蚀在所述P型光波导层，刻蚀深度大于光栅结构的深度；

在所述N型GaAs外延衬底的下表面制备N面金属电极和出光孔。

本发明实施例提供了一种表面发射半导体激光相干列阵器件，包括设置在外延片P面的波导结构和外延片结构；波导结构包括光源模块、光束分离波导、增益列阵、光栅结构；光束分离波导将光源模块出射的单模单频激光光束分为多束子光束；增益列阵将光束分离波导出射的各子光束进行增益放大，光栅结构将增益放大的各子光束分别衍射为沿相互垂直方向传播的二阶衍射光和一阶衍射光，各二阶衍射光沿着传播方向进行振荡增益之后，进行选模和反馈，各一阶衍射光沿传播方向从底部出光孔激射；从外延片的N型衬底结构向上依次包括N型包层、N型光波导层、有源区、P型光波导层、P型包层；出光孔和N面金属电极设置在N型衬底的下表面，P面金属电极设置在P型包层上表面。

本申请提供的技术方案的优点在于，将相位确定的单模单频种子激光场进行分束增益放大，再通过二阶衍射光栅将多路单模单频激光场衍射为沿波导方向振荡增益的二阶衍射光和从衬底方向激射的一阶衍射光，使激光列阵器件的输出光场满足频率相同、相位差固定、单模激射相干条件，提高了半导体激光器列阵的相干性、稳定性和结构紧凑性，同时大大提升了激光器的输出功率，实现了高功率、高相干性激光输出；此外，器件制作简单，结构紧凑，体积小，且表面出光方式大幅提高半导体激光器的腔面光学损伤阈值，适用于激光雷达、主动探测识别等对光源的相干性和输出功率要求较高的高精度探测领域应用。

此外，本发明实施例还针对表面发射半导体激光相干列阵器件提供了相对应的制备方法，进一步使得所述表面发射半导体激光相干列阵器件更具有可行性，所述方法具有相应的优点。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，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为本发明实施例提供的表面发射半导体激光相干列阵器件的一种具体实施方式结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种表面发射半导体激光相干列阵器件的底部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的表面发射半导体激光相干列阵器件的另一种具体实施方式结构图；

图4为本发明实施例提供的表面发射半导体激光相干列阵器件的再一种具体实施方式结构图；

图5为本发明实施例提供的一种表面发射半导体激光相干列阵器件制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

在介绍了本发明实施例的技术方案后，下面详细的说明本申请的各种非限制性实施方式。

首先请参见图1，图1为本发明实施例提供的表面发射半导体激光相干列阵器件在一种具体实施方式下的结构框图，本发明实施例可包括以下内容：

表面发射半导体激光相干列阵器件可包括波导结构1和外延片2，波导结构设置在所述外延片的P面。

波导结构1包括光源模块11、光束分离波导12、增益列阵13和光栅结构14。

光源模块11可为一阶反射光栅耦合第一波导，第一反射光栅设置在第一波导上，用于产生单频单模的种子光源。

由于脊形波导具有低主模截止频率、宽频带和低阻抗特性，出射高质量光束，在一种具体的实施方式下，第一波导可为脊型波导，当然，也可为其他类型的波导，这均不影响本申请的实现。

为了有效防止外部环境中的光源对光源模块11出射的光源的影响，可在第一波导的外侧表面上设置高反膜。

光束分离波导12设置在光源模块11后端，将光源模块11出射的激光光束分离为多束子光束，并传输至增益列阵13中。在一种优选的实施方式中，光束分离波导可为主动多模干涉波导(即MMI波导)，基于MMI波导的Talbot效应和多模波导自成像现象，单频单模激光分束输入到下一级增益列阵区，以保证增益列阵单元内振荡的光模式均为相同频率的基横模。

增益列阵13设置在光束分离波导12后端，用于将同频基横模进行增益放大。由于脊型波导的优势，增益列阵可为脊型波导列阵，为了提高激光输出的高相干性，还可在增益列阵13的外侧表面设置抗反膜。

光栅结构14用于将增益放大的各子光束分别衍射为沿相互垂直方向传播的二阶衍射光和一阶衍射光，各二阶衍射光沿着传播方向进行振荡增益之后，进行选模和反馈，各一阶衍射光沿传播方向从底部出光孔激射。

在一种具体的实施方式中，光栅结构14可包括二阶衍射光栅和一阶反射光栅。

二阶衍射光栅位于增益列阵13中部，用于将各子光束分别衍射为沿表面发射半导体激光相干列阵器件横向传播的二阶衍射光和沿表面发射半导体激光相干列阵器件纵向传播的一阶衍射光，各二阶衍射光沿着传播方向进行振荡增益，各一阶衍射光沿传播方向从表面发射半导体激光相干列阵器件底部的出光孔激射。一阶反射光栅设置在增益阵列的尾部，用于将各二阶衍射光进行选模和反馈，最终实现高功率高光束质量表面激光输出。

外延片2在沿表面发射半导体激光相干列阵器件的纵向，从底部向上可依次包括N型衬底21、N型包层22、N型光波导层23、有源区24、P型光波导层25、P型包层26。

N型衬底21的下表面上设有出光孔和N面金属电极，表面发射半导体激光相干列阵器件的底部结构示意图请参阅图2所示。

P型包层26的上表面设有P面金属电极。

有源区可为量子阱有源区或量子点有源区。

在本发明实施例提供的技术方案中，将相位确定的单模单频种子激光场进行分束增益放大，再通过二阶衍射光栅将多路单模单频激光场衍射为沿波导方向振荡增益的二阶衍射光和从衬底方向激射的一阶衍射光，使激光列阵器件的输出光场满足频率相同、相位差固定、单模激射相干条件，提高了半导体激光器列阵的相干性、稳定性和结构紧凑性，同时大大提升了激光器的输出功率，实现了高功率、高相干性激光输出；此外，器件制作简单，结构紧凑，体积小，且表面出光方式大幅提高半导体激光器的腔面光学损伤阈值，适用于激光雷达、主动探测识别等对光源的相干性和输出功率要求较高的高精度探测领域应用。

为了方便本领域技术人员更加清楚明白本申请提供的技术方案的原理和思想，本申请还提供了具体的实施例，请参阅图3及图4，图3为表面发射半导体激光相干列阵器件立体图，图4为图3的表面发射半导体激光相干列阵器件对应的主视图，具体可包括：

表面发射半导体激光器相干列阵器件的谐振腔结构沿X方向依次排布，可由高反膜31、一阶反射光栅32、脊型波导33、MMI光束分离波导34、脊型列阵波导35、二阶衍射光栅36、一阶反射光栅37、抗反膜38构成。一阶反射光栅32耦合脊型波导33结构作为单频单模的种子光源；基于MMI结构的光波分束波导34，将单频单模激光分束输入到下一级半导体脊型列阵波导35阵区，以保证脊型列阵波导35单元内振荡的光模式均为相同频率的基横模；脊型列阵波导35将各脊型波导33中的同频基横模激光进行增益放大；二阶衍射光栅36，将各路单频单模光束进行衍射成为沿X方向的二阶衍射光和Y方向传播的一阶衍射光，其中二阶衍射光继续沿X方向进行振荡增益，一阶衍射光沿Y方向从底面出光孔激射；一阶反射光栅37对X方面传播的二阶衍射光进行选模与反馈，最终实现高功率高光束质量表面激光输出。

外延片沿Y方向自下而上依次为底面出光孔317、N面金属电极316、N型衬底315、N型包层314、N型光波导层313、有源区312、P型波导层311、P型包层310、P面金属电极309。

由上可知，本发明实施例基于主动多模干涉波导的Talbot效应和多模波导自成像现象，将相位确定的单模单频种子激光场进行分束增益放大，再通过二阶衍射光栅将多路单模单频激光场衍射为沿波导方向振荡增益的二阶衍射光和从衬底方向激射的一阶衍射光，使激光列阵器件的输出光场满足频率相同、相位差固定、单模激射等相干条件，提高激光列阵器件的相干性，有效的提高了半导体激光器列阵的相干性、稳定性和结构紧凑性，同时大大提升激光器的输出功率。

本发明实施例还针对表面发射半导体激光相干列阵器件提供了相对应的表面发射半导体激光相干列阵器件制备方法，进一步使得所述系统更具有可行性。下面对本发明实施例提供的表面发射半导体激光相干列阵器件制备方法进行介绍，下文描述的表面发射半导体激光相干列阵器件制备方法与上文描述的表面发射半导体激光相干列阵器件可相互对应参照。

参见图5，图5为本发明实施例提供的一种表面发射半导体激光相干列阵器件制备方法的流程示意图，制备的工艺流程图具体可如下所示：

S501：将金属有机化合物利用气相沉积技术生长在N型掺杂的GaAs衬底，以作为N型GaAs外延衬底。

表面发射半导体激光相干列阵器件的出光波长可为780-1064nm，材料体系可为GaAs/InGaAs/AlGaAs，当然，也可为其他材料体系，这均不影响本申请的实现。

表面发射半导体激光相干列阵器件的外延片可利用气相沉积技术将金属有机化合物沉积在N型掺杂的GaAs衬底上，然后在制作基本外延结构。

当然，也可采用其他技术，将金属有机化合物生长在衬底上，这均不影响本申请的实现。

S502：在N型GaAs外延衬底上方，依次制备N型包层、N型光波导层、有源区、P型光波导层、P型包层，P型包层上表面设置P面金属电极。

S503：采用全息光刻/电子束曝光和等离子刻蚀技术制作光栅结构。

具体可采用全息光刻/电子束曝光和等离子刻蚀技术制作一阶反射光栅、二阶衍射光栅及一阶反射光栅，当然，也可使用其他技术，这均不影响本申请的实现。

S504：采用I-line光刻和等离子刻蚀技术将脊型波导、光束分离波导、列阵波导，刻蚀在P型光波导层，刻蚀深度大于光栅结构的深度。

当然，也可使用其他技术制备波导，脊型波导、光束分离波导、列阵波导，在P型光波导层的刻蚀深度均大于一阶反射光栅、二阶衍射光栅及一阶反射光栅刻蚀深度。

S505：在N型GaAs外延衬底的下表面制备N面金属电极和出光孔。

具体可采用I-line光刻和lift-off技术，在N型GaAs外延衬底的下表面的N面金属电极后制备出光孔，当然，也可使用其他技术，本申请对此不做任何限定。

此外，还可在表面发射半导体激光相干列阵器件的左侧，脊型波导的外侧端面镀高反膜；还可在其右侧，脊型列阵波导的外侧端面镀抗反膜。

需要说明的是，各步骤之间没有限定先后顺序，在具体的制备过程中，本领域技术人员可根据具体的实际情况进行选择制备的先后顺序。

本发明实施例所述表面发射半导体激光相干列阵器件制备方法，可根据上述表面发射半导体激光相干列阵器件的各功能模块功能的具体实现，其具体实现过程可以参照上述系统实施例的相关描述，此处不再赘述。

由上可知，本发明实施例将相位确定的单模单频种子激光场进行分束增益放大，再通过二阶衍射光栅将多路单模单频激光场衍射为沿波导方向振荡增益的二阶衍射光和从衬底方向激射的一阶衍射光，使激光列阵器件的输出光场满足频率相同、相位差固定、单模激射相干条件，提高了半导体激光器列阵的相干性、稳定性和结构紧凑性，同时大大提升了激光器的输出功率，实现了高功率、高相干性激光输出；此外，器件制作简单，结构紧凑，体积小，且表面出光方式大幅提高半导体激光器的腔面光学损伤阈值，适用于激光雷达、主动探测识别等对光源的相干性和输出功率要求较高的高精度探测领域应用。

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它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，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、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。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。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的一种表面发射半导体激光相干列阵器件及其制备方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种表面发射半导体激光相干列阵器件，其特征在于，包括波导结构和外延片，所述波导结构设置在所述外延片的P面；

所述波导结构包括用于产生单频单模种子光源的光源模块、光束分离波导、增益列阵及光栅结构；

所述外延片在沿表面发射半导体激光相干列阵器件的纵向，从底部向上依次包括N型衬底、N型包层、N型光波导层、有源区、P型光波导层、P型包层；出光孔和N面金属电极设置在所述N型衬底的下表面，P面金属电极设置在所述P型包层上表面；

所述光束分离波导设置在光源模块后端，用于将所述光源模块出射的激光光束分为多束子光束，并传输至所述增益列阵；所述增益列阵设置在所述光束分离波导后端，用于将各子光束进行增益放大；所述光栅结构用于将增益放大的各子光束分别衍射为沿相互垂直方向传播的二阶衍射光和一阶衍射光，各二阶衍射光沿着传播方向进行振荡增益之后，进行选模和反馈，各一阶衍射光沿传播方向从底部出光孔激射。

2.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光相干列阵器件，其特征在于，所述光源模块为一阶反射光栅耦合第一波导，所述第一反射光栅设置在所述第一波导上。

3.根据权利要求2所述的表面发射半导体激光相干列阵器件，其特征在于，所述第一波导为脊型波导。

4.根据权利要求3所述的表面发射半导体激光相干列阵器件，其特征在于，还包括：

高反膜，设置在所述脊型波导的外侧端面。

5.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光相干列阵器件，其特征在于，所述增益列阵为脊型波导列阵。

6.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光相干列阵器件，其特征在于，所述光束分离波导为主动多模干涉波导。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的表面发射半导体激光相干列阵器件，其特征在于，所述光栅结构包括二阶衍射光栅和一阶反射光栅；

所述二阶衍射光栅位于所述增益列阵中部，用于将各子光束分别衍射为沿表面发射半导体激光相干列阵器件横向传播的二阶衍射光和沿所述表面发射半导体激光相干列阵器件纵向传播的一阶衍射光，各二阶衍射光沿着传播方向进行振荡增益，各一阶衍射光沿传播方向从所述表面发射半导体激光相干列阵器件底部的出光孔激射；

所述一阶反射光栅设置在所述增益阵列的尾部，用于将各二阶衍射光进行选模和反馈。

8.根据权利要求7所述的表面发射半导体激光相干列阵器件，其特征在于，还包括：

抗反膜，设置在所述增益列阵的外侧端面。

9.根据权利要求8所述的表面发射半导体激光相干列阵器件，其特征在于，所述有源区为量子阱有源区或量子点有源区。

10.一种表面发射半导体激光相干列阵器件制备方法，其特征在于，包括：

将金属有机化合物利用气相沉积技术生长在N型掺杂的GaAs衬底，以作为N型GaAs外延衬底；

在所述N型GaAs外延衬底上方，依次制备N型包层、N型光波导层、有源区、P型光波导层、P型包层，所述P型包层上表面设置P面金属电极；

采用全息光刻/电子束曝光和等离子刻蚀技术制作光栅结构；

采用I-line光刻和等离子刻蚀技术将脊型波导、光束分离波导、列阵波导，刻蚀在所述P型光波导层，刻蚀深度大于光栅结构的深度；

在所述N型GaAs外延衬底的下表面制备N面金属电极和出光孔。