CN109244828B - 一种基于pt布拉格反射波导的高功率半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

一种基于pt布拉格反射波导的高功率半导体激光器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器及其制备方法，属于半导体激光器技术，该装置包括InP衬底和InP包层，InP衬底和InP包层内设置有低折射率中心腔和位于低折射率中心腔两侧的PT布拉格反射光栅区；低折射率中心腔由低折射率材料包裹高折射率条波导构成，PT布拉格反射光栅区包括量子阱结构。本发明可实现高输出功率，同时该激光器具有能量转换效率(PCE)高、COD阈值高、激射阈值低、易散热等优点。

Description

一种基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器及其制备 方法
技术领域
本发明涉及一种基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器及其制备方法，属于半导体激光器技术领域。
背景技术
高功率半导体激光器由于体积小、重量轻、运转可靠、效率高，现已广泛应用于激光通信、固体激光器激射光源、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面。
一般来说，高功率激光器大都是端面发射，因为这种方式制作工艺简单、而且能够保证激光器横向单模从而有利于光纤耦合。高功率激光器能够达到的最大输出功率主要取决于光学灾变损伤(catastrophic optical damage,COD)，它是由于半导体结因超过功率密度而过载并吸收太多增益产生的光能，导致腔面或腔内区域的熔化、再结晶，受影响的区域将产生大量的晶格缺陷，从而破坏器件的性能。
传统的脊波导(ridge waveguide,RWG)和掩埋异质结(buried heterostructure,BH)单模激光器由于其模场面积较小而难以实现高功率输出，所以很多结构被提出用来克服这种缺陷。比如，楔形结构激光器(tapered laser)和倾斜光栅分布反馈激光器(angled-grating distributed feedback laser)，但是前者的激射波束不稳定，后者的制作工艺复杂，而且这两者的光束很难有效的耦合进光纤。基于布拉格反射波导(modified Bragg-like waveguide)的单横模激光器可实现高功率输出和圆形远场的输出，但这些结构都需要毫米量级的纵向腔长。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种利用宇称-时间对称(parity-time，PTsymmetry)的布拉格反射波导激光器(Bragg reflection waveguide laser,PT-BRW)，即基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器及其制备方法，可实现高输出功率，同时该激光器具有能量转换效率(PCE)高、COD阈值高、激射阈值低、易散热的优点。
术语解释：
宇称-时间对称：parity-time symmetry，简称PT；
PT布拉格反射波导：指宇称-时间对称的布拉格反射波导。
本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器，包括InP衬底和InP包层，所述InP衬底和InP包层内设置有低折射率中心腔和位于低折射率中心腔两侧的PT布拉格反射光栅区，低折射率中心腔和PT布拉格反射光栅区都贯穿于整个z轴，两侧的PT布拉格反射光栅区为注入区；
所述低折射率中心腔由低折射率材料(如SiO2等)包裹高折射率条波导构成，所述PT布拉格反射光栅区包括量子阱结构(quantum wells,QWs)。
优选的，所述InP衬底是下端面和InP包层的上端面设置有接触电极。
优选的，所述低折射率中心腔由SiO2材料包裹较窄的InAlGaAs条波导构成，所述低折射率中心腔的有效折射率低于两侧的PT布拉格反射光栅区的有效折射率，中心腔较两侧的布拉格反射区折射率低，这样设置中心腔的尺度可以做大，同时激射模式的能量可以更多的分布在两侧的PT布拉格光栅区。
优选的，两侧的PT布拉格反射光栅区相对于低折射率中心腔对称分布，激射模式稳定，制备工艺简单。
优选的，所述PT布拉格反射光栅区从上往下包括上层、中间层和下层，所述上层为InGaAsP/InP光栅层，中间层为InAlGaAs量子阱有源层，下层为掺杂InAlGaAs/InP光栅层，以实现PT结构中的光吸收和滤模，光吸收是通过下层掺杂的InAlGaAs/InP实现；滤模是通过上层、中间层和下层三层共同作用实现的，由于传统布拉格光栅本身就具有选模的作用，本发明的基于PT的布拉格光栅，PT结构既包含增益、损耗，还包含折射率高低起伏变化，本发明中，上层提供折射率高低起伏变化，中间层提供增益，下层提供损耗。
优选的，所述InGaAsP/InP光栅层的光栅周期与掺杂InAlGaAs/InP光栅层的光栅周期交错四分之一周期。
在功能上，上层的InGaAsP/InP光栅层实现PT布拉格光栅区实部(折射率)的周期变化，中间层的InAlGaAs量子阱有源层提供增益，而下层与中间层共同实现PT布拉格光栅虚部(增益/损耗)的周期变化。
对于单侧的PT布拉格反射光栅区而言，PT布拉格光栅区的周期为Λ，每个周期又分为4个组成部分，每个组成部分对应的折射率为n1,n2,n3,n4，4个组成部分构成一个周期，根据PT对称的要求，这4个组成部分的折射率分布应满足实部偶对称，虚部奇对称的空间分布，如公式1所示，其中n1,n2,n3,n4分别对应一个布拉格周期内4个组成部分的折射率分布，n0为平均折射率，△n为实部折射率变化，△n’为虚部折射率(即增益或损耗)，
另一方面，本发明还提供上述一种基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器的制备方法，包括以下步骤：
(1)基于InP衬底制备两侧的PT布拉格反射光栅区；
(2)制备低折射率中心腔。
优选的，所述步骤(1)进一步为：
(101)基于InP衬底，采用电子束曝光制备光掩刻板，并利用干法刻蚀工艺对InP衬底进行刻蚀；
(102)填充InAlGaAs层并进行掺杂，并在该层上面生长一层InP，形成下层的掺杂InAlGaAs/InP光栅层；
(103)进行中间层InAlGaAs量子阱有源层的外延生长，形成InAlGaAs量子阱有源层；
(104)进行上层的InGaAsP层生长，利用光掩模和干法刻蚀工艺对InGaAsP层进行刻蚀，采用InP填充InGaAsP层，形成InGaAsP/InP光栅层，其中，InGaAsP/InP光栅层的光栅周期与掺杂InAlGaAs/InP光栅层的光栅周期交错四分之一周期。
优选的，所述步骤(2)进一步为：
(201)对半导体激光器的中心腔进行刻蚀，再对中心腔填充低折射率的SiO2材料；
(202)进一步对中间的高折射率区域进行刻蚀，中心填充高折射率的InAlGaAs，再覆盖SiO2层；
(203)刻蚀掉两侧的PT布拉格反射光栅区的SiO2，再生长InP层，形成InP包层；
(204)在InP包层的上端面覆盖接触电极，得到最终器件。
值得注意的是，本发明中电子束曝光制备光掩刻板、干法刻蚀工艺、掺杂、光掩模和干法刻蚀工艺等均可采用现有技术进行，此处不再赘述。
本发明的有益效果为：
1)本发明的激光器的法布里-珀罗腔(Fabry-Perot,FP)由低折射率中心腔和两侧的PT布拉格反射光栅区组成，利用低折射率中心腔的条波导和两侧对称分布的PT布拉格反射光栅共同作用，低折射率中心腔中如果包含高折射率条波导，激射模式稳定，两侧对称分布的PT布拉格反射光栅能够提供系统所需的增益和滤模功能，传统布拉格光栅本身就具有选模的作用，但是两侧同时有布拉格光栅时，系统会存在耦合模，本发明采用PT布拉格反射光栅，PT的好处就是可以抑制掉耦合模，提取出我们需要的激射模式，在横截面上(横向上)提供滤模功能以保证单横模输出。
2)本发明的激射模的光场主要集中在低折射率中心腔，可以使激光器具有更高的COD阈值；本发明将电注入分散在两侧的PT布拉格反射光栅区，注入面积较传统激光器大，不仅减小了器件的输入电阻和热效应，实现较高的能量转换效率(power conversionefficiency，PCE)，而且较大的注入面积更有利于散热。
3)由于低折射率中心腔到两侧PT布拉格反射光栅区的光场强度逐渐减小，在远离低折射率中心腔的外侧反射光栅区域，用无源布拉格光栅代替有源PT光栅，从而进一步提高注入效率。
综上，本发明的基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器，可实现高输出功率，同时该激光器具有能量转换效率(PCE)高、COD阈值高、激射阈值低、易散热、腔长短等优点。
附图说明
图1为本发明的基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器的截面示意图；
图2为本发明的基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器的结构示意图；
图3为图2中低折射率中心腔和两侧的PT布拉格反射光栅区的有效折射率分布图；
图4中(a)～(o)为本发明的基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器的制备过程示意图；
图5中，(a)为横截面二维等效结构图，(b)为激射模近场的仿真结果，(c)为激射模远场的仿真结果；
图6为不同电流下的输出功率和能量转换率的曲线图。
具体实施方式：
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1：
一种基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器，如图1所示，包括InP衬底1和InP包层2，InP衬底1和InP包层2内设置有低折射率中心腔3和位于低折射率中心腔3两侧的PT布拉格反射光栅区5，低折射率中心腔3和PT布拉格反射光栅区5都贯穿于整个z轴，如图2所示；
低折射率中心腔3由低折射率材料包裹高折射率条波导构成，PT布拉格反射光栅区5包括量子阱结构。
实施例2：
一种基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器，结构如实施例1所示，其不同在于，InP衬底1是下端面和InP包层2的上端面设置有接触电极4，如图2所示，y方向上下底面是接触电极4，电流由此注入。
实施例3：
一种基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器，结构如实施例2所示，其不同在于，低折射率中心腔3由SiO2材料3-1包裹InAlGaAs条波导3-2构成，低折射率中心腔3的有效折射率低于两侧的PT布拉格反射光栅区的有效折射率。
实施例4：
一种基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器，结构如实施例3所示，其不同在于，两侧的PT布拉格反射光栅区5相对于低折射率中心腔3对称分布。
实施例5：
一种基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器，结构如实施例4所示，其不同在于，PT布拉格反射光栅区5从上往下包括上层、中间层和下层，上层为InGaAsP/InP光栅层5-1，中间层为InAlGaAs量子阱有源层(QWs)5-2，下层为掺杂InAlGaAs/InP光栅层5-3，InGaAsP/InP光栅层5-1的光栅周期与掺杂InAlGaAs/InP光栅层5-3的光栅周期交错四分之一周期。
实施例6：
一种基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器，结构如实施例5所示，其不同在于，如图3所示，对于单侧的PT布拉格反射光栅区5，PT布拉格反射光栅区5的周期为Λ，每个周期分为4个组成部分，每个组成部分对应的折射率为n1,n2,n3,n4，4个组成部分构成一个周期，这4个组成部分的折射率分布n应满足实部偶对称，虚部奇对称的空间分布，如公式(1)所示，其中n1,n2,n3,n4分别对应一个周期内4个组成部分的折射率分布，n0为平均折射率，△n为实部折射率变化，△n’为虚部折射率(即增益或损耗)，
实施例7：
一种实施例6所示的基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器的制备方法，如图4中(a)～(o)所示，包括以下步骤：
(1)基于InP衬底1制备两侧的PT布拉格反射光栅区5；
(2)制备低折射率中心腔3；
其中，步骤(1)进一步为：
(101)基于InP衬底1，采用电子束曝光制备光掩刻板，并利用干法刻蚀工艺对InP衬底1进行刻蚀；
(102)填充InAlGaAs层并进行掺杂，并在该层上面生长一层InP，形成下层的掺杂InAlGaAs/InP光栅层5-3；
(103)进行中间层InAlGaAs量子阱有源层的外延生长，形成InAlGaAs量子阱有源层5-2；
(104)进行上层的InGaAsP层生长，利用光掩模和干法刻蚀工艺对InGaAsP层进行刻蚀，采用InP填充InGaAsP层，形成InGaAsP/InP光栅层5-1，其中，InGaAsP/InP光栅层5-1的光栅周期与掺杂InAlGaAs/InP光栅层5-3的光栅周期交错四分之一周期。
步骤(2)进一步为：
(201)对半导体激光器的中心腔进行刻蚀，再对中心腔填充低折射率的SiO2材料；
(202)进一步对中间的高折射率区域进行刻蚀，中心填充高折射率的InAlGaAs，再覆盖SiO2层；
(203)刻蚀掉两侧的PT布拉格反射光栅区的SiO2，再生长InP层，形成InP包层2；
(204)在InP包层2的上端面覆盖接触电极4。
如图2所示，y方向上下底面是接触电极，电流由此注入，FP腔沿z方向腔长为L，FP腔的两个反射端面位于z＝0和z＝L，并分别设置反射率为R1＝0.1，R2＝0.9，光由反射率低的R1端面激射。
图5(a)、5(b)和5(c)分别为横截面二维等效结构图、激射模近场仿真结果和激射模远场仿真结果，图5(a)是仿真计算时用到的横截面二维等效结构，图5(b)是近场仿真结果图，也就是在横截面上解出来激射模式的能量分布图，图中可以看出中心能量最高，在两侧的PT布拉格反射光栅区能量分布呈波纹状，亮条纹刚好分布在增益区，暗条纹刚好分布在损耗区，这样这个激射模式得到的增益最大；图5(c)是远场仿真结果图，显示出可以进行光纤耦合的可能性。
图6为在不同电流下的输出功率和能量转换率的曲线图，其横坐标为为注入电流，纵坐标有两个，左侧是输出功率，右侧是能量转化效率PCE，其中，曲线分两组，每一组都用椭圆圈起来，并带有箭头指向对应的纵坐标，每一组曲线包含三种颜色对应三个不同腔长的激光器；
图中呈近似直线上升的三条线表示不同注入电流下的输出功率；图中先先急剧上升又趋于平稳的三条线表示不同注入电流下的PCE，另外，右下角的插入图表示输出功率的细节图，从中可以看出具体的阈值。
通过图6可以看出：一般高功率激光器腔长都要做到毫米量级，而本发明的激光器，在同样级别的输出功率下，腔长最短可以做到300微米；PCE可以高到约65％。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器，其特征在于，包括InP衬底和InP包层，所述InP衬底和InP包层内设置有低折射率中心腔和位于低折射率中心腔两侧的PT布拉格反射光栅区，PT为宇称-时间对称的简称；
所述低折射率中心腔由低折射率材料包裹高折射率条波导构成，所述PT布拉格反射光栅区包括量子阱结构；
两侧的PT布拉格反射光栅区相对于低折射率中心腔对称分布；
所述PT布拉格反射光栅区从上往下包括上层、中间层和下层，所述上层为InGaAsP/InP光栅层，中间层为InAlGaAs量子阱有源层，下层为掺杂InAlGaAs/InP光栅层；
具有三层结构的PT布拉格反射光栅区位于低折射率中心腔x轴的两侧，且y轴为电流注入方向，FP腔沿z轴方向。
2.根据权利要求1所述的基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器，其特征在于，所述InP衬底的下端面和InP包层的上端面设置有接触电极。
3.根据权利要求2所述的基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器，其特征在于，所述低折射率中心腔由SiO2材料包裹InAlGaAs条波导构成，所述低折射率中心腔的有效折射率低于两侧的PT布拉格反射光栅区的有效折射率。
4.根据权利要求3所述的基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器，其特征在于，所述InGaAsP/InP光栅层的光栅周期与掺杂InAlGaAs/InP光栅层的光栅周期交错四分之一周期。
5.根据权利要求4所述的基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器，其特征在于，对于单侧的PT布拉格反射光栅区，PT布拉格反射光栅区的周期为Λ，每个周期分为4个组成部分，每个组成部分对应的折射率为n1,n2,n3,n4，4个组成部分构成一个周期，这4个组成部分的折射率分布n应满足实部偶对称，虚部奇对称的空间分布，如公式(1)所示，其中n1,n2,n3,n4分别对应一个周期内4个组成部分的折射率分布，n0为平均折射率，Δn为实部折射率变化，Δn’为虚部折射率，
6.一种权利要求5所述的基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基于InP衬底制备两侧的PT布拉格反射光栅区；
(2)制备低折射率中心腔。
7.根据权利要求6所述的基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)进一步为：
(101)基于InP衬底，采用电子束曝光制备光掩刻板，并利用干法刻蚀工艺对InP衬底进行刻蚀；
(102)填充InAlGaAs层并进行掺杂，并在该层上面生长一层InP，形成下层的掺杂InAlGaAs/InP光栅层；
(103)进行中间层InAlGaAs量子阱有源层的外延生长，形成InAlGaAs量子阱有源层；
(104)进行上层的InGaAsP层生长，利用光掩模和干法刻蚀工艺对InGaAsP层进行刻蚀，采用InP填充InGaAsP层，形成InGaAsP/InP光栅层，其中，InGaAsP/InP光栅层的光栅周期与掺杂InAlGaAs/InP光栅层的光栅周期交错四分之一周期。
8.根据权利要求7所述的基于PT布拉格反射波导的高功率半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)进一步为：
(201)对半导体激光器的中心腔进行刻蚀，再对中心腔填充低折射率的SiO2材料；
(202)进一步对中间的高折射率区域进行刻蚀，中心填充高折射率的InAlGaAs，再覆盖SiO2层；
(203)刻蚀掉两侧的PT布拉格反射光栅区的SiO2，再生长InP层，形成InP包层；
(204)在InP包层的上端面覆盖接触电极。
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