CN109412015A - 单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，包括：一外延结构；一脊波导结构及侧向耦合光子晶体，制作于上述外延结构表面；一介质层，制作于上述脊波导结构及侧向耦合光子晶体表面，其中脊波导上的介质层需要去除，用于实现电流注入；一P型电极，制作于P型脊波导及介质层上；以及一N型电极，制作于外延结构下方；其中，外延结构中引入了光子晶体结构。该光子晶体结构在保证激光器在单模工作的同时降低器件的垂直发散角，进而提高光纤耦合效率并降低光纤耦合成本及其系统复杂性；此外，该光子晶体结构还能提高器件的单管出光功率，该激光器只需一次外延和普通光刻技术即可实现窄线宽输出，制备简单，工艺成本低。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子器件技术领域，涉及一种单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器。
背景技术
半导体激光器因其体积小、重量轻、成本低、效率高、寿命长、易于调制及波长覆盖范围广等这些突出的优点而被广泛的应用于诸如光通信、材料加工、泵浦光源、军用及医疗等领域。但是，传统半导体激光器垂直发散角大、单管功率相对较低、侧向光束质量差、光谱宽及波长随注入电流和温度变化大等问题也随着半导体激光器应用场景的不断扩展而变得日益突出。
传统半导体激光器为了保证在外延方向为基模工作，一般采用较薄的波导设计，这就会导致其垂直发散角大，一般在30°以上甚至更大，这会严重影响半导体激光器与光纤的耦合效率、增加耦合难度及成本。除此以外，薄的波导设计导致激光器腔面载荷高，高的腔面光载荷是造成半导体激光器腔面光学灾变的重要因素之一。因此，降低半导体激光器的垂直发散角既可以提高其与光纤的耦合效率，也同时可以提高器件的单管功率。
传统法布里-珀罗腔半导体激光器其激射波长由有源区禁带宽度决定，一般光谱宽度大于1nm，且其波长随工作温度的漂移速度较大，一般为0.3nm/K-0.4nm/K，波长稳定性差。而在很多应用场景中，希望半导体激光器的输出光束具有窄线宽及波长稳定的特点。传统的分布反馈激光器及分布布拉格反射激光器可以很好地实现窄线宽波长稳定的光谱输出，但是上述两种激光器制备工艺复杂，需要涉及到二次外延技术，以及效率非常低的电子束曝光技术，不适合低成本的生产。
发明内容
鉴于上述分析，本发明的主要目的在于提供一种单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，其通过纵向的光子晶体结构可以增大半导体激光器基模的模式体积，可以有效的降低半导体激光器的垂直发散角并提高器件的单管功率；通过脊波导结构实现器件在水平方向为单横模工作；通过侧向耦合光子晶体可以有效的减小器件输出光束的光谱宽度并提高器件的波长稳定性。该激光器避免了复杂的二次外延技术及电子束曝光技术，制作成本低。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，包括：一外延结构；一脊波导结构及侧向耦合光子晶体，制作于上述外延结构表面；一介质层，制作于上述脊波导结构及侧向耦合光子晶体表面，其中脊波导上的介质层需要去除，用于实现电流注入；一P型电极，制作于P型脊波导及介质层上；以及一N型电极，制作于外延结构下方；其中，所述外延结构中引入了光子晶体结构。
在本公开的一些实施例中，外延结构包含：一N型衬底；一N型缓冲层，制作于衬底之上，作为衬底与后续外延层之间的过渡层；一N型盖层，制作于N型缓冲层之上；一N型光子晶体区，其由材料组分调制而形成的高低折射率突变或者渐变的周期及准周期结构组成，属于一维光子晶体，其能有效的在外延方向对高阶模式进行滤除，并对基模进行有效的扩展，从而实现单模及低发散角；一N型光限制层，制作于N型光子晶体区之上，用于对光场的调控；一有源区，制作于N型光限制层之上，用于实现光增益；一P型光限制层，制作于有源区之上，用于对光场的调控；一P型盖层，制作于P型光限制层之上，用于实现基横模；以及一P型欧姆接触层，制作于P型盖层之上，用于形成P型欧姆接触。
在本公开的一些实施例中，衬底材料为GaN、GaAs、InP、或GaSb，波长从紫外覆盖到远红外波段。特别是在1064nm波段中本方案实现的单空间模及窄线宽可作为良好的种子源。
在本公开的一些实施例中，有源区为单量子阱、多量子阱、量子点或超晶格结构。
在本公开的一些实施例中，外延生长周期或准周期光子晶体的周期数为5-20个，和/或，厚度为3μm-20μm。
在本公开的一些实施例中，脊波导是通过普通接触式光刻及干法刻蚀技术实现，脊波导宽度为3μm-10μm，对于不同外延结构，均要保证器件在水平方向为单横模工作，其刻蚀深度不超过P型光限制层。
在本公开的一些实施例中，侧向耦合光子晶体制作于脊波导两侧，采用普通接触式光刻及干法刻蚀制备，其制备可与脊波导一步完成，也可分步进行。
在本公开的一些实施例中，侧向耦合光子晶体采用高阶光子晶体，其刻蚀深度不超过P型光限制层。
在本公开的一些实施例中，侧向耦合光子晶体周期数目不固定，最少为1对，最多可在脊波导两侧全部制作。
在本公开的一些实施例中，侧向耦合光子晶体的宽度为1μm-30μm。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，具有以下有益效果：
(1)该激光器在传统的边发射半导体激光器外延结构中引入了光子晶体结构，该结构可以在保证激光器在单模工作的同时降低器件的垂直发散角，进而可以提高光纤耦合效率并降低光纤耦合成本及其系统复杂性；此外，该光子晶体结构可以提高器件的单管出光功率。除在外延中引入光子晶体外，该激光器还在脊波导两侧制作了高阶光子晶体，利用高阶光子晶体对光谱的选择作用，可实现窄线宽波长稳定的输出。该激光器只需一次外延和普通光刻技术即可实现窄线宽输出，避免了传统器件二次外延及高精度光刻技术的使用，制备简单，工艺成本低；
(2)在很多应用场景中，希望半导体激光器的输出光束具有窄线宽及波长稳定的特点，例如在1064nm中需要良好的种子源进行放大，这时窄线宽单空间模就有极大的优势，此外在脉冲中也有很大应用。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器的三维结构示意图。
图2为图1所示单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器的侧向耦合光子晶体的周期-波长-反射率的关系。
图3为图1所示单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器的侧向耦合光子晶体的分布长度-波长-反射率的关系。
图4为图1所示单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器与普通无侧向耦合光子晶体激光器光功率-电流的曲线对比图。
图5为图1所示单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器光谱-电流图。
【符号说明】
1-衬底； 2-N型盖层；
3-N型光子晶体区； 4-N型光限制层；
5-有源区； 6-P型光限制层；
7-P型盖层； 8-介质层；
9-P型电极； 10-电流注入区；
11-侧向耦合光子晶体； 12-N型电极。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
图1为根据本公开一实施例所示的单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器的三维结构示意图。
参照图1所示，本公开的单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，包括：一外延结构；一脊波导结构及侧向耦合光子晶体，制作于上述外延结构表面；一介质层，制作于上述脊波导结构及侧向耦合光子晶体表面，其中脊波导上的介质层需要去除，用于实现电流注入；一P型电极，制作于P型脊波导及介质层上；以及一N型电极，制作于外延结构下方；其中，该外延结构中引入了光子晶体结构。
在本公开的一些实施例中，该外延结构，包含：
一N型衬底1；
一N型缓冲层，其采用外延生长方式制作于衬底的上面，作为衬底与后续外延层之间的过渡层；
一N型盖层2，制作于N型缓冲层上面；
一N型光子晶体区3，其由材料组分调制而形成的高低折射率突变或者渐变的周期及准周期结构组成，属于一维光子晶体，其能够有效的在外延方向对高阶模式进行滤除，并对基模进行有效的扩展，从而实现单模及低发散角；
一N型光限制层4，用于对光场的调控；
一有源区5，制作于N型光限制层，用于实现光增益；
一P型光限制层6，用于对光场的调控；
一P型盖层7，制作于P型光限制层上，用于实现基横模；以及
一P型欧姆接触层，制作于P型盖层上，用于形成P型欧姆接触。
在本公开的一些实施例中，衬底材料为GaN、GaAs、InP、或GaSb，波长从紫外覆盖到远红外波段。特别是在1064nm波段中本方案实现的单空间模及窄线宽可作为良好的种子源。
在本公开的一些实施例中，有源区为单量子阱、多量子阱、量子点或超晶格结构。
在本公开的一些实施例中，外延生长周期或准周期光子晶体的周期数为5-20个，和/或，厚度为3μm-20μm。
在本公开的一些实施例中，脊波导是通过普通接触式光刻及干法刻蚀技术实现，脊波导宽度为3μm-10μm，对于不同外延结构，均要保证器件在水平方向为单横模工作，其刻蚀深度不超过P型盖层，“不超过P型光限制层”的含义为刻蚀深度不会超过该P型光限制层的下表面，不会将该P型光限制层全部刻蚀掉。当然根据实际工艺需要也可以进行其他刻蚀深度的限制，不局限于该实施例。
参照图1所示，本实施例中，脊波导是在器件的外延结构上通过刻蚀技术得到的，该脊波导刻蚀至P型盖层7的内部。
在本公开的一些实施例中，侧向耦合光子晶体制作于脊波导两侧，采用普通接触式光刻及干法刻蚀制备，其制备可与脊波导一步完成，也可分步进行。
参照图1所示，本实施例中，侧向耦合光子晶体制作于脊波导两侧，呈梳齿状分布，用于实现光谱选择作用，可实现窄线宽波长稳定的输出。
在本公开的一些实施例中，侧向耦合光子晶体采用高阶光子晶体，其刻蚀深度不超过P型盖层。
在本公开的一些实施例中，侧向耦合光子晶体周期数目不固定，最少为1对，最多可在脊波导两侧全部制作，也可以如图1所示部分制作。
请参阅图1所示，本实施例提供一种单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，包括：
一衬底1，衬底1的材料为GaAs、InP、GaN或者GaSb，波长从紫外覆盖到远红外波段；
一N型盖层2，制作于N型衬底之上，材料为AlGaAs、AlGaInP、AlGaN等材料，用于形成光限制及电流注入；
一N型光子晶体区3，制作在N型盖层2之上，材料为AlGaAs、AlGaInP、AlGaN等组成的高低折射率周期或准周期调制的多层结构，其周期数为2-30个；
一N型光限制层4，其材料为AlGaAs、AlGaInP、AlGaN等，用于实现基模的限制并提供电流注入通道；
一有源区5，其材料为InaAsP、AlGaInAs、InGaAs或者AlGaN等，其结构可以是量子点、量子阱或者量子级联结构等，用于形成光增益；
一P型光限制层6，其材料为AlGaAs、AlGaInP、AlGaN等，用于实现基模的限制并提供电流注入通道；
一P型盖层7，其材料为AlGaAs、AlGaInP、AlGaN等，制作于P型光限制层上，用于实现基横模，并用于提供电流注入通道；
一介质层8，其材料为SiO2、Si3N4等，制作于上述脊波导结构侧向耦合光子晶体表面，其中脊波导上的介质层需要去除，用于实现电流注入；
一P型电极9，制作于P型脊波导及绝缘介质层上，其材料为TiPtAu、TiAu等，用于实现金属与欧姆接触层的欧姆接触；
一电流注入区10，该区域上介质层已去除，由金属和欧姆接触层直接接触，是整个器件的电流注入区；
一侧向耦合光子晶体11，其制作于脊波导两侧，在介质层生长前采用普通接触式光刻及干法刻蚀完成，其刻蚀深度不超过有源区，宽度为0-30μm；以及
一N型电极12，其制作于器件背面，当正面工艺完成后，对外延片进行减薄抛光后再进行生长，其材料为AuGeNi/Au等材料。
图2所示是图1所示单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器的侧向耦合光子晶体周期-波长-反射率的关系。光子晶体周期越小，反射谱线越窄，当低于一定数值时只对设计波长具有高的反射率，可以实现窄线宽激射。
图3所示是图1所示单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器的侧向耦合光子晶体区域长度-波长-反射率的关系。由图可知，随着光子晶体区域长度的增加侧向耦合光子晶体所提供的反射率提高，更加有利于激光在设计波长的激射。
图4所示是图1所示单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器与普通无侧向耦合光子晶体激光器光功率-电流的曲线对比。加入侧向耦合光子晶体后功率和普通无侧向耦合光子晶体的激光器在功率上相当。
图5所示为图1所示单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器光谱-电流图。此结构可以实现一个窄线宽的输出，输出线宽的半高宽在0.3nm左右。
综上所述，本公开提供了一种提供的单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，该激光器在传统的边发射半导体激光器外延结构中引入了光子晶体结构，该结构可以在保证激光器在单模工作的同时降低器件的垂直发散角，进而可以提高光纤耦合效率并降低光纤耦合成本及其系统复杂性；此外，该光子晶体结构可以提高器件的单管出光功率。除在外延中引入光子晶体外，该激光器还在脊波导两侧制作了高阶光子晶体，利用高阶光子晶体对光谱的选择作用，可实现窄线宽波长稳定的输出。该激光器只需一次外延和普通光刻技术即可实现窄线宽输出，避免了传统器件二次外延及高精度光刻技术的使用，制备简单，工艺成本低。在很多应用场景中，希望半导体激光器的输出光束具有窄线宽及波长稳定的特点，例如在1064nm中需要良好的种子源进行放大，这时窄线宽单空间模就有极大的优势，此外在脉冲中也有很大应用。
需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。
还需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，其特征在于，包括：
一外延结构；
一脊波导结构及侧向耦合光子晶体，制作于上述外延结构表面；
一介质层，制作于上述脊波导结构及侧向耦合光子晶体表面，其中脊波导上的介质层需要去除，用于实现电流注入；
一P型电极，制作于P型脊波导及介质层上；以及
一N型电极，制作于外延结构下方；
其中，所述外延结构中引入了光子晶体结构。
2.根据权利要求1所述的单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，其中，所述外延结构包含：
一N型衬底；
一N型缓冲层，制作于衬底之上；
一N型盖层，制作于N型缓冲层之上；
一N型光子晶体区，其由材料组分调制而形成的高低折射率突变或者渐变的周期及准周期结构组成，属于一维光子晶体，其能有效的在外延方向对高阶模式进行滤除，并对基模进行有效的扩展，从而实现单模及低发散角；
一N型光限制层，制作于N型光子晶体区之上，用于对光场的调控；
一有源区，制作于N型光限制层之上，用于实现光增益；
一P型光限制层，制作于有源区之上，用于对光场的调控；
一P型盖层，制作于P型光限制层之上，用于实现基横模；以及
一P型欧姆接触层，制作于P型盖层之上，用于形成P型欧姆接触。
3.根据权利要求2所述的单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，其中，所述的衬底材料为GaN、GaAs、InP、及GaSb，波长从紫外覆盖到远红外波段。
4.根据权利要求2所述的单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，其中，所述的有源区为单量子阱、多量子阱、量子点或超晶格结构。
5.根据权利要求2所述的单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，其中，外延生长周期或准周期光子晶体周期数为5-20个，和/或，厚度为3μm-20μm。
6.根据权利要求2所述的单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，其中，所述脊波导是通过普通接触式光刻及干法刻蚀技术实现，脊波导宽度为3μm-10μm，对于不同外延结构，均要保证器件在水平方向为单横模工作，其刻蚀深度不超过P型光限制层。
7.根据权利要求2所述的单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，其中，所述侧向耦合光子晶体制作于脊波导两侧，采用普通接触式光刻及干法刻蚀制备，其制备可与脊波导一步完成，也可分步进行。
8.根据权利要求2所述的单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，其中，所述侧向耦合光子晶体的制作采用高阶光子晶体，其刻蚀深度不超过P型光限制层。
9.根据权利要求2所述的单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，其中，所述侧向耦合光子晶体周期数目不固定，最少为1对，最多可在脊波导两侧全部制作。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，其中，所述侧向耦合光子晶体的宽度为1μm-30μm。
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