CN111478180B - 片上集成慢光波导的半导体激光器 - Google Patents

片上集成慢光波导的半导体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种片上集成慢光波导的半导体激光器，主要解决现有半导体激光器出射光束远场发散的问题。其包括：激光器有源区(1)、衬底(2)，转向结构(3)和慢光波导结构(4)，该激光器有源区(1)位于衬底(2)外延层方向的一侧，该转向结构(3)位于衬底(2)外延层方向的另一侧，用于改变激光器有源区垂直出射的激光光束传播方向；该慢光波导结构(4)位于衬底(2)沿脊宽方向的一侧，用于实现相干光束阵列的发射，降低光束远场发散角。本发明有助于大幅度降低半导体激光器的远场发散角，从而提高半导体光源的系统集成度，可用于激光红外干扰，片上光互联及空间光通信。

Description

片上集成慢光波导的半导体激光器
技术领域
本发明属于半导体光电子器件技术领域，特别涉及一种半导体激光器，可作为光电对抗，光互联，光通信，气体检测，光谱分析诸多应用的激光光源。
背景技术
波段为3～12μm的中远红外以其特异性的波长在国防、环保、医疗及空间光通信等领域得到旺盛的需求。在诸多的光源技术中，量子级联激光器QCL因其小型化、集成性及高性能等优势而备受关注。在量子级联激光器实际应用中，为了保证光束在传播过程中能量集中，结合工作距离，实际远场发散角小于10mrad，即近似0.6°具有实用价值。与其他半导体激光器一样，量子级联激光器为了满足上述要求，需要在激光器之外增加相较于芯片自身尺寸上百倍甚至千倍大小的光学组件，用于光束的整形和准直。而面向未来，系统多功能和小型化成为趋势，迫使包括光源在内的组件加速集成化，片上自准直光源成为技术研究热点。
半导体激光器的远场发散角θ与发射孔径D之间呈现反比例关系，可以用近衍射极限公式来表达，θ＝arcsin(1.22λ/D)，其中λ为波长。对于常规边发射量子级联激光器而言，腔面发射孔径受限于有限的外延层厚度以及稳定基横模工作所需的脊型波导宽度，导致其快轴与慢轴远场发散角偏大，即快轴达到40～80°，慢轴达到20～30°。研究表明。在腔面附近集成微小透镜，或制作亚波长金属等离子激元天线可以在一定程度缓解光束发散的压力，但是改善效果距离实用尚存巨大差距，且制备过程不属于半导体平面工艺，不具备量产特性。面发射量子级联激光器SEQCL作为一种新型构型的器件结构，天生能够提供大尺寸的发射孔经，为量子级联激光器实现片上自准直提供了一种新的思路。
1999年，瑞士Faist小组报道第一支面发射量子级联激光器，见Hofstetter,D.,etal. Applied physics letters,1999.75(24):3769-3771，该激光器的激射波长10.1μm，器件可以在室温脉冲工作，其远场发散角有显著的改善，腔长和脊宽方向分别为1°和14°。2007年，美国佛罗里达大学Lyakh等人首次采用倒装焊工艺，见Lyakh,A.,etal.AppliedPhysics Letters,2007.91(18):181116，该工艺以衬底为发射腔面，实现了波长5.1μm 面发射量子级联激光器的脉冲激射工作。
这些早期研究者由于大都采用结构简单，工艺容易实现的表面金属分布反馈光栅结构，因而在引入金属后显著增加了光场模式损耗，器件性能普遍不佳，无法实现连续波工作。2011年，美国西北大学Yanbo Bai采用掩埋二级环形腔光栅结构，见Bai,Y.,etal.Applied Physics Letters,2011.99(26):261104，该结构避免了金属引入的损耗，成功实现波长 4.8μm，环形腔面发射量子级联激光器的室温连续波CW工作，但是这种构型下的远场光斑呈现高阶环形图样，实用性不佳。
2013年，中国科学院半导体所采用MOCVD二次外延掩埋光栅技术，见Yao,D.Y.,etal. Applied Physics Letters,2013.103(4):041121。该技术采用倒装焊工艺，实现波长4.6μm 条形腔面发射量子级联激光器室温及最高至70℃的高温连续波工作，电光转化性能向实用化迈出了重要一步。特别是对于条形腔面发射量子级联激光器，其腔长方向的远场得到了显著提升，已经接近0.1°，但是该技术在脊宽方向尚存不足，远场发散角大于腔长方向2个数量级之多，呈现极度压缩的窄缝图样。因此，脊宽方向发散性已成为面发射量子级联激光器实用化的短板问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种片上集成慢光波导的半导体激光器，以扩展条形腔面发射激光器脊宽方向出射光场的近场分布范围，大幅度改善脊宽方向光束的远场发散角。
本发明的技术方案是这样实现的：
一，技术原理
如图1所示，自激光器有源区通过二级光栅散射垂直耦合发射出的垂直光束，在经过衬底转向结构后改变传播方向，以一定的角度耦合进慢光波导中横向振荡传播，如果一侧波导界面的反射率不为100％，则会有部分光折射透射出去，剩余的光继续传播等相位后，再在这一侧界面透射，形成以固定的相位差透射的相干辐射场阵列，等同于扩大的入射光束的近场分布范围，进而获得小的远场发散角。
如图2所示，在上下表面平行的慢光波导中，以角度θ1入射的光束在波导中以小于真空中光速的速度振荡传播，当传播2d/cosθ1的实际距离后，完成一次透射，依次在出光面上形成等间距的辐射阵列。根据几何和波导光学的知识，出射光束之间相位差恒定为 (2π/λ)(2dnwg/cosθ1)，出射角度均为θ2＝arcsin(nwgsinθ1)，其中λ为入射光真空中的波长，d为慢光波导的厚度，θ1为入射角，nwg为慢光波导折射率。另外由于半导体激光器的单色性极好，出射光均属于该入射光的分量，因此频率一致，且慢光波导出射光束之间满足同频，同方向，等相位差的相干光条件。
二.器件结构
根据上述原理，本发明片上集成慢光波导的半导体激光器，包括：激光器有源区和衬底，激光器有源区位于衬底外延层方向的一侧，其特征在于：
所述衬底，其外延层方向的另一侧设有转向结构，用于改变激光器有源区垂直出射的激光光束传播方向；其沿脊宽方向的一侧设有慢光波导结构，用于实现相干光束阵列的发射，降低光束远场发散角。
进一步，所述激光器有源区包括：脊型波导，电隔离层和电注入窗口，该电隔离层覆盖在脊型波导结构表面，该电注入窗口，位于脊型波导的顶部，由电隔离层刻蚀断开后裸露出的脊型波导结构表面欧姆接触层和覆盖脊型波导结构表面的欧姆接触金属层组成。
进一步，所述电隔离层，其覆盖在所述脊型波导结构表面，材料为SiO2，Si3N4，Al2O3， TiO2，磷硅玻璃，硼磷硅玻璃，掺Fe半绝缘InP或者掺Fe半绝缘InGaAs材料中的任意一种；
进一步，所述脊型波导，其沿脊宽方向的截面宽度大于5μm，沿外延层方向的厚度大于 1μm，沿腔长方向的长度大于500μm，激射波长范围为0.01μm～300μm；
进一步，所述脊型波导，按照外延层方向薄膜沉积的次序可以采用下波导层，下光限制层，有源区核心层，上光限制层，分布反馈光栅，上波导层，欧姆接触层，或者下光限制层，有源区核心层，上光限制层，上波导层，欧姆接触层，分布反馈光栅。
进一步，所述有源区核心层，为量子阱激光器结构，纳米线激光器结构，量子点激光器，带间级联激光器有源区结构或者量子级联激光器有源区结构的任意一种。
进一步，所述分布反馈光栅，由折射率周期变化介质材料组成，周期Λ满足二级布拉格衍射条件，即Λ＝λ/n，其中λ为激射波长，n为脊型波导结构的有效折射率。
进一步，所述衬底采用InP，GaAs，GaN，GaSb，Si，Ge，Sapphire，或者柔性树脂材料中的任意一种。
进一步，所述转向结构，采用与衬底表面呈1°～45°夹角的斜面结构或具备改变光束传播方向的微纳光学结构。
进一步，所述慢光波导结构包括：第一反射界面、第二反射界面和慢光波导核心；慢光波导核心作为为衬底的一部分，两个反射界面分别位于慢光波导核心的两侧，且两者之间相互平行。
进一步，所述慢光波导结构中的第一反射界面和第二反射界面，采用不同的结构。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
第一，本发明相比现有技术，由于转向结构和慢光波导的引入，扩大了条形腔面发射激光器脊宽方向的光束出光口径，显著降低了该方向的远场发散角。
第二，本发明相比现有技术，整体结构可以采用标准的半导体平面微加工工艺，具备批量化生产，低成本的优势。
附图说明
图1是本发明的技术方案原理示意图；
图2是本发明慢光波导光路传播和发射原理图；
图3是本发明的整体结构示意图；
图4是本发明中的转向结构示意图；
图5是本发明中的慢光波导结构示意图；
图6是本发明中的慢光波导细节结构第一实例示意图；
图7是本发明中的慢光波导细节结构第二实例示意图；
图8是本发明中的激光器有源区结构示意图；
图9是本发明中的脊型波导结构示意图；
图10本发明的第一种实施例整体结构示意图；
图11本发明的第二种实施例整体结构示意图；
图12本发明的第三种实施例整体结构示意图；
图13本发明的第四种实施例整体结构示意图；
图14本发明的第五种实施例整体结构示意图；
图15本发明的第六种实施例整体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对发明的实施例作进一步详细描述。
参照图3，本发明包括激光器有源区1、衬底2、转向结构3和慢光波导结构4，所述激光器有源区1位于所述衬底2沿外延层方向的一侧；所述转向结构3位于所述衬底2沿外延层方向的另一侧，用于改变激光器有源区结构垂直出射的激光光束传播方向；所述慢光波导结构4位于所述衬底2沿脊宽方向的一侧，用于实现相干光束阵列的发射，降低光束远场发散角。
参照图1，图2和图3，激光器有源区1垂直出射的光束，经过衬底2后，在转向结构3处改变传播方向，以一定的角度耦合进慢光波导结构4中上下振荡传播，如果一侧波导界面的反射率不为100％，则会有部分光折射透射出去，剩余的光继续传播等相位后，再在这一侧界面发生透射，从而在出光界面处形成以固定的相位差透射的相干辐射场阵列，等同于扩大的入射光束的近场分布范围，进而获得小的远场发散角。
参照图4，所述的转向结构3可采用以下两种不同结构。
第一种转向结构3，其包括与衬底2表面呈1°～45°夹角的斜面31和该斜面上设置的镀层32，该镀层采用Au或Ag或Al金属材料，如图4(a)所示；
第二种转向结构3，其包括微纳光学结构33和覆盖在该结构上的膜层(34)；该微纳光学结构33为具有改变光束传播方向功能的衍射光栅或反射型菲涅尔透镜，如图4(b)所示。
参照图5，所述的慢光波导结构4，包括：第一反射界面41、第二反射界面42和慢光波导核心43，其中，慢光波导核心43作为衬底的一部分，第一反射界面41和第二反射界面42分别位于慢光波导核心43的两侧。这两个反射界面可采用不同的结构，如图6和图7所示。
参照图6，所述慢光波导结构4可采用以下两种不同结构。
第一种慢光波导结构4：其第一反射界面41，位于慢光波导核心43沿外延层方向的一侧，且与激光器有源区1为同一侧，它包括第一反射界面介质材料区域411和第一反射界面金属膜层412；其第二反射界面42，位于慢光波导核心43沿外延层方向的另一侧，且与第一反射界面41平行，如图6(a)所示。
第二种慢光波导结构4：其第二反射界面42位于慢光波导核心43沿外延层方向的一侧，且与转向结构3为同一侧，其包括第二反射界面介质材料区421域和第二反射界面金属膜层 422；其第一反射界面41位于慢光波导核心43沿外延层方向的另一侧，且与第二反射界面 42相互平行，如图6(b)所示。
参照图7，所述慢光波导结构4进一步还可采用以下这第三种和第四种不同结构：
第三种慢光波导结构4：其第一反射界面41位于慢光波导核心43沿外延层方向的一侧，且与激光器有源区1为同一侧，其由交替的多层第一反射界面高折射率层413和第一反射界面低折射率层414组成；所述第一反射界面高折射率层413和第一反射界面低折射率层414 的厚度满足λ/4n，其中λ为真空中激光器的激射波长，n为薄膜的折射率；其第二反射界面42位于慢光波导核心43沿外延层方向的另一侧，且与第一反射界面41相互平行，如图7(a)所示。
第四种慢光波导结构4：其第二反射界面42位于慢光波导核心43沿外延层方向的一侧，且与转向结构3为同一侧，且由交替的多层第二反射界面高折射率层423和第二反射界面低折射率层424组成；所述第二反射界面高折射率层423和第二反射界面低折射率层424的厚度满足λ/4n，其中λ为真空中激光器的激射波长，n为薄膜的折射率；其第一反射界面41 位于慢光波导核心43沿外延层方向的另一侧，且与第二第二反射界面42相互平行，如图7 (b)所示。
参照图8，所述激光器有源区结构1，由脊型波导11，电隔离层12和电注入窗口13三部分组成；所述脊型波导11，其沿脊宽方向的截面宽度大于5μm，沿外延层方向的厚度大于1μm，沿腔长方向的长度大于500μm，激射波长范围为0.01μm～300μm；所述电隔离层 12，其覆盖在所述脊型波导结构表面，材料为SiO2，Si3N4，Al2O3，TiO2，磷硅玻璃，硼磷硅玻璃，掺Fe半绝缘InP或者掺Fe半绝缘InGaAs材料中的任意一种；所述电注入窗口13，其位于所述脊型波导11的顶部，由电隔离层刻蚀断开后裸露出的脊型波导结构表面欧姆接触层117和覆盖脊型波导结构表面的欧姆接触金属层14组成。
参照图9所述脊型波导，按照外延层方向薄膜和结构制备的次序分为两种结构。
第一种结构依次为：下波导层111，下光限制层112，有源区核心层113，上光限制层114，分布反馈光栅115，上波导层116，欧姆接触层117，如图9(a)所示；
第二种结构依次为：下波导层111，下光限制层112，有源区核心层113，上光限制层114，上波导层116，欧姆接触层117，分布反馈光栅115，如图9(b)所示。
结合上述不同的转向结构和不同的慢光波导结构，给出本发明的以下六种实施例。
实施例1
参照图10，并结合图6(a)和图9(a),本实例中，片上集成慢光波导的半导体激光器包括：激光器有源区1、衬底2、转向结构3和慢光波导结构4。其中：激光器有源区1位于衬底2外延层方向的一侧，转向结构3位于衬底外延层方向的另一侧，慢光波导结构4位于衬底沿脊宽方向的一侧。
所述激光器有源区1包括脊型波导11、电隔离层12，金属层14，电注入窗口13。脊型波导11是激光器发光的核心区域，通过金属氧化物化学气相沉积MOCVD或者分子束外延MBE设备进行制备。按照外延层方向薄膜沉积的次序，脊型波导11包括：下波导层111，下光限制层112，有源区核心层113，上光限制层114，分布反馈光栅115，上波导层116，欧姆接触层117；脊型波导11沿脊宽方向的截面宽度为10μm，沿外延层方向的厚度为5μm，沿腔长方向的长度为2mm，激射波长位于中红外波段为4.6μm。通过在脊型波导11上覆盖 SiO2电隔离层12实现除过脊型波导结构区域之外的电学隔离功能，同时在脊型波导11顶部刻蚀SiO2电隔离层12露出脊型波导11顶部的欧姆接触层，通过覆盖金属层14形成电注入窗口13，由此限制注入半导体激光器慢光波导相干发射结构的电流仅通过电注入窗口进入脊型波导11中，实现激光器激射。
分布反馈光栅115的周期满足二级布拉格衍射条件即Λ＝λ/n，其中n为脊型波导的有限折射率，λ为激射波长4.6μm，能够完成光束的垂直散射，实现有源区的垂直发射。
有源区核心层113为InGaAs/InAlAs多量子阱组成量子级联激光器有源区结构。
所述衬底2采用InP材料。
所述转向结构3，位于衬底2沿外延层方向的一侧，与激光器有源区结构1相对衬底2对称分布。其包括斜面31和镀层32，该斜面31与衬底2表面之间的夹角θ为18°。镀层32 为Au金属膜层，其与斜面31配合共同完成光束全反射功能。
所述慢光波导4，由属于衬底一部分结构的慢光波导核心43，第一反射界面41和第二反射界面42组成。第一反射界面41位于慢光波导核心43沿外延层方向一侧，且与激光器有源区1为同一侧，其包括金属膜层411，电隔离层412，两者组成的界面对于光束的反射率大于 95％，反射率与入射角的角度无关系；第二反射界面42即为慢光波导核心43的表面，位于慢光波导核心43沿外延层方向另一侧，且与第一第一反射界面41平行。
激光器有源区1在二级布拉格光栅的作用下，输出沿外延层方向的光束向衬底2内传播。由激光器有源区1垂直出射的光束经过转向结构3后，以2θ的入射角进入到慢光波导4中振荡传播。由于反射率与入射角的角度有关系，反射率位于10％～80％之间。因此以2θ的入射角进入到慢光波导4中的光束，首先在第一反射界面41上发生全发射，继续传播至第二反射界面42处，会有部分光发生折射，以小于2θ的折射角由第二反射界面42透射出激光器，随后剩余的光束发生反射，继续在慢光波导4中传播。每次经过第一反射界面41时，发生全反射，每次经过第二反射界面42时，部分光透射，部分反射，直至光能量降低至0不再传播和发射。由于在第二反射界面42上形成的若干透射光束，他们之间满足同频率，同方向，同相位差的相干光条件，因此相比于入射光沿脊宽方向的光场分布而言，显著扩展了激光器沿脊宽方向的发光孔径，从而有效降低远场发散角。
实施例2
参照图11，并结合图6(b)和图9(b),本实例中，片上集成慢光波导的半导体激光器包括：激光器有源区1和衬底2，转向结构3和慢光波导结构4。该激光器有源区1位于衬底 2外延层方向的一侧，该转向结构3位于衬底外延层方向的另一侧，且与激光器有源区结构相对衬底2对称分布，该慢光波导结构4位于衬底沿脊宽方向的一侧。
所述激光器有源区1包括脊型波导11、电隔离层12，金属层14，电注入窗口13。脊型波导11是激光器发光的核心区域，通过金属氧化物化学气相沉积MOCVD或者分子束外延MBE设备进行制备。按照外延层方向薄膜沉积的次序，脊型波导11包括：下波导层111，下光限制层112，有源区核心层113，上光限制层114，上波导层116，欧姆接触层117，分布反馈光栅115；脊型波导11沿脊宽方向的截面宽度为20μm，沿外延层方向的厚度为10μm，沿腔长方向的长度为2000μm，激射波长位于太赫兹波段为300μm。通过在脊型波导11上覆盖Si3N4电隔离层12实现除过脊型波导结构区域之外的电学隔离功能，同时在脊型波导 11顶部刻蚀Si3N4电隔离层12露出脊型波导11顶部的欧姆接触层，通过覆盖金属层14形成电注入窗口13，由此限制注入半导体激光器慢光波导相干发射结构的电流仅通过电注入窗口进入脊型波导11中，实现激光器激射。
分布反馈光栅115的周期满足二级布拉格衍射条件即Λ＝λ/n，其中n为脊型波导的有限折射率，λ为激射波长300μm，能够完成光束的垂直散射，实现有源区的垂直发射。
有源区核心层113为GaAs/AlGaAs多量子阱组成量子级联激光器有源区结构。
所述衬底2采用GaAs材料。
所述转向结构3，位于衬底2沿外延层方向的一侧，与激光器有源区结构1相对衬底2对称分布。其包括斜面31和镀层32，该斜面31与衬底2表面之间的夹角θ为9°。镀层32 为Au金属膜层，其与斜面31配合共同完成光束全反射功能。
所述慢光波导4，由属于衬底一部分结构的慢光波导核心43，第一反射界面41和第二反射界面42组成，该第二反射界面42位于慢光波导核心43沿外延层方向一侧，且与转向结构3为同一侧，它包括金属膜层421，电隔离层422，两者组成的界面对于光束的反射率大于 95％，反射率与入射角的角度无关系；该第一反射界面41即为慢光波导核心43的表面，位于慢光波导核心43沿外延层方向另一侧，且与第二反射界面42平行。
激光器有源区1在二级布拉格光栅垂直耦合的作用下，输出沿外延层方向的光束向衬底2 内传播，即由激光器有源区1垂直出射的光束经过转向结构3后，以2θ的入射角进入到慢光波导4中振荡传播。由于反射率与入射角的角度有关系，反射率位于10％～80％之间，因此以2θ的入射角进入到慢光波导4中的光束，首先在第一反射界面41上发生折射，部分光以小于2θ的折射角由第二反射界面42透射出激光器，随后剩余的光束发生反射，继续在慢光波导4中传播，到达第二反射界面42处，发生全发射。光束每次经过第一反射界面41时，部分光透射，部分反射，直至光能量降低至0不再传播和发射；光束每次经过第二反射界面 42时，发生全反射。由于在第一反射界面41上形成的若干透射光束，他们之间满足同频率，同方向，同相位差的相干光条件，因此相比于入射光沿脊宽方向的光场分布而言，显著扩展了激光器沿脊宽方向的发光孔径，从而有效降低远场发散角。
实施例3
参照图12，并结合图7(a)和图9(a),本实例片上集成慢光波导的半导体激光器包括：激光器有源区1、衬底2，转向结构3和慢光波导结构4。该激光器有源区1位于衬底2外延层方向的一侧，该转向结构3位于衬底2外延层方向的另一侧，且与激光器有源区结构相对衬底2对称，该分布慢光波导结构4位于衬底2沿脊宽方向的一侧。
所述激光器有源区1包括脊型波导11、电隔离层12，金属层14，电注入窗口13。脊型波导11是激光器发光的核心区域，通过金属氧化物化学气相沉积MOCVD或者分子束外延MBE设备进行制备。按照外延层方向薄膜沉积的次序，脊型波导11包括：下波导层111，下光限制层112，有源区核心层113，上光限制层114，上波导层116，欧姆接触层117，分布反馈光栅115；脊型波导11沿脊宽方向的截面宽度为5μm，沿外延层方向的厚度为1μm，沿腔长方向的长度为500μm，激射波长位于可见光波段为450nm。通过在脊型波导11上覆盖 Al2O3电隔离层12实现除过脊型波导结构区域之外的电学隔离功能，同时在脊型波导11顶部刻蚀Al2O3电隔离层12露出脊型波导11顶部的欧姆接触层，通过覆盖金属层14形成电注入窗口13，由此限制注入半导体激光器慢光波导相干发射结构的电流仅通过电注入窗口进入脊型波导11中，实现激光器激射。
分布反馈光栅115的周期满足二级布拉格衍射条件即Λ＝λ/n，其中n为脊型波导的有限折射率，λ为激射波长450nm，能够完成光束的垂直散射，实现有源区的垂直发射。
有源区核心层113为GaN/AlGaN量子阱组成量子阱激光器有源区结构。
所述衬底2采用GaN材料。
所述转向结构3，位于衬底2沿外延层方向的一侧，与激光器有源区结构1相对衬底2对称分布。其包括斜面31和镀层32，该斜面31与衬底2表面之间的夹角θ为1°。镀层32 为Al金属膜层，其与斜面31配合共同完成光束全反射功能。
所述慢光波导4由属于衬底一部分结构的慢光波导核心43，第一反射界面41和第二反射界面42组成，第一反射界面41位于慢光波导核心43沿外延层方向一侧，且与激光器有源区 1为同一侧，由交替的多层第一反射界面高折射率层413和第一反射界面低折射率层414组成，该第一反射界面高折射率层413和第一反射界面低折射率层414的厚度满足λ/4n，其中λ为真空中激光器的激射波长，n为薄膜的折射率，两者组成的界面对于光束的反射率大于90％，该第二反射界面42即为慢光波导核心43的表面，位于慢光波导核心43沿外延层方向另一侧，且与第一反射界面41平行。
激光器有源区1在二级布拉格光栅的作用下，输出沿外延层方向的光束向衬底2内传播。由激光器有源区1垂直出射的光束经过转向结构3后，以2θ的入射角进入到慢光波导4中振荡传播。由于反射率与入射角的角度有关系，反射率位于10％～80％之间。因此以2θ的入射角进入到慢光波导4中的光束，首先在第一反射界面41上发生全发射，继续传播至第二反射界面42处，会有部分光发生折射，以小于2θ的折射角由第二反射界面42透射出激光器，随后剩余的光束发生反射，继续在慢光波导4中传播。光束每次经过第一反射界面41时，发生全反射，每次经过第二反射界面42时，部分光透射，部分反射，直至光能量降低至0不再传播和发射。由于在第二反射界面42上形成的若干透射光束，他们之间满足同频率，同方向，同相位差的相干光条件，因此相比于入射光沿脊宽方向的光场分布而言，显著扩展了激光器沿脊宽方向的发光孔径，从而有效降低远场发散角。
实施例4
参照图13，并结合图7(b)和图9(a),本实例片上集成慢光波导的半导体激光器包括：激光器有源区1、衬底2、转向结构3和慢光波导结构4，该激光器有源区1位于衬底2外延层方向的一侧，该转向结构3位于衬底2外延层方向的另一侧，且与激光器有源区结构相对衬底2对称分布，该慢光波导结构4位于衬底2沿脊宽方向的一侧。
所述激光器有源区1包括脊型波导11、电隔离层12，金属层14，电注入窗口13。脊型波导11是激光器发光的核心区域，通过金属氧化物化学气相沉积MOCVD或者分子束外延MBE设备进行制备。按照外延层方向薄膜沉积的次序，脊型波导11包括：下波导层111，下光限制层112，有源区核心层113，上光限制层114，上波导层116，欧姆接触层117，分布反馈光栅115；脊型波导11沿脊宽方向的截面宽度为15μm，沿外延层方向的厚度为1μm，沿腔长方向的长度为2000μm，激射波长为0.01μm。通过在脊型波导11上覆盖掺Fe半绝缘InP电隔离层12实现除过脊型波导结构区域之外的电学隔离功能，同时在脊型波导11 顶部刻蚀掺Fe半绝缘InP电隔离层12露出脊型波导11顶部的欧姆接触层，通过覆盖金属层14形成电注入窗口13，由此限制注入半导体激光器慢光波导相干发射结构的电流仅通过电注入窗口进入脊型波导11中，实现激光器激射。
分布反馈光栅115的周期满足二级布拉格衍射条件即Λ＝λ/n，其中n为脊型波导的有限折射率，λ为激射波长0.01μm，能够完成光束的垂直散射，实现有源区的垂直发射。
有源区核心层113为InAs/GaSb量子阱组成量子点激光器有源区结构。
所述衬底2采用GaSb材料。
所述转向结构3包括斜面31和镀层32，其中斜面斜面31与衬底2表面之间存在θ为45°，镀层32为Ag金属膜层，其与斜面31配合共同完成带有一定角度的光束全反射功能。
慢光波导结构4，由属于衬底一部分结构的慢光波导核心43，第一反射界面41和第二反射界面42组成，该第二反射界面42位于慢光波导核心43沿外延层方向一侧，且与转向结构 3为同一侧，由交替的多层第一反射界面高折射率层423和第一反射界面低折射率层424组成，第一反射界面高折射率层423和第一反射界面低折射率层424的厚度满足λ/4n，其中λ为真空中激光器的激射波长，n为薄膜的折射率，两者组成的界面对于光束的反射率大于 90％；该第一反射界面41即为慢光波导核心43的表面，位于慢光波导核心43沿外延层方向另一侧，且与第二反射界面42平行。
激光器有源区1在二级布拉格光栅的作用下，输出沿外延层方向的光束向衬底2内传播。由激光器有源区1垂直出射的光束经过转向结构3后，以2θ的入射角进入到慢光波导4中振荡传播。由于反射率与入射角的角度有关系，反射率位于10％～80％之间。因此以2θ的入射角进入到慢光波导4中的光束，首先在第一反射界面41上发生折射，部分光以小于2θ的折射角由第二反射界面42透射出激光器，随后剩余的光束发生反射，继续在慢光波导4中传播，到达第二反射界面42处，发生全发射。光束每次经过第一反射界面41时，部分光透射，部分反射，直至光能量降低至0不再传播和发射，光束每次经过第二反射界面42时，发生全反射。由于在第一反射界面41上形成的若干透射光束之间满足同频率，同方向，同相位差的相干光条件，因此相比于入射光沿脊宽方向的光场分布而言，显著扩展了激光器沿脊宽方向的发光孔径，从而有效降低远场发散角。
实施例5
参照图14,本实例中片上集成慢光波导的半导体激光器包括：激光器有源区1、衬底2、转向结构3和慢光波导结构4，
激光器有源区1位于衬底2外延层方向的一侧，该转向结构3位于衬底外延层方向的另一侧，且与激光器有源区结构相对衬底2对称分布，该慢光波导结构4位于衬底2沿脊宽方向的一侧。
激光器有源区1包括脊型波导11、电隔离层12，金属层14，电注入窗口13。脊型波导11是激光器发光的核心区域，通过金属氧化物化学气相沉积MOCVD或者分子束外延MBE设备进行制备。按照外延层方向薄膜沉积的次序，脊型波导11包括：下波导层111，下光限制层112，有源区核心层113，上光限制层114，分布反馈光栅115，上波导层116，欧姆接触层117；脊型波导11沿脊宽方向的截面宽度为10μm，沿外延层方向的厚度为5μm，沿腔长方向的长度为2000μm，激射波长位于中红外波段为4.6μm。通过在脊型波导11上覆盖SiO2电隔离层12实现除过脊型波导结构区域之外的电学隔离功能，同时在脊型波导11 顶部刻蚀SiO2电隔离层12露出脊型波导11顶部的欧姆接触层，通过覆盖金属层14形成电注入窗口13，由此限制注入半导体激光器慢光波导相干发射结构的电流仅通过电注入窗口进入脊型波导11中，实现激光器激射。
分布反馈光栅115的周期满足二级布拉格衍射条件即Λ＝λ/n，其中n为脊型波导的有限折射率，λ为激射波长4.6μm，能够完成光束的垂直散射，实现有源区的垂直发射。
有源区核心层113为纳米线激光器结构。
所述衬底2采用Si材料。
所述转向结构3，其包括微纳光学结构33和覆盖在该结构上的膜层34，该微纳光学结构 33为周期啁啾分布的衍射光栅，具有改变光束传播方向功能。
所述慢光波导4由属于衬底一部分结构的慢光波导核心43，第一反射界面41和第二反射界面42组成。该第一反射界面41位于慢光波导核心43沿外延层方向一侧，且与激光器有源区1为同一侧，其包括金属膜层411，电隔离层412，两者组成的界面对于光束的反射率大于 95％，反射率与入射角的角度无关系，该第二反射界面42即为慢光波导核心43的表面，位于慢光波导核心43沿外延层方向另一侧，且与第一反射界面41平行。
激光器有源区1在二级布拉格光栅作用下，输出沿外延层方向的光束向衬底2内传播。由激光器有源区1垂直出射的光束经过转向结构3后，进入到慢光波导4中振荡传播，首先在第一反射界面41上发生全发射，继续传播至第二反射界面42处，会有部分光发生折射，由第二反射界面42透射出激光器，随后剩余的光束发生反射，继续在慢光波导4中传播。每次经过第一反射界面41时，发生全反射，每次经过第二反射界面42时，部分光透射，部分反射，直至光能量降低至0不再传播和发射。由于在第二反射界面42上形成的若干透射光束之间满足同频率，同方向，同相位差的相干光条件，因此相比于入射光沿脊宽方向的光场分布而言，显著扩展了激光器沿脊宽方向的发光孔径，从而有效降低远场发散角。
实施例6
参照图15，本实例片上集成慢光波导的半导体激光器包括：激光器有源区1、衬底2、转向结构3和慢光波导结构4，该激光器有源区1位于衬底2外延层方向的一侧，该转向结构3 位于衬底2外延层方向的另一侧，且与激光器有源区结构相对衬底2对称分布，该慢光波导结构4位于衬底2沿脊宽方向的一侧。
所述激光器有源区1包括脊型波导11、电隔离层12，金属层14，电注入窗口13。脊型波导11是激光器发光的核心区域，通过金属氧化物化学气相沉积MOCVD或者分子束外延MBE设备进行制备。按照外延层方向薄膜沉积的次序，脊型波导11包括：下波导层111，下光限制层112，有源区核心层113，上光限制层114，上波导层116，欧姆接触层117；脊型波导 11，分布反馈光栅115，沿脊宽方向的截面宽度为10μm，沿外延层方向的厚度为5μm，沿腔长方向的长度为4000μm，激射波长位于中红外波段为3μm。通过在脊型波导11上覆盖SiO2电隔离层12实现除过脊型波导结构区域之外的电学隔离功能，同时在脊型波导11顶部刻蚀SiO2电隔离层12露出脊型波导11顶部的欧姆接触层，通过覆盖金属层14形成电注入窗口13，由此限制注入半导体激光器慢光波导相干发射结构的电流仅通过电注入窗口进入脊型波导11中，实现激光器激射。
分布反馈光栅115的周期满足二级布拉格衍射条件即Λ＝λ/n，其中n为脊型波导的有限折射率，λ为激射波长3μm，能够完成光束的垂直散射，实现有源区的垂直发射。
有源区核心层113为带间级联激光器有源区结构。
所述衬底2采用Ge材料。
所述向结构3，其包括微纳光学结构33和覆盖在该结构上的膜层34，该微纳光学结构33 为周期啁啾分布的衍射光栅，具有改变光束传播方向功能。
所述慢光波导4由属于衬底一部分结构的慢光波导核心43，第一反射界面41和第二反射界面42组成，第二反射界面42位于慢光波导核心43沿外延层方向一侧，且与转向结构3为同一侧，其包括金属膜层421和电隔离层422，这两个膜层组成的界面对于光束的反射率大于95％，且反射率与入射角的角度无关系。该第一反射界面41即为慢光波导核心43的表面，位于慢光波导核心43沿外延层方向另一侧，且与第二反射界面42平行。
激光器有源区1在二级布拉格光栅作用下，输出沿外延层方向的光束向衬底2内传播。由激光器有源区1垂直出射的光束经过转向结构3后，进入到慢光波导4中振荡传播。由于反射率与入射角的角度有关系，反射率位于10％～80％之间。进入到慢光波导4中的光束，首先在第一反射界面41上发生折射，部分光由第二反射界面42透射出激光器，随后剩余的光束发生反射，继续在慢光波导4中传播，到达第二反射界面42处，发生全发射。光束每次经过第一反射界面41时，部分光透射，部分反射，直至光能量降低至0从而不再传播和发射，光束每次经过第二反射界面42时，发生全反射。由于在第一反射界面41上形成的若干透射光束之间满足同频率，同方向，同相位差的相干光条件，因此相比于入射光沿脊宽方向的光场分布而言，显著扩展了激光器沿脊宽方向的发光孔径，从而有效降低远场发散角。
以上描述仅是本发明的六个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，例如实例以外的衬底材料，还可以用Sapphire或者柔性树脂材料，实例以外的衬底材料电隔离层材料，还可以用TiO2，磷硅玻璃，硼磷硅玻璃，掺Fe半绝缘InGaAs，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种片上集成慢光波导的半导体激光器，包括：激光器有源区(1)和衬底(2)，激光器有源区位于衬底外延层方向的一侧，其特征在于：
所述激光器有源区(1)为脊型的光波导结构，其中包含分布反馈光栅(115)，用于使激光器有源区(1)垂直发射出激光光束；所述衬底(2)，其外延层方向的另一侧设有转向结构(3)，用于改变激光器有源区(1)垂直出射的激光光束传播方向；其沿脊宽方向的一侧设有慢光波导结构(4)，慢光波导结构(4)具有两个反射界面以及位于两个反射界面之间的慢光波导核心，有源区垂直出 射的激光光束经转向结构(3)后耦合入射到慢光波导结构(4)中进行震荡，震荡过程中在一个反射界面上进行全反射继续传播至另一个反射界面处，部分光发生折射，由另一反射界面透射出，剩余的光束继续在慢光波导结构中传输；由所述另一反射界面透射出的光束实现相干光束阵列的发射，降低光束远场发散角。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述转向结构(3)，采用如下任意一种结构：
第一种转向结构，其包括与衬底(2)表面呈1°～45°夹角的斜面(31)和该斜面上设置的镀层(32)；所述镀层采用Au或Ag或Al金属材料；
第二种转向结构，其包括微纳光学结构(33)和覆盖在该第二种转向结构上的膜层(34)；所述微纳光学结构(33)为具有改变光束传播方向功能的衍射光栅或反射型菲涅尔透镜。
3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述慢光波导结构(4)包括：第一反射界面(41)、第二反射界面(42)和慢光波导核心(43)；
所述第一反射界面(41)，反射率大于95％，位于慢光波导核心(43)沿外延层方向一侧，且与激光器有源区(1)为同一侧，其包括第一反射界面介质材料区域(411)和第一反射界面金属膜层(412)；
所述第二反射界面(42)，位于慢光波导核心(43)沿外延层方向另一侧，且与第一反射界面(41)平行；
所述慢光波导核心(43)，其为衬底(2)的一部分。
4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述慢光波导结构(4)包括：第一反射界面(41)、第二反射界面(42)和慢光波导核心(43)；
所述第二反射界面(42)，反射率大于95％，位于慢光波导核心(43)沿外延层方向的一侧，且与转向结构(3)为同一侧，其包括第二反射界面介质材料区(421)域和第二反射界面金属膜层(422)；
所述第一反射界面(41)位于慢光波导核心(43)沿外延层方向的另一侧，且与第二反射界面(42)相互平行；
所述慢光波导核心(43)，其为衬底(2)的一部分。
5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述慢光波导结构(4)包括：第一反射界面(41)、第二反射界面(42)和慢光波导核心(43)；
所述第一反射界面(41)，反射率大于90％，位于慢光波导核心(43)沿外延层方向的一侧，且与激光器有源区(1)为同一侧，其由交替的多层第一反射界面高折射率层(413)和第一反射界面低折射率层(414)组成；所述第一反射界面高折射率层(413)和第一反射界面低折射率层(414)的厚度满足λ/4n，其中λ为真空中激光器的激射波长，n为薄膜的折射率；
所述第二反射界面(42)位于慢光波导核心(43)沿外延层方向的另一侧，且与第一反射界面(41)相互平行；
所述慢光波导核心(43)，其为衬底(2)的一部分。
6.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述慢光波导结构(4)包括：第一反射界面(41)、第二反射界面(42)和慢光波导核心(43)；
所述第二反射界面(42)，反射率大于90％，位于慢光波导核心(43)沿外延层方向的一侧，且与转向结构(3)为同一侧，其由交替的多层第二反射界面高折射率层(423)和第二反射界面低折射率层(424)组成；所述第二反射界面高折射率层(423)和第二反射界面低折射率层(424)的厚度满足λ/4n，其中λ为真空中激光器的激射波长，n为薄膜的折射率；
所述第一反射界面(41)位于慢光波导核心(43)沿外延层方向的另一侧，且与第二反射界面(42)相互平行；
所述慢光波导核心(43)，其为衬底(2)的一部分。
7.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光器有源区(1)包括：脊型波导(11)，电隔离层(12)和电注入窗口(13)：
所述脊型波导(11)，其沿脊宽方向的截面宽度大于5μm，沿外延层方向的厚度大于1μm，沿腔长方向的长度大于500μm，激射波长范围为0.01μm～300μm；
所述电隔离层(12)，其覆盖在所述脊型波导表面，材料为SiO2，Si3N4，Al2O3，TiO2，磷硅玻璃，硼磷硅玻璃，掺Fe半绝缘InP或者掺Fe半绝缘InGaAs材料中的任意一种；
所述电注入窗口(13)，其位于所述脊型波导(11)的顶部，由电隔离层刻蚀断开后裸露出的脊型波导结构表面欧姆接触层(117)和覆盖脊型波导结构表面的欧姆接触金属层(14)组成。
8.根据权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述脊型波导(11)，按照外延层方向薄膜沉积的次序采用以下任意一种：
第一种依次为：下波导层(111)，下光限制层(112)，有源区核心层(113)，上光限制层(114)，分布反馈光栅(115)，上波导层(116)，欧姆接触层(117)；
第二种依次为：下波导层(111)，下光限制层(112)，有源区核心层(113)，上光限制层(114)，上波导层(116)，欧姆接触层(117)，分布反馈光栅(115)。
9.根据权利要求8所述的激光器，其特征在于：
所述有源区核心层(113)，为量子阱激光器结构，纳米线激光器结构，量子点激光器，带间级联激光器有源区结构或者量子级联激光器有源区结构的任意一种；
所述分布反馈光栅(115)，由折射率周期变化介质材料组成，周期Λ满足二级布拉格衍射条件，即Λ＝λ/n，其中λ为激射波长，n为脊型波导结构的有效折射率。
10.根据权利要求1所述激光器，其特征在于，所述衬底(2)采用InP，GaAs，GaN，GaSb，Si，Ge，Sapphire，或者柔性树脂材料中的任意一种。
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