CN113794104B - 光子晶体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光子晶体激光器，包括：有源层(6)；N型下波导层(5)，设置在有源层(6)下，用于形成电流注入通道和纵向光场限制；以及光子晶体波导层(4)，设置在N型下波导层(5)下，包括多个波导组件，每个波导组件包括：高折射率层(41)，以及低折射率层(42)，设置在高折射率层(41)上，低折射率层(42)的折射率不高于高折射率层(41)的折射率，多个波导组件的高折射率层(41)和低折射率层(42)交替设置，其中，低折射率层(42)包括从高折射率层(41)依次形成的折射率下降部(421)、过渡部(422)、和折射率上升部(423)，折射率下降部(421)的折射率从高折射率层(41)的折射率逐渐下降到过渡部(422)的折射率，折射率上升部(423)的折射率从过渡部(422)的折射率逐渐上升到高折射率层(41)的折射率。

Description

光子晶体激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器领域，具体地，涉及一种光子晶体激光器。
背景技术
半导体激光器具备功率高、可靠性强、寿命长、体积小以及成本低等诸多优点，广泛应用于泵浦、医疗、通信等领域。但是，传统半导体激光器受限于自身量子阱波导结构限制的应用，其垂直(快轴)发散角较大，输出光束质量相比固体、气体激光器较差，需要复杂的光束整形才能应用。为了减小半导体激光器的垂直发散角，研究人员提出一些改善方法，如：模式扩展层、宽波导结构、耦合波导结构、光子晶体结构等。其中在垂直方向(外延结构方向)引入光子晶体结构，利用人工构造光子禁带，实现对光子态的调控。
光子晶体激光器虽然可以大幅度降低垂直发散角，但是光子晶体结构的引入，使界面处引入大量的缺陷，增加了器件的串联电阻，严重影响了器件的散热、电光转化效率等性能。此外，传统法布里-珀罗腔激光器腔长方向光功率分布并不是均匀的，光的模式增益也是不均匀的。前腔光功率密度大、消耗载流子多；后腔光功率密度低、消耗载流子少，造成腔长方向的“空间烧孔”现象，严重影响了器件的高功率输出。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种光子晶体激光器，以解决上述至少之一的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种光子晶体激光器，包括：有源层；N型下波导层，设置在有源层下，用于形成电流注入通道和纵向光场限制；以及光子晶体波导层，设置在N型下波导层下，包括多个波导组件，每个波导组件包括：高折射率层，以及低折射率层，设置在高折射率层上，低折射率层的折射率不高于高折射率层的折射率，多个波导组件的高折射率层和低折射率层交替设置，其中，低折射率层包括从高折射率层依次形成的折射率下降部、过渡部、和折射率上升部，折射率下降部的折射率从高折射率层的折射率逐渐下降到过渡部的折射率，折射率上升部的折射率从过渡部的折射率逐渐上升到高折射率层的折射率。
根据本发明的实施例，其中，低折射率层的折射率呈线性函数或者幂指函数逐渐下降或者逐渐上升。
根据本发明的实施例，其中，低折射率层的折射率曲线关于一条直线对称。
根据本发明的实施例，还包括：P型上波导层，设置于有源层上，用于形成电流注入通道和纵向光场限制；P型上限制层，设置于P型上波导层上，并形成远离P型上波导层突出的脊形部；P型欧姆接触层，设置于P型上限制层的脊形部上；绝缘层，覆盖在P型上限制层的上表面和脊形部的侧面上；P型电极层，设置于脊形部的高于绝缘层厚度的侧面、绝缘层的上表面、以及P型欧姆接触层的上表面；以及缓解槽，设置于脊形部的位于光子晶体激光器光功率密度低的第一侧，用于缓解激光器腔长方向的“空间烧孔效应”。
根据本发明的实施例，其中，缓解槽通过刻蚀部分所述P型欧姆接触层直至露出部分所述P型上限制层或所述P型上波导层的上表面。
根据本发明的实施例，其中，缓解槽具有大致的V形，并且从光子晶体激光器的第一侧朝向与第一侧相对的第二侧逐渐收缩。
根据本发明的实施例，其中，第一侧设有折射率大于90％的反射膜，第二侧设有折射率小于10％的增透膜。
根据本发明的实施例，其中，P型上限制层的脊形部的上部的宽度为90-350μm。
根据本发明的实施例，还包括：衬底；N型电极，设置于衬底的下部；N型缓冲层，设置于衬底上，用于形成电流注入通道，光子晶体波导层设置在N型缓冲层上；以及N型下波导层，设置于光子晶体波导层上，用于形成电流注入通道和纵向光场限制，有源层设置在N型下波导层上。
根据本发明的实施例，其中，N型下波导层的厚度大于P型上波导层的厚度。
根据本发明的上述实施例的光子晶体激光器，通过光子晶体波导层，在外延结构方向利用折射率渐变的光子晶体界面，降低了芯片的串联电阻，减少器件由焦耳热造成的损耗，提高电光转化效率(WPE)。通过折射率渐变的光子晶体界面，降低了光子晶体激光器的垂直远场发散角(95％能量发散角)和光子晶体激光器垂直远场发散角的半高全宽(FWHM)，增加光纤耦合的效率，减少能量的损失。
附图说明
图1是本发明实施例的光子晶体激光器的示意图；
图2是本发明实施例的光子晶体激光器的光子晶体波导层的放大示意图；
图3a是本发明实施例的光子晶体波导层的折射率以幂指数函数变化的曲线图；
图3b是本发明实施例的光子晶体波导层的折射率以线性函数变化的曲线图；
图4a是本发明实施例的模拟包括图3a所示的光子晶体波导层的光子晶体激光器的近场光场分布图；
图4b是本发明实施例的模拟包括图3b所示的光子晶体波导层的光子晶体激光器的近场光场分布图；
图5a是本发明实施例的模拟包括图3a所示的光子晶体波导层的光子晶体激光器的垂直远场分布图；
图5b是本发明实施例的模拟包括图3b所示的光子晶体波导层的光子晶体激光器的垂直远场分布图；
图6是本发明实施例的模拟包括图3b所示的光子晶体波导层的光子晶体激光器电子态密度图；
图7是本发明实施例的实测包括图3b所示的光子晶体波导层的光子晶体激光器的电光转化效率-功率-电流-电压(WPE-P-I-V)曲线；以及
图8是本发明实施例的光子晶体激光器的垂直远场分布图。
附图标记说明
1N型电极层
2衬底
3N型缓冲层
4光子晶体波导层
41高折射率层
42低折射率层
421折射率下降部
422过渡部
423折射率上升部
5N型下波导层
6有源层
7P型上波导层
8P型上限制层
81脊形部
9绝缘层
10P型电极层
11P型欧姆接触层
12缓解槽
具体实施方式
为使本发明的目的、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，对本发明作进一步的详细说明。
光子晶体结构的界面处存在大量的缺陷，增加了器件的串联电阻，严重影响了器件的散热、电光转化效率等性能。此外，传统法布里-珀罗腔激光器腔长方向光功率分布不均匀，一侧光功率密度大、消耗载流子多；另一侧光功率密度低、消耗载流子少，造成腔长方向的“空间烧孔”现象，严重影响了器件的高功率输出。
为此，根据本发明的一个方面总体上的发明构思，提供一种光子晶体激光器，包括：有源层；N型下波导层，设置在有源层下，用于形成电流注入通道和纵向光场限制；以及光子晶体波导层，设置在N型下波导层下，包括多个波导组件，每个波导组件包括：高折射率层，以及低折射率层，设置在高折射率层上，低折射率层的折射率不高于高折射率层的折射率，多个波导组件的高折射率层和低折射率层交替设置，其中，低折射率层包括从高折射率层依次形成的折射率下降部、过渡部、和折射率上升部，折射率下降部的折射率从高折射率层的折射率逐渐下降到过渡部的折射率，折射率上升部的折射率从过渡部的折射率逐渐上升到高折射率层的折射率。通过渐变光子晶体波导层结构，降低了芯片的串联电阻，减少器件由焦耳热造成的损耗，提高电光转化效率。
图1是本发明实施例的光子晶体激光器的示意图。
如图1所示，该光子晶体激光器可以包括：用于提供光增益的有源层6；N型下波导层5，设置在有源层6下，用于形成电流注入通道和纵向光场限制；以及光子晶体波导层4，设置在N型下波导层5下。光子晶体波导层4包括多个波导组件，每个波导组件包括：高折射率层41，以及设置在高折射率层41上的低折射率层42，低折射率层42的折射率不高于高折射率层41的折射率，多个波导组件的高折射率层41和低折射率层42交替设置。其中，低折射率层42包括从高折射率层41依次形成的折射率下降部421、过渡部422、和折射率上升部423，折射率下降部421的折射率从高折射率层41的折射率逐渐下降到过渡部422的折射率，折射率上升部423的折射率从过渡部422的折射率逐渐上升到高折射率层41的折射率。
根据本发明的实施例，有源层6的结构包括：量子阱、量子点或超晶格；有源层6的材料可以包括但不限于：GaAs、InGaAs、InGaAsP、GaAsP、AlGaInAs、或InGaN，有源层用于提供光增益，增益谱峰值波长范围覆盖紫外到远红外波段。
根据本发明的实施例，N型下波导层5的材料可以包括但不限于：InGaAsP、GaAsP、AlGaInAs、AlGaAs、GaInP、AlGaInP或AlGaN。
根据本发明的实施例，高折射率层41及低折射率层42形成n个周期交替分布的一维光子晶体，高折射率层41及低折射率层42的材料可以包括但不限于：AlGaAs、AlGaInP、或InGaAsP，用于形成电流注入通道和纵向光场扩展。
根据本发明的实施例，低折射率层42的折射率呈线性函数或者幂指函数逐渐下降或者逐渐上升，可通过调节外延生长过程中各生长源的流量来实现。
根据本发明的实施例，低折射率层42的折射率曲线关于一条直线对称。
根据本发明的实施例，低折射率层42的折射率在渐变过程中，过渡部422是以折射率下降部421下降到的最低折射率为固定值折射率的一过渡区域，或者低折射率层42的折射率在渐变过程中仅包含折射率下降部421和折射率上升部423，各区域厚度满足：0≤b＜a，其中，a为所述低折射率层42的厚度，b为过渡部422的厚度，即低折射率层42的折射率曲线形状包括但不限于：V形、倒梯形、弧形、或倒置的抛物线形。
根据本发明的实施例，光子晶体激光器还包括：P型上波导层7，设置于有源区6上，用于形成电流注入通道和纵向光场限制；P型上限制层8，设置于P型上波导层7上，并形成远离P型上波导层7突出的脊形部81；P型欧姆接触层11，设置于P型上限制层7的脊形部81上；绝缘层9，覆盖在P型上限制层8的上表面和脊形部81的侧面上；P型电极层10，设置于脊形部81的高于绝缘层9厚度的侧面、绝缘层9的上表面、以及P型欧姆接触层11的上表面；以及缓解槽12，设置于脊形部81的位于光子晶体激光器光功率密度低的第一侧，用于缓解激光器腔长方向的“空间烧孔效应”。
根据本发明的实施例，P型上波导层7的材料可以包括但不限于：InGaAsP、GaAsP、AlGaInAs、AlGaAs、GaInP、AlGaInP、或AlGaN。
根据本发明的实施例，其中，N型下波导层5的厚度大于P型上波导层7的厚度。
根据本发明的实施例，P型电极层10的材料可以包括但不限于：TiPtAu、AuZnAu、或CrAu，采用剥离方法、湿法腐蚀或干法刻蚀的方法制备。
根据本发明的实施例，P型上限制层8采用较低折射率材料或使用组分渐变的材料，以降低器件的串联电阻，改善热特性。进一步地，P型上限制层8的材料可以包括但不限于：AlGaAs或AlGaInP。
根据本发明的实施例，绝缘层9的材料可以包括但不限于：Si3N4或SiO2，采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)的方法制备。
根据本发明的实施例，缓解槽12设置于脊形部81的位于光子晶体激光器光功率密度低的第一侧，用于缓解激光器腔长方向的“空间烧孔效应”。同时，通过缓解槽能有效的克服腔长方向的“空间烧孔”现象，提高激光器的输出功率。本发明适用的波段范围为600-1200nm。
根据本发明的实施例，缓解槽12通过刻蚀部分所述P型欧姆接触层11直至露出部分所述P型上限制层8或所述P型上波导层7的上表面。
根据本发明的实施例，缓解槽12具有大致的V形，并且从光子晶体激光器的第一侧朝向与第一侧相对的第二侧逐渐收缩。V型槽的开口大小，开口长度由激光器条宽决定。
根据本发明的实施例，第一侧设有折射率大于90％的反射膜，第二侧设有折射率小于10％的增透膜。反射膜的材料可以包括TiO2/SiO2或Ta2O5/SiO2或Al2O3。此外，为了提高光子晶体激光器的第一侧的腔面的阈值损伤功率，该反射膜上可镀有钝化层AlN，GaAs等。增透膜的材料可以为Si或SiO2等。
根据本发明的实施例，所述P型上限制层8的脊形部81的上部的宽度为90-350μm。
根据本发明的实施例，光子晶体激光器还包括：衬底2；N型电极1，设置于衬底2的下部；N型缓冲层3，设置于衬底2上，用于形成电流注入通道，光子晶体波导层4设置在N型缓冲层3上；以及N型下波导层5，设置于光子晶体波导层4上，用于形成电流注入通道和纵向光场限制，有源层6设置在N型下波导层5上。
根据本发明的实施例，衬底2的材料包括但不限于：GaAs、InP、GaSb或GaN，可通过键合或倒装焊工艺键合在Si衬底2或SOI衬底2上，波长覆盖到紫外到远红外波段。
根据本发明的实施例，N型电极层1的材料可以包括但不限于：AuGeNiAu。
根据本发明的实施例，N型缓冲层3采用高掺杂浓度和衬底2相同的材料。
图2是本发明实施例的光子晶体激光器的光子晶体波导层的放大示意图。
如图2所示，光子晶体波导层4设置在N型缓冲层3上，包括多个波导组件，每个波导组件包括：高折射率层41；以及低折射率层42，设置在高折射率层41上，低折射率层42的折射率不高于高折射率层41的折射率，多个波导组件的高折射率层41和低折射率层42交替设置，其中，低折射率层42包括从高折射率层41依次形成的折射率下降部421、过渡部422、和折射率上升部423，折射率下降部421的折射率从高折射率层41的折射率逐渐下降到过渡部422的折射率，折射率上升部423的折射率从过渡部422的折射率逐渐上升到高折射率层41的折射率。
根据本发明的实施例，低折射率层42的折射率呈线性函数或者幂指函数等函数变化，可通过调节外延生长过程中各生长源的流量来实现。同时低折射率层42的折射率在渐变过程中，过渡部422是以折射率下降部421下降到的最低折射率为固定值折射率的一过渡区域，或者低折射率层42的折射率在渐变过程中仅包含折射率下降部421和折射率上升部423，各区域厚度满足：0≤b＜a，其中，a为所述低折射率层42的厚度，b为过渡部422的厚度，即低折射率层42的折射率曲线形状包括但不限于：V形、倒梯形、弧形、或倒置的抛物线形。
图3a是本发明实施例的光子晶体波导层的折射率以幂指数函数变化的曲线图；图4a是本发明实施例的模拟包括图3a所示的光子晶体波导层的光子晶体激光器的近场光场分布图。
根据本发明的实施例，如图3a所示为光子晶体波导层4中低折射率层42的材料以幂指数函数变化的折射率分布，图中展现了5对光子晶体层，其折射率变化曲线呈幂指数函数变化。图4a则为图3a相应的基模及近场光场分布，由图所得有效折射率为3.4113。
图3b是本发明实施例的光子晶体波导层的折射率以幂指数函数变化的曲线图；图4b是本发明实施例的模拟包括图3b所示的光子晶体波导层的光子晶体激光器的近场光场分布图。
根据本发明的实施例，如图3b所示为光子晶体波导层4中低折射率层42的材料以线性函数变化的折射率分布，图中展现了5对光子晶体波导层，其折射率变化曲线呈线性函数变化。图4b则为图3b相应的基模及近场光场分布，由图所得有效折射率为3.4114。
图5a是本发明实施例的模拟包括图3a所示的光子晶体波导层的光子晶体激光器的垂直远场分布图；图5b是本发明实施例的模拟包括图3b所示的光子晶体波导层的光子晶体激光器的垂直远场分布图。
根据本发明的实施例，如图5a和5b分别对应3a和3b所示实施例情况的垂直远场分布图，模拟所得光子晶体激光器的垂直远场发散角FWHM(半高全宽)分别为14.2°和13.4°，光子晶体激光器的垂直远场发散角的95％能量发散角分别为43.2°和40.2°。
图6是本发明实施例的模拟包括图3b所示的光子晶体波导层的光子晶体激光器电子态密度图。
根据本发明的实施例，如图6所示，图6为对应图3b结构的光子晶体激光器电子态密度图，由图中放大图可知，当注入电流后，电子遇到的折射率呈线性变化的界面势垒相比传统的突变型界面势垒大大降低，电子被更好的注入有源层6参与粒子数反转。
图7是本发明实施例的实测包括图3b所示的光子晶体波导层的光子晶体激光器的电光转化效率-功率-电流-电压(WPE-P-I-V)曲线。
根据本发明的实施例，如图7所示，X轴为输入电流，Y1为对应输入电流的电压值，Y2为光功率值，Y3为电光转换效率。图7为对应图3b结构的光子晶体激光器实测WPE-P-I-V曲线，P型上限制层8中突出的脊形部81宽度为100μm，整个腔长为4mm，第一侧设有的反射膜的反射率为99％，第二侧设有的增透膜的反射率为1％。光子晶体激光器的阈值电流为0.54A。在20A连续电流下，光子晶体激光器的输出功率为19.11W，最大电光转化效率为64％。
图8是本发明实施例的光子晶体激光器的垂直远场分布图。
根据本发明的实施例，如图8所示，图8为对应图3b结构的光子晶体激光器实测垂直远场分布图，在20A电流下，光子晶体激光器的垂直远场发散角FWHM为14.13°，95％能量发散角为40°。
根据本发明的上述实施例的光子晶体激光器，通过光子晶体波导层，在外延结构方向利用折射率渐变的光子晶体界面，降低了芯片的串联电阻，减少器件由焦耳热造成的损耗，提高电光转化效率(WPE)。通过折射率渐变的光子晶体界面，降低了光子晶体激光器的垂直远场发散角(95％能量发散角)和光子晶体激光器垂直远场发散角的半高全宽(FWHM)，增加光纤耦合的效率，减少能量的损失。
还需要说明的是，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，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。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。
类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光子晶体激光器，包括：
有源层(6)；
N型下波导层(5)，设置在所述有源层(6)下，用于形成电流注入通道和纵向光场限制；以及
光子晶体波导层(4)，设置在所述N型下波导层(5)下，包括多个波导组件，每个波导组件包括：
高折射率层(41)；以及
低折射率层(42)，设置在所述高折射率层(41)上，所述低折射率层(42)的折射率不高于所述高折射率层(41)的折射率，多个所述波导组件的高折射率层(41)和低折射率层(42)交替设置，
其中，所述低折射率层(42)包括从所述高折射率层(41)依次形成的折射率下降部(421)、过渡部(422)、和折射率上升部(423)，所述折射率下降部的折射率从所述高折射率层(41)的折射率逐渐下降到所述过渡部的折射率，所述折射率上升部的折射率从所述过渡部的折射率逐渐上升到所述高折射率层(41)的折射率；
P型上波导层(7)，设置于所述有源层(6)上，用于形成电流注入通道和纵向光场限制；
P型上限制层(8)，设置于所述P型上波导层(7)上，并形成远离所述P型上波导层(7)突出的脊形部(81)；
P型欧姆接触层(11)，设置于所述P型上限制层(8)的脊形部(81)上；
绝缘层(9)，覆盖在所述P型上限制层(8)的上表面和所述脊形部(81)的侧面上；
P型电极层(10)，设置于所述脊形部(81)的高于所述绝缘层(9)厚度的侧面、所述绝缘层(9)的上表面、以及所述P型欧姆接触层(11)的上表面；以及
缓解槽(12)，设置于所述脊形部(81)的位于所述光子晶体激光器光功率密度低的第一侧，用于缓解所述激光器腔长方向的“空间烧孔效应”。
2.根据权利要求1所述的光子晶体激光器，其中，所述低折射率层(42)的折射率呈线性函数或者幂指函数逐渐下降或者逐渐上升。
3.根据权利要求2所述的光子晶体激光器，其中，
所述低折射率层(42)的折射率曲线关于一条直线对称。
4.根据权利要求1所述的光子晶体激光器，其中，
所述缓解槽(12)通过刻蚀部分所述P型欧姆接触层(11)直至露出部分所述P型上限制层(8)或所述P型上波导层(7)的上表面。
5.根据权利要求1所述的光子晶体激光器，其中，所述缓解槽(12)具有大致的V形，并且从所述光子晶体激光器的第一侧朝向与所述第一侧相对的第二侧逐渐收缩。
6.根据权利要求5所述的光子晶体激光器，其中，所述第一侧设有折射率大于90％的反射膜，第二侧设有折射率小于10％的增透膜。
7.根据权利要求1所述的光子晶体激光器，其中，所述P型上限制层(8)的脊形部(81)的上部的宽度为90-350μm。
8.根据权利要求1所述的光子晶体激光器，还包括：
衬底(2)；
N型电极(1)，设置于所述衬底(2)的下部；以及
N型缓冲层(3)，设置于所述衬底(2)上，用于形成电流注入通道，所述光子晶体波导层(4)设置在所述N型缓冲层(3)上。
9.根据权利要求8所述的光子晶体激光器，其中，所述N型下波导层(5)的厚度大于所述P型上波导层(7)的厚度。
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