CN113851929B - 一种高功率小发散角单横模单波长半导体激光器及制备方法 - Google Patents

一种高功率小发散角单横模单波长半导体激光器及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高功率小发散角单横模单波长半导体激光器及制备方法，包括片体，所述片体底部和顶部表面均覆盖有电极层；所述片体包括中心腔以及对称设置在中心腔左右两侧的PT布拉格反射光栅区。本发明的有益效果是：该结构将电注入分散在两侧的布拉格反射光栅区，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，而且较大的注入面积更有利于散热。

Description

一种高功率小发散角单横模单波长半导体激光器及制备方法
技术领域
本发明涉及一种高功率小发散角单横模单波长半导体激光器及制备方法。
背景技术
高功率半导体激光器由于体积小、重量轻、可靠性高、电光转换效率高，现已广泛应用于激光通信、激光泵浦、激光陀螺、激光测距以及雷达等方面。
目前，提高半导体激光器的输出功率，同时保证器件的光束质量是半导体激光器行业的研究热点和难点。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的横向单模输出。但是由于量子阱(quantum wells,QWs)结构的纳米尺寸对远场光斑存在较大的衍射效应，使半导体激光器的输出光在水平方向和垂直方向存在差异，光束质量较差。这就使得光束整形系统较为复杂，限制了半导体激光器的应用。高输出功率和高光束质量在一定程度上相互矛盾，在大注入电流条件下器件可以获得高输出功率，但是大电流会导致器件内部电流分布不均匀，从而导致材料折射率产生不均匀的变化，进一步影响激光器远场发散角。
通过对激光器横截面进行结构设计，是目前提高半导体激光器输出功率和光束质量最主要的手段。最初，研究人员发现扩大条形激光器的端面并增加腔长，可以提高激光器的输出功率，然而随着输出功率的提高，灾变光学损伤(catastrophic optical damage,COD)或灾变光学镜面损伤(catastrophic optical mirror damage,COMD)现象随之出现，严重影响了激光器的性能和稳定性。研究人员研究发现，通过腔面处理可以在一定程度上解决上述问题。此外，楔形结构激光器(tapered laser)可以提高输出功率，但是激射波束不稳定，很难有效的耦合进光纤。平板耦合光波导激光器(slab coupled opticalwaveguide laser,SCOWL)结构也可以实现单横模的大功率输出。光子晶体激光器(photonic band crystal,PBC)可以达到5W的连续输出。耦合宽光学腔激光器(coupledlarge optical cavity lasers,CLOC)可压制高阶模实现大功率单横模激射，同时减小远场垂直发散角，提高光束的光纤耦合效率。基于布拉格反射波导(modified Bragg-likewaveguide)的单横模激光器可实现圆形远场的输出，但这些结构都需要毫米量级的纵向腔长。除此之外，激光器叠阵也是提高输出功率的有效手段之一，但我们的工作主要面向提高单管单横模单波长的输出功率和光束质量。
专利(ZL 2018 1 1416019.9)中的半导体激光器结构，利用宇称-时间对称(parity-time，PT symmetry)布拉格光栅的滤模机制，结合中心低折射率腔和其中的高折射率层的波导作用，实现了高功率输出，但是其远场发散角较大，光束质量不高。针对上述结构发散角偏大的问题，本专利基于法布里-珀罗腔(Fabry-Perot,FP)激光器，提出一种利用PT结构的布拉格反射波导激光器，该结构制备工艺更简单，可实现高功率、小发散角输出。
发明内容
为解决以上技术上的不足，本发明提供了一种高功率小发散角单横模单波长半导体激光器及制备方法，
本发明是通过以下措施实现的：
一种高功率小发散角单横模单波长半导体激光器，包括片体，所述片体底部和顶部表面均覆盖有电极层；所述片体包括中心腔以及对称设置在中心腔左右两侧的PT布拉格反射光栅区，所述PT布拉格反射光栅区包括由下往上依次叠加的p型掺杂InAlGaAs/InP光栅层、InAlGaAs量子阱QWs有源层和n型InGaAsP/InP光栅层，所述中心腔内由下往上依次叠加有n型掺杂InP层、非掺杂InP层、p型掺杂InP层。
上述PT布拉格反射光栅区中下层的p型掺杂InGaAsP/InP光栅层的光栅周期与上层的n型InGaAsP/InP光栅层光栅周期交错半个周期。
上述中心腔内非掺杂InP层厚度大于p型掺杂InP层、n型掺杂InP层的厚度。
一种高功率小发散角单横模单波长半导体激光器的制备方法，包括以下步骤：
首先采用电子束曝光对InP衬底进行刻蚀，对下层光栅填充InAlGaAs并进行掺杂，形成下层的p型掺杂InAlGaAs/InP光栅层，并在该层上面生长一层InP层；然后进行中间有源层InAlGaAs量子阱外延生长，再进行上层InGaAsP层生长，同样利用电子束曝光对InGaAsP层进行刻蚀形成光栅，但光栅周期与下层的p型InAlGaAs层交错半个周期，用InP填充InGaAsP光栅层，完成PT布拉格反射光栅三层结构制备；在所述三层结构上中心位置对中心腔进行刻蚀，再对中心腔填充n型掺杂InP层，再生长非掺杂InP层，再填充p型掺杂InP层，最后在PT布拉格反射光栅区、中心腔的下底面及上顶面覆盖电极层，形成最终器件,下底面为正极，上底面为负极。
本发明的有益效果是：1.本专利提出的PT-BRW激光器，利用条波导和两侧对称分布的PT布拉格反射光栅共同作用，在横向上实现滤模功能并保证单模输出，波长由光栅周期控制并保证单波长输出。2.激射模的光场较均匀的分散在中心腔附近2um×2um的区域内，且无载流子经过该区域，从而尽可能减少不必要的热效应和光电作用等问题，使激光器的COD阈值能够得到有效提高。3.该结构将电注入分散在两侧的布拉格反射光栅区，注入面积较传统激光器大，不仅减小了器件的输入电阻和发热效应，实现较高的能量转换效率，而且较大的注入面积更有利于散热。4.这种结构设计方式激发的远场模发散角更小。
附图说明
图1为本发明的剖面结构示意图。
图2为本发明的PT布拉格反射光栅区和中心腔的等效折射率分布图。
图3为本发明的制备流程图。
图4为本发明工作时激射模(a)近场和(b)远场仿真结果。
图5为腔长500微米的激光器L-I曲线和能量转换效率(PCE)曲线图。
其中1、电极层，2、n型InGaAsP/InP光栅层，3、InAlGaAs量子阱QWs有源层，4、p型掺杂InAlGaAs/InP光栅层，5、n型掺杂InP层；6、非掺杂InP层；7、p型掺杂InP层；图3中①表示InP衬底；②对InP衬底刻蚀；③对下层光栅填充InAlGaAs并进行掺杂；④进行中间有源层InAlGaAs量子阱外延生长；⑤进行上层InGaAsP层生长；⑥对InGaAsP层进行刻蚀形成光栅；⑦用InP填充InGaAsP光栅层；⑧在所述三层结构上中心位置对中心腔进行刻蚀；⑨中心腔内填充n型掺杂InP层；⑩中心腔内再生长非掺杂InP层；⑾中心腔内再填充p型掺杂InP层；⑿在PT布拉格反射光栅区、中心腔的下底面及上顶面覆盖电极层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述：
如图1所示，一种高功率小发散角单横模单波长半导体激光器，包括片体，片体底部和顶部表面均覆盖有电极层1；片体包括中心腔以及对称设置在中心腔左右两侧的PT布拉格反射光栅区，所述PT布拉格反射光栅区包括由下往上依次叠加的p型掺杂InAlGaAs/InP光栅层4、InAlGaAs量子阱QWs有源层3和n型InGaAsP/InP光栅层2，所述中心腔内由下往上依次叠加有n型掺杂InP层5、非掺杂InP层6、p型掺杂InP层7。PT布拉格反射光栅区中下层的p型掺杂InGaAsP/InP光栅层4的光栅周期与上层的n型InGaAsP/InP光栅层2光栅周期交错半个周期。中心腔内非掺杂InP层6厚度大于n型掺杂InP层5、p型掺杂InP层7的厚度。
本发明PT-BRW激光器基于FP腔，在谐振腔横向引入PT布拉格反射光栅，量子阱设置在两侧的PT布拉格反射区，利用条波导和两侧对称分布的PT布拉格反射光栅共同作用，在横截面上提供滤模功能以保证单横模输出，并通过控制光栅的周期尺寸保证单波长输出。激射模的光场主要集中在截面积较大的中心腔，可以使激光器具有更高的COD阈值。在结构生长时，对中间区域P-N结进行反向掺杂，以及对两侧的PT布拉格反射区进行正向掺杂，从而在正向电压/电流下，中间区域形成反型层而电流关断，两侧PT有源区导通而有电流通过，从而将电注入分散在两侧的PT布拉格光栅区。该设计的注入面积较传统激光器要大，不仅减小了器件的输入电阻和发热效应，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。此外，由于中心腔到两侧反射光栅区的光场强度逐渐减小，在远离中心腔的更外侧反射光栅区域，可以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。
如图2所示，两侧PT布拉格反射光栅区相对于中心腔对称分布，并由三层结构构成：上层为InGaAsP/InP光栅；中间层为InAlGaAs量子阱(QWs)有源层；下层为p型掺杂InAlGaAs/InP光栅，以实现PT结构中的光吸收。在功能上，上层实现PT布拉格光栅实部(折射率)的周期变化，中间有源层提供增益，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布拉格反射光栅而言，每一个周期可以分为4层，根据PT对称的要求，这4层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层的折射率分布，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)。
Figure BDA0003221673630000061
采用特定的注入方式，对中间区域P-N结进行反向掺杂，以及对两侧的PT布拉格反射区进行正向掺杂，从而在正向电压/电流下，中间区域形成反型层而电流关断，两侧PT有源区导通而有电流通过，从而将电注入分散在两侧的PT布拉格光栅区。中间波导区与两侧的PT布拉格反射区共同作用，激射形成理想单横模单波长，对应的远场发散角较小，快轴方向半高全宽约为25°，慢轴方向约为14°，光束质量高，利于进行后端耦合。
本发明高功率小发散角单横模单波长半导体激光器的制备方法如图3所示，其中主要工艺步骤和技术手段如下：其中①标识InP衬底；②对InP衬底刻蚀；③对下层光栅填充InAlGaAs并进行p型掺杂；④进行中间有源层InAlGaAs量子阱外延生长；⑤进行上层InGaAsP层生长并进行n型掺杂；⑥对InGaAsP层进行刻蚀形成光栅；⑦用InP填充InGaAsP光栅层；⑧在所述三层结构上中心位置对中心腔进行刻蚀；⑨中心腔内填充n型掺杂InP层；⑩中心腔内再生长非掺杂InP层；⑾中心腔内再填充p型掺杂InP层；⑿在PT布拉格反射光栅区、中心腔的下底面及上顶面覆盖电极层。
首先采用电子束曝光对InP衬底进行刻蚀，对下层光栅填充InAlGaAs并进行掺杂，形成下层的p型掺杂InAlGaAs/InP光栅层，并在该层上面生长一层InP层；然后进行中间有源层InAlGaAs量子阱外延生长，再进行上层InGaAsP层生长，同样利用电子束曝光工艺对InGaAsP层进行刻蚀形成光栅，但光栅周期与下层的n型InAlGaAs层交错半个周期，用InP填充InGaAsP光栅层，完成PT布拉格反射光栅三层结构制备；在所述三层结构上中心位置对中心腔进行刻蚀，再对中心腔填充n型掺杂InP层，再生长非掺杂InP层，再填充p型掺杂InP层，最后在PT布拉格反射光栅区、中心腔的下底面及上顶面覆盖电极层，形成最终器件。
该器件上下底面是接触电极，进行电流注入。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，并分别镀膜形成反射率为R1＝0.1，R2＝0.9。光由反射率低的R1端面输出。由图4可知，激光器远场光束发散角，快轴方向半高全宽约为18°，慢轴方向约为15°。
图5腔长500微米的激光器L-I曲线和能量转换效率(PCE)曲线图。
以上所述仅是本专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本专利的保护范围。

Claims (2)

1. 一种高功率小发散角单横模单波长半导体激光器，其特征在于：包括片体，所述片体底部和顶部表面均覆盖有电极层；所述片体包括中心腔以及对称设置在中心腔左右两侧的PT 布拉格反射光栅区，所述PT 布拉格反射光栅区包括由下往上依次叠加的p型掺杂InAlGaAs/InP光栅层、InAlGaAs量子阱QWs有源层和n型InGaAsP/InP光栅层，所述中心腔内由下往上依次叠加有n型掺杂InP层、非掺杂InP层和p型掺杂InP层；
所述PT 布拉格反射光栅区内，下层的p型掺杂InGaAsP/InP光栅层的光栅周期与上层的n型InGaAsP/InP光栅层光栅周期交错半个周期；
所述中心腔内非掺杂InP层厚度大于p型掺杂InP层、n型掺杂InP层的厚度；
制备方法，包括以下步骤：
首先采用电子束曝光制备光掩膜版，并利用干法刻蚀工艺对InP衬底进行刻蚀，对下层光栅填充InAlGaAs并进行掺杂，形成下层的p型掺杂InAlGaAs/InP光栅层，并在该层上面生长一层InP层；然后进行中间有源层InAlGaAs量子阱外延生长，再进行上层InGaAsP层生长，同样利用光掩模和干法刻蚀工艺对InGaAsP层进行刻蚀形成光栅，但光栅周期与下层的p型InAlGaAs层交错半个周期，用InP填充InGaAsP光栅层，完成PT布拉格反射光栅三层结构制备；在所述三层结构上中心位置对中心腔进行刻蚀，再对中心腔填充n型掺杂InP层，再生长非掺杂InP层，再填充p型掺杂InP层，最后在PT 布拉格反射光栅区、中心腔的下底面及上顶面覆盖电极层，形成最终器件；
在两侧的光栅区，上层n型掺杂的InGaAsP/InP光栅的带隙要大于QWs层的带隙，QWs层的带隙要大于下层P型掺杂的InAlGaAs/InP光栅的带隙。
2.根据权利要求1所述高功率小发散角单横模单波长半导体激光器，其特征在于：器件下侧电极为正极，上侧电极为负极。
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