CN113851931A - 基于取样光栅的单模大功率半导体激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于取样光栅的单模大功率半导体激光器及其制备方法，半导体激光器由下至上包括衬底、缓冲层、下限制层、多量子阱、上限制层、光栅层、渐变掺杂层和盖帽层；半导体激光器的波导结构包括扇形区和单模波导区；扇形区和单模波导区分别具有独立的供电电极；扇形区具有啁啾光栅，单模波导区具有插入相移的均匀光栅；半导体激光器腔体的布拉格波长相同；波导结构的进光端面镀设高反膜，出光端面镀设增透膜。本发明的波导主要包括单模波导和扇形波导结构，单模波导上制作插入相移的均匀光栅，扇形波导上制作啁啾光栅，这两段波导上分别制作独立的电极，并独立供电，波导结构可以实现半导体激光器大功率输出与单模运转等特点。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，更具体的说是涉及一种半导体光源，可以应用于光通信器件、模拟传输、激光雷达、激光检测与测距、激光生物检测以及非线性器件的泵浦光源等领域。
背景技术
光通信网络是当前通讯系统的底层物理基础。随着社会对带宽需求的急剧增长，光通信需要光电器件的带宽越来越高，光芯片也需要实现规模化集成。硅光芯片由于制造与传统CMOS半导体加工工艺兼容，而且硅材料成本低，所以硅光芯片得到了快速发展和产业应用。但是硅波导的光散射损耗比较大，所以为了弥补光的损耗，需要外置大功率半导体激光器以及阵列等。这种应用背景的大功率半导体激光器需要保持单模特性好，功率大(1mW以上)。激光器模斑特性好，这样易于耦合。
另一方面，随着自动驾驶，机器自动化以及非接触检测技术的发展，因为需要探测更远的距离，大功率半导体激光器也得到更多的需求。在这种情况下也需要单模大功率的以及窄线宽特性的半导体激光器。此外，在非线性光学器件、模拟信号远距离传输中也需要单模大功率半导体激光器。
但是由于在1550nm等长波长的半导体激光器中，由于比较严重的俄歇辐射等，以及单模导致的窄波导，半导体激光器很难做到输出功率很高，一般也就在100毫瓦的量级，所以激光器很多应用被限制了。
因此，如何提供一种结构简单，且输出功率高的半导体激光器，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于取样光栅的单模大功率半导体激光器及其制备方法，旨在解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于取样光栅的单模大功率半导体激光器，所述半导体激光器由下至上包括衬底、缓冲层、下限制层、多量子阱、上限制层、光栅层、渐变掺杂层和盖帽层；所述半导体激光器的波导结构包括扇形区和单模波导区；所述扇形区和所述单模波导区分别具有独立的供电电极；所述扇形区具有啁啾光栅，所述单模波导区具有插入相移的均匀光栅；所述半导体激光器腔体的布拉格波长相同；所述波导结构的进光端面镀设高反膜，出光端面镀设增透膜。
通过上述技术方案，本发明的波导主要包括单模波导和扇形波导结构，单模波导上制作插入相移的均匀光栅，扇形波导上制作啁啾光栅，这两段波导上分别制作独立的电极，并独立供电，利用本发明提供的波导结构可以实现半导体激光器大功率输出与单模运转等特点。
本发明中的半导体激光器波导结构由两部分组成：一部分是单模波导，一部分是扇形结构的波导。由于扇形结构的表面积大，所以可以注入更多的电流，以及散热特性更好。而单模波导这部分可以保证输出光具有比较好的模斑形状。扇形区和单模波导区的电极独立制作，如图2所示。这样可以实现扇形区注入更大的电流，得到更高的输出功率。
但是因为波导的有效折射率和波导宽度有关。波导越宽，有效折射率越大，如图8所示。所以扇形区的光栅周期需要特殊设计，使得沿腔的光栅布拉格波长近似相等，这样能保证单模特性。
为了保证布拉格波长沿着扇形波长保证一致，根据布拉格波长的表达，λ＝2neff(w)Λ，其中λ是布拉格波长，Λ是光栅周期，neff是某个波导宽度下的有效折射率，w是波导宽度，这样扇形波导的光栅周期为：
如果按图2的扇形波导宽度的变化趋势，即沿着z向波导宽度越来越小，那么，光栅周期的变化趋势如图9。
为了抑制大电流下的空间烧孔效应，本发明中的半导体激光器需要插入相移。具体的相移量和相移的位置可以根据计算激光器的阈值增益特性确定。因为激光器的出光端面镀膜是增透膜，而另一面镀膜是高反膜。高反膜因为光栅的随机相位会导致一部分激光器是多模。所以相移的位置和大小，可以通过计算，得到在某个所需要的镀膜反射率参数下得到激光器更高概率的单模工作。
但是实际上，此处的光栅是一种复杂光栅，这里可以看到光栅周期会沿着扇形的腔长发生变化，另外光栅的相移也会导致纳米级的突变。所以制造这种光栅难度大。可以用电子束曝光制作。本发明中提出采用取样的方法，也即等效啁啾实现。
在取样光栅在中，经过傅里叶展开，+1级傅里叶子光栅可以用过取样结构来调控。因为取样周期的尺度为微米级，基本光栅是均匀光栅，所以制造容易，仅仅需要一次曝光和一次全息光刻。
在本发明中建议用+1级傅里叶子光栅作为工作光栅，当然也可以用-1级傅里叶子光栅，0级也就是基本光栅周期设置在半导体材料的增益范围外面(长波长侧)。这里需要设计的取样光栅的周期P受0级波长(λ0)，+1级波长(λ+1)和波导有效折射率共同影响，可由公式(2)推导。制作的等效啁啾取样结构与取样后的光栅形貌如图10中的(a)和(b)所示。通过在取样结构中设计突变，可以在+1级傅里叶子光栅中插入相移，也即等效相移。
根据公式(2)，如果每个激光器设计的布拉格波长λ+1不一样，通过控制每个激光器的取样周期P，即刻实现多波长激光器阵列。
如果在应用中，对激光器的光场分布的模斑没有什么要求，那么波导可以设计成两边都是扇形结构的波导，其中的取样光栅设计原理和上面描述的相同，如图4所示。
为了实现更大的功率，可以在激光器的出光面后面集成光放大器，从而进一步放大光功率，如图5所示。激光器与光放大器的电极单独制作，单独供电。
基于取样光栅的单模大功率半导体激光器的制备方法包括以下步骤：
S1、进行第一次外延材料生长，材料由衬底依次经过缓冲层、下限制层、多量子阱、上限制层生长至光栅层；
S2、在所述光栅层进行取样光栅制作；
S3、进行第二次外延材料生长，在光栅层上依次生长渐变掺杂层和盖帽层；
S4、进行扇形区和所述单模波导区的刻蚀；
S5、镀氧化膜，做电隔离，开电极窗口，并进行蒸镀正电极、减薄、蒸镀负电极，最后解离成bar条，进行端面镀膜，制作完成。
取样光栅的制备方法为：首先在晶片上旋涂光刻胶，之后利用全息曝光技术在基片上形成均匀光栅，然后使用设计好的具有取样结构的掩模版进行接触式二次曝光，得到取样光栅图形。之后再通过显影、刻蚀将曝光图形转移到基片上得到取样光栅结构，如图6和7所示。其中，基本光栅周期根据设计的激光器波长确定，也即布拉格波长附近。
本发明中的半导体激光器的衬底一般应用III-V族化合物半导体材料(如GaAlAs/GaAs，InGaAs/InGaP，GaAsP/InGaP，InGaAsP/InP，InGaAsP/GaAsP，AlGaInAs等)，同时也可应用II-VI族化合物半导体材料、IV-VI族化合物半导体材料等各种三元化合物、四元化合物半导体材料。
本发明提供的大功率DFB半导体激光器一端采用抗反射膜，抗反射膜的端面反射率范围在0.05％到1％的范围内，另一端采用高反射膜，反射率在95％以上，从而能够增加激光器的出光功率。本发明的大功率DFB半导体激光器可以用于多种波段，具体如1310波段和1550波段和1650波段。光栅周期的值与增益区量子阱材料需要根据具体的所需要的激射波长设计。外延结构从下往上主要包括衬底、缓冲层、下限制层、多量子阱(阱和垒)和上限制层，光栅层、渐变掺杂层、盖帽层等。外延结构中在下限制层的下方可以设计增加一层波导层，让光模场往下偏移，从而在垂直方向改善模场。
首先进行第一次外延材料生长，材料长到光栅层。通过图6和7图所示的方法进行取样光栅制作。做好光栅后进行二次外延到盖帽层。然后进行扇形与单模波导的刻蚀，镀氧化膜做电隔离，开电极窗口，以及正蒸镀电极、减薄、蒸镀负电极。最后解离成bar条，进行端面镀膜。激光器结构如图1所示。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于取样光栅的单模大功率半导体激光器及其制备方法，本发明的波导主要包括单模波导和扇形波导结构，单模波导上制作插入相移的均匀光栅，扇形波导上制作啁啾光栅，这两段波导上分别制作独立的电极，并独立供电，利用本发明提供的波导结构可以实现半导体激光器大功率输出与单模运转等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的半导体激光器结构示意图；
图2附图为本发明提供的实施例1的半导体激光器的结构示意图；
图3附图为本发明提供的半导体激光器的电机布置示意图；
图4附图为本发明提供的实施例2的半导体激光器的结构示意图；
图5附图为本发明提供的实施例3的半导体激光器的结构示意图；
图6附图为本发明提供的取样光栅制作流程的全息曝光的示意图；
图7附图为本发明提供的取样光栅制作流程的光刻的示意图；
图8附图为本发明提供的某结构波导的有效折射率与波导宽度的关系曲线；
图9附图为本发明提供的光栅周期沿着+z变化趋势；
图10附图(a)为啁啾补偿取样结构，将取样制作在均匀的基本光栅上得到(b)取样后光栅形貌。
其中：
10-半导体激光器；20-波导结构；200-扇形区；201-单模波导区；202-供电电极；203-高反膜；204-增透膜；30-半导体光放大器；40-基片；50-掩模版。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
参见附图1至3，本发明实施例公开了一种基于取样光栅的单模大功率半导体激光器，其特征在于：半导体激光器10由下至上包括衬底、缓冲层、下限制层、多量子阱、上限制层、光栅层、渐变掺杂层和盖帽层；半导体激光器10的波导结构20包括扇形区200和单模波导区201；扇形区200和单模波导区201分别具有独立的供电电极202；扇形区200具有啁啾光栅，单模波导区201具有插入相移的均匀光栅；半导体激光器10腔体的布拉格波长相同；波导结构20的进光端面镀设高反膜203，出光端面镀设增透膜204。
扇形区200和单模波导区201的数量均为一个，且沿半导体激光器10的长度方向依次布置。
实施例2：
参见附图4，本发明实施例与实施例1的不同之处在于：
扇形区200的数量为两个，单模波导区201的数量为一个；两个扇形区200对称布置，单模波导区201位于两个扇形区200之间。
实施例3：
参见附图5，本发明实施例在实施例1的基础上进行改进：
出光端面后部集成有半导体光放大器30。
在以上实施例的基础上，基于取样光栅的单模大功率半导体激光器的制备方法，包括以下步骤：
S1、进行第一次外延材料生长，材料由衬底依次经过缓冲层、下限制层、多量子阱、上限制层生长至光栅层；
S2、在光栅层进行取样光栅制作；
S3、进行第二次外延材料生长，在光栅层上依次生长渐变掺杂层和盖帽层；
S4、进行扇形区200和单模波导区201的刻蚀；
S5、镀氧化膜，做电隔离，开电极窗口，并进行蒸镀正电极、减薄、蒸镀负电极，最后解离成bar条，进行端面镀膜，制作完成。
步骤S2的具体方法为：首先在基片40上旋涂光刻胶，之后利用全息曝光技术在基片40上形成均匀光栅，然后使用具有取样结构的掩模版50进行接触式二次曝光，得到取样光栅图形；之后再通过显影、刻蚀将曝光图形转移到基片40上得到取样光栅结构。
通过改变半导体材料和量子阱结构实现在不同波段；包括1310波段、1550波段，1650波段、中红外以及850nm波段波长的半导体激光器10的大功率输出。
半导体激光器10能够实现光栅和波导在硅光制作，通过三五族有源材料的键合实现。
光栅层位于上限制层顶面，经过第二次外延实现掩埋式光栅；或者制作在波导结构的侧壁，实现侧壁光栅。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.基于取样光栅的单模大功率半导体激光器，其特征在于：所述半导体激光器(10)由下至上包括衬底、缓冲层、下限制层、多量子阱、上限制层、光栅层、渐变掺杂层和盖帽层；所述半导体激光器(10)的波导结构(20)包括扇形区(200)和单模波导区(201)；所述扇形区(200)和所述单模波导区(201)分别具有独立的供电电极(202)；所述扇形区(200)具有啁啾光栅，所述单模波导区(201)具有插入相移的均匀光栅；所述半导体激光器(10)腔体的布拉格波长相同；所述波导结构(20)的进光端面镀设高反膜(203)，出光端面镀设增透膜(204)。
2.根据权利要求1所述的基于取样光栅的单模大功率半导体激光器，其特征在于，所述扇形区(200)和所述单模波导区(201)的数量均为一个，且沿所述半导体激光器(10)的长度方向依次布置。
3.根据权利要求1所述的基于取样光栅的单模大功率半导体激光器，其特征在于，所述扇形区(200)的数量为两个，所述单模波导区(201)的数量为一个；两个所述扇形区(200)对称布置，所述单模波导区(201)位于两个所述扇形区(200)之间。
4.根据权利要求1所述的基于取样光栅的单模大功率半导体激光器，其特征在于，所述出光端面后部集成有半导体光放大器(30)。
5.根据权利要求1所述的基于取样光栅的单模大功率半导体激光器，其特征在于，所述波导结构(20)为脊形波导结构或掩埋异质结波导结构，所述半导体激光器(10)的侧向通过PN结限制载流子的侧向扩散。
6.一种权利要求1-5中任一项所述的基于取样光栅的单模大功率半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、进行第一次外延材料生长，材料由衬底依次经过缓冲层、下限制层、多量子阱、上限制层生长至光栅层；
S2、在所述光栅层进行取样光栅制作；
S3、进行第二次外延材料生长，在光栅层上依次生长渐变掺杂层和盖帽层；
S4、进行扇形区(200)和所述单模波导区(201)的刻蚀；
S5、镀氧化膜，做电隔离，开电极窗口，并进行蒸镀正电极、减薄、蒸镀负电极，最后解离成bar条，进行端面镀膜，制作完成。
7.根据权利要求6所述的基于取样光栅的单模大功率半导体激光器的制备方法，其特征在于，步骤S2的具体方法为：首先在基片(40)上旋涂光刻胶，之后利用全息曝光技术在所述基片(40)上形成均匀光栅，然后使用具有取样结构的掩模版(50)进行接触式二次曝光，得到取样光栅图形；之后再通过显影、刻蚀将曝光图形转移到所述基片(40)上得到取样光栅结构。
8.根据权利要求6所述的基于取样光栅的单模大功率半导体激光器的制备方法，其特征在于，通过改变半导体材料和量子阱结构实现在不同波段；包括1310波段、1550波段，1650波段、中红外以及850nm波段波长的所述半导体激光器(10)的大功率输出。
9.根据权利要求6所述的基于取样光栅的单模大功率半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述半导体激光器(10)能够实现光栅和波导在硅光制作，通过三五族有源材料的键合实现。
10.根据权利要求6所述的基于取样光栅的单模大功率半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述光栅层位于所述上限制层顶面，经过第二次外延实现掩埋式光栅；或者制作在所述波导结构的侧壁，实现侧壁光栅。
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|---|---|---|---|
| CN202111092782.2A Pending CN113851931A (zh) | 2021-09-17 | 2021-09-17 | 基于取样光栅的单模大功率半导体激光器及其制备方法 |
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| Country | Link |
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| CN (1) | CN113851931A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117498148A (zh) * | 2023-12-29 | 2024-02-02 | 江苏华兴激光科技有限公司 | 一种基于光栅结构相移的方法及dfb激光器 |
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2021
- 2021-09-17 CN CN202111092782.2A patent/CN113851931A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117498148A (zh) * | 2023-12-29 | 2024-02-02 | 江苏华兴激光科技有限公司 | 一种基于光栅结构相移的方法及dfb激光器 |
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