CN114400502B - 一种圆形光斑单模半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆形光斑单模半导体激光器，包括n型接触金属层、衬底、缓冲层、n型外波导层、n型下波导层、有源层、p型上波导层、p型接触层和p型接触金属层；有源层由下至上依次为下限制层、量子阱层和上限制层；n型下波导层和p型上波导层为与衬底晶格相匹配的InxGa1‑ xAsyP1‑y材料，且n型下波导层与p型上波导层的带隙波长小于有源层的激射波长。本发明中的上下波导层皆采用InxGa1‑xAsyP1‑y材料，形成无铝腔面，提高了腔面灾变损伤阈值，有源层采用AlGaAs或者AlInGaAs材料，可以对载流子进行更好的限制，减少漏电，并提高激光器的特征温度T0。本发明创新性地采用无铝腔面+含铝有源层的结合，从而可在规避含铝腔面的光学灾变损伤的前提下，提高半导体激光器的最高运行功率和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子技术领域，特别涉及一种圆形光斑单模半导体激光器。
背景技术
随着光通讯系统的不断发展，光电子技术成为了目前光通讯领域中的核心技术之一。半导体激光器由于具有效率高、体积小、重量轻、耗电少、运转可靠、易调制等优点，在激光通信、光存储、激光打印、测距、医疗仪器、测试、科研等方面都得到了广泛的应用。高功率半导体激光器的研究尤其在电信、医药、材料加工和军事系统中的应用所推动，目前面临着输出光功率、光电效率、光束质量方面的问题。
首先，半导体激光器由于端面发热、有源区发热、串联电阻发热造成了功率损失。同时，激光器在大功率工作条件下，端面会出现光学灾变损伤（COD）。激光器在工作时，其端面处的光吸收导致非辐射复合，使得端面温度升高。端面温度的升高一方面引起禁带宽度减小，光吸收增大；另一方面引起表面缺陷密度增加，导致非辐射复合加剧，温度进一步升高，最终端面发生镜面破坏。含Al激光器在端面温度升高时会发生表面氧化，端面处非辐射复合中心密度增加，这增加了热的产生。因此，含Al激光器在大功率工作条件下更容易出现光学灾变损伤。
其次，非辐射复合引起的载流子损失、价带间光吸收损耗以及界面缺陷引起的无辐射复合使得激光器的特征温度（T0）降低。激光器在高功率输出时，主要是有源区载流子的泄漏导致发光效率变差、激光器阈值电流增加以及T0的减小。对于InP基和工作波长小于850nm的GaAs基的半导体激光器来说，含铝的量子阱因为导带不连续量(conductionbandoffset)大，能有效减小漏电，增加T0，因此含Al材料作为量子材料的首选。对于工作波长大于850nm的GaAs基的半导体激光器，波导层通常采用AlGaAs材料，同样也面临了Al氧化导致端面可靠性风险的问题。如何能够采用含铝材料但同时规避含铝的腔面端面的光学灾变损伤一直是大功率半导体激光芯片的一大难题。
最后，传统高功率半导体激光器波导的厚度一般被限制在1μm以内，输出光束在垂直方向的发散角约40°，而在水平方向的发散角约10°。这导致了远场方向上垂直方向的光斑宽度远大于水平方向的光斑宽度，即光斑呈高度不对称性。
以泵浦掺铒光纤放大器(EDFA)为例，高功率单模980nm半导体激光器由于增益效率是掺铒光纤放大器抽运光源中最高的，因此成为了光纤通信系统中光纤放大器中最核心的器件。半导体激光器在非制冷条件下的稳定性较差，且耦合到光纤中耦合效率较差。通常F-P腔半导体激光器与光纤光栅组成弱反馈外腔激光器，通过控制激光器电流和温度，调谐光纤光栅布喇格波长可获得单纵模输出。对于带制冷器的980nm半导体激光器作为EDFA泵浦源时不仅体积较大，而且成本较高，这很难适应光纤到户的发展要求。由于980nm半导体激光器发出的激光是高度椭圆的，而标准平端单模光纤具有圆对称模场，两者模式的不匹配导致直接耦合效率很低。通常采用适当的耦合系统对小束腰半宽、大发散角的980半导体激光器椭圆模式进行变换，以与单模光纤大模场半宽、小数值孔径的圆对称模场尽可能匹配，从而减小耦合损失。但加入耦合系统不仅体积较大，而且成本较高。因此，EDFA需要一种高功率圆对称基横模、单纵模、高边模抑制比的980nm半导体激光器。
发明内容
本发明提供一种圆形光斑单模半导体激光器，其主要目的在于解决现有技术存在的问题。
本发明采用如下技术方案：
一种圆形光斑单模半导体激光器，包括由下至上依次设置的n型接触金属层、衬底、缓冲层、n型外波导层、n型下波导层、有源层、p型上波导层、p型接触层和p型接触金属层；所述有源层由下至上依次为下限制层、量子阱层和上限制层，所述量子阱层的阱层/垒层为GaAs/AlGaAs、InGaAs/AlGaAs、InxGa1-xAsyP1-y/AlGaAs或者不同Ga/Al比例的AlInGaAs；所述n型下波导层和p型上波导层为与衬底晶格相匹配的InxGa1-xAsyP1-y材料，且所述n型下波导层与p型上波导层的带隙波长小于所述有源层的激射波长。
具体地，之所以设定n型下波导层与p型上波导层的带隙波长小于有源层的激射波长，是基于带隙波长短的半导体材料不会对大于该材料带隙波长的波产生吸收这一原理，由此确保n型下波导层与p型上波导层不会对激射波长产生光吸收，而且可以起到很好的载流子限制及光波导作用。本发明提供三种具体可行的设计方案：其一，所述有源层的激射波长为980nm，所述n型下波导层与p型上波导层的带隙波长最高为810nm；其二，所述有源层的激射波长为980nm，所述n型下波导层与p型上波导层的带隙波长最高为870nm；其三，所述有源层的激射波长为1510nm，所述n型下波导层与p型上波导层的带隙波长最高为1250nm。
进一步，所述圆形光斑单模半导体激光器表面刻蚀有双沟槽结构，通过改变双沟槽结构的位置及宽度，从而调整器件的肋区参数，进而获得对称圆形远场光斑。圆形光斑单模半导体激光器的双沟槽结构之间形成脊形台。为了更准确地理解肋区的相关参数，此处对肋区概念进行解释说明：肋区由平板层和脊层构成，其中平板层指的是脊形台下方至n型外波导层上方的平板结构，而脊层指的是位于平板层上方的部分脊形台。由此可知，平板层和脊层所包含的外延结构取决于双沟槽结构的刻蚀情况。
作为一种设计方案：所述双沟槽结构刻蚀至所述有源层以下，并且所述量子阱层至n型下波导层之间形成水平谐振腔激光器单元的肋区；肋区的参数关系为：T/H=0.2-0.35；T/W=0.4-0.7；T/L=0.01-0.15，其中：T为平板层厚度，H为肋区高度，W为脊层宽度，L为平板层宽度。
作为另一种设计方案：所述双沟槽结构未刻蚀至所述有源层，并且所述p型上波导层至n型下波导层之间形成水平谐振腔激光器单元的肋区；肋区的参数关系为：S/H=0.1-0.2；S/W=0.1-0.3；S/L=0.01-0.1，其中：S为所述量子阱层顶部与所述p型上波导层底部之间的距离，H为肋区高度，W为脊层宽度，L为平板层宽度。
进一步，所述n型外波导层的折射率为3.0-3.15，所述n型下波导层的折射率为3.2-3.4，所述有源层的折射率为3.2-3.3，所述p型上波导层的折射率为3.0—3.3。
进一步，所述n型外波导层的厚度为1-5μm；所述n型下波导层厚度为1-10μm，掺杂浓度为1e15-1e18cm-3；所述p型上波导层厚度为0.1μm-6μm，掺杂浓度为1e15-5e18cm-3。在实际应用中，所述n型下波导层和p型上波导层都可根据需求设计为不同厚度或者掺杂浓度的多层结构。
进一步，所述衬底为n-GaAs衬底，所述n型外波导层为GaInP外波导层；或者所述衬底为n-InP衬底，所述n型外波导层为InP外波导层。
进一步，还包括介质层，所述介质层置于所述双沟槽结构的槽内壁及双沟槽结构两侧的P型接触层上方；所述P型接触金属层置于所述双沟槽结构脊形台的P型接触层上方。具体地，所述介质层的材料可以为SiO2、SiNx、Al2O3、半绝缘InP、半绝缘InAlAs、半绝缘GaAs、半绝缘GaInP或以上几种材料的组合；所述双沟槽结构除了内衬有介质层外，也可以用空气、金属、半绝缘材料、半导体材料或以上几种进行组合填充，从而形成二次外延结构。
进一步，所述圆形光斑单模半导体激光器的前腔面为离子注入区，可以为整个腔面，也可以为腔面的1/2。
作为一种具体方案：所述圆形光斑单模半导体激光器为FP半导体激光器。
作为另一种具体方案：所述圆形光斑单模半导体激光器为DFB半导体激光器；还包括光栅层，所述光栅层设置于所述n型下波导层内或p型上波导层内，且光栅层为GaInP/InxGa1-xAsyP1-y/GaInP、GaAs/InxGa1-xAsyP1-y/GaAs或者InxGa1-xAsyP1-y/InP结构。
和现有技术相比，本发明产生的有益效果在于：
1、本发明中的上下波导层皆采用InxGa1-xAsyP1-y材料，形成无铝腔面，提高了腔面灾变损伤阈值，而有源层采用AlGaAs或者AlInGaAs材料，可以对载流子进行更好的限制，减少漏电，并提高激光器的特征温度T0。由此可知，本发明创新性地采用无铝腔面+含铝有源层的结合，由此可以在规避含铝腔面的光学灾变损伤的前提下，提高了半导体激光器的最高运行功率和可靠性。
2、对于传统的GaAs/AlGaAs基DFB而言，由于二次外延过程中面临含铝材料的界面氧化问题，实现的难度较大，而本发明将光栅设置在无铝波导层中从而实现了激光器的单纵模输出，降低了二次外延的难度。
3、本发明将谐振腔内部的光场分布耦合到一层较厚的低N型掺杂的高折射率平板结构中，并利用双沟槽脊形波导结构提供较大的有效折射率差，以并获得大的模式增益损耗差，从而滤除高阶横模和侧模实现单横模。板状耦合产生的模式滤波使得单模式横截面积较大，这导致大光腔腔面功率密度相对较低，进一步提高了腔面灾变损伤阈值，并获得更高的运行功率。基于此，通过改变沟槽的位置及宽度获得对称圆形远场光斑，更方便耦合至光纤。
附图说明
图1为本发明中实施例一的结构示意图。
图2为本发明中实施例一的肋区结构示意图。
图3为本发明中实施例一的半导体激光器近场光场示意图。
图4为本发明中实施例一的半导体激光器远场光场示意图。
图5为本发明中实施例二的结构结构图。
图6为本发明中实施例二的半导体激光器近场光场示意图。
图7为本发明中实施例二的半导体激光器远场光场示意图。
图8为本发明中实施例三的结构示意图。
图9为本发明中实施例三的肋区结构示意图。
图10为本发明中实施例三的半导体激光器近场光场示意图。
图11为本发明中实施例三的半导体激光器远场光场示意图。
图12为本发明中实施例四的结构示意图。
图13为本发明中实施例四的半导体激光器近场光场示意图。
图14为本发明中实施例四的半导体激光器远场光场示意图。
图中：
100、n型接触金属层；
101、n-GaAs衬底；
102、n-GaAs缓冲层；
103、GaInP外波导层；
104、第一n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层；
105、GaInP/InxGa1-xAsyP1-y/GaInP光栅层；
106、第二n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层；
107、第三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层；
108、有源层；
109、p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层；
110、p型接触层；
111、p型接触金属层；
112、介质层；
201、平板层；
202、脊层；
203、肋区；
300、n型接触金属层；
301、n-GaAs衬底；
302、n-GaAs缓冲层；
303、GaInP外波导层；
304、第一n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层；
305、GaInP/InxGa1-xAsyP1-y/GaInP光栅层；
306、第二n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层；
307、第三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层；
308、有源层；
309、第一p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层；
310、第二p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层；
311、p型接触层；
312、p型接触金属层；
313、二次外延层；
400、n型接触金属层；
401、n-GaAs衬底；
402、n-GaAs缓冲层；
403、GaInP外波导层；
404、第一n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层；
405、GaInP/InxGa1-xAsyP1-y/GaInP光栅层；
406、第二n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层；
407、有源层；
408、第一p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层；
409、第二p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层；
410、第三p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层；
411、p型接触层；
412、p型接触金属层；
413、介质层；
501、平板层；
502、脊层；
503、肋区；
600、n型接触金属层；
601、n-InP衬底；
602、n-InP缓冲层；
603、InP外波导层；
604、第一n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层；
605、InxGa1-xAsyP1-y/InP光栅层；
606、第二n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层；
607、第三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层；
608、有源层；
609、p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层；
610、p型接触层；
611、p型接触金属层；
612、介质层。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的具体实施方式。为了全面理解本发明，下面描述到许多细节，但对于本领域技术人员来说，无需这些细节也可实现本发明。
实施例一：
如图1所示，本实施例提供一种圆形光斑单模半导体激光器，该圆形光斑单模半导体激光器为GaAs基InxGa1-xAsyP1-y波导圆形光斑单纵模单横模高功率半导体激光器，其包括由下至上依次设置的n型接触金属层100、n-GaAs衬底101、n-GaAs缓冲层102、GaInP外波导层103、第一n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层104、GaInP/InxGa1-xAsyP1-y/GaInP光栅层105、第二n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层106、第三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层107、有源层108、p-InxGa1- xAsyP1-y上波导层109、p型接触层110和p型接触金属层111。
如图1所示，优选地，GaInP外波导层103的厚度为3200nm，用于对光场实现限制。
如图1所示，优选地，GaInP/InxGa1-xAsyP1-y/GaInP光栅层105由下至上为GaInP层、InxGa1-xAsyP1-y光栅层和GaInP填充层，厚度为40nm，且InxGa1-xAsyP1-y光栅层的带隙波长为780nm。GaInP/InxGa1-xAsyP1-y/GaInP光栅层105用于对激光器纵模进行选择，实现激光器的单纵模输出。
如图1所示，优选地，第一n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层104的带隙波长为780nm，厚度为500nm，掺杂原子为Si且掺杂浓度为1e18cm-3；第二n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层106的带隙波长为810nm，厚度为1000nm，掺杂原子为Si且掺杂浓度为5e17cm-3；第三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层107的带隙波长为810nm，厚度为4000nm，掺杂原子为Si且掺杂浓度为5e16cm-3。第一、二、三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层可以将有源层108的光场拉至下波导层。
如图1所示，优选地，有源层108由下至上为InxGa1-xAsyP1-y下限制层、量子阱层、InxGa1-xAsyP1-y上限制层；量子阱层为厚度为5nm的In0.2Ga0.8As阱层与厚度为6nm的Al0.2Ga0.8As垒层组成的垒/阱/垒/阱/垒/阱/垒结构，激射波长为980nm；量子阱层采用了AlGaAs垒层，可以对载流子进行更好的限制，防止载流子的泄漏，提高了激光器的特征温度T0；InxGa1-xAsyP1-y下限制层与InxGa1-xAsyP1-y上限制层带隙波长为665nm，厚度为20nm，提供了更高的势垒，对载流子进行限制。
如图1所示，优选地，p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层109的带隙波长为652nm，厚度为400nm，掺杂原子为Zn且掺杂浓度为6e17cm-3，如此可将光场有效限制在该波导层之下，从而减小光损耗。
熟知的，带隙波长短的半导体材料不会对大于该材料带隙波长的波产生吸收。本实施例中，相比于有源层108的激射波长(980nm)，n型下波导层（包括第一、二和三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层）与p型上波导层（p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层109）对应材料的带隙波长最高为810nm。因此，在本实施例中，n型下波导层与p型上波导层不会对激射波长产生光吸收，而且可以起到很好的载流子限制及光波导作用。
本实施例中n型外波导层（GaInP外波导层103）的有效折射率为3.064，n型下波导层（包括第一、二和三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层）的有效折射率为3.261，有源层的有效折射率为3.291，p型上波导层（p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层109）的有效折射率为3.064。n型外波导和p型上波导的有效折射率都小于有源层与n型下波导的折射率，而同时n型下波导的有效折射率与有源层的有效折射率相互接近，从而可以确保将光场限制在有源层与n型下波导区。
如图1和图2所示，优选地，p型接触层110为高掺杂GaAs层，可以进一步减小半导体激光器的串联电阻。
如图1和图2所示，该半导体激光器表面刻蚀有双沟槽结构，并且双沟槽结构刻蚀至有源层108以下。具体地，p型接触层110、p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层109、有源层108、第三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层107与第二n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层106形成双沟槽结构；还包括介质层112，且介质层112置于双沟槽结构的槽内壁及双沟槽结构两侧的P型接触层110上方。P型接触金属层111置于双沟槽结构的脊形台的P型接触层110上方。优选地，介质层112的材料为SiO2，厚度为20nm。
如图1和图2所示，具体地，量子阱层、InxGa1-xAsyP1-y下限制层、GaInP/InxGa1- xAsyP1-y/GaInP光栅层105与第三、二、一n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层形成肋区203，肋区203由平板层201和脊层202构成。在实际应用中，通过改变双沟槽结构的位置及宽度，可以调整器件的肋区参数，进而获得对称圆形远场光斑。其中，肋区参数包括平板层厚度T、肋区高度H、脊层宽度W和平板层宽度L。经过多次反复试验可知，当各参数之间的比值关系为：T/H=0.28，T/W=0.51，T/L=0.06，可获得近圆形远场光斑。作为其中一组最优的数据，本实施例中脊层宽度W=3μm，平板层宽度L=25μm，平板层厚度T=1.54μm，肋区高度H=5.599μm，其近圆形远场光斑近场和远场光场分别如图3和图4所示。
如图1和图2所示，具体地，该半导体激光器的前腔面为离子注入区，能够抑制载流子与腔面缺陷发生非辐射复合。
综上可知，本实施例的有益效果在于：
（1）传统GaAs基激光器外延结构中会采用AlGaAs形成上下波导层，而本实施例用InxGa1-xAsyP1-y材料代替AlGaAs，形成无Al腔面，提高了腔面灾变损伤阈值。GaAs/AlGaAs基DFB由于二次外延过程中面临含铝材料的界面氧化问题，实现的难度较大，而将光栅设置在无铝波导层中实现了激光器的单纵模输出，降低了二次外延的难度。相比于出光面落在含铝有源层的传统结构的激光器，该器件的出光面不含铝，可靠性更好。
（2）有源层108采用AlGaAs垒层，可以对载流子进行更好的限制，减少漏电，并提高激光器的特征温度（T0）。
（3）n型下波导层采用较厚的低掺高折射率InxGa1-xAsyP1-y平板结构，将谐振腔内部的光场分布耦合到波导层平板结构中。板状耦合产生的模式滤波使得单模式横截面积较大，这导致腔面功率密度相对较低，进一步提高了腔面灾变损伤阈值，并获得更高的运行功率。双沟槽脊形波导结构提供了较大的有效折射率差，并获得大的模式增益损耗差，有利于滤除高阶横模和侧模从而实现单横模。基于此，通过控制肋区参数即可获得圆形远场光斑，更方便耦合至光纤。
实施例二：
如图5所示，本实施例提供一种优选的GaAs基InxGa1-xAsyP1-y波导圆形光斑单纵模单横模高功率半导体激光器结构，包括由下至上依次设置的n型接触金属层300、n-GaAs衬底301、n-GaAs缓冲层302、GaInP外波导层303、第一n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层304、GaInP/InxGa1-xAsyP1-y/GaInP光栅层305、第二n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层306、第三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层307、有源层308、第一p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层309、第二p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层310、p型接触层311、p型接触金属层312。
如图5所示，优选地，GaInP外波导303层厚度为3000nm，用于对光场实现限制。
如图5所示，优选地，GaInP/InxGa1-xAsyP1-y/GaInP光栅层305由下至上为GaInP层、InxGa1-xAsyP1-y光栅层和GaInP填充层，厚度为40nm，且InxGa1-xAsyP1-y光栅层的带隙波长为780nm。GaInP/InxGa1-xAsyP1-y/GaInP光栅层305用于对激光器纵模进行选择，实现激光器的单纵模输出。
如图5所示，优选地，第一n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层304的带隙波长为780nm，厚度为500nm，掺杂原子为Si且掺杂浓度为1e18cm-3；第二n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层306的带隙波长为810nm，厚度为1500nm，掺杂原子为Si且掺杂浓度为5e17cm-3；第三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层307的带隙波长为810nm，厚度为4000nm，掺杂原子为Si且掺杂浓度为5e16cm-3。第一、二、三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层可以将有源层308的光场拉至下波导层。
如图5所示，优选地，有源层308由下至上为InxGa1-xAsyP1-y下限制层、量子阱层、InxGa1-xAsyP1-y上限制层；量子阱层为厚度为5nm的In0.2Ga0.8As阱层与厚度为6nm的Al0.2Ga0.8As垒层组成的垒/阱/垒/阱/垒/阱/垒结构，激射波长为980nm；量子阱层采用了AlGaAs垒层，可以对载流子进行更好的限制，防止载流子的泄漏，提高了激光器的特征温度T0；InxGa1-xAsyP1-y下限制层与InxGa1-xAsyP1-y上限制层的带隙波长为665nm，厚度为20nm，提供了更高的势垒，对载流子进行限制。
如图5所示，优选地，第一p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层309与第二p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层310的带隙波长为652nm，厚度分别为200nm和200nm，掺杂原子为Zn且掺杂浓度分别为6e17cm-3与2e18cm-3，如此可将光场有效限制在该波导层之下，从而减小光损耗。
熟知的，带隙波长短的半导体材料不会对大于该材料带隙波长的波产生吸收。本实施例中，相比于有源层308的激射波长(980nm)，n型下波导层（包括第一、二和三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层）与p型上波导层（第一和第二p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层）对应材料的带隙波长最高为810nm。因此，在本实施例中，n型下波导层与p型上波导层不会对激射波长产生光吸收，而且可以起到很好的载流子限制及光波导作用。
本实施例中，n型外波导层的有效折射率为3.064，n型下波导层的有效折射率为3.263，有源层308的有效折射率为3.291，p型上波导层的有效折射率为3.064。n型外波导和p型上波导的有效折射率都小于有源层与n型下波导的有效折射率，而同时n型下波导的有效折射率与有源层的有效折射率相互接近，从而可以确保将光场限制在有源层308与n型下波导区。
如图5所示，优选地，p型接触层311为高掺杂GaAs层，可以进一步减小半导体激光器的串联电阻。
如图5所示，该半导体激光器表面刻蚀有双沟槽结构，并且双沟槽结构刻蚀至有源层308以下。具体地，第一p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层309、有源层308、第三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层307与第二n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层306形成双沟槽结构；还包括二次外延层313，且二次外延层313至于双沟槽结构的槽内壁，二次外延层313由下至上依次为掺Fe的半绝缘GaInP和掺Si的n-GaInP，半绝缘GaInP与n-GaInP厚度比为3：1。第二p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层310、p型接触层311与p型接触金属层312依次至于第一p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层309与二次外延层313上方。
如图5所示，具体地，量子阱层、InxGa1-xAsyP1-y下限制层、GaInP/InxGa1-xAsyP1-y/GaInP光栅层305与第三、二、一n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层形成肋区，肋区由平板层和脊层构成。肋区由平板层和脊层构成（具体可参照图2）。在实际应用中，通过改变双沟槽结构的位置及宽度，可以调整器件的肋区参数，进而获得对称圆形远场光斑。经过无数次反复试验可知，当各参数之间的比值关系为：T/H=0.33，T/W=0.68，T/L=0.08，可获得近圆形远场光斑。作为其中一组最优的数据，本实施例中脊层宽度W=3μm，平板层宽度L=25μm，平板层厚度T=2.04μm，肋区高度H=6.099μm，其近场和远场光场分别如图6和图7所示。
如图5所示，该半导体激光器的前腔面为离子注入区，能够抑制载流子与腔面缺陷发生非辐射复合。
相较于实施例一，本实施例通过引入低折射率的二次外延层313（有效折射率3.064）从而实现更好的光学侧向限制及电流阻断，并且由于二次外延层313具有更好的热传导特性，可有效提升器件可靠性。
实施例三：
本实施例提供另外一种优选的GaAs基InxGa1-xAsyP1-y波导圆形光斑单纵模单横模高功率半导体激光器结构，包括由下至上依次设置的n型接触金属层400、n-GaAs衬底401、n-GaAs缓冲层402、GaInP外波导层403、第一n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层404、GaInP/InxGa1- xAsyP1-y/GaInP光栅层405、第二n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层406、有源层407、第一p-InxGa1- xAsyP1-y上波导层408、第二p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层409、第三p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层410、p型接触层411和p型接触金属层412。
如图8所示，优选地，GaInP外波导层403厚度为2500nm，用于对光场实现限制。
如图8所示，优选地，GaInP/InxGa1-xAsyP1-y/GaInP光栅层405由下至上为GaInP层、InxGa1-xAsyP1-y光栅层和GaInP填充层，厚度为40nm，且InxGa1-xAsyP1-y光栅层的带隙波长为780nm。GaInP/InxGa1-xAsyP1-y/GaInP光栅层405用于对激光器纵模进行选择，实现激光器的单纵模输出。
如图8所示，优选地，第一n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层404的带隙波长为780nm，厚度为300nm，掺杂原子为Si且掺杂浓度为1e18cm-3；第二n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层406的带隙波长为870nm，厚度为1000nm，掺杂原子为Si且掺杂浓度为5e17cm-3。第一和第二n-InxGa1- xAsyP1-y下波导层可以将有源层108的光场拉至下波导层。
如图8所示，优选地，有源层407由下至上为InxGa1-xAsyP1-y下限制层、量子阱层、InxGa1-xAsyP1-y上限制层；量子阱层为厚度为5nm的In0.2Ga0.8As阱层与厚度为6nm的Al0.2Ga0.8As垒层组成的垒/阱/垒/阱/垒结构，激射波长为980nm；量子阱层采用了AlGaAs垒层，可以对载流子进行更好的限制，防止载流子的泄漏，提高了激光器的特征温度T0；InxGa1-xAsyP1-y下限制层与InxGa1-xAsyP1-y上限制层带隙波长为665nm，厚度为20nm；提供了更高的势垒，对载流子进行限制。
如图8所示，优选地，第一p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层408的带隙波长为870nm，厚度为600nm，掺杂原子为Zn且掺杂浓度为5e16cm-3；第二p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层409的带隙波长为870nm，厚度为3000nm，掺杂原子为Zn且掺杂浓度为5e17cm-3；第三p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层410的带隙波长为652nm，厚度分别为400nm，掺杂原子为Zn且掺杂浓度分别为1e18cm-3，如此可将光场有效限制在该波导层之下，从而减小光损耗。
熟知的，带隙波长短的半导体材料不会对大于该材料带隙波长的波产生吸收。本实施例中，相比于有源层407的激射波长(980nm)，n型下波导层（包括第一和二n-InxGa1- xAsyP1-y下波导层）与p型上波导层（包括第一、二和三p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层）对应材料的带隙波长最高为870nm。因此，在本实施例中，n型下波导层与p型上波导层不会对激射波长产生光吸收，而且可以起到很好的载流子限制及光波导作用。
本实施例中n型外波导层的有效折射率为3.064，n型下波导层的有效折射率为3.282，有源层的有效折射率为3.261，p型上波导层的有效折射率为3.276。n型外波导的有效折射率小于有源层与n型下波导的折射率，而同时n型下波导的有效折射率、p型上波导层的有效折射率与有源层的折射率相互接近，从而确保可以将光场限制在有源层、n型下波导区、p型上波导区。
如图8所示，优选地，p型接触层411为高掺杂GaAs层，可以进一步减小半导体激光器的串联电阻。
如图8和图9所示，该半导体激光器表面刻蚀有双沟槽结构，并且双沟槽结构未刻蚀至有源层407。具体地，p型接触层411、第三p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层410、第二p-InxGa1- xAsyP1-y上波导层409与第一p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层408形成双沟槽结构；还包括介质层143，且介质层413置于双沟槽结构中的槽内壁及双沟槽结构两侧的P型接触层411上方。P型接触金属层412置于双沟槽结构的脊形台的P型接触层411上方。优选地，介质层材料为SiO2，厚度为20nm。
如图8和图9所示，具体地，第二p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层409、第一p-InxGa1- xAsyP1-y上波导层408、InxGa1-xAsyP1-y上限制层、量子阱层、InxGa1-xAsyP1-y下限制层、第二n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层406、GaInP/InxGa1-xAsyP1-y/GaInP光栅层405与第一n-InxGa1- xAsyP1-y下波导层404形成肋区503，肋区503由平板层501和脊层502构成。在实际应用中，通过改变双沟槽结构的位置及宽度，可以调整器件的肋区参数，进而获得对称圆形远场光斑。其中，肋区参数包括量子阱层顶部与p型上波导层底部之间的距离S、肋区高度H、脊层宽度W和平板层宽度L。经过无数次反复试验可知，当各参数之间的比值关系为：S/H=0.12，S/W=0.16，S/L=0.02，可获得近圆形远场光斑。作为其中一组最优的数据，本实施例中肋区高度H=5.008μm，平板层宽度L=25μm，脊层宽度W=4μm，量子阱层顶部与第二p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层409底部的距离S=0.62μm，其近场和远场光场分别如图10和图11所示。
实施例一与实施例二展示的结构需要对量子阱层进行刻蚀，会在暴露的量子阱层侧壁位置引入表面缺陷，这些表面缺陷在器件运行时会扩散至量子阱层中，产生非辐射中心，限制器件的可靠性。而本实施例优选地将有源层置入平板波导内部，并减少量子阱的数量来保持光场限制因子恒定，避免对有源层407进行刻蚀，从而提高器件性能。
实施例四：
如图12所示，本实施例提供一种InP基InxGa1-xAsyP1-y波导圆形光斑单纵模单横模高功率半导体激光器，包括由下至上依次设置的n型接触金属层600、n-InP衬底601、n-InP缓冲层602、InP外波导层603、第一n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层604、InxGa1-xAsyP1-y/InP光栅层605、第二n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层606、第三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层607、有源层608、p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层609、p型接触层610和p型接触金属层611。
如图12所示，优选地，InP外波导层603的厚度为1000nm，用于对光场实现限制。
如图12所示，优选地，InxGa1-xAsyP1-y/InP光栅层605由下至上为InxGa1-xAsyP1-y光栅层和InP填充层，厚度为40nm，且InxGa1-xAsyP1-y光栅层带隙波长为1250nm。InxGa1- xAsyP1-y/InP光栅层605用于对激光器纵模进行选择，实现激光器的单纵模输出。
如图12所示，优选地，第一n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层604的带隙波长为1250nm，厚度为500nm，掺杂原子为Si且掺杂浓度为1e18cm-3；第二n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层606的带隙波长为1250nm，厚度为1500nm，掺杂原子为Si且掺杂浓度为5e17cm-3；第三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层607的带隙波长为1250nm，厚度为4000nm，掺杂原子为Si且掺杂浓度为5e16cm-3。第一、二、三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层可以将有源层608的光场拉至下波导层。
如图12所示，优选地，有源层608由下至上为下限制层、量子阱层、上限制层；量子阱层为厚度为10nm的In0.53Ga0.47As阱层与厚度为10nm的In0.53Al0.19Ga0.28As垒层组成的垒/阱/垒/阱/垒/阱/垒结构，激射波长为1510nm；下限制层与上限制层为In0.53Al0.19Ga0.28As，厚度为60nm。
如图12所示，优选地，p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层609的带隙波长为918nm，厚度为200nm，掺杂原子为Zn且掺杂浓度为6e17cm-3。
如图12所示，优选地，p型接触层611为高掺杂InGaAs层。
熟知的，带隙波长短的半导体材料不会对大于该材料带隙波长的波产生吸收。本实施例中，相比于有源层的激射波长(1510nm)，n型下波导层（包括第一、二和三n-InxGa1- xAsyP1-y下波导层）与p型上波导层（p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层609）对应材料的带隙波长最高为1250nm。因此，在本实施例中，n型下波导层与p型上波导层不会对激射波长产生光吸收，而且可以起到很好的载流子限制及光波导作用。
本实施例中n型外波导层的有效折射率为3.107，n型下波导层的有效折射率为3.276，有源层的有效折射率为3.284，p型上波导层的有效折射率为3.107。n型外波导和p型上波导的有效折射率都小于有源层与n型下波导的折射率，而同时n型下波导的有效折射率与有源层的有效折射率相互接近，从而可以确保将光场限制在有源层与n型下波导区。
如图12所示，该半导体激光器表面刻蚀有双沟槽结构，并且双沟槽结构刻蚀至有源层608以下。具体地，P型接触金属层611、p型接触层610、p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层609、有源层608、第三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层607与第二n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层606形成双沟槽结构；还包括介质层612，且介质层612置于双沟槽结构的槽内壁及双沟槽结构两侧的P型接触层610上方。P型接触金属层611置于双沟槽结构的脊形台的P型接触层610上方。优选地，介质层612材料为SiO2，厚度为20nm。
如图12所示，具体地，量子阱层、下限制层、InxGa1-xAsyP1-y/InP光栅层605与第三、二、一n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层形成肋区，肋区由平板层和脊层构成（可参照图2所示）。在实际应用中，通过改变双沟槽结构的位置及宽度，可以调整器件的肋区参数，进而获得对称圆形远场光斑。其中，肋区参数包括平板层厚度T、肋区高度H、脊层宽度W和平板层宽度L。经过无数次反复试验可知，当各参数之间的比值关系为：T/H=0.33，T/W=0.68，T/L=0.08，可获得近圆形远场光斑。作为其中一组最优的数据，本实施例中脊层宽度W=3μm，平板层宽度L=25μm，平板层厚度T=2.04μm，肋区高度H=6.17μm，其近场和远场光场分别如图13和图14所示。
如图12所示，半导体激光器前腔面为离子注入区。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (7)
1.一种圆形光斑单模半导体激光器，其特征在于：包括由下至上依次设置的n型接触金属层、衬底、缓冲层、n型外波导层、n型下波导层、有源层、p型上波导层、p型接触层和p型接触金属层；所述有源层由下至上依次为下限制层、量子阱层和上限制层，所述量子阱层的阱层/垒层为GaAs/AlGaAs、InGaAs/AlGaAs、InxGa1-xAsyP1-y/AlGaAs或者不同Ga/Al比例的AlInGaAs；所述n型下波导层和p型上波导层为与衬底晶格相匹配的InxGa1-xAsyP1-y材料，且所述n型下波导层与p型上波导层的带隙波长小于所述有源层的激射波长；
所述圆形光斑单模半导体激光器表面刻蚀有双沟槽结构，通过改变双沟槽结构的位置及宽度，从而调整器件的肋区参数，进而获得对称圆形远场光斑；所述双沟槽结构刻蚀至所述有源层以下，并且所述量子阱层至n型下波导层之间形成水平谐振腔激光器单元的肋区，肋区的参数关系为：T/H=0.2-0.35，T/W=0.4-0.7，T/L=0.01-0.15，其中：T为平板层厚度，H为肋区高度，W为脊层宽度，L为平板层宽度；或者所述双沟槽结构未刻蚀至所述有源层，并且所述p型上波导层至n型下波导层之间形成水平谐振腔激光器单元的肋区，肋区的参数关系为：S/H=0.1-0.2，S/W=0.1-0.3，S/L=0.01-0.1，其中：S为所述量子阱层顶部与所述p型上波导层底部之间的距离，H为肋区高度，W为脊层宽度，L为平板层宽度。
2.如权利要求1所述的一种圆形光斑单模半导体激光器，其特征在于：所述n型外波导层的折射率为3.0-3.15，所述n型下波导层的折射率为3.2-3.4，所述有源层的折射率为3.2-3.3，所述p型上波导层的折射率为3.0—3.3。
3.如权利要求1所述的一种圆形光斑单模半导体激光器，其特征在于：所述n型外波导层的厚度为1-5μm；所述n型下波导层厚度为1-10μm，掺杂浓度为1e15-1e18cm-3；所述p型上波导层厚度为0.1μm-6μm，掺杂浓度为1e15-5e18cm-3。
4.如权利要求1所述的一种圆形光斑单模半导体激光器，其特征在于：所述圆形光斑单模半导体激光器为FP半导体激光器。
5.如权利要求1所述的一种圆形光斑单模半导体激光器，其特征在于：所述圆形光斑单模半导体激光器为DFB半导体激光器；还包括光栅层，所述光栅层设置于所述n型下波导层内或p型上波导层内，且光栅层为GaInP/InxGa1-xAsyP1-y/GaInP、GaAs/InxGa1-xAsyP1-y/GaAs或者InxGa1-xAsyP1-y/InP结构。
6.如权利要求1所述的一种圆形光斑单模半导体激光器，其特征在于：所述衬底为n-GaAs衬底，所述n型外波导层为GaInP外波导层；或者所述衬底为n-InP衬底，所述n型外波导层为InP外波导层。
7.如权利要求1所述的一种圆形光斑单模半导体激光器，其特征在于：还包括介质层，所述介质层置于所述双沟槽结构的槽内壁及双沟槽结构两侧的P型接触层上方；所述p型接触金属层置于所述双沟槽结构的脊形台的P型接触层上方。
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