CN114784627A

CN114784627A - 基于多模干涉波导的高相干性激光面阵及其制备方法

Info

Publication number: CN114784627A
Application number: CN202210374400.3A
Authority: CN
Inventors: 贾鹏; 邱橙; 秦莉; 梁磊; 陈泳屹
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2022-04-11
Filing date: 2022-04-11
Publication date: 2022-07-22

Abstract

本发明实施例提供的基于多模干涉波导的高相干性激光面阵，用来解决半导体激光面阵的高功率、高相干度、窄线宽输出问题。通过采用错位分布的多模干涉波导作为各激光单元中光束的相干合束元件，结合高反射光栅和二阶衍射光栅，在大电流工作状态下提供纵向模式选择和低温漂波长稳定的反射光谱和向底面发射的衍射光，实现二维分布的脊形增益波导激光单元中光模式的相干耦合和表面发射出光，同时利用脊形增益波导对窄线宽激光进行放大，实现高功率、高相干性的表面发射窄线宽激光。相比于其他半导体激光面阵，具有体积小巧、集成度高、激光相干度高、整体光谱线宽窄等优势。

Description

基于多模干涉波导的高相干性激光面阵及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵及其制备方法。

背景技术

半导体激光面阵器件是利用半导体材料作为增益介质的激光器件，具有输出功率高、电光转换效率高等优势，是高精度探测系统的理想光源，如Flash激光雷达、光学相控阵激光雷达、光电微机械激光雷达等的激光探测系统的核心光源。其中光学相控阵雷达，是一种利用硅基光学相控阵作为天线的光学雷达，探测所需的光能量一般由半导体激光器提供，为实现百米以上长距离探测，对半导体激光器的激光功率、相干性、光谱线宽和光束质量提出了较高的要求。

现有的半导体激光面阵主要包括垂直腔面发射半导体激光面阵、半导体激光叠巴面阵、表面发射分布反馈半导体激光面阵等高功率面阵。

尽管半导体激光面阵在提高输出功率方面取得了很大的进步，但是各类型的激光面阵在大电流注入(15倍以上阈值电流)情况下仍存在各种问题。一、垂直腔面发射半导体激光面阵是一种单片集成式激光面阵，但激光单元间距较大，这样可以降低单元间的热串扰，虽然已经实现几十瓦的高功率输出，但是各单元光模式之间没有耦合，其在大电流注入下会出现各单元的激光频率差异较大的现象，列阵的相干性下降，同时整体光谱线宽增加，不适合作为光学相控阵光源。二、半导体激光叠巴面阵是一种将边发射巴条堆叠封装构建的激光面阵模块，体积较大，虽然可实现几百瓦的高功率输出，但是由于所采用的边发射巴条，通常由19个条宽为100μm以上的激光单元组成，各单元的中心间距为500微米，其在大电流注入下，宽条形波导中会出现基横模和高阶横向模式同时振荡的情况，光束质量和光谱线宽特性迅速劣化，通常光束质量M²≥20，光谱线宽为3nm-4nm。仅适合作为激光加工等领域高能光源，无法应用到激光雷达领域。三、表面发射分布反馈半导体激光面阵是一种将表面发射分布反馈半导体激光列阵采用平面二维分布式封装方式构建的激光面阵模块，可实现三百瓦级高功率输出，但是同样存在各激光单元无耦合相干、体积较大的问题。仅适合作为光纤和固态激光器的泵浦光源，无法应用到激光雷达领域。

常规的半导体激光面阵，一般采用增加载流子注入区的总面积，如增加激光单元数量或增大激光单元的尺寸获得更高的输出功率，但是以上器件为避免大电流注入下焦耳热等引起的热串扰，激光单元间距离通常为50微米-500微米，导致各单元间无法进行相干耦合，激光面阵的相干性、光束质量和光谱线宽特性较差，不适合作为激光雷达的光源。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例中提供一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵及制备方法。

第一方面，本发明提供一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵，包括：外延片以及设置在所述外延片上的谐振腔结构，所述谐振腔结构沿X方向依次排布为一组第一高反射光栅、与所述第一高反射光栅对应的一组第一多模干涉波导、一组深刻蚀沟槽、一组脊形增益波导、一组一体形成在脊形增益波导上的所述二阶衍射光栅、一组第二多模干涉波导、一组第二高反射光栅，沿Y方向所述第一多模干涉波导、所述脊形增益波导呈周期性排布，间距为20微米至50微米，外延片沿Z方向自下而上依次为N面金属电极、N型衬底层、N型包层、N型波导层、有源层、P型波导层、P型包层、P型高掺杂盖层、P面金属电极，所述N面金属电极和所述N型衬底层上设有N面出光窗口。

作为一种可选的方案，所述有源层为量子阱有源层或量子点有源层。

作为一种可选的方案，所述N型衬底层为N型掺杂砷化镓衬底层。

作为一种可选的方案，所述一组第一高反射光栅为两个且分别为第一一高反射光栅和第二一高反射光栅，所述一组第一多模干涉波导为两个且分别为第一一多模干涉波导、第二一多模干涉波导，所述一组脊形增益波导至少包括第一脊形增益波导、第二脊形增益波导、第三脊形增益波导和第四脊形增益波导，所述一组第二多模干涉波导为三个且分别为第一二多模干涉波导、第二二多模干涉波导、第三二多模干涉波导，所述一组第二高反射光栅为三个且分别为第一二高反射光栅、第二二高反射光栅和第三二高反射光栅。

第二方面，本发明提供一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵的制备方法，包括：

通过金属有机化合物气相沉积法MOCVD生长在N型掺杂的衬底上生长外延片，外延片包括由下至上依次包括N型衬底层、N型包层、N型波导层、有源层、P型波导层、P型包层和P型高掺杂盖层；

在所述外延片上刻蚀到P型波导层或者P型包层，完成高反射光栅和多模干涉波导制作；

在所述外延片上刻蚀到P型波导层，完成脊形增益波导阵列制作；

在所述外延片上刻蚀到P型波导层，完成二阶衍射光栅制作；

在所述外延片上刻蚀到N型包层，完成深刻蚀沟槽制作；

在P型高掺杂盖层上制作P面金属电极，再对所述N型掺杂的衬底减薄，在减薄后的N型掺杂的衬底上镀N面金属电极，完成制作。

作为一种可选的方案，所述通过金属有机化合物气相沉积法MOCVD生长在N型掺杂的衬底上生长外延片，包括：

通过金属有机化合物气相沉积法MOCVD生长在N型掺杂的砷化镓GaAs衬底层上生长外延片。

附图说明

图1为本发明实施例中提供一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵的侧面结构示意图；

图3为本发明实施例中提供一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵的俯视结构示意图；

图4为本发明实施例中提供一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵的仰视结构示意图；

图5为本发明实施例中提供一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵的组合后俯视结构示意图；

图6为本发明实施例中提供一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵的组合后仰视结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

结合图1至图6所示，本发明实施例提供一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵，包括：外延片以及设置在所述外延片上的谐振腔结构，所述谐振腔结构沿X方向依次排布为一组第一高反射光栅101、与所述第一高反射光栅101对应的一组第一多模干涉波导、一组深刻蚀沟槽104、一组脊形增益波导、一组一体形成在脊形增益波导上的所述二阶衍射光栅107、一组第二多模干涉波导、一组第二高反射光栅113，沿Y方向所述第一多模干涉波导102、所述脊形增益波导呈周期性排布，间距为20微米至50微米，外延片沿Z方向自下而上依次为N面金属电极209、N型衬底层208、N型包层207、N型波导层206、有源层205、P型波导层204、P型包层203、P型高掺杂盖层202、P面金属电极201，所述N面金属电极209和所述N型衬底层208上设有N面出光窗口301。

可选地，所述有源层205为量子阱有源层或量子点有源层。

可选地，所述N型衬底层208为N型掺杂砷化镓衬底层。

可选地，所述一组第一高反射光栅101为两个且分别为第一一高反射光栅和第二一高反射光栅，所述一组第一多模干涉波导为两个且分别为第一一多模干涉波导102、第二一多模干涉波导103，所述一组脊形增益波导至少包括第一脊形增益波导105、第二脊形增益波导106、第三脊形增益波导108和第四脊形增益波导109，所述一组第二多模干涉波导为三个且分别为第一二多模干涉波导110、第二二多模干涉波导111、第三二多模干涉波导112，所述一组第二高反射光栅113为三个且分别为第一二高反射光栅、第二二高反射光栅和第三二高反射光栅。

本发明实施例提供一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵，包括：在外延片P面制备出谐振腔结构，沿X方向依次为第一高反射光栅101、第一多模干涉波导、集成二阶衍射光栅107的脊形增益波导、第二多模干涉波导、第二高反射光栅113，上谐振腔结构可以沿X方向周期性排布；沿Y方向，第一多模干涉波导102、集成二阶衍射光栅107的脊形增益波导周期性排布，间距为20微米至50微米；外延片沿Z方向自下而上依次为N面金属电极、N型衬底层、N型包层、N型波导层、有源层、P型波导层、P型包层、P型高掺杂盖层、P面金属电极，所述谐振腔结构均由部分P型波导层、P型包层、P型高掺杂盖层和P面金属电极构成。所述谐振腔结构沿X-方向依次排布，各波导功能如下：第一高反射光栅101作为光反射元件，将第一多模干涉波导传输过来的相干合束激光能量部分反射回第二多模干涉波导中，部分继续向前传播至X方向下一周期的第二多模干涉波导中，通过第一高反射光栅101实现纵向模式的选择，以及光束的传导，保证X方向周期性分布激光单元中光模式的相干特性；第一多模干涉波导作为激光相干合束元件，将第一脊形增益波导105和第二脊形增益波导106中的光模式进行相干合束，提高两路光模式的相干度，深刻蚀沟槽104通过增大第一多模干涉波导与侧边的折射率差值，提高第一多模干涉波导的光模式限制能力，可有效减小第一多模干涉波导102沿Y方向的器件尺寸；脊形增益波导作为光模式增益放大和横向模式选择的元件，通过优化波导的几何参数，将第一多模干涉波导102反射会的窄线宽激光进行增益放大，并选择出基横模激光，提高窄线宽激光的功率和光束质量；二阶衍射光栅107，将脊形增益波导中的窄线宽基横模激光进行衍射，分为沿X方向的二阶衍射光和沿Y方向的一阶衍射光，其中二阶衍射光继续沿X方向传播增益放大，一阶衍射光沿Y方向从底面出光孔激射；第二多模干涉波导作为激光相干合束元件，将第三脊形增益波导108和第四脊形增益波导109中的光模式进行相干合束，保证沿Y方向各脊形增益波导中的光模式均为相干光；第二高反射光栅作为光反射元件，将第二多模干涉波导传输过来的相干合束激光能量部分反射回多模干涉波导111中，部分继续向前传播至X方向下一周期的第二多模干涉波导中，保证沿X方向周期性分布激光单元中光模式的相干性。通过多组多模干涉波导将X和Y方向的所有脊形增益波导分别进行相干合束，提高激光面阵的耦合相干程度，实现高相干性、窄线宽、高光束质量的激光面阵。

结合图1至图6所示，本发明提供一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵的制备方法，包括：

在所述外延片上刻蚀到P型波导层，完成二阶衍射光栅制作；

在所述外延片上刻蚀到N型包层，完成深刻蚀沟槽制作；

基于多模干涉波导的高相干性激光面阵，其制作过程如下：本实施例中，材料体系为GaAs/InGaAs/AlGaAs，激光波长760nm-894nm，但不限于上述材料和激光波长。

具体地，N型衬底层的材料体系为GaAs/InGaAs/AlGaAs，激光波长760nm-894nm，通过金属有机化合物气相沉积法MOCVD生长在N型掺杂的砷化镓GaAs衬底层上生长外延片，但不限于上述材料和激光波长。

本发明实施例提供的基于多模干涉波导的高相干性激光面阵的制备方法，用来解决半导体激光面阵的高功率、高相干度、窄线宽输出问题。通过采用错位分布的多模干涉波导作为各激光单元中光束的相干合束元件，结合高反射光栅和二阶衍射光栅，在大电流工作状态下提供纵向模式选择和低温漂波长稳定的反射光谱和向底面发射的衍射光，实现二维分布的脊形增益波导激光单元中光模式的相干耦合和表面发射出光，同时利用脊形增益波导对窄线宽激光进行放大，实现高功率、高相干性的表面发射窄线宽激光。相比于其他半导体激光面阵，具有体积小巧、集成度高、激光相干度高、整体光谱线宽窄等优势。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims

1.一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵，其特征在于，包括：外延片以及设置在所述外延片上的谐振腔结构，所述谐振腔结构沿X方向依次排布为一组第一高反射光栅、与所述第一高反射光栅对应的一组第一多模干涉波导、一组深刻蚀沟槽、一组脊形增益波导、一组一体形成在脊形增益波导上的所述二阶衍射光栅、一组第二多模干涉波导、一组第二高反射光栅，沿Y方向所述第一多模干涉波导、所述脊形增益波导呈周期性排布，间距为20微米至50微米，外延片沿Z方向自下而上依次为N面金属电极、N型衬底层、N型包层、N型波导层、有源层、P型波导层、P型包层、P型高掺杂盖层、P面金属电极，所述N面金属电极和所述N型衬底层上设有N面出光窗口。

2.根据权利要求1所述的基于多模干涉波导的高相干性激光面阵，其特征在于，所述有源层为量子阱有源层或量子点有源层。

3.根据权利要求1所述的基于多模干涉波导的高相干性激光面阵，其特征在于，所述N型衬底层为N型掺杂砷化镓衬底层。

4.根据权利要求1所述的基于多模干涉波导的高相干性激光面阵，其特征在于，所述一组第一高反射光栅为两个且分别为第一一高反射光栅和第二一高反射光栅，所述一组第一多模干涉波导为两个且分别为第一一多模干涉波导、第二一多模干涉波导，所述一组脊形增益波导至少包括第一脊形增益波导、第二脊形增益波导、第三脊形增益波导和第四脊形增益波导，所述一组第二多模干涉波导为三个且分别为第一二多模干涉波导、第二二多模干涉波导、第三二多模干涉波导，所述一组第二高反射光栅为三个且分别为第一二高反射光栅、第二二高反射光栅和第三二高反射光栅。

5.一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵的制备方法，其特征在于，包括：

在所述外延片上刻蚀到P型波导层，完成二阶衍射光栅制作；

在所述外延片上刻蚀到N型包层，完成深刻蚀沟槽制作；

6.根据权利要求5所述的基于多模干涉波导的高相干性激光面阵的制备方法，其特征在于，通过所述金属有机化合物气相沉积法MOCVD生长在N型掺杂的衬底上生长外延片，包括：

通过所述金属有机化合物气相沉积法MOCVD生长在N型掺杂的砷化镓GaAs衬底层上生长外延片。