CN116093741A - 准连续域束缚态电注入激光器结构及半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种准连续域束缚态电注入激光器结构及半导体激光器，涉及微纳结构及半导体激光器技术领域，准连续域束缚态电注入激光器结构包括：N面金属电极层和依次叠设于N面金属电极层表面的N型包层、有源层、P型包层、脊波导层及P面金属电极层；其中，在靠近激光器输出前端面的脊波导层的表面刻蚀有窄狭槽光栅，窄狭槽光栅的刻蚀深度不超过脊波导层的厚度；窄狭槽光栅用于基于干涉相消构造沿横向的准连续域束缚态来抑制光的横向辐射损耗。该准连续域束缚态电注入激光器结构能够提高光的输出功率，实现低阈值单模大功率输出，并且简化了制备工艺。

Description

准连续域束缚态电注入激光器结构及半导体激光器
技术领域
本发明涉及微纳结构及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种准连续域束缚态电注入激光器结构及半导体激光器。
背景技术
窄线宽大功率半导体激光器在通讯、传感、扫描、探测等领域具备广泛的应用前景。通过在谐振腔中集成布拉格光栅作为纵模选择结构，可以压窄激光光谱线宽，如DFB激光器和DBR激光器。
现有技术中，窄线宽半导体激光器的光栅结构可以在一次生长芯片的有源层附近利用光刻和刻蚀手段构建出来，之后再将芯片放入外延设备中继续完成生长工艺，但是，这种二次外延光栅需要涉及到工艺中断，复杂、昂贵且耗时，同时可能会引入杂质与缺陷，影响器件的可靠性和成品性。窄线宽半导体激光器的光栅结构还可以在外延芯片P面光波导表面或侧壁直接刻蚀光栅，构造高阶表面光栅结构，避免二次外延，但是，在窄线宽激光器中，布拉格光栅沿不同方向的衍射不可避免地造成输出功率的损耗，影响半导体激光器的性能。
发明内容
针对现有技术问题，本发明提供一种准连续域束缚态电注入激光器结构及半导体激光器，用于解决现有技术中存在的制备工艺复杂及激光器沿不同方向的衍射不可避免地造成输出功率的损耗。
本发明实施例第一方面提供一种准连续域束缚态电注入激光器结构，包括：N面金属电极层和依次叠设于N面金属电极层表面的N型包层、有源层、P型包层、脊波导层及P面金属电极层；其中，在靠近激光器输出前端面的脊波导层的表面刻蚀有窄狭槽光栅，窄狭槽光栅的刻蚀深度不超过脊波导层的厚度；窄狭槽光栅用于基于干涉相消构造沿横向的准连续域束缚态来抑制光的横向辐射损耗。
根据本发明的实施例，通过调节窄狭槽光栅的宽度、刻蚀深度和周期来构造沿横向的准连续域束缚态。
根据本发明的实施例，窄狭槽光栅的宽度为0.996 μm-1.003 μm，刻蚀深度为1.267 μm-1.273 μm，周期为5.996 μm-6.003 μm。
根据本发明的实施例，准连续域束缚态电注入激光器结构的泵浦方式为电流注入。
根据本发明的实施例，N型包层的材料、有源层的材料和P型包层的材料均为半导体材料。
根据本发明的实施例，半导体材料包括Ⅱ-Ⅵ族体系的半导体材料或Ⅲ-Ⅴ族体系的半导体材料。
根据本发明的实施例，N型包层和P型包层的等效折射率为3.159~3.161，有源层的等效折射率为3.219~3.221。
根据本发明的实施例，连续域束缚态电注入激光器结构采用薄膜生长、外延生长、曝光、腐蚀中的其中之一制备而成。
本发明实施例第二方面提供一种半导体激光器，半导体激光器的外延结构采用上述准连续域束缚态电注入激光器结构。
根据本发明实施例提供的准连续域束缚态电注入激光器结构及半导体激光器，至少包括以下有益效果：
由于直接在靠近激光器输出前端面的脊波导层的表面刻蚀有窄狭槽光栅，通过窄狭槽光栅基于干涉相消构造沿横向的准连续域束缚态来抑制光的横向辐射损耗，从而能够提高光的输出功率，实现低阈值单模大功率输出。
通过调节窄狭槽光栅的宽度、刻蚀深度和周期能够构造沿横向的高Q值准连续域束缚态，能够更加有效地抑制光的横向辐射损耗。通过合理设计窄狭槽光栅的宽度、刻蚀深度和周期，进一步提高光的输出功率，实现低阈值单模大功率输出。
由于是直接在靠近激光器输出前端面的脊波导层的表面刻蚀有窄狭槽光栅，因此准连续域束缚态电注入激光器结构可以直接采用薄膜生长、外延生长、曝光、腐蚀中的其中之一制备而成，无需二次外延，从而简化制作过程，降低生产成本。
此外，准连续域束缚态电注入激光器结构的泵浦方式为电流注入，有助于实验实施。
附图说明
图1示意性示出了本发明实施例提供的准连续域束缚态电注入激光器结构的结构图。
图2示意性示出了本发明实施例提供的准连续域束缚态电注入激光器结构的等效波导结构图。
图3A示意性示出了本发明实施例提供的准连续域束缚态电注入激光器结构的能带图。
图3B示意性示出了本发明实施例提供的准连续域束缚态电注入激光器结构的能带的品质因子曲线图。
图4示意性示出了本发明实施例提供的准连续域束缚态电注入激光器与普通37阶高阶表面光栅激光器的输出功率随着注入电流的变化曲线图。
图5示意性示出了本发明实施例提供的高阶表面光栅的准连续域束缚态电注入激光器结构在注入电流为300 mA时的光谱图。
【附图标记说明】
1-N面金属电极层，2- N型包层，3-有源层，4-P型包层，5-脊波导层。6-P面金属电极层，7-窄狭槽光栅，8-电隔离层。
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，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例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。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致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、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在本发明中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对本发明的限制。
类似地，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，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
图1示意性示出了本发明实施例提供的准连续域束缚态电注入激光器结构的结构图。
如图1所示，该准连续域束缚态电注入激光器结构包括N面金属电极层1、N型包层2、有源层3、P型包层4、脊波导层5及P面金属电极层6。N型包层2、有源层3、P型包层4、脊波导层5及P面金属电极层6依次叠设于N面金属电极层1表面。
其中，在靠近激光器输出前端面的脊波导层5的表面刻蚀有窄狭槽光栅7，窄狭槽光栅7的刻蚀深度不超过脊波导层5的厚度，窄狭槽光栅7用于为激光器的输出端提供光反馈，基于干涉相消构造沿横向的准连续域束缚态来抑制光的横向辐射损耗。
根据本发明的实施例，可以通过调节窄狭槽光栅7的宽度、刻蚀深度和周期等参数实现不同导引共振模散射通道之间的干涉相消构造沿横向的高Q值准连续域束缚态，抑制光的横向辐射损耗，从而提高光的输出功率，实现低阈值窄线宽大功率输出。
在本发明实施例中，窄狭槽光栅7的宽度为0.996 μm-1.003 μm，刻蚀深度为1.267μm-1.273 μm，周期为5.996 μm-6.003 μm。
在本发明实施例中，准连续域束缚态电注入激光器结构的泵浦方式为电流注入。
在本发明实施例中，N型包层2的材料、有源层3的材料和P型包层4的材料均为半导体材料。优选地，半导体材料包括Ⅱ-Ⅵ族体系的半导体材料或Ⅲ-Ⅴ族体系的半导体材料。
在本发明实施例中，N型包层2和P型包层4的等效折射率为3.159~3.161，有源层3的等效折射率为3.219~3.221。
在本发明实施例中，连续域束缚态电注入激光器结构采用薄膜生长、外延生长、曝光、腐蚀中的其中之一制备而成。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种半导体激光器，半导体激光器的外延结构采用上述准连续域束缚态电注入激光器结构。
需要说明的是，半导体激光器实施例部分的实施细节及带来的技术效果与准连续域束缚态电注入激光器结构实施例部分相似，此处不再赘述。
为了更清楚的阐述上述准连续域束缚态电注入激光器结构的优势，下面列举具体示例进行说明。
图2示意性示出了本发明实施例提供的准连续域束缚态电注入激光器结构的等效波导结构图。
如图2所示，通过平均折射率法将激光器等效为多层波导结构。其中，金（P面电极层6）、氧化硅（电隔离层8）、等效波导层（包括P型包层4和未刻蚀的脊波导层5）层、有源层3、N型包层2的厚度分别为0.5 mm、0.3 mm、1.82 mm、0.42 mm、0.8 mm，N型包层2 和P型包层4的等效折射率为3.16，有源层3的等效折射率为3.22。将狭槽宽度a-L1 ，刻蚀深度d，周期a作为参数进行扫描构造横向高Q值准连续域束缚态。氧化硅位于脊波导层5与P面金属电极层6之间，作为电隔离层。
图3A示意性示出了本发明实施例提供的准连续域束缚态电注入激光器结构的能带图。
如图3A所示，当a= 6 mm，L1= 5 mm，d = 1.27 mm时，两个高带导模（模式1和模式2）在点耦合，带隙打开，下高带导模（模式2）在点由于干涉相消产生准连续域束缚态。
图3B示意性示出了本发明实施例提供的准连续域束缚态电注入激光器结构的能带的品质因子曲线图。
如图3B所示，准连续域束缚态电注入激光器结构的能带的品质因子Q因子在点达到，这表明通过调节窄狭槽光栅的宽度、刻蚀深度和周期能够构造沿横向的高Q准连续域束缚态。
图4示意性示出了本发明实施例提供的准连续域束缚态电注入激光器与普通37阶高阶表面光栅激光器的输出功率随着注入电流的变化曲线图。
如图4所示，与普通37阶高阶表面光栅激光器相比，基于本发明提供的实施例提供的准连续域束缚态电注入激光器结构的激光器的阈值明显降低，同时同一注入电流下基于本发明提供的实施例提供的准连续域束缚态电注入激光器结构的激光器的输出功率显著提高。
图5示意性示出了本发明实施例提供的高阶表面光栅的准连续域束缚态电注入激光器结构在注入电流为300 mA时的光谱图。
如图5所示，在激射波长为1589 nm时，边模抑制比达到43dBm。
由此可知，本发明实施例提供的高阶表面光栅的准连续域束缚态电注入激光器结构构造沿横向的高Q值准连续域束缚态，降低了激光器的阈值电流，提高了斜率效率与输出功率，实现低阈值窄线宽大功率输出。
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，所应理解的是，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)

1.一种准连续域束缚态电注入激光器结构，其特征在于，包括：
N面金属电极层和依次叠设于所述N面金属电极层表面的N型包层、有源层、P型包层、脊波导层及P面金属电极层；
其中，在靠近激光器输出前端面的所述脊波导层的表面刻蚀有窄狭槽光栅，所述窄狭槽光栅的刻蚀深度不超过脊波导层的厚度；所述窄狭槽光栅用于基于干涉相消构造沿横向的准连续域束缚态来抑制光的横向辐射损耗。
2.根据权利要求1所述的准连续域束缚态电注入激光器结构，其特征在于，通过调节所述窄狭槽光栅的宽度、刻蚀深度和周期来构造沿横向的准连续域束缚态。
3.根据权利要求1或2所述的准连续域束缚态电注入激光器结构，其特征在于，所述窄狭槽光栅的宽度为0.996 μm-1.003 μm，刻蚀深度为1.267 μm-1.273 μm，周期为5.996 μm-6.003 μm。
4.根据权利要求1所述的准连续域束缚态电注入激光器结构，其特征在于，所述准连续域束缚态电注入激光器结构的泵浦方式为电流注入。
5.根据权利要求1所述的准连续域束缚态电注入激光器结构，其特征在于，所述N型包层的材料、所述有源层的材料和所述P型包层的材料均为半导体材料。
6.根据权利要求5所述的准连续域束缚态电注入激光器结构，其特征在于，所述半导体材料包括Ⅱ-Ⅵ族体系的半导体材料或Ⅲ-Ⅴ族体系的半导体材料。
7.根据权利要求1所述的准连续域束缚态电注入激光器结构，其特征在于，所述N型包层和所述P型包层的等效折射率为3.159~3.161，所述有源层的等效折射率为3.219~3.221。
8.根据权利要求1所述的准连续域束缚态电注入激光器结构，其特征在于，所述连续域束缚态电注入激光器结构采用薄膜生长、外延生长、曝光、腐蚀中的其中之一制备而成。
9.一种半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器的外延结构采用如权利要求1-8任一项所述的准连续域束缚态电注入激光器结构。
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