CN116191205A - 基于拓扑结构的激光器阵列及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于拓扑结构的激光器阵列及其制作方法，包括：N型金属层；有源外延组件设置于N型金属层的上表面；拓扑结构通过刻蚀有源外延组件的顶部而形成，拓扑结构包括：中心脊形波导设置于有源外延组件的中心对称轴处，并沿第一方向延伸；脊形波导阵列包括分布于中心脊形波导两侧的多个脊形波导组阵，并在第二方向上关于中心脊形波导对称周期分布；通过刻蚀有源外延组件的顶部形成移相区的调制脊形波导，调制脊形波导与拓扑结构在第一方向上首尾相连，调制脊形波导关于中心脊形波导呈对称周期分布，以使得将反相模式的拓扑边界态转换成同相模式的拓扑边界态；绝缘层设置于拓扑结构和移相区的上表面；P型金属层设置于绝缘层的上表面。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种基于拓扑结构的激光器阵列及其制作方法。
背景技术
半导体激光器的电光转化效率较高，具有覆盖波段范围广、 寿命长、 能直接调制、体积小、 成本低等优点，应用广泛。
许多应用对于半导体激光器的输出功率、亮度有较高的要求，例如，近红外波段激光器应用于激光工业加工领域，包括激光焊接、激光熔覆、激光切割等方面，均需要足够高的输出功率与亮度来实现；通讯波段激光器应用于光纤通信、激光雷达等领域时对输出激光的功率以及单模特性也有极高的要求；在中红外波段，应用于空间通信的激光器器件需要克服大量空间光损耗，对输出光功率以及稳定性的要求则更为苛刻。故提高半导体激光器的输出功率和亮度一直是半导体激光器的研究重点。
发明内容
针对于现有的技术问题，本发明提供一种基于拓扑结构的激光器阵列及其制作方法，用于至少部分解决以上技术问题，实现输出高功率、高亮度的激光。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明实施例提供了一种基于拓扑结构的激光器阵列，包括：
N型金属层；
有源外延组件，设置于所述N型金属层的上表面；
拓扑结构，通过刻蚀所述有源外延组件的顶部而形成，所述拓扑结构包括：
中心脊形波导，设置于所述有源外延组件的中心对称轴处，并沿第一方向延伸；以及
脊形波导阵列，包括分布于所述中心脊形波导两侧的多个脊形波导组阵，并关于所述中心脊形波导对称分布，沿与所述第一方向垂直的第二方向周期分布，以形成拓扑边界态电场；
移相区，通过刻蚀所述有源外延组件的顶部形成调制脊形波导，所述调制脊形波导与所述拓扑结构在所述第一方向上首尾相连，所述调制脊形波导关于所述中心脊形波导呈对称周期分布，以使得将反相模式的拓扑边界态转换成同相模式的拓扑边界态；
绝缘层，所述绝缘层设置于所述拓扑结构和所述移相区的上表面；以及
P型金属层，设置于所述绝缘层的上表面。
根据本发明的实施例，所述有源外延组件包括自下而上依次层叠分布的N型衬底层、N型盖层、N型扩展层、有源层、P型扩展层、P型盖层和P型接触层。
根据本发明的实施例，所述中心脊形波导和相邻的所述脊形波导组阵之间的第一间距，与位于同侧的两个相邻的所述脊形波导组阵之间的第二间距相等。
根据本发明的实施例，每个所述脊形波导组阵包括两个脊形波导单元，两个所述脊形波导单元之间的第三间距小于所述第二间距。
根据本发明的实施例，所述绝缘层上与拓扑态电场分布极大值的所述拓扑结构对应的位置上设置有电极窗口，所述电极窗口被构造为注入电流，形成电隔离，以构建图形化电极结构。
根据本发明的实施例，所述电极窗口的长度从所述中心脊形波导沿所述第二方向向两侧呈指数型减小，其中，指数底数等于所述拓扑结构的两个耦合系数比值。
根据本发明的实施例，在相邻的所述调制脊形波导之间间隔K个脊形波导单元，所述K根据拓扑边界态光场的折射率的周期性变化来确定。
根据本发明的实施例，所述调制脊形波导的宽度和深度与所述拓扑结构的宽度和深度分别对应相等。
根据本发明的实施例，所述调制脊形波导的长度
，
其中，
是调制相位差，取值/>
，其中/>
为奇数；/>
为波矢，值为/>
，/>
为激光器出射波长；/>
为刻蚀的调制脊形波导与未刻蚀的调制脊形波导内基模的有效折射率差。
本发明实施例还提供一种激光器阵列的制作方法，包括：
在有源外延组件的顶部通过刻蚀形成拓扑结构和移相区；
在所述拓扑结构和所述移相区的上表面生长绝缘层；
在所述绝缘层与拓扑态电场分布极大值的所述拓扑结构对应的位置上通过刻蚀形成电极窗口；
在所述绝缘层的上表面生长P型金属层；以及
在所述有源外延组件的下表面生长N型金属层。
根据本发明提供的基于拓扑结构的激光器阵列，向N型金属层和P型金属层注入电流，有源外延组件用于在电流注入下产生光增益形成光场，拓扑结构形成拓扑边界态电场，得到低光学灾变性损伤阈值、高光功率的单模半导体激光输出，移相区将反相模式的拓扑边界态转换成同相模式的拓扑边界态，得到单瓣的远场，优化输出激光的光束质量，从而输出高功率、高亮度的激光。
附图说明
图1是根据本发明实施例的基于拓扑结构的激光器阵列的结构示意图。
图2是根据本发明实施例的基于拓扑结构的激光器阵列的俯视图。
图3是根据本发明实施例的基于拓扑结构的激光器阵列的输出水平远场分布图。
图4是根据本发明实施例的基于拓扑结构的激光器阵列的输出水平近场分布图。
图5是根据本发明实施例的基于拓扑结构的激光器阵列的拓扑边界态的光场分布示意图。
附图标记说明
1、N型金属层；
2、有源外延组件；
21、N型衬底层；
22、N型盖层；
23、N型扩展层；
24、有源层；
25、P型扩展层；
26、P型盖层；
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3、拓扑结构；
31、中心脊形波导；
32、脊形波导阵列；
321、脊形波导组阵；
3211、脊形波导单元；
4、移相区；
41、调制脊形波导；
5、绝缘层；
51、电极窗口；
6、P型金属层。
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，对本发明作进一步的详细说明。
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。
在此使用的所有术语包括技术和科学术语具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在本文中，除非另有特别说明，诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等方向性术语用于表示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，而不是指示或暗示所指的装置、元件或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作。需要理解的是，当被描述对象的绝对位置改变后，则它们表示的相对位置关系也可能相应地改变。因此，这些方向性术语不能理解为对本发明的限制。
在使用类似于“使、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释例如， 样具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具 有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等。在使用类似于“系、B或C 等中至少一个”这样的表述的 情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以 解释例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具 有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C 的系统等。
在此公开本发明结构实施例和方法的描述。应当了解，这并不意图将本发明限制在特定公开的实施例中，本发明可以通过使用其它特征，元件、方法和实施例来加以实施。不同实施例中的相似元件通常会标示相似的号码。
半导体激光器的电光转化效率较高，具有覆盖波段范围广、 寿命长、 能直接调制、体积小、 成本低等优点，应用广泛。对于现今电泵浦的半导体激光器，是相较于其他类型激光器具有最高能量转换效率的激光光源。为了能够替代其他低效率激光器，许多应用对于半导体激光器的输出功率、亮度有较高的要求：如近红外波段激光器应用于激光工业加工领域，包括激光焊接、激光熔覆、激光切割等方面，均需要足够高的输出功率与亮度来实现；通讯波段激光器应用于光纤通信、激光雷达等领域时对输出激光的功率以及单模特性也有极高的要求；在中红外波段，应用于空间通信的激光器器件需要克服大量空间光损耗，对输出光功率以及稳定性的要求则更为苛刻。故提高半导体激光器的输出功率以及亮度一直是半导体激光器的研究重点。
随着半导体科学以及量子力学的发展，拓扑绝缘体应用到了光学领域，提供了优化激光器性能的新手段，极大程度地优化半导体激光器的性能。在波导光学中，由于拓扑的性质存在，此条件下的模式具有较好的鲁棒性，对结构参数、工艺误差不敏感。拓扑结构可以得到大模场单模的拓扑激光输出，然而这种激光器阵列中，具有最大模式增益的拓扑边界态是高阶反相模式，虽然其能够实现较大的功率输出，但是其远场必然是双瓣形式的，半导体激光输出的功率密度和亮度还不够。
图1是根据本发明实施例的基于拓扑结构的激光器阵列的结构示意图。
本发明实施例提出一种基于拓扑结构3的激光器阵列，如图1所示，激光器阵列包括N型金属层1；有源外延组件2，设置于N型金属层1的上表面；拓扑结构3，通过刻蚀有源外延组件2的顶部而形成，拓扑结构3包括：中心脊形波导31，设置于有源外延组件2的中心对称轴处，并沿第一方向延伸；以及脊形波导阵列32，包括分布于中心脊形波导31两侧的多个脊形波导组阵321，并关于中心脊形波导31对称分布，沿与第一方向垂直的第二方向周期分布，以形成拓扑边界态电场；移相区4，通过刻蚀有源外延组件2的顶部形成调制脊形波导41，调制脊形波导41与拓扑结构3在第一方向上首尾相连，调制脊形波导41关于中心脊形波导31呈对称周期分布，以使得将反相模式的拓扑边界态转换成同相模式的拓扑边界态；绝缘层5，绝缘层5设置于拓扑结构3和移相区4的上表面；以及P型金属层6，设置于绝缘层5的上表面。
根据本发明实施例提供的基于拓扑结构3的激光器阵列，向N型金属层1和P型金属层6注入电流，拓扑结构3形成拓扑边界态电场，得到低光学灾变性损伤阈值、高光功率的单模半导体激光输出，移相区4将反相模式的拓扑边界态转换成同相模式的拓扑边界态，优化输出激光的光束质量，从而得到高功率、高亮度的激光。根据本发明实施例，可以有效应用于输出波长在从近红外波段到中红外波段的所有激光器，覆盖从激光工业制造到信息技术等领域的应用。
在一种示例性实施例中，如图1所示，激光器阵列包括N型金属层1、设置于N型金属层1上表面的有源外延组件2；通过刻蚀有源外延组件2的顶部的P型接触层27、P型盖层26和P型扩展层25形成的拓扑结构3和移相区4；以及设置于拓扑结构3和移相区4的上表面的绝缘层5和P型金属层6，激光器阵列靠近移相区4的纵截面为激光器输出界面。其中，有源外延组件2包括自下而上依次层叠分布的N型衬底层21、N型盖层22、N型扩展层23、有源层24、P型扩展层25、P型盖层26和P型接触层27。
具体地，刻蚀可以是紫外光学光刻与干法刻蚀。
根据本发明的实施例，N型金属层1和P型金属层6用于注入电流；N型衬底层21的材料为氮化镓、砷化镓、磷化铟或锑化镓，N型衬底层21用于支撑有源外延组件2并与N型金属层1形成欧姆接触，实现电流的有效注入；N型盖层22用于限制有源层24中产生的光场；N型扩展层23用于扩展有源层24中产生的光场；有源层24用于在电流注入下产生光增益形成光场，有源层24的结构为单量子阱、多量子阱、量子点或超晶格结构，有源层24的输出波长覆盖范围为800nm~8000nm，近红外波段到中红外波段；P型扩展层25用于扩展有源层24中产生的光场；P型盖层26用于限制有源层24中产生的光场；P型接触层27用于与P型金属层6形成欧姆接触，限制电流侧向扩散并形成弱折射率引导机制；绝缘层5用于形成电隔离。
在一种示例性实施例中，如图1所示，拓扑结构3包括中心脊形波导31和脊形波导阵列32。中心脊形波导31设置于有源外延组件2的中心对称轴处，并沿第一方向延伸，第一方向为有源外延组件2的长度方向。脊形波导阵列32包括分布于中心脊形波导31两侧的多个脊形波导组阵321，如图2所示，中心脊形波导31左侧的脊形波导组阵321为第一区域，中心脊形波导31右侧的脊形波导组阵321为第二区域，第一区域的脊形波导组阵321和第二区域的脊形波导组阵321关于中心脊形波导31对称分布，并沿与第一方向垂直的第二方向周期分布，第二方向为有源外延组件2的宽度方向，以形成拓扑边界态电场，由于拓扑结构3的鲁棒性，激光器的输出模式对结构参数、工艺误差不敏感，具有很好的鲁棒性和输出稳定性。
图2是根据本发明实施例的基于拓扑结构的激光器阵列的俯视图。
在一种示例性实施例中，如图2所示，中心脊形波导31和相邻的脊形波导组阵321之间的第一间距d1，与在第一区域或第二区域的两个相邻的脊形波导组阵321之间的第二间距d2相等。每个脊形波导组阵321包括两个脊形波导单元3211，两个脊形波导单元3211之间的第三间距d3小于第二间距d2，从而得到光场强度峰值位于中心脊形波导31的拓扑边界态电场，得到低光学灾变性损伤阈值、高光功率的单模半导体激光输出；为了与一般接触式光刻工艺兼容，第三间距d3与第二间距d2的差值约为
，例如，
、/>
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，在此不作限定，以实现大模场的拓扑边界态分布。
在一种示例性实施例中，如图1和图2所示，移相区4通过刻蚀有源外延组件2顶部的P型接触层27、P型盖层26和P型扩展层25形成调制脊形波导41。调制脊形波导41与拓扑结构3在第一方向上首尾相连，调制脊形波导41关于中心脊形波导31呈对称周期分布，调制脊形波导41的宽度和深度与拓扑结构3的宽度和深度分别对应相等，每个脊形波导中仅支持一个模式的基模。
在一种示例性实施例中，在相邻的调制脊形波导41之间间隔K个脊形波导单元3211，K根据拓扑边界态光场的折射率的周期性变化来确定，对拓扑结构3中的拓扑边界态电场实现相位调制，将反相模式的拓扑边界态转换成同相模式的拓扑边界态，得到单瓣的远场。
图3是根据本发明实施例的基于拓扑结构的激光器阵列的输出水平远场分布图。
如图3所示，其中虚线为没有设置移相区4情况下的输出水平远场分布图，实线为本实施案例的输出水平远场分布图，纵坐标对应光场强度，横坐标对应空间角度位置。由图3可知，集成移相区4有效地使远场图样从双瓣调制成单瓣，减小远场图样空间发散角，优化输出激光的光束质量，从而得到高功率、高亮度的激光。
图4是根据本发明实施例的基于拓扑结构的激光器阵列的输出水平近场分布图。
如图4所示，图4中的右轴为光场在不同x位置上的相位分布值。由图可知，其中相位最大值与最小值的差小于
，且整体分布没有经过零点，可以确认经过移相区4后输出界面上的光场为一个同相模式。同相模式相较于反相模式具有更小的光束质量因子，故通过移相区4调制后可以得到更高亮度的激光输出。
图5是根据本发明实施例的基于拓扑结构的激光器阵列的拓扑边界态的光场分布示意图。
在一种示例性实施例中，如图5所示，调制脊形波导41的数量由拓扑结构3中的脊形波导阵列32的数量和光场强度分布决定，调制脊形波导41的长度
，其中，/>
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，其中m为奇数；k 0为波矢，值为/>
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为刻蚀的调制脊形波导与未刻蚀的调制脊形波导内基模的有效折射率差。
在一种示例性实施例中，如图1和图5所示，在绝缘层5上与拓扑态电场分布极大值的拓扑结构3对应的位置上通过光刻与干法刻蚀加工电极窗口51，为了限制注入载流子的扩散，在P型接触层27与电极窗口51对应的位置上也可以相应地刻蚀去除。电极窗口51的长度由拓扑结构3中拓扑边界态的光强分布决定，从中心脊形波导31沿第二方向向两侧呈指数型减小。电极窗口51被构造为注入电流，形成电隔离，以构建图形化电极结构，增大有效电注入面积，并增大拓扑边界态与其他模式的增益差，提升半导体激光的有效电光转化效率与边模抑制能力。
根据本发明实施例，通过集成拓扑结构与相移区，并结合图形电极结构，能够实现大模场近场、单瓣远场的激光输出，制备得到大模场高亮度的激光器阵列。
根据本发明实施例，在半导体材料上，基于拓扑结构中电磁能量分布的特殊规律，本发明设计了实现大模场分布的激光器阵列。并且，设计了图形化电极结构，使得电注入分布与光场模式分布一致，可以实现最大化有效注入能量。同时，结构中引入了集成相移区，将反相的拓扑边界态转化为同相模式，在片上实现远场单瓣高亮度的激光输出。
本发明实施例还提供一种激光器阵列的制作方法，包括：
通过刻蚀有源外延组件2的顶部的P型接触层27、P型盖层26和P型扩展层25形成拓扑结构3和移相区4；
在拓扑结构3和移相区4的上表面生长绝缘层5；
在绝缘层5上与拓扑态电场分布极大值的拓扑结构3对应的位置上通过刻蚀形成电极窗口51；
在绝缘层5的上表面生长P型金属层6；以及
在有源外延组件2的下表面生长N型金属层1。
根据本发明的实施例，激光器阵列只需一次外延和普通光刻技术即可完成制备，避免了二次外延及高精度光刻技术的使用，制备简单，工艺成本低。
根据本发明提供的基于拓扑结构3的激光器阵列,向N型金属层1和P型金属层6注入电流，有源外延组件2用于在电流注入下产生光增益形成光场，拓扑结构3形成拓扑边界态电场，得到低光学灾变性损伤阈值、高光功率的单模半导体激光输出，移相区4将反相模式的拓扑边界态转换成同相模式的拓扑边界态，得到单瓣的远场，优化输出激光的光束质量，从而输出高功率、高亮度的激光。
上述具体实施例，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，应理解的是，以上上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 (10)
1.一种基于拓扑结构的激光器阵列，其特征在于，包括：
N型金属层(1)；
有源外延组件(2)，设置于所述N型金属层(1)的上表面；
拓扑结构(3)，通过刻蚀所述有源外延组件(2)的顶部而形成，所述拓扑结构(3)包括：
中心脊形波导(31)，设置于所述有源外延组件(2)的中心对称轴处，并沿第一方向延伸；以及
脊形波导阵列(32)，包括分布于所述中心脊形波导(31)两侧的多个脊形波导组阵(321)，并关于所述中心脊形波导(31)对称分布，沿与所述第一方向垂直的第二方向周期分布，以形成拓扑边界态电场；
移相区(4)，通过刻蚀所述有源外延组件(2)的顶部形成调制脊形波导(41)，所述调制脊形波导(41)与所述拓扑结构(3)在所述第一方向上首尾相连，所述调制脊形波导(41)关于所述中心脊形波导(31)呈对称周期分布，以使得将反相模式的拓扑边界态转换成同相模式的拓扑边界态；
绝缘层(5)，所述绝缘层(5)设置于所述拓扑结构(3)和所述移相区(4)的上表面；以及
P型金属层(6)，设置于所述绝缘层(5)的上表面。
2.根据权利要求1所述的激光器阵列，其特征在于，所述有源外延组件(2)包括自下而上依次层叠分布的N型衬底层(21)、N型盖层(22)、N型扩展层(23)、有源层(24)、P型扩展层(25)、P型盖层(26)和P型接触层(27)。
3.根据权利要求1所述的激光器阵列，其特征在于，所述中心脊形波导(31)和相邻的所述脊形波导组阵(321)之间的第一间距，与位于同侧的两个相邻的所述脊形波导组阵(321)之间的第二间距相等。
4.根据权利要求3所述的激光器阵列，其特征在于，每个所述脊形波导组阵(321)包括两个脊形波导单元(3211)，两个所述脊形波导单元(3211)之间的第三间距小于所述第二间距。
5.根据权利要求1所述的激光器阵列，其特征在于，所述绝缘层(5)上与拓扑态电场分布极大值的所述拓扑结构(3)对应的位置上设置有电极窗口(51)，所述电极窗口(51)被构造为注入电流，形成电隔离，以构建图形化电极结构。
6.根据权利要求5所述的激光器阵列，其特征在于，所述电极窗口(51)的长度从所述中心脊形波导(31)沿所述第二方向向两侧呈指数型减小。
7.根据权利要求4所述的激光器阵列，其特征在于，在相邻的所述调制脊形波导(41)之间间隔K个脊形波导单元(3211)，所述K根据拓扑边界态光场的折射率的周期性变化来确定。
8.根据权利要求1所述的激光器阵列，其特征在于，所述调制脊形波导(41)的宽度和深度与所述拓扑结构(3)的宽度和深度分别对应相等。
9.根据权利要求1所述的激光器阵列，其特征在于，所述调制脊形波导(41)的长度
，
其中，
是调制相位差，取值/>
，其中/>
为奇数；/>
为波矢，值为/>
，/>
为激光器出射波长；/>
为刻蚀的调制脊形波导与未刻蚀的调制脊形波导内基模的有效折射率差。
10.一种根据权利要求1-9中任一所述的激光器阵列的制作方法，其特征在于，包括：
在有源外延组件(2)的顶部通过刻蚀形成拓扑结构(3)和移相区(4)；
在所述拓扑结构(3)和所述移相区(4)的上表面生长绝缘层(5)；
在所述绝缘层(5)上与拓扑态电场分布极大值的所述拓扑结构(3)对应的位置上通过刻蚀形成电极窗口(51)；
在所述绝缘层(5)的上表面生长P型金属层(6)；以及
在所述有源外延组件(2)的下表面生长N型金属层(1)。
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| CN1633737A (zh) * | 2002-02-12 | 2005-06-29 | 昆特森斯光电技术公司 | 具有同相输出的激光二极管阵列 |
| CN103326244A (zh) * | 2013-06-19 | 2013-09-25 | 中国科学院半导体研究所 | 一种实现高亮度水平远场单瓣分布的光子晶体激光器阵列 |
| CN110233426A (zh) * | 2019-06-25 | 2019-09-13 | 中国科学院半导体研究所 | 一种泄漏波耦合锁相阵列半导体激光器 |
| CN112909739A (zh) * | 2021-01-26 | 2021-06-04 | 中国科学院半导体研究所 | 一种具有拓扑性质的条形半导体激光器阵列及其应用 |
-
2023
- 2023-03-10 CN CN202310226064.2A patent/CN116191205B/zh active Active
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