CN216850743U - 一种光栅面发射半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光栅面发射半导体激光器，属于激光器技术领域，该激光器包括依次设置的表面金属电极层、脊波导层、p型掺杂包层、p型掺杂光限制层、有源区、一阶光栅层、n型掺杂光限制层、隔离层和衬底层，在有源区上方设有高阶表面光栅，脊波导在与高阶表面光栅的重叠区为宽度渐变结构，形成折射率的渐变，使得激光出射角度与激光器表面法线方向存在一个夹角。本实用新型较小的脊波导宽度改变能实现较大的等效折射率变化，等效“啁啾”效果佳，实现激光出射的方向偏离激光器表面法线方向。

Description

一种光栅面发射半导体激光器

技术领域

本实用新型属于激光器技术领域，更具体地，涉及一种出光角度可调谐的水平腔表面发射半导体激光器。

背景技术

随着科技的进步，作为高科技技术的代表之一的激光技术得到了日益广泛的应用，如激光制导，激光雷达，激光武器等军事应用，以及激光通信，激光美容，激光加工等民用应用。激光技术为人类社会带来了巨大的经济效益，对激光光源的开发具有重大意义。半导体激光器因其具有较高的能量转换效率，优良的光束性能，逐渐取代传统的气体与固体激光光源，成为市场上的主流激光光源。

半导体激光器按其出光方向分可分为两种：边发射激光器和面发射激光器。边发射激光器是指激光器的出光方向平行于有源层(半导体激光器的一个特征层)，即在水平方向上，由端面出光。边发射激光器的光束发散角大，光斑通常为椭圆形，与光纤的耦合效率低，通常需要透镜或其他分立光学元件耦合到光纤，而且在测试时需要解理成bar条，测试成本高。与边发射激光器不同的另一种类型的激光器是面发射激光器。面发射激光器的出光方向垂直于激光器的有源层，在垂直方向上出光，即由表面出光。面发射激光器具有光束发散角小，圆形光斑出射，与光纤耦合效率高等优点，且能直接在晶圆片上完成测试，降低了制造成本，改善了激光器性能。近年来，利用低成本，高抗损伤性的深刻蚀表面高阶表面光栅实现面发射的高阶表面光栅耦合型面发射半导体激光器得到了学术界和产业界的重视，众多研究成果被报道，其未来具有广阔的市场前景。

在实际应用时，半导体激光器光源需要与其他光学器件一起构成一个功能系统来进行使用，因此其需要满足与其他器件高效率光耦合的需求，如在光通信系统中应用时，半导体激光器需要与光纤进行耦合；集成光子芯片应用中，激光器需要与波导光栅进行耦合等。半导体激光器在与这些器件进行耦合时会具有较大的背向光反射，造成光耦合功率降低，且回波光噪声会影响激光器工作稳定性等一系列问题。为了解决这个问题，在激光器实际应用时需要增加一些额外的工序，如半导体激光器与光纤耦合时，通常在光纤端面额外加工出一个8°倾角的斜面来实现高效耦合，抑制背向反射。这一措施无疑增加了成本。然而，在某些应用领域，如集成光子芯片应用中，不能在芯片表面制作8°倾角的斜面来进行耦合，造成耦合面反射光较强，光耦合效率低。

如果激光器的光出射角度能进行设计调节，偏离其出光面的法线方向，将有利于激光器与其他器件的耦合，增加耦合效率，大大扩展激光器的应用场景。边发射激光器由于其工作原理和空间结构的限制，很难实现光束出射角度偏离其端面法线方向。而在面发射半导体激光器中，研究者们通过在光栅中引入啁啾(光栅啁啾是指光栅周期沿着空间位置发生变化)，一方面大大改善了激光器的出光性能，另一方面实现了激光与激光器表面法线方向以一小夹角出射，提高光耦合效率。但是啁啾结构的光栅在制作工艺上比较困难，而且成本高昂。这造成啁啾光栅面发射半导体激光器成本高，制作不易。

发明内容

为解决上述的一个或多个问题，本申请的目的在于提供一种光栅面发射半导体激光器，实现一种低成本的，制作简便的出射光束与激光器表面法线存在夹角的光栅面发射半导体激光器，其通过利用渐变脊波导结构与表面高阶表面光栅结构设计，实现了等效“啁啾”光栅面发射半导体激光器。该激光器只需一次外延和普通光刻技术即可实现激光出射角度与激光器表面法线方向存在一夹角，且制作简便，成本低。

为了实现上述目的，本申请技术方案如下：

一种光栅面发射半导体激光器，包括依次设置的表面金属电极层、脊波导层、p型掺杂包层、p型掺杂光限制层、有源区、n型掺杂光限制层、隔离层和衬底层，所述有源区与n型掺杂光限制层之间设置有一阶光栅层；所述有源区上方设置有高阶表面光栅层，所述高阶表面光栅层从p型掺杂光限制层延伸到脊波导层，所述高阶表面光栅的栅条与脊波导层重叠区内的脊波导为宽度渐变结构，所述宽度渐变结构沿激光器的光谐振方向宽度逐渐增加。

进一步的，所述高阶表面光栅的长度为9μm～100μm。

进一步的，所述一阶光栅层的周期为200nm～280nm，占空比为50％，深度为20nm～80nm。

进一步的，所述高阶表面光栅的周期为1μm～5μm，占空比为20％～90％，深度为0.1μm～3μm。

进一步的，所述高阶表面光栅周期为1440nm，占空比为0.5，深度为1.9μm。

进一步的，所述高阶表面光栅的光栅阶数为2～14阶。

进一步的，所述高阶表面光栅的光栅阶数为6阶或8阶或10阶。

进一步的，所述光栅面发射半导体激光器的谐振腔的腔长为250μm～500μm，端面功率反射率为3％～5％。

进一步的，所述宽度渐变结构的短边的宽度为1～1.5μm，长边的宽度为2～3.5μm。

进一步的，所述宽度渐变结构的短边的宽度为1μm，长边的宽度为3μm。

本申请提出的一种光栅面发射半导体激光器，与现有设计方案相比，具备以下优点：

(1)由于在高阶表面光栅区内的脊波导采用宽度渐变结构，使得本来光栅周期固定的高阶表面光栅形成等效“啁啾”光栅的效果(沿着高阶表面光栅传输时的光场具有不同的等效折射率)，实现激光出射的方向偏离激光器表面法线方向，这样在与其他光器件耦合时能减小背向光反射。而且这种方式相比于实际改变高阶表面光栅的光栅周期成本低廉，工艺简单。

(2)高阶表面光栅的折射率差大，光栅周期长，较小的脊波导宽度改变能实现较大的等效折射率变化，等效“啁啾”效果佳。此外，高阶表面光栅的制作不需要EBL技术，可以利用普通的光学光刻技术，纳米压印技术等进行大规模的制作，制作难度和要求大大降低，成本更低。

附图说明

图1为本申请光栅面发射半导体激光器的外延结构示意图；

图2为本申请光栅面发射半导体激光器的纵向截面示意图；

图3为本申请光栅面发射半导体激光器的渐变脊波导结构示意图；

图4为本申请激光器等效折射率随着脊波导宽度的变化情况示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1、图2所示，本申请提供了一种光栅面发射半导体激光器，包括依次设置的表面金属电极层、脊波导层、p型掺杂包层、p型掺杂光限制层、有源区、n型掺杂光限制层、隔离层和衬底层，所述有源区与n型掺杂光限制层之间设置有一阶光栅层；所述有源区上方设置有高阶表面光栅层，所述高阶表面光栅层从p型掺杂光限制层延伸到脊波导层，所述高阶表面光栅的栅条与脊波导层重叠区内的脊波导为宽度渐变结构，所述宽度渐变结构沿激光器的光谐振方向宽度逐渐增加。

图2中，所示为激光器的沿着谐振腔的纵向截面示意图，z方向为激光器的水平方向(谐振腔方向)，激光器的谐振腔由其纵向方向的两个端面构成，一阶光栅层分布在整个激光器谐振腔方向上，而高阶表面光栅位于谐振腔中部一个窗口内，不布满整个谐振腔。x方向为激光器的垂直方向(外延方向)。激光器外延层从上到下依次为表面金属电极层、脊波导层、p型掺杂包层、p型掺杂光限制层、有源区、一阶光栅层、n型掺杂光限制层、隔离层和衬底层。

表面金属电极则用于外部电流的注入(激光器需要加电流才能工作)，衬底是外延生长激光器的基片。有源区为量子阱或量子点有源区，是载流子复合产生激光的层，而位于其上下方的光限制层则用于在垂直方向上限制激光，防止有源区产生的激光泄漏出激光器，光限制层大大提高了激光器的出光效率。脊波导层则用于在激光器的垂直于激光器谐振腔的截面上限制激光。

与传统的激光器不同的是，本申请激光器设计有两段光栅，为了保证最佳的光耦合效果，将这两段光栅分别放置于有源区的两侧，分别是位于有源区下方的一阶光栅层和位于有源区上方从脊波导层一直延伸到p型光限制层的高阶表面光栅。一阶光栅层提供光学反馈和频率选择作用，用于实现激光器单模输出。在有源区之上，激光器谐振腔中部窗口位置，分布有一段长度为(9-100)微米的高阶表面光栅，光栅阶数为2～14阶，优选为六阶、八阶和十阶表面光栅。这一段高阶表面光栅用于将一部分沿着激光器谐振腔方向(水平方向)谐振的光能量耦合到垂直方向上输出，即实现表面激光出射。

如图2、图3所示，高阶表面光栅的栅条与脊波导层具有重叠区，在重叠区的脊波导为渐变宽度结构，形成等效“啁啾”光栅，使得本来沿着激光器表面法线方向出射的激光以与法线方向带一定倾角出射。宽度渐变结构沿激光器的光谐振方向宽度逐渐增加，如图3所示，短边的宽度为1～1.5μm，长边的宽度为2～3.5μm。短边长度优选为1μm，长边长度优选为3μm。每一个栅条上的脊波导都为梯形结构，并且沿着激光器的光谐振方向宽度渐变。

本申请光栅表面发射激光器的工作原理如下：

载流子通过金属电极注入激光器中，聚集到激光器有源层，在有源层中与空穴复合产生激光，激光受到限制层的限制在激光器谐振腔内来回传播，通过位于光栅层的分布于整个谐振腔的一阶光栅的光反馈和选模作用，最终在激光器谐振腔内形成稳定的沿正向传播和反向传播的行波模式，即谐振光，其波长一定(取决于布拉格波长和激光器工作条件)，与布拉格波长之间通常会存在一定失谐(与电流注入条件有关)，在激光器谐振腔内传播的行波模式通过位于有源区上方激光器谐振腔中央的一段高阶表面光栅时，由于高阶表面光栅具有辐射性质，会将一部分的行波模耦合进入辐射模中，形成表面输出，其输出强度与激光器结构参数及高阶表面光栅参数等有关。通过优化设计，可以使辐射模成为单峰圆形光斑输出，具有高的与标准单模光纤的耦合效率。由于高阶表面光栅与脊波导存在重叠，而在重叠区的脊波导具有宽度渐变结构，改变了光栅的等效折射率，导致均匀周期的高阶表面光栅具有等效“啁啾”光栅结构的效果。

本申请实施例中，激光器选择的材料为Ⅲ-Ⅴ族材料，激光器出射的中心波长选择在1560nm，激光器各层的厚度为典型值。

在一个具体的实施例中，激光器的谐振腔的腔长为250μm～500μm，优选为300微米。端面功率反射率为3％～5％，优选为3％。

在另一个具体的实施例中，一阶光栅层的周期为200nm～280nm，占空比为50％，深度为20nm～80nm。一阶光栅层的周期优选为244nm，占空比优选为0.5，光栅刻蚀深度优选为40nm。

在另一个具体的实施例中，高阶表面光栅的周期为1μm～5μm，占空比为20％～90％，深度为0.1μm～3μm。高阶表面光栅周期优选为1440nm，占空比优选为0.5，光栅刻蚀深度优选为1.9μm。

图4为激光器的等效折射率随着脊波导宽度的变化情况，本申请脊波导的宽度渐变结构，改变了光栅的等效折射率，导致均匀周期的高阶表面光栅具有等效“啁啾”光栅结构的效果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光栅面发射半导体激光器，包括依次设置的表面金属电极层、脊波导层、p型掺杂包层、p型掺杂光限制层、有源区、n型掺杂光限制层、隔离层和衬底层，其特征在于，所述有源区与n型掺杂光限制层之间设置有一阶光栅层；所述有源区上方设置有高阶表面光栅层，所述高阶表面光栅层从p型掺杂光限制层延伸到脊波导层，所述高阶表面光栅的栅条与脊波导层重叠区内的脊波导为宽度渐变结构，所述宽度渐变结构沿激光器的光谐振方向宽度逐渐增加。

2.如权利要求1所述的光栅面发射半导体激光器，其特征在于，所述高阶表面光栅的长度为9μm～100μm。

3.如权利要求1所述的光栅面发射半导体激光器，其特征在于，所述一阶光栅层的周期为200nm～280nm，占空比为50％，深度为20nm～80nm。

4.如权利要求1所述的光栅面发射半导体激光器，其特征在于，所述高阶表面光栅的周期为1μm～5μm，占空比为20％～90％，深度为0.1μm～3μm。

5.如权利要求4所述的光栅面发射半导体激光器，其特征在于，所述高阶表面光栅周期为1440nm，占空比为0.5，深度为1.9μm。

6.如权利要求1所述的光栅面发射半导体激光器，其特征在于，所述高阶表面光栅的光栅阶数为2～14阶。

7.如权利要求6所述的光栅面发射半导体激光器，其特征在于，所述高阶表面光栅的光栅阶数为6阶或8阶或10阶。

8.如权利要求1所述的光栅面发射半导体激光器，其特征在于，所述光栅面发射半导体激光器的谐振腔的腔长为250μm～500μm，端面功率反射率为3％～5％。

9.如权利要求1所述的光栅面发射半导体激光器，其特征在于，所述宽度渐变结构的短边的宽度为1～1.5μm，长边的宽度为2～3.5μm。

10.如权利要求9所述的光栅面发射半导体激光器，其特征在于，所述宽度渐变结构的短边的宽度为1μm，长边的宽度为3μm。

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