CN219086443U - 一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，从下至上依次包括衬底、缓冲层、N型包层、N型波导层、级联多有源区、P型波导层、P型包层和盖层，所述波导层采用高、低折射率层周期排列组成的布拉格反射波导结构，所述级联多有源区包括多个有源区、多个隧道结及限制层。该激光器的基模近场由周期性振荡峰组成，包络接近高斯分布，在级联多有源区附近具有大摆幅振荡峰，有源区位于基模近场的波峰处，在基模近场的波谷低光强处插入隧穿结，使多有源区共用大尺寸基模工作波导，可有效降低光损耗及驱动电压，实现高功率、高光束质量、低发散角激光输出。

Description

一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器

技术领域

本实用新型属于半导体激光器技术领域，涉及一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器。

背景技术

激光雷达在三维感知、勘探测绘、座舱监测、汽车辅助驾驶、机器人或无人机导航等领域具有非常广阔的应用。半导体激光器是激光雷达技术信号发射光源的首选方案，为提高激光雷达系统的探测距离、测距精度及抗干扰能力等性能，需要高脉冲功率、低光束发散角、波长稳定的半导体激光芯片。

为实现高脉冲功率激光输出，可采用多结半导体激光器结构，在外延生长中采用n⁺/p⁺隧穿结将多个有源区级联。目前商业化器件通常采用非耦合多结激光器结构，各发光区拥有独立的波导层和包层，隧道结附近的光强为零，从而降低损耗。但这种激光器的垂直方向光束尺寸增大几倍，但光束发散角仍很大(与单发光点相同，通常大于30°)，导致垂直方向光束质量变差，不利于光束整形及限制激光雷达探测分辨率。

另外，激光雷达系统通常采用窄带滤光片抑制背景光，但这要求输出激光在宽的温度范围内保持在窄的光谱范围内，这可通过单片集成布拉格光栅来实现。但对于传统的非耦合多结激光器，各发光区独立工作，掩埋光栅或表面光栅只对临近的发光点或最上面的发光点产生作用，对其它发光点不起作用，而分别多次制备掩埋光栅、外延生长面临工艺复杂、成本高的问题，难以得到应用。

为解决该问题，有研究者提出外延堆叠几个与隧道结交替的有源区，以代替堆叠独立工作的激光二极管。传统的半导体激光器垂直方向采用全反射波导，两个发光区之间距离太近，两个发光区的波导层将耦合为同一模式扩展层，导致近场强的光场与高掺杂隧道结交叠，导致大的载流子吸收损耗，降低激光器功率及效率。若激光器工作在高阶模式，可设置有源区及隧穿结分别位于波峰和波谷处，但这会导致激光器大的远场发散角，通常为多峰结构，光束质量差，不利于激光雷达应用。

综上所述，如何提高半导体激光器的脉冲功率和光束质量，同时兼容内置光栅锁定波长技术，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

实用新型内容

有鉴于此，本申请的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器。用于提高半导体激光器的功率和光束质量。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，从下至上依次包括：衬底、缓冲层、N型包层、N型波导层、级联多有源区、P型波导层、P型包层、盖层，所述N型波导层和所述P型波导层均为高、低折射率层周期交替生长组成的布拉格反射波导；所述级联多有源区包括：多个有源区、多个隧穿结及限制层，所述有源区和所述隧穿结均位于所述限制层内，所述隧穿结位于相邻两个所述有源区之间；所述有源区位于基模近场的波峰位置，所述隧穿结位于基模近场的波谷位置，所有的所述有源区共用同一波导。

优先的，所述限制层包括：多个高折射率层和多个低折射率层，所述高折射率层和所述低折射率层交替生长；所述有源区插入在所述限制层的所述高折射率层中，所述隧穿结插入在所述限制层的所述低折射率层中。

优先的，每个所述限制层的所述高折射率层的组分和厚度不同；每个所述限制层的所述低折射率层的组分和厚度不同。

优先的，所述有源区的个数k≥2，隧穿结的个数为k-1，k为自然数。

优先的，所述N型波导层的所述高折射率层与P型波导层的所述高折射率层的组分和厚度不同；N型波导层的所述低折射率层与P型波导层的所述低折射率层的组分和厚度不同；所述P型波导层中高、低折射率层周期对数小于等于N型波导层中高、低折射率层周期对数。

优先的，所述P型包层的折射率低于所述N型包层折射率。

优先的，所述隧穿结包括：高掺杂浓度的两个导电类型相反材料，所述隧穿结到相邻所述有源区间材料的所述导电类型不同。

优先的，所述有源区为单层或多层的量子阱、量子点或量子线。

优先的，所述衬底为GaAs、InP、GaSb和GaN中的任意一种。

本实用新型提供了一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，通过控制布拉格反射波导及级联多有源区中各层的材料和厚度，使光在布拉格反射波导中高折射率层传输，但在低折射率层渐逝衰减，形成周期振荡型的类高斯分布近场分布，通过增大有源区附近振荡峰幅度差异，使有源区及隧穿结分别位于基模近场的波峰和波谷处，可有效提高光限制因子及降低隧穿结的吸收损耗，获得高功率、低光束发散的激光输出。另外，由于多有源区共用单一垂直波导模式，通过集成光栅可同时实现多有源区输出波长锁定及光谱压窄。

本实用新型公开的上述技术方案，通过采用布拉格反射波导结构，实现大摆幅周期振荡的类高斯分布光场，这样可在中心光场波峰位置引入有源区，在有源区附近光场波谷位置引入隧穿结，降低光吸收损耗，实现高功率激光输出；这种激光器还具有大激光腔、强模式选择的特性，可实现超大光模式体积稳定单模工作，有效提高腔面灾变损伤功率及光束质量，同时可将垂直发散角可从传统器件的30°以上压缩到10°以下，更有利于器件准直及应用；另外，这种激光器多有源区共用同一波导模式，通过掩埋生长或表面刻蚀光栅可同时实现多有源区波长锁定及光谱压窄，使激光雷达系统采用窄带滤光片抑制背景光噪声变得可行，具有非常重要的意义。总之，这种激光器可实现高脉冲功率、低光束发散的激光输出，具有很好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器结构示意图。

图2为本实用新型的一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器的级联多有源区结构示意图。

图3为本实用新型的一种多有源区级联结构的布拉格反射波导边发射半导体激光器各层的折射率分布示意图。

图4为本实用新型的一种多有源区级联结构的布拉格反射波导边发射半导体激光器的级联多有源区与基模近场的分布示意图。

图5为实施例1提供的一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器的折射率分布和基模近场分布示意图。

图6为实施例1提供的一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器的远场分布示意图。

图7为实施例2提供的一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器的折射率分布和基模近场分布示意图。

附图标记含义如下：

1、衬底；2、缓冲层；3、N型包层；4、N型波导层；5、级联多有源区；6、P型波导层；7、P型包层；8、盖层；4a、N型掺杂的的高折射率层；4b、N型掺杂的低折射率层；6a、P型掺杂的高折射率层；6b、P型掺杂的的低折射率层；5e、限制层；5a、高折射率层；5b、有源区；5c、低折射率层；5d隧穿结。

5aN、限制层的高折射率层的N区部分；5aP、限制层的高折射率层的P区部分；5cP、限制层的低折射率层的P区部分；5cN、限制层的低折射率层的N区部分；5dP、隧穿结的p⁺掺杂层；5dN、隧穿结的n⁺掺杂层。

5b1为第一有源区，5b2为第二有源区，5b3为第三有源区，依次类推；5d1为第一隧穿结，5d2为第二隧穿结，依次类推；限制层由第一高折射率层5a1、第一低折射率层5c1、第二高折射率层5a2、第二低折射率层5c2、第三高折射率层5a3等组成。

9、基模近场；911、第一波峰；912、第二波峰；913、第三波峰；921、第一波谷；922、第二波谷，依次类推。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，本实用新型的一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器结构示意图，由下至上依次为衬底1、缓冲层2、N型包层3、N型波导层4、级联多有源区5、P型波导层6、P型包层7和盖层8。

衬底1为N型高掺杂的Ⅲ-Ⅴ族化合物，可以为GaAs、InP、GaSb和GaN中的任意一种。

缓冲层2生长在衬底1上，为N型高掺杂材料，通常与衬底材料相同，其用于掩埋衬底1自身的缺陷。

N型包层3生长在缓冲层2上，为N型掺杂材料，其折射率低于N型波导层4的折射率，用以限制光场向衬底扩展。

N型波导层4生长在N型包层3上，它由m对N型掺杂的高折射率材料4a和N型掺杂的低折射率材料4b周期交替生长的DBR组成，每个周期的厚度为T_N；其掺杂浓度由下往上逐渐降低。

级联多有源区5生长在N型波导层4上，它由多个有源区5b、隧穿结5d及限制层5e组成；限制层5e由若干高折射率层5a、低折射率层5c组成，其中每个高折射率层5a组分和厚度可不同，每个低折射率层5c的组分和厚度可不同；有源区5b位于高折射率层5a中，有源区5b可以为单层或多层量子阱、量子点、量子线等增益材料；隧穿结5d位于低折射率层5c中。

P型波导层6生长在级联多有源区5上，它由n对P型掺杂的高折射率材料6a和P型掺杂的低折射率材料6b周期交替生长的DBR组成，每个周期的厚度为T_P；P型掺杂的高折射率材料6a与N型掺杂的高折射率材料4a的折射率和厚度可相同或不同；P型掺杂的低折射率材料6b与N型掺杂的低折射率材料4b的折射率和厚度可相同或不同；P型波导层周期对数n≤m(N型波导层的周期对数)；其掺杂浓度由下往上逐渐增大。

P型包层7生长在P型波导层6之上，为P型掺杂，折射率低于P型波导层6的折射率，用以限制光场向高掺杂盖层8扩展；P型包层7的折射率小于等于N型包层3的折射率。

盖层8生长在P型包层7之上，通常与衬底材料相同，为P型重掺杂以利于欧姆接触。

本申请实施例提供的一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，各层之间可引入组分渐变层，以降低势垒电阻。

如图2所示，为本实用新型的一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器的级联多有源区结构示意图。其中，级联多有源区5由k(k≥2，为自然数)个有源区5b、k-1个隧穿结5d和限制层5e组成。限制层5e由k个高折射率层5a、k-1个低折射率层5c组成。有源区5b位于高折射率层5a内；隧穿结5d位于低折射率层5c内；隧穿结5d由隧穿结的p⁺掺杂层5dP和隧穿结的n⁺掺杂层5dN组成。

有源区5b生长在限制层的高折射率层N区部分5aN之上，有源区不掺杂，有源区两侧的掺杂类型不同，其下方相邻的高折射率层5aN为N型掺杂，在其上方生长的限制层的高折射率层P区部分5aP为P型掺杂；限制层的低折射率层P区部分5cP生长在5aP之上，为P型掺杂；隧穿结的p⁺掺杂层5dP生长在5cP之上，其P型掺杂浓度通常高于10²⁰cm^-3；隧穿结的n⁺掺杂层5dN生长在5dP之上，其N型材料掺杂浓度通常高于10¹⁹cm^-3；限制层的低折射率层N区部分5cN生长在5dN之上，为N型掺杂。

由上可见，有源区5b两侧材料的掺杂类型不同，它与上方隧穿结P⁺掺杂层5dP之间的材料为P型掺杂，有源区5b与下方隧穿结N⁺掺杂层5dN之间的材料为N型掺杂，掺杂浓度由有源区向两边递增。

如图3所示，为本实用新型的一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器的折射率分布示意图。N型波导层4由N型掺杂的高折射率层4a、低折射率层4b周期交替生长组成，每个周期的厚度为T_N；P型波导层6由P型掺杂的高折射率层6a、低折射率层6b周期交替生长组成，每个周期的厚度为T_P；限制层5e由高折射率层5a、低折射率层5c周期交替生长组成，每个周期的厚度为T_G。

通过调整N型波导层4的组分和厚度、P型波导层6的组分和厚度、限制层中高低折射率层5a和低折射率层5c的组分和厚度，可获得近高斯分布的周期性振荡的基模近场9；调节各有源区5b在限制层的高折射率层5a中位置，使每一个有源区5b位于基模近场的波峰位置；调节各隧穿结5d在限制层的低折射率层5c中位置，使每一个隧穿结5d位于基模近场的波谷位置，如图4所示，所有的有源区5b共用同一波导。

本申请公开的上述技术方案，通过采用布拉格反射波导获得近高斯分布的周期性振荡的基模近场，并使有源区及隧穿结精确位于基模近场的波峰和波谷处，实现多有源区级联，并降低重掺杂隧穿结层的光吸收损耗，多有源区共用单一大模式体积基模，同时共用波导层可有效降低电压，有利于实现高功率、高光束质量激光输出。

实施例1

本实用新型的实施例1提供一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，由下至上依次为衬底1、缓冲层2、N型包层3、N型波导层4、级联多有源区5、P型波导层6、P型包层7和盖层8。

衬底1和缓冲层2为n型重掺杂的GaAs材；N型包层3采用Al_0.45Ga_0.55As材料，n型掺杂；N型波导层4采用7对Al_0.35Ga_0.65As/Al_0.2Ga_0.8As周期性波导，n型掺杂；

级联多有源区5包括：第一有源区5b1、第二有源区5b2、第三有源区5b3、第一隧道结5d1、第二隧道结5d2和限制层5e，限制层5e包括：第一高折射率层5a1、第一低折射率层5c1、第二高折射率层5a2、第二低折射率层5c2、第三高折射率层5a3。

第一有源区5b1与第二有源区5b2通过第一隧道结5d1实现隧穿级联；第二有源区5b2与第三有源区5b3通过第二隧道结5d2实现隧穿级联。

第一有源区5b1位于第一高折射率层5a1上；第二有源区5b2位于第二高折射率层5a2；第三有源区5b3位于第三高折射率层5a3。

第一隧道结5d1位于第一低折射率层5c1上；第二隧道结5d2位于第二低折射率层5c2。

第一有源区5b1、第二有源区5b2、第三有源区5b3都采用InGaAs双量子阱结构。

第一隧道结5d1和第二隧道结5d2均为p+和n+掺杂的GaAs层。

第一高折射率层5a1、第二高折射率层5a2、第三高折射率层5a3都采用Al_0.2Ga_0.8As材料。

第一低折射率层5c1和第二低折射率层5c2都采用Al_0.35Ga_0.65As材料。

有源区与隧穿结中P型掺杂层5dP之间的材料为P型掺杂，有源区与隧穿结中N型掺杂层5dN之间的材料为N型掺杂材料，掺杂浓度由有源区向两边递增；

P型波导层6采用7对Al_0.35Ga_0.65As/Al_0.2Ga_0.8As周期性波导；P型包层7采用P型掺杂的Al_0.45Ga_0.55As材料，其厚度大于N型包层3；盖层8采用重掺杂的GaAs材料。

通过调整N型波导层4的组分和厚度、P型波导层6的组分和厚度、限制层5e中第一高折射率层5a1、第一低折射率层5c1、第二高折射率层5a2、第二低折射率层5c2、第三高折射率层5a3的组分和厚度，可获得近高斯分布的周期性振荡的基模近场9；调节第一有源区5b1、第二有源区5b2、第三有源区5b3分别在限制层的第一高折射率层5a1、第二高折射率层5a2、第三高折射率层5a3中位置，使第一有源区5b1位于基模近场9的第一波峰911位置；使第二有源区5b2位于基模近场9的第二波峰912位置；使第三有源区5b3位于基模近场9的第三波峰913位置。

调节第一隧穿结5d1和第二隧道结5d2分别在限制层的第一低折射率层5c1和第二低折射率5c2中位置，使第一隧穿结5d1位于基模近场9的第一波谷921位置，使第二隧穿结5d2位于基模近场9的第二波谷922位置。

且第一有源区5b1、第二有源区5b2、第三有源区5b3都位于同一个波导。

如图5所示，本实用新型的实施1得到905nm波长多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器的折射率分布和基模近场分布示意图。从图可见，本实用新型中激光器的基模近场由周期性振荡峰组成，包络接近高斯分布，垂直方向光模式体积>10μm，可稳定单模工作，其中3个有源区均位于基模近场的波峰位置，可获得高的光限制因子，而2个隧道结都位于基模近场的波谷位置，可有效降低该重掺杂区域的光吸收损耗。

图6为本实施例1得到激光器垂直远场分布示意图，由图可见，激光器在垂直方向输出窄的单束激光，垂直发散角半高全宽为7°左右，远低于目前商业化器件。

实施例2

本实用新型的实施例2与实施例1的区别在于：N型波导层采用7对Al_0.35Ga_0.65As/Al_0.2Ga_0.8As周期性波导，P型波导层采用1对Al_0.35Ga_0.65As/Al_0.2Ga_0.8As周期性波导(高低折射率层的厚度与N型波导层不同)，P型包层折射率低于N型包层。

如图7所示，本实用新型的实施例2得到905nm波长多有源区级联非对称布拉格反射波导半导体激光器的折射率分布和基模近场分布图。通过降低P型掺杂区厚度，可降低光吸收损耗及器件电阻，有利于提高激光器的转换效率，另外也降低了制备表面光栅实现波长锁定的难度。

本申请通过控制布拉格反射波导及级联多有源区中各层的材料和厚度，使光在布拉格反射波导中高折射率层传输但在低折射率层渐逝衰减，形成周期振荡型的类高斯分布近场分布，通过增大有源区附近振荡峰幅度差异，使级联多有源区的各有源区及中间的隧穿结分别位于基模光场的波峰和波谷处，可有效提高光限制因子及降低隧穿结的吸收损耗，获得高功率、低光束发散的激光输出。另外，由于多有源区共用单一垂直波导模式，通过集成光栅可同时实现多有源区输出波长锁定及光谱压窄。

本申请公开的上述技术方案，通过采用布拉格反射波导结构，实现大摆幅周期振荡的类高斯分布光场，这样可在中心光场波峰位置分别引入多有源区，在有源区附近光场波谷位置引入隧穿结，降低光吸收损耗，实现高功率激光输出；这种激光器还具有大激光腔、强模式选择的特性，可实现超大光模式体积稳定单模工作，有效提高腔面灾变损伤功率及光束质量，同时可将垂直发散角可从传统器件的30°以上压缩到10°以下，更有利于器件准直及应用；另外，这种激光器多有源区共用同一波导模式，通过掩埋生长或表面刻蚀光栅可同时实现多有源区波长锁定及光谱压窄，使激光雷达系统采用窄带滤光片抑制背景光噪声变得可行，具有非常重要的意义。总之，这种激光器可实现高脉冲功率、低光束发散的激光输出，具有很好的应用前景。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，从下至上依次包括：衬底、缓冲层、N型包层、N型波导层、级联多有源区、P型波导层、P型包层、盖层，其特征在于，所述N型波导层和所述P型波导层均为高、低折射率层周期交替生长组成的布拉格反射波导；所述级联多有源区包括：多个有源区、多个隧穿结及限制层，所述有源区和所述隧穿结均位于所述限制层内，所述隧穿结位于相邻两个所述有源区之间；所述有源区位于基模近场的波峰位置，所述隧穿结位于基模近场的波谷位置，所有的所述有源区共用同一波导。

2.根据权利要求1所述一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，其特征在于，所述限制层包括：多个高折射率层和多个低折射率层，所述高折射率层和所述低折射率层交替生长；所述有源区插入在所述限制层的所述高折射率层中，所述隧穿结插入在所述限制层的所述低折射率层中。

3.根据权利要求2所述一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，其特征在于，每个所述限制层的所述高折射率层的组分和厚度不同；每个所述限制层的所述低折射率层的组分和厚度不同。

4.根据权利要求3所述一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，其特征在于，所述有源区的个数k≥2，隧穿结的个数为k-1，k为自然数。

5.根据权利要求4所述一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，其特征在于，所述N型波导层的所述高折射率层与P型波导层的所述高折射率层的组分和厚度不同；N型波导层的所述低折射率层与P型波导层的所述低折射率层的组分和厚度不同；所述P型波导层中高、低折射率层周期对数小于等于N型波导层中高、低折射率层周期对数。

6.根据权利要求5所述一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，其特征在于，所述P型包层的折射率低于所述N型包层折射率。

7.根据权利要求1-6任一项所述一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，其特征在于，所述隧穿结包括：高掺杂浓度的两个导电类型相反材料，所述隧穿结到相邻所述有源区间材料的所述导电类型不同。

8.根据权利要求1-6任一项所述一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，其特征在于，所述有源区为单层或多层的量子阱、量子点或量子线。

9.根据权利要求1-6任一项所述一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，其特征在于，所述衬底为GaAs、InP、GaSb和GaN中的任意一种。

Images