專利名稱：圓斑輸出低發(fā)散角邊發(fā)射光子晶體激光器及復合波導裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通信領(lǐng)域，尤其涉及一種圓斑輸出低發(fā)散角邊發(fā)射光子晶體激光器及復合波導裝置。
背景技術(shù)：
隨著光通信，光互連技術(shù)以及各種光電子器件的發(fā)展，激光技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代科技發(fā)展所不可或缺的部分，激光器的應用已經(jīng)覆蓋了生活、醫(yī)藥、勘探、國防等各個領(lǐng)域。隨著應用面的不斷拓寬，激光器的種類也日漸繁多。但廉價、可靠是一類激光器能夠得到普及的前提條件。為了進一步滿足工業(yè)和軍事需求，半導體激光器功率的提高和光束質(zhì)量的改善成為研究的熱點，為此人們嘗試了很多結(jié)構(gòu)，做了很多的努力。改善激光器性能的一個核心問題就是，實現(xiàn)大光場的基模激射。早期研究人員提出了一系列的波導結(jié)構(gòu)，人們在普通三層波導基礎(chǔ)上設(shè)計了諸如極薄的芯層結(jié)構(gòu)、大光腔結(jié)構(gòu)、模式擴展結(jié)構(gòu)、復合波導結(jié)構(gòu)、泄露波導結(jié)構(gòu)等。這些設(shè)計的核心思想都是光場的拓展，它們在一定程度上降低了激光器的橫向發(fā)散角，提高了其輸出功率。但這些結(jié)構(gòu)中光場擴展有限，無法實現(xiàn)10°內(nèi)的遠場發(fā)散角，而在垂直方向引入光子晶體結(jié)構(gòu)則可以實現(xiàn)這一目的。借助光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)，形成對光子態(tài)的調(diào)控，波導中的光子態(tài)就可以由于耦合隧穿效應產(chǎn)生模式擴展，實現(xiàn)小于10°的遠場發(fā)散角，同時基模作為缺陷模式主要是集中在有源區(qū)，保證其有效振蕩及模式增益。在眾多激光器中，脊形波導激光器由于其成本低，制作工藝簡單，可重復性好等優(yōu)點而倍受人們的青睞。這種激光器不僅可以直接應用，而且可以作為其他激光器如全固態(tài)激光器的泵浦光源，因此是目前應用最為廣泛的一種半導體激光器。脊形波導激光器水平方向光場的限制是通過在半導體外延片上刻蝕出脊波導結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。激光器的輸出功率可以通過增加波導寬度來增加，但條寬過寬會導致多模激射，影響光束質(zhì)量。因此，需要合理的調(diào)整脊波導兩側(cè)的折射率差和脊條的寬度來實現(xiàn)單瓣輸出。為了增加模式的穩(wěn)定性可以在脊波導兩側(cè)增加模式擴展區(qū)，一定程度上也可以實現(xiàn)降低水平方向遠場發(fā)散角的目的。

發(fā)明內(nèi)容
為達到上述目的，本發(fā)明提供了 一種水平方向的脊波導結(jié)構(gòu)和垂直方向非對稱的光子晶體結(jié)構(gòu)組合的波導結(jié)構(gòu)，兩者結(jié)合來實現(xiàn)激光器的低發(fā)散角和圓斑輸出。本發(fā)明提供了一種包括水平方向的脊波導結(jié)構(gòu)和垂直方向非對稱的光子晶體波導結(jié)構(gòu)的復合波導裝置，所述垂直方向非對稱的光子晶體結(jié)構(gòu)包括由不同光子晶體構(gòu)成的損耗調(diào)制層和模式擴展層，模式擴展層制作在所述損耗調(diào)制層上方，有源區(qū)勢壘區(qū)的折射率低于光子晶體波導結(jié)構(gòu)的折射率；所述水平方向的脊波導結(jié)構(gòu)包括脊波導和脊波導兩側(cè)的模式擴展區(qū)；其中，所述復合波導結(jié)構(gòu)用于激光器器件，且所述垂直方向的光子晶體結(jié)構(gòu)用于限制垂直方向的光場，所述水平方向的脊波導結(jié)構(gòu)用于限制水平方向的光場，使得激光器在水平和垂直方向同時實現(xiàn)小的遠場發(fā)散角，進而得到圓斑輸出。
本發(fā)明還提出了一種圓斑低發(fā)散角邊發(fā)射光子晶體激光器，其通過水平方向脊波導結(jié)構(gòu)和垂直方向非對稱的光子晶體波導結(jié)構(gòu)對光場的分別限制，實現(xiàn)大小相同的水平和垂直發(fā)散角，使得遠場輸出為圓斑，其包括:襯底；垂直方向非對稱的光子晶體波導結(jié)構(gòu)，其制作在襯底上，用于限制垂直方向上的光場，其包括由不同光子晶體構(gòu)成的損耗調(diào)制層和模式擴展層，損耗調(diào)制層用于增大激光器垂直方向波導內(nèi)部基模與高階模式之間模式損耗的差異；模式擴展層用于實現(xiàn)基模的模式擴展；有源區(qū)，其制作在所述光子晶體波導結(jié)構(gòu)上方；P型區(qū)，其包括上限制層和蓋層，所述上限制層制作在有源區(qū)上方，用于限制光場方向上的泄漏，所述蓋層制作在所述上限制層上方，用于與金屬接觸形成上電極；水平方向的脊波導結(jié)構(gòu)，其通過刻蝕上限制層和蓋層而形成，用于限制水平方向的光場。從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:1、本發(fā)明提供的水平方向P型區(qū)的脊波導結(jié)構(gòu)和垂直方向η型區(qū)的光子晶體結(jié)構(gòu)組合的波導結(jié)構(gòu)，可以對模式光場分布進行調(diào)控，能夠使高階模與基模的光場區(qū)分開來，使基模光場主要限制在有源區(qū)，而使高階模光場擴展到光子晶體區(qū)域，結(jié)合損耗調(diào)制層對高階模式引入的損耗，可以實現(xiàn)基模的選擇。同時結(jié)合水平方向的脊波導調(diào)控，可以實現(xiàn)水平方向低發(fā)散角和圓斑輸出。2、本發(fā)明提供的水平方向的脊波導結(jié)構(gòu)和垂直方向非對稱的光子晶體結(jié)構(gòu)組合的波導結(jié)構(gòu)，能夠有效地將基模的光場局限在寬條注入?yún)^(qū)，不會額外增加基模的損耗，因而不會提聞激射閾值。3、本發(fā)明提供的水平方向的脊波導結(jié)構(gòu)，設(shè)置在激光器的P型區(qū)，兩側(cè)的臺面可以增加模式的穩(wěn)定性，在工藝上與傳統(tǒng)的脊形波導激光器相同，因此具有成熟的工藝，制作上有較高的重復性。


圖1是本發(fā)明中基于由水平方向的脊波導結(jié)構(gòu)和垂直方向非對稱的光子晶體結(jié)構(gòu)組成的復合波導結(jié)構(gòu)的激光器的機構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中沿垂直方向折射率分布、基模的近場和遠場分布示意圖；圖3是本發(fā)明中沿平行方向有源區(qū)處的近場和遠場分布示意圖；圖4是本發(fā)明中激光器的遠場分布示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明提供了一種由水平方向的脊波導結(jié)構(gòu)和垂直方向非對稱的光子晶體波導結(jié)構(gòu)組合而成的復合波導結(jié)構(gòu)，其用于激光器器件，且所述水平方向的脊波導結(jié)構(gòu)用于限制水平方向的廣場，而所述垂直方向的非對稱的光子晶體波導結(jié)構(gòu)用于限制垂直方向的廣場，使得激光器在水平和垂直方向同時實現(xiàn)較小的遠場發(fā)散角，進而得到圓斑輸出。所述垂直方向非對稱的光子晶體波導結(jié)構(gòu)是由不同厚度和折射率的材料周期生長構(gòu)成。激光器的有源區(qū)處于所述光子晶體波導結(jié)構(gòu)上方，即模式擴展層位于所述激光器有源區(qū)的下方，有源區(qū)阱區(qū)或量子點區(qū)域的折射率大于光子晶體區(qū)域的折射率，所用的半導體材料為任意有源高介質(zhì)折射率材料，如II1-V族半導體量子阱或量子點材料，如GaN/AlGaN材料、GaAs/AlGaAs材料、或為InP/InGaAsP材料，I1-VI族半導體材料如ZnO材料等，其模式的波長范圍可覆蓋近紫外到紅外波段。所述水平方向的脊波導結(jié)構(gòu)包括脊波導和脊波導兩側(cè)的模式擴展區(qū)，其制作在激光器的P型區(qū)，通過合理的調(diào)整脊波導兩側(cè)的折射率差和脊條的寬度來使得輸出光場的能量主要集中在中心區(qū)域，便于激光器與其他光學器件之間的耦合。當載流子注入有源區(qū)時發(fā)光，其中脊波導與金屬形成歐姆接觸作為載流子注入?yún)^(qū)，脊波導兩側(cè)可以增加臺面，不與金屬接觸而作為光場調(diào)制區(qū)放置在脊波導的兩側(cè)。如圖1所示，本發(fā)明還公開了一種包括上述波導結(jié)構(gòu)的激光器，其包括:襯底I，其為N型砷化鎵襯底；垂直方向非對稱的光子晶體波導結(jié)構(gòu)，其包括η型光子晶體區(qū)域2，該η型光子晶體區(qū)域制作在砷化鎵襯底I上，在所述激光器的有源區(qū)3的下方。所述η型光子晶體區(qū)域2由損耗調(diào)制層6以及模式擴展層7構(gòu)成，模式擴展層7在損耗調(diào)制層6上方，兩者分別由兩種不同厚度和/或折射率的一維光子晶體或者由相同厚度和/或折射率但摻雜濃度不同的一維光子晶體組合構(gòu)成，兩者的周期數(shù)都可以選為5-10個。在這些層的調(diào)制下，激光器垂直波導內(nèi)的所有模式都實現(xiàn)了擴展，這一點主要是通過層7來實現(xiàn)，但由于不同模式在垂直波導內(nèi)的分布的不同，所受到的模式損耗是不一樣的，高階模式受到的模式損耗更大一些，因此損耗調(diào)制層6的目的就是進一步增大基模和高階模式之間模式損耗的差異，同時在設(shè)計的過程中要保證基模在有源區(qū)內(nèi)的光限制因子是最大的，因而可以實現(xiàn)大面積的基模振蕩，這樣即提高了激光器的最大輸出功率同時又實現(xiàn)了垂直方向低發(fā)散角。有源區(qū)3，其包括量子阱或量子點及其兩側(cè)對稱或不對稱分布的不摻雜的窄波導，勢壘區(qū)的折射率低于光子晶體波導結(jié)構(gòu)的折射率；P型區(qū)，其包括P型上限制層4和P型蓋層5，該上限制層制作在有源區(qū)上，用于限制光場水平方向的泄漏；該蓋層制作在上限制層上，用來與金屬接觸以形成上電極；水平方向上脊波導結(jié)構(gòu)，其包括脊波導8和外加在脊波導8兩側(cè)的模式擴展區(qū)9、10。所述脊波導8作為電流限制區(qū)，制作在激光器的P型區(qū)，由濕法或干法刻蝕P型上限制層4和P型蓋層5得到，其制作所需的刻蝕深度要保證水平脊波導內(nèi)的一階及以上階數(shù)的模式能夠耦合到水平方向上的脊波導結(jié)構(gòu)的脊波導兩側(cè)，同時要保證引入到損耗最小，以保證激光器有較高的斜率效率。所述模式擴展區(qū)9、10由刻蝕得到的臺面結(jié)構(gòu)構(gòu)成，可以設(shè)置在脊波導8的兩側(cè)形成對稱結(jié)構(gòu)，用于高階模式的擴展，增大其損耗，提高基模的穩(wěn)定性。所述模式擴展層7的材料的折射率要低于有源區(qū)阱區(qū)的折射率，以保證模式擴展的同時，模式具有較強的增益；而有源區(qū)勢壘區(qū)的折射率可以低于光子晶體波導結(jié)構(gòu)的折射率。有源區(qū)勢壘區(qū)折射率的降低減弱了有源區(qū)對光場的限制作用，減少了光子晶體所需要的外延光子晶體層數(shù)，使得激光器的厚度降低，同時降低了電阻，減弱了摻雜引起的光損耗。上限制層4的折射率低于η型光子晶體區(qū)域中光子晶體的折射率，形成非對稱波導結(jié)構(gòu)，用于降低光場在P型區(qū)的分布和P型區(qū)的厚度，從而可以降低P型區(qū)空穴對光場的吸收和P型區(qū)的電阻。所述激光器結(jié)構(gòu)由MOCVD或MBE等生長得到。如圖2、3和4所示，垂直方向的基模的近場和遠場分布和沿平行方向有源區(qū)處的近場和遠場分布大小接近，從而保證遠場的圓斑低發(fā)散角輸出；其中，圖2a示出了沿垂直方向折射率分布，圖2b示出了基模的近場分布，圖2c示出了基模的遠場分布；圖3a、3b分別示出了沿平行方向有源區(qū)處的近場分布和遠場分布；圖4示出了激光器的遠場輸出為一圓斑輸出。實施例本發(fā)明一優(yōu)選實例中垂直方向非對稱的光子晶體波導結(jié)構(gòu)中的損耗調(diào)制層6和模式擴展層7選用的都是η型Ala AaAsAla2GaAs,厚度分別為0.1 μ m/0.9 μ m，層6與層7的摻雜濃度不同，層6進行了重摻雜。襯底為N型GaAs，有源區(qū)為3對連續(xù)生長的InGaAs/GaAsP量子阱，GaAsP層的折射率低于Ala2GaAs的折射率，其增益峰在紅外波段1065nm附近。上限制層為P型Al。.3GaAs，厚度為I μ m，蓋層為P型GaAs。脊波導的覽度為4μπι，刻蝕深度到達第一對量子阱。作為模式擴展區(qū)的兩側(cè)臺面與脊波導之間的距離可以根據(jù)光場的分布進行調(diào)節(jié)，使得模式穩(wěn)定的同時，引入的光損耗最少。有源區(qū)勢壘的折射率低于光子晶體區(qū)域的折射率。上限制層折射率低于光子晶體區(qū)域的折射率，構(gòu)成非對稱波導結(jié)構(gòu)如圖2a所示。沿垂直方向光子晶體結(jié)構(gòu)的基模的近遠場分布如圖2b、2c所示。在這種結(jié)構(gòu)中，模式經(jīng)過光子晶體的調(diào)節(jié)后會發(fā)生很大變化。對比基模以及與基模模式折射率最接近的三個模式光限制因子，可以發(fā)現(xiàn)基模的峰值位于有源層，而其他模式都偏出有源層，計算結(jié)果表明這四個模式的光限制因子分別為0.94%,0.15%,0.20%和0.23%，其中基模具有最高的光限制因子。因此，基模將在模式競爭中優(yōu)先激射，這樣便能夠獲得垂直方向低發(fā)散角的光束。圖3a、3b給出了水平方向有源區(qū)處模式的近遠場分布圖，從中可知模式的水平方向和垂直方向發(fā)散角可控制在7.5°以內(nèi)。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種包括水平方向的脊波導結(jié)構(gòu)和垂直方向非對稱的光子晶體波導結(jié)構(gòu)的復合波導裝置，所述垂直方向非對稱的光子晶體結(jié)構(gòu)包括由不同光子晶體構(gòu)成的損耗調(diào)制層和模式擴展層，模式擴展層制作在所述損耗調(diào)制層上方；所述水平方向的脊波導結(jié)構(gòu)包括脊波導和脊波導兩側(cè)的模式擴展區(qū)；其中，所述復合波導結(jié)構(gòu)用于激光器器件，且所述垂直方向的光子晶體結(jié)構(gòu)用于限制垂直方向的光場，所述水平方向的脊波導結(jié)構(gòu)用于限制水平方向的光場，使得激光器在水平和垂直方向同時實現(xiàn)小的遠場發(fā)散角，進而得到圓斑輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的復合波導裝置，其特征在于，所述損耗調(diào)制層位于所述激光器的襯底上，而所述模式擴展層位于所述激光器的有源區(qū)下方。
3.如權(quán)利要求1所述的復合波導裝置，其特征在于，所述損耗調(diào)制層和模式擴展層分別由兩種不同厚度和/或折射率的光子晶體周期組合構(gòu)成，或者由兩種相同厚度和/或折射率的光子晶體但摻雜濃度不同的光子晶體周期組合構(gòu)成，所述模式擴展層用于激光器垂直波導內(nèi)所有模式的擴展，所述損耗調(diào)制層用于增大基模與高階模式之間模式損耗的差巳
4.如權(quán)利要求1所述的復合波導結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述脊波導為電流限制區(qū)，其制作在所述激光器的P型區(qū)。
5.如權(quán)利要求4所述的復合波導裝置，其特征在于，所述P型區(qū)包括上限制層和蓋層，所述上限制層位于所述激光器的有源區(qū)上方，所述脊波導通過刻蝕所述上限制層和蓋層得至IJ，所述模式擴展區(qū)為設(shè)置在脊波導兩側(cè)的對稱臺面結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求2所述的復合波導裝置，其特征在于，所述模式擴展層的折射率低于所述有源區(qū)阱區(qū)的折射率；而有源區(qū)勢壘區(qū)的折射率低于光子晶體波導結(jié)構(gòu)的折射率。
7.如權(quán)利要求1所述的復合波導裝置，其特征在于，所述上限制層折射率低于光子晶體波導結(jié)構(gòu)的折射率。
8.如權(quán)利要求1所述的復合波導裝置，其特征在于，通過調(diào)整所述水平方向的脊波導結(jié)構(gòu)兩側(cè)的折射率差和脊條的寬度，使得激光器的輸出光場的能量集中在中心區(qū)域。
9.一種圓斑低發(fā)散角邊發(fā)射光子晶體激光器，其通過水平方向脊波導結(jié)構(gòu)和垂直方向非對稱的光子晶體波導結(jié)構(gòu)對光場的分別限制，實現(xiàn)大小相同的水平和垂直發(fā)散角，使得遠場輸出為圓斑，其包括: 襯底； 垂直方向非對稱的光子晶體波導結(jié)構(gòu)，其制作在襯底上，用于限制垂直方向上的光場，其包括由不同光子晶體構(gòu)成的損耗調(diào)制層和模式擴展層，損耗調(diào)制層用于增大激光器垂直方向波導內(nèi)部基模與高階模式之間模式損耗的差異；模式擴展層用于實現(xiàn)基模的模式擴展； 有源區(qū)，其制作在所述光子晶體波導結(jié)構(gòu)上方； P型區(qū)，其包括上限制層和蓋層，所述上限制層制作在有源區(qū)上方，用于限制光場方向上的泄漏，所述蓋層制作在所述上限制層上方，用于與金屬接觸形成上電極； 水平方向的脊波導結(jié)構(gòu)，其通過刻蝕上限制層和蓋層而形成，用于限制水平方向的光場。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于改善邊發(fā)射激光器二維遠場形貌的光子晶體復合波導裝置，該結(jié)構(gòu)由平行于異質(zhì)節(jié)方向的脊波導結(jié)構(gòu)和垂直于異質(zhì)節(jié)方向非對稱的光子晶體結(jié)構(gòu)組合構(gòu)成，兩者結(jié)合來實現(xiàn)激光器的低發(fā)散角和圓斑輸出。垂直方向結(jié)構(gòu)從下至上依次為n型襯底、n型光子晶體波導、有源層、p型限制層和p型蓋層，所述n型光子晶體波導由高、低折射率的材料交替生長形成?；诠庾泳w對光子態(tài)的調(diào)控作用，使得不同的模式場具有不同的光場分布，并且具有空間上的可區(qū)分性，使得低階模的模式增益最大，從而實現(xiàn)低階模的穩(wěn)定激射。
文檔編號H01S5/22GK103166108SQ20131008228
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月15日
發(fā)明者鄭婉華, 張建心, 劉磊, 渠紅偉, 張斯日古楞, 王海玲 申請人:中國科學院半導體研究所