單模光子晶體邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的制造方法
【專利摘要】一種單模光子晶體邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，包括一疊層結(jié)構(gòu)，所述疊層結(jié)構(gòu)包括：一下電極；一N型襯底制作在該下電極上；一N型限制層制作在該N型襯底上；一有源層制作在該N型限制層上；一P型限制層，其中間為沿縱向凸起的三段式波導(dǎo)，該三段式波導(dǎo)的兩側(cè)為相對(duì)的錐形波導(dǎo)，之間為光子晶體波導(dǎo)，其制作在該有源層之上；一P型蓋層，其制作在該P(yáng)型限制層上的三段式波導(dǎo)的上面；一SiO2絕緣層，其制作在P型限制層上的三段式波導(dǎo)的側(cè)壁上，并覆蓋P型限制層的上面，形成基片；以及一上電極，其制作在基片除了側(cè)壁的上面。本發(fā)明通過光子晶體波導(dǎo)選擇激光器的縱模和側(cè)模，并利用對(duì)稱雙錐形結(jié)構(gòu)放大激光功率，實(shí)現(xiàn)高功率、單模、低水平發(fā)散角激光輸出的目的。
【專利說明】單模光子晶體邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種單模光子晶體邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)化效率較高，具有覆蓋波段范圍廣、壽命長(zhǎng)、能直接調(diào)制、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。其中，邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器陣列在高效率、大功率激光輸出方面有著極大的優(yōu)勢(shì)，室溫下單個(gè)激光器巴條連續(xù)輸出功率已超過百瓦，激光器堆疊輸出功率也超過了千瓦。但是它也存在一些問題，其中主要的兩個(gè)表現(xiàn)為光譜特性差和水平(平行于Pn結(jié)平面)方向遠(yuǎn)場(chǎng)性能差。光譜不佳主要表現(xiàn)為腔內(nèi)多個(gè)縱模并存，模式競(jìng)爭(zhēng)激烈，隨注入電流而變化以及光譜線寬較寬。水平遠(yuǎn)場(chǎng)不佳主要是因?yàn)楦唠A側(cè)模激射而導(dǎo)致遠(yuǎn)場(chǎng)雙瓣分布，發(fā)散角大，輸出激光亮度低。這些問題使半導(dǎo)體激光器在單色性、平行性兩方面遜于其他類型激光器，極大地限制了半導(dǎo)體激光器在很多領(lǐng)域的直接應(yīng)用。
[0003]傳統(tǒng)解決半導(dǎo)體激光器多縱模問題的方法主要是在腔內(nèi)制作分布反射光柵或分布反饋光柵，這些激光器制作上通常需要二次外延技術(shù)且引入的光損耗較大，輸出功率不高(一般為幾十個(gè)毫瓦)。國(guó)際上也有研究人員提出表面光柵結(jié)構(gòu)來降低成本，提高輸出功率，但也面臨著電子束曝光、步進(jìn)光刻等昂貴的制作工藝。既產(chǎn)生高功率、單縱模激光輸出，又兼容低成本制作工藝的新型結(jié)構(gòu)還沒有被提出。另外，半導(dǎo)體激光器的水平遠(yuǎn)場(chǎng)雙瓣現(xiàn)象來源于器件內(nèi)部的側(cè)模競(jìng)爭(zhēng)。要獲得大功率必須要采用寬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而寬的波導(dǎo)又不可避免地產(chǎn)生多個(gè)側(cè)模，加劇側(cè)模競(jìng)爭(zhēng)，使遠(yuǎn)場(chǎng)角增大，并隨電流而變化較大。因此，在半導(dǎo)體激光器中一直存在著提高功率與改善縱模特性、水平遠(yuǎn)場(chǎng)特性之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)一種兼具有高功率、單模、低水平發(fā)散角以及低成本、高集成度的半導(dǎo)體激光器，是大家目前努力的重要方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種單模光子晶體邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，通過光子晶體波導(dǎo)選擇激光器的縱模和側(cè)模，并利用對(duì)稱雙錐形結(jié)構(gòu)放大激光功率，實(shí)現(xiàn)高功率、單模、低水平發(fā)散角激光輸出的目的。
[0005]本發(fā)明提供一種單模光子晶體邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，包括一疊層結(jié)構(gòu)，所述疊層結(jié)構(gòu)包括:
[0006]一下電極；
[0007]一 N型襯底，其制作在該下電極之上；
[0008]一 N型限制層，其制作在該N型襯底之上；
[0009]一有源層，其制作在該N型限制層之上；
[0010]一 P型限制層，該P(yáng)型限制層的中間為沿縱向凸起的三段式波導(dǎo)，該三段式波導(dǎo)的兩側(cè)為相對(duì)的錐形波導(dǎo)，之間為光子晶體波導(dǎo)，該P(yáng)型限制層制作在該有源層之上；[0011]一 P型蓋層，其制作在該P(yáng)型限制層上的三段式波導(dǎo)的上面；
[0012]一 SiO2絕緣層，其制作在P型限制層上的三段式波導(dǎo)的側(cè)壁上，并覆蓋P型限制層的上面，形成基片；以及
[0013]一上電極，其制作在基片除了側(cè)壁的上面。
[0014]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0015]1、本發(fā)明提供的這一種單模光子晶體邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，利用側(cè)向耦合的光子晶體波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)基側(cè)模和單縱模，既同時(shí)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)維度上的模式選擇，又避免了光子晶體的引入對(duì)模式產(chǎn)生的過大損耗。另外，采用對(duì)稱的錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)光放大，提高激光輸出功率。
[0016]2、本發(fā)明提供的這一種單模光子晶體邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，結(jié)構(gòu)緊湊，與普通光亥|J、刻蝕工藝兼容，易于集成，可產(chǎn)生穩(wěn)定的高亮度、單模半導(dǎo)體激光。
[0017]總之，本發(fā)明提供的這一種單模光子晶體邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，具有直接輸出高亮度單模低水平發(fā)散角激光的優(yōu)點(diǎn)，且制工藝簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，成本低，在光纖通信、泵浦固態(tài)激光器、材料加工以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，其中:
[0019]圖1為本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的光子晶體波導(dǎo)對(duì)腔內(nèi)激光的振幅反射譜圖；
[0021]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的輸出激光的水平近場(chǎng)模擬圖；
[0022]圖4為本發(fā)明實(shí)施例的輸出激光的水平遠(yuǎn)場(chǎng)模擬圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種單模光子晶體邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，包括一疊層結(jié)構(gòu)，所述疊層結(jié)構(gòu)包括:
[0024]一下電極 101;
[0025]一 N型襯底102，其制作在該下電極101之上；
[0026]一 N型限制層103，其制作在該N型襯底102之上；
[0027]—有源層104，其制作在該N型限制層103之上，所述有源層104采用的結(jié)構(gòu)為量子阱、量子線或量子點(diǎn)，采用的材料為II1-V族半導(dǎo)體材料或I1-VI族半導(dǎo)體材料，增益譜峰值波長(zhǎng)范圍覆蓋近紫外到紅外波段；
[0028]一 P型限制層105，該P(yáng)型限制層105的中間為沿縱向凸起的三段式波導(dǎo)，該三段式波導(dǎo)的兩側(cè)為對(duì)稱的錐形波導(dǎo)201，之間為光子晶體波導(dǎo)202，該P(yáng)型限制層105制作在該有源層104之上。該錐形波導(dǎo)201的寬度變化可以為任意形式，包括線性形式和拋物線形式。該光子晶體波導(dǎo)202為一維光子晶體波導(dǎo)或二維光子晶體波導(dǎo)，該光子晶體波導(dǎo)202的兩側(cè)是對(duì)稱分布的由刻蝕形成的周期或準(zhǔn)周期的空氣孔陣列203，中間未被刻蝕的區(qū)域?yàn)榫€缺陷204。所述P型限制層105中間凸起的三段式波導(dǎo)中兩側(cè)的錐形波導(dǎo)201為模式放大區(qū)，之間的光子晶體波導(dǎo)202為模式選擇區(qū)；[0029]一 P型蓋層106，其制作在該P(yáng)型限制層105上的三段式波導(dǎo)的上面；
[0030]一 SiO2絕緣層107，其制作在P型限制層105上的三段式波導(dǎo)的側(cè)壁上，并覆蓋P型限制層105的上面，形成基片；以及
[0031]一上電極108，其制作在基片除了側(cè)壁的上面。
[0032]所述空氣孔陣列203為周期性的陣列時(shí)，其周期a需滿足如下關(guān)系:2a =N.λ ^neff,其中N為正整數(shù)，λ為激光器激射波長(zhǎng)，neff為光在光子晶體波導(dǎo)202中的有效折射率。
[0033]所述空氣孔陣列203的寬度應(yīng)盡可能寬，從而與高階側(cè)模有更多的交疊，達(dá)到更好的濾除側(cè)模的效果。
[0034]所述線缺陷204的寬度在制作工藝滿足的情況下應(yīng)該盡可能地窄，以減少光子晶體波導(dǎo)中存在的側(cè)模數(shù)目。
[0035]所述錐形波導(dǎo)201的寬端口寬度的增大可以提高激光器最高輸出功率，而小的錐形角可以減小光在錐形波導(dǎo)201和光子晶體波導(dǎo)202之間耦合時(shí)的損耗，因此為了獲得大的輸出功率和小的光損耗，可以增加錐形波導(dǎo)201的長(zhǎng)度。
[0036]以下結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的一種單模光子晶體邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0037]實(shí)施例
[0038]圖1為單模光子晶體邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的一個(gè)實(shí)施例的三維結(jié)構(gòu)示意圖。該半導(dǎo)體激光器激射波長(zhǎng)為913nm，器件總長(zhǎng)度為1300 μ m。其中，模式選擇區(qū)長(zhǎng)度為300 μ m，兩個(gè)對(duì)稱分布的模式放大區(qū)長(zhǎng)度各為500 μ m。模式選擇區(qū)中，光子晶體波導(dǎo)202中左右兩側(cè)空氣孔陣列203寬度均為27.5 μ m，周`期和占空比分別為3.05 μ m和0.5，線缺陷204寬度為5ym0模式放大區(qū)中，單個(gè)錐形波導(dǎo)201的寬度從窄端口的5 μ m線性增加到寬端口 60 μ m。P型限制層105的中間凸起的三段式波導(dǎo)以及空氣孔陣列203的刻蝕深度均為1.1 μ m。
[0039]圖2為該實(shí)施例的光子晶體對(duì)腔內(nèi)激光的振幅反射譜。反射譜的峰值波長(zhǎng)為912.97nm，與激射波長(zhǎng)913吻合。最高反射率約為0.77，反射帶寬約為0.6nm。其中0.77的最高振幅反射率已經(jīng)足以和其他結(jié)構(gòu)如分布反饋光柵的反射率相比擬，足以選擇縱向模式，實(shí)現(xiàn)單縱模輸出。
[0040]圖3為該實(shí)施例的輸出激光的水平近場(chǎng)模擬圖。從圖中可以看到，腔面輸出的近場(chǎng)是由一個(gè)主瓣和多個(gè)對(duì)稱分布的小的側(cè)瓣組成的，基側(cè)模所占的能量比例很大。主瓣的寬度約為16 μ m，主瓣兩側(cè)一直到波導(dǎo)邊界為一些稍小幅度的振蕩，這些振蕩是由于光在錐形波導(dǎo)201中傳輸時(shí)受到波導(dǎo)側(cè)壁的側(cè)向限制和反射而產(chǎn)生的。在波導(dǎo)邊界以外仍然存在一些更小幅度的振蕩，這些是由于光在錐形波導(dǎo)201和光子晶體波導(dǎo)202之間耦合時(shí)被波導(dǎo)側(cè)壁以及空氣孔散射而產(chǎn)生的。這些小幅度的振蕩對(duì)器件性能的影響較小。
[0041]圖4為該實(shí)施例的輸出激光的水平遠(yuǎn)場(chǎng)模擬圖。模擬得到的遠(yuǎn)場(chǎng)分布為單瓣分布，發(fā)散角的半高全寬值約為4度。相比于傳統(tǒng)錐形波導(dǎo)激光器由于象散而產(chǎn)生的大發(fā)散角(十度以上)且多瓣的遠(yuǎn)場(chǎng)分布，本發(fā)明在遠(yuǎn)場(chǎng)性能方面已實(shí)現(xiàn)不小的改善，對(duì)提高光纖耦合效率等有很大的幫助。
[0042]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)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(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種單模光子晶體邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器,包括一疊層結(jié)構(gòu),所述疊層結(jié)構(gòu)包括: 一下電極； 一 N型襯底，其制作在該下電極之上； 一 N型限制層，其制作在該N型襯底之上； 一有源層，其制作在該N型限制層之上； 一 P型限制層，該P(yáng)型限制層的中間為沿縱向凸起的三段式波導(dǎo)，該三段式波導(dǎo)的兩側(cè)為相對(duì)的錐形波導(dǎo)，之間為光子晶體波導(dǎo)，該P(yáng)型限制層制作在該有源層之上； 一 P型蓋層，其制作在該P(yáng)型限制層上的三段式波導(dǎo)的上面； 一 SiO2絕緣層，其制作在P型限制層上的三段式波導(dǎo)的側(cè)壁上，并覆蓋P型限制層的上面，形成基片；以及 一上電極，其制作在基片除了側(cè)壁的上面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模光子晶體邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中錐形波導(dǎo)的寬度變化為任意形式，包括線性形式和拋物線形式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模光子晶體邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中該光子晶體波導(dǎo)為一維光子晶體波導(dǎo)或二維光子晶體波導(dǎo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模光子晶體邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中該光子晶體波導(dǎo)的兩側(cè)是對(duì)稱分布的由刻蝕形成的周期或準(zhǔn)周期的空氣孔陣列，中間未被刻蝕的區(qū)域?yàn)榫€缺陷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模光子晶體邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中P型限制層中間凸起的三段式波導(dǎo)中兩側(cè)的錐形波導(dǎo)為模式放大區(qū)，之間的光子晶體波導(dǎo)為模式選擇區(qū)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模光子晶體邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述有源層采用的結(jié)構(gòu)為量子阱、量子線或量子點(diǎn)，采用的材料為II1-V族半導(dǎo)體材料或I1-VI族半導(dǎo)體材料，增益譜峰值波長(zhǎng)范圍覆蓋近紫外到紅外波段。
【文檔編號(hào)】H01S5/065GK103825194SQ201410083323
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月7日
【發(fā)明者】鄭婉華, 劉磊, 劉云, 渠紅偉, 張冶金, 郭文華, 石巖 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所