本發(fā)明屬于光通信器件技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種高階表面光柵面發(fā)射半導(dǎo)體激光器。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體激光器通常被用在用于電信和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)收發(fā)器中?，F(xiàn)在光通信領(lǐng)域普遍使用的激光器是邊發(fā)射激光器。邊發(fā)射激光器是指激光器的出光方向平行于有源層(半導(dǎo)體激光器的一個(gè)特征層)，即在水平方向上，由端面出光。邊發(fā)射激光器的光束發(fā)散角大，光斑通常為橢圓形，與光纖的耦合效率低，通常需要透鏡或其他分立光學(xué)元件耦合到光纖，而且在測試時(shí)需要解理成bar條，測試成本高。與邊發(fā)射激光器不同的另一種類型的激光器是面發(fā)射激光器。面發(fā)射激光器的出光方向垂直于激光器的有源層，在垂直方向上出光，即由表面出光。面發(fā)射激光器具有光束發(fā)散角小，圓形光斑出射，與光纖耦合效率高等優(yōu)點(diǎn)，且能直接在晶圓片上完成測試，降低了制造成本，改善了激光器性能。此外，近年來光子芯片技術(shù)迅猛發(fā)展，面發(fā)射激光器十分適合形成二維激光器陣列及在光子芯片中使用。光子芯片時(shí)代即將來臨，因此面發(fā)射激光器的開發(fā)與研制具有十分重大的意義。

面發(fā)射激光器主要有兩種，一種是垂直腔面發(fā)射激光器，簡稱為VCSEL，另一種是光柵耦合表面發(fā)射激光器，簡稱為GSE-DFB。VCSEL由于材料上的限制，目前看來無法在光通信波長：1310nm與1550nm波段處使用。因此在光通信領(lǐng)域，最主要的面發(fā)射激光器是光柵耦合表面發(fā)射激光器。光柵耦合表面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)一般是基于傳統(tǒng)的DFB激光器結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的DFB激光器實(shí)現(xiàn)高性能發(fā)光的核心是其具有一段布拉格反饋光柵，這段光柵會(huì)單獨(dú)構(gòu)成DFB激光器中的一個(gè)層，稱為光柵層。布拉格光柵的光柵周期與激光器的工作波長之間滿足布拉格方程，光柵周期為布拉格光柵周期N倍的光柵稱為N階光柵。光柵耦合表面發(fā)射激光器正是通過在DFB激光器中引入N階光柵的方法來實(shí)現(xiàn)表面發(fā)射。傳統(tǒng)的光柵耦合表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器通常采用的是二階光柵來實(shí)現(xiàn)表面發(fā)射。對應(yīng)于1550nm光通信波段的光柵耦合表面發(fā)射激光器，二階光柵的周期在480nm左右。光柵周期小于500nm的光柵，目前在制作上比較困難，成本高昂且效率低下，對制作技術(shù)要求極高，不適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。因此制作上的困難限制了二階光柵耦合表面發(fā)射激光器的大規(guī)模應(yīng)用。這同時(shí)也限制了光柵耦合表面發(fā)射激光器的商業(yè)化進(jìn)程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種高階表面光柵面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，旨在解決現(xiàn)有光柵耦合表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器由于光柵周期短，光柵的刻蝕深度受到較大限制，不利于提高激光器的輸出功率的問題。

本發(fā)明提供了一種高階表面光柵面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，包括：依次設(shè)置的表面金屬電極層，脊波導(dǎo)層，p型摻雜包層，光柵層，p型摻雜光限制層，量子阱或量子點(diǎn)有源區(qū)，n型摻雜光限制層和襯底層；在所述光柵層分布有用于實(shí)現(xiàn)激光器的諧振和單模激射的一階光柵；在所述一階光柵上方分布有用于將沿著水平方向諧振的光能量耦合到垂直方向上輸出的高階表面光柵；水平方向是指激光器的光諧振方向，垂直方向是指與水平方向垂直的方向；諧振腔是指光波在其中來回反射從而提供光能反饋的腔，是激光器的必要組成部分，通常由工作介質(zhì)和兩端面反射鏡構(gòu)成。

本發(fā)明中，激光器包含兩段光柵，一階光柵和高階表面光柵，所述一階光柵位于光柵層，實(shí)現(xiàn)激光器單模選擇和光反饋，保證激光器穩(wěn)定單模激射并具有超過30dB的邊模抑制比。所述高階表面光柵位于一階光柵上方，將沿著水平(諧振腔)方向傳輸?shù)募す馄鞯膶?dǎo)模耦合輸出，實(shí)現(xiàn)表面發(fā)射。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)激光器結(jié)構(gòu)并在高階表面光柵中央引入相移可以使這種激光器具有與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖超過50％的耦合效率，低至11mA的閾值電流等。

更進(jìn)一步地，高階表面光柵的長度為9微米～500微米。

更進(jìn)一步地，一階光柵的周期為200nm～280nm，所述一階光柵的占空比為50％，所述一階光柵的深度為35nm～40nm。

更進(jìn)一步地，高階表面光柵的周期為1μm～5μm，所述高階表面光柵的占空比為30％～70％，所述高階表面光柵的深度為0.1μm～3μm。

更進(jìn)一步地，高階表面光柵為6階。

更進(jìn)一步地，諧振腔的腔長為300μm～500μm，端面功率反射率為3％～5％。

更進(jìn)一步地，在一階光柵層的頂部與高階表面光柵的底部之間設(shè)置有用于保護(hù)一階光柵的緩沖層。

更進(jìn)一步地，在高階表面光柵的中央設(shè)置一段相移區(qū)，所述相移區(qū)用于使得高階表面光柵面發(fā)射激光器與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖具有超過50％的耦合效率。

本發(fā)明所構(gòu)思的設(shè)計(jì)方案，與現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案相比，具備以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)高階表面光柵的制作不需要EBL技術(shù)，可以利用普通的光學(xué)光刻技術(shù)，納米壓印技術(shù)等進(jìn)行大規(guī)模的制作，制作難度和要求大大降低，成本更低，而且制作效率高，適于大規(guī)模制作，符合工業(yè)化生產(chǎn)要求。

(2)光柵的刻蝕深度受到光柵周期限制，隨著光柵周期的增加，光柵的最大刻蝕深度也會(huì)增加，如6階光柵的周期增大為一階光柵周期的6倍。所以高階表面光柵適于進(jìn)行深刻蝕。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可以利用深刻蝕來改善光柵的輻射特性，增加輻射功率等。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的高階表面光柵面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的激光器的截面示意圖；

圖3為激光器在不同光柵階數(shù)及光柵占空比時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的耦合效率變化曲線；

圖4為激光器在高階表面光柵為6階光柵，光柵占空比為0.5，激光器長度為500微米，端面功率反射率為3％條件下仿真得到的光譜。其邊模抑制比大于30dB，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明屬于面發(fā)射分布反饋半導(dǎo)體激光器(SE-DFB)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明解決了現(xiàn)有光柵耦合表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器由于設(shè)計(jì)造成的制作困難，不利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的缺點(diǎn)?，F(xiàn)有的光柵耦合型面發(fā)射激光器普遍采用二階光柵。對應(yīng)于1.55微米通信波段的二階光柵，其光柵周期通常小于500nm，這就造成現(xiàn)有光柵耦合型面發(fā)射激光器成本高昂，制作難度大，不適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)等問題，而且由于光柵周期短，光柵的刻蝕深度就受到較大限制，不利于提高激光器的輸出功率。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種利用高階表面光柵實(shí)現(xiàn)表面發(fā)射的光柵耦合型面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，激光器包括兩段光柵，分布于光柵層的，實(shí)現(xiàn)激光器選模和光反饋的一階光柵，它保證了激光器的優(yōu)良性能，如單模輸出并具有超過30dB的邊模抑制比等；位于光柵層上方，分布于激光器諧振腔中央(9-100)微米窗口內(nèi)的高階表面光柵。高階表面光柵能夠?qū)崿F(xiàn)表面輸出，高階表面光柵優(yōu)選為6階。

利用數(shù)值仿真方法對激光器進(jìn)行建模(時(shí)域行波模型與格林函數(shù)法模型)，計(jì)算出在給定激光器結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下的激光器輸出特性。以提高激光器的輸出光與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的耦合效率，提高激光器電流功率曲線斜效率，降低激光器閾值電流，增大激光器邊模抑制比等為目的，優(yōu)化設(shè)計(jì)激光器結(jié)構(gòu)參數(shù)，如高階表面光柵的階數(shù)，占空比，刻蝕深度，激光器的端面反射率，激光器諧振腔長度，采用遮擋法在高階表面光柵中央引入的相移區(qū)的長度，高階表面光柵的刻蝕位置等，實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明激光器圓形光斑輸出，具有與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖超過50％的耦合效率，邊模抑制比大于30dB，閾值電流低至11mA，電流功率曲線斜效率達(dá)到0.2mW/mA。

在本發(fā)明實(shí)施例中，一階光柵周期為200nm～280nm，光柵占空比為50％，光柵深度為35nm～40nm。一階光柵主要的作用是提供光反饋和光耦合，本發(fā)明選擇一階光柵的占空比為50％有利于獲得最優(yōu)的光耦合效果。耦合因子與光柵的深度有關(guān)，過小的耦合因子會(huì)增大激光器閾值電流，甚至不能使激光器激射，過大的耦合因子會(huì)導(dǎo)致較強(qiáng)的空間燒孔現(xiàn)象，使激光器出現(xiàn)多個(gè)模式，綜合考慮這兩個(gè)方面，并結(jié)合仿真結(jié)果分析，我們最終確定激光器的耦合因子為100/cm～120/cm最優(yōu)，相應(yīng)的確定光柵深度為35nm左右。

在本發(fā)明實(shí)施例中，高階表面光柵周期為1μm～5μm，光柵占空比為30％～70％，光柵深度為0.1μm～3μm。這個(gè)光柵周期范圍內(nèi)的光柵對應(yīng)的光柵周期為6～20階。經(jīng)過仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)光柵周期過大會(huì)使激光器的出光效果不好，與單模光纖的耦合效率極低，而且光束發(fā)散角大，因此為了得到良好的激光器性能，使用的高階表面光柵階數(shù)不超過21階。而如果高階表面光柵的周期太小，就會(huì)由于這種設(shè)計(jì)而造成激光器制作困難，與設(shè)計(jì)初衷違背，因此選擇光柵周期在這個(gè)范圍內(nèi)。光柵占空比在50％附近時(shí)有利于提高出光功率，結(jié)合實(shí)際制作中的工藝誤差與仿真中能得到較好出光性能的光柵占空比值，將光柵占空比最終確定于這個(gè)范圍內(nèi)。光柵的刻蝕深度受到光柵周期的限制，從理論上說光柵的刻蝕深度約深，光輻射能力越強(qiáng)，因此在利用高階表面光柵時(shí)，將光柵的深度選的比較大，這樣有利于輻射光能。綜合考慮光柵周期的限制和輻射光能的要求，將光柵深度的取值選擇在這個(gè)范圍內(nèi)。

在本發(fā)明實(shí)施例中，激光器諧振腔長為300μm～500μm，端面功率反射率為3％～5％?，F(xiàn)在商業(yè)化的激光器的諧振腔長為300μm。由于設(shè)計(jì)的是面發(fā)射型激光器，增加諧振腔長度有利于改善出光性能，提高出光功率，仿真結(jié)果表明激光器諧振腔長度為500μm時(shí)能獲得最優(yōu)出光性能，因此我們將諧振腔長度選擇在這個(gè)范圍內(nèi)，其中500μm是我們的最優(yōu)選擇諧振腔長度。在激光器存在端面反射率時(shí)，會(huì)帶來端面隨機(jī)相位。而現(xiàn)有DFB激光器的端面隨機(jī)相位將其成品率降低了50％。為了克服端面隨機(jī)相位的影響，我們選擇激光器自然解理，此時(shí)其端面反射率在3％～5％。

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

圖1所示為本發(fā)明提出的高階表面光柵面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖，最上方為耦合光纖，高階表面光柵面發(fā)射半導(dǎo)體激光器由許多具有不同功能的材料層(不同層的材料的組分不同，折射率也相應(yīng)不同)構(gòu)成。圖2所示為激光器的截面示意圖，圖中z方向?yàn)榧す馄鞯目v向方向，x方向?yàn)榧す馄鞯拇怪狈较?這里主要示意了高階光柵所在的位置，激光器的端面沒有畫出)。從上到下依次為表面金屬電極層1，脊波導(dǎo)層2，p型摻雜包層3，光柵層4，p型摻雜光限制層5，量子阱或量子點(diǎn)有源區(qū)6，n型摻雜光限制層7，襯底層8。襯底是外延生長激光器的基片。量子阱或量子點(diǎn)有源區(qū)是載流子復(fù)合產(chǎn)生激光的層，而位于其上下方的光限制層則用于在垂直方向上限制激光，防止有源區(qū)產(chǎn)生的激光泄漏出激光器，光限制層大大提高了激光器的出光效率。光柵層提供光學(xué)反饋和頻率選擇作用，用于實(shí)現(xiàn)激光器單模輸出。包層是用于保護(hù)光柵層。脊波導(dǎo)層則用于在激光器的垂直于激光器諧振腔的截面上限制激光。表面金屬電極則用于外部電流的注入(激光器需要加電流才能工作)；這里的光柵層分布的是一階光柵，用以實(shí)現(xiàn)激光器的諧振和單模激射。水平方向是激光器的光諧振方向。圖示最左側(cè)為其端面，左右端面均對光有反射，兩端端面與器件工作物質(zhì)共同構(gòu)成激光器的諧振腔(光波在其中來回反射從而提供光能反饋的腔，激光器的必要組成部分，通常由工作物質(zhì)和反射端面組成)。在光柵層之上，分布有一段長度為(9-100)微米的高階表面光柵，優(yōu)選為六階表面光柵。這一段光柵用于將一部分沿著激光器諧振腔方向(水平方向)諧振的光能量耦合到垂直方向上輸出，即實(shí)現(xiàn)表面激光出射。

在高階表面光柵的中央設(shè)置一段相移區(qū)，所述相移區(qū)用于使得高階表面光柵面發(fā)射激光器與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖具有超過50％的耦合效率。

為了更進(jìn)一步的說明本發(fā)明實(shí)施例提供的高階表面光柵面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，現(xiàn)簡要介紹光柵耦合表面發(fā)射激光器的工作原理如下：

載流子通過金屬電極注入激光器中，聚集到激光器有源層，在有源層中與空穴復(fù)合產(chǎn)生激光，激光受到限制層的限制在激光器諧振腔內(nèi)來回傳播，通過位于光柵層的分布于整個(gè)諧振腔的一階光柵的光反饋和選模作用，最終在激光器諧振腔內(nèi)形成穩(wěn)定的沿正向傳播和反向傳播的行波模式，即諧振光，其波長一定(取決于布拉格波長和激光器工作條件)，與布拉格波長之間通常會(huì)存在一定失諧(與電流注入條件有關(guān))，在激光器諧振腔內(nèi)傳播的行波模式通過位于光柵層上方的，激光器諧振腔中央的一段高階表面光柵時(shí)，由于高階表面光柵具有輻射性質(zhì)，會(huì)將一部分的行波模耦合進(jìn)入輻射模中，形成表面輸出，其輸出強(qiáng)度與激光器結(jié)構(gòu)參數(shù)及高階表面光柵參數(shù)等有關(guān)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使輻射模成為單峰圓形光斑輸出，具有高的與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的耦合效率。

本發(fā)明實(shí)施例中，激光器選擇的材料為Ⅲ-Ⅴ族材料，激光器出射的中心波長選擇在1550nm，激光器各層的厚度為典型值。激光器長度優(yōu)選為500微米，端面功率反射率優(yōu)選為3％。位于光柵層的一階光柵的周期優(yōu)選為240nm，占空比優(yōu)選為0.5，光柵刻蝕深度優(yōu)選為35nm。高階表面光柵周期優(yōu)選為1440nm，占空比優(yōu)選為0.5，光柵刻蝕深度優(yōu)選為2.1μm。高階表面光柵中央為一段π的相移區(qū)。

本發(fā)明實(shí)施例中，激光器的腔長，端面反射率，一階光柵的刻蝕深度，高階表面光柵的周期，占空比，刻蝕深度等均為仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)得來。仿真高階表面光柵耦合面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的模型為時(shí)域動(dòng)態(tài)行波模型和格林函數(shù)法。采用的數(shù)值算法為分步時(shí)域有限差分算法。

如圖3所示為在不同光柵階數(shù)及光柵占空比條件下計(jì)算得到的與單模光纖的耦合效率曲線?？芍?階光柵，占空比為0.5時(shí)具有最大的與單模光纖的耦合效率。納米壓印光刻技術(shù)的制作精度大約在500nm左右，可以用來制作6階光柵。通過傳統(tǒng)的制作邊發(fā)射DFB激光器的技術(shù)與納米壓印制作表面高階表面光柵的技術(shù)相結(jié)合，來完成高階表面光柵面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的實(shí)驗(yàn)制作。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。