基于模式增益損耗調(diào)控的高亮度半導(dǎo)體激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于模式增益損耗調(diào)控的高亮度半導(dǎo)體激光器，屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體激光器在栗浦、材料加工、醫(yī)療及國防等許多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用，近幾年來，迅速增長(zhǎng)的市場(chǎng)對(duì)半導(dǎo)體激光器的亮度要求也越來越高，即高輸出功率和高光束質(zhì)量的激光輸出。傳統(tǒng)的寬區(qū)半導(dǎo)體激光器雖然具有高功率、高效率的優(yōu)點(diǎn)，但其側(cè)向模式易受局域增益和折射率變化的影響，如載流子反導(dǎo)引、空間燒孔、光絲效應(yīng)及熱等，通常工作在復(fù)雜的多模模式，直接導(dǎo)致器件輸出發(fā)散角大、光束質(zhì)量差，激光器亮度很低。采用窄的脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)單側(cè)模工作，具有高的光束質(zhì)量，但其輸出功率又受到小輸出口徑的限制，亮度也不高。為實(shí)現(xiàn)高亮度激光輸出，半導(dǎo)體激光器需要獲得高功率、高光束質(zhì)量激光輸出，通常是在激光器側(cè)向引入選模設(shè)計(jì)來降低側(cè)向模式數(shù)，常用的方法有種子振蕩功率放大器(MOPA)結(jié)構(gòu)、錐形激光器、傾斜光柵分布反饋(α-DFB)激光器、外腔激光器、平板耦合波導(dǎo)激光器(SCOWL)以及光子晶體激光器等結(jié)構(gòu)。MOPA結(jié)構(gòu)是將一低功率的單模激光注入到半導(dǎo)體放大器中進(jìn)行功率放大，它可采用混合或集成結(jié)構(gòu)，但混合結(jié)構(gòu)需要高精度的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，而集成結(jié)構(gòu)面臨模式不穩(wěn)定的問題。錐形激光器由單模工作的脊形種子源和錐形增益放大區(qū)組成，由于其側(cè)向和橫向光束束腰位置不同，具有大的散光，影響聚焦。a-DFB激光器結(jié)構(gòu)由一個(gè)相對(duì)諧振腔軸傾斜一較小角度的側(cè)向布拉格光柵組成，通過限制光傳輸方向降低側(cè)向發(fā)散角，但其需要二次外延生長(zhǎng)，而且面臨嚴(yán)重的扭折現(xiàn)象。外腔激光器通常采用外置反射鏡選擇性反饋一個(gè)單側(cè)模到激光腔內(nèi)，其結(jié)構(gòu)不緊湊。SCOWL采用多模波導(dǎo)管將一個(gè)高階模式的光束轉(zhuǎn)換成一個(gè)單模光束，但其實(shí)現(xiàn)難度大，擁有此技術(shù)的單位非常少。光子晶體激光器可實(shí)現(xiàn)大面積相干單模激射，從而獲得非常高的光束質(zhì)量，但這種激光器制備工藝復(fù)雜且昂貴，難以批量生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于模式增益損耗調(diào)控的高亮度半導(dǎo)體激光器，通過在臺(tái)面刻蝕模式濾波結(jié)構(gòu)來獲得高亮度激光輸出。
[0004]本發(fā)明解決技術(shù)問題的技術(shù)方案是:
[0005]基于模式增益損耗調(diào)控的高亮度半導(dǎo)體激光器，其結(jié)構(gòu)由下至上依次為N面電極、襯底、緩沖層、N型包層、N型波導(dǎo)、有源區(qū)、P型波導(dǎo)、P型包層、P型蓋層和P面電極;N型波導(dǎo)、有源區(qū)和P型波導(dǎo)組成激光器的波導(dǎo)層，波導(dǎo)層的折射率大于N型包層和P型包層的折射率，其特征是，在該半導(dǎo)體激光器臺(tái)面上刻有多個(gè)微孔，所述多個(gè)微孔設(shè)置在兩邊相應(yīng)于高階側(cè)模光場(chǎng)分布的波峰處，，微孔的數(shù)量從中心到邊緣遞增;微孔深度從P面電極的表面至P型包層，且微孔的底部與P型包層下表面距離小于激光器波導(dǎo)層的倏逝波長(zhǎng)度。
[0006]本發(fā)明的有益效果是:在傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器的基礎(chǔ)上，引入模式濾波結(jié)構(gòu)，通過在臺(tái)面上高階側(cè)模波峰位置刻蝕微孔結(jié)構(gòu)，阻止載流子注入，降低高階側(cè)模增益。另外，光傳輸經(jīng)過刻蝕微孔，會(huì)遭受衍射和散射損耗，通過設(shè)計(jì)微孔形狀、尺寸、深度、位置和數(shù)量，使基模中心峰附近不經(jīng)過微孔、僅在低光場(chǎng)強(qiáng)度位置經(jīng)過微孔，因此中心基模受到的損耗最低；而高階側(cè)模光場(chǎng)峰值處即面臨刻蝕微孔引起的損耗，同時(shí)越靠近臺(tái)面邊緣經(jīng)過的微孔周期越多，相應(yīng)損耗就越大。微孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可使高階側(cè)模相對(duì)基模具有低的增益和非常高的損耗，從而達(dá)到抑制高階側(cè)模的目的，保證高功率輸出前提下實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量的激光輸出。
【附圖說明】
[0007]圖1本發(fā)明基于模式增益損耗調(diào)控的高亮度半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0008]圖2本發(fā)明所述變方向微孔圖案示意圖。
[0009]圖3本發(fā)明所述不同微孔圖案組合的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]如圖1所示，基于模式增益損耗調(diào)控的高亮度半導(dǎo)體激光器，該半導(dǎo)體激光器由下至上依次為N面電極10、襯底1、緩沖層2、N型包層3、N型波導(dǎo)4、有源區(qū)5、P型波導(dǎo)6、P型包層7、P型蓋層8和P面電極9。其中:襯底I為m- V族化合物，例如GaAs、InP、GaSb和GaN等，通常N型摻雜。緩沖層2與襯底I材料相同，用于掩埋襯底I自身的缺陷。N型波導(dǎo)4、有源區(qū)5和P型波導(dǎo)6組成激光器的波導(dǎo)層12，有源區(qū)5位于N型波導(dǎo)4和P型波導(dǎo)6之間，有源區(qū)5可以為單層或多層的量子阱、量子點(diǎn)等，用作激光器的增益區(qū)。波導(dǎo)層12兩邊分別為N型包層3和P型包層7，其中波導(dǎo)層12的折射率通常大于N型包層3和P型包層7，從而形成全反射波導(dǎo)，激光器諧振腔內(nèi)傳輸?shù)墓饽１幌拗圃诓▽?dǎo)層12內(nèi)，但由于倏逝波效應(yīng)仍會(huì)有部分光在N型包層3和P型包層7中傳輸，因此通過控制N型包層3和P型包層7的一些特性可影響波導(dǎo)層12中傳輸?shù)墓鈭?chǎng)特性。P型蓋層8生長(zhǎng)在P型包層7之上，重?fù)诫s以利于歐姆接觸。P面電極9沉積在P型蓋層8的頂面，N面電極10沉積在襯底I上，二者作為激光器的電極，用于電流注入。
[0011 ]在所述半導(dǎo)體激光器臺(tái)面上刻有多個(gè)微孔11，它具有如下特征:
[0012]所述微孔11可為圓形、矩形、三角形、多邊形等。
[0013]光傳輸經(jīng)過微孔11時(shí)會(huì)遭受衍射和散射損耗，微孔11深度從半導(dǎo)體激光器的上表面擴(kuò)展到P型包層7中，但并不穿透到P型波導(dǎo)6中，并且微孔11的底部與P型包層7下表面間的距離應(yīng)小于激光器波導(dǎo)層12的倏逝波長(zhǎng)度(300nm左右)，這樣既可影響光模式分布又不引入大的泄露損耗。另外，刻蝕的一系列微孔深度相同，或者刻蝕深度從中心向兩邊逐漸增大。
[0014]通過設(shè)計(jì)孔洞形狀、尺寸、數(shù)量和位置，在激光器臺(tái)面中心不刻蝕微孔，在兩邊相應(yīng)于高階側(cè)模光場(chǎng)分布的波峰處，若臺(tái)面寬度為D，二階側(cè)模光場(chǎng)波峰距離臺(tái)面邊緣為D/4、三階側(cè)模光場(chǎng)波峰距離臺(tái)面邊緣為D/6、四階側(cè)模光場(chǎng)波峰距離臺(tái)面邊緣為D/8和3D/8、五階側(cè)模光場(chǎng)波峰距離臺(tái)面邊緣為D/10和3D/10，以此類推，刻蝕一系列的微孔，并且微孔數(shù)量由中心向兩邊遞增。另外，在臺(tái)面不同位置刻蝕的微孔圖案或尺寸可不相同，微孔圖案數(shù)量由中心向兩邊遞增。
[0015]微孔11表面覆蓋絕緣層，阻止電流注入，從而調(diào)控載流子注入分布，降低高階側(cè)模的增益，同時(shí)還可以避免光傳輸經(jīng)過金屬電極層產(chǎn)生極大的吸收損耗。
[0016]本發(fā)明器件的制備工藝步驟如下:首先采用MOCVD或MBE設(shè)備在半導(dǎo)體襯底I上生長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的外延層，然后采用光刻、濕法或干法刻蝕半導(dǎo)體激光器臺(tái)面(臺(tái)面兩邊刻蝕掉蓋層8和部分P型包層7)，之后第二次光刻在半導(dǎo)體激光器的臺(tái)面上刻蝕微孔11，大面積生長(zhǎng)電絕緣層，第三次光刻、刻蝕去掉臺(tái)面上的電絕緣層開電極窗口(保留微孔側(cè)壁的電絕緣層)，采用磁控濺射、電子束蒸發(fā)設(shè)備在臺(tái)面上生長(zhǎng)P面電極9，最后襯底I減薄、拋光、在襯底I上生長(zhǎng)N面電極10。
[0017]實(shí)施例1:
[0018]如圖2所示，在半導(dǎo)體激光器的臺(tái)面刻蝕一系列與光傳輸方向具有55°傾角的矩形微孔，微孔深度從P面電極9的表面至P型包層7，且微孔的底部與P型包層7下表面距離為200nm。激光器臺(tái)面寬度為ΙΟΟμπι，分別在距離臺(tái)面中心15口111、254111、3541]1和4541]1處沿縱向等間距刻蝕4、6、9和12個(gè)矩形微孔，矩形微孔長(zhǎng)和寬分別為8μπι和3μπι，其中臺(tái)面兩側(cè)刻蝕的微孔傾斜方向相反，用以分別調(diào)節(jié)正、反兩個(gè)方向傳輸?shù)墓鈭?chǎng)，經(jīng)過多次折返使光場(chǎng)能量集中于沿激光器縱向傳輸，而沿側(cè)向傳輸?shù)碾s散光被反射出臺(tái)面而損耗掉，從而實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量的激光輸出。
[0019]實(shí)施例2:
[0020]如圖3所示，在半導(dǎo)體激光器的臺(tái)面刻蝕一系列不同圖案的微孔，激光器臺(tái)面寬度為ΙΟΟμπι，分別在距離臺(tái)面中心13μηι、25μηι、37μηι和47μηι處沿縱向等間距刻蝕4個(gè)三角形、6個(gè)平行四邊形、12個(gè)圓形和38個(gè)矩形，這四種微孔的底部與P型包層7下表面距離分別為200nm、150nm、100nn^P50nm。由于微孔數(shù)量依次從中心向兩邊遞增，而且刻蝕深度從中心向兩邊遞增，因此對(duì)基模光場(chǎng)引入的損耗很小，而對(duì)高階模引入的損耗隨模式階數(shù)的增大而迅速增大，這可有效增強(qiáng)激光器的模式分辨、抑制高階側(cè)模激射，在保證高功率輸出下提高激光器的光束質(zhì)量。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于模式增益損耗調(diào)控的高亮度半導(dǎo)體激光器，其結(jié)構(gòu)由下至上依次為N面電極(10)、襯底(1)、緩沖層(2)、N型包層(3)、N型波導(dǎo)(4)、有源區(qū)(5)、P型波導(dǎo)(6)、P型包層(7)、P型蓋層(8)和P面電極(9) ;N型波導(dǎo)(4)、有源區(qū)(5)和P型波導(dǎo)(6)組成激光器的波導(dǎo)層(12)，波導(dǎo)層(12)的折射率大于N型包層(3)和P型包層(7)的折射率，其特征是，在該半導(dǎo)體激光器臺(tái)面上刻有多個(gè)微孔(11)，所述多個(gè)微孔(11)設(shè)置在兩邊相應(yīng)于高階側(cè)模光場(chǎng)分布的波峰處，微孔(11)的數(shù)量從中心到邊緣遞增;微孔(11)深度從P面電極(9)的表面至P型包層(7)，且微孔(11)的底部與P型包層(7)下表面距離小于激光器波導(dǎo)層(12)的倏逝波長(zhǎng)度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模式增益損耗調(diào)控的高亮度半導(dǎo)體激光器，其特征是，微孔(11)的形狀是圓形、矩形、三角形、多邊形或這幾種形狀的組合。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模式增益損耗調(diào)控的高亮度半導(dǎo)體激光器，其特征是，微孔(11)的刻蝕深度相同或從中心向兩邊逐漸增大。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模式增益損耗調(diào)控的高亮度半導(dǎo)體激光器，其特征是，微孔(11)內(nèi)表面覆蓋絕緣層。
【專利摘要】基于模式增益損耗調(diào)控的高亮度半導(dǎo)體激光器，屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，基于模式增益損耗調(diào)控的高亮度半導(dǎo)體激光器，其結(jié)構(gòu)由下至上依次為N面電極、襯底、緩沖層、N型包層、N型波導(dǎo)、有源區(qū)、P型波導(dǎo)、P型包層、P型蓋層和P面電極；N型波導(dǎo)、有源區(qū)和P型波導(dǎo)組成激光器的波導(dǎo)層，波導(dǎo)層的折射率大于N型包層和P型包層的折射率，其特征是，在該半導(dǎo)體激光器臺(tái)面上刻有多個(gè)微孔，所述多個(gè)微孔設(shè)置在兩邊相應(yīng)于高階側(cè)模光場(chǎng)分布的波峰處，微孔的數(shù)量從中心到邊緣遞增；微孔深度從P面電極的表面至P型包層，且微孔的底部與P型包層下表面距離小于激光器波導(dǎo)層的倏逝波長(zhǎng)度。
【IPC分類】H01S5/323, H01S5/06
【公開號(hào)】CN105680319
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610191712
【發(fā)明人】汪麗杰, 佟存柱, 田思聰, 舒世立, 吳昊, 戎佳敏, 王立軍
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【公開日】2016年6月15日
【申請(qǐng)日】2016年3月30日