專利名稱：低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種低橫向激光光束發(fā)散角的布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器。
背景技術(shù)：
高功率半導(dǎo)體激光器在激光材料加工、泵浦、醫(yī)療、傳感、顯示技術(shù)、頻率轉(zhuǎn)換、空間通訊和國防上有著極其重要的應(yīng)用，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴展對半導(dǎo)體激光器的性能要求也越來越高，如高的的輸出功率、穩(wěn)定的單模特性、低的遠場發(fā)散角、高的光束質(zhì)量等。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)由下至上依次包括N面電極、襯底、緩沖層、下限制層、 下波導(dǎo)層、有源區(qū)、上波導(dǎo)層、上限制層、蓋層和P面電極；P面電極放置在蓋層的頂面上，并且電連接到蓋層，N面電極位于襯底的背面，并且電連接到襯底；有源區(qū)位于下波導(dǎo)層與上波導(dǎo)層之間。由于傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器在橫向采用高折射率波導(dǎo)通過全反射原理進行導(dǎo)波， 激光腔較小，當其在高功率工作時面臨以下幾個基本難題端面災(zāi)變性毀壞、燒孔、電熱燒毀、光束成絲和光束質(zhì)量差等。另外，腔面由于自衍射，橫向(外延生長方向)光束發(fā)散角很高，半高全寬(FWHM)通常在18° -40°之間，輸出光束為橢圓分布，產(chǎn)生很大的散光，因此必須采用復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，而且其最大聚焦功率密度及光纖耦合效率也受到限制。增大激光器的光模式體積和保持穩(wěn)定單橫模激射有利于克服上述限制，擴展光橫向模式體積可以提高輸出功率、減小橫向光束發(fā)散及降低光束成絲的風(fēng)險。在傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上有大量擴展波導(dǎo)的方法提出以增大光模式體積，如大光腔或超大光腔結(jié)構(gòu)、非對稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、低折射率勢壘結(jié)構(gòu)、集成無源波導(dǎo)、低折射率包層結(jié)構(gòu)、雙勢壘分別限制異質(zhì)結(jié)等結(jié)構(gòu)。這些方法可以一定程度上增大光模式體積，將橫向發(fā)散角半高寬減小到十幾度。但是由于這些激光器結(jié)構(gòu)光模式體積越大，面臨多模工作的問題越嚴重，這會使遠場圖案復(fù)雜，激光器光束質(zhì)量大大下降，因此橫向遠場發(fā)散角(半高全寬FWHM)只能達到十幾度左右，難以得到更窄的橫向遠場發(fā)散角。另外，這些激光器對外延生長結(jié)構(gòu)組分偏離或溫度變化引起的極小折射率改變非常靈敏，激光器的功率、效率、模式等性能不穩(wěn)定，因此對外延生長、制備工藝及工作電流和溫度要求苛刻。由于傳統(tǒng)激光器擴展光模式體積方法與折射率導(dǎo)引波導(dǎo)單模工作條件相矛盾，避免多模激射和同時獲得大模式體積的問題仍然存在，因此需要從根本上解決這個問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種可實現(xiàn)大光模式體積的穩(wěn)定單橫模工作的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器由下至上依次為N面電極、襯底、緩沖層、下限制層、下波導(dǎo)層、中心腔、上波導(dǎo)層、上限制層、P蓋層和P面電極；P面電極放置在蓋層的頂面上，并且電連接到蓋層，N面電極位于襯底的背面，并且電連接到襯底；中心腔位于下波導(dǎo)層與上波導(dǎo)層之間，有源區(qū)插入在中心腔內(nèi)；所述下波導(dǎo)層采用多層N型摻雜的高、低折射率材料周期分布的布拉格反射波導(dǎo)；上波導(dǎo)層采用多層P型摻雜的高、低折射率材料周期分布的布拉格反射波導(dǎo)。本發(fā)明半導(dǎo)體激光器N面(N型摻雜部分)和P面(P型摻雜部分)的波導(dǎo)同時采用布拉格反射波導(dǎo)，它為多層高、低折射率周期分布結(jié)構(gòu)(一維光子晶體)，其所導(dǎo)光波模式不同于傳統(tǒng)的全反射模式，它利用布拉格反射來限制光場分布。這種激光器的主要特點是橫向光模式體積可以大幅擴展，因此可有效改善端面災(zāi)變性毀壞、燒孔、電熱燒毀和光束成絲等效應(yīng)。通過設(shè)計布拉格反射波導(dǎo)及中心腔使僅有一個模式限制在中心腔內(nèi)，電場強度遠離中心腔時衰減，并且在布拉格反射波導(dǎo)高折射層出現(xiàn)局域峰，而所有的高階模擴展到整個波導(dǎo)中，因此基模的光限制因子遠大于高階模，高階模模相對基模具有非常大的泄露損耗，基模與高階模之間大的增益損耗差異使得這種激光器可實現(xiàn)大模式體積、穩(wěn)定單橫模工作。由于遠場發(fā)散角反比于模式體積，因此這種結(jié)構(gòu)橫向光束發(fā)散可以很小(半高全寬FWHM < 10° )，這有利于提高光纖耦合效率和減小激光器應(yīng)用光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性。所述的布拉格反射波導(dǎo)為高低折射率周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)，形成一維光子晶體。光在無限周期的光子晶體中傳輸時，傳輸常數(shù)具有允帶和禁帶，當傳輸常數(shù)位于禁帶時，光場衰減，傳輸被禁止，因此布拉格反射波導(dǎo)可用于限制光場分布。由于光場在前幾個周期衰減迅速，因此只需要有限周期對數(shù)即可。由于N面和P面均采用布拉格反射波導(dǎo)，光模式向兩邊擴展，因此只需要較小的外延層厚度即可獲得大的模式體積。通過優(yōu)化P面摻雜及采用非對稱結(jié)構(gòu)減小P面電阻及損耗，也可獲得較高的轉(zhuǎn)換效率。另外，采用雙面布拉格反射波導(dǎo)，中心腔可采用低折射率材料，更有利于光模式體積的擴展，在不增加外延層厚度的條件下可獲得更小的遠場發(fā)散角， 而且基模和高階模之間的模式增益損耗差會更大。所述中心腔為光子晶體缺陷層，有源區(qū)位于光子晶體缺陷層內(nèi)。所述光子晶體缺陷層的折射率可與下波導(dǎo)層或上波導(dǎo)層中低折射率層折射率相同，厚度大于下波導(dǎo)層或上波導(dǎo)層中單個周期內(nèi)的低折射率層厚度。所述光子晶體缺陷層的折射率可與下波導(dǎo)層或上波導(dǎo)層中高折射率層折射率相同，厚度大于下波導(dǎo)層或上波導(dǎo)層中單個周期內(nèi)的高折射率層厚度。所述光子晶體缺陷層的厚度可與下波導(dǎo)層或上波導(dǎo)層中單個周期內(nèi)的低折射率層相同，但折射率大于下波導(dǎo)層或上波導(dǎo)層中的低折射率層。所述光子晶體缺陷層厚度可與下波導(dǎo)層或上波導(dǎo)層中單個周期內(nèi)的高折射率層相同，但折射率大于下波導(dǎo)層或上波導(dǎo)層中的高折射率層。所述的光子晶體缺陷層厚度和折射率均可大于下波導(dǎo)層或上波導(dǎo)層中的低折射率層。所述的光子晶體缺陷層厚度和折射率均可大于下波導(dǎo)層或上波導(dǎo)層中的高折射率層。所述有源區(qū)為單層量子阱(QWs)、多層量子阱(QWs)、量子點(QDs)或量子線，在合適位置插入到缺陷層中。作為本發(fā)明的進一步改進是在中心腔兩側(cè)的下波導(dǎo)層和/或上波導(dǎo)層中至少一個周期內(nèi)的高折射率層光場分布較強峰位置處插入有源區(qū)。由于插入的有源區(qū)極薄，對光場分布影響不大，多個發(fā)光區(qū)組成復(fù)合發(fā)光區(qū)，增大輸出功率。
所述上波導(dǎo)層中布拉格反射波導(dǎo)的周期數(shù)可小于下波導(dǎo)層中布拉格反射波導(dǎo)的周期數(shù)，使光場向N型摻雜區(qū)偏移，減小P面的電阻和吸收損耗，提高轉(zhuǎn)換效率。所述上波導(dǎo)層中布拉格反射波導(dǎo)的折射率分布可與下波導(dǎo)層中布拉格反射波導(dǎo)的折射率分布不同，基模橫向傳輸常數(shù)位于兩個波導(dǎo)的交疊帶隙處，增強模式選擇。本發(fā)明的優(yōu)點由于本發(fā)明提出的半導(dǎo)體激光器在橫向采用布拉格反射結(jié)構(gòu)限制光模式，它具有基模與高階模之間增益損耗差大的優(yōu)點，可實現(xiàn)非常大光模式體積且穩(wěn)定的單橫模工作。 這種激光器災(zāi)變光損傷閾值功率非常高，在腔面不鈍化條件下也可實現(xiàn)非常高功率的激光輸出；激光器的橫向發(fā)散角非常小(半高全寬FWHM<10° )，輸出光束近似為圓光斑，因此相對傳統(tǒng)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器需要進行快慢軸分別準直的情形，它可僅采用一個普通球面鏡準直即可，因此可大大降低激光器應(yīng)用光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本；激光器在高功率工作時仍能保持穩(wěn)定的單橫模工作，光束質(zhì)量非常高，利于光束整形或其它直接應(yīng)用；可以引入多有源區(qū)結(jié)構(gòu)組成復(fù)合發(fā)光區(qū)，進一步增大激光輸出功率；N面和P面布拉格反射波導(dǎo)可采用對稱結(jié)構(gòu)或非對稱結(jié)構(gòu)，激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活性增大，有利于提高激光器模式穩(wěn)定及電光轉(zhuǎn)換效率等性能?？傊@種布拉格反射波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器具有橫向光束發(fā)散超窄、輸出功率高、模式穩(wěn)定性好、光束質(zhì)量高等優(yōu)點，在高亮度半導(dǎo)體激光器應(yīng)用領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。圖1為本發(fā)明的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器各層的折射率分布示意圖。圖3 (a) ,3(b) ,3(c)分別為實施例1的激光器的折射率分布、基橫模近場和遠場分布示意圖。如圖4(a) ,4(b) ,4(c)分別為實施例2的激光器的折射率分布、基橫模近場和遠場分布示意圖。圖5為實施例3 —種非對稱布拉格反射波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器各層的折射率分布示意圖。圖6為實施例4 一種對稱多有源區(qū)的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)激光器的折射率分布示意圖。圖7為實施例5 —種非對稱多有源區(qū)的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)激光器的折射率分布示意圖。圖8為實施例6 —種非對稱多有源區(qū)的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)激光器的折射率分布示意圖。圖9為實施例7 —種非對稱多有源區(qū)的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)激光器的折射率分布示意圖。圖10為實施例8 一種非對稱多有源區(qū)的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)激光器的折射率分布示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器由下至上依次為N面電極10、襯底1、緩沖層2、下限制層3、下波導(dǎo)層4、中心腔5、上波導(dǎo)層6、上限制層7、蓋層8和P面電極9 ；P面電極9放置在蓋層8的頂面上，并且電連接到蓋層8，N 面電極10位于襯底1的背面，并且電連接到襯底1 ；中心腔5位于下波導(dǎo)層4與上波導(dǎo)層6 之間；所述下波導(dǎo)層4采用多層N型摻雜高、低折射率材料周期分布的布拉格反射波導(dǎo)；上波導(dǎo)層6采用多層P型摻雜高、低折射率材料周期分布的布拉格反射波導(dǎo)。如圖2所示，為本發(fā)明的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器折射率分布圖。下波導(dǎo)層4由N型摻雜的高、低折射率層周期性排列組成，每個周期包含一高折射率層4b、一低折射率層如和過渡漸變層，每個周期的厚度為Tn ；上波導(dǎo)層6由P型摻雜的高、低折射率層周期性排列組成，每個周期包含一高折射率層6a、一低折射率層6b和過渡漸變層，每個周期的厚度為Tp ;TN與Tp可以相等或不相等，下波導(dǎo)層4的高折射率材料與上波導(dǎo)層6的高折射率材料可以相同也可以不同；下波導(dǎo)層4的低折射率材料與上波導(dǎo)層 6的低折射率材料可以相同也可以不同；下波導(dǎo)層4與上波導(dǎo)層6的高、低折射率層厚度可以相同也可以不同；中心腔5為位于下波導(dǎo)層4與上波導(dǎo)層6之間的光子晶體缺陷層。光子晶體缺陷層位于下波導(dǎo)層4和上波導(dǎo)層6之間，它可以是折射率與Tn及Tp中的低折射率層相同但厚度大于原周期內(nèi)低折射率層的層，也可以是厚度與中的低折射率層相同但折射率大于原周期內(nèi)低折射率層的層，也可以是折射率與中的高折射率層相同但厚度大于原周期內(nèi)高折射率層的層，也可以是厚度與1及1中的高折射率層相同但折射率大于原周期內(nèi)高折射率層的層，有源區(qū)fe插入在光子晶體缺陷層內(nèi)。襯底1可為N型高摻雜的任何常用的III-V族化合物，比如GaAs，InP, GaSb等，用于在其上外延生長激光器各層材料。由于外延層材料需與襯底晶格匹配或近似匹配，因此襯底的選擇取決于設(shè)計的激射波長，本發(fā)明主要采用N型高摻雜GaAs襯底。緩沖層2生長在襯底1上，為N型高摻雜材料，通常選擇與襯底相同的材料。因此對于本發(fā)明中采用GaAs襯底的情形下，緩沖層選擇N型高摻雜的GaAs，其目的是有效的掩埋襯底的缺陷，形成高質(zhì)量的外延表面，以利于其它各層材料的生長。下限制層3生長在緩沖層2上，材料晶格常數(shù)應(yīng)與襯底相同或非常接近，摻雜施主雜質(zhì)，而且其帶隙寬度需大于有源層帶隙寬度。在本發(fā)明中采用GaAs襯底的情形下，下限制層通常選擇高鋁組分AWaAs材料，其目的是限制光場橫模向高摻雜緩沖層和襯底擴展， 以減小光損耗。下波導(dǎo)層4生長在N型摻雜下限制層3上，它由m對N型摻雜的高折射率材料層 4b和低折射率材料層如周期性排列組成，各層材料晶格常數(shù)應(yīng)與襯底相同或非常接近，并且每層材料帶隙寬度均大于有源層帶隙寬度，摻雜施主雜質(zhì)。在本發(fā)明中采用GaAs襯底的情形下，高折射率材料層4b和低折射率材料層如選擇不同鋁組分的AWaAs材料，高折射率材料鋁組分低于低折射率材料。下波導(dǎo)層4的高、低折射率層的周期對數(shù)、每層的厚度和組分需精心設(shè)計，使僅有一個被限制在中心腔內(nèi)，其它模式擴展到整個布拉格反射波導(dǎo)中， 靠近有源區(qū)部分的層內(nèi)不摻雜或低摻雜以減小光吸收損耗。中心腔5為光子晶體缺陷層，位于下波導(dǎo)層4與上波導(dǎo)層6之間，它可以通過增
6大布拉格反射波導(dǎo)中高或低折射率層的厚度或折射率來實現(xiàn)，通常不摻雜或低摻雜。有源層如位于光子晶體缺陷層中，其帶隙對應(yīng)于所希望的發(fā)光波長，可以為單層或多層量子阱 (QWs)、量子點(QDs)、量子線等，其目的在于作為激光器的增益區(qū)，在電注入時產(chǎn)生激光并提供足夠的光增益。另外可以設(shè)計成多有源區(qū)結(jié)構(gòu)，在中心腔附近幾個布拉格反射波導(dǎo)周期內(nèi)光場分布局域峰位置插入有源區(qū)形成復(fù)合發(fā)光區(qū)，以提高輸出功率。在本發(fā)明中采用 GaAs襯底的情形下，增益介質(zhì)主要采用InGaAs應(yīng)變量子阱材料。上波導(dǎo)層6生長在光子晶體缺陷層之上，它由η對P型摻雜的高、折射率材料6a 和低折射率材料6b周期性排列構(gòu)成，各層材料晶格常數(shù)應(yīng)與襯底相同或非常接近，并且每層材料帶隙寬度均大于有源層帶隙寬度，摻雜受主雜質(zhì)。在本發(fā)明中采用GaAs襯底的情形下，布拉格反射波導(dǎo)中高、低折射率層選擇為不同鋁組分的AKiaAs材料，它的周期、占空比或材料可與下布拉格反射波導(dǎo)4相同或不同，分別對應(yīng)對稱或非對稱激光器結(jié)構(gòu)。上限制層7生長在上波導(dǎo)層6之上，材料晶格常數(shù)應(yīng)與襯底相同或非常接近，帶隙寬度大于有源層帶隙寬度，摻雜受主雜質(zhì)。在本發(fā)明中采用GaAs襯底的情形下，上限制層選擇高鋁組分AWaAs材料，其目的是限制光場橫模向重摻雜蓋層和金屬電極層擴展，減小光損耗。蓋層8生長在上限制層7之上，通常選擇與襯底相同的材料，重摻雜受主雜質(zhì)，以利于歐姆接觸。在本發(fā)明中采用GaAs襯底的情形下，蓋層選擇P型重摻GaAs材料。金屬電極由多層金屬依次堆疊制成，通常P面電極9采用鈦-鉬-金(Ti-Pt-Au) 材料，N面電極10采用金-鍺-鎳(Au-Ge-Ni)材料。P面電極9放置在蓋層8的頂面上， 并且電連接到蓋層。N側(cè)電極10位于襯底1的背面，并且電連接到襯底上。實施例1 如圖3(a)、3(b)、3(c)所示，為一種對稱的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器(波長為980nm)的折射率分布、基橫模近場和遠場分布示意圖。它的N面和 P面波導(dǎo)均采用6對Ala !Ga0^AsAl0.3Ga0.7As周期性波導(dǎo)，下波導(dǎo)層4的高、低折射率層排列周期Tn與上波導(dǎo)層6的高、低折射率層排列周期Tp相等，上波導(dǎo)層6與下波導(dǎo)層4每個周期中的高、低折射率層的材料和厚度均分別相同。有源區(qū)位于中心腔中央，采用Ina2G^8As/ GaAs雙量子阱(QWs)。從圖3(b)中基模近場分布可以看出，本發(fā)明中激光器光橫向模式尺寸大大增加，從圖3(c)中可以看出，橫向遠場發(fā)散角θ ±非常低(半高全寬FWHM僅為 5. 4° )。實施例2 如圖4(a)、4(b)、4(c)所示，為一種非對稱的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器(波長為980nm)的折射率分布、基橫模近場和遠場分布示意圖，它的N面和P面波導(dǎo)分別采用8對和4對Ala A^l9AsZAla3Giia7As周期性波導(dǎo)；下波導(dǎo)層4與上波導(dǎo)層6每個周期中的高、低折射率層材料和厚度相同，只是上波導(dǎo)層6的周期對數(shù)小于下波導(dǎo)層4。有源區(qū)采用Ina2G^l8AsAiaAs雙量子阱(QWs)。圖中，4(a)為折射率分布，4(b)和 4(c)分別為基橫模橫向近場分布及遠場分布。從圖4(b)中可以看出，上波導(dǎo)層6布拉格反射波導(dǎo)和下波導(dǎo)層4布拉格反射波導(dǎo)周期對數(shù)不同，減小P面厚度，使光場向N面偏移，由于P面空穴遷移率遠小于電子，而空穴的載流子吸收損耗大于電子，這樣可減小吸收損耗和器件電阻，提高電光轉(zhuǎn)換效率，同時也可獲得非常低的橫向遠場發(fā)散角(半高全寬FWHM僅為7. 2° )。實施例3 如圖5所示，為一種非對稱的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的折射率分布示意圖，它的下波導(dǎo)層4中的高折射率層4b與上波導(dǎo)層6中的高折射率層 6a、下波導(dǎo)層4中的低折射率層如與上波導(dǎo)層6中的低折射率層6b之間的材料和厚度不完全相同，兩個波導(dǎo)層中的周期對數(shù)可以相同也可以不相同。中心腔5位于下波導(dǎo)層4與上波導(dǎo)層6之間，為兩種光子晶體共同的缺陷層，它的折射率和厚度與下波導(dǎo)4及上波導(dǎo)6周期中任一層都不完全相同。設(shè)計缺陷層使橫向傳輸常數(shù)位于兩種光子晶體禁帶交疊區(qū)域， 光場限制在中心腔內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)還具有一定的波長選擇的功能。實施例4 圖6為一種對稱多有源區(qū)的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的折射率分布示意圖。除了中心光場分布峰值處的有源區(qū)外，它的N面和P面光場局域峰處也插入相同對數(shù)的增益介質(zhì)，形成復(fù)合發(fā)光區(qū)，從而提高光限制因子和進一步增大輸出功率。圖中數(shù)字表示1襯底、2緩沖層、3下限制層、4下波導(dǎo)層、5復(fù)合有源區(qū)、6上波導(dǎo)層、 7上限制層、8蓋層、9P面電極和ION面電極構(gòu)成，11代表N型摻雜部分，12代表P型摻雜部分，5a為中心光場分布峰值處有源區(qū)，恥代表N型摻雜部分光場分布局域峰處插入的有源區(qū)，5c代表P型摻雜部分光場分布局域峰處插入的有源區(qū)，其中N型部分和P型部分插入的增益介質(zhì)對數(shù)相同。實施例5 圖7為一種非對稱多有源區(qū)的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的折射率分布示意圖，除了中心光場分布峰值處的有源區(qū)外，它的N面插入的增益介質(zhì)數(shù)量多于P面插入的增益介質(zhì)數(shù)量。圖中數(shù)字表示1襯底、2緩沖層、3下限制層、4下波導(dǎo)層、5復(fù)合有源區(qū)、6上下波導(dǎo)層、7上限制層、8蓋層、9P面電極和ION面電極構(gòu)成，11代表 N型摻雜部分，12代表P型摻雜部分，fe為中心光場分布峰值處有源區(qū)，恥和5c代表N型摻雜部分光場分布局域峰處插入的有源區(qū)，5d代表P型摻雜部分光場分布局域峰處插入的有源區(qū)。實施例6 圖8為一種非對稱多有源區(qū)的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的折射率分布示意圖，除了中心光場分布峰值處的有源區(qū)外，它的P面插入的增益介質(zhì)數(shù)量多于N面插入的增益介質(zhì)數(shù)。圖中數(shù)字表示1襯底、2緩沖層、3下限制層、4下波導(dǎo)層、 5復(fù)合有源區(qū)、6上波導(dǎo)層、7上限制層、8蓋層、9P面電極和ION面電極構(gòu)成，11代表N型摻雜部分，12代表P型摻雜部分，fe為中心光場分布峰值處有源區(qū)，恥代表N型摻雜部分光場分布局域峰處插入的有源區(qū)，5c和5d代表P型摻雜部分光場分布局域峰處插入的有源區(qū)。實施例7 圖9為一種非對稱多有源區(qū)的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的折射率分布示意圖，除了中心光場分布峰值處的有源區(qū)外，還在它的N面光場分布局域峰處插入增益介質(zhì)。圖中數(shù)字表示1襯底、2緩沖層、3下限制層、4下波導(dǎo)層、5復(fù)合有源區(qū)、6上波導(dǎo)層、7上限制層、8蓋層、9P面電極和ION面電極構(gòu)成，11代表N型摻雜部分， 12代表P型摻雜部分，5a為中心光場分布峰值處有源區(qū)，恥代表N型摻雜部分光場分布局域峰處插入的增益介質(zhì)。實施例8 圖10為一種非對稱多有源區(qū)的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的折射率分布示意圖，除了中心光場分布峰值處的有源區(qū)外，它的P面光場分布局域峰位處插入增益介質(zhì)。圖中數(shù)字表示1襯底、2緩沖層、3下限制層、4下波導(dǎo)層、5復(fù)合有源區(qū)、6上波導(dǎo)層、7上限制層、8蓋層、9P面電極和ION面電極構(gòu)成，11代表N型摻雜部分，12 代表P型摻雜部分，5a為中心光場分布峰值處有源區(qū)，恥代表P型摻雜部分光場分布局域峰處插入的有源區(qū)。本發(fā)明的目的在于將一種新的波導(dǎo)機制引入到半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)中，N面(N型摻雜部分)和P面(P型摻雜部分)波導(dǎo)同時采用布拉格反射波導(dǎo)，它為多層高低折射率周期分布結(jié)構(gòu)(一維光子晶體)，其所導(dǎo)光波模式不同于傳統(tǒng)的全反射模式，它利用布拉格反射來限制光模式分布。在光子晶體中引入線缺陷(破壞一維光子晶體周期性分布的層)，設(shè)計波導(dǎo)使只有基模限制在缺陷層內(nèi)，而所有的高階模擴展到整個波導(dǎo)中，這樣基模的光限制因子遠大于高階模，而高階模模相對基模具有非常大的泄露損耗，因此這種結(jié)構(gòu)模式間增益損耗差別非常大，因此可實現(xiàn)非常大模式體積的穩(wěn)定單橫模工作。大的模式體積可以有效改善端面災(zāi)變性毀壞、燒孔、電熱燒毀和光束成絲等效應(yīng)，同時大的模式間增益損耗差異使得這種激光器可以穩(wěn)定高功率單橫模工作。由于遠場發(fā)散角反比于模式體積，因此這種結(jié)構(gòu)橫向光束發(fā)散可以很小(半高全寬FWHM<10° )，這有利于減小激光器應(yīng)用光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。另外這種結(jié)構(gòu)的光場分布有很多局域峰，可在高峰值處插入多個增益介質(zhì)，形成復(fù)合發(fā)光區(qū)，增大光限制因子和提高輸出功率。還可以采用非對稱結(jié)構(gòu)，提高電光轉(zhuǎn)換效率和增強模式選擇。
權(quán)利要求
1.一種低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，由下至上依次為N面電極 (10)、襯底(1)、緩沖層(2)、下限制層(3)、下波導(dǎo)層(4)、中心腔(5)、上波導(dǎo)層(6)、上限制層(7)、P蓋層⑶和P面電極(9) ；P面電極(9)放置在蓋層⑶的頂面上，并且電連接到蓋層(8)，N面電極(10)位于襯底⑴的背面，并且電連接到襯底⑴沖心腔(5)位于下波導(dǎo)層(4)與上波導(dǎo)層(6)之間，有源區(qū)(5a)插入在中心腔(5)內(nèi)；其特征在于所述下波導(dǎo)層(4)采用多層N型摻雜的高、低折射率材料周期分布的布拉格反射波導(dǎo)；上波導(dǎo)層(6) 采用多層P型摻雜的高、低折射率材料周期分布的布拉格反射波導(dǎo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述中心腔( 為光子晶體缺陷層，有源區(qū)(5a)位于光子晶體缺陷層內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述有源區(qū)(5a)為單層量子阱、多層量子阱、量子點或量子線。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其特征在于可在中心腔( 兩側(cè)的下波導(dǎo)層(4)和/或上波導(dǎo)層(6)中至少一個周期內(nèi)的高折射率層光場分布較強峰位置處插入有源區(qū)，組成復(fù)合發(fā)光區(qū)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述上波導(dǎo)層(6)中布拉格反射波導(dǎo)的周期數(shù)小于下波導(dǎo)層(4)中布拉格反射波導(dǎo)的周期數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述上波導(dǎo)層(6)中布拉格反射波導(dǎo)的折射率分布與下波導(dǎo)層(4)中布拉格反射波導(dǎo)的折射率分布不同，基模橫向傳輸常數(shù)位于兩個波導(dǎo)的交疊帶隙處。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述襯底(1)采用N型高摻雜的GaAs，緩沖層( 選擇N型高摻雜的GaAs，下限制層 (3)選擇N型高摻雜的高鋁組分AlGaAs材料，下波導(dǎo)層(4)的高折射率層Gb)和低折射率層Ga)選擇不同鋁組分的MGaAs材料，上波導(dǎo)層(6)的高折射率層和低折射率層選擇不同鋁組分的AlGaAs材料，上限制層(7)選擇高鋁組分AlGaAs材料，蓋層(8)選擇P型重摻雜feiAs材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低橫向發(fā)散角布拉格反射波導(dǎo)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，這種激光器的P面電極放置在蓋層的頂面上，并且電連接到蓋層，N面電極位于襯底的背面，并且電連接到襯底；中心腔位于下波導(dǎo)層與上波導(dǎo)層之間，有源區(qū)插入在中心腔內(nèi)；所述下波導(dǎo)層采用多層N型摻雜的高、低折射率材料周期分布的布拉格反射波導(dǎo)；上波導(dǎo)層采用多層P型摻雜的高、低折射率材料周期分布的布拉格反射波導(dǎo)。本發(fā)明可有效改善傳統(tǒng)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器端面災(zāi)變性毀壞、燒孔、電熱燒毀和光束成絲等效應(yīng)，并且基模與高階模之間大的增益損耗差異使得這種激光器可實現(xiàn)大模式體積、穩(wěn)定單橫模工作，其橫向遠場發(fā)散角半高全寬(FWHM)可達到10°以下。
文檔編號H01S5/22GK102324696SQ20111027276
公開日2012年1月18日 申請日期2011年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月15日
發(fā)明者佟存柱, 劉云, 張俊, 曾玉剛, 汪麗杰, 王立軍 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所