專利名稱：低發(fā)散角全布拉格反射波導半導體激光器陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體激光器領(lǐng)域，特別涉及低發(fā)散角全布拉格反射波導半導體激光器陣列。
背景技術(shù)：
高亮度半導體激光器具有大功率、高光束質(zhì)量等優(yōu)勢，在通信、醫(yī)療、材料加工、泵浦固體激光器和光纖激光器等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。目前在大功率半導體激光器的研制方面已經(jīng)取得很大的進展，單管器件輸出功率可達百瓦量級。實現(xiàn)高亮度的瓶頸主要是光束質(zhì)量差的問題，傳統(tǒng)的邊發(fā)射半導體激光器發(fā)散角大，縱向(快軸)為45°，橫向(慢軸) 為10。。雖然可以通過光束整形的方法在一定程度上壓縮半導體激光器的發(fā)散角，但是工藝復(fù)雜、成本高。為了從器件結(jié)構(gòu)本身入手改善光束質(zhì)量，可以在半導體激光器外延結(jié)構(gòu)中引入縱向布拉格反射波導，采用光子禁帶原理進行導波，是一種大光腔結(jié)構(gòu)，使激光器的縱向發(fā)散角下降到10°以下。對于激光器的橫向陣列結(jié)構(gòu)，高、低脊形周期排列可以形成有效折射率的高、低變化，因此可以等效為橫向的布拉格反射波導結(jié)構(gòu)，使激光器的橫向發(fā)散角下降到 5°以下。這種縱、橫兩個方向上對折射率進行調(diào)制的全布拉格反射波導陣列，可以大大提高光束質(zhì)量，并改善腔面災(zāi)變損傷、燒孔效應(yīng)、燈絲效應(yīng)等，實現(xiàn)高亮度激光輸出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供能夠降低縱向和橫向發(fā)散角的半導體激光器陣列結(jié)構(gòu)，以改善激光器的光束質(zhì)量，獲得高亮度激光輸出。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明設(shè)計了低發(fā)散角全布拉格反射波導半導體激光器陣列， 該陣列縱向結(jié)構(gòu)從下至上依次為N型襯底、N型限制層、N型布拉格反射波導、有源區(qū)、P型布拉格反射波導、P型限制層和P型蓋層，所述縱向結(jié)構(gòu)中N型布拉格反射波導和P型布拉格反射波導分別至少由一對高、低折射率材料周期生長組成，該陣列橫向結(jié)構(gòu)包括電流注入?yún)^(qū)和電流注入?yún)^(qū)兩側(cè)的橫向布拉格反射波導，所述兩側(cè)的橫向布拉格反射波導分別至少由一對高、低脊形結(jié)構(gòu)周期排列組成，所述低脊形部分緊挨電流注入?yún)^(qū)。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提供的這種全布拉格反射波導半導體激光器陣列結(jié)構(gòu)，由于電流注入?yún)^(qū)兩側(cè)為高、低脊形交替排列的周期性結(jié)構(gòu)，可以等效為橫向的布拉格反射波導，起到折射率調(diào)制作用，可以壓縮陣列橫向發(fā)散角；縱向波導結(jié)構(gòu)為高、低折射率材料周期性排列的N型和P型布拉格反射波導，可以在縱向上進行折射率調(diào)制，從而實現(xiàn)縱向發(fā)散角的壓縮；綜上本發(fā)明的全布拉格反射波導半導體激光器陣列結(jié)構(gòu)能夠降低縱向和橫向發(fā)散角，改善激光器的光束質(zhì)量，獲得高亮度激光輸出。本發(fā)明提供的這種全布拉格反射波導半導體激光器陣列的制備方法，與半導體工藝兼容，制備工藝成熟，重復(fù)性好，易于產(chǎn)業(yè)化。


圖I為本發(fā)明低發(fā)散角全布拉格反射波導半導體激光器陣列的縱向結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明低發(fā)散角全布拉格反射波導半導體激光器陣列的橫向結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明單電流注入?yún)^(qū)低發(fā)散角全布拉格反射波導半導體激光器陣列的制備工藝流程圖；圖4(a)、(b)分別為本發(fā)明單電流注入?yún)^(qū)低發(fā)散角全布拉格反射波導半導體激光器陣列二維基橫模近場分布和二維遠場分布示意圖；圖5(a)、(b)、(C)分別為本發(fā)明多電流注入?yún)^(qū)低發(fā)散角全布拉格反射波導半導體激光器結(jié)構(gòu)示意圖、二維基橫模近場分布和二維遠場分布示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行進一步詳細的說明。如圖I所示，本發(fā)明低發(fā)散角全布拉格反射波導半導體激光器陣列的縱向結(jié)構(gòu)從下至上依次為N型襯底101、N型限制層102、N型布拉格反射波導103、有源區(qū)104、P型布拉格反射波導105、P型限制層106、P型蓋層107。其中，N型布拉格反射波導103由η (η彡I) 對高、低折射率材料周期性排列組成，每個周期包括N型高折射率層108和N型低折射率層 109 ；Ρ型布拉格反射波導105由m(m ^ I)對高、低折射率材料周期性排列組成，每個周期包括N型高折射率層110和N型低折射率層111。如圖2所示，本發(fā)明低發(fā)散角全布拉格反射波導半導體激光器陣列的橫向結(jié)構(gòu)包括電流注入?yún)^(qū)域201和高、低脊型周期性排列形成的橫向布拉格反射波導。其中i(i > I) 對高脊型202和低脊型203周期性排列組成的布拉格反射波導，j (j ^ I)對高脊型204和低脊型205周期性排列組成的布拉格反射波導，分別位于電流注入?yún)^(qū)201的兩側(cè)。在全布拉格反射波導結(jié)構(gòu)的作用下，該激光器陣列的光場被限制在210區(qū)域內(nèi)。如圖3所示，單電流注入?yún)^(qū)低發(fā)散角全布拉格反射波導半導體激光器陣列的制備工藝流程圖。該結(jié)構(gòu)的橫向波導包括電流注入?yún)^(qū)域及其左右各一對的橫向布拉格反射波導。電流注入?yún)^(qū)域?qū)挾葹? μ m，高脊形和低脊形寬度為均為5 μ m。圖3 (a)為該激光器的縱向結(jié)構(gòu)不意圖，N型布拉格反射波導103和P型布拉格反射波導105均米用6對Ala Aaa9As/ Ala3Gaa7As周期性波導，有源區(qū)104采用In0.2GaQ.8AS/GaAS雙量子講(Qffs)結(jié)構(gòu)，波長為 980nm。圖3 (b)為外延片P面上采用標準的光刻工藝進行第一次光刻，電流注入?yún)^(qū)域和橫向波導的低脊形部分有光刻膠保護，橫向波導的高脊形部分沒有光刻膠。采用干法刻蝕或濕法腐蝕把沒有光刻膠保護的P型蓋層107除去，制備出高脊形部分。圖3(c)為去除光刻膠后，采用標準的光刻工藝進行第二次光刻，電流注入?yún)^(qū)域和橫向波導的高脊形部分有光刻膠保護，橫向波導的低脊形部分沒有光刻膠。采用干法刻蝕或濕法腐蝕把沒有光刻膠保護的P型蓋層107、p型限制層106和P型布拉格反射波導105 除去，制備出低脊形部分。圖3(d)為去除光刻膠后，在外延片P面大面積生長絕緣介質(zhì)膜301，絕緣介質(zhì)是 SiO2, SiNx。圖3(e)為采用標準的光刻工藝進行第三次光刻，電流注入?yún)^(qū)201沒有光刻膠保護。采用干法刻蝕或濕法腐蝕把沒有光刻膠保護的絕緣介質(zhì)膜除去，形成電流注入窗口。圖3(f)為去除光刻膠后，在外延片P面大面積生長導電金屬膜，制備P面電極 302。減薄、拋光外延片的N型襯底后，大面積生長導電金屬膜，制備N面電極303。其中P 面金屬膜為Ti/Pt/Au，N面金屬膜為Au/Ge/Ni。如圖4(a)、4(b)所示為單電流注入?yún)^(qū)全布拉格反射波導半導體激光器陣列的二維基橫模近場分布和二維遠場分布示意圖。從圖4(a)中可以看出，本發(fā)明激光器整列的橫向和縱向模式尺寸大大增加。從圖4(b)中可以看出，橫向和縱向遠場發(fā)散角Θ 〃和Θ ±非常低，半高全寬FWHM分別僅為2. 9°和5. 4°。如圖5 (a)所示，為一種多電流注入?yún)^(qū)的全布拉格反射波導半導體激光器陣列(波長為980nm)的結(jié)構(gòu)示意圖。該激光器的縱向結(jié)構(gòu)為 N型布拉格反射波導103和P型布拉格反射波導105均采用6對Ala ^a0. 9As/A10. 3Ga0.7As周期性波導，有源區(qū)104采用Ina2Gaa8AS/GaAS雙量子阱(QWs)。該激光器的橫向波導包括雙電流注入?yún)^(qū)201及其左右各兩對的橫向布拉格反射波導。電流注入?yún)^(qū)201寬度為5 μ m，兩個電流注入?yún)^(qū)間的距離為5 μ m，高脊形和低脊形寬度為均為5 μ m。如圖5(b)、5(c)所示為該多電流注入?yún)^(qū)的全布拉格反射波導半導體激光器陣列的二維基橫模近場分布和二維遠場分布示意圖。從圖5(b)中可以看出，本發(fā)明激光器陣列的橫向和縱向的模式尺寸大大增加，從圖5(c)中可以看出，橫向和縱向遠場發(fā)散角Θ 〃和Θ ±非常低，半高全寬FWHM分別僅為I. 8。和5. 4°。
權(quán)利要求
1.低發(fā)散角全布拉格反射波導半導體激光器陣列，該陣列的縱向結(jié)構(gòu)從下至上依次為N型襯底(101)、N型限制層(102)、N型布拉格反射波導(103)、有源區(qū)(104)、P型布拉格反射波導(105)、P型限制層(106)和P型蓋層(107)，所述縱向結(jié)構(gòu)中N型布拉格反射波導(103)和P型布拉格反射波導(105)分別至少由一對高、低折射率材料周期生長組成，其特征在于，該陣列橫向結(jié)構(gòu)包括電流注入?yún)^(qū)(201)和電流注入?yún)^(qū)(201)兩側(cè)的橫向布拉格反射波導，所述兩側(cè)的橫向布拉格反射波導分別至少由一對高、低脊形結(jié)構(gòu)周期排列組成， 所述低脊形部分緊挨電流注入?yún)^(qū)(201)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低發(fā)散角全布拉格反射波導半導體激光器陣列，其特征在于，所述電流注入?yún)^(qū)(201)由下至上包括該陣列的整個縱向結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低發(fā)散角全布拉格反射波導半導體激光器陣列，其特征在于，所述高、低脊形結(jié)構(gòu)包括該陣列的縱向結(jié)構(gòu)從下至上為N型襯底(101)至P型布拉格波導(105)和P型蓋層(107)之間的任意一層結(jié)構(gòu)，所述高脊形結(jié)構(gòu)高于低脊形結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低發(fā)散角全布拉格反射波導半導體激光器陣列，其特征在于，所述電流注入?yún)^(qū)(201)為多個。
全文摘要
低發(fā)散角全布拉格反射波導半導體激光器陣列，屬于半導體激光器領(lǐng)域，為了降低縱向和橫向發(fā)散角，以改善激光器的光束質(zhì)量，獲得高亮度激光輸出，本發(fā)明設(shè)計了低發(fā)散角全布拉格反射波導半導體激光器陣列，該陣列縱向結(jié)構(gòu)從下至上依次為N型襯底、N型限制層、N型布拉格反射波導、有源區(qū)、P型布拉格反射波導、P型限制層、P型蓋層，所述縱向結(jié)構(gòu)中N型布拉格反射波導和P型布拉格反射波導分別至少由一對高、低折射率材料周期生長組成，該陣列橫向結(jié)構(gòu)包括電流注入?yún)^(qū)和其兩側(cè)的橫向布拉格反射波導，所述兩側(cè)的橫向布拉格反射波導分別至少由一對高、低脊形結(jié)構(gòu)周期排列組成，所述低脊形部分緊挨電流注入?yún)^(qū)。本發(fā)明實現(xiàn)了高亮度激光輸出。
文檔編號H01S5/22GK102611002SQ20121008011
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者佟存柱, 劉云, 曾玉剛, 楊曄, 汪麗杰, 王立軍 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所