低发散角近衍射极限输出啁啾光子晶体边发射激光器阵列

摘要

本发明公开了一种低发散角近衍射极限输出啁啾光子晶体边发射激光器阵列，包括：N型衬底；形成于该N型衬底之上的N型缓冲层；形成于该N型缓冲层之上的N型啁啾光子晶体波导；形成于该N型啁啾光子晶体波导之上的有源层；形成于该有源层之上的P型限制层；以及形成于该P型限制层之上的P型盖层；其中，对该P型盖层和该P型限制层进行刻蚀在该激光器阵列表面形成一个宽度呈啁啾变化的脊形波导阵列，该脊形波导阵列位于该激光器阵列表面中间部分的是电流注入区，位于该电流注入区两侧的是第一无源损耗区和第二无源损耗区。利用本发明，可在提高边激光器输出功率的同时，降低发散角并滤除高阶模式，实现高功率低发散角近衍射极限激光输出。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种低发散角近衍射极限输出啁啾光子晶体边发射激光器阵列。

背景技术

半导体激光器有较高的电光转化效率，通过选用不同的有源区材料或改变多元化合物半导体各组元的组分可得到所需激射波长，覆盖的波段范围广，寿命长，能通过注入电流直接调制，与气态和全固态激光器相比还具有体积小、重量轻、价格便宜的优点。相比于面发射半导体激光器如VCSEL等，边发射半导体激光器在高效率、大功率激光输出方面有着极大的优势。

近十年来，边发射半导体激光器的输出功率和寿命得到了显著提高，室温下单个激光器巴条连续输出功率已超过百瓦，激光器堆叠输出功率也超过了千瓦，同时使用寿命可达数千小时，从而广泛应用于泵浦固态激光器(如Nd:YAG激光器)、泵浦光纤通信中的光源(如掺铒光纤放大器EDFA)、材料的焊接与处理以及印刷工业、医学、军事等领域。但是，要进一步扩大半导体激光器的应用范围甚至取代气态、全固态激光器却受限于边发射半导体激光器的远场特性。

传统边发射半导体激光器在垂直于pn结方向(简称垂直方向，或快轴)发散角(半高全宽)约为30～50°，平行于pn结方向(简称水平方向，或慢轴)发散角(半高全宽)约为10～15°，远场光斑呈椭圆形。另外，两个方向上都存在高阶模和基模同时激射的问题，导致发散角随注入电流显著变化。这些都使得边发射半导体激光器在很多领域难以直接应用，虽然采用光束整形和外腔元件反馈等方式在一定程度上能降低快轴发散角，却无法解决模式不稳定等问题，同时还存在工艺复杂、难以集成等缺点。

为了降低激光器的垂直方向发散角，本研究团队申请的中国专利CN201110147409.2采用在激光器外延结构N型一侧引入一维周期性光子晶体结构的方法，利用折射率的周期性变化产生的光子晶体能带对光子态进行调制，实现光子态的模式扩展。同时利用有源层作为光子晶体“缺陷”的局域作用使基模主要能量集中在量子阱区内，而高阶模则扩展到光子晶体损耗区中，从而根据模式损耗的不同选出基模，同时降低快轴发散角。这不同于中国专利申请CN 201110272765.7和CN 201210080117.6所采用的布拉格反射波导机制。另外，由于半导体材料中空穴对光的载流子吸收损耗要大于电子对光的吸收损耗，因此只在N型一侧引入光子晶体结构能够大大地降低激射阈值，提高输出功率，同时还能避免在P型一侧引入光子晶体带来的P型层过厚、串联电阻过高的问题，从而在激光器性能上能优于中国专利申请CN 201210164640.7所提出的布拉格发射波导双光束激光器。然而，当快轴发散角的进一步降低要求增加基模扩展尺寸时，通常简单地采用增大N型区光子晶体周期或周期数的方法。这样同时也会造成基模限制在有源层中的能量比例(即限制因子)降低，甚至与高阶模的限制因子相比拟，导致模式竞争及模式不稳定输出等现象发生。另外，输出功率的增大带来的载流子或热效应也会影响折射率分布，造成高阶模激射。这些都会使光束质量变差，从而要求我们改变结构来进一步增大基模和高阶模的限制因子比。在垂直方向上用啁啾光子晶体代替周期性光子晶体，可以进一步增强有源层作为缺陷的“陷光”作用。在保证基模仍有较大的扩展范围的同时，让更多的基模能量集中在有源层中，而更多的高阶模能量被滤除到光子晶体区内，从而在快轴方向实现低发散角的同时，也能保证基模的激射，使输出激光近衍射极限。

同样，在半导体激光器水平方向上引入周期性波导结构形成激光器阵列时，虽然获得了水平方向上各个模式的展宽和输出功率的提升，但是也存在着模式竞争的问题。由于基模(同相模)限制在电流注入区的能量比例(即限制因子)与高阶模(反相模)的非常接近，使得两个模式同时激射，造成发散角的增大。另外，由于电流注入区内载流子或热效应的影响，发散角会随着电流注入水平而显著变化，最终使远场特性恶化。在水平方向采用啁啾结构代替周期性结构后，对周期性的破坏会使基模局域，高阶模扩展。结合电流选择性注入方式，可以提高基模的限制因子，同时大大地降低高阶模的限制因子，从而“滤除”高阶模。最终整个阵列输出为同相模，水平方向的远场为稳定的低发散角近衍射极限的单瓣分布。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种能够在垂直方向和水平方向上同时实现单瓣低发散角和稳定的近衍射极限输出的低发散角近衍射极限输出啁啾光子晶体边发射激光器阵列，在提高激光器输出功率的同时极大地改善光束质量，获得高亮度的激光。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种低发散角近衍射极限输出啁啾光子晶体边发射激光器阵列，包括：N型衬底101；形成于该N型衬底之上的N型缓冲层102；形成于该N型缓冲层之上的N型啁啾光子晶体波导103；形成于该N型啁啾光子晶体波导之上的有源层104；形成于该有源层之上的P型限制层105；以及形成于该P型限制层之上的P型盖层106；其中，对该P型盖层106和该P型限制层105进行刻蚀或腐蚀在该激光器阵列表面形成一个宽度呈啁啾变化的脊形波导阵列，该脊形波导阵列位于该激光器阵列表面中间部分的是电流注入区201，位于该电流注入区201两侧的是第一无源损耗区202和第二无源损耗区203。

上述方案中，所述N型啁啾光子晶体波导103由至少两对高折射率材料和低折射率材料交替叠置而成，且该至少两对高折射率材料和低折射率材料的折射率分布或厚度分布各不相同。所述N型啁啾光子晶体波导103中相邻高或低折射率材料的厚度或组分的差异，从靠近有源层104向靠近N型衬底101的方向逐渐增大，其变化方式为任意形式，包括线性、抛物线型。

上述方案中，所述有源层104包括中心的单层或多层量子阱，以及两侧对称或不对称分布的不掺杂的窄波导层。所述单层或多层量子阱采用的材料为任意有源介质材料。所述单层或多层量子阱采用的材料为III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料，增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。所述III-V族半导体材料为GaN/AlGaN、GaAs/AlGaAs或InP/InGaAsP，所述II-VI族半导体材料为ZnO。

上述方案中，所述宽度呈啁啾变化的脊形波导阵列的脊形宽度由阵列中心向阵列两侧方向逐渐减少，减小方式包括线性变化或抛物线型变化。

上述方案中，所述电流注入区201、第一无源损耗区202或第二无源损耗区203均至少包含一个脊形波导，所述电流注入区201中脊形波导204有电流注入，脊形波导204之间区域205没有电流注入。所述对该P型盖层106和该P型限制层105进行刻蚀或腐蚀在该激光器阵列表面形成一个宽度呈啁啾变化的脊形波导阵列时，刻蚀或腐蚀深度大于该P型盖层106的厚度且小于该P型盖层106与该P型限制层105的厚度之和。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种低发散角近衍射极限输出啁啾光子晶体边发射激光器阵列，其垂直方向和水平方向波导均采用啁啾光子晶体结构。垂直方向啁啾光子晶体结构在保证基模具有与周期性光子晶体一样的扩展尺度的情况下，使得更多的基模能量局域在有源层而更多的高阶模能量分布在损耗的光子晶体区域中。水平方向啁啾光子晶体结构的脊形波导宽度从中心向两边逐渐减小。中心区为电流注入区，两侧为无源损耗区，使得基模能量主要集中在注入区而高阶模能量主要集中在损耗区。在两个方向上同时引入啁啾光子晶体结构，既能保留周期性光子晶体结构所实现的低发散角输出的优点，又克服了周期性光子晶体结构所存在的模式特性不稳定、光束质量差的问题。总之，本发明提供的这种低发散角近衍射极限输出啁啾光子晶体边发射激光器阵列具有输出功率高、发散角窄、近衍射极限输出、稳定性好等优点，且制备工艺简单，重复性好，成本低，在高亮度半导体激光领域会有广泛的应用前景。

附图说明

图1为依照本发明的低发散角近衍射极限输出啁啾光子晶体边发射激光器阵列输出端面的结构示意图。

图2(a)和图2(b)分别为实施例1的激光器阵列在垂直、水平方向上的有效折射率分布图。

图3(a)和图3(b)分别为在垂直方向采用周期性光子晶体结构获得高限制因子比的激光器，其基模与高阶模的近场分布、基模的远场分布图。

图4(a)和图4(b)分别为在垂直方向采用周期性光子晶体结构获得低发散角的激光器，其基模与高阶模的近场分布、基模的远场分布图。

图5(a)和图5(b)分别为实施例1的激光器阵列在垂直方向上的基模与高阶模的近场分布、基模的远场分布图。

图6(a)和图6(b)分别为在水平方向上采用周期性光子晶体结构的激光器阵列，其基模(同相模)和高阶模(反相模)的近场分布、基模的远场分布图。

图7(a)和图7(b)分别为实施例1的激光器阵列在水平方向上的基模(同相模)和高阶模(反相模)的近场分布、基模的远场分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1为依照本发明实施例的低发散角近衍射极限输出啁啾光子晶体边发射激光器阵列的结构示意图，该激光器阵列包括：N型衬底101；形成于该N型衬底101之上的N型缓冲层102；形成于该N型缓冲层102之上的N型啁啾光子晶体波导103；形成于该N型啁啾光子晶体波导103之上的有源层104；形成于该有源层104之上的P型限制层105；以及形成于该P型限制层105之上的P型盖层106；其中，对该P型盖层106和该P型限制层105进行刻蚀或腐蚀在该激光器阵列表面形成一个宽度呈啁啾变化的脊形波导阵列，该脊形波导阵列位于该激光器阵列表面中间部分的是电流注入区201，位于该电流注入区201两侧的是第一无源损耗区202和第二无源损耗区203。

其中，N型啁啾光子晶体波导103由至少两对高折射率材料和低折射率材料交替叠置而成，且该至少两对高折射率材料和低折射率材料的折射率分布或厚度分布各不相同，不同周期内N型高折射率层110(或N型低折射率层111)的组分相同而厚度不同，或者厚度相同而组分不同。N型啁啾光子晶体波导103中相邻高或低折射率材料的厚度或组分的差异，从靠近有源层104向靠近衬底101的方向逐渐增大。其变化方式可为任意形式，包括线性、抛物线型。通过对两端的高、低折射率层的组分、厚度以及啁啾变化的形式进行优化，得到一个在靠近有源层的光子晶体中急剧衰减而在远离有源层的光子晶体中缓慢衰减的基模场分布，和一个主峰大多分布在光子晶体层的高阶模场分布。此时基模的限制因子较高，模场范围也较大，对应的发散角较低，而高阶模则因限制因子较低被抑制，从而在垂直方向上获得低发散角近衍射极限输出。

有源层104包括中心的单层或多层量子阱，以及两侧对称或不对称分布的不掺杂的窄波导层。所述单层或多层量子阱采用的材料为任意有源介质材料，包括III-V族半导体材料和II-VI族半导体材料，增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。III-V族半导体材料为GaN/AlGaN、GaAs/AlGaAs或InP/InGaAsP等，II-VI族半导体材料为ZnO。

本发明低发散角近衍射极限输出啁啾光子晶体边发射激光器阵列，其水平方向结构从左至右为第一无源损耗区202、电流注入区201、第二无源损耗区203。电流注入区201、第一无源损耗区202或第二无源损耗区203均至少包含一个脊形波导。脊形宽度从电流注入区201的中心向阵列两侧逐渐减小，减小方式可以为任意形式包括线性变化和抛物线型变化。第一无源损耗区202和第二无源损耗区203相对于电流注入区201可为对称分布，或非对称分布。电流注入区201内脊形波导204有电流注入，脊形波导之间的区域205没有电流注入。所述对该P型盖层106和该P型限制层105进行刻蚀或腐蚀在该激光器阵列表面形成一个宽度呈啁啾变化的脊形波导阵列时，刻蚀或腐蚀深度大于该P型盖层106的厚度且小于该P型盖层106与该P型限制层105的厚度之和。

以下结合具体的实施例对本发明提供的低发散角近衍射极限输出啁啾光子晶体边发射激光器阵列作进一步详细说明。

实施例一

如图2(a)和图2(b)所示，分别为波长为905nm的低发散角近衍射极限输出啁啾光子晶体边发射激光器阵列在垂直和水平方向上的折射率分布图。图2(a)中垂直方向啁啾光子晶体结构包含8对Al_0.22Ga_0.78As/Al_0.3Ga_0.7As交替生长的高、低折射率层，并采用厚度线性变化的啁啾形式。最靠近有源层的一对光子晶体的低、高折射率层厚度分别为0.6μm和0.2μm，而最靠近衬底的一对低、高折射率层厚度分别为0.53μm和0.27μm。相邻高(或低)折射率层厚度差值为10nm。图2(b)中水平方向光子晶体包含9个对称分布的脊形波导，从中心到边缘波导宽度分别为5、4、4、3、3μm，相邻波导间的间隔均为2μm宽。图3至图7中的基模和高阶模的近场分布均采用能量归一化的形式。

图3对应于在垂直方向采用周期性光子晶体结构获得高限制因子比的激光器。图3(a)为基模与限制因子最高的高阶模的近场分布图，图3(b)为基模的远场分布图。其垂直方向光子晶体与实施例1的垂直方向啁啾光子晶体的材料结构、总厚度均相同，只是低、高折射率层厚度分别为0.55μm和0.25μm。虽然获得了大的限制因子比，但是发散角(半高全宽)却接近10°。图4(a)和图4(b)分别为对图3的光子晶体各层厚度进行调整优化而得到的结果，低、高折射率层厚度分别调整为0.5μm和0.3μm。可以看到基模发散角得到了降低(7.5°)，却牺牲了限制因子比(接近1)，这容易产生高阶模的激射。因此可以看出周期性光子晶体结构得到高限制因子比则牺牲了小发散角，追求发散角小则放弃了高限制因子比，难以产生低发散角近衍射极限输出的激光。

如图5(a)和图5(b)所示，实施例1的激光器阵列在垂直方向上采用厚度啁啾的形式，在保证基模场分布有较大扩展下(发散角6.7°)，其垂直方向基模和高阶模的限制因子比接近6∶1，从而对高阶模有很好的抑制作用，防止大电流工作时高阶模激射产生的发散角增大的问题。啁啾光子晶体结构兼顾了高限制因子比和低发散角，为获得大功率下垂直方向低发散角近衍射极限输出的激光提供了有力的途径。

图6(a)和图6(b)对应于水平方向上采用周期性光子晶体结构的激光器阵列，图6(a)为基模和高阶模近场分布图，图6(b)为基模的远场分布图。如图所示，基模扩展范围较大，对应的发散角也较小。但是高阶模式与基模具有非常类似的场分布，基模限制因子甚至小于高阶模。即使采用选择性注入方式，也无法消除两个模式的竞争。最终两个模式会同时激射，且大功率下高阶模式会更占优势，使得远场分布表现为高阶模的双瓣，发散角偏大。

如图7(a)和图7(b)所示，实施例1的激光器阵列在水平方向上采用啁啾光子晶体结构，调制基模和高阶模的场分布，使二者产生了较大的差异。基模主要集中在中心区域而高阶模则主要分布在阵列的两边。通过在中心区域的五个宽脊形波导上选择性注入电流，可以使增益主要集中在基模，而高阶模则被损耗所抑制，基模和高阶模的限制因子比可大于10∶1，比图6中的周期性光子晶体阵列高一个数量级。从而使得激光器阵列的远场分布表现为基模的单瓣特征，且发散角很小，理论上可接近衍射极限。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。