一种单横模宽波导半导体激光器

1.本发明涉及半导体激光器技术领域，具体为一种单横模宽波导半导体激光器。


背景技术：

2.传统半导体激光器的亮度是有限的，为了保持单空间模式，设计的光波导结构的横向和侧向尺寸通常与波长的数量级相同，如此小的尺寸限制了最大输出功率，又因为存在热效应，输出功率通常小于1w。如果使用较宽的条型波导，则很难保持单一的横向模式。为了实现高亮度、高输出功率，半导体激光器目前主要有三种方案：第一种是锥形激光器，最早由麻省理工学院的林肯实验室的j.n.walpole提出(j.n.walpole.semiconductoramplifiersand laserswithtaperedgainregions.opticalandquantumelectronics,vol.28,pp.623-645,1996.)。相比于传统的窄条型半导体激光器，锥形激光器拥有高一个数量级的亮度。但是锥形光器存在光束不稳定，并且输出光束很难有效地耦合到光纤中的问题。第二种是倾斜光栅分布反馈激光器(b.pezeshki,m.hagberg,m.zelinski,s.d.demars,e.kolev,r.j.lang.400-mw single-frequency660-nmsemiconductorlaser.ieeephotonicstechnologyletters,vol.11,pp.791-793,1999.)，倾斜光栅分布反馈激光器能提供近高斯分布的远近场，高边模抑制比，以及对放大自发辐射的有效抑制，输出功率最高可达1w，但是倾斜光栅dfb结构很难制造，纵横比大的光束也很难有效地耦合到光纤中。第三种是平板耦合光波导激光器，由j.n.walpole等人用1.3μmingaasp/inp激光器进行首次概念验证演示(j.n.walpole,j.p.donnelly,p.j.taylor,l.j.missaggia,c.t.harris,r.j.bailey,etal.slab-coupled1.3-μmsemiconductorlaserwithsingle-spatiallarge-diametermode.ieeephotonics technologyletters,vol.14,pp:756-758,2002.)。平板耦合光波导激光器具有大的近似圆形模场，具有大功率和高亮度。低寄生损耗也允许制造非常长的器件，使其更容易处理高功率散热问题而无需散热波导，但是平板耦合光波导激光器也存在转换效率较低的问题。
3.综上所述，在保证单横模的前提下，尽可能的提高半导体激光器的输出功率、亮度和光束质量是目前需要解决的难题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种单横模宽波导半导体激光器，其脊波导相比于传统的单模脊波导分布反馈激光器更宽，可以得到更高的输出功率、更高的亮度和更好的光束质量。
5.为达上述目的，本发明提供了一种单横模宽波导半导体激光器，包括自下而上依次设置的衬底、下波导盖层、有源层和上波导盖层；所述衬底的底部与所述上波导盖层的顶部均设置有电极；所述上波导盖层、有源层和下波导盖层共同构成p-i-n结构；所述上波导盖层包括未刻蚀层以及设置在所述未刻蚀层上的脊波导的脊区，所述脊波导的脊区的两侧均设置有一段伴随波导。
6.进一步的，所述伴随波导的宽度与所述脊波导的脊区的宽度相同或不同。
7.进一步的，所述脊波导的宽度大于4μm，所述伴随波导采用锥形波导结构或直波导结构，所述伴随波导的宽度小于脊波导的宽度，宽度最小是脊波导宽度的0.1倍。
8.进一步的，所述伴随波导通过重掺杂、金属、或离子注入的方式引入高损耗将高阶模式滤除；或通过调整伴随波导的宽度和伴随波导与脊波导的距离将高阶模式耦合到平板模式中滤除。
9.进一步的，所述下波导盖层为n型掺杂，设置有高掺杂的n欧姆接触层；上波导盖层为p型掺杂，设置有高掺杂的p欧姆接触层。
10.进一步的，有源层中含有一个或多个量子阱，以及至少一个下分别限制层和上分别限制层。
11.进一步的，有源层中采用量子点或者体材料作为有源介质，并包含至少一个下分别限制层和上分别限制层。
12.进一步的，半导体激光器两端为自然解理面，或两端分别镀上增透膜或高反膜，增透膜的反射率小于1％，高反膜的反射率大于99％。
13.本发明的有益效果在于：
14.本发明提出了一种单横模宽波导半导体激光器，在脊波导的脊区的两侧各添加了一段伴随波导，伴随波导能够将脊波导的高阶模式耦合到伴随波导中并损耗掉，因此脊波导相比于传统的单模脊波导分布反馈激光器更宽，可以得到更高的输出功率、更高的亮度和更好的光束质量。
附图说明
15.图1为本发明的结构示意图；
16.图2为本发明脊波导一阶模的有效折射率随着伴随波导宽度的变化关系曲线。
17.图3为本发明脊波导一阶模的光场分布图。
18.图4为本发明伴随波导基模的光场分布图。
19.图5为本发明脊波导的一阶模与伴随波导的基模的耦合效率随脊波导的脊区与伴随波导间隔的变化关系曲线。
20.图6为本发明脊波导一阶模和伴随波导基模的耦合效率随传输距离的变化关系曲线。
21.其中，图中：
22.1、电极；2、衬底；3、下波导盖层；4、有源层；5、上波导盖层；6、p欧姆接触层；7、未刻蚀层；8、脊波导的脊区；9、伴随波导。
具体实施方式
23.为达成上述目的及功效，本发明所采用的技术手段及构造，结合附图就本发明较佳实施例详加说明其特征与功能。
24.如图1所示，本发明提供了一种单横模宽波导半导体激光器，包括自下而上依次设置的衬底2、下波导盖层3、有源层4和上波导盖层5；所述衬底2的底部与所述上波导盖层5的顶部均设置有电极1；所述上波导盖层5、有源层4和下波导盖层3共同构成p-i-n结构；所述
上波导盖层5包括未刻蚀层7以及设置在所述未刻蚀层7上的脊波导的脊区8，所述脊波导的脊区8的两侧均设置有一段伴随波导9。
25.本实施例中，所述伴随波导9的宽度与所述脊波导的脊区8的宽度相同或不同。
26.本实施例中，所述脊波导的宽度大于4μm，所述伴随波导采用锥形波导结构或直波导结构，所述伴随波导9的宽度小于脊波导的宽度，宽度最小是脊波导宽度的0.1倍，图1中伴随波导采用锥形波导结构。伴随波导用于滤除脊波导中的高阶横模。
27.本实施例中，所述伴随波导9通过重掺杂、金属、或离子注入的方式引入高损耗将高阶模式滤除；或通过调整伴随波导9的宽度和伴随波导9与脊波导的脊区8的距离将高阶模式耦合到平板模式中滤除。
28.本实施例中，所述下波导盖层3为n型掺杂，设置有高掺杂的n欧姆接触层；上波导盖层5为p型掺杂，设置有高掺杂的p欧姆接触层6，掺杂浓度范围为10
19
～10
20
cm-3
，来提供足够的载流子。上波导盖层5、有源层4和下波导盖层3共同构成p-i-n结构。
29.本实施例中，有源层4不掺杂，含有一个或多个量子阱(或采用量子线、量子点或者体材料作为有源介质)，以及至少一个下分别限制层和上分别限制层。
30.本实施例中，半导体激光器两端为自然解理面，或两端分别镀上增透膜或高反膜，增透膜的反射率小于1％，来提高输出功率，高反膜的反射率大于99％，来提供足够的光反馈。
31.本发明提出了一种单横模宽波导半导体激光器，在脊波导的脊区的两侧各添加了一段伴随波导，伴随波导能够将脊波导的高阶模式耦合到伴随波导中并损耗掉，因此脊波导相比于传统的单模脊波导分布反馈激光器更宽，可以得到更高的输出功率、更高的亮度和更好的光束质量。整个激光器制作工艺与传统的脊波导分布反馈激光器相同，因此具有低成本、制作简便、成品率高等特点。
32.图2为本发明该具体实例激光器在脊波导的脊区的宽度为6μm，脊波导一阶模和伴随波导基模的有效折射率随伴随波导宽度的变化关系曲线。可以看到当伴随波导的宽度在2.4μm时，脊波导一阶模和伴随波导基模的有效折射率匹配，脊波导一阶模能够有效耦合到伴随波导基模中，因此激光器拥有很大的脊波导和伴随波导间隔宽度制作容差和耦合效率。
33.图3与图4为本发明该具体实例激光器在脊波导的宽度为6μm，伴随波导的宽度为2.4μm条件下，脊波导一阶模和伴随波导基模的光场分布，分别如图3和图4所示。可以看到脊波导一阶模的光场被限制在脊波导的脊区下，而伴随波导基模主要限制在伴随波导下。
34.图5为本发明该具体实例激光器在脊波导的宽度为6μm，伴随波导为锥形波导结构，宽度由2.3μm线性增大到2.5μm时，脊波导的一阶模与伴随波导的基模的耦合效率随着脊波导和伴随波导间隔的变化关系曲线，伴随波导与脊波导间隔增加，耦合效率减小。
35.图6为本发明该具体实例激光器在脊波导的宽度为6μm，伴随波导与脊波导的间隔为2μm的条件下，脊波导一阶模与伴随波导的基模的耦合效率随着传输长度的变化关系曲线，耦合效率随着传输长度的增加而振荡，最高可高达34％，可见，脊波导一阶模有效耦合到了伴随波导中，从而保证输出端脊波导单横模工作。
36.以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属
于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种单横模宽波导半导体激光器，其特征在于，包括自下而上依次设置的衬底、下波导盖层、有源层和上波导盖层；所述衬底的底部与所述上波导盖层的顶部均设置有电极；所述上波导盖层、有源层和下波导盖层共同构成p-i-n结构；所述上波导盖层包括未刻蚀层以及设置在所述未刻蚀层上的脊波导的脊区，所述脊波导的脊区的两侧均设置有一段伴随波导。2.如权利要求1所述的一种单横模宽波导半导体激光器，其特征在于，所述伴随波导宽度与所述脊波导的脊区的宽度相同或不同。3.如权利要求2所述的一种单横模宽波导半导体激光器，其特征在于，所述脊波导的宽度大于4μm，所述伴随波导采用锥形波导结构或直波导结构，所述伴随波导的宽度小于脊波导的宽度，宽度最小是脊波导宽度的0.1倍。4.如权利要求3所述的一种单横模宽波导半导体激光器，其特征在于，所述伴随波导通过重掺杂、金属、或离子注入的方式引入高损耗将高阶模式滤除；或通过调整伴随波导的宽度和伴随波导与脊波导的距离将高阶模式耦合到平板模式中滤除。5.如权利要求1所述的一种单横模宽波导半导体激光器，其特征在于，所述下波导盖层为n型掺杂，设置有高掺杂的n欧姆接触层；上波导盖层为p型掺杂，设置有高掺杂的p欧姆接触层。6.如权利要求1所述的一种单横模宽波导半导体激光器，其特征在于，有源层中含有一个或多个量子阱，以及至少一个下分别限制层和上分别限制层。7.如权利要求1所述的一种单横模宽波导半导体激光器，其特征在于，有源层中采用量子点或者体材料作为有源介质，并包含至少一个下分别限制层和上分别限制层。8.如权利要求1所述的一种单横模宽波导半导体激光器，其特征在于，半导体激光器两端为自然解理面，或两端分别镀上增透膜或高反膜，增透膜的反射率小于1％，高反膜的反射率大于99％。

技术总结
本发明关于一种单横模宽波导半导体激光器，涉及半导体激光器技术领域。包括自下而上依次设置的衬底、下波导盖层、有源层和上波导盖层；衬底的底部与上波导盖层的顶部均设置有电极；上波导盖层、有源层和下波导盖层共同构成P-i-N结构；上波导盖层包括未刻蚀层以及设置在未刻蚀层上的脊波导的脊区，脊波导的脊区的两侧均设置有一段伴随波导。本发明在脊波导的脊区的两侧各添加了一段伴随波导，伴随波导能够将脊波导的脊区中的高阶模式耦合到伴随波导中并损耗掉，因此脊波导相比于传统的单模脊波导分布反馈激光器更宽，可以得到更高的输出功率、更高的亮度和更好的光束质量。更高的亮度和更好的光束质量。更高的亮度和更好的光束质量。


技术研发人员：陆巧银 向敏文 张元昊 国伟华
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/8/24