弯曲锥形光子晶体激光器及阵列、阵列光源组制造技术

本发明专利技术公开了一种弯曲锥形光子晶体激光器及阵列、阵列光源组。其中，弯曲锥形光子晶体激光器包括：依次相连的脊波导部分，弯曲波导部分和锥形光放大部分；其中，脊波导部分为直波导，弯曲波导部分具有一弧度，锥形光放大部分沿着光输出的方向渐扩。通过引入光子晶体结构，调控腔内模式实现较窄的垂直和水平发散角，简化了光学准直、压缩系统，并且通过合理设计波导结构，使不同部分的波导模式匹配，在不需要旋转机台的情况下便可实现多角度、宽范围的激光输出，且增加了激光辐照和扫描的范围和精度，具有可调的、较低的角分辨率，结构紧凑，稳定性高，成本低，在激光测距、激光成像、激光雷达等领域中具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
弯曲锥形光子晶体激光器及阵列、阵列光源组
本公开属于半导体光电子器件
，涉及一种弯曲锥形光子晶体激光器及阵列、阵列光源组。
技术介绍
半导体激光器是电光转换效率最高的光源，具有覆盖波段范围广、寿命长、能直接调制、体积小、成本低等优点。在激光测距、激光成像、光信息存储等领域具有广泛的应用。早期用于激光测距和激光成像的光源为红宝石激光器和CO2气体激光器，但是固体激光器和气体激光器相比于半导体激光器面临体积大、效率低和可靠性差等缺点。并且随着半导体激光器制造工艺的成熟，半导体激光器的输出功率不断提高，成本不断降低，促使以半导体激光器为光源的激光雷达迅速发展，成为激光雷达研究和发展的热点。在激光雷达装置中，为有效进行激光成像和激光测距，需要光源进行宽角度、大范围、高精度扫描和辐照，其中，扫描范围越大，可成像范围越大，可感知周围的信息越多；用于扫描的光源发散角越小，可获得的数据点越多，成像精度越高。现阶段商用半导体激光器水平发散角在10～25度，垂直发散角约40度，可探测范围有限，并且角分辨率较差，常配合一系列压缩准直光学系统才能使用。为了增加扫描范围，一些商用激光雷达装置将半导体激光器置于可旋转的机台上，通过机台的旋转，增加半导体激光器的扫描范围，不过这显著增加了激光雷达装置的体积、系统复杂性和不稳定性，也增加了其成本。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种一种弯曲锥形光子晶体激光器及阵列、阵列光源组，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种弯曲锥形光子晶体激光器，包括：依次相连的脊波导部分，弯曲波导部分和锥形光放大部分；其中，脊波导部分为直波导，弯曲波导部分具有一弧度，锥形光放大部分沿着光输出的方向渐扩。在本公开的一些实施例中，脊波导部分、弯曲波导部分和锥形光放大部分的外延结构为叠层结构，该叠层结构自下而上依次包括：N型衬底，N型限制层，光子晶体层，有源层，P型限制层，P型盖层；该依次相连的脊波导部分、弯曲波导部分和锥形光放大部分是从叠层结构上表面对P型盖层进行刻蚀形成的，该脊波导部分、弯曲波导部分和锥形光放大部分成为凸出的部分，其余凹陷的部分为刻蚀后剩下的P型盖层。在本公开的一些实施例中，弯曲锥形光子晶体激光器，还包括：下电极，形成于N型衬底的下方；电绝缘层，位于凹陷的部分之上；以及上电极，位于凸出的部分之上。在本公开的一些实施例中，脊波导部分为直波导，该脊波导部分的宽度介于300nm～200μm之间；和/或该脊波导的剖面包括：矩形、梯形或者三角形；和/或弯曲波导部分的宽度介于300nm～200μm之间，弯曲半径介于50μm～500μm之间，长度介于50μm～500μm之间；和/或锥形光放大部分的起始端宽度介于300nm～50μm之间，开口角θ1介于0°～15°之间，倾斜角θ2介于0°～15°之间，长度介于50μm～500μm之间。在本公开的一些实施例中，有源层的结构包括：量子阱、量子线或量子点，有源层的材料为III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料，该有源层的增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段；和/或电绝缘层的材料包括：SiO2、SiN4或Al2O3。根据本公开的另一个方面，提供了一种弯曲锥形光子晶体激光器阵列，包括：至少两个本公开提到的任一种弯曲锥形光子晶体激光器。在本公开的一些实施例中，通过改变每个弯曲锥形光子晶体激光器中脊波导的长度，弯曲波导部分的半径和长度，以及锥形光放大部分的开口角和倾斜角，在保证不同部分的波导模式匹配的条件下，实现不同偏角的侧向远场输出。在本公开的一些实施例中，各个弯曲锥形光子晶体激光器之间的间距介于300nm～500μm之间，这里的间距含义为脊波导部分之间的间距。根据本公开的又一个方面，提供了一种阵列光源组，包括至少两个上、下排布的弯曲锥形光子晶体激光器阵列，通过空间上的移位和各自弯曲锥形光子晶体激光器的不同排布，以实现上、下至少两个光子晶体激光器阵列远场侧向偏角呈交错分布。在本公开的一些实施例中，弯曲锥形光子晶体激光器阵列的个数为N个，包括：第一光源阵列，第二光源阵列，...，第i个光源阵列，...，第N个光源阵列；其中，N≥2；第一光源阵列中发光单元的侧向偏角输出包括：...，-4°，0°，4°，8°，...；在第i个光源阵列中发光单元的侧向偏角输出包括：...，(ki-4)°，ki°，(ki+4)°，(ki+8)°，...；其中，i＝1，2，...，N，N为阵列的总个数；ki为第i个光源阵列与前一个光源阵列的偏角错位值。在本公开的一些实施例中，阵列光源组的成像区域覆盖-30°至30°的范围，且该阵列光源组的角分辨率优于2°。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的弯曲锥形光子晶体激光器及阵列、阵列光源组，具有以下有益效果：通过引入光子晶体结构，调控腔内模式实现较窄的垂直和水平发散角，简化了光学准直、压缩系统，并且通过合理设计波导结构，使不同部分的波导模式匹配，在不需要旋转机台的情况下便可实现多角度、宽范围的激光输出，且增加了激光辐照和扫描的范围和精度，具有可调的、较低的角分辨率，结构紧凑，稳定性高，成本低，在激光测距、激光成像、激光雷达等领域中具有广阔的应用前景。附图说明图1为根据本公开实施例面向激光成像的弯曲锥形光子晶体激光器阵列的俯视图。图2为根据本公开实施例面向激光成像的阵列光源组的主视图。图3为根据本公开实施例面向激光成像的弯曲锥形光子晶体激光器的水平远场图。图4为根据本公开实施例面向激光成像的弯曲锥形光子晶体激光器的垂直远场图。图5A为根据本公开实施例第一光源阵列中单个弯曲锥形光子晶体激光器的远场输出光斑位于水平位置0°角处示意图。图6A为根据本公开实施例第一光源阵列中单个弯曲锥形光子晶体激光器的远场输出光斑位于水平位置4°角处示意图。图7A为根据本公开实施例第一光源阵列中单个弯曲锥形光子晶体激光器的远场输出光斑位于水平位置8°角处示意图。图8A为根据本公开实施例第一光源阵列中单个弯曲锥形光子晶体激光器的远场输出光斑位于水平位置12°角处示意图。图9A为根据本公开实施例第一光源阵列中单个弯曲锥形光子晶体激光器的远场输出光斑位于水平位置16°角处示意图。图10A为根据本公开实施例第一光源阵列中单个弯曲锥形光子晶体激光器的远场输出光斑位于水平位置20°角处示意图。图11A为根据本公开实施例第一光源阵列中单个弯曲锥形光子晶体激光器的远场输出光斑位于水平位置24°角处示意图。图12A为根据本公开实施例第一光源阵列中单个弯曲锥形光子晶体激光器的远场输出光斑位于水平位置28°角处示意图。图5B为根据本公开实施例第二光源阵列中单个弯曲锥形光子晶体激光器的远场输出光斑位于水平位置2°角处示意图。图6B为根据本公开实施例第二光源阵列中单个弯曲锥形光子晶体激光器的远场输出光斑位于水平位置6°角处示意图。图7B为根据本公开实施例第二光源阵列中单个弯曲锥形光子晶体激光器的远场输出光斑位于水平位置10°角处示意图。图8B为根据本公开实施例第二光源阵列中单个弯曲锥形光子晶体激光器的远场输出光斑位于水平位置14°角处示意图。图9B为根据本公开实施例第二光源阵列中单个弯曲锥形光子晶体激光器的远场本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种弯曲锥形光子晶体激光器，包括：依次相连的脊波导部分，弯曲波导部分和锥形光放大部分；其中，脊波导部分为直波导，弯曲波导部分具有一弧度，锥形光放大部分沿着光输出的方向渐扩。

【技术特征摘要】
1.一种弯曲锥形光子晶体激光器，包括：依次相连的脊波导部分，弯曲波导部分和锥形光放大部分；其中，脊波导部分为直波导，弯曲波导部分具有一弧度，锥形光放大部分沿着光输出的方向渐扩。2.根据权利要求1所述的弯曲锥形光子晶体激光器，其中，所述脊波导部分、弯曲波导部分和锥形光放大部分的外延结构为叠层结构，该叠层结构自下而上依次包括：N型衬底，N型限制层，光子晶体层，有源层，P型限制层，P型盖层；所述依次相连的脊波导部分、弯曲波导部分和锥形光放大部分是从叠层结构上表面对P型盖层进行刻蚀形成的，所述脊波导部分、弯曲波导部分和锥形光放大部分成为凸出的部分，其余凹陷的部分为刻蚀后剩下的P型盖层。3.根据权利要求2所述的弯曲锥形光子晶体激光器，还包括：下电极，形成于N型衬底的下方；电绝缘层，位于凹陷的部分之上；以及上电极，位于凸出的部分之上。4.根据权利要求1所述的弯曲锥形光子晶体激光器，其中：所述脊波导部分为直波导，该脊波导部分的宽度介于300nm～200μm之间；和/或该脊波导的剖面包括：矩形、梯形或者三角形；和/或所述弯曲波导部分的宽度介于300nm～200μm之间，弯曲半径介于50μm～500μm之间，长度介于50μm～500μm之间；和/或所述锥形光放大部分的起始端宽度介于300nm～50μm之间，开口角θ1介于0°～15°之间，倾斜角θ2介于0°～15°之间，长度介于50μm～500μm之间。5.根据权利要求2所述的弯曲锥形光子晶体激光器，其中，所述有源层的结构包括：量子阱、量子线或量子点，有源层的材料为III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料，该有源层的增益谱峰值波长范围覆盖近紫外...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑婉华，周旭彦，张小富，陈忠浩，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11