一种表面发射半导体激光相干列阵器件及其制备方法技术

本发明专利技术实施例公开了一种表面发射半导体激光相干列阵器件及其制备方法。器件包括设置在外延片P面的波导结构和外延片结构。波导结构包括光源模块、光束分离波导、增益列阵、光栅结构；光束分离波导将光源模块出射的单模单频激光光束进行分束；增益列阵将各子光束进行增益放大，光栅结构将增益放大的子光束衍射为沿相互垂直方向传播的二阶衍射光和一阶衍射光，二阶衍射光沿着传播方向振荡增益，一阶衍射光沿传播方向从出光孔激射；从外延片的N型衬底向上依次包括N型包层、N型光波导层、有源区、P型光波导层、P型包层；出光孔和N面金属电极设置在N型衬底的下表面，P面金属电极设置在P型包层上表面。本申请实现了高功率、高相干性激光输出。

A surface emitting diode laser coherent array device and its preparation method

An embodiment of the invention discloses a surface emitting semiconductor laser coherent array device and a preparation method. The device includes the waveguide structure and epitaxial piece structure set at the epitaxial slice P surface. The waveguide structure includes a light source module, beam separation, waveguide array, gain grating structure; beam waveguide will exit the light source module of single-mode single frequency laser beam splitter; array gain of each sub beam gain, beam diffraction grating structure will gain amplification along two order diffracted light perpendicular to the propagation direction and the first-order diffraction light, Nikai Nobuhikaru oscillations along the propagating direction of the gain, the first-order diffraction light along the propagation direction from the light hole lasing from N substrate; epitaxial wafer to top layer, including N type N type optical waveguide layer, active region, P type, P type optical waveguide layer cladding; out light hole and N plane metal electrode is arranged on the lower surface of the N substrate, P surface of metal electrodes in P cladding on the surface. This application has achieved high power and high coherence laser output.

【技术实现步骤摘要】
一种表面发射半导体激光相干列阵器件及其制备方法
本专利技术实施例涉及激光器制造
，特别是涉及一种表面发射半导体激光相干列阵器件及其制备方法。
技术介绍
半导体激光器为利用半导体材料作为工作物质的激光器，具有小巧、高效、寿命长、易于集成等优势。表面发射半导体激光相干列阵器件，具有输出功率高、光束质量好、相干度高和激射光谱线宽窄等优势，可作为测量目标的精细参数的高精度探测系统的理想光源，如激光雷达、主动探测识别等应用。在半导体激光加工、光纤激光器和固体激光器泵浦等方面具有广泛的应用前景。现有的表面发射半导体激光器列阵可包括垂直腔面发射半导体激光器列阵、外腔式面发射激光器列阵、表面发射分布反馈半导体激光列阵器件等。尽管面发射半导体激光器列阵在提高输出功率和优化光束质量等方面取得了很大的进步，但是，各类型的表面发射半导体激光器列阵仍存在各种问题。垂直腔面发射半导体激光器列阵的各单元振荡模式间不存在相互耦合，会导致各单元激射光束的频率、相位出现不同程度的差异，引起列阵器件相干度大幅降低，相干性变差。采用边发射半导体激光器和外腔反射镜组成的外腔式面发射激光器列阵，因其本身的结构复杂和各边发射激光器单元激射光束的频率不同，导致其对工作外部环境稳定性的要求很高，并且能量损失较大，无法实现高功率、高相干性激光输出。常规表面发射分布反馈半导体激光列阵器件，一般采用内部耦合锁相方法实现距离很近的相邻单元光相互耦合，提高列阵器件的相干性，但是该种列阵单元间相互作用机制复杂，能量耦合强度不易控制，不适用于实现高功率激光输出。鉴于此，如何实现高功率、高相干性的表面半导体激光输出，是本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的是提供一种表面发射半导体激光相干列阵器件及其制备方法，实现了高功率、高相干性的表面半导体激光输出。为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供以下技术方案：本专利技术实施例一方面提供了一种表面发射半导体激光相干列阵器件，包括：包括波导结构和外延片，所述波导结构设置在所述外延片的P面；所述波导结构包括用于产生单频单模种子光源的光源模块、光束分离波导、增益列阵及光栅结构；所述外延片在沿表面发射半导体激光相干列阵器件的纵向，从底部向上依次包括N型衬底、N型包层、N型光波导层、有源区、P型光波导层、P型包层；出光孔和N面金属电极设置在所述N型衬底的下表面，P面金属电极设置在所述P型包层上表面；所述光束分离波导设置在光源模块后端，用于将所述光源模块出射的激光光束分为多束子光束，并传输至所述增益列阵；所述增益列阵设置在所述光束分离波导后端，用于将各子光束进行增益放大；所述光栅结构用于将增益放大的各子光束分别衍射为沿相互垂直方向传播的二阶衍射光和一阶衍射光，各二阶衍射光沿着传播方向进行振荡增益之后，进行选模和反馈，各一阶衍射光沿传播方向从底部出光孔激射。可选的，所述光源模块为一阶反射光栅耦合第一波导，所述第一反射光栅设置在所述第一波导上。可选的，所述第一波导为脊型波导。可选的，还包括：高反膜，设置在所述脊型波导的外侧端面。可选的，所述增益列阵为脊型波导列阵。可选的，所述光束分离波导为主动多模干涉波导。可选的，所述光栅结构包括二阶衍射光栅和一阶反射光栅；所述二阶衍射光栅位于所述增益列阵中部，用于将各子光束分别衍射为沿表面发射半导体激光相干列阵器件横向传播的二阶衍射光和沿所述表面发射半导体激光相干列阵器件纵向传播的一阶衍射光，各二阶衍射光沿着传播方向进行振荡增益，各一阶衍射光沿传播方向从所述表面发射半导体激光相干列阵器件底部的出光孔激射；所述一阶反射光栅设置在所述增益阵列的尾部，用于将各二阶衍射光进行选模和反馈。可选的，还包括：抗反膜，设置在所述增益列阵的外侧端面。可选的，所述有源区为量子阱有源区或量子点有源区。本专利技术实施例另一方面提供了一种表面发射半导体激光相干列阵器件制备方法，包括：将金属有机化合物利用气相沉积技术生长在N型掺杂的GaAs衬底，以作为N型GaAs外延衬底；在所述N型GaAs外延衬底上方，依次制备N型包层、N型光波导层、有源区、P型光波导层、P型包层，所述P型包层上表面设置P面金属电极；采用全息光刻/电子束曝光和等离子刻蚀技术制作光栅结构；采用I-line光刻和等离子刻蚀技术将脊型波导、光束分离波导、列阵波导，刻蚀在所述P型光波导层，刻蚀深度大于光栅结构的深度；在所述N型GaAs外延衬底的下表面制备N面金属电极和出光孔。本专利技术实施例提供了一种表面发射半导体激光相干列阵器件，包括设置在外延片P面的波导结构和外延片结构；波导结构包括光源模块、光束分离波导、增益列阵、光栅结构；光束分离波导将光源模块出射的单模单频激光光束分为多束子光束；增益列阵将光束分离波导出射的各子光束进行增益放大，光栅结构将增益放大的各子光束分别衍射为沿相互垂直方向传播的二阶衍射光和一阶衍射光，各二阶衍射光沿着传播方向进行振荡增益之后，进行选模和反馈，各一阶衍射光沿传播方向从底部出光孔激射；从外延片的N型衬底结构向上依次包括N型包层、N型光波导层、有源区、P型光波导层、P型包层；出光孔和N面金属电极设置在N型衬底的下表面，P面金属电极设置在P型包层上表面。本申请提供的技术方案的优点在于，将相位确定的单模单频种子激光场进行分束增益放大，再通过二阶衍射光栅将多路单模单频激光场衍射为沿波导方向振荡增益的二阶衍射光和从衬底方向激射的一阶衍射光，使激光列阵器件的输出光场满足频率相同、相位差固定、单模激射相干条件，提高了半导体激光器列阵的相干性、稳定性和结构紧凑性，同时大大提升了激光器的输出功率，实现了高功率、高相干性激光输出；此外，器件制作简单，结构紧凑，体积小，且表面出光方式大幅提高半导体激光器的腔面光学损伤阈值，适用于激光雷达、主动探测识别等对光源的相干性和输出功率要求较高的高精度探测领域应用。此外，本专利技术实施例还针对表面发射半导体激光相干列阵器件提供了相对应的制备方法，进一步使得所述表面发射半导体激光相干列阵器件更具有可行性，所述方法具有相应的优点。附图说明为了更清楚的说明本专利技术实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的表面发射半导体激光相干列阵器件的一种具体实施方式结构框图；图2为本专利技术实施例提供的一种表面发射半导体激光相干列阵器件的底部结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的表面发射半导体激光相干列阵器件的另一种具体实施方式结构图；图4为本专利技术实施例提供的表面发射半导体激光相干列阵器件的再一种具体实施方式结构图；图5为本专利技术实施例提供的一种表面发射半导体激光相干列阵器件制备方法的流程示意图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面发射半导体激光相干列阵器件，其特征在于，包括波导结构和外延片，所述波导结构设置在所述外延片的P面；所述波导结构包括用于产生单频单模种子光源的光源模块、光束分离波导、增益列阵及光栅结构；所述外延片在沿表面发射半导体激光相干列阵器件的纵向，从底部向上依次包括N型衬底、N型包层、N型光波导层、有源区、P型光波导层、P型包层；出光孔和N面金属电极设置在所述N型衬底的下表面，P面金属电极设置在所述P型包层上表面；所述光束分离波导设置在光源模块后端，用于将所述光源模块出射的激光光束分为多束子光束，并传输至所述增益列阵；所述增益列阵设置在所述光束分离波导后端，用于将各子光束进行增益放大；所述光栅结构用于将增益放大的各子光束分别衍射为沿相互垂直方向传播的二阶衍射光和一阶衍射光，各二阶衍射光沿着传播方向进行振荡增益之后，进行选模和反馈，各一阶衍射光沿传播方向从底部出光孔激射。

【技术特征摘要】
1.一种表面发射半导体激光相干列阵器件，其特征在于，包括波导结构和外延片，所述波导结构设置在所述外延片的P面；所述波导结构包括用于产生单频单模种子光源的光源模块、光束分离波导、增益列阵及光栅结构；所述外延片在沿表面发射半导体激光相干列阵器件的纵向，从底部向上依次包括N型衬底、N型包层、N型光波导层、有源区、P型光波导层、P型包层；出光孔和N面金属电极设置在所述N型衬底的下表面，P面金属电极设置在所述P型包层上表面；所述光束分离波导设置在光源模块后端，用于将所述光源模块出射的激光光束分为多束子光束，并传输至所述增益列阵；所述增益列阵设置在所述光束分离波导后端，用于将各子光束进行增益放大；所述光栅结构用于将增益放大的各子光束分别衍射为沿相互垂直方向传播的二阶衍射光和一阶衍射光，各二阶衍射光沿着传播方向进行振荡增益之后，进行选模和反馈，各一阶衍射光沿传播方向从底部出光孔激射。2.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光相干列阵器件，其特征在于，所述光源模块为一阶反射光栅耦合第一波导，所述第一反射光栅设置在所述第一波导上。3.根据权利要求2所述的表面发射半导体激光相干列阵器件，其特征在于，所述第一波导为脊型波导。4.根据权利要求3所述的表面发射半导体激光相干列阵器件，其特征在于，还包括：高反膜，设置在所述脊型波导的外侧端面。5.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光相干列阵器件，其特征在于，所述增益列阵为脊型波导列阵。6.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光相干列阵器件，...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾鹏，陈泳屹，秦莉，张建伟，宁永强，王立军，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22