一种光栅面发射半导体激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种光栅面发射半导体激光器，属于激光器技术领域，该激光器包括依次设置的表面金属电极层、脊波导层、p型掺杂包层、p型掺杂光限制层、有源区、一阶光栅层、n型掺杂光限制层、隔离层和衬底层，在有源区上方设有高阶表面光栅，脊波导在与高阶表面光栅的重叠区为宽度渐变结构，形成折射率的渐变，使得激光出射角度与激光器表面法线方向存在一个夹角。本发明专利技术较小的脊波导宽度改变能实现较大的等效折射率变化，等效“啁啾”效果佳，实现激光出射的方向偏离激光器表面法线方向。出射的方向偏离激光器表面法线方向。出射的方向偏离激光器表面法线方向。

【技术实现步骤摘要】
一种光栅面发射半导体激光器


[0001]本专利技术属于激光器
，更具体地，涉及一种出光角度可调谐的水平腔表面发射半导体激光器。

技术介绍

[0002]随着科技的进步，作为高科技技术的代表之一的激光技术得到了日益广泛的应用，如激光制导，激光雷达，激光武器等军事应用，以及激光通信，激光美容，激光加工等民用应用。激光技术为人类社会带来了巨大的经济效益，对激光光源的开发具有重大意义。半导体激光器因其具有较高的能量转换效率，优良的光束性能，逐渐取代传统的气体与固体激光光源，成为市场上的主流激光光源。
[0003]半导体激光器按其出光方向分可分为两种：边发射激光器和面发射激光器。边发射激光器是指激光器的出光方向平行于有源层(半导体激光器的一个特征层)，即在水平方向上，由端面出光。边发射激光器的光束发散角大，光斑通常为椭圆形，与光纤的耦合效率低，通常需要透镜或其他分立光学元件耦合到光纤，而且在测试时需要解理成bar条，测试成本高。与边发射激光器不同的另一种类型的激光器是面发射激光器。面发射激光器的出光方向垂直于激光器的有源层，在垂直方向上出光，即由表面出光。面发射激光器具有光束发散角小，圆形光斑出射，与光纤耦合效率高等优点，且能直接在晶圆片上完成测试，降低了制造成本，改善了激光器性能。近年来，利用低成本，高抗损伤性的深刻蚀表面高阶表面光栅实现面发射的高阶表面光栅耦合型面发射半导体激光器得到了学术界和产业界的重视，众多研究成果被报道，其未来具有广阔的市场前景。
[0004]在实际应用时，半导体激光器光源需要与其他光学器件一起构成一个功能系统来进行使用，因此其需要满足与其他器件高效率光耦合的需求，如在光通信系统中应用时，半导体激光器需要与光纤进行耦合；集成光子芯片应用中，激光器需要与波导光栅进行耦合等。半导体激光器在与这些器件进行耦合时会具有较大的背向光反射，造成光耦合功率降低，且回波光噪声会影响激光器工作稳定性等一系列问题。为了解决这个问题，在激光器实际应用时需要增加一些额外的工序，如半导体激光器与光纤耦合时，通常在光纤端面额外加工出一个8
°
倾角的斜面来实现高效耦合，抑制背向反射。这一措施无疑增加了成本。然而，在某些应用领域，如集成光子芯片应用中，不能在芯片表面制作8
°
倾角的斜面来进行耦合，造成耦合面反射光较强，光耦合效率低。
[0005]如果激光器的光出射角度能进行设计调节，偏离其出光面的法线方向，将有利于激光器与其他器件的耦合，增加耦合效率，大大扩展激光器的应用场景。边发射激光器由于其工作原理和空间结构的限制，很难实现光束出射角度偏离其端面法线方向。而在面发射半导体激光器中，研究者们通过在光栅中引入啁啾(光栅啁啾是指光栅周期沿着空间位置发生变化)，一方面大大改善了激光器的出光性能，另一方面实现了激光与激光器表面法线方向以一小夹角出射，提高光耦合效率。但是啁啾结构的光栅在制作工艺上比较困难，而且成本高昂。这造成啁啾光栅面发射半导体激光器成本高，制作不易。

技术实现思路

[0006]为解决上述的一个或多个问题，本申请的目的在于提供一种光栅面发射半导体激光器，实现一种低成本的，制作简便的出射光束与激光器表面法线存在夹角的光栅面发射半导体激光器，其通过利用渐变脊波导结构与表面高阶表面光栅结构设计，实现了等效“啁啾”光栅面发射半导体激光器。该激光器只需一次外延和普通光刻技术即可实现激光出射角度与激光器表面法线方向存在一夹角，且制作简便，成本低。
[0007]为了实现上述目的，本申请技术方案如下：
[0008]一种光栅面发射半导体激光器，包括依次设置的表面金属电极层、脊波导层、p型掺杂包层、p型掺杂光限制层、有源区、n型掺杂光限制层、隔离层和衬底层，所述有源区与n型掺杂光限制层之间设置有一阶光栅层；所述有源区上方设置有高阶表面光栅层，所述高阶表面光栅层从p型掺杂光限制层延伸到脊波导层，所述高阶表面光栅的栅条与脊波导层重叠区内的脊波导为宽度渐变结构，所述宽度渐变结构沿激光器的光谐振方向宽度逐渐增加。
[0009]进一步的，所述高阶表面光栅的长度为9μm～100μm。
[0010]进一步的，所述一阶光栅层的周期为200nm～280nm，占空比为50％，深度为20nm～80nm。
[0011]进一步的，所述高阶表面光栅的周期为1μm～5μm，占空比为20％～90％，深度为0.1μm～3μm。
[0012]进一步的，所述高阶表面光栅周期为1440nm，占空比为0.5，深度为1.9μm。
[0013]进一步的，所述高阶表面光栅的光栅阶数为2～14阶。
[0014]进一步的，所述高阶表面光栅的光栅阶数为6阶或8阶或10阶。
[0015]进一步的，所述光栅面发射半导体激光器的谐振腔的腔长为250μm～500μm，端面功率反射率为3％～5％。
[0016]进一步的，所述宽度渐变结构的短边的宽度为1～1.5μm，长边的宽度为2～3.5μm。
[0017]进一步的，所述宽度渐变结构的短边的宽度为1μm，长边的宽度为3μm。
[0018]本申请提出的一种光栅面发射半导体激光器，与现有设计方案相比，具备以下优点：
[0019](1)由于在高阶表面光栅区内的脊波导采用宽度渐变结构，使得本来光栅周期固定的高阶表面光栅形成等效“啁啾”光栅的效果(沿着高阶表面光栅传输时的光场具有不同的等效折射率)，实现激光出射的方向偏离激光器表面法线方向，这样在与其他光器件耦合时能减小背向光反射。而且这种方式相比于实际改变高阶表面光栅的光栅周期成本低廉，工艺简单。
[0020](2)高阶表面光栅的折射率差大，光栅周期长，较小的脊波导宽度改变能实现较大的等效折射率变化，等效“啁啾”效果佳。此外，高阶表面光栅的制作不需要EBL技术，可以利用普通的光学光刻技术，纳米压印技术等进行大规模的制作，制作难度和要求大大降低，成本更低。
附图说明
[0021]图1为本申请光栅面发射半导体激光器的外延结构示意图；
[0022]图2为本申请光栅面发射半导体激光器的纵向截面示意图；
[0023]图3为本申请光栅面发射半导体激光器的渐变脊波导结构示意图；
[0024]图4为本申请激光器等效折射率随着脊波导宽度的变化情况示意图。
具体实施方式
[0025]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0026]如图1、图2所示，本申请提供了一种光栅面发射半导体激光器，包括依次设置的表面金属电极层、脊波导层、p型掺杂包层、p型掺杂光限制层、有源区、n型掺杂光限制层、隔离层和衬底层，所述有源区与n型掺杂光限制层之间设置有一阶光栅层；所述有源区上方设置有高阶表面光栅层，所述高阶表面光栅层从p型掺杂光限制层延伸到脊波导层，所述高阶表面光栅的栅条与脊波导层重叠区内的脊波导为宽本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光栅面发射半导体激光器，包括依次设置的表面金属电极层、脊波导层、p型掺杂包层、p型掺杂光限制层、有源区、n型掺杂光限制层、隔离层和衬底层，其特征在于，所述有源区与n型掺杂光限制层之间设置有一阶光栅层；所述有源区上方设置有高阶表面光栅层，所述高阶表面光栅层从p型掺杂光限制层延伸到脊波导层，所述高阶表面光栅的栅条与脊波导层重叠区内的脊波导为宽度渐变结构，所述宽度渐变结构沿激光器的光谐振方向宽度逐渐增加。2.如权利要求1所述的光栅面发射半导体激光器，其特征在于，所述高阶表面光栅的长度为9μm～100μm。3.如权利要求1所述的光栅面发射半导体激光器，其特征在于，所述一阶光栅层的周期为200nm～280nm，占空比为50％，深度为20nm～80nm。4.如权利要求1所述的光栅面发射半导体激光器，其特征在于，所述高阶表面光栅的周期为1μm～5μm，占空比为20％～90...

【专利技术属性】
技术研发人员：敖应权，
申请(专利权)人：中国电子科技南湖研究院，
类型：发明
国别省市：