基于激光辐射较高模的光子带隙晶体调解过滤效应的半导体激光器及其制造方法技术

公开了一种具有低光束发散的半导体激光器。该激光器包括：至少一个波导，该波导包括由电流注入产生光增益的激活层；光子带隙晶体，其在垂直于发射的光传播的方向上具有折射系数调制；和至少一个缺陷。优选在缺陷内放置激活层。使光子带隙晶体和缺陷最优化，以使激光辐射的基模被局限在缺陷处并从缺陷衰减掉，同时其它光模在光子带隙晶体上延伸。在缺陷处基模的局限导致该模幅度相对于其它模相对提高。因此，与其它模的限制因子相比具有较大的基模限制因子。这产生了来自具有延伸波导的激光器的有效单模激光作用。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

专利技术属于半导体器件领域。确切地说，专利技术属于具有低光束发散的半导体激光器。
技术介绍
大功率半导体激光器在电信系统(作为泵)、光纤放大器和其它应用中起到了重要的作用。对于边缘发射激光器为了获得每小面低功率密度和低光束发散，一般使用延伸的波导。但是，远场图形的显著变窄受限于多模激光辐射。具有低光束发散的边缘发射激光器领域现有技术包括在理论上获得低光束发散的漏波二极管激光器概念。现有技术的例子为1982年5月4日签发的US专利No.4328469，名称“HIGH OUTPUT POWERINJECTION LASERS”。该专利公开了具有夹在一对中间系数层之间的激活层的异质结构注入型激光器。具有非常薄的低折射系数和高带隙的层位于激活层和中间层之间。可以以不同组合应用薄层以产生基模导向效应。这种器件的主要缺陷是基模的限制因子非常小。人们不能制造基于该效应的大功率激光器。因此，本领域需要一种实现低光束发散和大功率输出的激光器。
技术实现思路
公开了一种具有低光束发散的半导体激光器。该激光器包括至少一个波导，该波导包括由电流注入产生光增益的激活层；光子带隙晶体，其在垂直于发射光传播的方向上具有折射系数调制；和至少一个缺陷。优选在缺陷内放置激活层。使光子带隙晶体和缺陷最优化，以使激光辐射的基模被局限在缺陷处并从缺陷衰减掉，同时其它光模在光子带隙晶体上延伸。在缺陷处基模的局限导致该模幅度相对于其它模相对提高。因此，与其它模的限制因子相比存在较大的基模限制因子。这产生了自具有扩展的波导激光器的有效单模激光。附图说明图1示出本专利技术激光器一个实施例的示意图，其中激光器结构中的波导包括由周期顺序交替的低和高折射系数层实现的光子带隙晶体和局限光子的缺陷。还示出了对于给定实施例的折射系数分布图。对于特定实施例示出了合金组分分布图，其中通过调制Ga1-xAlxAs合金中合金组分x实现折射系数的调制。图2示出本专利技术激光器一个实施例的示意图，其中缺陷中包括具有高折射系数的单层，该层的厚度超过具有高折射系数光子带隙晶体中层的厚度。图3示出本专利技术另一个实施例的示意图，其中具有比光子带隙晶体层高的折射系数的单层是局部化缺陷的一部分。图4示出本专利技术另一个实施例的示意图，其中具有低折射系数的单层将具有高折射系数的两个邻近层分开，分开的层比具有低折射系数的光子带隙晶体的其它层薄。图5示出本专利技术另一实施例的示意图，其中具有中间系数的单层将具有高折射系数的两个邻近层分开。图6示出在基横电(TE)模和一阶TE模中的相对电场强度和图2所示激光器的折射系数。图7示出本专利技术另一实施例的示意图，其中在光子带隙晶体的各层中的一层中放置吸收层。图8示出本专利技术另一实施例的示意图，其中由递变系数层间隔开高折射系数层和低折射系数层。图9示出本专利技术另一实施例的示意图，其中在光子带隙晶体的各层中的一层中放置吸收层，递变系数层间隔开高折射系数层和低折射系数层。图10示出基TE模和一阶TE的折射系数分布图和电场强度，其中与图9所示实施例的实例中的一阶模电场相比，在吸收层的基模电场受到显著抑制。图11示出折射系数分布图和在图9所示实施例的实例中基模电场强度和一阶、二阶、三阶和四阶TE模电场强度的对比。图12示出在图9所示实施例的实例中激光器的远场图形。图13示出本专利技术另一实施例的示意图，其中由薄势垒层围绕激活区。图14示出本专利技术另一实施例的示意图，其中在光子带隙晶体的各层中的一层中放置吸收层，并由薄势垒层围绕激活区。图15示出本专利技术另一实施例的示意图，其中递变系数层间隔开高折射系数层和低折射系数层，并由薄势垒层围绕激活区。图16示出本专利技术另一实施例的示意图，其包括在光子带隙晶体的各层中的一层中放置的吸收层，间隔开高折射系数层和低折射系数层的递变系数层，和围绕激活区的薄势垒层。图17示出本专利技术另一实施例的示意图，其中在光子带隙晶体的各层中的一层中放置激活区，局限光子的缺陷仅具有无源元件。图18示出本专利技术另一实施例的示意图，其中把侧向平面中具有折射系数调制的光子带隙晶体引入到垂直腔面发射激光器。具体实施例方式本专利技术的边缘发射半导体激光器的目的是获得辐射的窄远场图形。通过使用延伸的波导来解决该任务。目前波导的主要缺陷是导致复远场图形和宽光束发散的激光辐射多模性。为了抑制较高模，同时提供适度的基模限制因子，需要一种特别的波导设计。本专利技术教导了在产生的光垂直于折射系数调制方向传播的几何结构中使用光子带隙晶体。特别是对于本专利技术的边缘发射半导体激光器，光子带隙晶体是一维周期层结构，其中在垂直方向z上调制折射系数n，n＝n(z)。接着，在TE模中所说的电场强度可以写为以下形式Ex(x，z，t)＝Ey(z)exp， (1)其中exp代表沿x方向波导的传播，幅度Ey(z)描绘了横穿波导的电场强度的变化。后者符合波等式(例如参见H.C.Casey，Jr.和M.B.Panish，的Semiconductor Lasers，Part A，AcademicPress，N.Y.1978，32-43页和70-79页) -∂2Ey∂z2+Ey=0.---(2)]]>在无限大物体，优选周期光子带隙晶体中，光谱包括对于频率ω和常数β的带，其电磁波是穿过晶体传播的周期波，以及对于可能没有电磁波传播的禁带。在任意实际的系统中，理想的周期性被一序列层的端部或违反折射系数周期分布图的任意类型缺陷所破坏。这种缺陷可以在z方向上局限或不局限电磁波。在局限缺陷的情况中，可能有两种类型的电磁波。存在a)在z方向由缺陷局限且在x方向沿波导传播的波，和b)在z方向在光子带隙晶体上延伸且在x方向沿波导传播的波。因此，本专利技术的边缘发射激光器包括两个主要元件1)具有在垂直方向折射系数调制的光子带隙晶体，和2)其中优选放置激光器激活区的缺陷。以如下方式设计该光子带隙晶体和其缺陷激光辐射的一个且仅一个模由缺陷局限，并在z方向从缺陷衰减掉，同时其它模在光子带隙晶体上沿z方向延伸。由两个参数控制局限激光辐射模的缺陷的能力。第一个参数是缺陷和光子带隙晶体参考层的折射系数差，Δn。第二个参数是缺陷体积。对于本专利技术的激光器，其中仅在一个方向调制折射系数，n＝n(z)，第二个参数是缺陷的厚度。一般，在固定缺陷厚度随着Δn值的增加，由缺陷局限的模数也增加。在固定的Δn随着缺陷厚度的增加，由缺陷局限的模数也增加。本专利技术激光器的设计选择两个参数，Δn和缺陷厚度，以使一个且仅一个激光辐射模由缺陷局限。其它模是在光子带隙晶体上沿z方向的延伸模。专利技术的优选实施例提供了一种激光器，该激光器具有放置在波导的缺陷区中的激活区，该波导中局限激光辐射的基模。由两种趋势的相互作用决定基模的所需局限长度。一方面，局限长度需要足够大以提供低远场光束发散。另一方面，局限长度应充分小于光子带隙晶体的长度。这提供了在光子带隙晶体总厚度尺度上基模的有效局限，和因此与其它模相比基模的电场强度显著增加。本专利技术的激光器特定实施例实现了4°光束发散，同时在具有0.8μm GaAs腔和Ga1-xAlxAs覆盖层(其中x＝0.3)的标准双异质结构激光器中限制因子为0.11。特别地参照图1，示出了新颖边缘发射半导体激光器(100)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体边缘发射激光器，包括：ａ）ｎ掺杂区，其至少一部分包括包含具有周期性调制的折射系数的层叠结构的光子带隙晶体；ｂ）邻接所述光子带隙晶体的缺陷，包括：ｉ）当施加正向偏压受到注入电流作用时而发光的发光层；ｃ ）具有可变折射系数的阻碍基模延伸到至少一个掺杂层和ｐ接触的ｐ掺杂层叠结构；其中由缺陷局限激光辐射的基模，同时所有其它模在光子带隙晶体上延伸；其中所述光子带隙晶体和所述缺陷的总厚度提供低光束发散。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：V施丘金，N莱登斯托夫，
申请(专利权)人：PBC激光有限公司，
类型：发明
国别省市：IL[以色列]