单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器制造技术

本公开公开一种单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，包括：外延结构，包括N型光子晶体区，其为由材料组分调制而形成的高低折射率突变或渐变的周期及准周期结构组成的一维光子晶体，用于在外延方向对高阶模式进行滤除以及对基模进行扩展；脊波导，通过普通接触式光刻及干法刻蚀刻蚀外延结构而形成；侧向耦合光子晶体，制作于脊波导的两侧，呈梳齿状分布；其采用高阶光子晶体，通过普通接触式光刻及干法刻蚀刻蚀外延结构而形成；其与脊波导一步制备而成；介质层，形成于脊波导及侧向耦合光子晶体表面，脊波导上的介质层去除，用于实现电流注入；P型电极，形成于脊波导及介质层上；N型电极，形成于外延结构背离N型光子晶体区一侧。区一侧。区一侧。

【技术实现步骤摘要】
单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器
[0001]本申请属于分案申请，其母案的申请号为：201811413062.X，申请日为：2018年11月23日，专利技术名称为：单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器。


[0002]本公开属于半导体光电子器件
，涉及一种单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器。

技术介绍

[0003]半导体激光器因其体积小、重量轻、成本低、效率高、寿命长、易于调制及波长覆盖范围广等这些突出的优点而被广泛的应用于诸如光通信、材料加工、泵浦光源、军用及医疗等领域。但是，传统半导体激光器垂直发散角大、单管功率相对较低、侧向光束质量差、光谱宽及波长随注入电流和温度变化大等问题也随着半导体激光器应用场景的不断扩展而变得日益突出。
[0004]传统半导体激光器为了保证在外延方向为基模工作，一般采用较薄的波导设计，这就会导致其垂直发散角大，一般在30
°
以上甚至更大，这会严重影响半导体激光器与光纤的耦合效率、增加耦合难度及成本。除此以外，薄的波导设计导致激光器腔面载荷高，高的腔面光载荷是造成半导体激光器腔面光学灾变的重要因素之一。因此，降低半导体激光器的垂直发散角既可以提高其与光纤的耦合效率，也同时可以提高器件的单管功率。
[0005]传统法布里
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珀罗腔半导体激光器其激射波长由有源区禁带宽度决定，一般光谱宽度大于1nm，且其波长随工作温度的漂移速度较大，一般为0.3nm/K
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0.4nm/K，波长稳定性差。而在很多应用场景中，希望半导体激光器的输出光束具有窄线宽及波长稳定的特点。传统的分布反馈激光器及分布布拉格反射激光器可以很好地实现窄线宽波长稳定的光谱输出，但是上述两种激光器制备工艺复杂，需要涉及到二次外延技术，以及效率非常低的电子束曝光技术，不适合低成本的生产。

技术实现思路

[0006]鉴于上述分析，本公开的主要目的在于提供一种单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，其通过纵向的光子晶体结构可以增大半导体激光器基模的模式体积，可以有效的降低半导体激光器的垂直发散角并提高器件的单管功率；通过脊波导结构实现器件在水平方向为单横模工作；通过侧向耦合光子晶体可以有效的减小器件输出光束的光谱宽度并提高器件的波长稳定性。该激光器避免了复杂的二次外延技术及电子束曝光技术，制作成本低。
[0007](二)技术方案
[0008]根据本公开的一个方面，提供了一种单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，包括：外延结构，外延结构包括：N型光子晶体区，N型光子晶体区为由材料组分调制而形成的高低折射率突变或者渐变的周期及准周期结构组成的一维光子晶体，N型光子晶体区
用于在外延方向对高阶模式进行有效地滤除，并对基模进行有效地扩展，以实现单模及低发散角；脊波导，制作于外延结构的表面；其中，脊波导通过普通接触式光刻及干法刻蚀刻蚀外延结构而形成；侧向耦合光子晶体，制作于外延结构的表面并位于脊波导的两侧，呈梳齿状分布；侧向耦合光子晶体用于对光谱进行选择，以实现单模窄线宽波长稳定且高功率的输出；其中，侧向耦合光子晶体采用高阶光子晶体，侧向耦合光子晶体通过普通接触式光刻及干法刻蚀刻蚀外延结构而形成；侧向耦合光子晶体与脊波导一步制备而成；介质层，形成于脊波导及侧向耦合光子晶体表面，其中，脊波导上的介质层去除，用于实现电流注入；P型电极，形成于脊波导及介质层上；以及N型电极，形成于外延结构背离N型光子晶体区的一侧。
[0009]根据本公开的实施，外延结构还包括：N型衬底；N型缓冲层，制作于衬底之上；N型盖层，制作于N型缓冲层之上；其中，N型光子晶体区3，制作于N型盖层之上；N型光限制层，制作于N型光子晶体区之上，用于对光场的调控；有源区，制作于N型光限制层之上，用于实现光增益；P型光限制层，制作于有源区之上，用于对光场的调控；P型盖层，制作于P型光限制层之上，用于实现基横模；以及P型欧姆接触层，制作于P型盖层之上，用于形成P型欧姆接触。
[0010]根据本公开的实施，脊波导刻蚀至P型盖层的内部且刻蚀深度不超过P型光限制层，以使单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器在水平方向为单横模工作。
[0011]根据本公开的实施，侧向耦合光子晶体的刻蚀深度不超过P型光限制层。
[0012]根据本公开的实施，一维光子晶体的周期数为5
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20个。
[0013]根据本公开的实施，侧向耦合光子晶体周期数目不固定，最少为一对，最多可形成于脊波导两侧的全部区域。
[0014]根据本公开的实施，的有源区为单量子阱、多量子阱、量子点或超晶格结构。
[0015]根据本公开的实施，N型光子晶体区为材料为AlGaAs、AlGaInP和/或AlGaN组成的高低折射率周期或准周期调制的多层结构。
[0016]根据本公开的实施，N型衬底的材料为GaAs、InP、GaN或者GaSb，波长从紫外覆盖到远红外波段；N型盖层、N型光限制层、P型光限制层和P型盖层的材料为AlGaAs、AlGaInP、或者AlGaN；有源区的材料为InaAsP、AlGaInAs、InGaAs或者AlGaN。
[0017]根据本公开的实施，一维光子晶体的厚度为3μm
‑
20μm，脊波导的宽度为3μm
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10μm，侧向耦合光子晶体的宽度为1μm
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30μm。
[0018](三)有益效果
[0019]从上述技术方案可以看出，本公开提供的单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，具有以下有益效果：
[0020]该激光器在传统的边发射半导体激光器外延结构中引入了光子晶体结构，该结构可以在保证激光器在单模工作的同时降低器件的垂直发散角，进而可以提高光纤耦合效率并降低光纤耦合成本及其系统复杂性；此外，该光子晶体结构可以提高器件的单管出光功率。除在外延中引入光子晶体外，该激光器还在脊波导两侧制作了高阶光子晶体，利用高阶光子晶体对光谱的选择作用，可实现单模窄线宽波长稳定且高功率的输出。该激光器只需一次外延和普通光刻技术即可利用外延结构表面的侧向光子晶体结构与纵向光子晶体结构构建成复合腔结构实现单模窄线宽输出，避免了传统器件二次外延及高精度光刻技术的
使用，制备简单，工艺成本低。
[0021]在很多应用场景中，希望半导体激光器的输出光束具有窄线宽及波长稳定的特点，例如在1064nm中需要良好的种子源进行放大，这时窄线宽单空间模就有极大的优势，此外在脉冲中也有很大应用。
附图说明
[0022]图1为根据本公开一实施例所示的单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器的三维结构示意图。
[0023]图2为图1所示单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器的侧向耦合光子晶体的周期
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波长
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反射率的关系。
[0024]图3为图1所示单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器的侧向耦合光子晶体的分布长本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，包括：外延结构，所述外延结构包括：N型光子晶体区，所述N型光子晶体区为由材料组分调制而形成的高低折射率突变或者渐变的周期及准周期结构组成的一维光子晶体，所述N型光子晶体区用于在外延方向对高阶模式进行有效地滤除，并对基模进行有效地扩展，以实现低垂直发散角；脊波导，制作于所述外延结构的表面；其中，所述脊波导通过普通接触式光刻及干法刻蚀刻蚀所述外延结构而形成；侧向耦合光子晶体，制作于所述外延结构的表面并位于所述脊波导的两侧，呈梳齿状分布，所述侧向耦合光子晶体用于对光谱进行选择，以实现单模窄线宽波长稳定且高功率的输出；其中，所述侧向耦合光子晶体采用高阶光子晶体，所述侧向耦合光子晶体通过普通接触式光刻及干法刻蚀刻蚀所述外延结构而形成；所述侧向耦合光子晶体与所述脊波导一步制备而成；介质层，形成于所述脊波导及所述侧向耦合光子晶体表面，其中，所述脊波导上的介质层去除，用于实现电流注入；P型电极，形成于所述脊波导及所述介质层上；以及N型电极，形成于所述外延结构背离所述N型光子晶体区的一侧。2.根据权利要求1所述的单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，其中，所述外延结构还包括：N型衬底；N型缓冲层，制作于衬底之上；N型盖层，制作于N型缓冲层之上；其中，所述N型光子晶体区3，制作于所述N型盖层之上；N型光限制层，制作于N型光子晶体区之上，用于对光场的调控；有源区，制作于N型光限制层之上，用于实现光增益；P型光限制层，制作于有源区之上，用于对光场的调控；P型盖层，制作于P型光限制层之上，用于实现基横模；以及P型欧姆接触层，制作于P型盖层之上，用于形成P型欧姆接触。3.根据权利要求2所述的单空间模低发散角窄线宽复合光子晶体激光器，其中，所述脊波导刻蚀至所述P型...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑婉华，陈忠浩，赵少宇，周旭彦，渠红伟，齐爱谊，
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：