用于激光雷达的由窄沟槽实现的大功率单模半导体激光器制造技术

本发明专利技术公开了用于激光雷达的由窄沟槽实现的大功率单模半导体激光器，包括外延结构，其由下至上包括：负电极、基底层、高折射率层、下限制层、有源层、上限制层、腐蚀防止层、光栅层、波导层、欧姆接触层、正电极；腐蚀防止层、光栅层、波导层、欧姆接触层、正电极形成五层波导结构的波导层；波导层设有两条平行分布的沟槽；两条沟槽之间形成脊波导，脊波导和沟槽以及沟槽外侧未刻蚀区域形成平板波导；通过增大沟槽距离来增加脊波导宽度以提高激光器的饱和功率；通过减小沟槽宽度来利用平板波导滤去由于宽脊波导而产生的高阶模。可以在提高半导体激光器输出功率的同时保持良好的单模特性，可以有效提高激光雷达的探测距离。可以有效提高激光雷达的探测距离。可以有效提高激光雷达的探测距离。

【技术实现步骤摘要】
用于激光雷达的由窄沟槽实现的大功率单模半导体激光器


[0001]本专利技术属于半导体激光器
，具体涉及用于激光雷达的由窄沟槽实现的大功率单模半导体激光器。

技术介绍

[0002]随着智能驾驶技术的发展，激光雷达越来越普遍地被应用于车辆中。而提高激光雷达的探测距离需要大功率、窄线宽的单模激光器。
[0003]半导体激光器由于体积小巧、易于集成、稳定可靠等优点被普遍采用作为激光雷达的光源。一般增加半导体激光器功率的方法是增加有源区体积，而为了增加有源区体积，在增加腔长或波导宽度到一定程度以后，在功率增大的同时会使单模特性变差。
[0004]如何同时获得大功率、窄线宽、单模特性良好的激光器成为激光雷达领域急需解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供用于激光雷达的由窄沟槽实现的大功率单模半导体激光器，可以在提高半导体激光器输出功率的同时保持良好的单模特性，可以有效提高激光雷达的探测距离。
[0006]为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0007]用于激光雷达的由窄沟槽实现的大功率单模半导体激光器，该激光器包括外延结构，由下至上包括：负电极、基底层、高折射率层、下限制层、有源层、上限制层、腐蚀防止层、光栅层、波导层、欧姆接触层、正电极；
[0008]其中，腐蚀防止层、光栅层、波导层、欧姆接触层、正电极形成五层波导结构的波导层；
[0009]所述波导层设有贯穿该层的两条平行分布的沟槽，沟槽外侧的两部分为未刻蚀区域、两条沟槽之间为未刻蚀区域。
[0010]两条平行分布的沟槽之间形成脊波导，所述脊波导和沟槽以及沟槽外侧未刻蚀区域一起形成平板波导，所述沟槽宽度随两条沟槽距离的增加而减小；
[0011]通过增大沟槽距离来增加脊波导宽度以提高激光器的饱和功率；
[0012]通过减小沟槽宽度来利用平板波导滤去由于宽脊波导而产生的高阶模，改善了基模纯净度，提高了光束质量。
[0013]为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
[0014]上述的负电极位于整个激光器的最下层，由高电导率金属材料制成，用于工作时接低入电位。
[0015]所述基底层材料为InP，并掺入Si形成N型掺杂，掺杂浓度在2E17/cm3至2E18/cm3之间；
[0016]所述高折射率层材料为In(1
‑
x)Ga(x)As(y)P(1
‑
y)或者Al(1
‑
x
‑
y)Ga(x)Al(y)As，
x和y的取值使该层的晶格常数与基底层匹配；
[0017]所述高折射率层中掺入Si形成N型掺杂，掺杂浓度在5E17/cm3。
[0018]上述的高折射率层在C波段和O波段的折射率高于周围的InP材料层，使激光在激光器中传输时的模场向下扩张，使更多的光场在损耗更低的N型掺杂区域传播。
[0019]上述的有源层为多量子阱结构，按照垒层—阱层—垒层—阱层—垒层的分布交替生长；
[0020]所述有源层根据斜效率和饱和功率的不同需求选择为2个阱层3个垒层到5个阱层6个垒层。
[0021]上述的下限制层材料为In(1
‑
x)Ga(x)As(y)P(1
‑
y)或者Al(1
‑
x
‑
y)Ga(x)Al(y)As，位于有源层的下方，x和y的组分向上逐渐变为与有源层的垒一致；
[0022]所述有源层材料为In(1
‑
x)Ga(x)As(y)P(1
‑
y)或者Al(1
‑
x
‑
y)Ga(x)Al(y)As，调节x和y的组分使得光致荧光吸收谱在比需要的激射波长短30～60nm；
[0023]所述上限制层材料为In(1
‑
x)Ga(x)As(y)P(1
‑
y)或者Al(1
‑
x
‑
y)Ga(x)Al(y)As，位于有源层的上方，x和y的组分向上从与有源区的垒一致逐渐变为与下限制层的底部一致。
[0024]上述的腐蚀防止层材料为In(1
‑
x)Ga(x)As(y)P(1
‑
y)，x和y的取值使该层的晶格常数与基底层匹配；
[0025]所述光栅层材料为In(1
‑
x)Ga(x)As(y)P(1
‑
y)，x和y的取值使该层的晶格常数与基底层匹配，折射率略高于基底的InP材料。
[0026]上述的光栅层由全息曝光技术刻蚀，刻蚀穿过整个光栅层，随后沉积InP进行掩埋，得到折射率较高的In(1
‑
x)Ga(x)As(y)P(1
‑
y)和折射率较低的InP交替生长形成的折射率光栅；
[0027]所述光栅的周期Λ由需要的激射波长λ和基模在激光器波导中的有效折射率n
eff
共同决定：Λ＝λ/2/n
eff
。
[0028]上述的波导层材料为InP，厚度约为2μm，用于形成刻蚀形成波导结构后横向限制光场在通电区域的正下方传输；
[0029]所述欧姆接触层材料为多层In(1
‑
x)Ga(x)As(y)P(1
‑
y)和In(1
‑
x)Ga(x)As，用于和其上方的正电极形成欧姆接触，减小电阻；
[0030]所述欧姆接触层上方生长一层200nm厚的SiO2绝缘层，并将激光器的中央波导上方的SiO2层刻蚀掉以提供和正电极的接触；
[0031]所述正电极位于整个激光器的最上层，由高电导率金属材料制成，用于工作时接低入高电位。
[0032]上述的波导层的两条沟槽的距离W为4～8μm，以形成该距离宽度的脊波导；
[0033]波导层的沟槽的宽度G为1～3μm；
[0034]所述脊波导的腔长在500μm～5000μm。
[0035]上述的激光器一端镀AR膜，反射率不高于0.5％，另一端镀HR膜，反射不低于91％。
[0036]本专利技术具有以下有益效果：
[0037]本专利技术将波导层用于形成波导的沟槽宽度，由传统的20μm以上缩减至1～3μm。传统的波导层的沟槽宽度需要设计成20μm以上，用于等效为外侧无限宽的沟槽，用于和两条沟槽间未刻蚀的部分形成等效三层波导。沟道距离过大时由于等效三层波导的中间层厚度
过宽，将会形成多横模激射。本专利技术中将沟槽宽度缩减至1～3μm，不能再等效为外侧无限宽的沟道和三层波导，而是等效为五层波导。如此一来在中间层宽度相同的情况下，在三层波导中可以稳定传播的高阶横模在五层波导中便会通过窄沟道辐射到沟道外侧的未刻蚀区域被损耗掉，防止了高阶横模的激射，进而在增加了波导宽度的同时也可以保持单模激射。本专利技术激光器对比传统的激光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于激光雷达的由窄沟槽实现的大功率单模半导体激光器，其特征在于，该激光器包括外延结构，其由下至上包括：负电极(1)、基底层(2)、高折射率层(3)、下限制层(4)、有源层(5)、上限制层(6)、腐蚀防止层(7)、光栅层(8)、波导层(9)、欧姆接触层(10)、正电极(11)；其中，腐蚀防止层(7)、光栅层(8)、波导层(9)、欧姆接触层(10)、正电极(11)形成五层波导结构的波导层；所述波导层设有贯穿该层的两条平行分布的沟槽，沟槽外侧的两部分为未刻蚀区域、两条沟槽之间为未刻蚀区域；两条平行分布的沟槽之间形成脊波导，所述脊波导和沟槽以及沟槽外侧未刻蚀区域一起形成平板波导，所述沟槽宽度随两条沟槽距离的增加而减小；通过增大沟槽距离来增加脊波导宽度以提高激光器的饱和功率；通过减小沟槽宽度来利用平板波导滤去由于宽脊波导而产生的高阶模，改善基模纯净度，提高光束质量。2.根据权利要求1所述的用于激光雷达的由窄沟槽实现的大功率单模半导体激光器，其特征在于，所述负电极(1)位于整个激光器的最下层，由高电导率金属材料制成，用于工作时接低入电位。所述基底层(2)材料为InP，并掺入Si形成N型掺杂，掺杂浓度在2E17/cm3至2E18/cm3之间；所述高折射率层(3)材料为In(1
‑
x)Ga(x)As(y)P(1
‑
y)或者Al(1
‑
x
‑
y)Ga(x)Al(y)As，x和y的取值使该层的晶格常数与基底层(2)匹配；所述高折射率层(3)中掺入Si形成N型掺杂，掺杂浓度在5E17/cm3。3.根据权利要求1所述的用于激光雷达的由窄沟槽实现的大功率单模半导体激光器，其特征在于，所述高折射率层(3)在C波段和O波段的折射率高于周围的InP材料层，使激光在激光器中传输时的模场向下扩张，使更多的光场在损耗更低的N型掺杂区域传播。4.根据权利要求1所述的用于激光雷达的由窄沟槽实现的大功率单模半导体激光器，其特征在于，所述有源层(5)为多量子阱结构，按照垒层—阱层—垒层—阱层—垒层的分布交替生长；所述有源层(5)根据斜效率和饱和功率的不同需求选择为2个阱层3个垒层到5个阱层6个垒层。5.根据权利要求4所述的用于激光雷达的由窄沟槽实现的大功率单模半导体激光器，其特征在于，所述下限制层(4)材料为In(1
‑
x)Ga(x)As(y)P(1
‑
y)或者Al(1
‑
x
‑
y)Ga(x)Al(y)As，位于有源层(5)的下方，x和y的组分向上逐渐变为与有源层(5)的垒一致；所述有源层(5)材料为In(1
‑
x)Ga(x)As(y)P(1
‑
y)或者Al(1
‑
x
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉洁，汪语潇，雷云，
申请(专利权)人：南宇芯光南京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：