基于拓扑结构的激光器阵列及其制作方法技术

本发明专利技术公开了基于拓扑结构的激光器阵列及其制作方法，包括：N型金属层；有源外延组件设置于N型金属层的上表面；拓扑结构通过刻蚀有源外延组件的顶部而形成，拓扑结构包括：中心脊形波导设置于有源外延组件的中心对称轴处，并沿第一方向延伸；脊形波导阵列包括分布于中心脊形波导两侧的多个脊形波导组阵，并在第二方向上关于中心脊形波导对称周期分布；通过刻蚀有源外延组件的顶部形成移相区的调制脊形波导，调制脊形波导与拓扑结构在第一方向上首尾相连，调制脊形波导关于中心脊形波导呈对称周期分布，以使得将反相模式的拓扑边界态转换成同相模式的拓扑边界态；绝缘层设置于拓扑结构和移相区的上表面；P型金属层设置于绝缘层的上表面。缘层的上表面。缘层的上表面。

【技术实现步骤摘要】
基于拓扑结构的激光器阵列及其制作方法


[0001]本专利技术涉及半导体激光器
，尤其涉及一种基于拓扑结构的激光器阵列及其制作方法。

技术介绍

[0002]半导体激光器的电光转化效率较高，具有覆盖波段范围广、 寿命长、 能直接调制、体积小、 成本低等优点，应用广泛。
[0003]许多应用对于半导体激光器的输出功率、亮度有较高的要求，例如，近红外波段激光器应用于激光工业加工领域，包括激光焊接、激光熔覆、激光切割等方面，均需要足够高的输出功率与亮度来实现；通讯波段激光器应用于光纤通信、激光雷达等领域时对输出激光的功率以及单模特性也有极高的要求；在中红外波段，应用于空间通信的激光器器件需要克服大量空间光损耗，对输出光功率以及稳定性的要求则更为苛刻。故提高半导体激光器的输出功率和亮度一直是半导体激光器的研究重点。

技术实现思路

[0004]针对于现有的技术问题，本专利技术提供一种基于拓扑结构的激光器阵列及其制作方法，用于至少部分解决以上技术问题，实现输出高功率、高亮度的激光。
[0005]为了实现上述目的，作为本专利技术的一个方面，本专利技术实施例提供了一种基于拓扑结构的激光器阵列，包括：N型金属层；有源外延组件，设置于所述N型金属层的上表面；拓扑结构，通过刻蚀所述有源外延组件的顶部而形成，所述拓扑结构包括：中心脊形波导，设置于所述有源外延组件的中心对称轴处，并沿第一方向延伸；以及脊形波导阵列，包括分布于所述中心脊形波导两侧的多个脊形波导组阵，并关于所述中心脊形波导对称分布，沿与所述第一方向垂直的第二方向周期分布，以形成拓扑边界态电场；移相区，通过刻蚀所述有源外延组件的顶部形成调制脊形波导，所述调制脊形波导与所述拓扑结构在所述第一方向上首尾相连，所述调制脊形波导关于所述中心脊形波导呈对称周期分布，以使得将反相模式的拓扑边界态转换成同相模式的拓扑边界态；绝缘层，所述绝缘层设置于所述拓扑结构和所述移相区的上表面；以及P型金属层，设置于所述绝缘层的上表面。
[0006]根据本专利技术的实施例，所述有源外延组件包括自下而上依次层叠分布的N型衬底层、N型盖层、N型扩展层、有源层、P型扩展层、P型盖层和P型接触层。
[0007]根据本专利技术的实施例，所述中心脊形波导和相邻的所述脊形波导组阵之间的第一间距，与位于同侧的两个相邻的所述脊形波导组阵之间的第二间距相等。
[0008]根据本专利技术的实施例，每个所述脊形波导组阵包括两个脊形波导单元，两个所述脊形波导单元之间的第三间距小于所述第二间距。
[0009]根据本专利技术的实施例，所述绝缘层上与拓扑态电场分布极大值的所述拓扑结构对应的位置上设置有电极窗口，所述电极窗口被构造为注入电流，形成电隔离，以构建图形化电极结构。
[0010]根据本专利技术的实施例，所述电极窗口的长度从所述中心脊形波导沿所述第二方向向两侧呈指数型减小，其中，指数底数等于所述拓扑结构的两个耦合系数比值。
[0011]根据本专利技术的实施例，在相邻的所述调制脊形波导之间间隔K个脊形波导单元，所述K根据拓扑边界态光场的折射率的周期性变化来确定。
[0012]根据本专利技术的实施例，所述调制脊形波导的宽度和深度与所述拓扑结构的宽度和深度分别对应相等。
[0013]根据本专利技术的实施例，所述调制脊形波导的长度，其中，是调制相位差，取值，其中为奇数；为波矢，值为，为激光器出射波长；为刻蚀的调制脊形波导与未刻蚀的调制脊形波导内基模的有效折射率差。
[0014]本专利技术实施例还提供一种激光器阵列的制作方法，包括：在有源外延组件的顶部通过刻蚀形成拓扑结构和移相区；在所述拓扑结构和所述移相区的上表面生长绝缘层；在所述绝缘层与拓扑态电场分布极大值的所述拓扑结构对应的位置上通过刻蚀形成电极窗口；在所述绝缘层的上表面生长P型金属层；以及在所述有源外延组件的下表面生长N型金属层。
[0015]根据本专利技术提供的基于拓扑结构的激光器阵列，向N型金属层和P型金属层注入电流，有源外延组件用于在电流注入下产生光增益形成光场，拓扑结构形成拓扑边界态电场，得到低光学灾变性损伤阈值、高光功率的单模半导体激光输出，移相区将反相模式的拓扑边界态转换成同相模式的拓扑边界态，得到单瓣的远场，优化输出激光的光束质量，从而输出高功率、高亮度的激光。
附图说明
[0016]图1是根据本专利技术实施例的基于拓扑结构的激光器阵列的结构示意图。
[0017]图2是根据本专利技术实施例的基于拓扑结构的激光器阵列的俯视图。
[0018]图3是根据本专利技术实施例的基于拓扑结构的激光器阵列的输出水平远场分布图。
[0019]图4是根据本专利技术实施例的基于拓扑结构的激光器阵列的输出水平近场分布图。
[0020]图5是根据本专利技术实施例的基于拓扑结构的激光器阵列的拓扑边界态的光场分布示意图。
[0021]附图标记说明1、N型金属层；
2、有源外延组件；21、N型衬底层；22、N型盖层；23、N型扩展层；24、有源层；25、P型扩展层；26、P型盖层；27、P型接触层；3、拓扑结构；31、中心脊形波导；32、脊形波导阵列；321、脊形波导组阵；3211、脊形波导单元；4、移相区；41、调制脊形波导；5、绝缘层；51、电极窗口；6、P型金属层。
具体实施方式
[0022]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。
[0023]在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0024]在此使用的所有术语包括技术和科学术语具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
[0025]在本文中，除非另有特别说明，诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等方向性术语用于表示基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术，而不是指示或暗示所指的装置、元件或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作。需要理解的是，当被描述对象的绝对位置改变后，则它们表示的相对位置关系也可能相应地改变。因此，这些方向性术语不能理解为对本专利技术的限制。
[0026]在使用类似于“使、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释例如， 样具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具 有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等。在使用类似于“系、B或C 等中至少一个”这样的表述的 情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以 解释例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具 有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C 的系统等。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于拓扑结构的激光器阵列，其特征在于，包括：N型金属层(1)；有源外延组件(2)，设置于所述N型金属层(1)的上表面；拓扑结构(3)，通过刻蚀所述有源外延组件(2)的顶部而形成，所述拓扑结构(3)包括：中心脊形波导(31)，设置于所述有源外延组件(2)的中心对称轴处，并沿第一方向延伸；以及脊形波导阵列(32)，包括分布于所述中心脊形波导(31)两侧的多个脊形波导组阵(321)，并关于所述中心脊形波导(31)对称分布，沿与所述第一方向垂直的第二方向周期分布，以形成拓扑边界态电场；移相区(4)，通过刻蚀所述有源外延组件(2)的顶部形成调制脊形波导(41)，所述调制脊形波导(41)与所述拓扑结构(3)在所述第一方向上首尾相连，所述调制脊形波导(41)关于所述中心脊形波导(31)呈对称周期分布，以使得将反相模式的拓扑边界态转换成同相模式的拓扑边界态；绝缘层(5)，所述绝缘层(5)设置于所述拓扑结构(3)和所述移相区(4)的上表面；以及P型金属层(6)，设置于所述绝缘层(5)的上表面。2.根据权利要求1所述的激光器阵列，其特征在于，所述有源外延组件(2)包括自下而上依次层叠分布的N型衬底层(21)、N型盖层(22)、N型扩展层(23)、有源层(24)、P型扩展层(25)、P型盖层(26)和P型接触层(27)。3.根据权利要求1所述的激光器阵列，其特征在于，所述中心脊形波导(31)和相邻的所述脊形波导组阵(321)之间的第一间距，与位于同侧的两个相邻的所述脊形波导组阵(321)之间的第二间距相等。4.根据权利要求3所述的激光器阵列，其特征在于，每个所述脊形波导组阵(321)包括两个脊形波导单元(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑婉华，陈静瑄，傅廷，王宇飞，王学友，王明金，
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：