本发明专利技术公开了一种低发散角近衍射极限输出啁啾光子晶体边发射激光器阵列，包括：N型衬底；形成于该N型衬底之上的N型缓冲层；形成于该N型缓冲层之上的N型啁啾光子晶体波导；形成于该N型啁啾光子晶体波导之上的有源层；形成于该有源层之上的P型限制层；以及形成于该P型限制层之上的P型盖层；其中，对该P型盖层和该P型限制层进行刻蚀在该激光器阵列表面形成一个宽度呈啁啾变化的脊形波导阵列，该脊形波导阵列位于该激光器阵列表面中间部分的是电流注入区，位于该电流注入区两侧的是第一无源损耗区和第二无源损耗区。利用本发明专利技术，可在提高边激光器输出功率的同时，降低发散角并滤除高阶模式，实现高功率低发散角近衍射极限激光输出。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体激光器
，尤其涉及一种低发散角近衍射极限输出啁啾光子晶体边发射激光器阵列。
技术介绍
半导体激光器有较高的电光转化效率，通过选用不同的有源区材料或改变多元化合物半导体各组元的组分可得到所需激射波长，覆盖的波段范围广，寿命长，能通过注入电流直接调制，与气态和全固态激光器相比还具有体积小、重量轻、价格便宜的优点。相比于面发射半导体激光器如VCSEL等，边发射半导体激光器在高效率、大功率激光输出方面有着极大的优势。近十年来，边发射半导体激光器的输出功率和寿命得到了显著提高，室温下单个激光器巴条连续输出功率已超过百瓦，激光器堆叠输出功率也超过了千瓦，同时使用寿命可达数千小时，从而广泛应用于泵浦固态激光器(如Nd:YAG激光器)、泵浦光纤通信中的光源(如掺铒光纤放大器EDFA)、材料的焊接与处理以及印刷工业、医学、军事等领域。但是，要进一步扩大半导体激光器的应用范围甚至取代气态、全固态激光器却受限于边发射半导体激光器的远场特性。传统边发射半导体激光器在垂直于pn结方向(简称垂直方向，或快轴)发散角(半高全宽)约为30～50°，平行于pn结方向(简称水平方向，或慢轴)发散角(半高全宽)约为10～15°，远场光斑呈椭圆形。另外，两个方向上都存在高阶模和基模同时激射的问题，导致发散角随注入电流显著变化。这些都使得边发射半导体激光器在很多领域难以直接应用，虽然采用光束整形和外腔元件反馈等方式在一定程度上能降低快轴发散角，却无法解决模式不稳定等问题，同时还存在工艺复杂、难以集成等缺点。为了降低激光器的垂直方向发散角，本研究团队申请的中国专利CN201110147409.2采用在激光器外延结构N型一侧引入一维周期性光子晶体结构的方法，利用折射率的周期性变化产生的光子晶体能带对光子态进行调制，实现光子态的模式扩展。同时利用有源层作为光子晶体“缺陷”的局域作用使基模主要能量集中在量子阱区内，而高阶模则扩展到光子晶体损耗区中，从而根据模式损耗的不同选出基模，同时降低快轴发散角。这不同于中国专利申请CN 201110272765.7和CN 201210080117.6所采用的布拉格反射波导机制。另外，由于半导体材料中空穴对光的载流子吸收损耗要大于电子对光的吸收损耗，因此只在N型一侧引入光子晶体结构能够大大地降低激射阈值，提高输出功率，同时还能避免在P型一侧引入光子晶体带来的P型层过厚、串联电阻过高的问题，从而在激光器性能上能优于中国专利申请CN 201210164640.7所提出的布拉格发射波导双光束激光器。然而，当快轴发散角的进一步降低要求增加基模扩展尺寸时，通常简单地采用增大N型区光子晶体周期或周期数的方法。这样同时也会造成基模限制在有源层中的能量比例(即限制因子)降低，甚至与高阶模的限制因子相比拟，导致模式竞争及模式不稳定输出等现象发生。另外，输出功率的增大带来的载流子或热效应也会影响折射率分布，造成高阶模激射。这些都会使光束质量变差，从而要求我们改变结构来进一步增大基模和高阶模的限制因子比。在垂直方向上用啁啾光子晶体代替周期性光子晶体，可以进一步增强有源层作为缺陷的“陷光”作用。在保证基模仍有较大的扩展范围的同时，让更多的基模能量集中在有源层中，而更多的高阶模能量被滤除到光子晶体区内，从而在快轴方向实现低发散角的同时，也能保证基模的激射，使输出激光近衍射极限。同样，在半导体激光器水平方向上引入周期性波导结构形成激光器阵列时，虽然获得了水平方向上各个模式的展宽和输出功率的提升，但是也存在着模式竞争的问题。由于基模(同相模)限制在电流注入区的能量比例(即限制因子)与高阶模(反相模)的非常接近，使得两个模式同时激射，造成发散角的增大。另外，由于电流注入区内载流子或热效应的影响，发散角会随着电流注入水平而显著变化，最终使远场特性恶化。在水平方向采用啁啾结构代替周期性结构后，对周期性的破坏会使基模局域，高阶模扩展。结合电流选择性注入方式，可以提高基模的限制因子，同时大大地降低高阶模的限制因子，从而“滤除”高阶模。最终整个阵列输出为同相模，水平方向的远场为稳定的低发散角近衍射极限的单瓣分布。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种能够在垂直方向和水平方向上同时实现单瓣低发散角和稳定的近衍射极限输出的低发散角近衍射极限输出啁啾光子晶体边发射激光器阵列，在提高激光器输出功率的同时极大地改善光束质量，获得高亮度的激光。(二)技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了一种低发散角近衍射极限输出啁啾光子晶体边发射激光器阵列，包括：N型衬底101；形成于该N型衬底之上的N型缓冲层102；形成于该N型缓冲层之上的N型啁啾光子晶体波导103；形成于该N型啁啾光子晶体波导之上的有源层104；形成于该有源层之上的P型限制层105；以及形成于该P型限制层之上的P型盖层106；其中，对该P型盖层106和该P型限制层105进行刻蚀或腐蚀在该激光器阵列表面形成一个宽度呈啁啾变化的脊形波导阵列，该脊形波导阵列位于该激光器阵列表面中间部分的是电流注入区201，位于该电流注入区201两侧的是第一无源损耗区202和第二无源损耗区203。上述方案中，所述N型啁啾光子晶体波导103由至少两对高折射率材料和低折射率材料交替叠置而成，且该至少两对高折射率材料和低折射率材料的折射率分布或厚度分布各不相同。所述N型啁啾光子晶体波导103中相邻高或低折射率材料的厚度或组分的差异，从靠近有源层104向靠近N型衬底101的方向逐渐增大，其变化方式为任意形式，包括线性、抛物线型。上述方案中，所述有源层104包括中心的单层或多层量子阱，以及两侧对称或不对称分布的不掺杂的窄波导层。所述单层或多层量子阱采用的材料为任意有源介质材料。所述单层或多层量子阱采用的材料为III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料，增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。所述III-V族半导体材料为GaN/AlGaN、GaAs/AlGaAs或InP/InGaAsP，所述II-VI族半导体材料为ZnO。上述方案中，所述宽度呈啁啾变化的脊形波导阵列的脊形宽度由阵列中心向阵列两侧方向逐渐减少，减小方式包括线性变化或抛物线型变化。上述方案中，所述电流注入区201、第一无源损耗区202或第二无源损耗区203均至少包含一个脊形波导，所述电流注入区本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种低发散角近衍射极限输出啁啾光子晶体边发射激光器阵列，其特征在于，包括：N型衬底(101)；形成于该N型衬底之上的N型缓冲层(102)；形成于该N型缓冲层之上的N型啁啾光子晶体波导(103)；形成于该N型啁啾光子晶体波导之上的有源层(104)；形成于该有源层之上的P型限制层(105)；以及形成于该P型限制层之上的P型盖层(106)；其中，对该P型盖层(106)和该P型限制层(105)进行刻蚀或腐蚀在该激光器阵列表面形成一个宽度呈啁啾变化的脊形波导阵列，该脊形波导阵列位于该激光器阵列表面中间部分的是电流注入区(201)，位于该电流注入区(201)两侧的是第一无源损耗区(202)和第二无源损耗区(203)。
【技术特征摘要】
1.一种低发散角近衍射极限输出啁啾光子晶体边发射激光器阵列，
其特征在于，包括：
N型衬底(101)；
形成于该N型衬底之上的N型缓冲层(102)；
形成于该N型缓冲层之上的N型啁啾光子晶体波导(103)；
形成于该N型啁啾光子晶体波导之上的有源层(104)；
形成于该有源层之上的P型限制层(105)；以及
形成于该P型限制层之上的P型盖层(106)；
其中，对该P型盖层(106)和该P型限制层(105)进行刻蚀或腐蚀
在该激光器阵列表面形成一个宽度呈啁啾变化的脊形波导阵列，该脊形波
导阵列位于该激光器阵列表面中间部分的是电流注入区(201)，位于该电
流注入区(201)两侧的是第一无源损耗区(202)和第二无源损耗区(203)。
2.根据权利要求1所述的低发散角近衍射极限输出啁啾光子晶体边
发射激光器阵列，其特征在于，所述N型啁啾光子晶体波导(103)由至
少两对高折射率材料和低折射率材料交替叠置而成，且该至少两对高折射
率材料和低折射率材料的折射率分布或厚度分布各不相同。
3.根据权利要求2所述的低发散角近衍射极限输出啁啾光子晶体边
发射激光器阵列，其特征在于，所述N型啁啾光子晶体波导(103)中相
邻高或低折射率材料的厚度或组分的差异，从靠近有源层(104)向靠近N
型衬底(101)的方向逐渐增大，其变化方式为任意形式，包括线性、抛
物线型。
4.根据权利要求1所述的低发散角近衍射极限输出啁啾光子晶体边
发射激光器阵列，其特征在于，所述有源层(104)包括中心的单层或多
层量子阱，以及两侧对称或不对称分布的不掺杂的窄波导层。
5.根据权利要求4所述的低发散角近衍射极限输...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑婉华，刘磊，渠红伟，张斯日古楞，王海玲，
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：
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