一种具有光束扩散结构的高速半导体激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种半导体激光器，包括光波导结构，所述光波导结构包括自下而上依次叠置的下波导层(2)、多量子阱有源层(3)和上波导层(5)，在所述多量子阱有源层(3)中的上部形成有光栅层(4)，所述上波导层(5)、包层6和接触层7形成为凸脊，该凸脊具有入光端面和出光端面，并在出光端面一侧具有光束扩散结构。所述光束扩散结构具有扩束部分，所述扩束部分具有从所述出光端面向内部逐渐收缩的形状。扩束部分的水平发散角优选为5°～20°。本发明专利技术能够很好的抑制光在水平方向的扩散，改善光束质量，使其与光纤实现更好的模式匹配，并能够增加激光器的输出功率，改善激光器的高频响应特性。

【技术实现步骤摘要】
一种具有光束扩散结构的高速半导体激光器
本专利技术属于半导体
，特别涉及一种出光端面具有光束扩散结构的高速半导体激光器。
技术介绍
高速半导体激光器是高速通信系统的核心器件。高性能的发射机是由高功率、低噪声的DFB激光器作为光源，并通过直接调制或外调制来实现数据的加载。外调制技术可以实现较宽调制频率范围(＞75GHz)，但也存在一些不足之处，例如体积大，成本高，驱动电压高，插入损耗大(6～7dB)。而直接调制半导体激光器在直流偏置电流上叠加调制信号，可以对激光器输出光信号的幅度进行调制，是一种实现高效光发射的方法，具有小体积、低功耗、高线性，以及使用方便等独特优点。直接调制激光器由于受内部物理效应以及寄生参数效应的影响，导致激光器张弛振荡频率下降，限制了传输系统的工作速率。一般半导体激光器的端面最容易发生光学损伤，因此激光器端面附近光功率密度决定了激光器的输出光功率和响应动态范围。半导体激光器的输出光功率和张弛振荡频率与注入电流成正比，随着注入电流的增加，张弛振荡峰向高频方向移动。但是增大注入电流容易造成激光器端面出现不可恢复的损伤，甚至烧毁半导体激光器。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的目的在于提高激光器的注入电流时不引起激光器端面的光学损伤，以在提高激光器输出光功率的同时提高激光器调制带宽。(二)技术方案为解决上述技术问题，本专利技术提出如下的半导体激光器，包括光波导结构，所述光波导结构包括自下而上依次叠置的下波导层、多量子阱有源层和上波导层，在所述多量子阱有源层中的上部形成有光栅层，所述上波导层形成为凸脊，该凸脊具有入光端面和出光端面，并在出光端面一侧具有光束扩散结构。根据本专利技术的具体实施方式，所述光束扩散结构具有扩束部分，所述扩束部分具有从所述出光端面向内部逐渐收缩的形状。根据本专利技术的具体实施方式，所述扩束部分的水平发散角为5°～20°。根据本专利技术的具体实施方式，所述扩束部分的长度为5～30μm。根据本专利技术的具体实施方式，所述激光器的入光端面镀有高反射膜，出光端面镀有增透膜。根据本专利技术的具体实施方式，所述下波导层与上波导层具有厚度差。根据本专利技术的具体实施方式，所述厚度差为30～60nm。根据本专利技术的具体实施方式，在所述下波导层的下方为缓冲层。根据本专利技术的具体实施方式，所述光波导结构的除了入光端面入出光端面之外的上部覆盖有包层。(三)有益效果本专利技术利用激光器出光端面处的光束扩散结构，能够很好的抑制光在水平方向的扩散，改善光束质量，使其与光纤实现更好的模式匹配；本专利技术的光束扩散结构降低了光腔面处的光功率密度，从而增加了激光器的输出功率，改善了激光器的高频响应特性。附图说明为进一步说明本专利技术的
技术实现思路
，以下结合实施例及附图对本专利技术作进一步的详细说明，其中：图1是本专利技术的出光端面具有光束扩散结构的高速半导体激光一个实施例的立体结构示意图；图2是沿图1中的A-A’的剖面图；图3是本专利技术的出光端面具有光束扩散结构的高速半导体激光一个实施例的去除P电极层8后的立体结构示意图；图4显示了所述光束扩散结构的平面结构。具体实施方式为达到上述目的，本专利技术提供一种出光端面具有光束扩散结构的高速半导体激光器。具体来说，其包括光波导结构，所述光波导结构包括自下而上依次叠置的下波导层、多量子阱有源层和上波导层，在所述多量子阱有源层中的上部形成有光栅层。所述上波导层形成为凸脊，并在出光端面一侧具有光束扩散结构。所谓光束扩散结构，是指对于谐振腔长度为L的激光器的来说，入光面和出光面在布拉格光栅上的投影具有两条相互平行的边，所述的两条相互平行的边的边长不相等，所述的谐振腔腔长方向与所述的两条相互平行的边垂直。从谐振腔入光面到长度为L1处，呈长方形状，从L1到L2处，呈喇叭口状，光束扩散长度L2优选为5～30μm，水平扩散角度θ优选为5°～20°。下面通过具体实施例来进一步说明本专利技术。图1是本专利技术的出光端面具有光束扩散结构的高速半导体激光一个实施例的立体结构示意图。图2是沿图1中的A-A’的剖面图。如图1和图2所示，所述激光器自下而上依次包括如下叠层结构：N电极层9、缓冲层1、下波导层2、多量子阱有源层3、光栅层4、上波导层5、包层6、接触层7和P电极层8。其中下波导层2、多量子阱有源层3、上波导层5构成光波导结构，光栅层4形成在多量子阱有源层3中的上部。图3是上述实施例中去除P电极层8后的立体结构示意图。如图所示，所述上波导层5形成为凸脊，而非覆盖整个多量子阱有源层3。当形成该上波导层5之后，包层6用于覆盖上波层导5的上方。所述上波导层5的凸脊具有入光端面和出光端面，如图3中箭头所示为光的入射和出射方向。如图3所示，凸脊具有入光端面和出光端面，并在出光端面一侧具有光束扩散结构。光束扩散结构具有扩束部分。图4显示了所述光束扩散结构的平面结构。如图4所示，光束扩散结构包括扩束部分51和平直部分52，左侧一端为光束扩散结构的入光端面53，右侧一端为光束扩散结构的出光端面54，扩束部分位于出光端面54的一侧。从图中可见，扩束部分具有从所述出光端面向内部逐渐收缩的形状，或者称为喇叭口状。所述扩束部分的水平发散角θ优选为5°～20°，水平发散角要与自由衍射光束的发散角匹配，即水平发散角等于或小于基模衍射角，从而防止高阶模耦合入基模中，并且有效利用载流子获得高微分量子效率。在该实施例中，激光器的长度L为200～800μm，光束扩散长度L2优选为5～30μm。通过采用光束扩散结构，增大光斑的横向尺寸，扩展器件在腔面处的出光面积，在相同的功率输出下，降低单位出光面的光功率密度。此外，本专利技术还提出采用非对称光波导结构，使多量子阱有源层3两侧的上波导层5和下波导层2存在一个厚度差，以此来增大基模和高阶模之间的光限制因子的差，从而抑制高阶模的激射。对一定的波导层厚度，随着多量子阱有源层3两侧上波导层5和下波导层2厚度差的增加，基模和高阶模的光限制因子都减小，但是高阶模的光限制因子的减小速率要比基模的快得多，基模和高阶模之间的光限制因子的差随之增大。对于总厚度为2μm的波导层，当多量子阱有源层3两侧上波导层5和下波导层2厚度差为30～60nm时，基模的光限制因子是高阶模的1.55倍。对于非对称光发散结构，一般使下波导层2的厚度大于上波导层5的厚度，这是由于空穴的迁移率小于电子的迁移率，空穴对光的吸收损耗更大。采用光束扩散结构具有以下优点：(1)可以很好的抑制光束在水平方向的扩散，改善光束质量；(2)扩散结构改变了波导的数值孔径，斜反射光仍耦合回有源区，从而与光纤实现了更好的模式匹配；(3)激光器波导中端面处不均匀性是场分布比较集中的地方，也是最容易产生光损伤的区域，将光束在端面处扩束，减少不均匀性，降低不均匀性处的光功率密度，可以提高端面损伤阈值，因此就可以增加激光器的注入电流，从而增加输出功率；(4)因为随着半导体激光器注入电流的增加，张弛振荡频率往高频方向移动，因此增大注入电流也可以改善激光器的高频响应特性，提高调制带宽增加动态范围。该实施例中，缓冲层1的材料可选择III-V族化合物半导体材料、II-VI族化合物半导体材料、IV-VI族化合物半导体材料或四元化合物半导体材料。在该实施例中，缓冲层的材料是InP，厚度为200nm、掺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体激光器，包括光波导结构，所述光波导结构包括自下而上依次叠置的下波导层(2)、多量子阱有源层(3)和上波导层(5)，在所述多量子阱有源层(3)中的上部形成有光栅层(4)，其特征在于，所述上波导层(5)、包层(6)和接触层(7)形成为凸脊，该凸脊具有入光端面和出光端面，并在出光端面一侧具有光束扩散结构。

【技术特征摘要】
1.一种半导体激光器，所述半导体激光器为高速直调半导体激光器，所述高速直调半导体激光器包括光波导结构，所述光波导结构包括自下而上依次叠置的下波导层(2)、多量子阱有源层(3)和脊形波导的上波导层(5)，在所述多量子阱有源层(3)中的上部形成有光栅层(4)，其特征在于，所述上波导层(5)、包层(6)和接触层(7)形成为凸脊，该凸脊具有入光端面和出光端面，并在出光端面一侧具有光束扩散结构，所述光束扩散结构包括扩束部分，所述扩束部分具有从所述出光端面向内部逐渐收...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝宁华，刘建国，郭锦锦，陈伟，
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：北京;11