一种高功率小发散角单横模单波长半导体激光器及制备方法技术

一种高功率小发散角单横模单波长半导体激光器及制备方法，包括片体，所述片体底部和顶部表面均覆盖有电极层；所述片体包括中心腔以及对称设置在中心腔左右两侧的PT布拉格反射光栅区。本发明专利技术的有益效果是：该结构将电注入分散在两侧的布拉格反射光栅区，注入面积较传统激光器大，不仅减小了器件的输入电阻和热效应，实现较高的能量转换效率，而且较大的注入面积更有利于散热。入面积更有利于散热。入面积更有利于散热。

【技术实现步骤摘要】
一种高功率小发散角单横模单波长半导体激光器及制备方法


[0001]本专利技术涉及一种高功率小发散角单横模单波长半导体激光器及制备方法。

技术介绍

[0002]高功率半导体激光器由于体积小、重量轻、可靠性高、电光转换效率高，现已广泛应用于激光通信、激光泵浦、激光陀螺、激光测距以及雷达等方面。
[0003]目前，提高半导体激光器的输出功率，同时保证器件的光束质量是半导体激光器行业的研究热点和难点。一般来说，高功率激光器大都是端面发射，因为这种方式制作工艺简单、而且能够保证激光器的横向单模输出。但是由于量子阱(quantum wells,QWs)结构的纳米尺寸对远场光斑存在较大的衍射效应，使半导体激光器的输出光在水平方向和垂直方向存在差异，光束质量较差。这就使得光束整形系统较为复杂，限制了半导体激光器的应用。高输出功率和高光束质量在一定程度上相互矛盾，在大注入电流条件下器件可以获得高输出功率，但是大电流会导致器件内部电流分布不均匀，从而导致材料折射率产生不均匀的变化，进一步影响激光器远场发散角。
[0004]通过对激光器横截面进行结构设计，是目前提高半导体激光器输出功率和光束质量最主要的手段。最初，研究人员发现扩大条形激光器的端面并增加腔长，可以提高激光器的输出功率，然而随着输出功率的提高，灾变光学损伤(catastrophic optical damage,COD)或灾变光学镜面损伤(catastrophic optical mirror damage,COMD)现象随之出现，严重影响了激光器的性能和稳定性。研究人员研究发现，通过腔面处理可以在一定程度上解决上述问题。此外，楔形结构激光器(tapered laser)可以提高输出功率，但是激射波束不稳定，很难有效的耦合进光纤。平板耦合光波导激光器(slab coupled optical waveguide laser,SCOWL)结构也可以实现单横模的大功率输出。光子晶体激光器(photonic band crystal,PBC)可以达到5W的连续输出。耦合宽光学腔激光器(coupled large optical cavity lasers,CLOC)可压制高阶模实现大功率单横模激射，同时减小远场垂直发散角，提高光束的光纤耦合效率。基于布拉格反射波导(modified Bragg
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like waveguide)的单横模激光器可实现圆形远场的输出，但这些结构都需要毫米量级的纵向腔长。除此之外，激光器叠阵也是提高输出功率的有效手段之一，但我们的工作主要面向提高单管单横模单波长的输出功率和光束质量。
[0005]专利(ZL 2018 1 1416019.9)中的半导体激光器结构，利用宇称
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时间对称(parity
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time，PT symmetry)布拉格光栅的滤模机制，结合中心低折射率腔和其中的高折射率层的波导作用，实现了高功率输出，但是其远场发散角较大，光束质量不高。针对上述结构发散角偏大的问题，本专利基于法布里
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珀罗腔(Fabry
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Perot,FP)激光器，提出一种利用PT结构的布拉格反射波导激光器，该结构制备工艺更简单，可实现高功率、小发散角输出。

技术实现思路

[0006]为解决以上技术上的不足，本专利技术提供了一种高功率小发散角单横模单波长半导体激光器及制备方法，
[0007]本专利技术是通过以下措施实现的：
[0008]一种高功率小发散角单横模单波长半导体激光器，包括片体，所述片体底部和顶部表面均覆盖有电极层；所述片体包括中心腔以及对称设置在中心腔左右两侧的PT布拉格反射光栅区，所述PT布拉格反射光栅区包括由下往上依次叠加的p型掺杂InAlGaAs/InP光栅层、InAlGaAs量子阱QWs有源层和n型InGaAsP/InP光栅层，所述中心腔内由下往上依次叠加有n型掺杂InP层、非掺杂InP层、p型掺杂InP层。
[0009]上述PT布拉格反射光栅区中下层的p型掺杂InGaAsP/InP光栅层的光栅周期与上层的n型InGaAsP/InP光栅层光栅周期交错半个周期。
[0010]上述中心腔内非掺杂InP层厚度大于p型掺杂InP层、n型掺杂InP层的厚度。
[0011]一种高功率小发散角单横模单波长半导体激光器的制备方法，包括以下步骤：
[0012]首先采用电子束曝光对InP衬底进行刻蚀，对下层光栅填充InAlGaAs并进行掺杂，形成下层的p型掺杂InAlGaAs/InP光栅层，并在该层上面生长一层InP层；然后进行中间有源层InAlGaAs量子阱外延生长，再进行上层InGaAsP层生长，同样利用电子束曝光对InGaAsP层进行刻蚀形成光栅，但光栅周期与下层的p型InAlGaAs层交错半个周期，用InP填充InGaAsP光栅层，完成PT布拉格反射光栅三层结构制备；在所述三层结构上中心位置对中心腔进行刻蚀，再对中心腔填充n型掺杂InP层，再生长非掺杂InP层，再填充p型掺杂InP层，最后在PT布拉格反射光栅区、中心腔的下底面及上顶面覆盖电极层，形成最终器件,下底面为正极，上底面为负极。
[0013]本专利技术的有益效果是：1.本专利提出的PT
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BRW激光器，利用条波导和两侧对称分布的PT布拉格反射光栅共同作用，在横向上实现滤模功能并保证单模输出，波长由光栅周期控制并保证单波长输出。2.激射模的光场较均匀的分散在中心腔附近2um
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2um的区域内，且无载流子经过该区域，从而尽可能减少不必要的热效应和光电作用等问题，使激光器的COD阈值能够得到有效提高。3.该结构将电注入分散在两侧的布拉格反射光栅区，注入面积较传统激光器大，不仅减小了器件的输入电阻和发热效应，实现较高的能量转换效率，而且较大的注入面积更有利于散热。4.这种结构设计方式激发的远场模发散角更小。
附图说明
[0014]图1为本专利技术的剖面结构示意图。
[0015]图2为本专利技术的PT布拉格反射光栅区和中心腔的等效折射率分布图。
[0016]图3为本专利技术的制备流程图。
[0017]图4为本专利技术工作时激射模(a)近场和(b)远场仿真结果。
[0018]图5为腔长500微米的激光器L
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I曲线和能量转换效率(PCE)曲线图。
[0019]其中1、电极层，2、n型InGaAsP/InP光栅层，3、InAlGaAs量子阱QWs有源层，4、p型掺杂InAlGaAs/InP光栅层，5、n型掺杂InP层；6、非掺杂InP层；7、p型掺杂InP层；图3中
①
表示InP衬底；
②
对InP衬底刻蚀；
③
对下层光栅填充InAlGaAs并进行掺杂；
④
进行中间有源层InAlGaAs量子阱外延生长；
⑤
进行上层InGaAsP层生长；
⑥
对InGaAsP层进行刻蚀形成光栅；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高功率小发散角单横模单波长半导体激光器，其特征在于：包括片体，所述片体底部和顶部表面均覆盖有电极层；所述片体包括中心腔以及对称设置在中心腔左右两侧的PT布拉格反射光栅区，所述PT布拉格反射光栅区包括由下往上依次叠加的p型掺杂InAlGaAs/InP光栅层、InAlGaAs量子阱QWs有源层和n型InGaAsP/InP光栅层，所述中心腔内由下往上依次叠加有n型掺杂InP层、非掺杂InP层和p型掺杂InP层。2.根据权利要求1所述高功率小发散角单横模单波长半导体激光器，其特征在于：所述PT布拉格反射光栅区内，下层的p型掺杂InGaAsP/InP光栅层的光栅周期与上层的n型InGaAsP/InP光栅层光栅周期交错半个周期。3.根据权利要求1所述高功率小发散角单横模单波长半导体激光器，其特征在于：所述中心腔内非掺杂InP层厚度大于p型掺杂InP层、n型掺杂InP层的厚度。4.一种高功率小发散角单横模单波长半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先采用电子束曝光制备光掩膜版，并利用干法刻蚀工艺对InP衬底进行刻蚀，...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭瑞宏，李俣，
申请(专利权)人：李俣，
类型：发明
国别省市：