一種同時調(diào)制波長和發(fā)散角的光子晶體邊發(fā)射激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種同時調(diào)制波長和發(fā)散角的光子晶體邊發(fā)射激光器，其包括：N型襯底，N型襯底上的N型緩沖層，N型緩沖層上的光子晶體，光子晶體上的有源區(qū)，有源區(qū)上的P型限制層以及P型蓋層，其中，所述光子晶體由至少兩個周期構(gòu)成，且每個周期中采用折射率不同的兩種材料構(gòu)成。本發(fā)明利用激光腔中傾斜傳播的光的模式特性和光子晶體對這種傾斜腔模的反射特性，獲得損耗最小的激射模式，實(shí)現(xiàn)激射波長較高的穩(wěn)定性。同時利用光子晶體導(dǎo)帶模式，獲得垂直方向的較小遠(yuǎn)場發(fā)散角。本發(fā)明提供的這種特殊結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于其他邊發(fā)射激光器，如：窄條邊發(fā)射激光器，錐形激光器等。
【專利說明】一種同時調(diào)制波長和發(fā)散角的光子晶體邊發(fā)射激光器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域，尤其涉及一種同時調(diào)制波長和發(fā)散角的光子晶體邊發(fā)射激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體激光器具有輸出功率高、體積小、重量輕、泵浦效率高等優(yōu)點(diǎn)，尤其是半導(dǎo)體邊發(fā)射激光器在高效率，大功率激光輸出方面具有極大的優(yōu)勢，并逐漸成為固態(tài)/光纖激光器的主要泵浦源。而半導(dǎo)體激光器由于帶隙填充、等離子體色散等效應(yīng)，使激射波長隨溫度和電流變化而變化，使傳統(tǒng)的邊發(fā)射激光器的溫度系數(shù)達(dá)到0.3-0.4nm/K,即溫度變化30度，波長變化約12nm。另外邊發(fā)射激光器在垂直于pn結(jié)方向(即快軸方向)的發(fā)散角約40°，平行于pn結(jié)方向(即慢軸方向)的發(fā)散角約15°，遠(yuǎn)場光斑呈橢圓形，不利于與光纖f禹合。
[0003]人們對實(shí)現(xiàn)激光器較高的波長穩(wěn)定性已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。從改變器件結(jié)構(gòu)(不考慮通過改善有源材料的生長條件)，實(shí)現(xiàn)波長穩(wěn)定的角度出發(fā)，這些方法可以分為內(nèi)腔法和外腔法。內(nèi)腔法中，大多使用的是DFB/DBR結(jié)構(gòu)。但是具有DFB結(jié)構(gòu)的激光器需要通過復(fù)雜的二次外延生長技術(shù)，并且DFB/DBR光柵制作光需要比較精密的儀器，不適于大規(guī)模生產(chǎn)。具有DBR結(jié)構(gòu)的VCSEL通常不能實(shí)現(xiàn)較大的輸出功率，不利于其廣泛應(yīng)用。外腔法中，通常使用空間全息光柵(VHG)/空間布拉格光柵(VBG)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)激光器較高的波長穩(wěn)定性。德國Ondax公司和美國的nLight公司都采用這種方法。但這種方法需要對出射的激光進(jìn)行光束整形，并且需要出射激光光束與VHG之間精確的對準(zhǔn)。外腔方法中也有如專利文獻(xiàn)CN2622721Y和專利文獻(xiàn)CN2632689Y，利用負(fù)溫度系數(shù)的陶瓷，對光纖的熱脹冷縮進(jìn)行補(bǔ)償達(dá)到波長的溫度穩(wěn)定或者采用專利文獻(xiàn)CN1442933A將波長漂移信號反饋給驅(qū)動電路，調(diào)節(jié)管芯溫度。這些外腔方法都不利于片上集成。
[0004]為了便于片上集成和大規(guī)模生產(chǎn)，D.Bimberg等人報道了一種傾斜腔激光器(TCL)，其利用多層反射鏡和有源腔中控制元件實(shí)現(xiàn)波長的溫度穩(wěn)定性控制，理論上實(shí)現(xiàn)了波長的完全控制。但其采用的是大光腔結(jié)構(gòu)，光場主要分布在有源區(qū)中，利用多層反射鏡的布拉格反射禁帶模式，限制了光場的擴(kuò)展，使垂直發(fā)散角20°。并且其有源腔中生長的控制元件需要達(dá)到157層才能實(shí)現(xiàn)溫度系數(shù)0.0Olnm/Κ,生長工藝復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問題
[0006]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種同時調(diào)制波長和發(fā)散角的光子晶體邊發(fā)射激光器。在實(shí)現(xiàn)波長溫度穩(wěn)定的同時，獲得了低垂直發(fā)散角。
[0007]( 二 )技術(shù)方案
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種同時調(diào)制波長和發(fā)散角的光子晶體邊發(fā)射激光器，其包括:N型襯底，N型襯底上的N型緩沖層，N型緩沖層上的光子晶體，光子晶體上的有源區(qū)，有源區(qū)上的P型限制層以及P型蓋層，其中，所述光子晶體由至少兩個周期構(gòu)成，且每個周期中采用折射率不同的兩種材料構(gòu)成。
[0009](三)有益效果
[0010]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0011]1、本發(fā)明提供的這種同時調(diào)制波長和發(fā)散角的光子晶體邊發(fā)射激光器。利用光子晶體導(dǎo)帶模式，實(shí)現(xiàn)垂直方向近10°垂直遠(yuǎn)場發(fā)散角，相比于普通激光器減小了 4倍，相比于傾斜腔激光器減小了 2倍。大大改善了普通邊發(fā)射激光器的遠(yuǎn)場橢圓光斑，有利于與光纖的f禹合。
[0012]2、本發(fā)明提供的這種同時調(diào)制波長和發(fā)散角的光子晶體邊發(fā)射激光器。通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)(MOCVD),在外延方向上生長一維光子晶體實(shí)現(xiàn)波長穩(wěn)定性。優(yōu)于之前在面上或材料內(nèi)部制作一階布拉格光柵的DFB/DBR結(jié)構(gòu)，不需要精密的儀器制作。優(yōu)于外腔結(jié)構(gòu)，不需要在激光器與VHG之間進(jìn)行精密對準(zhǔn)。在工藝上容易實(shí)現(xiàn)。
[0013]3、本發(fā)明提供的這種同時調(diào)制波長和發(fā)散角的光子晶體邊發(fā)射激光器，從芯片設(shè)計層面，包括低折射率上限制層、有源區(qū)和完美光子晶體。有源區(qū)的有效折射率介于光子晶體兩種材料的折射率之間。使光模式即易于擴(kuò)展又有一定的反射。利用完美光子晶體的導(dǎo)帶模式擴(kuò)展光場，實(shí)現(xiàn)垂直方向低發(fā)散角。并且利用激光腔中低折射率上限制層對傾斜傳播的光模式的反射特性和光子晶體對這種傾斜腔模的反射特性，獲得損耗最小的激射模式，實(shí)現(xiàn)激射波長較高的穩(wěn)定性。可以廣泛應(yīng)用于各種邊發(fā)射激光器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)例并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中:
[0015]圖1為依照本發(fā)明的同時調(diào)制波長和發(fā)散角的光子晶體邊發(fā)射激光器輸出端面的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0016]圖2為依照本發(fā)明的同時調(diào)制波長和發(fā)散角的光子晶體邊發(fā)射激光器的側(cè)面示意圖；
[0017]圖3為低折射率上限制層對有源區(qū)中光的反射特性圖；
[0018]圖4(a)、(b)分別為根據(jù)完美光子晶體的反射特性對其高、低折射率材料厚度的優(yōu)化圖；
[0019]圖5為圖1所示光子晶體的軸上能帶結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖6為室溫、升溫10°、20°、30°后激光器垂直方向基模的近場分布圖；
[0021]圖7為室溫、升溫10°、20°、30°后激光器垂直方向基模的遠(yuǎn)場分布圖；
[0022]圖8為20°C、30°C、40V實(shí)測的器件光譜圖；
[0023]圖9為模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0025]如圖1所示，圖1為依照本發(fā)明的同時調(diào)制波長和發(fā)散角的光子晶體邊發(fā)射激光器輸出端面的結(jié)構(gòu)示意圖。該激光器包括:N型襯底V6，N型襯底上的N型緩沖層V5，N型緩沖層上的具有緩沖結(jié)構(gòu)的完美一維光子晶體V4，光子晶體上的有源區(qū)V3，有源區(qū)上的P型低折射率限制層V2以及P型蓋層VI。在P型蓋層Vl刻蝕形成有刻蝕區(qū)S1、S3和脊型區(qū)S2，SI和S3分別位于脊型波導(dǎo)S2的兩側(cè)，且脊型波導(dǎo)S2相對于所述SI和S2向上凸起，S2寬度為100 μ m。其中S2為電流注入?yún)^(qū)，S1、S3為非注入?yún)^(qū)。S1、S3上覆蓋有絕緣層E2，其材料為氮化硅或二氧化硅；S2和E2上覆蓋正面電極E1，其材料采用金屬，如鈦鉬金；V6下表面設(shè)置有背面電極E3，其材料采用金屬，如金鍺鎳金。最終截取腔長為500 μ m的管芯進(jìn)行測試。
[0026]本發(fā)明中的所述光子晶體V4為完美光子晶體結(jié)構(gòu)，其包含至少兩個周期，每個周期由兩種折射率不同的材料構(gòu)成，并且相鄰材料之間有緩沖層，每個周期具有相同的折射率分布和厚度分布，即不同周期中的兩種材料分別相同，且厚度也分別相同。
[0027]其中，所述有源區(qū)包含單層、多層量子阱或量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，并且周圍是對稱的或者非對稱的波導(dǎo)層。且所述有源區(qū)的有效折射率介于構(gòu)成光子晶體的所述兩種材料的折射率之間，這樣能夠使光子晶體即能對有源區(qū)中的光有反射又有擴(kuò)展。
[0028]本發(fā)明中P型上限制層折射率低于光子晶體中低折射率材料的折射率使上限制層對光的反射也比較強(qiáng)。所述P型上限制層材料采用AlGaAs，其中Al組分大于0.35。
[0029]本發(fā)明中所述N型襯底上的緩沖層用于減小晶格失配；
[0030]本發(fā)明提出的上述激光器通過M0CVD，在GaAs襯底上先生長緩沖層，然后交替生長400nm的Ala3Gaa7As和150nm的Ala2Gaa8As的一維光子晶體。其中光子晶體兩層材料之間具有20nm的緩沖層，即實(shí)際的Ala3Gaa7AsSSOnnuAla2Gaa8As是130nm。隨后生長具有量子阱的有源層，P型限制層和P型蓋層。
[0031]本發(fā)明提出的同時調(diào)制波長和發(fā)散角的光子晶體邊發(fā)射激光器，利用激光腔中傾斜傳播的光的模式特性和光子晶體對這種傾斜腔模的反射特性，獲得損耗最小的激射模式，實(shí)現(xiàn)激射波長較高的穩(wěn)定性。同時利用光子晶體導(dǎo)帶模式的拓展性能，獲得垂直方向的較小遠(yuǎn)場發(fā)散角。
[0032]以下結(jié)合具體的實(shí)施例對本發(fā)明提供的低發(fā)散角波長穩(wěn)定的一維光子晶體邊發(fā)射激光器作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0033]實(shí)施例一
[0034]如圖1為同時調(diào)制波長和發(fā)散角的一維光子晶體邊發(fā)射激光器輸出端面的結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)的光子晶體包含10個周期，每個周期中含有兩種Al組分不同的AlGaAs材料，并且在層與層之間采用緩沖結(jié)構(gòu)以降低激光器的串聯(lián)電阻。光子晶體周期中兩種材料的折射率差小于0.1。
[0035]如圖2為依照本發(fā)明的同時調(diào)制波長和發(fā)散角的光子晶體邊發(fā)射激光器的側(cè)面示意圖。其中分布于P型限制層，有源層，和光子晶體中的箭頭表示光以一定的角度在激光腔中傳播，并得到反饋。
[0036]如圖3為低折射率上限制層對有源區(qū)中光的反射特性圖。是根據(jù)光從有源區(qū)向上表面入射時，針對不同的入射光角度(以平行材料界面方向?yàn)槿肷浣嵌?°方向)所得到的反射譜。反應(yīng)了激光腔的模式特性。
[0037]如圖4(a)、(b)分別為根據(jù)光子晶體的反射特性對其高、低折射率材料厚度的優(yōu)化。這兩幅圖為用嚴(yán)格耦合波理論在一定的材料厚度下，對不同光入射角度(以平行材料界面方向?yàn)槿肷浣嵌?°方向)下對900nm波長反射強(qiáng)度進(jìn)行掃描。Wl表示高折射率層的厚度，W2表示低折射率層的厚度。圖中黑色框?yàn)槲覀冞x擇的光子晶體高、低折射率材料的厚度。
[0038]如圖5為圖1所示光子晶體的軸上(即光垂直于界面)的能帶結(jié)構(gòu)圖，。實(shí)例中光子晶體周期是0.55 μ m,針對900nm波長設(shè)計的(縱軸坐標(biāo)=光子晶體周期/激射波長)。在對應(yīng)900nm波長處(圖中箭頭標(biāo)記處)對應(yīng)于光子晶體導(dǎo)帶模式。
[0039]如圖6為室溫、升溫10°、20°、30°激光器垂直方向基模的近場分布。在考慮強(qiáng)度大于IX 10_5的情況下，室溫、升溫10°、20°、30°下，近場擴(kuò)展尺度分別為6.878 μ m、
5.411 μ m、5.574 μ m、5.818 μ m。在室溫下，基模在量子阱區(qū)的限制因子是1.3532%,高階模中限制因子最高只有0.559%。升溫10°之后，基模在量子阱區(qū)的限制因子是1.4545%，高階模中限制因子最高是0.5997%。升溫20°之后，基模在量子阱區(qū)的限制因子是
1.528%，高階模中限制因子最高是0.6045%。升溫30°之后，基模在量子阱區(qū)的限制因子是1.6847%，高階模中限制因子最高是0.5856%。由于基模的在量子阱中的限制因子都是高階模最高限制因子的2倍以上，對應(yīng)于基模激射，因此我們只考慮基模的近場和遠(yuǎn)場。由圖可知，當(dāng)溫度升高時，由于材料折射率隨溫度升高而增大，限制了基模的擴(kuò)展，使近場尺度相對于室溫減小。但升溫前后，基模的近場擴(kuò)展始終大于5 μ m。
[0040]如圖7為室溫、升溫10°、20° >30°激光器垂直方向基模的遠(yuǎn)場分布。室溫下，遠(yuǎn)場角的半高全寬是8.584°。當(dāng)溫度升高10°的情況下，基模的遠(yuǎn)場發(fā)散角12.23°。升高20°的情況下，基模的遠(yuǎn)場發(fā)散角11.12°。升高30°的情況下，基模的遠(yuǎn)場發(fā)散角10.398°。這表明，垂直方向遠(yuǎn)場發(fā)散角隨溫度增加有所增大。但與一般邊發(fā)射激光器垂直方向遠(yuǎn)場40°發(fā)散角，D.Bimberg等人的多層反射鏡結(jié)構(gòu)垂直方向遠(yuǎn)場20°發(fā)散角以及專利申請CN201210164640.7的雙瓣遠(yuǎn)場相比，本發(fā)明中激光器在發(fā)散角方面有改進(jìn)。
[0041]如圖8為20°C、30°C、40°C實(shí)測的器件光譜圖。從圖中可以看到，隨著溫度的升高，所測量的光譜峰值藍(lán)移。藍(lán)移的速度約為-0.06nm/K。
[0042]如圖9為模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果所得到的溫度系數(shù)對比圖。實(shí)驗(yàn)中由于生長偏差的原因，造成激射波長與設(shè)計的波長有所偏移。但可以看到，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)所得到的溫度系數(shù)幾乎相同。模擬結(jié)果得到的溫度系數(shù)是-0.08nm/K，實(shí)驗(yàn)得到的溫度系數(shù)是-0.06nm/Ko
[0043]本實(shí)例所獲激光器的溫度系數(shù)約-0.08nm/K，即升溫30°時波長改變_2.4nm。而一般的邊發(fā)射激光器的溫度系數(shù)是0.3nm/K?0.4nm/K即升溫30°時波長改變9nm?12nm。并且本實(shí)例所獲得的激光器垂直方向的遠(yuǎn)場發(fā)散角為10°左右。本實(shí)例明顯改善了邊發(fā)射激光器的波長穩(wěn)定性和垂直方向的遠(yuǎn)場發(fā)散角。通過此發(fā)明，我們實(shí)現(xiàn)了低發(fā)散角波長穩(wěn)定性較高的邊發(fā)射激光器。
[0044]以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種同時調(diào)制波長和發(fā)散角的光子晶體邊發(fā)射激光器，其包括:N型襯底，N型襯底上的N型緩沖層，N型緩沖層上的光子晶體，光子晶體上的有源區(qū)，有源區(qū)上的P型限制層以及P型蓋層，其中，所述光子晶體由至少兩個周期構(gòu)成，且每個周期中采用折射率不同的兩種材料構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時調(diào)制波長和發(fā)散角的光子晶體邊發(fā)射激光器，其特征在于，有源區(qū)的有效折射率介于光子晶體中兩種材料的折射率之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時調(diào)制波長和發(fā)散角的光子晶體邊發(fā)射激光器，其特征在于，所述光子晶體中相鄰材料之間具有緩沖層，且每個周期具有相同的折射率分布和厚度分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時調(diào)制波長和發(fā)散角的光子晶體邊發(fā)射激光器，其特征在于，所述光子晶體中的兩種材料選用Al組分不同的AlGaAs材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的同時調(diào)制波長和發(fā)散角的光子晶體邊發(fā)射激光器，其特征在于，所述光子晶體中的兩種材料的折射率差小于0.1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時調(diào)制波長和發(fā)散角的光子晶體邊發(fā)射激光器，其特征在于，有源區(qū)包含單層、多層量子阱或量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，并且周圍是對稱的或者非對稱的波導(dǎo)層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時調(diào)制波長和發(fā)散角的光子晶體邊發(fā)射激光器，其特征在于，在所述P型蓋層上刻蝕形成有兩個刻蝕區(qū)以及位于兩個刻蝕區(qū)中間的脊型區(qū)，其中所述脊型區(qū)為電流注入?yún)^(qū)，而所述兩個刻蝕區(qū)為非電流注入?yún)^(qū)。
【文檔編號】H01S5/12GK103996972SQ201410256968
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】鄭婉華, 劉云, 劉磊, 王宇飛, 齊愛誼 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所