申请/专利权人：华中科技大学

申请日：2019-02-28

公开（公告）日：2020-11-24

公开（公告）号：CN109768468B

主分类号：H01S5/02(20060101)

分类号：H01S5/02(20060101);H01S5/022(20060101);H01S5/026(20060101);H01S5/028(20060101);H01S5/10(20060101);H01S5/22(20060101);H01S5/30(20060101);H01S5/343(20060101);B82Y20/00(20110101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.11.24#授权;2019.06.11#实质审查的生效;2019.05.17#公开

摘要：本发明公开一种半导体激光器，包括：沿外延层生长方向，由下部的平板波导和上部的脊波导构成；沿光传输方向，由背侧的脊宽不变区，和前侧的脊宽收窄区构成，在脊宽不变区，其上部的脊波导脊宽维持不变，在脊宽收窄区，其上部的脊波导脊宽逐渐收窄，脊宽收窄区宽脊端的脊宽等于脊宽不变区的脊宽，脊宽收窄区窄脊端的脊宽小于宽脊端的脊宽，窄脊端是光输出端；在脊宽收窄区，随着脊宽逐渐收窄，上部脊波导的等效折射率逐渐减小，直到窄脊端处接近下部平板波导的等效折射率，窄脊端的基模的纵向和横向尺寸均增大，使得输出光的纵向和横向发散角均减小。本发明提供的半导体激光器的输出光的发散角比普通脊波导结构的半导体激光器的发散角更小。

主权项：1.一种半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器的横向结构，沿外延层生长方向，由下部的平板波导和上部的脊波导构成；所述下部的平板波导沿外延层生长方向依次包括：衬底层、缓冲层、下波导芯层、下间隔层；所述上部的脊波导沿外延层生长方向依次包括：下间隔层、下阻隔层、下分别限制层、有源层、上分别限制层、上阻隔层、上间隔层、停止腐蚀层、上包层、次覆盖层以及顶部覆盖层；其中，下间隔层既是下部的平板波导的组成部分，又是上部的脊波导的组成部分；沿光传输方向，将所述半导体激光器划分为背侧的脊宽不变区和前侧的脊宽收窄区，所述光传输方向与所述外延层生长方向垂直，所述脊宽不变区由一部分平板波导和其上部的脊波导组成，所述脊宽收窄区由另一部分平板波导和其上部的脊波导组成；在脊宽不变区，上部的脊波导的脊宽维持不变，在脊宽收窄区，上部的脊波导的脊宽沿光输出方向逐渐收窄，脊宽收窄区宽脊端的脊宽等于脊宽不变区的脊宽，且宽脊端与脊宽不变区相接，脊宽收窄区窄脊端的脊宽小于宽脊端的脊宽，其中，此窄脊端为半导体激光器的光输出端；在脊宽收窄区，沿光输出方向，随着脊宽逐渐收窄，上部脊波导的等效折射率逐渐减小，直到窄脊端处，上部脊波导的等效折射率等于下部平板波导的等效折射率，使得在窄脊端处，基模均分在上部脊波导和下部平板波导中，基模的纵向尺寸增大，且由于收窄脊宽，脊对光的横向限制减弱，窄脊端基模的横向尺寸也增大，窄脊端处的垂直于光传输方向的基模的纵向尺寸和横向尺寸均相对脊宽不变区增大，使得所述半导体激光器输出光的纵向发散角和横向发散角均小于15°。

全文数据：一种半导体激光器技术领域本发明涉及半导体激光器技术领域，更具体地，涉及一种半导体激光器。背景技术即将到来的万物互联时代，人与人、人与物、物与物之间的通信需求的急剧增长，使得光通信系统在现代信息社会中，扮演着越来越重要的角色。基于发达的通信基础设施衍生出来的各类生活、服务和产业应用，关系着国家的科技前进、国力的提升和人们更便利的生活。而光通信系统中的关键基础部件，如发射机和接收机，它们的可靠、优质的性能则决定了光通信系统能否稳定、有序、低能耗的长期有效的运行下去。光通信系统中，信号光产生后，需要与光纤高效、低损的耦合，以把信息传递到接收子系统，半导体激光器的小体积、易集成、低功耗等优点，决定了它是非常合适的光源。但，量子阱半导体激光器的普通脊波导结构，决定了激光器输出的光斑是小尺寸的椭圆光斑，即该类结构激光器具有较大的横向、纵向远场发散角，约20°×40°。为了提高与单模光纤的耦合效率，一般的，半导体激光器会根据发散角的优劣采取对应的封装策略，如对于有较大远场发散角的半导体激光器，采用大球透镜封装；与之耦合的单模光纤，端面会做一定的处理，如透镜光纤，但耦合效率依然不高，出现了极大的能量浪费。对此，国内外的研究者提出了一系列解决方案，以减小半导体激光器的远场发散角，来降低封装成本和减少不必要的能量浪费。如V.Vusirikala等人提出的低损耗、高对准容忍度的稀释脊波导半导体激光器GaAs-AlGaAsQWDilutedWaveguideLaserwithLowLoss,Alignment-TolerantCouplingtoaSingle-ModeFiber,IEEEPhotonicsTechnologyLetters,Vol.8,No.9,September1996，通过减小芯层与包覆层之间的折射率差，减小基模的光场限制因子，使基模光斑尺寸增大，达到减小远场发散角的目的。如JosephP.Donnelly等人提出的平板耦合波导结构US6928223B2，基于平板耦合波导理论，在保证只支持基模的同时，减小基模的光场限制因子，得到大尺寸的基模光斑，最终得到较小的远场发散角。这两种方法的共同点，都是通过减小基模的光场限制因子，达到减小远场发散角的目的。但较小的光场限制因子意味着较小的模式增益，因此，这两类半导体激光器具有更大的阈值电流，需要更长的器件长度和更高的注入电流，以正常工作。由CristianStagarescu等人提出的具有光束形状修改的激光器CN104380545B,US9401582B2既不需要减小基模的光场限制因子，也不需要在出光端重新生长有较低折射率的芯层，而是通过在出光端刻蚀或集成倾斜天井、阶梯、反射顶板和反射侧壁以达到改善远场发散角的目的，但这种方法极易使远场光斑中出现强度不低的次峰，一定程度上反而降低了光斑质量。由中国研究者车相辉等人提出的窄发散角脊波导半导体激光器CN104466675B，引入如其专利中所述的拓展波导层，利用脊波导下方的拓展波导层对基模的拉伸作用，可以减小器件的横向和纵向发散角。但，对于采用该方法得到的较小发散角，依然有较大的改善空间。发明内容针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术在改善半导体激光器的发散角的同时，带来的如较大阈值电流、更长的器件长度、二次外延生长和对接、较差的远场质量以及不够理想的小发散角等问题。为实现上述目的，本发明提供一种半导体激光器，包括：所述半导体激光器的横向结构，沿外延层生长方向，由下部的平板波导和上部的脊波导构成；沿光传输方向，将所述半导体激光器划分为背侧的脊宽不变区和前侧的脊宽收窄区，所述光传输方向与所述外延层生长方向垂直，所述脊宽不变区由一部分平板波导和其上部的脊波导组成，所述脊宽收窄区由另一部分平板波导和其上部的脊波导组成；在脊宽不变区，其上部的脊波导的脊宽维持不变，在脊宽收窄区，其上部的脊波导的脊宽沿光输出方向逐渐收窄，脊宽收窄区宽脊端的脊宽等于脊宽不变区的脊宽，脊宽收窄区窄脊端的脊宽小于其宽脊端的脊宽，其中，此窄脊端为半导体激光器的光输出端；在脊宽收窄区，沿光输出方向，随着脊宽逐渐收窄，上部脊波导的等效折射率逐渐减小，直到窄脊端处，上部脊波导的等效折射率接近下部平板波导的等效折射率，窄脊端处的垂直于光传输方向的基模的纵向尺寸和横向尺寸均相对脊宽不变区增大，使得所述半导体激光器输出光的纵向发散角和横向发散角均相对脊宽不变区减小。具体地，所述基模是单横模光波导能维持的光束质量最好的光模式。上部脊波导的等效折射率逐渐减小，直至与下部的平板波导相近指的是上部脊波导的等效折射率减小至约等于下部平板波导的等效折射率。本领域技术人员可以理解的是，理论上上部脊波导的等效折射率要减小至等于下部平板波导，但是实际实验和仿真，很难做到完全相等，所以这里用了接近表述。在一个可能的实例中，所述脊宽不变区一侧的端平面镀高反膜，所述脊宽不变区另一侧与脊宽收窄区的宽脊端相接，所述脊宽收窄区窄脊端的端平面镀抗反膜。在一个可能的实例中，所述下部平板波导沿外延层生长方向依次包括：衬底层、缓冲层、下波导芯层、下间隔层。在一个可能的实例中，所述上部脊波导沿外延层生长方向依次包括：下间隔层、下阻隔层、下分别限制层、有源层、上分别限制层、上阻隔层、上间隔层、停止腐蚀层、上包层、次覆盖层以及顶部覆盖层。在一个可能的实例中，所述脊宽不变区的长度为150um，脊宽为2um，所述脊宽收窄区的长度为150um，宽脊端的脊宽为2um，窄脊端的脊宽为0.5um。在一个可能的实例中，所述脊宽收窄区脊宽的收窄方式为直线型、折线型、抛物线型或指数型。在一个可能的实例中，所述半导体激光器输出光的纵向发散角和横向发散角均小于15°。在一个可能的实例中，所述下波导芯层可以是单层介质或多层折射率渐变介质。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：1、易制造，兼容现有工艺本发明与普通脊波导结构的半导体激光器相比，在外延层生长中，只需增加下波导芯层和下间隔层的生长；后工艺处理时，只需替换上预先设计好的有脊宽收窄图案的掩模版，其它工艺流程与普通脊波导结构的半导体激光器完全一样，不需要额外在出光端对接生长具有不同芯层的模式转换器。2、较低阈值，小尺寸与采用稀释脊波导结构、平板耦合波导结构的半导体激光器不同，本发明提供的半导体激光器，不需要刻意减小基模的光场限制因子，以增大基模光斑尺寸，进而得到较小的远场发散角。通过调节下波导的结构参数，在脊宽不变区，使下波导对基模基本没有影响，绝大部分基模依然被限制在器件上部的脊波导中，在此区域内的激光器部分，具有与普通脊波导结构的半导体激光器相当的光场限制因子，即相当的模式增益；在脊宽收窄区，基模的光场限制因子因基模尺寸的逐渐增大而减小，但由于材料损耗的增幅较小，和可以适当加长的脊宽不变区，器件的阈值电流并不会达到100mA甚至更大。同时，在器件出光端，较大的光斑尺寸也降低了器件端面灾难性光损伤的风险。3、更小的远场发散角，封装成本低本发明提供的半导体激光器，在脊宽收窄区，随着脊宽逐渐收窄，上波导，即上部脊波导的等效折射率逐渐减小，直至与下波导的等效折射率相近。此过程中，由耦合波导原理可知，基模由主要集中在上部脊波导的模式，逐渐过渡为在上部脊波导和下部平板波导中均有分布的超级模式evenmode，即窄脊端基模的纵向尺寸增大；同时，由于收窄脊宽，脊对光的横向限制逐渐减弱，使得窄脊端基模的横向尺寸也增大。作为光输出端的窄脊端，其基模的纵向、横向尺寸同时增大，则输出光的纵向、横向发散角将会减小。在对本发明提出的结构进行一系列的优化设计后，如在保证上述两个优点的前提下，合适的调节下波导芯层结构、下间隔层厚度和折射率，采用光学商业软件仿真验证，得到本发明相对于中国研究者车相辉等人提出的窄发散角脊波导半导体激光器CN104466675B，改善远场发散角的效果更好，横向、纵向远场发散角均能到15°以下，甚至达到10°左右。如此小的发散角，在封装时，可以采用小球透镜，以降低封装成本。附图说明图1为本发明提供的具有小发散角的半导体激光器的三维结构图；图2为本发明提供的半导体激光器的俯视图；图3a为本发明实施示例1对应的半导体激光器的横向发散角曲线；图3b为本发明实施示例1对应的半导体激光器的纵向发散角曲线；图4a为本发明实施示例2对应的半导体激光器的横向发散角曲线；图4b为本发明实施示例2对应的半导体激光器的纵向发散角曲线；在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：I为脊宽收窄区，II为脊宽不变区，1为衬底层、2为缓冲层、3为下波导芯层、4为下间隔层、5为下阻隔层、6为下分别限制层、7为有源层、8为上分别限制层、9为上阻隔层、10为上间隔层、11为停止腐蚀层、12为上包层、13为次覆盖层、14为顶部覆盖层。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本发明提出了一种半导体激光器，为光通信系统的关键部件提供了一个易制造、低成本、较好性能的可选的优秀方案。为了得到有较小远场发散角的半导体激光器，同时不引入复杂的工艺、不带来可能的负面影响，提出了具有双波导结构的半导体激光器，其中，双波导结构由器件下部的平板波导和器件上部的脊波导构成。本发明采用了以下技术方案：本发明提供的有小发散角的半导体激光器，基于耦合波导原理，其结构为：沿外延层生长方向，由器件下部的平板波导，和平板波导上部的脊波导构成；沿光传输方向，包含背侧的脊宽不变区，和前侧的脊宽收窄区。所述下部平板波导沿外延层生长方向依次包括：衬底层、下缓冲层、下波导芯层和下间隔层。所述上部脊波导沿外延层生长方向依次包括：下间隔层、下阻隔层、下分别限制层、有源层、上分别限制层、上阻隔层、上间隔层、停止腐蚀层、上包层、次覆盖层以及顶部覆盖层。所述下部平板波导的芯层可以是单层介质，也可以是多层折射率渐变介质。所述下部平板波导与上部脊波导由合适厚度、合适折射率的单层或多层介质材料隔开。所述单层或多层介质材料，在本发明中统称为下间隔层或N型间隔层，该下间隔层既是器件下部平板波导的上包覆层，也是器件上部脊波导的下包覆层。所述器件上部的脊波导，与普通脊波导结构半导体激光器的横向结构类似。所述器件背侧的脊宽不变区，其横向结构为前述双波导结构，位于其上部的脊波导的脊宽沿激光器的光传输方向不变。所述器件前侧的脊宽收窄区，其横向结构为前述双波导结构，位于其上部的脊波导的脊宽沿激光器的光传输方向逐渐收窄，由脊宽不变区的脊宽度收窄至另一更窄的脊宽度。脊宽收窄的方式，可以是直线型、折线型、抛物线型或指数型。本发明所提供的有小发散角的半导体激光器，其脊宽不变区和脊宽收窄区，在同一基片上同时进行相同的后工艺处理，基片的外延生长顺序依次为：衬底层、缓冲层、下波导芯层、下间隔层、下阻隔层、下分别限制层、有源层、上分别限制层、上阻隔层、上间隔层、停止腐蚀层、上包层、次覆盖层、顶部覆盖层。在后续的工艺处理中，上包层、次覆盖层和顶部覆盖层在经过合适的刻蚀后，构成器件的脊。本发明提供的有小发散角的半导体激光器的三维结构图，如附图1所示。可以看到，器件所用基片为双波导结构，由器件下部的平板波导和器件上部的脊波导构成，这两个波导被合适厚度、合适折射率的介质材料隔开；脊宽不变区和脊宽收窄区的横向结构完全一样，区别仅在于脊宽收窄区的脊宽度逐渐减小。基片从衬底层到顶部覆盖层依次为：衬底层1、缓冲层2、下波导芯层3、下间隔层4、下阻隔层5、下分别限制层6、有源层7、上分别限制层8、上阻隔层9、上间隔层10、停止腐蚀层11、上包层12、次覆盖层13、顶部覆盖层14。附图2，为器件的俯视图，可以看到，器件分为脊宽收窄区I和脊宽不变区II，其中，脊宽收窄区I的初始脊宽与脊宽不变区II的脊宽相同，其窄端脊宽为模拟优化值，如0.5um。为了减小器件的损耗，脊宽收窄区同样需要做电极覆盖。且，器件左端镀高反膜HR，器件右端，即窄端，镀抗反膜AR。下面将结合附图和示例，以解释本发明的结构、技术方案和性能优点。应当注意的是，下述示例是出于解释本发明的目的，仅为本发明的两个特例，并不用于限定本发明。实施例1，基于本发明的第一种有小发散角的半导体激光器。该例中的半导体激光器的工作波长为1310nm，其三维结构图如附图1，从衬底层到顶部覆盖层依次为：衬底层1、缓冲层2、下波导芯层3、下间隔层4、下阻隔层5、下分别限制层6、有源层7、上分别限制层8、上阻隔层9、上间隔层10、停止腐蚀层11、上包层12、次覆盖层13、顶部覆盖层14，各层所用材料、掺杂类型及厚度如表1：表1实施例1各层所用材料、掺杂类型及厚度表其中，层12、层13、层14通过刻蚀组成该器件的脊，层1的底部和层14的顶部分别镀上电极层。附图2，是该示例的俯视图，区II是脊宽不变区，提供器件的大部分增益，长度约为150um，脊宽为2um，左侧宽端镀高反膜；区I是脊宽收窄区，提供尺寸较大的出射光斑，长度约为150um，宽端脊宽为2um，窄端脊宽约为0.5um，右侧窄端镀抗反膜。这两个区，采用预先设计好的掩模版进行刻蚀处理即可形成，不需要工艺复杂的对接生长过程。用光学商业软件仿真得到该结构出光端，即窄端，的出射光斑的远场发散角曲线如图3，图3a是横向发散角曲线，图3b是纵向发散角曲线，横向、纵向远场发散角分别为8°、12°。实施例2，基于本发明的第二种有小发散角的半导体激光器。该例中的半导体激光器的工作波长同样也是1310nm，其三维结构图如附图1，从衬底层到顶部覆盖层依次为：衬底层1、缓冲层2、下波导芯层3、下间隔层4、下阻隔层5、下分别限制层6、有源层7、上分别限制层8、上阻隔层9、上间隔层10、停止腐蚀层11、上包层12、次覆盖层13、顶部覆盖层14，各层所用材料、掺杂类型及厚度如表2：表2实施例2各层所用材料、掺杂类型及厚度表介质层材料掺杂类型厚度nm备注衬底层1InPN型---缓冲层2InPN型300下波导芯层3InGaAsPN型1300多层折射率渐变介质下间隔层4InGaAsPN型3000下阻隔层5InAlAsN型40下分别限制层6InAlGaAs---60有源层7InAlGaAs------10个垒9个阱交叠生长上分别限制层8InAlGaAs---60上阻隔层9InAlAsP型40上间隔层10InPP型80停止腐蚀层11InGaAsPP型16上包层12InPP型1600次覆盖层13InGaAsPP型0.1顶部覆盖层14InGaAsP型0.15其中，层12、层13、层14通过刻蚀组成该器件的脊，层1的底部和层14的顶部分别镀上电极层。附图2，是该示例的俯视图，区II是脊宽不变区，提供器件的大部分增益，长度约为150um，脊宽为2um，左侧宽端镀高反膜；区I是脊宽收窄区，提供尺寸较大的出射光斑，长度约为150um，宽端脊宽同样为2um，窄端脊宽约为0.5um，右侧窄端镀抗反膜。这两个区，采用预先设计好的掩模版进行刻蚀处理即可形成，不需要工艺复杂的对接生长过程。用光学商业软件仿真得到该结构出光端，即窄端，的出射光斑的远场发散角曲线如图4，图4a是横向发散角曲线，图4b是纵向发散角曲线，横向、纵向远场发散角分别为12°、14°。本发明提供的有小发散角的半导体激光器，具有双波导结构和一段渐变脊波导区。该结构可以较大程度的减小普通脊波导结构半导体光电器件的横向发散角和纵向发散角，能有效解决普通脊波导结构半导体光电器件的远场发散角大、耦合效率低等问题。而且，本发明具有体积小、兼容现有制造工艺、封装成本低等特点。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种半导体激光器，其特征在于，包括：所述半导体激光器的横向结构，沿外延层生长方向，由下部的平板波导和上部的脊波导构成；沿光传输方向，将所述半导体激光器划分为背侧的脊宽不变区和前侧的脊宽收窄区，所述光传输方向与所述外延层生长方向垂直，所述脊宽不变区由一部分平板波导和其上部的脊波导组成，所述脊宽收窄区由另一部分平板波导和其上部的脊波导组成；在脊宽不变区，其上部的脊波导的脊宽维持不变，在脊宽收窄区，其上部的脊波导的脊宽沿光输出方向逐渐收窄，脊宽收窄区宽脊端的脊宽等于脊宽不变区的脊宽，脊宽收窄区窄脊端的脊宽小于其宽脊端的脊宽，其中，此窄脊端为半导体激光器的光输出端；在脊宽收窄区，沿光输出方向，随着脊宽逐渐收窄，上部脊波导的等效折射率逐渐减小，直到窄脊端处，上部脊波导的等效折射率接近下部平板波导的等效折射率，窄脊端处的垂直于光传输方向的基模的纵向尺寸和横向尺寸均相对脊宽不变区增大，使得所述半导体激光器输出光的纵向发散角和横向发散角均相对脊宽不变区减小。2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述脊宽不变区一侧的端平面镀高反膜，所述脊宽不变区另一侧与脊宽收窄区的宽脊端相接，所述脊宽收窄区窄脊端的端平面镀抗反膜。3.根据权利要求1或2所述的半导体激光器，其特征在于，所述下部平板波导沿外延层生长方向依次包括：衬底层、缓冲层、下波导芯层、下间隔层。4.根据权利要求1或2所述的半导体激光器，其特征在于，所述上部脊波导沿外延层生长方向依次包括：下间隔层、下阻隔层、下分别限制层、有源层、上分别限制层、上阻隔层、上间隔层、停止腐蚀层、上包层、次覆盖层以及顶部覆盖层。5.根据权利要求1或2所述的半导体激光器，其特征在于，所述脊宽收窄区脊宽的收窄方式可以为直线型、折线型、抛物线型或指数型。6.根据权利要求1或2所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器输出光的纵向发散角和横向发散角均小于15°。7.根据权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，所述下部平板波导的芯层可以是单层介质或多层折射率渐变介质。

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