CN106356714B - 一种侧向耦合面发射激光器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种侧向耦合面发射激光器及其制造方法，其包括制作在同一外延片上的多个激光器单管，每个激光器单管包括自上而下依次分布的上电极、衬底、中间层、二阶光栅层和下电极，中间层包括自上而下依次设置的缓冲层、过渡层、n盖层、n包层、有源层、p包层和p盖层，其中，二阶光栅层设置在p盖层上远离有源层的一侧，二阶光栅层的光栅脊为曲线，且相邻两个激光器单管之间的光栅脊一一对应连接。本发明不仅扩大了腔内激光的谐振范围，而且相邻两个激光器单管之间的光栅脊一一对应连接，其实现了相邻激光器单管之间的光子互注入，以及提升了激光增益介质利用率的目的，从而有利于实现激光器的高功率、高光束质量的工作输出。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种侧向耦合面发射激光器及其制造方法。
背景技术
目前的面发射激光器是基于特殊波导与光栅结构实现激光纵向反馈振荡并垂直于芯片表面出光的一种半导体激光器，其克服了边发射激光器出射光斑复杂、发散角大等先天劣势，具有单纵模输出、温漂小、易集成等显著优势。
现有技术均以面发射激光器最简易的结构为基础，通过引入微纳结构、特殊波导或光栅等，如DBR反射镜、宽带DBR、锥形增益区域、交叉光栅(输出耦合)、圆形和椭圆形输出区、横向布拉格光栅、圆形光栅、非均匀光栅、特殊电极以及镜状包层等特殊结构，对器件结构进行了设计及优化，以达到降低工作阈值、改善光束质量、提升输出功率、增加波长数量以及提高集成度的目的。国内相关研究机构也提出了互注入锁定的二维表面发射激光器阵列及单片集成锁相面发射分布反馈半导体激光器阵列。前者首先利用SE-DFB-LD中的二阶光栅有两个衍射级，端面衍射出光，实现同行内相邻单元间的互注入，之后再利用二次反射直角棱镜可对光线进行转向和移位的特点，实现了二维阵列相邻两行顶端的两个激光单元的互注入，最终实现相位锁定下所有单元的互注入及互调制，获得高功率、单模的相干激光束。后者基于Talbot自成像原理使得每个Talbot外腔结构中的N个激光器单元通过布拉格反射器反射，互注入并互调制相位实现锁相。此外Talbot外腔结构中的锁相激光又会进入相邻的Talbot外腔结构中，实现所有Talbot外腔结构间的相互注入，进行相互调制，以达锁相，最终稳定输出高功率、窄线宽、小发散角的相干激光。
但是，上述所有特殊结构的引入在有助器件提升性能的同时亦给器件的设计、制备以及装调带来了相应的困难和挑战，不同程度上造成激光器发生功率降低、热稳定性差、寿命下降、成品率低等所不期望的现象。
发明内容
本发明主要是解决现有技术中所存在的技术问题，提供了一种制备过程简易、工作稳定性好且成品率高的侧向耦合面发射激光器及其制造方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
本发明的侧向耦合面发射激光器，其包括制作在同一外延片上的多个激光器单管，每个所述激光器单管包括自上而下依次分布的上电极、衬底、中间层、二阶光栅层和下电极，所述中间层包括自上而下依次设置的缓冲层、过渡层、n盖层、n包层、有源层、p包层和p盖层，其中，所述二阶光栅层设置在所述p盖层上远离所述有源层的一侧，所述二阶光栅层的光栅脊为曲线，且相邻两个所述激光器单管之间的所述光栅脊一一对应连接。
根据本发明的一优选实施例：每个所述激光器单管中的二阶光栅层关于其纵向中心线对称制作在所述p盖层上远离所述有源层的一侧，且所述二阶光栅的脊走向为曲线形。
根据本发明的一优选实施例：所述二阶光栅层包括DFB光栅区和DBR光栅区，所述DBR光栅区对称设在所述DFB光栅区的两侧。
本发明的侧向耦合面发射激光器的制造方法，其包括以下步骤：
S1、在衬底下依次生长缓冲层、过渡层、n盖层、n包层、有源层、p包层和p盖层；
S2、在所述p盖层下制备二阶光栅；
S3、在所述二阶光栅规定条形区域周围制作电流隔离层获得DBR光栅区；
S4、在整个所述二阶光栅条形区域上溅射金属形成下电极，所述金属覆盖所述DBR光栅区，且所述二阶光栅条形区域与金属直接接触的部分形成DFB光栅区；
S5、在衬底上部制作出光口、且在所述衬底上设置上电极。
根据本发明的一优选实施例：还包括以下步骤：
S6、在所述出光口的上方制备增透膜或亚波长抗反射光栅；
S7、将所述下电极焊接在热沉上。
根据本发明的一优选实施例：所述光栅采用电子束直写或全息光刻结合干法刻蚀制备而成。
根据本发明的一优选实施例：所述电流隔离层Si3N4或者SiO2材料沉积而成。
本发明的有益效果在于：通过在p盖层引入曲线型的二阶金属/半导体光栅层缓解了散热性能差的劣势，曲线型的二阶光栅层不仅扩大了腔内激光的谐振范围、提升了激光增益介质利用率的目的，而且相邻两个激光器单管之间的光栅脊一一对应连接，实现了相邻激光器单管之间的光子互注入，从而有利于实现激光器的高功率、高光束质量的工作输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的侧向耦合面发射激光器的激光器单管的结构示意图；
图2是本发明的侧向耦合面发射激光器的折射率分布图；
图3是本发明的侧向耦合面发射激光器的二阶光栅层俯视图；
图4是本发明的侧向耦合面发射激光器的制造方法的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅图1所示，本发明的侧向耦合面发射激光器，其包括制作在同一外延片上的多个激光器单管1，每个激光器单管1包括自上而下依次分布的上电极11、衬底12、中间层13、二阶光栅层14和下电极15，中间层13包括自上而下依次设置的缓冲层131、过渡层132、n盖层133、n包层134、有源层135、p包层136和p盖层137，其中，二阶光栅层14设置在p盖层137上远离有源层135的一侧，二阶光栅层14的光栅脊为曲线，且相邻两个激光器单管1之间的光栅脊一一对应连接，从而使得相邻激光器单管1间沿侧向发生光场耦合，改善激光器的光束质量，提高输出功率。
本发明中，每个激光器单管1中的二阶光栅层14关于其纵向中心线对称制作在p盖层137上远离有源层135的一侧，且二阶光栅层14的脊走向为曲线形，如扇形、弧形等。而二阶光栅层14包括DFB光栅区141和DBR光栅区142，DBR光栅区142对称设在DFB光栅区141的两侧。参阅图3所示，两侧DBR光栅区142对光场有限制的作用，使得激光器的光场(沿纵向X轴)主要集中在DFB光栅区141，进入两侧DBR光栅区142后光场分布逐渐减弱，直至无光。激光器单管1采用扇形、弧形等镜面对称的曲线光栅脊，其主要作用在于：展宽谐振腔内激光的谐振分布范围(不再局限于传统直线光栅激光器激光谐振范围只有非常细的类条状区域)，提高激光器增益介质的利用率。二阶光栅层14关于纵向(沿中心X轴)镜面对称且相邻激光器单管1关于其两者交界线的中点是中心旋转对称的，这样可使得相邻激光器单管1间光栅脊无错位衔接。另外，在每个激光器单管1的DFB光栅区141中部为增益区(由两条虚线段与四条实线段包围的区域)，两侧剩余部分为无增益区(可等效为DBR光栅区142)，光栅衔接处可等效成窄条的直线DFB-DBR光栅区，该部分激光器的垂直出射将弥补激光器单管1出射光束光斑的无光或低强度区，改善光束质量。
图2为沿Z轴方向的激光器由下至上(由p盖层137至n盖层133)折射率分布图，其中，有源层135、n/p包层折射率分别为n4、n2、n3。本发明的p包层136以及p盖层137的折射率取值分别大于n包层134和n盖层133，但其厚度取值小于后者，以此形成非对称波导结构。该结构一方面可将光较大程度上限制在p包层136以及p盖层137部分，提高光栅限制因子，增大光栅对光场的调制作用，另一方面从有源层135向上n面各层依次减少的折射率以及各层合理的厚度设计有利于降低光垂直输出时各层的反射作用，提高光的输出效率。
参阅图4所示，本发明的侧向耦合面发射激光器的制造方法，其包括以下步骤：
S1、在衬底12下依次生长缓冲层131、过渡层132、n盖层133、n包层134、有源层135、p包层136和p盖层137；
S2、在p盖层137下制备二阶光栅；
S3、在二阶光栅规定条形区域两侧制作电流隔离层获得DBR光栅区142；
S4、在整个二阶光栅条形区域上溅射金属形成下电极15，金属覆盖DBR光栅区142，且二阶光栅条形区域与金属直接接触的部分形成DFB光栅区141；
S5、在衬底12上部制作出光口、且在衬底12上设置上电极11。
具体地，还包括以下步骤：
S6、在出光口的上方制备增透膜17；增透膜17可以进一步增加光输出效率，而增透膜17也可以采用亚波长抗反射光栅等替代；
S7、将下电极15焊接在热沉16上，便于提高结构的散热性。
本发明中，步骤S2-S4即为制造二次二阶光栅层14的步骤，二阶光栅层14的光栅脊形状优选为曲线，且相邻两个激光器单管1之间的光栅脊可以一一对应连接，从而使得相邻激光器单管1间能沿侧向发生光场耦合，改善激光器的光束质量，提高输出功率。
优选的，为了满足使用要求，出光口增透层的折射率以及厚度设置必须要满足薄膜定理(中间层的折射率为厚度为d＝λ/4nm，nu、nd分别是位于中间层上下两层的折射率)。
优选的，二阶光栅采用电子束直写或全息光刻结合干法刻蚀制备而成，当然也可采用其他方法进行制备。而电流隔离层Si3N4或者SiO2材料沉积而成。
综上所述，本发明通过在p盖层引入曲线型的二阶金属/半导体光栅层缓解了散热性能差的劣势，曲线型的二阶光栅层不仅扩大了腔内激光的谐振范围、提升了激光增益介质利用率的目的，而且相邻两个激光器单管之间的光栅脊一一对应连接，实现了相邻激光器单管之间的光子互注入，从而有利于实现激光器的高功率、高光束质量的工作输出。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种侧向耦合面发射激光器，其特征在于，包括制作在同一外延片上的多个激光器单管，每个所述激光器单管包括自上而下依次分布的上电极、衬底、中间层、二阶光栅层和下电极，所述中间层包括自上而下依次设置的缓冲层、过渡层、n盖层、n包层、有源层、p包层和p盖层，其中，所述二阶光栅层设置在所述p盖层上远离所述有源层的一侧，所述二阶光栅层的光栅脊走向为曲线，且相邻两个所述激光器单管之间的所述光栅脊一一对应连接；每个所述激光器单管中的二阶光栅层关于其纵向中心线对称制作在所述p盖层上远离所述有源层的一侧。
2.如权利要求1所述的侧向耦合面发射激光器，其特征在于，所述二阶光栅层包括DFB光栅区和DBR光栅区，所述DBR光栅区对称设在所述DFB光栅区的两侧。
3.一种权利要求2所述的侧向耦合面发射激光器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在衬底下依次生长缓冲层、过渡层、n盖层、n包层、有源层、p包层和p盖层；
S2、在所述p盖层下制备二阶光栅；
S3、在所述二阶光栅规定条形区域周围制作电流隔离层获得DBR光栅区；
S4、在整个所述二阶光栅条形区域上溅射金属形成下电极，所述金属覆盖所述DBR光栅区，且所述二阶光栅条形区域与金属直接接触的部分形成DFB光栅区；
S5、在衬底上部制作出光口，且在所述衬底上设置上电极。
4.如权利要求3所述的侧向耦合面发射激光器的制造方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S6、在所述出光口的上方制备增透膜或亚波长抗反射光栅；
S7、将所述下电极焊接在热沉上。
5.如权利要求3或4所述的侧向耦合面发射激光器的制造方法，其特征在于，所述二阶光栅采用电子束直写或全息光刻结合干法刻蚀制备而成。
6.如权利要求5所述的侧向耦合面发射激光器的制造方法，其特征在于，所述电流隔离层Si3N4或者SiO2材料沉积而成。
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| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zou Yonggang Inventor after: Tian Gun Inventor after: Fan Jie Inventor after: Ma Xiaohui Inventor after: Wang Haizhu Inventor after: Hai Yina Inventor after: Shi Linlin Inventor after: Xu Li Inventor before: Zou Yonggang Inventor before: Tian Gun Inventor before: Hai Yina Inventor before: Ma Xiaohui Inventor before: Wang Haizhu Inventor before: Fan Jie Inventor before: Shi Linlin Inventor before: Xu Li |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20190319 |