專利名稱：實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體光電子器件技術領域，尤其涉及一種實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構。
背景技術：
半導體激光器迄今已有近50年的發(fā)展歷史，這期間半導體材料外延技術、激光器封裝技術、制冷技術以及光束的耦合整形技術都取得了很大的進步。無論是國外還是國內(nèi)， 都從半導體外延材料、激光器結構設計、激光器工藝制作、器件封裝等方面進行了詳盡的研究，已經(jīng)發(fā)展出一套完整成熟的生產(chǎn)制備工藝。高功率、長壽命、高光束質量的大功率半導體激光器的研究和應用也逐漸成熟。近年來國內(nèi)外對大功率半導體激光器的研究和應用呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢。隨著研究的深入，大功率半導體激光器的性能得到了快速提升。但半導體激光器中還是存在很多不盡如人意的地方，例如，在模式控制、光束質量以及大功率特性上，半導體激光器就明顯遜于氣體或全固態(tài)激光器。這源自于半導體激光器的波導結構， 半導體外延材料極窄的有源層使得光場在橫向強烈受限，導致大的遠場發(fā)散角。為了進一步滿足工業(yè)和軍事需求，半導體激光器功率的提高和光束質量的改善成為研究的熱點，為此人們也想出了各種方法，嘗試了很多結構。改善激光器性能的一個核心問題就是，實現(xiàn)大光斑的基模激射，為此，早期研究人員提出了一系列的波導結構，人們在普通三層波導基礎上設計了諸如極薄的芯層結構、大光腔結構、模式擴展結構、復合波導結構、泄露波導結構等。這些設計的核心思想都是光場的拓展，它們在一定程度上降低了激光器的橫向發(fā)散角，提高了其輸出功率。但從光場調(diào)控的角度來看，這些設計仍然過于簡單， 還不能按人們的意愿來實現(xiàn)模場控制，此外這些結構中光場擴展有限，無法實現(xiàn)10°內(nèi)的遠場角，因此急需新的結構來實現(xiàn)具有高光束質量的半導體激光器

發(fā)明內(nèi)容
本方法的主要目的在于提供一種實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構， 解決半導體激光器中存在的橫向發(fā)散角很大，以及最大輸出功率受限的問題。為達到上述目的，本發(fā)明提供一種實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構，包括一砷化鎵襯底；—光子晶體區(qū)域，該光子晶體區(qū)域制作在砷化鎵襯底上，用來實現(xiàn)基模的大面積振蕩；一過渡層，該過渡層制作在光子晶體區(qū)域上；一上限制層，該上限制層制作在過渡層上，用來限制光場向上的泄露；一接觸層，該接觸層制作在上限制層上，用來與金屬形成上電極，這樣便形成實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構。其中所述光子晶體區(qū)域包括一下?lián)p耗調(diào)制層、一上損耗調(diào)制層、一下模式限制層、一上模式限制層、多個模式擴展層、一有源層和一峰值限制層，其中前述各層之間均有一低折射率層，在光子晶體區(qū)域的最下面還制作有一低折射率層。其中所述多個模式擴展層的數(shù)量為5-10層。其中所述模式擴展層的材料為AlxGaAs,χ為0. 1-0. 3光場可在此層擴展形成大的光斑。其中所述的峰值限制層的材料為AlxGaAs,其折射率大于模式擴展層，這樣能夠使模式的峰值位置位于有源層，從而獲得大的增益。其中所述的低折射率層的折射率小于模式擴展層，并控制在0. 15以內(nèi)。其中所述的下模式限制層和上模式限制層的材料與模式擴展層相同，但厚度小于模式擴展層，這樣能夠加速模式從此層開始往下的衰減速度。其中所述的下?lián)p耗調(diào)制層和上損耗調(diào)制層的材料與下模式限制層和上模式限制層相同但厚度比其大，通過此層可以增大高階模的損耗，從而增大其閾值。其中所述的上限制層的材料折射率小于低折射率層，通過它可以控制模式使其不往上擴展。其中所述的過渡層的材料與低折射率層相同，它可作為峰值限制層與上限制層之間的過渡。從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明提供的這種實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構，由于能夠獲得大面積的基模激射，因此能夠獲得較低的橫向發(fā)發(fā)散角，器件的最大輸出功率也能得到提高2、本發(fā)明提供的這種實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構，由于結構中的基模仍具有較高的限制因子以及較低的損耗，因此器件能夠保持較高的發(fā)光效率。


為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明，其中圖1為本發(fā)明提供的實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構的示意圖。圖2為結構中存在的基模以及與其模式折射率最接近的三個高階模的場分布。圖3為基模的遠場分布圖。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構，包括一砷化鎵襯底10 ；一光子晶體區(qū)域11，該光子晶體區(qū)域11制作在砷化鎵襯底10上，所述光子晶體區(qū)域11包括一下?lián)p耗調(diào)制層112、一上損耗調(diào)制層113、一下模式限制層114、一上模式限制層115、多個模式擴展層116、一有源層117和一峰值限制層118，其中前述各層之間均有一低折射率層111，在光子晶體區(qū)域11的最下面還制作有一低折射率層111 ；所述多個模式擴展層116的數(shù)量為5-10層；，所述模式擴展層116的材料為AlxGaAs,χ為0. 1-0. 3，光場可在此層擴展形成大的光斑；所述的峰值限制層118的材料為AlxGaAs,其折射率大于模式擴展層116，這樣能夠使模式的峰值位置位于有源層117，從而獲得大的增益，所述的低折射率層111的折射率小于模式擴展層116，并控制在0. 15以內(nèi)；所述的下模式限制層114和上模式限制層115的材料與模式擴展層116相同，但厚度小于模式擴展層116，這樣能夠加速模式從此層開始往下的衰減速度；所述的下?lián)p耗調(diào)制層112和上損耗調(diào)制層113的材料與下模式限制層114和上模式限制層115相同但厚度比其大，通過此層可以增大高階模的損耗，從而增大其閾值；一過渡層12，該過渡層12制作在光子晶體區(qū)域11上，它可作為峰值限制層118與上限制層13之間的過渡；一上限制層13，該上限制層13制作在過渡層12上，所述的上限制層13的材料折射率小于低折射率層111，通過它可以控制模式使其不往上擴展；一接觸層14，該接觸層14制作在上限制層13上用來與金屬形成上電極。這些層最終共同形成實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構。在這種結構中，模式經(jīng)過光子晶體的調(diào)節(jié)后會發(fā)生很大變化。圖2給出了結構中的基模以及與基模模式折射率最接近的三個模式的場分布圖。從中可以發(fā)現(xiàn)基模的峰值位于有源層，而其他模式都偏出有源層，計算結果表明這四個模式的光限制因子分別為 1. 16%,0.21%,0. 93%和0. 58%，其中基模具有最高的光限制因子。另一方面，模式之間的損耗也不同，計算可知，四個模式的損耗分別為0. 36cm"\4. 8cm"1 U 5. IcnT1和Μ. ScnT1，基模的損耗遠小于其他模式。結合光限制因子和損耗兩方面，基模將在模式競爭中優(yōu)先激射，這樣便能夠獲得橫向低發(fā)散角的光束。圖3給出了基模的遠場分布圖，從中可知模式的橫向發(fā)散角可控制在10°以內(nèi)。實施例本實例采用圖1所示的結構，給出了在光子晶體調(diào)制下激光器橫模的變化情況。 結構的襯底為P型摻雜的GaAs材料，結構從下到上每一層的材料和厚度如下上損耗調(diào)制層112和下?lián)p耗調(diào)制層113的材料和厚度分別為Ala2Giia8AsO. 2 μ m ； 下模式限制層114和一上模式限制層115的材料和厚度分別為Ala2Giia8As^ 16μπι;模式擴展層116的數(shù)量為5層，材料和厚度分別為Ala2GaAs, 0. 18 μ m;峰值限制層118的材料和厚度分別為AlaiGiia9AsO. 1 μ m ；低折射率層111的材料和厚度分別為Ala35G^l65As, 0. 5μπι ；過渡層12的材料和厚度分別為Ala35Giia65AsO. 2μπι ；上限制層13的材料和厚度分別為Ala45GEia55AsO. 8 μ m ；接觸層14的材料和厚度分別為GaAs，0. 2 μ m。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，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、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構，包括一砷化鎵襯底；一光子晶體區(qū)域，該光子晶體區(qū)域制作在砷化鎵襯底上，用來實現(xiàn)基模的大面積振蕩；一過渡層，該過渡層制作在光子晶體區(qū)域上；一上限制層，該上限制層制作在過渡層上，用來限制光場向上的泄露；一接觸層，該接觸層制作在上限制層上，用來與金屬形成上電極，這樣便形成實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構，其中所述光子晶體區(qū)域包括一下?lián)p耗調(diào)制層、一上損耗調(diào)制層、一下模式限制層、一上模式限制層、多個模式擴展層、一有源層和一峰值限制層，其中前述各層之間均有一低折射率層，在光子晶體區(qū)域的最下面還制作有一低折射率層。
3.根據(jù)權利要求2所述的實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構，其中所述多個模式擴展層的數(shù)量為5-10層。
4.根據(jù)權利要求3所述的實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構，其中所述模式擴展層的材料為AlxGaAs, χ為0. 1-0. 3光場可在此層擴展形成大的光斑。
5.根據(jù)權利要求1所述的實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構，其中所述的峰值限制層的材料為AlxGaAs,其折射率大于模式擴展層，這樣能夠使模式的峰值位置位于有源層，從而獲得大的增益。
6.根據(jù)權利要求1所述的實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構，其中所述的低折射率層的折射率小于模式擴展層，并控制在0. 15以內(nèi)。
7.根據(jù)權利要求1所述的實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構，其中所述的下模式限制層和上模式限制層的材料與模式擴展層相同，但厚度小于模式擴展層，這樣能夠加速模式從此層開始往下的衰減速度。
8.根據(jù)權利要求1所述的實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構，其中所述的下?lián)p耗調(diào)制層和上損耗調(diào)制層的材料與下模式限制層和上模式限制層相同但厚度比其大， 通過此層可以增大高階模的損耗，從而增大其閾值。
9.根據(jù)權利要求1所述的實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構，其中所述的上限制層的材料折射率小于低折射率層，通過它可以控制模式使其不往上擴展。
10.根據(jù)權利要求1所述的實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構，其中所述的過渡層的材料與低折射率層相同，它可作為峰值限制層與上限制層之間的過渡。
全文摘要
一種實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構，包括一砷化鎵襯底；一光子晶體區(qū)域，該光子晶體區(qū)域制作在砷化鎵襯底上，用來實現(xiàn)基模的大面積振蕩；一過渡層，該過渡層制作在光子晶體區(qū)域上；一上限制層，該上限制層制作在過渡層上，用來限制光場向上的泄露；一接觸層，該接觸層制作在上限制層上，用來與金屬形成上電極，這樣便形成實現(xiàn)大功率橫向低發(fā)散角的半導體激光器結構。
文檔編號H01S5/323GK102255240SQ201110147409
公開日2011年11月23日 申請日期2011年6月2日 優(yōu)先權日2011年6月2日
發(fā)明者付非亞, 張建心, 渠紅偉, 鄭婉華, 陳微 申請人:中國科學院半導體研究所