[發明專利]低橫向發散角布拉格反射波導邊發射半導體激光器

有效

• 申請號: 201110272765.7
• 申請日: 2011-09-15
• 公開（公告）號: CN102324696A
• 公開（公告）日: 2012-01-18
• 發明（設計）人: 汪麗杰;佟存柱;王立軍;曾玉剛;劉云;張俊
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: H01S5/22
• 分類號: H01S5/22
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所 22210
• 代理人: 王淑秋

技術領域：

本發明屬于半導體激光器技術領域，涉及一種低橫向激光光束發散角的布拉格反射波導邊發射半導體激光器。

背景技術：

高功率半導體激光器在激光材料加工、泵浦、醫療、傳感、顯示技術、頻率轉換、空間通訊和國防上有著極其重要的應用，隨著應用領域的擴展對半導體激光器的性能要求也越來越高，如高的的輸出功率、穩定的單模特性、低的遠場發散角、高的光束質量等。

傳統的半導體激光器結構由下至上依次包括N面電極、襯底、緩沖層、下限制層、下波導層、有源區、上波導層、上限制層、蓋層和P面電極；P面電極放置在蓋層的頂面上，并且電連接到蓋層，N面電極位于襯底的背面，并且電連接到襯底；有源區位于下波導層與上波導層之間。由于傳統半導體激光器在橫向采用高折射率波導通過全反射原理進行導波，激光腔較小，當其在高功率工作時面臨以下幾個基本難題：端面災變性毀壞、燒孔、電熱燒毀、光束成絲和光束質量差等。另外，腔面由于自衍射，橫向(外延生長方向)光束發散角很高，半高全寬(FWHM)通常在18°-40°之間，輸出光束為橢圓分布，產生很大的散光，因此必須采用復雜的光學系統，而且其最大聚焦功率密度及光纖耦合效率也受到限制。

增大激光器的光模式體積和保持穩定單橫模激射有利于克服上述限制，擴展光橫向模式體積可以提高輸出功率、減小橫向光束發散及降低光束成絲的風險。在傳統半導體激光器結構基礎上有大量擴展波導的方法提出以增大光模式體積，如大光腔或超大光腔結構、非對稱波導結構、低折射率勢壘結構、集成無源波導、低折射率包層結構、雙勢壘分別限制異質結等結構。這些方法可以一定程度上增大光模式體積，將橫向發散角半高寬減小到十幾度。但是由于這些激光器結構光模式體積越大，面臨多模工作的問題越嚴重，這會使遠場圖案復雜，激光器光束質量大大下降，因此橫向遠場發散角(半高全寬FWHM)只能達到十幾度左右，難以得到更窄的橫向遠場發散角。另外，這些激光器對外延生長結構組分偏離或溫度變化引起的極小折射率改變非常靈敏，激光器的功率、效率、模式等性能不穩定，因此對外延生長、制備工藝及工作電流和溫度要求苛刻。

由于傳統激光器擴展光模式體積方法與折射率導引波導單模工作條件相矛盾，避免多模激射和同時獲得大模式體積的問題仍然存在，因此需要從根本上解決這個問題。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種可實現大光模式體積的穩定單橫模工作的低橫向發散角布拉格反射波導邊發射半導體激光器。

為了解決上述技術問題，本發明的低橫向發散角布拉格反射波導邊發射半導體激光器由下至上依次為N面電極、襯底、緩沖層、下限制層、下波導層、中心腔、上波導層、上限制層、P蓋層和P面電極；P面電極放置在蓋層的頂面上，并且電連接到蓋層，N面電極位于襯底的背面，并且電連接到襯底；中心腔位于下波導層與上波導層之間，有源區插入在中心腔內；所述下波導層采用多層N型摻雜的高、低折射率材料周期分布的布拉格反射波導；上波導層采用多層P型摻雜的高、低折射率材料周期分布的布拉格反射波導。

本發明半導體激光器N面(N型摻雜部分)和P面(P型摻雜部分)的波導同時采用布拉格反射波導，它為多層高、低折射率周期分布結構(一維光子晶體)，其所導光波模式不同于傳統的全反射模式，它利用布拉格反射來限制光場分布。這種激光器的主要特點是橫向光模式體積可以大幅擴展，因此可有效改善端面災變性毀壞、燒孔、電熱燒毀和光束成絲等效應。通過設計布拉格反射波導及中心腔使僅有一個模式限制在中心腔內，電場強度遠離中心腔時衰減，并且在布拉格反射波導高折射層出現局域峰，而所有的高階模擴展到整個波導中，因此基模的光限制因子遠大于高階模，高階模模相對基模具有非常大的泄露損耗，基模與高階模之間大的增益損耗差異使得這種激光器可實現大模式體積、穩定單橫模工作。由于遠場發散角反比于模式體積，因此這種結構橫向光束發散可以很小(半高全寬FWHM＜10°)，這有利于提高光纖耦合效率和減小激光器應用光學系統的復雜性。

所述的布拉格反射波導為高低折射率周期性調制結構，形成一維光子晶體。光在無限周期的光子晶體中傳輸時，傳輸常數具有允帶和禁帶，當傳輸常數位于禁帶時，光場衰減，傳輸被禁止，因此布拉格反射波導可用于限制光場分布。由于光場在前幾個周期衰減迅速，因此只需要有限周期對數即可。