[發明專利]圓斑輸出低發散角邊發射光子晶體激光器及復合波導裝置

有效

• 申請號: 201310082285.3
• 申請日: 2013-03-15
• 公開（公告）號: CN103166108A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 鄭婉華;張建心;劉磊;渠紅偉;張斯日古楞;王海玲
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01S5/22
• 分類號: H01S5/22
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明涉及光通信領域，尤其涉及一種圓斑輸出低發散角邊發射光子晶體激光器及復合波導裝置。

背景技術

隨著光通信，光互連技術以及各種光電子器件的發展，激光技術已經成為現代科技發展所不可或缺的部分，激光器的應用已經覆蓋了生活、醫藥、勘探、國防等各個領域。隨著應用面的不斷拓寬，激光器的種類也日漸繁多。但廉價、可靠是一類激光器能夠得到普及的前提條件。為了進一步滿足工業和軍事需求，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，為此人們嘗試了很多結構，做了很多的努力。改善激光器性能的一個核心問題就是，實現大光場的基模激射。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散角，提高了其輸出功率。但這些結構中光場擴展有限，無法實現10°內的遠場發散角，而在垂直方向引入光子晶體結構則可以實現這一目的。借助光子晶體的能帶結構，形成對光子態的調控，波導中的光子態就可以由于耦合隧穿效應產生模式擴展，實現小于10°的遠場發散角，同時基模作為缺陷模式主要是集中在有源區，保證其有效振蕩及模式增益。

在眾多激光器中，脊形波導激光器由于其成本低，制作工藝簡單，可重復性好等優點而倍受人們的青睞。這種激光器不僅可以直接應用，而且可以作為其他激光器如全固態激光器的泵浦光源，因此是目前應用最為廣泛的一種半導體激光器。脊形波導激光器水平方向光場的限制是通過在半導體外延片上刻蝕出脊波導結構實現。激光器的輸出功率可以通過增加波導寬度來增加，但條寬過寬會導致多模激射，影響光束質量。因此，需要合理的調整脊波導兩側的折射率差和脊條的寬度來實現單瓣輸出。為了增加模式的穩定性可以在脊波導兩側增加模式擴展區，一定程度上也可以實現降低水平方向遠場發散角的目的。

發明內容

為達到上述目的，本發明提供了一種水平方向的脊波導結構和垂直方向非對稱的光子晶體結構組合的波導結構，兩者結合來實現激光器的低發散角和圓斑輸出。

本發明提供了一種包括水平方向的脊波導結構和垂直方向非對稱的光子晶體波導結構的復合波導裝置，所述垂直方向非對稱的光子晶體結構包括由不同光子晶體構成的損耗調制層和模式擴展層，模式擴展層制作在所述損耗調制層上方，有源區勢壘區的折射率低于光子晶體波導結構的折射率；所述水平方向的脊波導結構包括脊波導和脊波導兩側的模式擴展區；其中，所述復合波導結構用于激光器器件，且所述垂直方向的光子晶體結構用于限制垂直方向的光場，所述水平方向的脊波導結構用于限制水平方向的光場，使得激光器在水平和垂直方向同時實現小的遠場發散角，進而得到圓斑輸出。

本發明還提出了一種圓斑低發散角邊發射光子晶體激光器，其通過水平方向脊波導結構和垂直方向非對稱的光子晶體波導結構對光場的分別限制，實現大小相同的水平和垂直發散角，使得遠場輸出為圓斑，其包括：

襯底；

垂直方向非對稱的光子晶體波導結構，其制作在襯底上，用于限制垂直方向上的光場，其包括由不同光子晶體構成的損耗調制層和模式擴展層，損耗調制層用于增大激光器垂直方向波導內部基模與高階模式之間模式損耗的差異；模式擴展層用于實現基模的模式擴展；

有源區，其制作在所述光子晶體波導結構上方；

p型區，其包括上限制層和蓋層，所述上限制層制作在有源區上方，用于限制光場方向上的泄漏，所述蓋層制作在所述上限制層上方，用于與金屬接觸形成上電極；

水平方向的脊波導結構，其通過刻蝕上限制層和蓋層而形成，用于限制水平方向的光場。

從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果：

1、本發明提供的水平方向p型區的脊波導結構和垂直方向n型區的光子晶體結構組合的波導結構，可以對模式光場分布進行調控，能夠使高階模與基模的光場區分開來，使基模光場主要限制在有源區，而使高階模光場擴展到光子晶體區域，結合損耗調制層對高階模式引入的損耗，可以實現基模的選擇。同時結合水平方向的脊波導調控，可以實現水平方向低發散角和圓斑輸出。

2、本發明提供的水平方向的脊波導結構和垂直方向非對稱的光子晶體結構組合的波導結構，能夠有效地將基模的光場局限在寬條注入區，不會額外增加基模的損耗，因而不會提高激射閾值。

3、本發明提供的水平方向的脊波導結構，設置在激光器的p型區，兩側的臺面可以增加模式的穩定性，在工藝上與傳統的脊形波導激光器相同，因此具有成熟的工藝，制作上有較高的重復性。

附圖說明