[發(fā)明專利]一種基于光子晶體控制的單模半導體激光器外延結構

有效

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• 申請日: 2019-04-19
• 公開（公告）號: CN110323671B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發(fā)明（設計）人: 鄭婉華;陳忠浩;周旭彥;渠紅偉;齊愛誼
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01S5/32
• 分類號: H01S5/32;H01S5/343
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

一種基于光子晶體控制的單模半導體激光器外延結構，包括：N型襯底層，用于生長外延材料；N型限制層，配置于N型襯底層之上，用于限制光場向N型區(qū)的擴展；光子晶體，配置于N型限制層之上，用于調控輸出光場模式；有源區(qū)，配置于光子晶體上；P型限制層，配置于有源區(qū)之上，用于限制光場向P型區(qū)的擴展；P型蓋層，配置于P型限制層之上，用于限制光場及降低載流子勢壘；P型接觸層，配置于P型蓋層之上，用于與金屬形成歐姆接觸。

技術領域

本發(fā)明涉及高性能激光器領域，特別涉及一種基于光子晶體控制的單模半導體激光器外延結構。

背景技術

半導體激光器具有輸出體積小、重量輕、泵浦效率高等優(yōu)點，尤其是半導體邊發(fā)射激光器在高效率，大功率激光輸出耦合方面具有極大的優(yōu)勢。

但是半導體激光器單管輸出功率卻不高，其中主要是因為半導體激光器出光面積小、光功率密度高，很容易導致腔面膜損傷，所以如何增加半導體激光器單管輸出功率一個至關重要的方面就是如何增加半導體激光器的模式體積，使其獲得更高的損傷閾值。

為了增加半導體激光器的模式體積，需要模式在外延方向充分的擴展，傳統(tǒng)方式是使用大光腔結構增加外延方向的厚度，而大光腔結構隨著外延厚度的增加模式擴展效果越來越弱，且模式的限制因子越來越低，并不能無限的擴展模式體積；之后又發(fā)展出使用光子晶體結構，光子晶體結構具有控制模式的作用，可以設計不同的光子晶體結構來控制模式輸出。現有技術中提出了一種外延光子晶體結構，其波導由一維光子晶體構成，量子阱位于光子晶體的一個高折射率材料層中。在該結構中，基橫模能夠在整個光子晶體結構中擴展，并且其近場分布的最強位置與量子阱重合，保證了基模的高限制因子。高階模則主要分布在整個光子晶體中，與量子阱的重合比較少，限制因子比較低。基橫模和高階模之間比較大的限制因子差，能有效地保證基橫模激射。但該結構僅能實現基橫模激射，不能實現一階模式、二階模式或者更高階模式激射。

發(fā)明內容

(一)要解決的技術問題

本發(fā)明提出了一種基于光子晶體控制的單模半導體激光器外延結構，以解決控制激光輸出空間模式單一的問題。

(二)技術方案

根據本發(fā)明的一方面，提供一種基于光子晶體控制的單模半導體激光器外延結構，包括N型襯底層，用于生長外延材料；N型限制層，配置于N型襯底層之上，用于限制光場向N型區(qū)的擴展；光子晶體，配置于N型限制層之上，用于調控輸出光場模式；有源區(qū)，配置于光子晶體上；P型限制層，配置于有源區(qū)之上，用于限制光場向P型區(qū)的擴展；P型蓋層，配置于P型限制層之上，用于限制光場及降低載流子勢壘；P型接觸層，配置于P型蓋層之上，用于與金屬形成歐姆接觸。

在進一步的方案中，所述的光子晶體為一維光子晶體，包括由材料組分調制而形成的高低折射率突變或者漸變的周期及準周期結構。

在進一步的方案中，所述的N型襯底層的材料包括GaN、GaAs、InP或GaSb。

在進一步的方案中，所述的N型襯底層的材料波長范圍為10nm至14μm。

在進一步的方案中，所述有源區(qū)包括單量子阱、多量子阱、量子點或超晶格結構。

在進一步的方案中，所述的光子晶體周期數為3個至20個。

在進一步的方案中，所述的光子晶體厚度為2μm至50μm。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發(fā)明提出的一種基于光子晶體控制的單模半導體激光器外延結構，至少具有以下有益效果：

通過調整光子晶體外延結構的厚度、折射率以及組份可以控制激光輸出的模式，使其除輸出基橫模激射以外，還可輸出一階模式、二階模式或者更高階模式激射。