[发明专利]具有高偏振转换特性的半导体激光器件

说明书

技术领域

本发明涉及半导体发光器件领域，尤其涉及具有高偏振转换特性的半导体激光器件。

背景技术

具有特殊偏振的半导体发光器件在光纤通信、高速模块空间耦合、信号探测、光学成像和液晶背光等方面有着重要的应用。一般的半导体激光器件，出射光的偏振模式由谐捱腔的谐振条件决定，要得到单模的输出，必须制作短的谐捱腔和高反射的腔面，这对器件的制作工艺提出了很高的要求。另外，激光介质的增益谱宽和高速调制下载流子的瞬态效应也会导致出现多模式的振荡，引起输出的模式噪声。

人们在半导体激光器件上尝试各种方法去获得出射光具有较高偏振特性甚至单一偏振的器件。例如，在以下专利文献1中采用分布式布拉格反射器(distributed Bragg reflector，DBR)作为面发射激光器的上下反射面，提高了腔面的反射率，减少了光的吸收，获得功率更高的模式输出，但腔体内产生的模式噪声并没能过滤掉。人们又发现，通过设计，光子晶体可对TE和TM偏振光中其中的一种偏振具有很高的透射率，而对另一种偏振具有很高的反射率，则经过光子晶体的透射，出射光中只剩下一种偏振的光，另一种被过滤掉了。以下专利文献2和3分别利用了一维和二维的光子晶体层的偏振选择作用来获得高偏振的出光。这种滤波的方式，原理简单，但在过滤的同时，也把不须要的那部分偏振的能量浪费掉了，影响了器件光能量的使用效率。

专利文献1：美国专利US Patent No.4873696。

专利文献2：美国专利US Patent No.5784399。

专利文献3：美国专利US Patent Application Publicat ion No.US2007/0030873A1。

一束具有特定偏振模式，且沿着某个波矢方向传播的光，经过光子晶体结构的散射后，将产生大量的散射模式，这些散射光的波矢会因为倒格矢的引入而发生改变，从而使原来的偏振模式中不可避免地夹杂了其它的偏振模式，这就是光子晶体的偏振转换的作用，例如，一束TM(或TE)偏振的光束入射到光子晶体结构，其反射光或透射光将部分地转换成为TE(或TM)偏振光。以下非专利文献1、2和3描述了在实验上观察到了光子晶体多层结构的反射光产生了偏振的转换，并和理论的预测相符。

非专利文献1：Physical Review B，Vol.60(1999)255-258。

非专利文献2：Physical Review Letters，Vol.86(2001)1526-1529。

非专利文献3：IEEE Journal of Quantum Electronics，Vol.38(2002)880-884。

由于光子晶体晶格的对称性，要利用它的偏振转换作用必须采用特殊的结构。传统的半导体激光器，要求光线在垂直于谐振腔的方向谐振，形成激光输出，集成光子晶体的结构也是把光子晶体层制作在垂直于光输出的方向，由于对称性，这些传统的激光器结构不可能得到偏振的转换。如何把光子晶体这种新的特性应用到半导体激光器件中，并在器件中设计具有高透射率、高偏振转换效率的光子晶体结构，以提高激光器件的光利用效率，获得单一偏振模式或高的偏振模式的激光器件，是一个具有重要实际意义的研究重点。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种偏振转换高效、透射率高的半导体激光器件。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种具有高偏振转换特性的半导体激光器件，包括衬底、沉积于衬底上的半导体外延叠层及设于半导体外延叠层表面的出射端面，该半导体外延叠层自下而上包括第一导电包覆层、发光层及第二导电包覆层，第二导电包覆层上端设置有上电极，衬底底部设置有下电极，出射端面上设置有光子晶体层，该光子晶体层与出射端面具有倾斜角度。

该光子晶体层通过一截面呈楔形或三角形的介质层设于出射端面上，且光子晶体层位于介质层的斜面上。

该光子晶体层的表面为一维光栅或二维光栅结构。

该一维光栅或二维光栅结构的周期在0～10λ之间，其中λ为器件发光的峰值波长。

该二维光栅结构包括背景材料及设于背景材料上的散射体，其中散射体的形状为圆形、三角形、正方形或长方形。

该半导体外延叠层的相对侧面分别设有反射层，且该出射端面设于其中一反射层上。

该半导体外延叠层的上下端面分别设有上、下反射层，且该出射端面设于上反射层上。

该光子晶体层包括一层或多层的光子晶体结构，且其晶格的形态为三角晶格、正方晶格、长方晶格、六角晶格或复式晶格。