[发明专利]圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器及复合波导装置

说明书

技术领域

本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器及复合波导装置。

背景技术

随着光通信，光互连技术以及各种光电子器件的发展，激光技术已经成为现代科技发展所不可或缺的部分，激光器的应用已经覆盖了生活、医药、勘探、国防等各个领域。随着应用面的不断拓宽，激光器的种类也日渐繁多。但廉价、可靠是一类激光器能够得到普及的前提条件。为了进一步满足工业和军事需求，半导体激光器功率的提高和光束质量的改善成为研究的热点，为此人们尝试了很多结构，做了很多的努力。改善激光器性能的一个核心问题就是，实现大光场的基模激射。早期研究人员提出了一系列的波导结构，人们在普通三层波导基础上设计了诸如极薄的芯层结构、大光腔结构、模式扩展结构、复合波导结构、泄露波导结构等。这些设计的核心思想都是光场的拓展，它们在一定程度上降低了激光器的横向发散角，提高了其输出功率。但这些结构中光场扩展有限，无法实现10°内的远场发散角，而在垂直方向引入光子晶体结构则可以实现这一目的。借助光子晶体的能带结构，形成对光子态的调控，波导中的光子态就可以由于耦合隧穿效应产生模式扩展，实现小于10°的远场发散角，同时基模作为缺陷模式主要是集中在有源区，保证其有效振荡及模式增益。

在众多激光器中，脊形波导激光器由于其成本低，制作工艺简单，可重复性好等优点而倍受人们的青睐。这种激光器不仅可以直接应用，而且可以作为其他激光器如全固态激光器的泵浦光源，因此是目前应用最为广泛的一种半导体激光器。脊形波导激光器水平方向光场的限制是通过在半导体外延片上刻蚀出脊波导结构实现。激光器的输出功率可以通过增加波导宽度来增加，但条宽过宽会导致多模激射，影响光束质量。因此，需要合理的调整脊波导两侧的折射率差和脊条的宽度来实现单瓣输出。为了增加模式的稳定性可以在脊波导两侧增加模式扩展区，一定程度上也可以实现降低水平方向远场发散角的目的。

发明内容

为达到上述目的，本发明提供了一种水平方向的脊波导结构和垂直方向非对称的光子晶体结构组合的波导结构，两者结合来实现激光器的低发散角和圆斑输出。

本发明提供了一种包括水平方向的脊波导结构和垂直方向非对称的光子晶体波导结构的复合波导装置，所述垂直方向非对称的光子晶体结构包括由不同光子晶体构成的损耗调制层和模式扩展层，模式扩展层制作在所述损耗调制层上方，有源区势垒区的折射率低于光子晶体波导结构的折射率；所述水平方向的脊波导结构包括脊波导和脊波导两侧的模式扩展区；其中，所述复合波导结构用于激光器器件，且所述垂直方向的光子晶体结构用于限制垂直方向的光场，所述水平方向的脊波导结构用于限制水平方向的光场，使得激光器在水平和垂直方向同时实现小的远场发散角，进而得到圆斑输出。

本发明还提出了一种圆斑低发散角边发射光子晶体激光器，其通过水平方向脊波导结构和垂直方向非对称的光子晶体波导结构对光场的分别限制，实现大小相同的水平和垂直发散角，使得远场输出为圆斑，其包括：

衬底；

垂直方向非对称的光子晶体波导结构，其制作在衬底上，用于限制垂直方向上的光场，其包括由不同光子晶体构成的损耗调制层和模式扩展层，损耗调制层用于增大激光器垂直方向波导内部基模与高阶模式之间模式损耗的差异；模式扩展层用于实现基模的模式扩展；

有源区，其制作在所述光子晶体波导结构上方；

p型区，其包括上限制层和盖层，所述上限制层制作在有源区上方，用于限制光场方向上的泄漏，所述盖层制作在所述上限制层上方，用于与金属接触形成上电极；

水平方向的脊波导结构，其通过刻蚀上限制层和盖层而形成，用于限制水平方向的光场。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的水平方向p型区的脊波导结构和垂直方向n型区的光子晶体结构组合的波导结构，可以对模式光场分布进行调控，能够使高阶模与基模的光场区分开来，使基模光场主要限制在有源区，而使高阶模光场扩展到光子晶体区域，结合损耗调制层对高阶模式引入的损耗，可以实现基模的选择。同时结合水平方向的脊波导调控，可以实现水平方向低发散角和圆斑输出。

2、本发明提供的水平方向的脊波导结构和垂直方向非对称的光子晶体结构组合的波导结构，能够有效地将基模的光场局限在宽条注入区，不会额外增加基模的损耗，因而不会提高激射阈值。

3、本发明提供的水平方向的脊波导结构，设置在激光器的p型区，两侧的台面可以增加模式的稳定性，在工艺上与传统的脊形波导激光器相同，因此具有成熟的工艺，制作上有较高的重复性。

附图说明