[发明专利]镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器。

背景技术

半导体激光器与其它激光器相比，具有转换效率高、体积小、质量轻、功率高、阈值低、易于集成等优点。所以半导体激光器被许多研究机构进行了广泛的研究。工作于2-10μm中红外波段的半导体激光器在自由空间光通信、分子光谱测量、激光医疗、红外雷达等领域表现出巨大的应用潜力。由于锑化物半导体材料的禁带宽度恰好可以覆盖这一波长范围，所以锑化物材料是制作中远红外半导体激光器的首选材料。

从1986年第一支InGaAsSb/AlGaAsSb双异质结激光器实现室温连续工作，到1992年MIT林肯实验室采用应变量子阱作为有源层，实现镓锑基激光器室温连续输出功率190mW，镓锑基半导体激光器的研究越来越深入。到目前为止，各研究机构改善材料生长工艺，设计众多的镓锑基激光器结构来改善和提高激光器的性能。在众多激光器结构中，脊形条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。

脊形条波导边发射激光器的垂直于P-N结方向的光场限制是通过生长不同的外延层实现的，而平行于P-N结方向的光场限制是通过在半导体外延片上刻蚀出波导结构实现。脊形条波导激光器的输出功率可以通过增波导宽度来增加，但宽脊形条会导致多模激射，影响光的远场发散角，光斑呈椭圆形。因此宽脊形条激光器在耦合输出的时候往往需要借助复杂的校准设备，这增加的功率的损耗以及器件的复杂度。因此如何调控脊形条波导激光器中的模式是实现低发散角圆斑输出的关键。脊形条波导激光器的发展已经相当成熟，在激光器的基模激射的基础上，世界上各个研究小组提出了各种不同的方案，如采用利用金属吸收，板耦合波导等抑制高阶模式，但大部分还是对称波导激光器结构。

现有技术脊形条波导激光器中，垂直于P-N结方向有源层厚度超薄，只有几十纳米，超薄的有源层所带来的问题是光限制因子的减小，所以在该方向产生的近似于高斯分布的基模光束束腰尺寸很小。又由于在半导体激光器中，光束的远场发散角与激光器有源层产生的光束束腰尺寸成反比，所以垂直于P-N结方向有源层中产生的很小的光束束腰导致该方向的远场发射角大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器，以减小出射激光垂直于P-N结方向的发散角。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器，包括：n型衬底；沉积于n型衬底背面的n型电极；依次沉积于n型衬底正面的一维光子晶体、下波导层、有源层、上波导层、p型盖层、脊形条波导和p型电极。其中，脊形条波导、p型盖层、上波导层、有源层、下波导层、一维光子晶体构成P-N结，一维光子晶体的交替生长方向垂直于该P-N结的方向，脊形条波导的方向平行于该P-N结方向，脊形条波导和一维光子晶体形成非对称光子晶体复合波导。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器具有以下有益效果：

(1)将一维光子晶体引入脊形条波导激光器中，取代脊形条波导激光器中的N型层，一维光子晶体可以对垂直于P-N结方向的模式进行调控，高阶模式通过一维光子晶体滤除，基模大部分限制在有源层和上、下波导层中，并有一部分扩展到一维光子晶体，从而增加了基模的光场面积，减小了该方向的基模远场发散角；

(2)一维光子晶体结合制作在p型盖层上的脊形条波导，进而可以实现了低发散角的圆斑激光输出；

(3)一维光子晶体将基模大部分局限在有源层和上、下波导层中，不会额外增加基模的损耗，因而不会提高激射阈值；

(4)本发明镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器，通过MBE方法或MOCVD方法生长而成，不会引入额外的工艺；在激光器制作工艺上与传统的脊形条波导激光器相同，因此具有成熟的工艺，制作上有较高的重复性。

附图说明

图1为本发明实施例镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器的结构示意图；

图2为图1所示镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器中材料折射率随深度变化的曲线；

图3A、图3B和图3C分别为图1所示镓锑基中红外圆斑输出低发散角边发射光子晶体激光器在垂直于P-N结方向的基模、一阶模、二阶模的近场分布图；