[发明专利]一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电技术领域，特别涉及一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构。

背景技术

远场是半导体激光器一项重要的指标。采用二级布拉格分布反馈光栅的面发射半导体激光器，因其在腔长方向(快轴)上有很小的远场发散角，且器件封装简易而被广泛应用于大气环境监测、光纤通信以及自由空间光通信发射端系统中。但是由于器件构型的原因，面发射半导体激光器的远场并不完美，其脊宽方向(慢轴)的远场保持一个较大的发散角，通常在10°至30°之间。面发射半导体激光器的远场截面呈现为狭长的单瓣或双瓣枣核状轮廓，与标准的激光器圆斑远场还存在一定的差距。国际上采用光子晶体[R.Colombelli,et al.Quantum cascade surface-emitting photonic crystal laser，Science 302,1374,(2003)]和一级光栅反馈二级光栅垂直发射的结构[G.Maisons,et al.Directional single mode quantum cascade laser emission using second-order metal grating coupler,Appl.Phys.Lett.98,021101,(2011)]可以实现准圆斑激光器远场，但是上述的结构一般要求较大有源区的宽度，对于一些类型的半导体激光器而言(例如量子级联激光器)，在宽脊情况下几乎不可能实现室温下的连续工作。半导体激光器远场的改善还可以利用波前工程技术，如周期为亚波长的金属光栅与出射光束之间若满足相位匹配条件，则会耦合出沿金属表面传播的等离子体波，在经过金属凹槽时垂直散射组成一组分立相干的辐射源，从而扩展出射光束的近场宽度，改善光束的远场分布。哈佛大学Capasso教授领导的课题组就在金属等离子体结构改善边发射激光器件远场发散角方面做了很多的工作[N.Yu,et al.Small divergence edge-emitting semiconductor lasers with two-dimensional plasmonic collimators,Appl.Phys.Lett.93,181101,2008]。但由于在激光器腔面上制作金属图形需要用到聚焦离子束刻蚀(FIB)技术，工艺难度大且价格极其昂贵，不适宜大面积批量化的生产。

发明内容

鉴于以上技术问题，本发明综合考虑物理原理以及各种波前光束调制技术工艺实现难度等因素，提出基于二级分布反馈光栅面发射半导体激光器的表面等离子体结构光束整形技术，实现高光束质量面发射半导体激光器的研制。为此本发明提出了一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构。该结构利用周期性金属等离子天线结构对面发射构型的半导体激光器出射光束慢轴方向的近场进行调制，实现慢轴方向远场发散角的改善。

本发明提出了一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构，其包括：衬底、光栅层、电隔离层、双沟填充物、下欧姆接触层和亚波长金属等离子体天线，其中：

所述衬底上制作有双沟道脊型波导结构，且所述双沟道脊型波导结构的脊型区中设有激光器有源区；

所述光栅层制作在所述衬底的上表面；

所述电隔离层制作在所述光栅层的上表面，且在所述光栅层与所述脊型区对应的上表面处断开，断开的部分形成电注入窗口；

所述双沟填充物填充在所述双沟道脊型波导结构的双沟道中；

所述下欧姆接触层制作在所述衬底的下表面；

所述亚波长金属等离子体天线制作在所述电隔离层和双沟填充物的上表面，且在所述脊型区对应的上表面处断开，断开的宽度小于所述电注入窗口的宽度，断开区域在形成电注入欧姆接触区域的同时形成光输出窗口。

其中，所述衬底为InP或GaAs衬底。

其中，所述激光器有源区包括光波导层，所述光波导层中包含有重掺杂半导体材料的盖层，所述光栅层位于所述光波导层中。

其中，所述激光器有源区为异质结激光器结构、带间级联激光器有源区结构或者量子级联激光器有源区结构。

其中，所述双沟道脊型波导的沟道深度大于激光器有源区的高度。

其中，所述双沟道脊型波导结构的脊型区的宽度为5-20μm，所述脊型区两侧沟道的宽度为20-100μm。

其中，所述电隔离层的制作材料为二氧化硅或氮化硅。

其中，所述双沟填充物为聚甲基丙烯酸甲酯或AZ5214光刻胶。