[发明专利]片上集成慢光波导的半导体激光器

说明书

本发明公开了一种片上集成慢光波导的半导体激光器，主要解决现有半导体激光器出射光束远场发散的问题。其包括：激光器有源区(1)、衬底(2)，转向结构(3)和慢光波导结构(4)，该激光器有源区(1)位于衬底(2)外延层方向的一侧，该转向结构(3)位于衬底(2)外延层方向的另一侧，用于改变激光器有源区垂直出射的激光光束传播方向；该慢光波导结构(4)位于衬底(2)沿脊宽方向的一侧，用于实现相干光束阵列的发射，降低光束远场发散角。本发明有助于大幅度降低半导体激光器的远场发散角，从而提高半导体光源的系统集成度，可用于激光红外干扰，片上光互联及空间光通信。

技术领域

本发明属于半导体光电子器件技术领域，特别涉及一种半导体激光器，可作为光电对抗，光互联，光通信，气体检测，光谱分析诸多应用的激光光源。

背景技术

波段为3～12μm的中远红外以其特异性的波长在国防、环保、医疗及空间光通信等领域得到旺盛的需求。在诸多的光源技术中，量子级联激光器QCL因其小型化、集成性及高性能等优势而备受关注。在量子级联激光器实际应用中，为了保证光束在传播过程中能量集中，结合工作距离，实际远场发散角小于10mrad，即近似0.6°具有实用价值。与其他半导体激光器一样，量子级联激光器为了满足上述要求，需要在激光器之外增加相较于芯片自身尺寸上百倍甚至千倍大小的光学组件，用于光束的整形和准直。而面向未来，系统多功能和小型化成为趋势，迫使包括光源在内的组件加速集成化，片上自准直光源成为技术研究热点。

半导体激光器的远场发散角θ与发射孔径D之间呈现反比例关系，可以用近衍射极限公式来表达，θ＝arcsin(1.22λ/D)，其中λ为波长。对于常规边发射量子级联激光器而言，腔面发射孔径受限于有限的外延层厚度以及稳定基横模工作所需的脊型波导宽度，导致其快轴与慢轴远场发散角偏大，即快轴达到40～80°，慢轴达到20～30°。研究表明。在腔面附近集成微小透镜，或制作亚波长金属等离子激元天线可以在一定程度缓解光束发散的压力，但是改善效果距离实用尚存巨大差距，且制备过程不属于半导体平面工艺，不具备量产特性。面发射量子级联激光器SEQCL作为一种新型构型的器件结构，天生能够提供大尺寸的发射孔经，为量子级联激光器实现片上自准直提供了一种新的思路。

1999年，瑞士Faist小组报道第一支面发射量子级联激光器，见Hofstetter,D.,etal. Applied physics letters,1999.75(24):3769-3771，该激光器的激射波长10.1μm，器件可以在室温脉冲工作，其远场发散角有显著的改善，腔长和脊宽方向分别为1°和14°。2007年，美国佛罗里达大学Lyakh等人首次采用倒装焊工艺，见Lyakh,A.,etal.AppliedPhysics Letters,2007.91(18):181116，该工艺以衬底为发射腔面，实现了波长5.1μm 面发射量子级联激光器的脉冲激射工作。

这些早期研究者由于大都采用结构简单，工艺容易实现的表面金属分布反馈光栅结构，因而在引入金属后显著增加了光场模式损耗，器件性能普遍不佳，无法实现连续波工作。2011年，美国西北大学Yanbo Bai采用掩埋二级环形腔光栅结构，见Bai,Y.,etal.Applied Physics Letters,2011.99(26):261104，该结构避免了金属引入的损耗，成功实现波长 4.8μm，环形腔面发射量子级联激光器的室温连续波CW工作，但是这种构型下的远场光斑呈现高阶环形图样，实用性不佳。

2013年，中国科学院半导体所采用MOCVD二次外延掩埋光栅技术，见Yao,D.Y.,etal. Applied Physics Letters,2013.103(4):041121。该技术采用倒装焊工艺，实现波长4.6μm 条形腔面发射量子级联激光器室温及最高至70℃的高温连续波工作，电光转化性能向实用化迈出了重要一步。特别是对于条形腔面发射量子级联激光器，其腔长方向的远场得到了显著提升，已经接近0.1°，但是该技术在脊宽方向尚存不足，远场发散角大于腔长方向2个数量级之多，呈现极度压缩的窄缝图样。因此，脊宽方向发散性已成为面发射量子级联激光器实用化的短板问题。

发明内容