[发明专利]面向激光雷达的1550nm波段高功率半导体激光器外延结构和方法

说明书

本发明公开了面向激光雷达的1550nm波段高功率半导体激光器外延结构和方法，所述外延结构，包括n型衬底层，以及在n型衬底层上依次外延生长的n型模式扩展波导层、非掺杂下限制层、势垒层、量子阱层、非掺杂上限制层、p型刻蚀停止层、p型缓冲层、p型光栅层、p型包层、p型能带过渡层和p型欧姆接触层；多层量子阱层和多层势垒层构成多量子阱层，作为有源区，且增益峰值位于1550nm波段；p型欧姆接触层、p型能带过渡层、p型包层、p型光栅层及p型缓冲层刻蚀至p型刻蚀停止层之上构成脊波导结构，用于调控侧向光场分布；n型模式扩展波导层，用于扩展近场光场。本发明可获得1550nm波段高功率连续波、高光束质量激光。

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，具体涉及面向激光雷达的1550nm波段高功率半导体激光器外延结构和方法。

背景技术

目前，伴随自动驾驶技术的兴起，市场对低成本激光雷达(LiDAR)的需求越来越旺盛。由于大气中不存在波导效应，对光束没有限制能力，同时考虑到气象条件带来的各种损耗和畸变，为保证接收端有足够高的激光能量密度，发射端需要采用高功率光源，因此激光雷达领域需要具有高光束质量的单波长高功率光源，尤其在光学相控(OPA)阵激光雷达和调频连续波(FMCW)激光雷达中，更是需要高功率半导体激光器。

一般来说，业内主流的激光雷达波长为905nm，与人眼可见波长(380nm～760nm)相近，因此905nm激光容易在人眼视网膜上聚焦成点，为保护人眼安全，通常905nm的激光雷达的光功率上限较低。

考虑到905nm激光光源的人眼伤害性导致的功率限制，长期来看1550nm波段激光更占优，将成为未来业界主要光源波段。一方面，1550nm波段恰好位于大气窗口，同时该波段激光无法在人眼视网膜上聚焦成点，且在通过眼球过程中大部分会被水吸收，同等功率下1550nm波段激光对人眼的安全性是905nm波段激光的10万倍以上。这也就使其可以允许输出更高功率，安全功率上限是905nm波段的40倍，从而弥补激光在大气中的损耗，实现更远的探测距离，探测距离可提升至250米甚至300米以上。另一方面，1550nm波段激光抗干扰能力强、光束准直度更好、光源亮度高，这几个优点让激光的发射和接受更加高效，可以实现更精细的物体识别。另外，1550nm波段激光的光斑非常小，在100米外光斑直径仅为905nm波段的四分之一，在探测100米处的行人时，可接收到横排4个点，纵排7个点的脉冲，清晰地探测到行人的姿势。

半导体激光器包含有内部吸收损耗和腔面损耗，内部损耗主要是由外延材料中内部载流子吸收、波导散射损耗等导致光学色散较大所引起的，尤其在1550nm波段附近，p型区中的自由载流子的吸收是相当高的，导致光损耗较大。如此，1550nm波段半导体激光器的光功率难以提高。由于半导体外延中波导区域设计无法限制横向和侧向模式，造成出射光的光束质量较低，多种模式共同存在也降低了光束的相干性和光功率密度。

但考虑到激光雷达领域需要具有高光束质量的单波长高功率光源，尤其在光学相控(OPA)阵激光雷达和调频连续波(FMCW)激光雷达中，因此，如何获得一种面向激光雷达的1550nm波段高功率、高光束质量的半导体激光器，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供面向激光雷达的1550nm波段高功率半导体激光器外延结构和方法。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

面向激光雷达的1550nm波段高功率半导体激光器外延结构，包括n型衬底层，以及在n型衬底层上依次外延生长的n型模式扩展波导层、非掺杂下限制层、势垒层、量子阱层、非掺杂上限制层、p型刻蚀停止层、p型缓冲层、p型光栅层、p型包层、p型能带过渡层和p型欧姆接触层；

所述势垒层、量子阱层均为多层，多层量子阱层和多层势垒层构成多量子阱层，作为有源区，且增益峰值位于1550nm波段；