一种面发射分布反馈激光器的制作方法

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种锁相面发射激光器。

背景技术：

目前的面发射激光器是基于特殊波导与光栅结构实现激光纵向反馈振荡并垂直于芯片表面出光的一种半导体激光器，其克服了边发射激光器出射光斑复杂、发散角大等先天劣势，另外还具有单纵模输出、温漂小、易集成等显著优势。

现有技术均以面发射激光器最简易的结构为基础，通过引入微纳结构、特殊波导或光栅等，如DBR反射镜、宽带DBR、锥形增益区域、交叉光栅(输出耦合)、圆形和椭圆形输出区、横向布拉格光栅、圆形光栅、非均匀光栅、特殊电极以及镜状包层等特殊结构，对器件结构进行了设计及优化，以达到降低工作阈值、改善光束质量、提升输出功率、增加波长数量以及提高集成度的目的。国内也提出了互注入锁定的二维表面发射激光器阵列及单片集成锁相面发射分布反馈半导体激光器阵列。前者首先利用SE-DFB-LD中的二阶光栅有两个衍射级，端面衍射出光，实现同行内相邻单元间的互注入，之后再利用二次反射直角棱镜可对光线进行转向和移位的特点，实现了二维阵列相邻两行顶端的两个激光单元的互注入，最终实现相位锁定下所有单元的互注入及互调制，获得高功率、单模的相干激光束。后者基于Talbot自成像原理使得每个Talbot外腔结构中的N个激光器单元通过布拉格反射器反射，互注入并互调制相位实现锁相。此外Talbot外腔结构中的锁相激光又会进入相邻的Talbot外腔结构中，实现所有Talbot外腔结构间的相互注入，进行相互调制，以达锁相，最终稳定输出高功率、窄线宽、小发散角的相干激光。

但是，上述所有特殊结构的引入在帮助器件提升性能的同时亦给器件的设计、制备以及装调带来了相应的困难和挑战，不同程度上造成激光器发生功率降低、热稳定性差、寿命下降、成品率低等所不期望的现象。

技术实现要素：

本发明主要是解决现有技术中所存在的技术问题，提供了一种制备过程简易、工作稳定性好且成品率高的锁相面发射激光器。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

本发明的面发射分布反馈激光器，其包括：

制作在同一外延芯片上的多个激光器单管，多个所述激光器单管呈阵列分布，每个所述激光器单管包括自上而下依次分布的上电极、衬底、中间层、光栅层和下电极；

光栅弯波导，连接在两个所述激光器单管之间，且用于相邻的两个所述激光器单管之间的光子互注入和锁相；

其中，所述光栅弯波导包括呈圆弧状分布的光栅脊，所述光栅弯波导的两端分别与相邻的两个所述激光器单管的中间层相连接。

根据本发明的一优选实施例：所述光栅脊的空隙部分还填充有密封介质，所述密封介质为SiO₂。

根据本发明的一优选实施例：所述中间层包括自上而下依次设置的缓冲层、过渡层、n盖层、n包层、有源层、p包层和p盖层。

根据本发明的一优选实施例：所述光栅层包括DFB光栅区和DBR光栅区，所述DBR光栅区对称设在所述DFB光栅区的两侧。

根据本发明的一优选实施例：呈阵列分布的多个所述激光器单管的最外侧激光器单管外端还设有一延长体，所述延长体上设有光栅DBR反射镜。

根据本发明的一优选实施例：所述光栅弯波导的圆弧半径为10-70微米，其圆弧角为60°-180°。

根据本发明的一优选实施例：所述光栅弯波导的各个光栅脊的形状类似于锥形或梯形，且所述光栅脊之间槽的深度与所述n盖层至p盖层之间的厚度相同。

根据本发明的一优选实施例：所述下电极的底部还设有热沉，所述衬底和上电极之间还设有增透膜。

本发明的有益效果在于：通过光栅弯波导将相邻的两个激光器单管连接起来，工作状态下该光栅弯波导将使得两激光器单管间实现相位稳定的光子互注入，达到锁相效果，其不仅具有制备过程简易且成品率高等优点，而且还省去了微结构元件复杂的装调过程，提升了工作稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的锁相面发射激光器的激光器单管的结构示意图；

图2是本发明的锁相面发射激光器的激光器单管的俯视图；

图3是本发明的锁相面发射激光器的折射率分布图；

图4是本发明的实施例一的锁相面发射激光器的结构示意图；

图5是本发明的实施例二的锁相面发射激光器的结构示意图；

图6是本发明的实施例三的锁相面发射激光器的结构示意图；

图7是本发明的实施例四的锁相面发射激光器的结构示意图；

图8是本发明的实施例五的锁相面发射激光器的结构示意图；

图9是本发明的实施例六的锁相面发射激光器的结构示意图；

图10是本发明的实施例七的锁相面发射激光器的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1-2所示，本发明的面发射分布反馈激光器，其包括：

制作在同一外延芯片上的多个激光器单管1，多个激光器单管1呈阵列分布，每个激光器单管1包括自上而下依次分布的上电极11、衬底12、中间层13、光栅层14和下电极15；本发明中的中间层13包括自上而下依次设置的缓冲层131、过渡层132、n盖层133、n包层134、有源层135、p包层136和p盖层137，其中，下电极15的底部还设有热沉16，热沉16可以对激光器单管1起到较好的散热效果，而衬底12和上电极11之间还设有增透膜17，从而能进一步提高激光器的光束质量。

光栅弯波导2，连接在两个激光器单管1之间，且用于相邻的两个激光器单管1之间的光子互注入和锁相。

其中，光栅弯波导2包括呈圆弧状分布的光栅脊21，光栅弯波导2的两端分别与相邻的两个激光器单管1的中间层13相连接。本实施例中的光栅弯波导2的各个光栅脊21的形状为锥形或梯形，当然，也可以为其他形状。且光栅脊21之间槽的深度与n盖层133至p盖层137之间的厚度相同。从而将谐振光限制在波导中，保持光的高传输效率。本发明中，激光器单管1的形状为长条形，而为获得激光器单管1的两端面的基侧横模输出，实现光在光栅弯波导2中低损耗、稳相位输出，还可将激光器设置成如掩埋异质结结构、山字台形结构或者V型沟道衬底内条形结构等。

具体地，光栅脊21的空隙部分还填充有密封介质22，本实施例中的密封介质为SiO₂。本发明中的密封介质22不仅能起到密封的作用，减少杂质的进入，而且还能形成对传输光束的侧向限制。该密封介质还可以为其他低折射率介质。

图3为沿Z轴方向的激光器自下至上(由p盖层137至n盖层133)的折射率分布图。其中，有源层133、n/p包层折射率分别为n4、n2、n3。本发明的光栅层14包括DFB光栅区141和DBR光栅区142，DBR光栅区142对称设在DFB光栅区141的两侧，p包层136以及p盖层137的折射率取值分别大于n包层134和n盖层133，减小p包层136以及p盖层137的厚度，使其小于n包层134和n盖层133的厚度，该结构一方面可提高光栅限制因子，增大光栅对光场的调制作用，另一方面从有源层135向上n面各层依次减少的折射率以及各层合理的厚度设计有利于降低光垂直输出时各层的反射作用，提高光的输出效率。

本发明中，呈阵列分布的多个激光器单管1的最外侧激光器单管外端还设有一延长体18，延长体18上设有光栅DBR反射镜。光栅DBR反射镜可将本来输出的光反馈回谐振腔。其作用等同于全反膜，但有保持反馈光相位稳定的作用。

光栅弯波导2的准确设计和制备在有利于降低波导损耗之外亦有利于激光器的选模，因此，本实施例中的光栅弯波导的圆弧半径为10-70微米，其圆弧角为60°-180°。

参阅图4所示，在本发明的第一个实施例中，光栅弯波导为90°圆弧时，将两个激光器单管1进行连接，未刻蚀部分的光栅脊21与空气构成空气/半导体光栅，在正常工作状态下，只有一部分光栅实现对某一特定波长光的曲线路径反馈及传输(光栅有效工作部分可等效为一阶空气/半导体光栅)，光栅弯波导2周围溅射金属电极，制作在热沉上后可将其刻蚀部分密封，减少杂质的进入。

参阅图5所示，在本发明的第二个实施例中，相比实施例一，光栅脊21旁边需刻蚀部分更多，刻蚀掉的部分可采用低折射率介质(如SiO₂)进行填充。

参阅图6-7所示，在本发明的第三和第四个实施例中，光栅弯波导为180°圆弧时，其结构分别类似于图4-5的结构，从弯波导角度上说其也是光栅弯波导的一种，其次还存在60°、108°、120°、135°等角度，在此不一一示例。

本发明中，为增大激光器的输出功率，会增加芯片上激光器单管1的密度。可改变激光器单管1的数量、位置设置并选用不同角度的光栅弯波导2进行连接来制作出不同样式的阵列。

参阅图8所示，在本发明的第五个实施例中，由激光器单管1与180°光栅弯波导2构成的激光器阵列方式之一，两端的激光器单管1在纵向长度上比内部的其他激光器单管1稍大，其相对位于中间的其他单管1多出的部分，即图8中设有光栅DBR反射镜的左上101部分和右下102部分，可将本来输出的光反馈回谐振腔。

参阅图9所示，在本发明的第六个实施例中，由激光器单管1、180°光栅弯波导2以及90°光栅弯波导2构成的激光器阵列方式之一，两端最外侧的激光器单管1(左上部分103和右上部分104)比内部的其他激光器单管1在纵向长度稍大。

参阅图10所示，在本发明的第七个实施例中，由激光器单管1与90°光栅弯波导2构成的激光器阵列方式之一，但是，内外圈激光器单管1之间不存在光场交叠及光子互注入。

综上所述，本发明通过光栅弯波导2将相邻的两个激光器单管1连接起来，工作状态下该光栅弯波导2将使得两激光器单管1间实现相位稳定的光子互注入，达到锁相效果，其不仅具有制备过程简易且成品率高等优点，而且还省去了微结构元件复杂的装调过程，提升了工作稳定性。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。