一种半导体激光器的制作方法

本申请涉及半导体领域，具体而言，涉及一种半导体激光器。

背景技术：

半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，具有小巧、高效、寿命长、易于集成等诸多优点，因而被广泛应用于成像、通信、机械加工等领域。传统的半导体激光器由于物理结构的限制，基本无法通过单管来得到很高的光输出功率，只能通过直接光纤耦合、波长复用、偏振复用等激光巴条的空间合束方法来实现高功率输出。

但是，对于单模半导体激光器而言，直接光纤耦合一般损耗较大。另外，由于波长的单一性，也无法通过波长复用的方式来实现空间光的合束，并且，同一巴条上的激光器的输出光的偏振状态一般是相同的，因此采用偏振合束对输出光功率的提高也非常有限，还会带来额外的光损耗。

技术实现要素：

本申请实施例的目的在于提供一种半导体激光器，用以实现提高半导体激光器的光输出功率。

本申请实施例第一方面提供了一种半导体激光器，包括：波导阵列，所述波导阵列由多个子波导组成；光耦合器，设置在所述波导阵列的一端；抗反膜，设置在所述光耦合器的光输出端；高反膜，设置在所述波导阵列的另一端。

于一实施例中，所述波导阵列包括：第一波导阵列，所述第一波导阵列为脊波导阵列，所述第一波导阵列的一端连接所述光耦合器的光输入端；第二波导阵列，所述第二波导阵列为脊波导阵列，所述第二波导阵列设置在所述第一波导阵列的另一端。

于一实施例中，所述波导阵列和所述光耦合器均形成于半导体外延层上；所述半导体外延层自下而上依次包括：衬底、下限制层、量子阱、上限制层和欧姆接触层。

于一实施例中，在所述半导体外延层上形成所述第一波导阵列和所述光耦合器的区域内，所述欧姆接触层的厚度为零。

于一实施例中，所述脊波导阵列的脊条高度小于或等于所述欧姆接触层和所述上限制层的总厚度。

于一实施例中，所述第一波导阵列和所述第二波导阵列的连接处设置有沟槽。

于一实施例中，所述沟槽穿过所述半导体外延层中的所述欧姆接触层，并延伸至所述上限制层。

于一实施例中，所述第一波导阵列由直波导组成；所述第二波导阵列由直波导、弯曲波导、锥形波导中的一种或多种组成。

于一实施例中，所述光耦合器的宽度大于所述波导阵列的总宽度。

于一实施例中，所述第二波导阵列连接所述第一波导阵列的一端与所述第一波导阵列具有相等的波导间隔和/或相等的单根波导宽度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请一实施例的半导体激光器的结构示意图；

图2为本申请一实施例的半导体激光器的结构示意图；

图3a为本申请一实施例的锥形波导的结构示意图；

图3b为本申请一实施例的锥形波导的结构示意图；

图3c为本申请一实施例的锥形波导的结构示意图；

图4为本申请一实施例的半导体激光器的结构示意图；

图5为本申请一实施例的半导体外延层的结构示意图。

附图标记：

100-半导体激光器，110-波导阵列，111-第一波导阵列，112-第二波导阵列，1121-第一子波导，1122-第二子波导，1123-第三子波导，113-沟槽，120-光耦合器，130-抗反膜，140-高反膜，150-半导体外延层，151-衬底，152-下限制层，153-量子阱，154-上限制层，155-欧姆接触层，2-光场汇聚点。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，并不表示排列序号，也不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

请参看图1，其为本申请一实施例的半导体激光器100的结构示意图。半导体激光器100包括：波导阵列110、光耦合器120、抗反膜130和高反膜140，其中波导阵列110由多个子波导组成，光耦合器120设置在波导阵列110的一端，光耦合器120的宽度大于波导阵列110的总宽度，于一实施例中，光耦合器120的宽度w1的变化范围可以是6μm至200μm，于一实施例中，光耦合器120的宽度w1的变化范围可以是6μm至50μm。

抗反膜130设置在光耦合器120的光输出端，于一实施例中，抗反膜130的反射率低于5％，于一实施例中，抗反膜130的反射率低于2.5％。高反膜140设置在波导阵列110的另一端，于一实施例中，高反膜140的反射率不低于80％，于一实施例中，高反膜140的反射率高于90％。

于一实施例中，波导阵列110包括：第一波导阵列111和第二波导阵列112，其中第一波导阵列111和第二波导阵列112均为脊波导阵列，于一实施例中，脊波导可以通过干法刻蚀p型掺杂材料实现，也可以通过湿法腐蚀p型掺杂材料实现。

第一波导阵列111的一端连接光耦合器120的光输入端，第二波导阵列112设置在第一波导阵列111的另一端。于一实施例中，第一波导阵列111的长度l2小于500μm，于一实施例中，第一波导阵列111的长度l2小于50μm。

于一实施例中，第一波导阵列111的长度可以为零，则第二波导阵列112设置在光耦合器120的光输入端。

于一实施例中，第一波导阵列111和第二波导阵列112均由直脊波导组成，第一波导阵列111和第二波导阵列112的波导间隔相同，单根波导宽度相同，脊条宽度w2为2μm至10μm，于一实施例中，脊条宽度w2为3μm至6μm。

于一实施例中，第二波导阵列112处具有电流注入，为半导体激光器100提供增益，第一波导阵列111和光耦合器120处没有电流注入，为吸收区。

于一实施例中，光耦合器120可以是mmi(multimodeinterference，多模干涉)耦合器，mmi耦合器是利用光的sie(selfimagingeffect,自映像)原理，来实现对光功率的分束及合束的功能。对于mmi耦合器，由输入mmi耦合器的脊波导阵列的光场在通过mmi耦合器传播一定的传输距离s之后，多模干涉导致能量会集中起来，因此可以完成对于多波导光束的合束，使能量聚集而一起耦合输出。

根据上述原理，如果mmi耦合器的多模波导的长度l1与传输距离s相等，则经过mmi耦合器传播后的光场合并为基横模输出，用单根光纤就可以耦合。如果让l1略小于s,但是l1又足够大，能使得多模干涉的效果已经接近完成，则在mmi耦合器的出光口会具有相对于基横模更宽的光场分布，从而降低了出光端面的光场能量密度，而出射端面的光场由于继续的多模叠加干涉，会在距离出光端面的一段距离处实现对光场能量的汇聚，而且不降低光纤耦合效率。

因此，将mmi耦合器选择合适的长度l1，既可以实现对光场的合束，又可以降低出光端面的光场能量密度，同时不降低光纤耦合效率，从而极大的提高器件的出光功率。根据多模波导中的光传输特性可以通过导模传输分析法得到：

其中，l为自映像的距离周期，λ为波长，we为多模波导中基模的等效宽度，nr为等效折射率，多模波导的宽度为w，对于高折射率差的波导，we≈w；对于低折射率差的波导，we略大于w。

对于对称设计的单根波导结构，即波导阵列110的中心轴线与光耦合器120的中心轴线重合，从光耦合器120的光输入端口到第一个光场汇聚点2的距离则为l/4；此时若对称设计的波导阵列110的脊波导数为n，则从光耦合器120的光输入端口到第一个光场汇聚点2的距离为l/4n。因此，若定义光耦合器120的光输入端口到第一个光场汇聚点2的距离为l’，则光耦合器120的长度l1在0.6×l’至l’之间，于一实施例中，光耦合器120的长度l1在0.7×l’至0.95×l’之间，这样能使得光耦合器120多模干涉的效果已经接近完成，在光耦合器120的光输出端口会具有相对于基横模更宽的光场分布，从而降低了光输出端面的光场能量密度，而出射的光场由于继续的多模叠加干涉，会在距离光输出端面的一段距离处实现对光场能量的汇聚，而且不降低光纤耦合效率，极大的提高了半导体激光器100的光输出功率。

如图2所示，其为本申请一实施例的半导体激光器100的结构示意图。半导体激光器100包括：波导阵列110、光耦合器120、抗反膜130和高反膜140。波导阵列110包括：第一波导阵列111和第二波导阵列112，其中第一波导阵列111由直波导组成，第二波导阵列112由直波导和弯曲波导组成。

高反膜140设置在第二波导阵列112的一端，第二波导阵列112的另一端连接第一波导阵列111的一端，并且，第二波导阵列112连接所述第一波导阵列111的一端与第一波导阵列111具有相等的波导间隔和/或相等的单根波导宽度。第一波导阵列111的另一端连接光耦合器120的光输入端，抗反膜130设置在光耦合器120的光输出端。

于一实施例中，第二波导阵列112包括：第一子波导1121、第二子波导1122和第三子波导1123，其中第一子波导1121和第三子波导1123均为s型弯曲波导，第二子波导1122为直波导，第二子波导1122的波导宽度与组成第一波导阵列111的直波导的波导宽度相等，第一子波导1121和第三子波导1123关于第二子波导1122对称设置，使得第二波导阵列112镀有高反膜140一端的波导间隔大于连接第一波导阵列111一端的波导间隔，波导分散排布，有利于波导的制备和散热。同时，为了尽可能减小弯曲波导带来的损耗，第一子波导1121和第三子波导1123在s型段任意处的弯曲角度小于或等于15°。于一实施例中，s型弯曲波导包括但不限于双圆弧型、上升反正弦型和余弦函数型。

于一实施例中，组成第二波导阵列112的子波导可以是向外展开的波导结构，即第二波导阵列112的子波导镀有高反膜140一端的波导宽度大于另一端的波导宽度，使得第二波导阵列112的区域增大，可以有更大的注入电流，进而提高输出功率。

于一实施例中，第二波导阵列112的子波导包括但不限于锥形波导及其复合结构，单根锥形波导的边界线可以是直线(如图3a所示)，可以是曲线(如图3b所示)，也可以是不同倾斜角度的直线的组合(如图3c所示)。于一实施例中，组成第二波导阵列112的单根波导可以部分是锥形波导，也可以全部是锥形波导。于一实施例中，单根锥形波导靠近高反膜140一端的端面宽度的范围可以是3μm至100μm，于一实施例中，单根锥形波导靠近高反膜140一端的端面宽度的范围为6μm至15μm。

于一实施例中，第一波导阵列111由直波导组成，第二波导阵112由直波导、弯曲波导、锥形波导中的一种或多种组成。

如图4所示，其为本申请一实施例的半导体激光器100的结构示意图。第一波导阵列111和第二波导阵列112的连接处设置有沟槽113，沟槽113用于增加电隔离效果，进一步减小电流的扩散。于一实施例中，沟槽113的宽度范围为0.5μm至50μm，于一实施例中，沟槽113的宽度范围为2μm至20μm。

于一实施例中，第一波导阵列111的长度为零，即波导阵列110中不存在第一波导阵列111，则沟槽113设置在第二波导阵列112和光耦合器120的光输入端之间。

于一实施例中，半导体激光器100的材料体系包括但不限于inp、gaas、gan、gasb等。

如图5所示，其为本申请一实施例的半导体外延层150的结构示意图。波导阵列110和光耦合器120均形成于半导体外延层150上，半导体外延层150自下而上依次包括：衬底151、下限制层152、量子阱153、上限制层154和欧姆接触层155。波导阵列110为脊波导阵列，脊波导阵列的脊条高度小于或等于欧姆接触层155和上限制层154的总厚度。

于一实施例中，第二波导阵列112处具有电流注入，为半导体激光器100提供增益，第一波导阵列111和光耦合器120处没有电流注入，为吸收区，在半导体外延层150上形成第一波导阵列111和光耦合器120的区域内，半导体外延层150自下而上依次只包括：衬底151、下限制层152、量子阱153和上限制层154。于一实施例中，去除该区域高p型掺杂的欧姆接触层155可以通过干法刻蚀或者湿法腐蚀半导体外延层150最上层材料来实现，刻蚀深度为50nm至2μm，于一实施例中，刻蚀深度为100nm至600nm。

于一实施例中，第二波导阵列112、第一波导阵列111和光耦合器120处均有电流注入，在半导体外延层150上形成第一波导阵列111和光耦合器120的区域内，半导体外延层150自下而上依次包括：衬底151、下限制层152、量子阱153、上限制层154和欧姆接触层155，并且，第一波导阵列111和第二波导阵列112的连接处设置有沟槽113，沟槽113处高导电的欧姆接触层155被刻蚀，使得第二波导阵列112区域内的注入电流不会进入第一波导阵列111和光耦合器120的区域内，用以增加第一波导阵列111和第二波导阵列112之间的电隔离效果。第一波导阵列111和光耦合器120处的注入电流在透明电流附近，使得该区域具有较低的光损耗或光增益。

于一实施例中，当光耦合器120的区域内有电流注入时，光耦合器120的刻蚀深度不超过欧姆接触层155和上限制层154的总厚度，即光耦合器120不刻蚀到量子阱153。

于一实施例中，当光耦合器120的区域内没有电流注入时，光耦合器120可以刻蚀到上限制层154、量子阱153或下限制层152。

于一实施例中，沟槽113穿过半导体外延层150中的欧姆接触层155，并延伸至上限制层154。于一实施例中，沟槽113从欧姆接触层155往下刻蚀，刻蚀的深度范围可以是大于200nm到刻蚀到量子阱153上方的深度，沟槽113沿着波导阵列110方向的宽度为0.5μm至50μm，于一实施例中，沟槽113沿着波导阵列110方向的宽度为2μm至20μm。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。