专利名称：具有高偏振转换特性的半导体激光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体发光器件领域，尤其涉及具有高偏振转换特性的半导体 激光器件。
背景技术：
具有特殊偏振的半导体发光器件在光纤通信、高速模块空间耦合、信号探 测、光学成像和液晶背光等方面有着重要的应用。 一般的半导体激光器件，出 射光的偏振模式由谐捱腔的谐振条件决定，要得到单模的输出，必须制作短的 谐捱腔和高反射的腔面，这对器件的制作工艺提出了很高的要求。另外，激光 介质的增益谱宽和高速调制下载流子的瞬态效应也会导致出现多模式的振荡， 引起输出的模式噪声。
人们在半导体激光器件上尝试各种方法去获得出射光具有较高偏振特性甚 至单一偏振的器件。例如，在以下专利文献1中采用分布式布拉格反射器
(distributed Bragg reflector, DBR )作为面发射激光器的上下反射面，提 高了腔面的反射率，减少了光的吸收，获得功率更高的模式输出，但腔体内产 生的模式噪声并没能过滤掉。人们又发现，通过设计，光子晶体可对TE和TM 偏振光中其中的一种偏振具有很高的透射率，而对另 一种偏振具有很高的反射 率，则经过光子晶体的透射，出射光中只剩下一种偏振的光，另一种被过滤掉了。 以下专利文献2和3分别利用了一维和二维的光子晶体层的偏振选择作用来获 得高偏振的出光。这种滤波的方式,原理简单，但在过滤的同时，也把不须要的那 部分偏振的能量浪费掉了 ，影响了器件光能量的使用效率。
专利文献l:美国专利US Patent No. 4873696。
专利文献2:美国专利US Patent No. 5784399。
，矛JiL&3: 1国，禾'J US Patent Application Publication No. US2007
/0030873 Al。
一束具有特定偏振模式，且沿着某个波矢方向传M"的光，经过光子晶体结 构的散射后，将产生大量的散射模式，这些散射光的波矢会因为倒格矢的引入 而发生改变，从而使原来的偏4Mi式中不可避免地夹杂了其它的偏振模式，这 就是光子晶体的偏振转换的作用，例如， 一束TM (或TE)偏振的光束入射到 光子晶体结构，其反射光或透射光将部分地转换成为TE (或TM)偏振光。以下 非专利文献1、 2和3描述了在实验上观察到了光子晶体多层结构的反射光产生 了偏振的转换，并和理论的预测相符。
非专利文献l: Physical Review B, Vol.60 (1999) 255-258。 非专利文献2: Physical Review Letters, Vol.86 (2001) 1526—1529。 非专利文献3: IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.38 (2002) 880-884。
由于光子晶体晶格的对称性，要利用它的偏振转换作用必须采用特殊的结 构。传统的半导体激光器，要求光线在垂直于谐振腔的方向谐振，形成激光输 出，集成光子晶体的结构也是把光子晶体层制作在垂直于光输出的方向，由于 对称性，这些传统的激光器结构不可能得到偏振的转换。如何把光子晶体这种新 的特性应用到半导体激光器件中，并在器件中设计具有高透射率、高偏振转换效 率的光子晶体结构，以提高激光器件的光利用效率，获得单一偏振模式或高的偏 ^^莫式的激光器件，是一个具有重要实际意义的研究重点。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种偏振转换高效、透射率高 的半导体激光器件。
为实现上述目的，本发明的技术方案为 一种具有高偏振转换特性的半导 体激光器件，包括衬底、沉积于衬底上的半导体外延叠层及设于半导体外延叠 层表面的出射端面，该半导体外延叠层自下而上包括第一导电包覆层、发光层 及第二导电包覆层，第二导电包覆层上端设置有上电极，村底底部设置有下电 极，出射端面上设置有光子晶体层，该光子晶体层与出射端面具有倾斜角度。
该光子晶体层通过一截面呈楔形或三角形的介质层设于出射端面上，且光 子晶体层位于介质层的斜面上。
该光子晶体层的表面为一维光栅或二维光栅结构。
该一维光栅或二维光栅结构的周期在0 ~ 10入之间，其中入为器件发光的峰
值波长。
该二维光栅结构包括背景材料及设于背景材料上的散射体，其中散射体的 形状为圓形、三角形、正方形或长方形。
该半导体外延叠层的相对侧面分别设有反射层，且该出射端面设于其中一 反射层上。
该半导体外延叠层的上下端面分别设有上、下反射层，且该出射端面设于 上反射层上。
该光子晶体层包括一层或多层的光子晶体结构，且其晶格的形态为三角晶 格、正方晶格、长方晶格、六角晶格或复式晶格。
该上电极与第二导电包覆层之间还由下往上设有电流阻挡层及加厚电极。
所述发光层由III-V族氮化物半导体材料构成，或由AlGaAs类半导体材料 构成，或由AlGalnP类半导体材料构成。
与现有技术相比，本发明通过半导体激光器件出射端面的光子晶体层进4亍 高效地偏振转换，获得高偏振模式(TE或TM偏振)的发光。此光子晶体层的透 射率高，界面损失较小，对半导体外延叠层及反射层所形成的谐振腔的反馈也 较小。而且，由于是利用其转换作用而非传统的过滤作用，其光利用效率可以 大大提高。
另外，本发明仅仅在出射端面外制作一层光子晶体层，其结构筒单，便于 设计。
图1是本发明实施例1中半导体激光器的结构示意图； 图2是本发明实施例2中半导体激光器的结构示意图； 图3是本发明光子晶体层的结构示意图4是一维光栅的光子晶体层的正面示意图； 图5是二维光栅的光子晶体层的正面示意图6是高TE偏振的一维光栅结构的透射率和偏振的选择转换特性； 图7是高TM偏振的二维光栅结构的透射率和偏振的选择转换特性。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一 步的详细说明。 实施例1
如图l所示， 一种具有高偏振4争换特性的半导体激光器件，包括衬底l、沉 积于衬底1上的半导体外延叠层及设于半导体外延叠层表面的出射端面8，该半 导体外延叠层自下而上包括第一导电包覆层2、发光层3及第二导电包覆层4, 第二导电包覆层4上端设置有上电极6，衬底1底部设置有下电极7，出射端面 8上设置有光子晶体层9,该光子晶体层9与出射端面8具有倾斜角度。
其中，该光子晶体层9通过一截面呈楔形或三角形的介质层设于出射端面 上，且光子晶体层9位于介质层的斜面上。光子晶体层9是由高、低折^J"率材 料周期性的相间而成的结构，该光子晶体层9包括一层或多层的光子晶体结构， 且其晶格的形态为三角晶格、正方晶格、长方晶桔、六角晶格或复式晶格。
本发明提供的具有高偏振转换特性的半导体激光器件主要是利用了光子晶 体层模支结构对光束的波矢量的调制。光束入射到光子晶体层9，由于周期性介质 的存在，将反射光及透射光变成散射光。原来沿着某一波矢k方向的光束，波 矢将变成k+G, G为光子晶体的倒格矢，不同的G代表着不同的散射模式。具有 特定偏振的光，由于波矢面的变化，转换成其它的偏振模式，从而发生了偏振 的转换。通过调节该光子晶体层9与出射端面8的倾斜角度及光子晶体层的结 构参数，将可以使得TE/TM波的比值发生变化，从而得到纯TE或纯TM偏振的 辐射，制作得到具有特殊偏振特性的发光器件。
本实施例中，该半导体外延叠层的相对侧面分别设有反射层，且该出射端 面8设于其中一反射层上，即出光端面8位于器件的侧面，该光子晶体层9可 直接作为外表面，也可位于一透明外表面与出光端面8之间。为了避免光束直接从光子晶体层9通过而不发生任何偏振作用，该光子晶体层9所在平面的法 线不能平行于半导体外延叠层及反射层所形成的谐振腔，即该光子晶体层9不 能平行于出光端面8。此半导体激光器件从发光层3发出的光，经过其器件内部 的谐振腔的调节之后，由出光端面8共振输出，输出光在经过光子晶体层9的 选择性偏振转换之后，可以得到单一偏振或高偏振的出射。由于光子晶体层9 的透射率4交高，且是利用其偏振的转换作用，其光利用效率可大大提高。
该光子晶体层9所在平面的法线与激光谐振腔方向成一夹角6 ,其中，0< 6 <90°。沿着激光谐振腔方向的矢量在光子晶体层9所在平面的投影与光子晶体层 9的晶向的夹角4不能为零。6 、小和光子晶体的结构参数的选取应该使此光子 晶体层具有高的透射率和选择性的偏振转换效率。具体来说，透射率应该达到 70%以上；TE (或TM)偏振光经过光子晶体层的转换后，TM (或TE )偏振光与 透射光的比值应该达到90%以上，同时，对于同样的结构，TM (或TE)偏振光 经过光子晶体层的转换后，TE (或TM)偏振光与透射光的比值应该在1W以下。
另外，如图4所示，该光子晶体层9的结构为高、低折射率材料周期性的 相间而成的一维光栅，当然也可为二维光栅结构，如图5所示。当光子晶体层5 是二维光4册结构时，则在一个晶格原胞内，其中一种折射率材料的形状，也即 散射体的形状可以是圆形，三角形，正方形，长方形和其它规则的形状，散射 体的形状也可以是无规则的形状。光子晶体层晶格的形态为三角晶格、正方晶 格、长方晶格、六角晶格或复式晶格。二维光子晶体层由高折射率的材料作为 背景材料，低折射率材料作为散射体材料，也可以由低折射率材料作为背景材 料，高折射率材料作为散射体材料。
为了获得最佳的偏振效果，上述一维光栅或二维光栅结构的周期在0~10 入之间，其中入为器件发光的峰值波长。当然，其具体数值与光波长，材料的 折射率有关。
上述发光层3可由III-V族氮化物半导体材料构成，如GaN类，GalnN类等 材料构成，或由AlGaAs类半导体材料构成，或由AlGalnP类半导体材料构成。 衬底1与第一导电包覆层2之间还设置有一缓冲层，该上电极6与第二导电包覆层4之间还由下往上设有电流阻挡层5及加厚电极，该上、下电极6、 7
均为面电极。
实施例2
本实施例与实施例l相似，其区别在于该出射端面8的位置不同，《—射 层的位置设于半导体外延叠层的上下端面，具体的是，在该半导体外延叠层的 上下端面分别设有上、下反射层ll、 10,且该出射端面8设于上反射层11上。 相应地，为了提高出光度，将上电极6的形状设计成环形电极，而该下电极7 仍可为面电极。
为了体现本发明半导体激光器件的单一偏振或高偏振的效果，现以分别以 实现纯TM偏振光输出和实现纯TE偏振光输出为例，介绍一维光栅和二维光栅 光子晶体对偏振的转换作用。以发光层为GaN材料的器件为例，考虑以下模型 一束TM或TE光以某个固定的方向从GaN介质(n2=2. 5 )入射到由GaN和空气 (nl=l. O)为高低折射率材料的光子晶体结构，透射光进入到空气介质(nl-l. 0) 中，我们将研究透射光中两种偏振的比例与定义入射光方向的才及化角e和方位 角4的关系。在本发明中，极化角e表示光子晶体平面的法线与激光谐振腔方
向成一夹角；方位角4>表示沿着激光谐振腔方向的矢量在光子晶体平面的投影 与光子晶体晶向的夹角。
首先考虑一束纯偏振的光入射到一维光子晶体(光栅)的情况。选择周期 为O. 51入，人为辐射波长，光栅的占空比为0. 3。如图6所示，为方位角({)=800 时,模型的透射率和偏振转换特性与极化角的关系。从图6第一幅图可以看出， 纯TM偏振的入射光入射到此一维光栅介质，其透射率(空心正方形)在低角度 时可达到95%,在25°到30°范围内，透射光中TE光的比例可接近100%;从图6 第二幅图可以看出，纯TE偏振的入射光入射到此一维光栅介质，其透射率(空 心正方形)在大部分低角度范围内可达到90%以上，在25°到30。范围内，透射 光中TM光的比例低于5t这将意味着，如果本发明使用的一维光栅的斜面满足 4>=80°, 25°<6<30°，则一束包含了两种偏振的光线入射到此一维光栅，光4册对 TE偏振光几乎是透明的，但对TM偏振光具有极高的转换率，几乎100°/。的转换
为TE偏振光，这种选择性的偏振转换保证了输出光为纯度很高的TE偏振光。 而且，由于在较大的角度范围内都能保持这种转换效果，此光子晶体斜面的制 作可允许较大的误差。
考虑一束纯偏振的光入射到二维三角晶格的光子晶体的情况。选择晶格常 数为0. 71入，入为辐射波长，空气洞的半径与晶格常数之比为0.3。如图7所 示，为方位角小=10°时，模型的透射率和偏振转换特性与极化角的关系。从图7 第一幅图可以看出，纯TE偏振的入射光入射到此二维光子晶体介质，其透射率 (空心正方形)在所有角度都可达到70%以上，在27°到33。范围内，透射光中 TM光的比例可接近100%;从图7第二幅图可以看到，纯TM偏振的入射光入射 到此二维光子晶体介质，其透射率(空心正方形)在全角度范围内可达到70% 以上，在27°到33。范围内，透射光中TE光的比例低于5%。这将意味着，如果 本发明使用的二维光子晶体的斜面满足4-10°， 27°<6<33°,则一束包含了两种 偏振的光线入射到此二维光子晶体斜面，光栅对TM偏振光几乎是透明的，但对 TE偏振光具有极高的转换率，接近100%的转换为TM偏振光，这种选择性的偏 振转换保证了输出光为纯度很高的TM偏振光。而且，由于在较大的角度范围内 都能保持这种转换效果，此光子晶体斜面的制作可允许较大的误差。
当然，并不是所有的一维和二维光子晶体结构都能得到好的转换效果，斜 面倾斜的角度和斜面上光子晶体的晶格和晶向的选择也影响其转换效果，具体 的结构设计可以通过数值的模拟或实验得到。
对于类似于发光二极管这种面光源的自发輻射器件，可综合整个出光空间 进行优化和模拟，得到具有高的偏振特性的器件。
实际上，由于表面光子晶体结构的存在，破坏了全反射界面，总的辐射能 量也会有一定的提高，可得到比原来功率更大的TE或TM偏振光。
综上所述，本发明所涉及的利用光子晶体的偏振转换作用的半导体激光器 件结构，利用具有高透射率的光子晶体层9对发光器件的TE和TM模式的转换， 可对谐振腔内的激射光进行调制，得到较高的TE偏振或TM偏振光，并可通过光 子晶体的结构，特别是其斜面的设计和优化，有效的调节TE/TM的比例，可得到
接近于单一偏振的辐射。
上述光子晶体层9主要应用于半导体激光器(LD)中，其基本特征也可应 用到有半导体发光二极管(LED)、有机发光二极管(0LED)、聚合物发光二极管 (PLED)等发光器件。
上述光子晶体层9主要应用于半导体激光器(LD)中，其基本特征也可应 用到气体激光器、固体激光器和其它的激光器结构中。
权利要求
1.一种具有高偏振转换特性的半导体激光器件，包括衬底(1)、沉积于衬底(1)上的半导体外延叠层及设于半导体外延叠层表面的出射端面(8)，该半导体外延叠层自下而上包括第一导电包覆层(2)、发光层(3)及第二导电包覆层(4)，第二导电包覆层(4)上端设置有上电极(6)，衬底(1)底部设置有下电极(7)，其特征在于出射端面(8)上设置有光子晶体层(9)，该光子晶体层(9)与出射端面(8)具有倾斜角度。
2、 根据权利要求1所述的半导体激光器件，其特征在于该光子晶体层(9) 通过一截面呈楔形或三角形的介质层设于出射端面(8)上，且光子晶体层(9)位 于介质层的斜面上。
3、 根据权利要求2所述的半导体激光器件，其特征在于该光子晶体层(9) 为 一维光栅或二维光栅结构。
4、 根据权利要求3所述的半导体激光器件，其特征在于该一维光栅或二 维光栅结构的周期在0~10入之间，其中A为器件发光的峰值波长。
5、 根据权利要求4所述的半导体激光器件，其特征在于该二维光栅结构 包括背景材料及设于背景材料上的散射体，其中"ft射体的形状为圆形、三角形、 正方形或长方形。
6、 根据权利要求3所述的半导体激光器件，其特征在于该半导体外延叠 层的相对侧面分别设有反射层，且该出射端面(8)设于其中一反射层上。
7、 根据权利要求3所述的半导体激光器件，其特征在于该半导体外延叠 层的上下端面分别设有上、下反射层(11)、 (10),且该出射端面(8)设于上 反射层(11)上。
8、 根据权利要求1所述的半导体激光器件，其特征在于该光子晶体层(9 ) 包括一层或多层的光子晶体结构，且其晶格的形态为三角晶格、正方晶格、长方晶格、六角晶格或复式晶格o
9、 根据权利要求1所述的半导体激光器件，其特征在于该上电极(6) 与第二导电包覆层(4)之间还由下往上i殳有电流阻挡层(5) Ain厚电极。
10、根据权利要求1至9任一项所述的半导体激光器件，其特征在于所 述发光层(3)由III-V族氮化物半导体材料构成，.或由AlGaAs类半导体材料 构成，或由AlGalnP类半导体材料构成。
全文摘要
本发明涉及半导体发光器件领域，公开了一种具有高偏振转换特性的半导体激光器件，包括衬底(1)、沉积于衬底(1)上的半导体外延叠层及设于半导体外延叠层表面的出射端面(8)，该半导体外延叠层自下而上包括第一导电包覆层(2)、发光层(3)及第二导电包覆层(4)，第二导电包覆层(4)上端设置有上电极(6)，衬底(1)底部设置有下电极(7)，出射端面(8)上设置有光子晶体层(9)，该光子晶体层(9)与出射端面(8)具有倾斜角度。本发明具有高效偏振转换特性，透光率高及结构简单等优点。
文档编号H01S5/10GK101369712SQ20081019891
公开日2009年2月18日 申请日期2008年9月28日 优先权日2008年9月28日
发明者瑜 招, 钢 王 申请人:中山大学