半导体激光器的波导结构的制作方法

本申请涉及半导体制造的技术领域，具体而言，涉及一种半导体激光器的波导结构。

背景技术：

半导体激光器是一种应用较为广泛的激光发射器件。激光器根据其横模激射模式分为单模和多模两种。其中，抑制高阶模的激射是单模器件实现kink-free(无扭结)高功率输出的核心。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种半导体激光器的波导结构，其能够实现高阶模式的耦合，增大高阶模式的损耗，从而抑制其激射，保证基模激射的稳定性。

本申请的实施例是这样实现的：

一种半导体激光器的波导结构，包括衬底、下限制层、量子阱、上限制层和脊形成层，所述下限制层设置在所述衬底上；所述量子阱设置在所述下限制层上；所述上限制层设置在所述量子阱上；所述脊形成层设置在所述上限制层上，所述脊形成层包括层本体、刻蚀沟槽和脊波导。

于一实施例中，所述刻蚀沟槽的槽底宽度为0.5-5μm。

于一实施例中，所述刻蚀沟槽的槽顶宽度大于刻蚀沟槽的槽底宽度，所述刻蚀沟槽的槽顶宽度为0.5-8μm。

于一实施例中，所述衬底为重掺杂n型材料制成的，所述脊形成层为p型材料制成的。

于一实施例中，所述下限制层包括第一下限制层和第二下限制层，所述第一下限制层设置在所述衬底上；所述第二下限制层夹设于所述第一下限制层和所述量子阱之间。其中，所述第一下限制层为中等掺杂n型材料制成的，所述第二下限制层为未掺杂半导体材料制成的。

于一实施例中，所述上限制层包括第一上限制层和第二上限制层，所述第一上限制层设置在所述量子阱上；所述第二上限制层夹设于所述第一上限制层和所述脊形成层之间；其中，所述第一上限制层为未掺杂半导体材料制成的，所述第二上限制层为中等掺杂p型材料制成的。

于一实施例中，所述刻蚀沟槽设有多个，且所述刻蚀沟槽为矩形槽；其中，所述脊波导夹设于两个相邻的所述刻蚀沟槽之间，且所述脊波导沿厚度方向的截面为矩形。

于一实施例中，所述刻蚀沟槽的内底面上设有光吸收件。

于一实施例中，所述光吸收件与所述脊波导之间留有间隔。

于一实施例中，所述间隔的大小为0.5-5μm。

于一实施例中，所述光吸收件的宽度小于或者等于所述刻蚀沟槽内底面的宽度。

于一实施例中，所述光吸收件的厚度小于或者等于所述刻蚀沟槽的槽深。

于一实施例中，所述刻蚀沟槽的槽深为0.5-2μm，所述光吸收件的厚度为0.05-1μm。

于一实施例中，所述刻蚀沟槽的槽深为0.5-1μm，所述光吸收件的厚度为0.05-0.5μm。

本申请与现有技术相比的有益效果是：

本申请通过减小刻蚀沟槽的宽度来实现高阶模式的耦合，增大高阶模式的损耗，从而抑制高阶模的激射，保证基模激射的稳定性。

本申请通过在刻蚀沟槽的内底面上设置光吸收件，光吸收件可以作为用于吸收光的损耗层，加大了对高阶模的损耗，从而可以抑制高阶模的激射。

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为本申请一实施例示出的半导体激光器的波导结构的结构示意图；

图2为本申请一实施例示出的半导体激光器的波导结构的结构示意图；

图3为本申请一实施例示出的半导体激光器的波导结构的结构示意图；

图4为本申请一实施例示出的半导体激光器的波导结构的基模的光场分布示意图；

图5为本申请一实施例示出的半导体激光器的波导结构的一阶模式的光场分布示意图；

图6为本申请一实施例示出的半导体激光器的波导结构的结构示意图。

图标：100-半导体激光器的波导结构；110-衬底；120-下限制层；121-第一下限制层；122-第二下限制层；130-量子阱；140-上限制层；141-第一上限制层；142-第二上限制层；150-脊形成层；151-刻蚀沟槽；152-脊波导；153-层本体；160-光吸收件；161-间隔；200-基模光场等高线；300-一阶模式光场等高线。

具体实施方式

术语“第一”、“第二”、“第三”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。

此外，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，需要说明的是，术语“内”、“外”、“左”、“右”、“上”、“下”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和简化描述，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，可以是两个元件内部的连通。

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参照图1，其为本申请一实施例示出的半导体激光器的波导结构100的结构示意图。一种半导体激光器的波导结构100包括从下到上外延生长的衬底110、下限制层120、量子阱130、上限制层140和脊形成层150。下限制层120设置在衬底110上；量子阱130设置在下限制层120上；上限制层140设置在量子阱130上；脊形成层150设置在上限制层140上。其中，衬底110为重掺杂n型材料制成的，脊形成层150为重掺杂p型材料制成的。量子阱130用来限制电子，上限制层140与下限制层120用来限制光场。

请参照图2，其为本申请一实施例示出的半导体激光器的波导结构100的结构示意图。半导体激光器的波导结构100具有如下尺寸：w1—表示刻蚀沟槽151的槽顶宽度；w2—表示刻蚀沟槽151的槽底宽度即刻蚀沟槽151的内底面宽度；d1—表示刻蚀沟槽151的槽深；t1—表示层本体153的厚度；w3—表示脊波导152的宽度。刻蚀沟槽151的槽宽包括刻蚀沟槽151的槽顶宽度w1和槽底宽度w2。

脊形成层150包括层本体153、刻蚀沟槽151和脊波导152；刻蚀沟槽151设有多个，且刻蚀沟槽151为矩形槽；其中，脊波导152夹设于两个相邻的刻蚀沟槽151之间，且脊波导152沿厚度方向的截面为矩形。于其他的实施例中，刻蚀沟槽151为可以是梯形槽等其他形状，相应的，脊波导152沿厚度方向的截面为梯形。

在本实施例中，层本体153上刻蚀有两个刻蚀沟槽151，两个刻蚀沟槽151之间形成一个脊波导152。因此，脊形成层150结构从左至右依次是层本体153、刻蚀沟槽151、脊波导152、刻蚀沟槽151和层本体153。

本实施例中，刻蚀沟槽151的槽深d1等于层本体153的厚度t1，也等于脊波导152的厚度，刻蚀沟槽151的槽顶宽度w1等于刻蚀沟槽151的槽底宽度w2。刻蚀沟槽151的槽顶宽度w1和槽底宽度w2均为为0.5-5μm。其中，如果刻蚀沟槽151的槽底宽度w2小于0.5μm，不仅加工难度较高，且因为光波长会泄露，过窄的刻蚀沟槽151无法限制光场模式；如果刻蚀沟槽151的槽底宽度w2大于5μm，高阶模式由于模场分布尺寸限制无法耦合到上限制层140，主要是层本体153中，从而无法抑制高阶模式；因此根据光学模式计算模拟，刻蚀沟槽151的槽底宽度w2为0.5-5μm是个较为合适的范围。

于一实施例中，刻蚀沟槽151的槽顶宽度w1大于刻蚀沟槽151的槽底宽度w2，刻蚀沟槽151的槽顶宽度w1为0.5-8μm，刻蚀沟槽151的槽顶宽度w1为0.5-5μm。

于一实施例中，脊波导152的宽度可以根据所需的光输出功率设计，例如脊波导152的宽度w3可以是3-10μm。

高阶模式耦合到上限制层140或者脊形成层150只有“刻蚀沟槽151的槽宽足够小”的时候才会发生。因此，本实施例通过减小刻蚀沟槽151的宽度来使高阶模式耦合到脊形成层150的重掺杂p型材料中，从而增大高阶模式的损耗，进而抑制高阶模的激射，增大其激射阈值，间接增加基模激射的稳定性。即本实施例通过采用一种水平方向模式耦合的方式来引入对高阶模的更大损耗的方式来实现基横模在高功率下的稳定工作，从而可以提高半导体激光器输出光功率的kink-free功率。

于一实施例中，刻蚀沟槽151的槽顶宽度为0.5-5μm的半导体激光器，相较于刻蚀沟槽151的槽顶宽度大于8μm或者20μm的半导体激光器，其高阶模式的损耗更大。

请参照图3，其为本申请一实施例示出的半导体激光器的波导结构100的结构示意图。下限制层120包括第一下限制层121和第二下限制层122，第一下限制层121设置在衬底110上；第二下限制层122夹设于第一下限制层121和量子阱130之间。其中，第一下限制层121为中等掺杂n型材料制成的，第二下限制层122为未掺杂半导体材料制成的，从而可以使得下限制层120的折射率逐渐变化。

上限制层140包括第一上限制层141和第二上限制层142，第一上限制层141设置在量子阱130上；第二上限制层142夹设于第一上限制层141和脊形成层150之间。其中，第一上限制层141为未掺杂半导体材料制成的，第二上限制层142为中等掺杂p型材料制成的，从而可以使得上限制层140的折射率逐渐变化。

请参照图4，其为本申请一实施例示出的半导体激光器的波导结构100的基模的光场分布示意图。半导体激光器的波导结构100由于刻蚀沟槽151和脊波导152的折射率对比，形成光场模式。其中，本实施例的半导体激光器的波导结构100具有任意槽宽的刻蚀沟槽151，且本实施例根据光学模式计算模拟得出基模的光场分布，并通过基模光场等高线200示出。基模光场等高线200被限制在脊波导152中，并未耦合到层本体153。故本实施例中，基模在脊波导152以外的光场分布都在上限制层140以下。

请参照图5，其为本申请一实施例示出的半导体激光器的波导结构100的一阶模式的光场分布示意图。本实施例中，刻蚀沟槽151的槽顶宽度w1和槽底宽度w2均为2μm，脊波导152的宽度w3为4μm，脊波导152的厚度为1μm。且本实施例根据光学模式计算模拟得出一阶模式的光场分布，并通过一阶模式光场等高线300示出。一阶模式光场等高线300部分除了限制在脊波导152中，还耦合到了左右两端的层本体153。故本实施例中，由于一阶模式的光场泄露到层本体153的重掺杂p型材料中，层本体153的重掺杂p型材料对光有很强的吸收作用，从而导致一阶模式的损耗增大，激射阈值增高。同时更高阶模式相对于一阶模式会更容易耦合到层本体153中，损耗会更大。

在达到“刻蚀沟槽151的足够窄”的耦合条件时，且由于一阶模式的模场分布比基模更宽，一阶模式光场等高线300才会耦合到层本体153中。如果刻蚀沟槽151太宽，超过一阶模式的模场尺寸，则无法耦合到层本体153，如果刻蚀沟槽151太窄，不仅加工难度较高，且因为光波长会泄露，过窄的刻蚀沟槽151无法限制光场模式。因此，本实施例采用了极窄的2μm的刻蚀沟槽151，高阶模式的损耗增大了，而基模并没有影响，高阶模式的阈值从而会增大，不容易激射，基模激射会更稳定，提高了输出光功率的kink-free功率。

请参照图6，其为本申请一实施例示出的半导体激光器的波导结构100的结构示意图。刻蚀沟槽151的内底面上设有光吸收件160。光吸收件160可以作为用于吸收光的损耗层。

由于高阶模式会扩展到光吸收件160，则高阶模的吸收损耗会增大，进而增大其激射阈值，间接使基模稳定激射。故本实施例通过在刻蚀沟槽151的内底面上设置光吸收件160，加大了对高阶模的损耗，从而可以抑制高阶模的激射。

半导体激光器的波导结构100还具有如下尺寸：w4-表示光吸收件160的宽度；t2-表示光吸收件160的厚度；hd1-表示间隔161的大小。

为避免基模损耗，光吸收件160与脊波导152之间留有间隔161，间隔161的大小hd1为光吸收件160距离脊波导152的水平距离，间隔161的大小hd1为0.5-5μm。

在设有光吸收件160的情况下，高阶模式耦合到上限制层140或者脊形成层150的耦合条件转变为“间隔161的大小hd1达到预设值”，而与“刻蚀沟槽151的槽宽”以及“光吸收件160的宽度w4”无关。因此，刻蚀沟槽151槽底宽度w2和槽顶宽度w1可以是任意值(即可以在0.5-5μm的范围内，也可以在0.5-5μm的范围外，例如，大于5μm)，光吸收件160的宽度w4也可以是任意值(即可以在0.5-5μm的范围内，也可以在0.5-5μm的范围外)，仅需保证间隔161的大小hd1在预设值范围内即可。

其中，根据相同的原理，间隔161的大小hd1的预设值范围为0.5-5μm。若间隔161的大小hd1为0，即不存在间隔161，则基模将存在损耗；若间隔161的大小hd1小于0.5μm，则不仅加工难度较高，且因为光波长会泄露，无法限制光场模式；若间隔161的大小hd1大于5μm，则高阶模式无法耦合进光吸收件160，从而无法抑制高阶模式；因此根据光学模式计算模拟，间隔161的大小hd1为0.5-5μm是个较为合适的范围。

光吸收件160的厚度t2小于或者等于刻蚀沟槽151的槽深d1。为利于加工，光吸收件160的厚度t2大于0.05μm。于一实施例中，刻蚀沟槽151的槽深d1为0.5-2μm，光吸收件160的厚度t2为0.5-2μm。于一实施例中，刻蚀沟槽151的槽深d1为0.5-1μm，所述光吸收件的厚度为0.05-0.5μm。

于一实施例中，光吸收件160的宽度w4可以根据需要进行设计。其中，由于光吸收件160设于刻蚀沟槽151的内底面上，则光吸收件160的宽度w4小于或者等于刻蚀沟槽151内底面的宽度w2。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。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。