超对称半导体激光器及其应用

1.本公开涉及半导体激光器领域，具体地，涉及一种超对称半导体激光器及其应用。


背景技术：

2.半导体激光器的电光转换效率高，光束相干性好，并且体积小。因而，半导体激光器常用于固体激光器和光线激光器的泵浦、光线耦合和材料加工等方面。
3.然而，传统的半导体激光器的外延结构，一方面由于半导体激光器在外延方向上具有较小的几何尺寸，因此半导体激光器的基横模近场尺寸较小，对应的垂直远场发散角就会较大，不利于半导体激光器和光学元件之间的光耦合，需要昂贵的外部光束整形系统；另一方面，传统的半导体激光器在外延方向上缺少调控光学模式的微结构，导致其模式特性不稳定，其光学特性容易受到注入载流子浓度变化和温度变化的影响，不利于系统的稳定工作。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本公开提供了一种超对称半导体激光器及其应用，以解决上述以及其他方面的至少一种技术问题。
5.为了实现上述目的，本公开的一个方面，提供了一种超对称半导体激光器，包括：主阵列，主阵列的至少一部分的波导层具有有源区，以提供增益促使基横模激射；以及超配对阵列，设置于主阵列旁侧，由超对称变换得到超配对阵列，超配对阵列的波导层为无源区，以产生损耗并耗散高阶横模；其中，超对称变换可从超配对阵列中滤除主阵列的基横模所对应的本征值，而保留主阵列的至少一部分高阶横模的本征值，主阵列和超配对阵列相互耦合，在外延方向上形成超对称半导体激光器，实现以基横模为主的激光输出。
6.根据本公开的实施例，超对称半导体激光器，还包括：n型侧电极，被构造成为激光器提供电注入通道；n型衬底层，设置于n型侧电极上，以支撑半导体芯片；n型限制层，设置于n型衬底层和主阵列与超配对阵列构成的耦合阵列之间，以限制光场的扩展；第一限制层，设置于主阵列和超配对阵列之间，以连接主阵列和超配对阵列；p型限制层，设置于主阵列与超配对阵列构成的耦合阵列之上，并形成有凸台，以限制光场的扩展；p型接触层，设置于p型限制层的凸台上；p侧绝缘层，设置于p型限制层和部分p型接触层上，在p型接触层上形成电极窗口，以限制电流的注入范围；p型侧电极，设置于p型绝缘层和p型接触层上，被构造成为激光器提供电注入通道，并和p型接触层形成欧姆接触。
7.根据本公开的实施例，主阵列包括：多层第一波导层，用于相互耦合并产生不同超模；多层第二限制层，每个第二限制层设置于相邻的两层第一波导层之间，以分隔第一波导层；以及芯层，设置于接触p型限制层的第一波导层的中间或部分第一波导层中间，芯层未掺杂且具有有源区，以复合载流子和产生光子。
8.根据本公开的实施例，超配对阵列包括：多层第二波导层，以耦合主阵列中的高阶横模；以及第三限制层，设置于相邻的两层第二波导层之间，以分隔开超配对阵列中的第二
波导层。
9.根据本公开的实施例，超配对阵列的数目和在外延方向上的位置是可以变化的，包括：超配对阵列位于半导体激光器的n型侧、位于半导体激光器的p型侧、同时位于n型侧和p型侧。
10.根据本公开的实施例，主阵列的第一波导层数目为n0个；超配对阵列的第二波导层数目为n1个，并由主阵列的超对称变换得到；其中，n0和n1均为大于等于1的正整数。
11.根据本公开的实施例，超对称变换采用qr分解，其中，q为一个正交矩阵，r为一个上三角矩阵；超对称变换过程使用的耦合模理论为紧束缚模型。
12.根据本公开的实施例，超对称变换过程包括：步骤s1：根据矩阵变换qr＝h
0-βi，求取矩阵q和r，其中，h0为主阵列的哈密顿量，βi为某个需要从超配对阵列滤除的主阵列的本征值；步骤s2：根据矩阵变换h1＝[rq+βi]
n-1
求得超配对阵列的哈密顿量h1，其中h1为超配对阵列的哈密顿量，n-1表示取所求矩阵的前n-1行和n-1列；步骤s3：根据h1的矩阵元求得超配对阵列的第二波导层的宽度和波导层之间的间距；其中，h0为一个三对角矩阵，h0的矩阵元由主阵列的第一波导层的宽度、波导间距和折射率分布所决定；所述超对称变换可连续实行多次，以从超配对阵列中滤除主阵列中的多个本征值。
[0013]
根据本公开的实施例，超对称半导体激光器的泵浦方式为电注入。
[0014]
根据本公开的实施例，超对称半导体激光器在半导体激光器领域中应用。
[0015]
根据本公开的上述实施例的一种超对称半导体激光器及其应用，通过利用超对称变换构建已知主阵列的超配对阵列，并使得两者相互耦合，使得高阶横模的损耗提升而减小基横模的损耗，从而在激光器的外延方向上获得以基横模为主的激光输出，减小激光器的垂直远场发散角，提高激光器的横向光束质量。
附图说明
[0016]
图1是本公开实施例的超对称半导体激光器的剖视图；
[0017]
图2a-图2e是图1所示的超对称半导体激光器的不同超模的电场分布图；
[0018]
图3是图1所示的超对称半导体激光器的不同超模的光限制因子和传播常数的分布图；
[0019]
图4是本公开另一实施例的超对称半导体激光器的剖视图；
[0020]
图5a-图5f是图4所示的超对称半导体激光器的不同超模的电场分布图；以及
[0021]
图6是图4所示的超对称半导体激光器的不同超模的光限制因子和传播常数的分布图。
[0022]
附图标记说明
[0023]
1 主阵列
[0024]
11 第一波导层
[0025]
12 第二限制层
[0026]
13 芯层
[0027]
2 超配对阵列
[0028]
21 第二波导层
[0029]
22 第三限制层
[0030]
3 n型侧
[0031]
31 n型侧电极
[0032]
32 n型衬底层
[0033]
33 n型限制层
[0034]
4 第一限制层
[0035]
5 p型侧
[0036]
51 p型限制层
[0037]
52 p型接触层
[0038]
53 p侧绝缘层
[0039]
54 p型侧电极
具体实施方式
[0040]
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
[0041]
传统的半导体激光器的外延结构，在外延方向上具有较小的几何尺寸，因而激光器的基横模近场尺寸较小，对应的垂直远场发散角就会较大，不利于激光器和光学元件之间的光耦合，需要昂贵的外部光束整形系统；且传统的半导体激光器在外延方向上缺少调控光学模式的微结构，导致其模式特性不稳定，其光学特性容易受到注入载流子浓度变化和温度变化的影响，不利于系统的稳定工作。
[0042]
为此，根据本公开的一个方面的总体上的发明构思，提供一种超对称半导体激光器，包括：主阵列，主阵列的至少一部分的波导层具有有源区，以提供增益促使基横模激射；以及超配对阵列，设置于主阵列旁侧，由超对称变换得到超配对阵列，超配对阵列的波导层为无源区，以产生损耗并耗散高阶横模；其中，超对称变换可从超配对阵列中滤除主阵列的基横模所对应的本征值，而保留主阵列的至少一部分高阶横模的本征值，主阵列和超配对阵列相互耦合，在外延方向上形成超对称半导体激光器，实现以基横模为主的激光输出。
[0043]
根据本公开的另一个方面的总体上的发明构思，提供一种超对称半导体激光器在半导体激光器领域中应用。
[0044]
上述用于超对称半导体激光器及其应用中，通过利用超对称变换构建已知主阵列的超配对阵列，并使得两者相互耦合，使得高阶横模的损耗提升而减小基横模的损耗，从而在激光器的外延方向上获得以基横模为主的激光输出，减小激光器的垂直远场发散角，提高激光器的横向光束质量。
[0045]
以下列举具体实施例来对本公开的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本公开。
[0046]
图1是本公开实施例的超对称半导体激光器的剖视图。
[0047]
如图1所示，本公开提供了一种超对称半导体激光器，包括：主阵列1和超配对阵列2，其中，主阵列1的至少一部分的波导层具有有源区，以提供增益促使基横模激射；设置于主阵列下的超配对阵列2，由超对称变换得到超配对阵列2，超配对阵列2的波导层为无源区，以产生损耗并耗散高阶横模。其中，超对称变换可从超配对阵列2中滤除主阵列1的基横模所对应的本征值，而保留主阵列1的至少一部分高阶横模的本征值，主阵列1和超配对阵
列2相互耦合，在外延方向上形成超对称半导体激光器，实现以基横模为主的激光输出。
[0048]
根据本公开的实施例，超对称半导体激光器还包括：被构造成为激光器提供电注入通道的n型侧电极31；设置于n型侧电极31上的n型衬底层32，用于支撑半导体芯片；设置于n型衬底层32和所述主阵列1与所述超配对阵列2构成的耦合阵列之间的n型限制层33，用于限制光场的扩展；设置于主阵列1和超配对阵列2之间的第一限制层4，用于连接主阵列1和超配对阵列2；设置于主阵列1与超配对阵列2构成的耦合阵列之上的p型限制层51，并且p型限制层51形成有凸台，用于限制光场的扩展；设置于p型限制层51的凸台上的p型接触层52；设置于p型限制层51和部分p型接触层52上的p型绝缘层53，在p型接触层52上形成电极窗口，用于限制电流的注入范围；设置于p型绝缘层53和p型接触层52上的p型侧电极54，用于为激光器提供电注入通道，同时p型侧电极54和p型接触层52形成欧姆接触。
[0049]
根据本公开的实施例，第一限制层4的掺杂类型由其所在半导体激光器外延上的位置所决定。
[0050]
根据本公开的实施例，主阵列1包括：多层第一波导层11、多层第二限制层12和芯层13，其中，第一波导层11用于相互耦合并产生不同超模；第二限制层12中每个第二限制层12设置于相邻的两层第一波导层11之间，以分隔第一波导层11；芯层13则位于接触p型限制层51的第一波导层11的中间或部分第一波导层11中间，芯层13为未掺杂且具有有源区，用于复合载流子和产生光子。
[0051]
根据本公开的实施例，第一波导层11和第二限制层12的掺杂类型由半导体激光器的有源区的位置和有源区的组数共同决定。
[0052]
根据本公开的实施例，芯层13中的有源区包括：量子阱或量子点。
[0053]
根据本公开的实施例，超配对阵列2包括多层第二波导层21和第三限制层22，其中，第二波导层21用于耦合主阵列1中的高阶横模；第三限制层21则设置于相邻的两层第二波导层21之间，用于分隔开超配对阵列2中的第二波导层21。
[0054]
根据本公开的实施例，第二波导层21和第三限制层22的掺杂类型由其所在半导体激光器外延上的位置所决定。
[0055]
根据本公开的实施例，超配对阵列2的数目和在外延方向上的位置是可以变化的，包括：超配对阵列2位于半导体激光器的n型侧3、位于半导体激光器的p型侧5、同时位于n型侧3和p型侧5。
[0056]
根据本公开的实施例，主阵列1的第一波导层11数目为n0个；超配对阵列2的第二波导层21数目为n1个，并由主阵列1的超对称变换得到；其中，n0和n1均为大于等于1的正整数。上述的超对称变换会从超配对阵列2中滤除主阵列1的基横模所对应的本征值，而保留主阵列1的所有或者部分高阶横模的本征值。
[0057]
根据本公开的实施例，超对称变换采用qr分解，其中，q为一个正交矩阵，r为一个上三角矩阵。超对称变换过程使用的耦合模理论为紧束缚模型，即只考虑近邻波导间的耦合。
[0058]
根据本公开的实施例，超对称变换过程包括：步骤s1：根据矩阵变换qr＝h
0-βi，求取矩阵q和r，其中，h0为主阵列1的哈密顿量，βi为某个需要从超配对阵列中滤除的主阵列的本征值；步骤s2：根据矩阵变换h1＝[rq+βi]
n-1
求得超配对阵列的哈密顿量h1，其中h1为超配对阵列2的哈密顿量，n-1表示取所求矩阵的前n-1行和n-1列；步骤s3：根据h1的矩阵元求得
超配对阵列2的第二波导层21的宽度和波导层之间的间距。其中，步骤s1中的h0为一个三对角矩阵，h0的矩阵元由主阵列1的第一波导层11的宽度、波导间距和折射率分布所决定。步骤s2中的超对称变换可连续实行多次，以从超配对阵列2中滤除主阵列1中的多个本征值。
[0059]
根据本公开的实施例，主阵列1第一波导层11的宽度、波导层之间的间距、主阵列1的折射率分布，确定第一波导层11中每个波导层的传播常数和第一波导层11之间的耦合常数；利用连续的超对称变换求取超配对阵列2的第二波导层21的传播常数和第二波导层21之间耦合常数，进而确定第二波导层21中每个波导层的宽度和波导层之间的间距。利用超对称变换构建已知主阵列1的超配对阵列2，并使得两者相互耦合，使得高阶横模的损耗提升而减小基横模的损耗，从而获得以基横模为主的激光输出，减小激光器的垂直远场发散角，提高激光器的横向光束质量。
[0060]
根据本公开的实施例，超对称变换可连续施行多次，即是高阶的超对称变换，以从超配对阵列2中滤除主阵列1中的多个本征值。例如可以对矩阵h1再进行一次超对称变换以再一次滤除主阵列1的另外一个模式的本征值。
[0061]
根据本公开的实施例，超对称变换为一阶或高阶的超对称变换，通过超对称变换能够在超配对阵列2中滤除主阵列1的基横模所对应的本征值。
[0062]
根据本公开的实施例，超对称半导体激光器的泵浦方式为电注入。
[0063]
根据本公开的实施例，超对称半导体激光器在半导体激光器领域中应用。
[0064]
根据本公开的实施例，上述的n型衬底层32、n型限制层33、主阵列1中的第一波导层11和第二限制层12与超配对阵列2中的第二波导层21和第三限制层22、第一限制层4、芯层13、p型限制层51和p型接触层52均为半导体材料。
[0065]
根据本公开的实施例，超对称半导体激光器采用薄膜生长、外延生长、曝光、腐蚀等半导体加工工艺制作，不需要特殊的工艺。
[0066]
如图1所示的实施例中，通过连续的两次超对称变换构建了主阵列1的超配对阵列2，该超配对阵列2能够耦合主阵列1的高阶横模而限制主阵列1基横模的扩展。
[0067]
参照图1，n型衬底层32的厚度为150μm，折射率为3.5255；n型限制层33的厚度为1μm，折射率为3.3625。
[0068]
超配对阵列2中的第二波导层21共两层波导层，厚度依次为0.525μm、0.587μm，折射率均为3.418；第三限制层22的厚度为0.274μm，折射率为3.3625。
[0069]
第一限制层4的厚度为0.2μm，折射率为3.3625。
[0070]
主阵列1中的第一波导层11共四层波导层，厚度依次为0.45μm、0.45μm、0.45μm、0.6μm，折射率均为3.418；第二限制层12共三层，厚度均为0.2μm，折射率均为3.3625；芯层13的厚度为0.044μm，等效折射率为3.5533。
[0071]
p型限制层51的厚度为1.25μm，折射率为3.3063；p型接触层52的厚度为0.15μm，折射率为3.5255。
[0072]
图2a-图2e是图1所示的超对称半导体激光器的不同超模的电场分布图；图3是图1所示的超对称半导体激光器的不同超模的光限制因子和传播常数的分布图。
[0073]
如图2a-图2e所示，图2中每个子图的横坐标代表外延方向x上的空间位置，单位为μm；对应的纵坐标为电场大小。图2a-图2d中的高阶横模均扩展到了超配对阵列2中，而图2e中的基横模在超配对阵列2中扩展得则很少。因此，耦合得到的超对称半导体激光器的基横
模在有源区的限制因子最大，对应于图3中的黑色箭头所指的数据点，而其余数据点对应于高阶横模的限制因子。
[0074]
如图3所示，横坐标代表各个模式的传播常数，单位为μm-1
；纵坐标为不同模式的限制因子。基于上述耦合得到的超对称半导体激光器的基横模在有源区的限制因子最大，对此超对称半导体激光器进行电注入时，基横模就会获得最大的增益而其余高阶横模获得的增益小，所以基横模优先激射，激光器的垂直远场为单瓣分布，输出激光的横向光束质量高。此外，外延方向上的波导结构具有的折射率差大，激光器的性能随着温度和载流子浓度的变化不大。
[0075]
图4是本公开另一实施例的超对称半导体激光器的剖视图。
[0076]
如图4所示，本实施例中超配对阵列2是通过对主阵列1的哈密顿量进行了一次超对称变换得到的，且主阵列1每个第一波导层中均具有芯层。
[0077]
根据本公开的实施例，参照图4，n型衬底层32的厚度为150μm，折射率为3.5255；n型限制层33的厚度为1μm，折射率为3.3625。
[0078]
超配对阵列2中的第二波导层21共两层波导层，厚度依次为0.876μm、0.782μm，折射率均为3.418；第三限制层22的厚度为0.667μm，折射率为3.3625。
[0079]
第一限制层4的厚度为0.82μm，折射率为3.3625。
[0080]
主阵列1中的第一波导层11共三层波导层，厚度依次为0.52μm、0.48μm、0.6μm，折射率均为3.418；第二限制层12共两层，厚度依次为0.75μm、0.65μm，折射率均为3.3625；芯层13共三层，厚度均为0.044μm，等效折射率为3.5533。
[0081]
p型限制层51的厚度为1.25μm，折射率为3.3063；p型接触层52的厚度为0.15μm，折射率为3.5255。
[0082]
图5a-图5f是图4所示的超对称半导体激光器的不同超模的电场分布图；图6是图4所示的超对称半导体激光器的不同超模的光限制因子和传播常数的分布图。
[0083]
如图5a-图5f所示，图5每个子图的横坐标代表外延方向x上的空间位置，单位为μm；对应的纵坐标为电场大小。通过一次超对称变换构建了主阵列1的超配对阵列，该超配对阵列2能够耦合主阵列1的高阶横模而限制主阵列1基横模的扩展。图5a-图5e中的高阶模式均扩展到了超配对阵列2中，而图5f中的基横模在超配对阵列中扩展得很少。因此，耦合得到的超对称激光器的基横模在有源区的限制因子最大，对应于图6中的黑色箭头所指的数据点，而其余数据点对应于高阶横模的限制因子。
[0084]
如图6所示，横坐标代表各个模式的传播常数，单位为μm-1
；纵坐标为不同模式的限制因子。主阵列1的第二限制层12包含有隧道结，将主阵列1的各个波导层连接在一起。对此超对称半导体激光器进行电注入时，基横模就会获得最大的增益而其余高阶横模获得的增益小，所以基横模会优先激射，激光器的垂直远场为单瓣分布，输出激光的横向光束质量高。此外，外延方向上的波导结构具有的折射率差大，激光器的性能随着温度和载流子浓度的变化不大。最后，多组有源区同时激射，以提高激光器的输出功率。
[0085]
根据本公开的上述实施例的用于超对称半导体激光器及其应用中，通过主阵列第一波导层的宽度、波导层之间的间距、主阵列的折射率分布，确定第一波导层中每个波导层的传播常数和第一波导层之间的耦合常数；利用连续的超对称变换求取超配对阵列的第二波导层的传播常数和第二波导层之间耦合常数，进而确定第二波导层中每个波导层的宽度
和波导层之间的间距。利用超对称变换构建已知主阵列的超配对阵列，并使得两者相互耦合，使得高阶横模的损耗提升而减小基横模的损耗，从而在激光器的外延方向上获得以基横模为主的激光输出，减小激光器的垂直远场发散角，提高激光器的横向光束质量。
[0086]
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
[0087]
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
[0088]
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
[0089]
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。