基于超对称性的锥形半导体激光器及其制备方法

1.本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种基于超对称性的锥形半导体激光器及其制备方法。


背景技术：

2.高功率高光束质量的半导体激光器是国防和工业领域不可或缺的装备技术，且在医疗、通讯、激光雷达等技术领域也有着重要应用。实现高功率近衍射极限的半导体激光器的主要难点在于：高功率工作时波导内的空间模式复杂、模式稳定性差、光束整形系统复杂，这严重限制了输出功率的提高，制约了应用范围的扩大，无法满足新一代小体积、高性能、高可靠性光源泵浦源的需求。因此，如何在提高输出功率的同时，实现对光束质量的调控，成为高功率半导体激光器领域亟待解决的核心难题。
3.目前通常采用单片集成的主控振荡功率放大器来实现高功率近衍射极限的激射。锥形半导体激光器包括一个脊形波导区和一个锥形波导增益区。脊形波导区作为低功率输出的主控振荡激光器，其主要作用是提供基模振荡的输出光。锥形波段增益区的主要作用是对脊形波导区产生的基模光进行功率放大，由此实现高功率近衍射极限的输出。锥形半导体激光器存在的问题是：当功率增大到一定程度时，进一步增加注入电流将诱发如自聚焦效应、光丝效应等非线性效应，在锥形波导增益区内产生复杂的高阶模式，致使近场光斑分布不均匀，光束质量急剧下降，进而限制了锥形半导体激光器输出功率的进一步提高；严重地还会引发腔面光学灾变损伤，导致器件失效。
4.为解决高功率半导体激光器的光场模式问题，提高器件的光束质量，目前常采用的方法有：在脊形波导的两侧引入刻蚀透过有源区的光泄漏槽，以泄漏从出光腔面返回至脊形波导区的高阶模式，实现滤除腔内高阶模式的目的；在主波导上构造图形化剪裁结构以泄露高阶模式。此外，制造具有复杂工艺和高昂成本的光子晶体或在脊形波导区引入微纳光栅也可在一定程度上提高器件的光束质量。对于器件在高功率输出下的腔面光学灾变损伤问题，可通过二次外延构造非吸收窗口，提高腔面光学灾变损伤阈值，提高器件的稳定性和可靠性。
5.在上述常用的方法中，位于脊形波导两侧的光泄漏槽距离脊形波导较近，且刻蚀需透过有源层，图形化损耗剪裁结构则位于主波导结构上，这两种方案对波导结构有一定程度的破坏，在滤除高阶模式的同时，对基模也有损耗，且当功率较大、波导内的光场模式较多时，选模作用变弱，仍会在波导内产生高阶模式，因此这两种方案是损耗较高、成品率较低、稳定性较低的方法。光子晶体、微纳光栅、非吸收窗口等方法属于间接性提高器件的光束质量，并没有从本质上对光场模式进行调控，且工艺难度大、成本高昂。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种基于超对称性的锥形半导体激光器及其制备方法，基于超对称理论，采用与锥形增益波导高阶模式相位匹配的超对称
伴子损耗波导，湮灭锥形增益波导内产生的高阶模式，提高基模光强度，提高锥形器件的光束质量，增大锥形器件的腔面灾变性损伤阈值，获得均匀的近场光强分布，实现稳定的高功率近衍射极限的激光输出。
7.为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
8.本发明提供的基于超对称性的锥形半导体激光器，包括：量子外延片基底，在量子外延片基底上制备形成脊形波导、与脊形波导首尾相接的锥形增益波导和位于锥形增益波导两侧的超对称伴子损耗波导；其中，脊形波导用于产生近衍射极限的基模光；锥形增益波导用于对基模光进行放大；超对称伴子损耗波导与锥形增益波导的相位模式相匹配，形成超对称耦合，用于湮灭锥形增益波导中的高阶模式。
9.优选地，脊形波导的宽度为2μm-6μm。
10.优选地，锥形增益波导的锥角为1
°‑6°
。
11.优选地，超对称伴子损耗波导为波导阵列。
12.优选地，在脊形波导的端面上镀制高反膜形成后腔面，用于将抵达后腔面的激光反射回脊形波导；在锥形增益波导的端面镀制增透膜形成前腔面，用于对经锥形增益波导放大后的激光进行激射。
13.本发明提供的基于超对称性的锥形半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：
14.s1、制备量子外延片基底；
15.s2、在量子外延片基底上制备形成脊形波导、与脊形波导首尾相接的锥形增益波导和位于锥形增益波导两侧的超对称伴子损耗波导；其中，脊形波导用于产生近衍射极限的基模光；锥形增益波导用于对基模光进行放大；超对称伴子损耗波导与锥形增益波导的相位模式相匹配，形成超对称耦合，用于湮灭锥形增益波导中的高阶模式。
16.优选地，步骤s1具体包括如下步骤：
17.在n型衬底层上依次沉积生长n型包层、n型波导层、有源层、p型波导层、p型包层和p型高掺杂盖层，形成量子外延片基底。
18.优选地，步骤s2具体包括如下步骤：
19.s21、从p型高掺杂盖层向下刻蚀至p型波导层形成脊形波导，以及从p型高掺杂盖层向下刻蚀至p型高掺杂盖层与p型包层的交界面，形成锥形增益波导；
20.s22、在锥形增益波导的两侧从p型高掺杂盖层向下刻蚀至p型波导层形成超对称伴子波导，并在超对称伴子波导内引入损耗形成超对称伴子损耗波导。
21.优选地，在步骤s2之后，还包括如下步骤：
22.s3、在p型高掺杂盖层的顶面沉积制作p面金属电极，以及在n型衬底层的底面沉积制作n面金属电极；
23.s4、在脊形波导的端面上镀制高反膜形成后腔面，以及在锥形增益波导的端面镀制增透膜形成前腔面。
24.优选地，通过电隔离、反向偏压或离子注入的方式在超对称伴子波导内引入损耗形成超对称伴子损耗波导。
25.本发明能够取得如下技术效果：
26.1、高功率近衍射极限输出：本发明基于高能物理中的超对称性原理，利用超对称性耦合效应从原理上改善锥形半导体激光器高注入电流下的光束质量恶化现象。利用超对
称性耦合效应滤除锥形增益波段内的高阶模式，抑制非线性效应的产生，优化锥形半导体激光器的光束质量，提高锥形半导体激光器的输出功率和功率稳定性，实现锥形半导体激光器高功率近衍射极限的激光输出；
27.2、均匀的光场分布：本发明有效改善锥形半导体激光器输出光端面的近场分布和远场分布的均匀性，有效降低空间烧孔效应，增大锥形半导体激光器的腔面光学灾变性损伤阈值，有益于实现高性能高可靠性的激光光源；
28.3、本发明所涉及的微米量级结构可通过刻蚀工艺制作完成，相比于微纳光栅、光子晶体、非吸收窗口等纳米量级的工艺技术和二次外延技术，具有工艺容差大、工艺简单、成本低的优势，适用于大规模商业生产；
29.4、本发明仅在锥形增益波导的两侧构建超对称伴子损耗波导，通过光波耦合的方式滤除高阶模式，不破坏有源区及锥形增益波导结构，能量损耗低，器件稳定性高，成品率高，适合应用在如军事、工业等领域高品质要求的产品上，可避免由破坏波导附近有源区的光泄漏槽以及图形化波导结构等方法引入的高损耗和低稳定性，且锥形激光器的波导结构有更大的设计空间；
30.5、本发明通过调控锥形增益波导和超对称伴子损耗波导的空间分布优化光场模式，可以采用单片电极及常规腔面膜，可避免由分离电极等图形化电极结构及高质量腔面光学膜增加的技术难度与工艺成本；
31.6、本发明可以实现高功率近衍射极限的半导体激光单管或者线阵输出，也可作为泵浦光源应用于其他半导体激光器。
附图说明
32.图1是根据本发明实施例提供的基于超对称性的锥形半导体激光器的结构示意图；
33.图2是根据本发明实施例提供的基于超对称性的锥形半导体激光器的制备方法的流程示意图；
34.图3是根据本发明实施例提供的基于超对称性的锥形半导体激光器的光场分布仿真结果示意图。
35.其中的附图标记包括：量子外延片基底1、脊形波导2、锥形增益波导3、超对称伴子损耗波导4、后腔面5、前腔面6。
具体实施方式
36.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
38.基于锥形半导体激光器目前存在的问题及现有方案的劣势，本发明提出一种基于超对称性的锥形半导体激光器及其制备方法，基于高能物理中的超对称性原理，通过在锥
形增益波导两侧构建与锥形增益波导内高阶模式相位匹配的超对称伴子损耗波导，利用超对称性耦合效应滤除锥形增益波导内的高阶模式，增大基模光强度，提高锥形半导体激光器在高功率工作时的光场模式稳定性、光场分布均匀性，抑制由此引发的光学灾变性损伤和由高功率下的复杂空间模式导致的光束质量下降，使器件能够实现高输出功率下稳定的基横模激射，实现锥形半导体激光器高功率近衍射极限的激光输出的有益效果。且基于超对称伴子损耗波导结构的锥形半导体激光器通过i线光刻和刻蚀的方法制作，成本和加工难度较低，从而解决现有的锥形半导体激光高损耗、结构精密、工艺复杂、成本高昂、难以实用化等问题。
39.图1示出了根据本发明实施例提供的基于超对称性的锥形半导体激光器的结构。
40.如图1所示，本发明实施例提供的基于超对称性的锥形半导体激光器，包括量子外延片基底1、脊形波导2、锥形增益波导3、超对称伴子损耗波导4、后腔面5和前腔面6；其中，脊形波导2、锥形增益波导3、超对称伴子损耗波导4分别制备在量子外延片基底1上，脊形波导2与锥形增益波导3首尾相接，超对称伴子损耗波导4位于锥形增益波导3的两侧。脊形波导2用于产生近衍射极限的基模光。锥形增益波段3用于将脊形波导2出射的近衍射极限的基模光进行放大。超对称伴子损耗波导4与锥形增益波导3的相位模式匹配，形成超对称耦合，用于湮灭锥形增益波导3内产生的高阶模式，实现基模光的高功率近衍射极限的输出。
41.量子外延片基底1包括自上而下依次制备而成的p面金属电极、p型高掺杂盖层、p型包层、p型波导层、有源层、n型波导层、n型包层、n型衬底层和n面金属电极。
42.基于超对称性的锥形半导体激光器的波导结构均由部分p型波导层、p型包层、p型高掺杂盖层和p面金属电极构成，即在量子外延片基底1的表面单片集成脊形波导2、锥形增益波导3和超对称伴子损耗波导4结构。
43.后腔面5与前腔面6构成激光振荡所需的谐振腔，后腔面5位于脊形波导2的端面，通过镀制高反膜形成，对激光波长的反射率为95％-99.95％，用于将抵达后腔面5的激光反射回脊形波导2；前腔面6位于锥形增益波导3的端面，通过镀制增透膜形成，对激光波长的反射率为0.01％-2％，用于对经锥形增益波导3放大后的激光进行激射。
44.锥形增益波导3的两侧设置有若干超对称伴子损耗波导4，超对称伴子损耗波导4与锥形增益波导3内的高阶模式的相位相匹配，形成超对称耦合。当注入电流增大时，锥形增益波导3内的光子密度增加，光子与载流子之间的相互作用使得在锥形增益波导3内产生高阶模式，当锥形增益波导3内产生的高阶模式与超对称伴子损耗波导4的光相位模式完美匹配时，将发生超对称耦合，以此湮灭锥形增益波导3内的高阶模式，有且仅有基模光在锥形增益波导3内传播并得以放大，从而获得均匀的近场光强分布，提高出光腔面光学灾变性损伤阈值，实现高功率近衍射极限的输出。
45.在本发明的一个具体示例中，脊形波导2的宽度为2μm-6μm；锥形增益波导3的锥角为1
°‑6°
；超对称伴子损耗波导4的形状为条状，超对称伴子损耗波导4宽度为2μm-6μm，超对称伴子损耗波导为位于锥形增益波导3两侧的波导阵列，其光相位模式与增益波导的高阶模式完美匹配。
46.本发明中主波导的高阶模式来源于锥形增益波导，锥形增益波导3内的光学模式随着与脊型波导2连接的锥区入口至激光出射腔面变化而逐渐变化，因此高阶模式是动态变化的，超对称伴子损耗波导4滤除锥形增益波导3产生的高阶模式属于动态滤波过程。由
此可见，超对称伴子损耗波导4能够滤除主波导动态变化的高阶模式，实现锥形增益波导中动态多模产生的抑制和光场均匀化处理，以此改善锥形半导体激光器在高功率工作时光束质量恶化问题，提高锥形半导体激光器的基模输出功率。
47.上述内容详细说明了本发明实施例提供的基于超对称性的锥形半导体激光器的结构，与该基于超对称性的锥形半导体激光器相对应，本发明实施例还提供一种基于超对称性的锥形半导体激光器的制备方法。
48.图2示出了根据本发明实施例提供的基于超对称性的锥形半导体激光器的制备方法的流程。
49.如图2所示，本发明实施例提供的基于超对称性的锥形半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：
50.s1、制备量子外延片基底。
51.量子外延片基底的材料体系为algaas/ingaas/gaas，激射光波长为980nm，但不限于上述材料和激射光波长。
52.量子外延片基底是通过金属有机化合物气相沉积(mocvd)技术生长在n型掺杂的衬底上，沿垂直于波导方向量子外延片基底自上而下依次为p面金属电极、p型高掺杂盖层、p型包层、p型波导层、有源层、n型波导层、n型包层、n型衬底层和n面金属电极。
53.s2、在量子外延片基底上制备形成脊形波导、与脊形波导首尾相接的锥形增益波导和位于锥形增益波导两侧的超对称伴子损耗波导；其中，脊形波导用于产生近衍射极限的基模光；锥形增益波导用于对基模光进行放大；超对称伴子损耗波导与锥形增益波导的相位模式相匹配，形成超对称耦合，用于湮灭锥形增益波导中的高阶模式。
54.步骤s2具体包括如下步骤：
55.s21、沿量子外延片基底的生长方向从p型高掺杂盖层向下刻蚀至p型波导层形成脊形波导，以及沿量子外延片基底的生长方向从p型高掺杂盖层向下刻蚀至p型高掺杂盖层与p型包层的交界面，形成锥形增益波导。
56.s22、在锥形增益波导的两侧从p型高掺杂盖层向下刻蚀至p型波导层形成超对称伴子波导，并在超对称伴子波导内引入损耗形成超对称伴子损耗波导。
57.上述的刻蚀方法采用i线光刻或等离子刻蚀等技术。
58.在超对称伴子波导内引入损耗的方式包括但不局限于电隔离、反向偏压、离子注入等方式。
59.在步骤s2之后，还包括如下步骤：
60.s3、在p型高掺杂盖层的顶面沉积制作p面金属电极，以及在n型衬底层的底面沉积制作n面金属电极。
61.采用金属沉积工艺在p型高掺杂盖层的顶面制作p面金属电极，对n型衬底层减薄、抛光后，采用金属沉积工艺在n型衬底层的底面制作n面金属电极。
62.在制作p面金属电极与n面金属电极之前，采用i线光刻或等离子刻蚀技术制作电极窗口。
63.s4、在脊形波导的端面上镀制高反膜形成后腔面，以及在锥形增益波导的端面镀制增透膜形成前腔面。
64.在单元芯片解离后，完成基于超对称性的锥形半导体激光器的制作。
65.图3示出了根据本发明实施例提供的基于超对称性的锥形半导体激光器的光场分布仿真结果。
66.如图3所示，(a)为锥形半导体激光器的光场分布，(b)引入超对称伴子损耗波导的锥形半导体激光器的光场分布，(c)为锥形半导体激光器沿xz平面的光场分布，(d)为引入超对称伴子损耗波导的锥形半导体激光器沿xz平面的光场分布，(e)为锥形半导体激光器沿xy平面的光场分布，(f)为引入超对称伴子损耗波导的锥形半导体激光器沿xy平面的光场分布。
67.在引入超对称伴子损耗波导之前，出光腔面光场不均匀，存在波动，当注入电流增大时，会出现高阶模式；在锥形增益波导两侧引入超对称伴子损耗波导后，腔面光场分布的均匀性得到改善，能量更平滑更集中，当电流增大时，光束质量没有发生明显恶化。由此可见，引入超对称伴子损耗波导，可滤除高阶模式，且对光场分布的均匀性有改善。经过上述模拟仿真，证明本发明可行有效。
68.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
69.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
70.以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。