一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器的制作方法

本技术属于半导体激光器，涉及一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器。

背景技术：

1、激光雷达在三维感知、勘探测绘、座舱监测、汽车辅助驾驶、机器人或无人机导航等领域具有非常广阔的应用。半导体激光器是激光雷达技术信号发射光源的首选方案，为提高激光雷达系统的探测距离、测距精度及抗干扰能力等性能，需要高脉冲功率、低光束发散角、波长稳定的半导体激光芯片。

2、为实现高脉冲功率激光输出，可采用多结半导体激光器结构，在外延生长中采用n+/p+隧穿结将多个有源区级联。目前商业化器件通常采用非耦合多结激光器结构，各发光区拥有独立的波导层和包层，隧道结附近的光强为零，从而降低损耗。但这种激光器的垂直方向光束尺寸增大几倍，但光束发散角仍很大(与单发光点相同，通常大于30°)，导致垂直方向光束质量变差，不利于光束整形及限制激光雷达探测分辨率。

3、另外，激光雷达系统通常采用窄带滤光片抑制背景光，但这要求输出激光在宽的温度范围内保持在窄的光谱范围内，这可通过单片集成布拉格光栅来实现。但对于传统的非耦合多结激光器，各发光区独立工作，掩埋光栅或表面光栅只对临近的发光点或最上面的发光点产生作用，对其它发光点不起作用，而分别多次制备掩埋光栅、外延生长面临工艺复杂、成本高的问题，难以得到应用。

4、为解决该问题，有研究者提出外延堆叠几个与隧道结交替的有源区，以代替堆叠独立工作的激光二极管。传统的半导体激光器垂直方向采用全反射波导，两个发光区之间距离太近，两个发光区的波导层将耦合为同一模式扩展层，导致近场强的光场与高掺杂隧道结交叠，导致大的载流子吸收损耗，降低激光器功率及效率。若激光器工作在高阶模式，可设置有源区及隧穿结分别位于波峰和波谷处，但这会导致激光器大的远场发散角，通常为多峰结构，光束质量差，不利于激光雷达应用。

5、综上所述，如何提高半导体激光器的脉冲功率和光束质量，同时兼容内置光栅锁定波长技术，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器。用于提高半导体激光器的功率和光束质量。

2、为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

3、一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，从下至上依次包括：衬底、缓冲层、n型包层、n型波导层、级联多有源区、p型波导层、p型包层、盖层，所述n型波导层和所述p型波导层均为高、低折射率层周期交替生长组成的布拉格反射波导；所述级联多有源区包括：多个有源区、多个隧穿结及限制层，所述有源区和所述隧穿结均位于所述限制层内，所述隧穿结位于相邻两个所述有源区之间；所述有源区位于基模近场的波峰位置，所述隧穿结位于基模近场的波谷位置，所有的所述有源区共用同一波导。

4、优先的，所述限制层包括：多个高折射率层和多个低折射率层，所述高折射率层和所述低折射率层交替生长；所述有源区插入在所述限制层的所述高折射率层中，所述隧穿结插入在所述限制层的所述低折射率层中。

5、优先的，每个所述限制层的所述高折射率层的组分和厚度不同；每个所述限制层的所述低折射率层的组分和厚度不同。

6、优先的，所述有源区的个数k≥2，隧穿结的个数为k-1，k为自然数。

7、优先的，所述n型波导层的所述高折射率层与p型波导层的所述高折射率层的组分和厚度不同；n型波导层的所述低折射率层与p型波导层的所述低折射率层的组分和厚度不同；所述p型波导层中高、低折射率层周期对数小于等于n型波导层中高、低折射率层周期对数。

8、优先的，所述p型包层的折射率低于所述n型包层折射率。

9、优先的，所述隧穿结包括：高掺杂浓度的两个导电类型相反材料，所述隧穿结到相邻所述有源区间材料的所述导电类型不同。

10、优先的，所述有源区为单层或多层的量子阱、量子点或量子线。

11、优先的，所述衬底为gaas、inp、gasb和gan中的任意一种。

12、本实用新型提供了一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，通过控制布拉格反射波导及级联多有源区中各层的材料和厚度，使光在布拉格反射波导中高折射率层传输，但在低折射率层渐逝衰减，形成周期振荡型的类高斯分布近场分布，通过增大有源区附近振荡峰幅度差异，使有源区及隧穿结分别位于基模近场的波峰和波谷处，可有效提高光限制因子及降低隧穿结的吸收损耗，获得高功率、低光束发散的激光输出。另外，由于多有源区共用单一垂直波导模式，通过集成光栅可同时实现多有源区输出波长锁定及光谱压窄。

13、本实用新型公开的上述技术方案，通过采用布拉格反射波导结构，实现大摆幅周期振荡的类高斯分布光场，这样可在中心光场波峰位置引入有源区，在有源区附近光场波谷位置引入隧穿结，降低光吸收损耗，实现高功率激光输出；这种激光器还具有大激光腔、强模式选择的特性，可实现超大光模式体积稳定单模工作，有效提高腔面灾变损伤功率及光束质量，同时可将垂直发散角可从传统器件的30°以上压缩到10°以下，更有利于器件准直及应用；另外，这种激光器多有源区共用同一波导模式，通过掩埋生长或表面刻蚀光栅可同时实现多有源区波长锁定及光谱压窄，使激光雷达系统采用窄带滤光片抑制背景光噪声变得可行，具有非常重要的意义。总之，这种激光器可实现高脉冲功率、低光束发散的激光输出，具有很好的应用前景。

技术特征：

1.一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，从下至上依次包括：衬底、缓冲层、n型包层、n型波导层、级联多有源区、p型波导层、p型包层、盖层，其特征在于，所述n型波导层和所述p型波导层均为高、低折射率层周期交替生长组成的布拉格反射波导；所述级联多有源区包括：多个有源区、多个隧穿结及限制层，所述有源区和所述隧穿结均位于所述限制层内，所述隧穿结位于相邻两个所述有源区之间；所述有源区位于基模近场的波峰位置，所述隧穿结位于基模近场的波谷位置，所有的所述有源区共用同一波导。

2.根据权利要求1所述一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，其特征在于，所述限制层包括：多个高折射率层和多个低折射率层，所述高折射率层和所述低折射率层交替生长；所述有源区插入在所述限制层的所述高折射率层中，所述隧穿结插入在所述限制层的所述低折射率层中。

3.根据权利要求2所述一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，其特征在于，每个所述限制层的所述高折射率层的组分和厚度不同；每个所述限制层的所述低折射率层的组分和厚度不同。

4.根据权利要求3所述一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，其特征在于，所述有源区的个数k≥2，隧穿结的个数为k-1，k为自然数。

5.根据权利要求4所述一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，其特征在于，所述n型波导层的所述高折射率层与p型波导层的所述高折射率层的组分和厚度不同；n型波导层的所述低折射率层与p型波导层的所述低折射率层的组分和厚度不同；所述p型波导层中高、低折射率层周期对数小于等于n型波导层中高、低折射率层周期对数。

6.根据权利要求5所述一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，其特征在于，所述p型包层的折射率低于所述n型包层折射率。

7.根据权利要求1-6任一项所述一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，其特征在于，所述隧穿结包括：高掺杂浓度的两个导电类型相反材料，所述隧穿结到相邻所述有源区间材料的所述导电类型不同。

8.根据权利要求1-6任一项所述一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，其特征在于，所述有源区为单层或多层的量子阱、量子点或量子线。

9.根据权利要求1-6任一项所述一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，其特征在于，所述衬底为gaas、inp、gasb和gan中的任意一种。

技术总结
本技术公开了一种多有源区级联布拉格反射波导边发射半导体激光器，从下至上依次包括衬底、缓冲层、N型包层、N型波导层、级联多有源区、P型波导层、P型包层和盖层，所述波导层采用高、低折射率层周期排列组成的布拉格反射波导结构，所述级联多有源区包括多个有源区、多个隧道结及限制层。该激光器的基模近场由周期性振荡峰组成，包络接近高斯分布，在级联多有源区附近具有大摆幅振荡峰，有源区位于基模近场的波峰处，在基模近场的波谷低光强处插入隧穿结，使多有源区共用大尺寸基模工作波导，可有效降低光损耗及驱动电压，实现高功率、高光束质量、低发散角激光输出。

技术研发人员：汪丽杰,佟存柱,彭航宇,王立军
受保护的技术使用者：吉光半导体科技有限公司
技术研发日：20221220
技术公布日：2024/1/11