一种连续介质相干阵边发射半导体激光器及制备方法

本发明涉及半导体激光器，具体涉及一种连续介质相干阵边发射半导体激光器及制备方法。

背景技术：

1、半导体激光器为一种直调光源，其具有高效率、易集成、波段覆盖范围广、寿命长等特点，广泛应用于激光通信、激光加工、激光探测等领域。为提升半导体激光器输出功率，阵列半导体激光器方式被提出，但其慢轴方向光束质量很差，严重限制其应用范围。

2、传统的阵列半导体激光器实现相干的方式大致分为倏逝波相干耦合及漏波相干耦合两种方式，但这两种方式均属于弱耦合方式且器件多倾向于反相模式运行，阵列耦合脊波导个数的限制以及远场光场双瓣现象，对阵列半导体激光器功率的提升以及慢轴方向光束质量的改善均不理想。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种连续介质相干阵边发射半导体激光器及制备方法，该激光器通过talbot衍射耦合实现了大数量脊波导阵列相干，获得了阵列半导体激光器功率的大幅度提升及慢轴方向光束质量的近衍射极限。

2、本发明公开了一种连续介质相干阵边发射半导体激光器，包括：导电衬底、形成于所述导电衬底上表面的外延层以及形成于所述导电衬底上表面的后端光学介质波导区和前端光学介质波导区，所述后端光学介质波导区和前端光学介质波导区位于所述外延层的两侧；

3、所述外延层的上表面设置有一维阵列脊波导区，所述一维阵列脊波导区的长度满足talbot效应；

4、所述后端光学介质波导区包括自下至上依次设置的第一光学介质波导层、第二光学介质波导层和第三光学介质波导层，所述第二光学介质波导层上刻蚀得到后端相位光栅层；

5、所述前端光学介质波导区包括自下至上依次设置的第四光学介质波导层、第五光学介质波导层和第六光学介质波导层，所述第五光学介质波导层上刻蚀得到前端相位光栅层，所述前端相位光栅层与后端相位光栅层的长度不同；

6、所述一维阵列脊波导区的上表面设置p面电极，所述导电衬底的下表面设置n面电极，所述后端相位光栅层的端面设置高反膜，所述前端相位光栅层的端面设置增透膜。

7、作为本发明的进一步改进，所述外延层包括自下而上依次设置的n型限制层、n型波导层、有源区、p型波导层、p型限制层以及高掺杂层；其中，所述n型波导层的厚度大于所述p型波导层的厚度。

8、作为本发明的进一步改进，所述一维阵列脊波导区的长度为整数倍或分数倍的talbot距离；其中，所述talbot距离zt的计算公式为：

9、zt＝2nd2/λ

10、式中，n为所述n型波导层、有源区和p型波导层的等效折射率，d为所述一维阵列脊波导区的脊波导阵列周期，λ为所述有源区产生的自由空间光波长。

11、作为本发明的进一步改进，所述一维阵列脊波导区包括由多个相同且截面为矩形的脊波导单元所构成的脊波导阵列，所述一维阵列脊波导区的长度为500μm～2000μm、宽度为1mm～10mm、深度为0.8μm～1μm、阵列周期为5μm～10μm。

12、作为本发明的进一步改进，相邻所述脊波导单元之间设置电绝缘层，所述电绝缘层的材料包括sio2和si3n4中的一种，所述电绝缘层的厚度为100nm～500nm。

13、作为本发明的进一步改进，所述后端光学介质波导区的长度小于所述前端光学介质波导区的长度，所述后端相位光栅层的长度小于所述前端相位光栅层的长度不同；所述后端相位光栅层的尺寸参数：刻蚀深度为1.4μm～2.2μm，宽度为3μm～6μm，长度为0.3μm～3μm；所述前端相位光栅层的尺寸参数：刻蚀深度为1.4μm～2.2μm，宽度为3μm～6μm，长度为0.6μm～6μm。

14、作为本发明的进一步改进，所述第一光学介质波导层的材料与折射率与所述第三光学介质波导层的材料与折射率相同，所述第一光学介质波导层的折射率小于所述第二光学介质波导层的折射率；

15、所述第四光学介质波导层的材料与折射率与所述第六光学介质波导层的材料与折射率相同，所述第四光学介质波导层的折射率小于所述第五光学介质波导层的折射率。

16、作为本发明的进一步改进，

17、所述导电衬底的材料包括硅、砷化镓、磷化铟、氮化镓和碳化硅中的一种；

18、所述p面电极包括钛、金和铂中的一种或多种；

19、所述n面电极包括锗和钯中的一种或多种。

20、作为本发明的进一步改进，

21、所述高反膜为交替生长的sio2层与ta2o5层或sio2层与al2o3层，每层厚度为100nm～300nm，反射率为97％～99％；

22、所述增透膜为交替生长的sio2层与ta2o5层或sio2层与al2o3层，每层厚度为100nm～300nm，反射率为3％～4％。

23、本发明还公开了一种连续介质相干阵边发射半导体激光器的制备方法，包括：

24、选取导电衬底；

25、在导电衬底上表面沉积外延层；

26、在外延层上表面刻蚀脊波导单元，得到一维阵列脊波导区；

27、刻蚀一维阵列脊波导区两侧的外延层至露出衬底，并依次沉积两层光学介质波导，以得到后端光学介质波导区的第一光学介质波导层和第二光学介质波导层，以及前端光学介质波导区的第四光学介质波导层和第五光学介质波导层；

28、在第二光学介质波导层上刻蚀得到后端相位光栅层，在第五光学介质波导层上刻蚀得到前端相位光栅层；

29、在相位光栅层上继续沉积第三层光学介质波导，以得到后端光学介质波导区的第三光学介质波导层以及前端光学介质波导区的第六光学介质波导层；

30、减薄、抛光所述一维阵列脊波导区表面沉积的三层光学介质波导层，形成电绝缘层；

31、在一维阵列脊波导区的上表面蒸镀p面电极；

32、在导电衬底的下表面蒸镀n面电极；

33、在后端相位光栅层的端面蒸镀高反膜；

34、在前端相位光栅层的端面蒸镀增透膜。

35、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

36、本发明通过刻蚀满足talbot效应的一维阵列脊波导区，使得一维阵列脊波导发生talbot衍射耦合获得talbot光场分布，再通过在一维阵列脊波导区两侧刻蚀并填充长度不同的三层光学介质波导区，并引入不同长度的光栅相位层，实现了器件同相模式运行；本发明不仅工艺简单、成本低，还为制备高功率高光束质量大尺寸半导体激光器阵列提供潜在方法。

技术特征：

1.一种连续介质相干阵边发射半导体激光器，其特征在于，包括：导电衬底、形成于所述导电衬底上表面的外延层以及形成于所述导电衬底上表面的后端光学介质波导区和前端光学介质波导区，所述后端光学介质波导区和前端光学介质波导区位于所述外延层的两侧；

2.如权利要求1所述的连续介质相干阵边发射半导体激光器，其特征在于，所述外延层包括自下而上依次设置的n型限制层、n型波导层、有源区、p型波导层、p型限制层以及高掺杂层；其中，所述n型波导层的厚度大于所述p型波导层的厚度。

3.如权利要求2所述的连续介质相干阵边发射半导体激光器，其特征在于，所述一维阵列脊波导区的长度为整数倍或分数倍的talbot距离；其中，所述talbot距离zt的计算公式为：

4.如权利要求1所述的连续介质相干阵边发射半导体激光器，其特征在于，所述一维阵列脊波导区包括由多个相同且截面为矩形的脊波导单元所构成的脊波导阵列，所述一维阵列脊波导区的长度为500μm～2000μm、宽度为1mm～10mm、深度为0.8μm～1μm、阵列周期为5μm～10μm。

5.如权利要求1所述的连续介质相干阵边发射半导体激光器，其特征在于，相邻所述脊波导单元之间设置电绝缘层，所述电绝缘层的材料包括sio2和si3n4中的一种，所述电绝缘层的厚度为100nm～500nm。

6.如权利要求1所述的连续介质相干阵边发射半导体激光器，其特征在于，所述后端光学介质波导区的长度小于所述前端光学介质波导区的长度，所述后端相位光栅层的长度小于所述前端相位光栅层的长度不同；所述后端相位光栅层的尺寸参数：刻蚀深度为1.4μm～2.2μm，宽度为3μm～6μm，长度为0.3μm～3μm；所述前端相位光栅层的尺寸参数：刻蚀深度为1.4μm～2.2μm，宽度为3μm～6μm，长度为0.6μm～6μm。

7.如权利要求1所述的连续介质相干阵边发射半导体激光器，其特征在于，所述第一光学介质波导层的材料与折射率与所述第三光学介质波导层的材料与折射率相同，所述第一光学介质波导层的折射率小于所述第二光学介质波导层的折射率；

8.如权利要求1所述的连续介质相干阵边发射半导体激光器，其特征在于，

9.如权利要求1所述的连续介质相干阵边发射半导体激光器，其特征在于，

10.一种如权利要求1～9中任一项所述的连续介质相干阵边发射半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种连续介质相干阵边发射半导体激光器及制备方法，包括：导电衬底、形成于导电衬底上表面的外延层以及位于外延层两侧的后端光学介质波导区和前端光学介质波导区；外延层的上表面设置有一维阵列脊波导区；后端光学介质波导区上刻蚀得到后端相位光栅层，前端光学介质波导区上刻蚀得到前端相位光栅层；一维阵列脊波导区的上表面设置P面电极，导电衬底的下表面设置N面电极，后端相位光栅层的端面设置高反膜，前端相位光栅层的端面设置增透膜。本发明的激光器无需外部光学元件对超模的选择便可实现同相模激射，并且光场在远场慢轴方向具有超窄发散角，大大提高了阵列半导体激光器与光纤的耦合效率。

技术研发人员：王智勇,齐军,兰天
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15