CN109599743B - 基于光子晶体缺陷态模式控制的锥形光子晶体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光子晶体缺陷态模式控制的锥形光子晶体激光器，包括：一外延层的结构，该外延层的结构包含：N型衬底；N型限制层，位于N型衬底之上；完美一维光子晶体，位于N型限制层之上；有源区，位于完美一维光子晶体上；P型限制层，位于有源区之上；P型接触层，位于P型限制层之上；以及锥形结构，设置于该外延层的P面，该锥形结构包含：脊形波导部分；以及锥形波导部分，与脊形波导部分相连，实现增益；其中，完美一维光子晶体中还包含破坏该完美一维光子晶体周期性的缺陷层，有源区位于该缺陷层中。该激光器能够改善半导体激光器光束质量，提高输出功率，减小垂直方向发散角，实现稳定的垂直模式输出。
Description
技术领域
本公开属于半导体激光器领域，涉及一种基于光子晶体缺陷态模式控制的锥形光子晶体激光器。
背景技术
半导体激光器具有重量轻、体积小、便于集成等许多优点，同时还能实现高功率高效率的输出。目前半导体激光器在材料加工、通信、军事、医疗等诸多领域都有应用。然而在这些应用中，包括作为固态和光纤激光器的泵浦源、激光手术刀、激光武器、金属切割焊接、激光显示等，都对激光器的亮度有很高的要求。高亮度的实现需要同时获得高输出功率和高光束质量。传统的宽接触半导体激光器能够获得很高的单管输出功率和功率转换效率，但是由于其输出孔径比较宽，容易导致侧向多模产生，并且折射率的局部变化，使其容易产生束丝，最终导致光束质量比较差。另一方面，脊形波导激光器能够获得侧向近衍射极限输出，但受限于小的输出孔径和增益体积，其功率较低。
在一些改善激光器光束质量的结构设计中，锥形激光器具有结构和工艺简单的特点。锥形激光器包括具有基模选择的脊形波导部分和用于模式放大锥形增益部分。高功率近衍射极限输出的锥形激光器已有相关报道。但是传统的锥形激光器有一个很大的缺点是垂直发散角很大，其半高全宽通常在30°甚至40°以上，这会造成一些应用中光束整形比较复杂且增加成本。为获得窄的垂直发散角，一些模式扩展结构得以提出，包括超大光腔、无源波导、低折射率势垒层等。然而，这些结构只能在一定程度上减小发散角，最小可获得20°以下的半高全宽发散角，无法进一步减小发散角到10°以下。另一方面，这些模式扩展结构基模与高阶模的限制因子比不够大，大电流下容易造成垂直方向高阶模的激射。此外，垂直方向上折射率可能因为局部温度的不同而发生变化，导致模式分布的改变。
因此，有必要提出一种光子晶体激光器，使其具有良好的综合性能：能够改善半导体激光器光束质量，提高输出功率，减小垂直方向发散角，实现稳定的垂直模式输出。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本公开的目的在于提供一种基于光子晶体缺陷态模式控制的锥形光子晶体激光器，其能够改善半导体激光器光束质量，提高输出功率，减小垂直方向发散角，实现稳定的垂直模式输出。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种基于光子晶体缺陷态模式控制的锥形光子晶体激光器，包括：一外延层的结构，该外延层的结构包含：N型衬底；N型限制层，位于N型衬底之上；完美一维光子晶体，位于N型限制层之上；有源区，位于完美一维光子晶体上；P型限制层，位于有源区之上；P型接触层，位于P型限制层之上；以及锥形结构，设置于该外延层的P面，该锥形结构包含：脊形波导部分；以及锥形波导部分，与脊形波导部分相连，实现增益；其中，完美一维光子晶体中还包含破坏该完美一维光子晶体周期性的缺陷层，有源区位于该缺陷层中。
在本公开的一些实施例中，完美一维光子晶体由一个以上的周期构成。
在本公开的一些实施例中，完美一维光子晶体的各个周期层中包含折射率交替变化的两种材料，并且任意两个周期层中的完美一维光子晶体具有相同的折射率分布和厚度分布。
在本公开的一些实施例中，完美一维光子晶体的各个周期层通过改变多元材料中某种元素组分来实现折射率交替变化，对于不同波长的锥形光子晶体激光器，材料体系不同，所改变组分的元素也不同。
在本公开的一些实施例中，缺陷层是在完美一维光子晶体之上通过改变厚度或者折射率来破坏所述一维光子晶体周期结构而形成的。
在本公开的一些实施例中，位于缺陷区的有源层包括：单个、多个量子阱或者量子点结构。
在本公开的一些实施例中，脊形波导部分的宽度不大于锥形波导部分突变处产生基模的截止宽度；
优选的，脊形波导部分形成折射率导引的结构；
优选的，锥形波导部分两侧的接触层被刻蚀掉形成增益导引，或者锥形波导部分与脊形波导部分刻蚀同样深度形成折射率导引结构。
在本公开的一些实施例中，锥形波导部分的设计与脊形波导部分的设计要匹配，且锥形结构的锥角小于基模衍射角。
在本公开的一些实施例中，锥形波导部分和脊形波导部分的长度根据器件设计需要选择，确保获得足够的侧向模式过滤特性和足够的增益体积。
在本公开的一些实施例中，完美一维光子晶体为周期结构，其中每一周期中两种折射率不同的材料之间的折射率差大于温度或者载流子分布变化引起的折射率改变。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于光子晶体缺陷态模式控制的锥形光子晶体激光器，至少具有以下有益效果：
(1)光子晶体是由两种以上不同折射率的材料在空间按照一定的周期顺序排列所形成的有序结构材料，能够对光子进行调控，在外延方向上，将一维光子晶体结构应用于半导体激光器中，形成光子晶体激光器，其结构包括一个周期以上的完美一维光子晶体结构和破坏一维光子晶体周期性的缺陷层，有源区位于缺陷层中。基于光子晶体缺陷态对垂直模式进行调控，基模被限制在缺陷层内，在缺陷层外的完美一维光子晶体中迅速衰减；高阶模扩展至整个完美一维光子晶体结构中，与有源区具有较小的重叠。因此，基模限制因子远大于高阶模限制因子，从而实现更强的模式差别。通过缺陷层内有源区的增益作用，基模光场得到放大，获得垂直方向的单模输出。这种结构能够降低垂直方向发散角，获得10°左右甚至低于5°的垂直发散角，改善激光输出远场的椭圆斑输出，提高激光器的亮度。另外由于完美一维光子晶体结构对折射率的周期性调制，其折射率差通常大于由于温度引起的折射率变化，进而实现稳定的垂直模式输出。
(2)在外延层的P面，设计的锥形结构包括锥形增益部分和脊形波导部分，合理设计的二者的结构参数使之匹配，形成锥形光子晶体激光器。合理设计脊形波导部分的结构参数使得只有基模耦合进锥形增益区，高阶模得到抑制；锥形增益部分的作用是实现侧向基模放大，同时输出端面由于增加了侧向近场尺寸，能够提高灾变性光学腔面损伤阈值。最终能够获得高功率近衍射极限光束输出。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的基于光子晶体缺陷态模式控制的锥形光子晶体激光器外延方向上的结构示意图。
图2为根据本公开一实施例所示的锥形光子晶体激光器的垂直方向基模分布示意图。
图3为如图2所示的锥形光子晶体激光器的垂直远场分布示意图。
图4为根据本公开一实施例所示的锥形光子晶体激光器的锥形结构示意图。
图5为根据本公开一实施例所示的锥形光子晶体激光器的输出远场示意图。
图6为根据本公开一实施例所示的锥形光子晶体激光器光束准直之后的束腰处光强分布示意图。
图7根据本公开一实施例所示的基于光子晶体缺陷态模式控制的锥形光子晶体激光器的三维结构及输出光束示意图。
【符号说明】
11-P型电极； 12-P型接触层；
13-绝缘层； 14-P型限制层；
15，43-有源区； 16，44-完美一维光子晶体；
17-N型限制层； 18-N型衬底；
19-N型电极；
31，41-脊形波导部分； 32，42-锥形波导部分。
具体实施方式
本公开提供了一种基于光子晶体缺陷态模式控制的锥形光子晶体激光器，将一维光子晶体结构应用于半导体激光器中，形成光子晶体激光器，其结构包括一个周期以上的完美一维光子晶体结构和破坏一维光子晶体周期性的缺陷层，有源区位于缺陷层中，基于光子晶体缺陷态对垂直模式可以进行调控，能够改善半导体激光器光束质量，提高输出功率，减小垂直方向发散角，实现稳定的垂直模式输出。
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，对本公开进一步详细说明。本公开中，“锥形波导部分”和“锥形增益部分”含义相同。本公开中，“完美一维光子晶体”的结构包含周期性结构和缺陷层。本公开中，“外延结构的P面”表示外延结构中含有P型电极的一面。
为实现图面整洁的目的，一些习知惯用的结构与组件在附图可能会以简单示意的方式绘示之。另外，本案的附图中部分的特征可能会略为放大或改变其比例或尺寸，以达到便于理解与观看本发明的技术特征的目的，但这并非用于限定本发明。依照本发明所公开的内容所制造的产品的实际尺寸与规格应是可依据生产时的需求、产品本身的特性、及搭配本发明如下所公开的内容据以调整，于此先进行声明。
图1为根据本公开一实施例所示的基于光子晶体缺陷态模式控制的锥形光子晶体激光器外延方向上的结构示意图。
本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于光子晶体缺陷态模式控制的锥形光子晶体激光器，包括：一外延层的结构，该外延层的结构包含：N型衬底18；N型限制层17，位于N型衬底18之上；完美一维光子晶体16，位于N型限制层17之上；有源区15，位于完美一维光子晶体16之上；P型限制层14，位于有源区15之上；P型接触层12，位于P型限制层14之上；P型电极11，位于P型接触层12之上；绝缘层13，位于P型接触层12(下面也称接触层，用于实现欧姆接触)和P型电极11的两侧；以及锥形结构，设置于该外延层的P面，通过接触层12和P型电极11的刻蚀制作而成，该锥形结构包含：脊形波导部分；以及锥形波导部分，与脊形波导部分相连，实现增益；其中，该完美一维光子晶体中还包含破坏该完美一维光子晶体周期性的缺陷层，有源区位于该缺陷层中。
其中，完美一维光子晶体由一个以上的周期构成。完美一维光子晶体的各个周期层中包含折射率交替变化的两种材料，并且任意两个周期层中的完美一维光子晶体具有相同的折射率分布和厚度分布。
本实施例中，完美一维光子晶体包含N个周期，单周期的完美一维光子晶体中两层材料的厚度及折射率根据需要选择合适的参数。完美一维光子晶体由折射率不同的两种材料交替组成，不同折射率材料通过改变某种元素组分来实现，例如对于AlGaAs材料可以改变Al的含量。
本公开中，完美一维光子晶体周期结构折射率差通常大于温度或者载流子分布变化引起的折射率改变。这种强折射率调制作用，使得锥形光子晶体激光器在垂直方向能够获得稳定的模式特性。
本公开中，缺陷层是在完美一维光子晶体之上通过改变厚度或者折射率来破坏所述一维光子晶体周期结构而形成的，有源区位于缺陷层中。
本公开中，有源区包含不少于一个量子阱或者量子点结构。
本公开中，基于光子晶体缺陷态调控垂直模式。合理设计完美一维光子晶体和缺陷层的结构参数，使得基模被限制在缺陷层中，在远离缺陷层的完美一维光子晶体周期结构内基模逐渐衰减；而高阶模扩展到整个完美一维光子晶体结构中，与有源区有较小的重叠。最终基模限制因子大于高阶模限制因子，实现比较强的模式差别，获得垂直方向单模特性。有源区位于光学缺陷层中，这样只有基模获得增益输出。
本公开中，P型限制层的折射率低于完美一维光子晶体结构的折射率，实现对光场的限制。
本公开中，锥形光子晶体激光器外延层的不同层之间设计一个组分渐变层作为缓冲层，以此来减小晶格失配。
本公开中可以合理设计N型限制层的厚度，使高阶模能够渗透到N型衬底，而基模不会泄露到衬底，进而使高阶模有远大于基模的损耗。也可以在外延层中引入吸收层，使高阶模被吸收而基模不受影响。进一步增强模式差别。
图2为根据本公开一实施例所示的锥形光子晶体激光器的垂直方向基模分布示意图。
如图2所示，基于光子晶体缺陷态的模式调控还表现在基模被扩展的很宽，不同的一维光子晶体周期数目能够获得不同尺寸的模式扩展。模式扩展增加了输出端面的光斑尺寸。这样可以减小垂直发散角至10°甚至5°以下。模式尺寸的增加能够减小输出腔面的光功率密度，提高锥形光子晶体激光器灾变性光学损伤阈值，进而可以提高输出功率。
图3为如图2所示的锥形光子晶体激光器的垂直远场分布示意图。如图3所示，在基模被展宽至6.7μm左右时，远场发散角半高全宽为9.4°。进一步对垂直模式进行调控，可以获得更小的垂直发散角，而水平发散角通常在10°以内，这样能够获得近圆形的输出光斑。
优选的，脊形波导部分两侧有一部分覆盖层或者波导层被刻蚀掉，形成折射率导引的结构；
优选的，锥形波导部分两侧的接触层被刻蚀掉形成增益导引，或者锥形波导部分与脊形波导部分刻蚀同样深度形成折射率导引结构。
图4为根据本公开一实施例所示的锥形光子晶体激光器的锥形结构示意图。如图4所示，其中31是脊形波导部分(下面有时候也称脊形部分、脊形波导)，32是锥形波导部分，下面为了突出其作用，也将其描述为锥形增益部分。其中脊形部分通过深刻蚀形成具有模式选择作用的脊形波导。锥形增益部分的制作可以通过将锥形两边的区域的接触层刻蚀掉，避免注入载流子的横向扩散，形成增益导引的结构；也可以将锥形增益部分与脊形波导部分刻蚀同样的深度，形成折射率导引，这样能简化工艺过程。
本公开中为保证侧向基模工作，脊形波导的宽度可以通过计算基模截止宽度与剩余覆盖层的厚度得到，条宽不能大于基模的截止宽度。为了保证低损耗传输，锥形增益区的角度要小于基模衍射角。这样可以有效避免光束传输中基模能量耦合进高阶模或者辐射模。
本公开中在锥形部分和脊形部分的长度设计上，脊形波导部分与锥形部分的长度设计要保证足够的模式过滤特性，以获得侧向单模输出，同时也要使器件具有尽可能大的增益体积以获得更高的功率。
在本公开的一些实施例中，锥形波导部分的设计与脊形波导部分的设计要匹配，且锥形结构的锥角小于基模衍射角。
在本公开的一些实施例中，锥形波导部分和脊形波导部分的长度根据器件设计需要选择，确保获得足够的侧向模式过滤特性和足够的增益体积。
在本公开的一些实施例中，外延层的不同层之间还包括一组分渐变层作为缓冲层，以此来减小晶格失配。
图5为根据本公开一实施例所示的锥形光子晶体激光器的输出远场示意图。如图5所示，水平方向和垂直方向分别对应锥形光子晶体激光器输出端面的侧向和垂直方向。垂直发散角减小到一定的程度，和水平发散角接近时，即能够获得图示的近圆形光斑输出。这种小发散角近圆形的输出远场能够减小应用中光束整形的成本和复杂性。
图6为根据本公开一实施例所示的锥形光子晶体激光器光束准直之后的束腰处光强分布示意图。如图6所示，水平方向和垂直方向分别对应锥形光子晶体激光器输出端面的侧向和垂直方向。侧向和垂直方向束腰处的光强都呈近高斯型单瓣分布，表明锥形光子晶体激光器在垂直方向和水平方向都具有近衍射极限光束质量。
图7根据本公开一实施例所示的基于光子晶体缺陷态模式控制的锥形光子晶体激光器的三维结构及输出光束示意图。如图7所示，41和42分别是面上脊形波导部分和锥形增益部分，43是有源区，44是完美一维光子晶体的周期结构。在垂直方向和侧向的发散角相当时，激光器能够获得近圆形的光束输出，侧向和垂直方向都是单模输出。一维光子晶体周期结构通过调控垂直模式，减小发散角，获得稳定的单模输出。此外本公开锥形光子晶体结构在垂直方向和水平方向出光孔径大，减小了腔面光功率密度，提高锥形光子晶体激光器的腔面损伤阈值。最终从芯片的光束质量和输出功率两个方面提高激光器的亮度。
综上所述，本公开提供了一种基于光子晶体缺陷态模式控制的锥形光子晶体激光器，将一维光子晶体结构应用于半导体激光器中，形成光子晶体激光器，其结构包括一个周期以上的完美一维光子晶体结构和破坏一维光子晶体周期性的缺陷层，有源区位于缺陷层中，基于光子晶体缺陷态对垂直模式可以进行调控，能够改善半导体激光器光束质量，提高输出功率，减小垂直方向发散角，实现稳定的垂直模式输出。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。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。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
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。
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，所应理解的是，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。
Claims (8)
1.基于光子晶体缺陷态模式控制的锥形光子晶体激光器，其特征在于，包括：一外延层的结构，该外延层的结构包含：
N型衬底；
N型限制层，位于N型衬底之上；
完美一维光子晶体，位于N型限制层之上；
有源区，位于完美一维光子晶体上；
P型限制层，位于有源区之上；
P型接触层，位于P型限制层之上；以及
锥形结构，设置于该外延层的P面，该锥形结构包含：脊形波导部分；以及锥形波导部分，与脊形波导部分相连，实现增益；
其中，所述完美一维光子晶体由一个以上的周期构成，所述完美一维光子晶体的各个周期层中包含折射率交替变化的两种材料，并且任意两个周期层中的完美一维光子晶体具有相同的折射率分布和厚度分布；
所述完美一维光子晶体中还包含破坏该完美一维光子晶体周期性的缺陷层，有源区位于该缺陷层中；
所述缺陷层是在所述完美一维光子晶体之上通过改变厚度或者折射率来破坏一维光子晶体周期结构而形成的；
完美一维光子晶体为周期结构，其中每一周期中两种折射率不同的材料之间的折射率差大于温度或者载流子分布变化引起的折射率改变。
2.根据权利要求1所述的锥形光子晶体激光器，其中，所述完美一维光子晶体的各个周期层通过改变多元材料中某种元素组分来实现折射率交替变化，对于不同波长的锥形光子晶体激光器，材料体系不同，所改变组分的元素也不同。
3.根据权利要求1所述的锥形光子晶体激光器，其中，位于所述缺陷层的有源层包括：单个、多个量子阱或者量子点结构。
4.根据权利要求1所述的锥形光子晶体激光器，其中，所述脊形波导部分的宽度不大于锥形波导部分突变处产生基模的截止宽度。
5.根据权利要求4所述的锥形光子晶体激光器，其中，所述脊形波导部分形成折射率导引结构。
6.根据权利要求5所述的锥形光子晶体激光器，其中，所述锥形波导部分两侧的接触层被刻蚀掉形成增益导引，或者锥形波导部分与脊形波导部分刻蚀同样深度形成折射率导引结构。
7.根据权利要求1所述的锥形光子晶体激光器，其中，锥形波导部分的设计与脊形波导部分的设计要匹配，且锥形结构的锥角小于基模衍射角。
8.根据权利要求1所述的锥形光子晶体激光器，其中，锥形波导部分和脊形波导部分的长度根据器件设计需要选择，确保获得足够的侧向模式过滤特性和足够的增益体积。
Priority Applications (1)
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