[发明专利]低横向发散角布拉格反射波导边发射半导体激光器

说明书

技术领域：

本发明属于半导体激光器技术领域，涉及一种低横向激光光束发散角的布拉格反射波导边发射半导体激光器。

背景技术：

高功率半导体激光器在激光材料加工、泵浦、医疗、传感、显示技术、频率转换、空间通讯和国防上有着极其重要的应用，随着应用领域的扩展对半导体激光器的性能要求也越来越高，如高的的输出功率、稳定的单模特性、低的远场发散角、高的光束质量等。

传统的半导体激光器结构由下至上依次包括N面电极、衬底、缓冲层、下限制层、下波导层、有源区、上波导层、上限制层、盖层和P面电极；P面电极放置在盖层的顶面上，并且电连接到盖层，N面电极位于衬底的背面，并且电连接到衬底；有源区位于下波导层与上波导层之间。由于传统半导体激光器在横向采用高折射率波导通过全反射原理进行导波，激光腔较小，当其在高功率工作时面临以下几个基本难题：端面灾变性毁坏、烧孔、电热烧毁、光束成丝和光束质量差等。另外，腔面由于自衍射，横向(外延生长方向)光束发散角很高，半高全宽(FWHM)通常在18°-40°之间，输出光束为椭圆分布，产生很大的散光，因此必须采用复杂的光学系统，而且其最大聚焦功率密度及光纤耦合效率也受到限制。

增大激光器的光模式体积和保持稳定单横模激射有利于克服上述限制，扩展光横向模式体积可以提高输出功率、减小横向光束发散及降低光束成丝的风险。在传统半导体激光器结构基础上有大量扩展波导的方法提出以增大光模式体积，如大光腔或超大光腔结构、非对称波导结构、低折射率势垒结构、集成无源波导、低折射率包层结构、双势垒分别限制异质结等结构。这些方法可以一定程度上增大光模式体积，将横向发散角半高宽减小到十几度。但是由于这些激光器结构光模式体积越大，面临多模工作的问题越严重，这会使远场图案复杂，激光器光束质量大大下降，因此横向远场发散角(半高全宽FWHM)只能达到十几度左右，难以得到更窄的横向远场发散角。另外，这些激光器对外延生长结构组分偏离或温度变化引起的极小折射率改变非常灵敏，激光器的功率、效率、模式等性能不稳定，因此对外延生长、制备工艺及工作电流和温度要求苛刻。

由于传统激光器扩展光模式体积方法与折射率导引波导单模工作条件相矛盾，避免多模激射和同时获得大模式体积的问题仍然存在，因此需要从根本上解决这个问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可实现大光模式体积的稳定单横模工作的低横向发散角布拉格反射波导边发射半导体激光器。

为了解决上述技术问题，本发明的低横向发散角布拉格反射波导边发射半导体激光器由下至上依次为N面电极、衬底、缓冲层、下限制层、下波导层、中心腔、上波导层、上限制层、P盖层和P面电极；P面电极放置在盖层的顶面上，并且电连接到盖层，N面电极位于衬底的背面，并且电连接到衬底；中心腔位于下波导层与上波导层之间，有源区插入在中心腔内；所述下波导层采用多层N型掺杂的高、低折射率材料周期分布的布拉格反射波导；上波导层采用多层P型掺杂的高、低折射率材料周期分布的布拉格反射波导。

本发明半导体激光器N面(N型掺杂部分)和P面(P型掺杂部分)的波导同时采用布拉格反射波导，它为多层高、低折射率周期分布结构(一维光子晶体)，其所导光波模式不同于传统的全反射模式，它利用布拉格反射来限制光场分布。这种激光器的主要特点是横向光模式体积可以大幅扩展，因此可有效改善端面灾变性毁坏、烧孔、电热烧毁和光束成丝等效应。通过设计布拉格反射波导及中心腔使仅有一个模式限制在中心腔内，电场强度远离中心腔时衰减，并且在布拉格反射波导高折射层出现局域峰，而所有的高阶模扩展到整个波导中，因此基模的光限制因子远大于高阶模，高阶模模相对基模具有非常大的泄露损耗，基模与高阶模之间大的增益损耗差异使得这种激光器可实现大模式体积、稳定单横模工作。由于远场发散角反比于模式体积，因此这种结构横向光束发散可以很小(半高全宽FWHM＜10°)，这有利于提高光纤耦合效率和减小激光器应用光学系统的复杂性。

所述的布拉格反射波导为高低折射率周期性调制结构，形成一维光子晶体。光在无限周期的光子晶体中传输时，传输常数具有允带和禁带，当传输常数位于禁带时，光场衰减，传输被禁止，因此布拉格反射波导可用于限制光场分布。由于光场在前几个周期衰减迅速，因此只需要有限周期对数即可。