一种半导体激光器相干阵列及其制备方法与流程

[0001]
本公开涉及半导体光电技术领域，具体涉及到一种半导体激光器相干阵列及其制备方法。


背景技术：

[0002]
半导体激光器有体积小、效率高、易操作等优点，但由于单个激光器本身功率有限，在一些应用场景仍不能满足需求。相干阵列激光器的出现，使得半导体激光器保留优点的同时，有了更大输出功率，丰富了光电对抗、医学治疗、信息处理等应用。相干阵列激光器是利用光波导理论与技术，将多个激光器单片集成在一起，使得各个激光器之间实现有效的耦合，实现相干大功率输出。相干阵列使得输出大功率的同时保证了激光良好的输出特性，其中包括良好的远场特性和输出激光的相干性。
[0003]
目前，实现阵列激光器相干的技术主要有倏逝波耦合、y型波导阵列和talbot耦合腔结构等，但倏逝波耦合机理、y型波导阵列和talbot耦合腔结构等分别受限于保持特定的有限间距、器件散热问题不佳、较难维持连续工作波模式等问题，其具有输出的功放效果低、光效率低、器件散热性能低等缺陷。
[0004]
可见，在保证阵列间稳定的相位相干，实现阵列的大功率激光输出，并具有良好的散热特性，以及保持良好的光束质量等特性仍是科学家们不断进行研究的重要目标。


技术实现要素：

[0005]
为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种半导体激光器相干阵列及其制备方法，实现了大功率激光输出，并降低了电激励过程中产生的热消耗，提高了光束的质量。
[0006]
本公开的一方面提供了一种半导体激光器相干阵列，包括：
[0007]
多模干涉区，包括多级一分二的多模干涉耦合结构及多个弯曲波导，不同级之间的多模干涉耦合结构通过弯曲波导连接，其中，多级一分二的多模干涉耦合结构用于产生多个相位相干的光支路；反射区，用于将多个光支路进行传输，并通过反射率的调节控制光支路输出的能量比率；阵列区，包括多个通道波导，用于对反射区输出的多个光支路进行功率放大后输出。
[0008]
进一步地，反射区两侧蚀刻有电极隔离沟，电极隔离沟用于将多模干涉区和阵列区分隔为独立的谐振区域，多模干涉区、反射区及阵列区采用独立的电激励。
[0009]
进一步地，反射区包括光栅结构，光栅结构为一维光栅结构或二维光栅结构。
[0010]
进一步地，多级一分二的多模干涉耦合结构为两级一分二的多模干涉耦合结构；其中，第一级一分二的多模干涉耦合结构的数量为一个，第二级一分二的多模干涉耦合结构的数量为二个，第一级一分二的多模干涉耦合结构的输出波导与第二级一分二的多模干涉耦合结构的输入波导通过弯曲波导相连。
[0011]
进一步地，二级一分二的多模干涉耦合结构的波导宽度为5μm～12μm，其结构宽度
为20μm～50μm，长度为60μm～500μm。
[0012]
进一步地，弯曲波导的弯曲半径为100μm～1500μm。
[0013]
进一步地，多模干涉区的长度为1mm～5mm，反射区长度为0.5mm～1mm，阵列区长度为4mm～8mm。
[0014]
进一步地，多级一分二的多模干涉耦合结构、多个弯曲波导及多个通道波导两侧为沟槽，沟槽的宽度为15μm～30μm，刻蚀深度为7μm。
[0015]
进一步地，光栅结构周期为1.19μm，刻蚀深度为200nm，占空比为40％。
[0016]
本公开的另一方面还提供了一种半导体激光器相干阵列的制备方法，包括：
[0017]
s1，在衬底上依次生长下波导层、下限制层、有源层、上限制层、上波导层及高掺层作为传输层；
[0018]
s2，将传输层分为多模干涉区、反射区及阵列区，并进行光刻和腐蚀，形成多级一分二的多模干涉耦合结构、多个弯曲波导及多个通道波导，多模干涉区包括多级一分二的多模干涉耦合结构和多个弯曲波导，其位于反射区左侧，反射区右侧为阵列区，阵列区包括多个通道波导；
[0019]
s3，在反射区两侧刻蚀电极隔离沟；
[0020]
s4，在多级一分二的多模干涉耦合结构、多个弯曲波导及多个通道波导两侧的沟槽位置填埋半绝缘inp：fe材料；
[0021]
s5，在传输层上继续生长二氧化硅层作为钝化层，并在多级一分二的多模干涉耦合结构、多个弯曲波导及多个通道波导对应位置的上方蚀刻出电极窗口；
[0022]
s6，在钝化层上生长正面金属电极层，并在反射区对应位置的两侧刻蚀出电极隔离沟；
[0023]
s7，将衬底的背面减薄、抛光后蒸发形成背面金属电极层；
[0024]
s8，将阵列结构进行退火和解理后，将其倒装焊于图形化的金刚石热沉片上。
[0025]
本公开基于半导体激光器相干阵列技术的基础上，提供了一种半导体激光器相干阵列及其制备方法，其通过多模干涉区作为种子区产生多个相位相干的光支路，将相位相干的种子激励经过反射区有效地注入到阵列区，实现了阵列区光的相位锁定。通过反射区两侧的电极隔离沟设计，实现了多模干涉区和阵列区为独立的谐振过程，将多模干涉区、反射区及阵列区采用独立的电激励，降低了多模干涉区非必要电激励产生的热消耗，并有效避免了多模干涉区在电流工作下的相位失配问题，提高了光束的质量，最终实现了阵列区大功率稳定激光的输出。
附图说明
[0026]
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
[0027]
图1示意性示出了根据本公开一实施例的半导体激光器相干阵列的立体图；
[0028]
图2示意性示出了根据本公开一实施例的半导体激光器相干阵列的俯视图；
[0029]
图3示意性示出了根据本公开一实施例的半导体激光器相干阵列的左视截面图。
[0030]
图4示意性示出了根据本公开一实施例的多模干涉耦合结构的光场分布图。
[0031]
图5示意性示出了根据本公开一实施例的多模干涉耦合结构的透过率曲线图。
具体实施方式
[0032]
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
[0033]
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0034]
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
[0035]
如图1至图2所示，本公开的实施例提供了本公开的一方面提供了一种半导体激光器相干阵列，包括：
[0036]
多模干涉区11，包括多级一分二的多模干涉耦合结构111及多个弯曲波导112，不同级之间的多模干涉耦合结构111通过弯曲波导112连接，其中，多级一分二的多模干涉耦合结构111用于产生多个相位相干的光支路；
[0037]
反射区12，用于将多个光支路进行传输，并通过反射率的调节控制光支路输出的能量比率；
[0038]
阵列区13，包括多个通道波导131，用于对反射区输出的多个光支路进行功率放大后输出。
[0039]
优选地，反射区12两侧蚀刻有电极隔离沟15，电极隔离沟15用于将多模干涉区11和阵列区13分隔为独立的谐振区域，多模干涉区11、反射区12及阵列区13采用独立的电激励。
[0040]
优选地，反射区12包括光栅结构121，光栅结构121为一维光栅结构或二维光栅结构。通过合理设计光栅结构121中的光栅周期，实现所需要的透反比，进而实现光支路输出的所需能量比率；
[0041]
优选地，多级一分二的多模干涉耦合结构111为两级一分二的多模干涉耦合结构111；其中，第一级一分二的多模干涉耦合结构的数量为一个，第二级一分二的多模干涉耦合结构的数量为二个，第一级一分二的多模干涉耦合结构的输出波导与第二级一分二的多模干涉耦合结构的输入波导通过弯曲波导112相连。其中，通过弯曲波导112的设计可以改变阵列区13多个通道波导131的间距，达到有效散热的目的，且光支路在弯曲波导112中传输的光损耗较低。
[0042]
优选地，二级一分二的多模干涉耦合结构111的波导宽度为5μm～12μm，其结构宽度为20μm～50μm，长度为60μm～500μm。其中，采用两级一分二的多模干涉耦合结构111的设计有利于增大阵列区13通道波导131的个数，个数越多更有利于实现功率放大。
[0043]
优选地，弯曲波导112的弯曲半径为100μm～1500μm。其中，该范围下的弯曲波导112半径可使得阵列区13多个通道波导131的间距适中，在保证相干阵列体积较小的前提下，达到较佳的散热效果。
[0044]
优选地，多模干涉区11的长度为1mm～5mm，反射区12长度为0.5mm～1mm，阵列区13长度为4mm～8mm。其中，该范围下的相干阵列尺寸可以保证多模干涉区11具有合适的长度实现相位相干关系，阵列区13的范围设计保证了反射区12有一个合理的反射比率，阵列区13的范围设计需要保证足够的增益面积实现功率放大。
[0045]
优选地，多级一分二的多模干涉耦合结构111、多个弯曲波导112及多个通道波导131两侧为沟槽14，沟槽14的宽度为15μm～30μm，刻蚀深度为7μm。其中，沟槽14的宽度不宜过小，过小的沟槽14宽度会带来更多的光泄露，且需保证足够的刻蚀深度，合理的刻蚀深度设计有利于减少弯曲波导112的损耗。
[0046]
优选地，光栅结构121周期为1.19μm，刻蚀深度为200nm，占空比为40％。该设计下的光栅结构121实现的透反比为3∶7。其中，通过光栅透反比的设计保证了相干光注入多模干涉区11和阵列区13独立谐振的前提下，过小的相干光注入结果为阵列区13的相干性比较差，相反过大的相干光注入会削弱阵列区13的光谐振效果，影响最终该相干阵列输出的光放大的效果。
[0047]
其中，光在两级一分二的多模干涉耦合结构111中传输会激发多种横向模式，产生的模式间会发生干涉，随着传输距离的变化，模式干涉在波导中的强度分布是不同的，在某些位置会存在输入模式的像，这些位置会有输入模式的一个、两个、或多个像点，这些像点的光是相干的，这个现象为一分二的多模干涉耦合结构111的自成像效应。根据需要所需成像的个数选择多模波导的长度。另外，一分二的多模干涉耦合结构111的宽度不宜过宽，且一般设计多模波导中的模式不超过9个，过多的模式存在会带来支路间的相位失谐，影响分合效率。本公开的一些实施例中，多级一分二多模干涉耦合结构111并不仅限于两级多模干涉耦合结构，其可为三级多模干涉耦合结构或是每一级多模干涉耦合结构的个数并不限于1个或2个。另外，每一个多模干涉耦合结构间的设计结构及尺寸大小应保持一致。
[0048]
如图4所示，为本公开一些实施例中一分二多模干涉耦合结构111的光场分布图。光支路经过一分二的多模干涉耦合结构111中传输会产生自成像效应，其在输出位置处形成两个清晰的像点，这两个像点作为一分二的多模干涉耦合结构111的输出波导的连接点，会得到多模干涉耦合结构最大的分和效率。将光支路从左到右或从右往左都能得到最大传输效率的多模波导长度作为半导体激光器中多模干涉区11的最终设计长度。
[0049]
两级一分二的多模干涉耦合结构111的宽度和长度设计，其每一个宽度对应一个长度的最优解，通过仿真计算可知，最优尺寸下的组合可实现一分二的多模干涉耦合结构111的透过率达到99％，透射率较高的情况下光波导传输的性能较佳。如图5所示，本公开的一些实施例中，两级一分二的多模干涉耦合结构111的宽度设计为36μm时，其对应的最优长度为248μm，其可实现一分二的多模干涉耦合结构111的透过率达到99％，也就是其在宽度为36μm时，其他长度范围下的透射率低于99％。通过合理设计两级一分二的多模干涉耦合结构111尺寸，其可实现的透射率达到90％及以上。此外，在两级一分二的多模干涉耦合结构111的宽度大小为20μm时，其对应的最优长度为67.5μm；在两级一分二的多模干涉耦合结构111的宽度大小为50μm时，其对应的最优长度为478μm。
[0050]
本公开的一些实施例中，反射区12包括光栅结构121，光栅结构121为一维光栅结构或二维光栅结构，其可由光子晶体等实现。根据反射区12所需的透反比设计光栅结构121，反射区12的透反比设计的原则为，既要保证多模干涉区11产生的光能有效的注入到阵
列区13，又要保证多模干涉区11相干光注入阵列区13的能量比率。
[0051]
本公开的一些实施例中，多模干涉区11、反射区12及阵列区13均采用独立的电激励。通过实验验证，当多模干涉区11、反射区12及阵列区13分别利用1a、2a和3a的电流阈值激励时，阵列区13可实现1.5～2倍的功率放大。
[0052]
本领域技术人员可以理解，图1至图3中示出的半导体激光器相伴阵列的实施例并不构成对其具体构成的限定，在其他实施例中，半导体激光器相伴阵列的结构设计可根据需求调整，其一分二的多模干涉耦合结构111的尺寸大小设计并不仅限制于上述的数值组合才能达到较高的透射率，凡是根据本公开方案得到的结构尺寸均落入本公开的保护范围。
[0053]
如图1至图3所示，本公开的另一方面还提供了一种半导体激光器相干阵列的制备方法，包括：
[0054]
s1，在衬底309上依次生长下波导层308、下限制层307、有源层306、上限制层305、上波导层304及高掺层303作为传输层；
[0055]
s2，将传输层分为多模干涉区11、反射区12及阵列区13，并进行光刻和腐蚀，形成多级一分二的多模干涉耦合结构111、多个弯曲波导112及多个通道波导131，多模干涉区11包括多级一分二的多模干涉耦合结构111和多个弯曲波导112，其位于反射区12左侧，反射区12右侧为阵列区13，阵列区13包括多个通道波导131；
[0056]
s3，在反射区12两侧刻蚀电极隔离沟15；
[0057]
s4，在多级一分二的多模干涉耦合结构111、多个弯曲波导112及多个通道波导131两侧的沟槽14位置填埋半绝缘inp：fe材料311；
[0058]
s5，在传输层上继续生长二氧化硅层作为钝化层302，并在多级一分二的多模干涉耦合结构111、多个弯曲波导112及多个通道波导131对应位置的上方蚀刻出电极窗口312；
[0059]
s6，在钝化层302上生长正面金属电极层301，并在反射区12对应位置的两侧刻蚀出电极隔离沟15；
[0060]
s7，将衬底309的背面减薄、抛光后蒸发形成背面金属电极层310；
[0061]
s8，将阵列结构进行退火和解理后，将其倒装焊于图形化的金刚石热沉片上。
[0062]
其中，所述s1步骤包括：
[0063]
s11，在所述衬底309上生长下波导层308；
[0064]
s12，在所述下波导层308上生长ingaas作为下限制层307；
[0065]
s13，在所述下限制层307上生长20-60个周期的ingaas/inalas超晶格结构作为有源层306；
[0066]
s14，在所述有源层306上生长ingaas作为上限制层305；
[0067]
s15，利用二氧化硅选区在所述上限制层305上制备光栅结构121；
[0068]
s16，继续依次生长所述上波导层304和所述高掺层303。
[0069]
优选地，衬底309为inp衬底，其掺杂浓度为1
×
10
17
～3
×
10
17
cm-3
。
[0070]
优选地，采用金属氧化物化学气相沉积的方法在衬底309上生长下波导层308，下波导层308厚度为4μm，其掺杂浓度为3
×
10
16
cm-3
。
[0071]
优选地，采用分子束外延的方法在下波导层308上生长ingaas作为下限制层307，所述下限制层307的厚度为0.3μm。
[0072]
优选地，在下限制层307上生长20～60个周期的ingaas/inalas超晶格结构作为有源层306，其对应的波长范围为6μm～8μm，该波长作为光栅结构121设计原理的激射波长。
[0073]
优选地，采用分子束外延的方法在有源层306上生长ingaas作为上限制层305，所述上限制层305的厚度为0.3μm。
[0074]
其中，光栅结构121为一维光栅结构或二维光栅结构，其可由光子晶体等实现，根据反射区12所需的透反比并结合有源区的激射波长大小设计光栅结构121。反射区12的透反比设计的原则为，既要保证多模干涉区11产生的光能有效的注入到阵列区13，又要保证多模干涉区11相干光注入阵列区13的能量比率。
[0075]
优选地，利用二氧化硅选区在上限制层305上制备光栅结构121，所述光栅结构121的周期为1.19μm，深度为200nm，占空比为40％，其实现的透返比为3∶7。其中，通过光栅透反比的设计保证了相干光注入多模干涉区11和阵列区13独立谐振的前提下，过小的相干光注入结果为阵列区13的相干性比较差，相反过大的相干光注入会削弱阵列区13的光谐振效果，影响最终该相干阵列输出的光放大的效果。
[0076]
优选地，用金属氧化物化学气相沉积的方法在上限制层305上继续依次生长上波导层304和高掺层303；其中，上波导层304厚度为3μm，其掺杂浓度为3
×
10
16
cm-3
；高掺层303厚度为800nm，其掺杂浓度为8
×
10
18
cm-3
。
[0077]
优选地，多级一分二的多模干涉耦合结构111为两级一分二的多模干涉耦合结构111；其中，第一级一分二的多模干涉耦合结构的数量为一个，第二级一分二的多模干涉耦合结构的数量为二个，第一级一分二的多模干涉耦合结构的输出波导与第二级一分二的多模干涉耦合结构的输入波导通过弯曲波导112相连。其中，通过弯曲波导112的设计可以改变阵列区13中多个通道波导131的间距，达到有效散热的目的，且光支路在弯曲波导112中传输的光损耗较低。
[0078]
优选地，二级一分二的多模干涉耦合结构111的波导宽度为5μm～12μm，其结构宽度为20μm～50μm，长度为60μm～500μm。其中，采用两级一分二的多模干涉耦合结构111的设计方式有利于增大阵列区13通道波导131的个数，个数越多更有利于实现功率放大。
[0079]
优选地，弯曲波导112的弯曲半径为100μm～1500μm。其中，该范围下的弯曲波导112半径可使得阵列区13多个通道波导131的间距适中，在保证相干阵列体积较小的前提下，达到较佳的散热效果。
[0080]
优选地，多模干涉区11的长度为1mm～5mm，反射区12长度为0.5mm～1mm，阵列区13长度为4mm～8mm。其中，该范围下的相干阵列尺寸可以保证多模干涉区11具有合适的长度实现相位相干关系，阵列区13的范围设计保证了反射区12有一个合理的反射比率，阵列区13的范围设计需要保证足够的增益面积实现功率放大。
[0081]
优选地，多级一分二的多模干涉耦合结构111、多个弯曲波导112及多个通道波导131两侧为沟槽14，沟槽14的宽度为15μm～30μm，刻蚀深度为7μm。其中，沟槽14的宽度不宜过小，过小的沟槽14宽度会带来更多的光泄露，且需保证足够的刻蚀深度，合理的刻蚀深度设计有利于减少弯曲波导112的损耗。
[0082]
优选地，在沟槽14位置填埋半绝缘inp：fe材料方式为双沟填平，即半绝缘inp：fe材料生长厚度为7μm，其电阻率为1
×
10
5
～1
×
10
7
ω
·
cm。
[0083]
优选地，钝化层302生长厚度为450nm。
[0084]
优选地，s6步骤中生长正面金属电极层301，包括：采用电子束蒸发ti/au在钝化层302上形成厚度为300nm的au层，再利用电镀的方法将au层电镀到5μm厚度作为正面金属电极层301。
[0085]
优选地，s7中将衬底309的背面减薄、抛光后蒸发形成背面金属电极层310，包括：
[0086]
s71，将衬底309背面进行减薄至120μm，然后抛光至光泽镜面状态；
[0087]
s72，在减薄、抛光后的衬底309背面通过蒸发au/ge/ni使衬底309背面生长au/ge/ni作为背面金属电极层310。
[0088]
优选地，将阵列器件进行退火处理的温度为345℃，倒装焊对相干阵列的散热性能影响明显。
[0089]
两级一分二的多模干涉耦合结构111的宽度和长度设计，其每一个宽度对应一个长度的最优解，通过仿真计算可知，最优尺寸下的组合可实现一分二的多模干涉耦合结构111的透过率达到99％，透射率较高的情况下光波导传输的性能较佳。如图5所示，本公开的一些实施例中，两级一分二的多模干涉耦合结构111的宽度设计为36μm时，其对应的最优长度为248μm，其可实现一分二的多模干涉耦合结构111的透过率达到99％，也就是其在宽度为36μm时，其他长度范围下的透射率低于99％。通过合理设计两级一分二的多模干涉耦合结构111尺寸，其可实现的透射率达到90％及以上。此外，两级一分二的多模干涉耦合结构111的宽度大小为20μm时，其对应的最优长度为67.5μm；两级一分二的多模干涉耦合结构111的宽度大小为50μm时，其对应的最优长度为478μm。
[0090]
本公开的一些实施例中，多模干涉区11、反射区12及阵列区13均采用独立的电激励。通过实验验证，当多模干涉区11、反射区12及阵列区13分别利用1a、2a和3a的电流阈值激励时，阵列区13可实现1.5～2倍的功率放大。
[0091]
此外，在相干阵列设计的过程中，还可以在多模干涉区11单端方向或者阵列区13输出端方向制作反射部件，如光栅，用于实现对功率或者模式的调节。或者相干阵列整体设计完成后，在多模干涉区11单端面处或者阵列区13输出端面处，进行镀膜操作来完成对输出功率进一步改善。
[0092]
本公开的一些实施例提供了一种半导体激光器相干阵列及其制备方法，其通过多模干涉区作为种子区产生多个相位相干的光支路，将相位相干的种子激励经过反射区有效地注入到阵列区，实现了阵列区光的相位锁定。通过反射区两侧的电极隔离沟设计，实现了多模干涉区和阵列区为独立的谐振过程，将多模干涉区、反射区及阵列区采用独立的电激励，降低了多模干涉区非必要电激励产生的热消耗，并有效避免了多模干涉区在电流工作下的相位失配问题，提高了光束的质量，最终实现了阵列区大功率稳定激光的输出。
[0093]
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
[0094]
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。