边发射半导体激光器的制作方法

1.本实用新型属于激光器技术领域，更具体地，涉及一种边发射半导体激光器。


背景技术：

2.高功率边发射半导体激光器是利用iii
‑
v族半导体材料为增益介质的激光器件，具有功率高、体积小、电光转换效率高等优点，在激光加工、激光探测、激光对抗等领域具有广泛的应用前景。但是这种半导体激光器存在侧向(100～150微米)和横向(2～3微米)波导尺寸相差悬殊，导致其发射激光束呈椭圆形分布的问题：快轴(即横向波导模式)发散角全角一般为52
°
～70
°
，光场呈基模高斯分布，光束质量好，接近衍射极限，而其慢轴(及侧向波导模式)发散角，其全角通常为12
°
～20
°
，该方向的光场为多模厄米
‑
高斯分布，光束质量差。实际应用中，需要对边发射半导体激光器进行光束准直处理，才能达到激光器的最佳使用效果。
3.现有的半导体激光光束准直方案主要包括边发射半导体激光器采用独立的快轴和慢轴准直镜构建外腔准直系统方案，面发射半导体激光器采用的底面集成球面透镜(w097/40558a1)和外腔球面透镜准直方案等。
4.尽管半导体激光器在提高输出功率和优化激光束发散角方面取得了很大的进步，但是各种准直方案仍存在各种问题。
5.边发射半导体激光器外腔准直方案，需要分别准直激光束的快轴和慢轴发散角，这意味着要进行多次光路调整，对操作人员的技术经验要求较高；同时镜片一般采用胶或者金属微型支架固定，而前者的稳定性差，后者的成本较高，不利于准直模块的成本降低。
6.面发射半导体激光器，由于其外延芯片及谐振腔结构与边发射半导体激光器完全不同，导致其出射激光束的光斑分布呈圆形，与边发射激光器差距极大，激光束准直只需采用球面透镜即可，其外腔准直方案面临与边发射激光器外腔方案基本相同的问题。
7.为提高器件集成度和稳定性，robinson提出底面集成球面透镜(w097/40558a1)方案，取得了良好的准直效果，但是面发射半导体激光器受限于增益介质体积，单管器件功率仅为几瓦，与高功率边发射激光器单管功率30w相比，差距较大，无法满足激光加工领域的高功率光源需求。


技术实现要素：

8.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种边发射半导体激光器，解决外腔准直方案稳定性差，成本高的问题，实现高功率边发射半导体激光器的激光束准直输出，同时提高器件的集成度和稳定性。
9.为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种边发射半导体激光器，包括：光波导、高阶非球面快轴准直镜和高阶非球面慢轴准直镜；光波导具有n型衬底层，高阶非球面快轴准直镜和高阶非球面慢轴准直镜均形成在n型衬底层上。
10.在一些实施例中，光波导还具有沿垂直于n型衬底层的z方向依次设置在n型衬底
层上的n型包层、n型波导层、有源层、p型波导层、p型包层和p型掺杂盖层。
11.在一些实施例中，定义n型衬底层所在的平面为x
‑
y面，x方向与y方向垂直；
12.p型掺杂盖层在y方向上的长度小于其他各层，且为沿x方向延伸的条状结构；或者
13.p型掺杂盖层和p型包层的一部分在y方向上的长度小于p型包层的另一部分和其他各层，且为沿x方向延伸的条状结构；或者
14.p型掺杂盖层和p型包层在y方向上的长度小于其他各层，且为沿x方向延伸的条状结构；或者
15.p型掺杂盖层、p型包层和p型波导层的一部分在y方向上的长度小于p型波导层的另一部分和其他各层，且为沿x方向延伸的条状结构。
16.在一些实施例中，光波导沿x方向具有第一侧面和第二侧面，第一侧面形成有高反膜；第二侧面形成有增透膜，构成光波导的出光面。
17.在一些实施例中，高阶非球面快轴准直镜在x方向上具有第一侧面和第二侧面，第一侧面为沿y方向延伸的曲面，第二侧面为沿y方向延伸的平面，该曲面与x
‑
z面相交为曲线，与x
‑
y平面相交为直线；在高阶非球面快轴准直镜的第一侧面和第二侧面形成有增透膜。
18.在一些实施例中，高阶非球面慢轴准直镜在x方向上具有第一侧面和第二侧面，第一侧面靠近高阶非球面快轴准直镜，为沿y方向延伸的平面，第二侧面远离高阶非球面快轴准直镜，为沿z方向延伸的曲面，该曲面与x
‑
y面相交为曲线，与x
‑
z面相交为直线；在高阶非球面慢轴准直镜的第一侧面和第二侧面形成有增透膜。
19.总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：通过半导体激光器平面工艺在激光器光波导前端分别制备出两个高阶非球面介质透镜，对单管器件的激光束快轴和慢轴发散角进行准直，实现高功率边发射半导体激光器的激光束准直输出，同时提高器件的集成度和稳定性。
附图说明
20.图1是本实用新型实施例的边发射半导体激光器的立体示意图；
21.图2是本实用新型实施例的边发射半导体激光器的侧视示意图；
22.图3是本实用新型实施例的边发射半导体激光器的俯视示意图；
23.附图标记说明：101
‑
高反膜，102
‑
光波导，103
‑
增透膜，104
‑
高阶非球面快轴准直镜，105
‑
高阶非球面慢轴准直镜，201
‑
未准直光束，202
‑
快轴准直光束，203
‑
快慢轴准直光束，301
‑
p面电极，302
‑
p型掺杂盖层，303
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p型包层，304
‑
p型波导层，305
‑
有源层，306
‑
n型波导层，307
‑
n型包层，308
‑
n型衬底层，309
‑
n面电极。
具体实施方式
24.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
25.如图1至3所示，本实用新型实施例的边发射半导体激光器包括光波导102、高阶非
球面快轴准直镜104和高阶非球面慢轴准直镜105。光波导102包括n型衬底层308和沿垂直于n型衬底层308的z方向依次设置在n型衬底层308上的n型包层307、n型波导层306、有源层305、p型波导层304、p型包层303和p型掺杂盖层302。定义n型衬底层308所在的平面为x
‑
y面，x方向与y方向垂直。
26.p型掺杂盖层302在y方向上的长度小于其他各层，且为沿x方向延伸的条状结构。在一些实施方式中，p型掺杂盖层302和p型包层303的一部分在y方向上的长度小于p型包层303的另一部分和其他各层，且为沿x方向延伸的条状结构。在一些实施方式中，p型掺杂盖层302和p型包层303在y方向上的长度小于其他各层，且为沿x方向延伸的条状结构。在一些实施方式中，p型掺杂盖层302、p型包层303和p型波导层304的一部分在y方向上的长度小于p型波导层304的另一部分和其他各层，且为沿x方向延伸的条状结构。
27.在一些实施方式中，光波导102沿x方向具有第一侧面和第二侧面，第一侧面形成有高反膜101，第二侧面形成有增透膜103，构成光波导102的出光面。
28.高阶非球面快轴准直镜104在x方向上具有第一侧面和第二侧面，第一侧面为沿y方向延伸的曲面，第二侧面为沿y方向延伸的平面。在一些实施例中，该曲面与x
‑
z面相交为曲线，与x
‑
y平面相交大致为直线。在高阶非球面快轴准直镜104的第一侧面和第二侧面形成有增透膜。在一些实施例中，高阶非球面快轴准直镜104的第一侧面相对于第二侧面更靠近光波导102的出光面。在一些实施例中，高阶非球面快轴准直镜104的第二侧面相对于第一侧面更靠近光波导102的出光面。
29.高阶非球面慢轴准直镜105在x方向上具有第一侧面和第二侧面，第一侧面靠近高阶非球面快轴准直镜104，为沿y方向延伸的平面，第二侧面远离高阶非球面快轴准直镜104，为沿z方向延伸的曲面。在一些实施例中，该曲面与x
‑
y面相交为曲线，与x
‑
z面相交大致为直线。在高阶非球面慢轴准直镜105的第一侧面和第二侧面形成有增透膜。
30.在一些实施例中，高阶非球面快轴准直镜104和高阶非球面慢轴准直镜105均形成在n型衬底层308上。
31.本实用新型实施例的边发射半导体激光器还包括形成在n型衬底层308上的n面电极309和形成在p型掺杂盖层302上的p面电极301。
32.工作时，光波导102作为边发射半导体激光器的主体，提供20～30瓦级高功率激光，即未准直光束201，高阶非球面快轴准直镜104对该椭圆激光束的快轴发散角进行准直，此时由于激光束传输很短距离(1
‑
5微米)，其快轴方向扩展很小，经过快轴准直后光束能量更集中，得到快轴准直光束202，再通过高阶非球面慢轴准直镜105对激光束的慢轴发散角进行准直，获得高功率的准直激光束输出，即快慢轴准直光束203。
33.本专利的目的是解决高功率边发射半导体激光器外腔准直方案稳定性差，成本高的问题。通过采用高阶非球面介质透镜集成化制备技术，利用等离子耦合干法刻蚀和高质量介质膜沉积技术，制备出横向和侧向的曲面刻蚀沟槽，并在沟槽中沉积光学介质材料，在同一衬底上构建片上集成的快轴和慢轴准直透镜，利用高阶非球面透镜损伤阈值高的特性，实现高功率激光束的快、慢轴准直，获得高功率准直激光束，实现透镜单片集成边发射半导体激光器的激光束准直输出，同时提高器件的集成度和稳定性。
34.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改
进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。