一种集成超透镜的锥形半导体激光器的制作方法

1.本发明涉及一种集成超透镜的锥形半导体激光器,属于半导体激光器技术领域。


背景技术：

2.半导体激光器具有重量轻、体积小、成本低、便于集成等许多优点，目前半导体激光器在材料加工、通信、军事、医疗等诸多领域被广泛应用。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，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。
3.在一些兼具较高光束质量和高输出功率的激光器结构设计中，锥形激光器具有结构简单和工艺难度低的优势。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的锥形增益部分，在4到6度的大锥角下实现高功率较高光束质量激光输出的锥形激光器已有相关报道。然而大的增益锥角一方面使得光在锥形增益放大部分中变为近乎自由传播的发散光，极大的增加了侧向远场发散角，1/e2能量下其全宽通常在10
°
以上，需要结合复杂的光束整形才能进行应用，阻碍了其应用领域的拓展，另一方面极大的加宽了输出端面的侧向孔径，更易导致侧向多模激射，进而造成光束质量的下降。
4.因此，有必要提出一种集成超透镜的锥形半导体激光器，使其具有良好的综合性能：能够大幅度的减小水平方向发散角，改善半导体激光器光束质量，提高激光输出功率，实现稳定的侧向模式输出。
5.综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种集成超透镜的锥形半导体激光器，可以大幅度降低水平方向发散角，改善半导体激光器光束质量，提高激光输出功率，实现稳定的侧向模式输出。
7.为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：一种集成超透镜的锥形半导体激光器，包括锥形结构，所述锥形结构包括窄脊形波导部分、与窄脊形波导部分相连的锥形增益放大部分；还包括超透镜，所述超透镜设置在锥形增益放大部分远离窄脊形波导部分的一端；所述超透镜包括若干个纵向低折射率单元和若干个剩余纵向波导，所述纵向低折射率单元和剩余纵向波导沿锥形增益放大部分宽度方向交替布置。
8.进一步地，所述超透镜中的所有纵向低折射率单元具有相同的折射率，且所述纵向低折射率单元与剩余纵向波导的折射率差值大于0.5。
9.进一步地，还包括外延层结构，所述外延结构包括由下至上依次设置的n型衬底、n
型限制层、n型波导层、有源区、p型波导层、p型限制层和p型接触层；所述超透镜在外延方向跨越有源区。
10.进一步地，所述纵向低折射率单元由一个纵向折射率分区形成；或者，所述纵向低折射率单元由多个成排且间隔设置的纵向折射率分区组成；且在锥形增益放大部分不同位置的纵向低折射率单元中的纵向折射率分区数量相同或者不同。
11.进一步地，所述超透镜的准周期宽度为亚波长量级。
12.进一步地，所述纵向低折射率单元包括纵向低折射率凹槽；所述纵向低折射率凹槽通过沿锥形增益放大部分上表面向下刻蚀形成；所述纵向低折射率凹槽独自形成纵向低折射率单元，或者向所述纵向低折射率凹槽内填充比剩余纵向波导折射率低的材料形成纵向低折射率单元。
13.进一步地，所述纵向低折射率凹槽的深度超过有源区所在深度；在锥形增益放大部分不同侧向位置处的纵向低折射率凹槽的长度、宽度不同。
14.进一步地，所述锥形结构设置在外延层结构设有p型接触层的一面；所述锥形增益放大部分远离窄脊形波导部分的端面为激光器的前腔面；所述窄脊形波导部分远离锥形增益放大部分的端面为锥形半导体激光器的后腔面；所述锥形增益放大部分的宽度沿出光方向逐渐增大。
15.进一步地，所述窄脊形波导部分的宽度不大于锥形增益放大部分突变处产生侧向高阶模的截止宽度；所述窄脊形波导部分形成折射率导引结构；所述锥形增益放大部分两侧的接触层被刻蚀掉形成增益导引，或者锥形增益放大部分与窄脊形波导部分刻蚀同样深度形成折射率导引结构。
16.进一步地，所述前腔面外镀有增透膜，反射率小于1%；所述后腔面外镀高反膜并在窄脊形波导部分两侧刻蚀破坏凹槽，或在后腔面内刻蚀dbr光栅。
17.本发明采用以上技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点： (1)本发明超透镜根据侧向位置的不同，对纵向低折射率单元的宽度和长度进行细致的局部调整。不同的长宽分布使得光透过后所改变的相位随侧向位置的改变而改变，进而将锥形增益放大部分的发散光转变为平行光或汇聚光，极大地减小了侧向的远场发散角度。在仅基侧模激射的理想情况下，毫米量级长的锥形波导理论上可获得小于0.9
°
的水平发散角，相比传统锥形激光器下降一个量级。
[0018] (2) 纵向低折射率单元不同的长宽分布，使得光反射率和光损耗随侧向位置的变化而改变，在侧向基模光场主要分布位置有相对高的反射率和相对低的损耗，在侧向高阶模光场主要分布位置有相对低的反射率和相对高的损耗，使锥形腔的高阶模得到抑制，进而获得高光束质量的激光输出。
[0019] (3)光在锥形增益放大部分衍射增益时，存在高级次的衍射峰，其相位与0级衍射峰相位不连续，存在相位的突变，在远场存在干涉相消的现象，降低了远场的光功率。为了克服上述问题，现普遍采取减小锥形增益放大部分锥角的方法，来抑制高级次的衍射峰，但是这极大地减小了锥形增益放大部分的增益面积，限制了光功率的提升。而本发明中，通过
设计高级次的衍射峰位置的超透镜，对其透射光相位进行调整，能够将干涉相消的光转变为干涉相长的光，进而允许器件有更大的锥角和增益面积，大幅度提高器件的输出功率。
[0020]
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图说明
[0021]
图1是本发明所述集成超透镜锥形半导体激光器的结构示意图；图2是本发明所述超透镜的放大结构示意图；图3为图1所示集成超透镜的锥形半导体激光器锥形区一仿真模型的电场模分布示意图；图4为图2所示超透镜附近区域一仿真模型的某一时刻下te模式电场分布示意图；图5为模拟图2所示超透镜的光透射率随纵向低折射率单元长度和宽度变化关系示意图；图6为模拟图2所示超透镜的光反射率随纵向低折射率单元长度和宽度变化关系示意图；图7为模拟图2所示超透镜的光损耗率随纵向低折射率单元长度和宽度变化关系示意图；图8为图1所示集成超透镜的锥形半导体激光器锥形区另一仿真模型的电场模分布示意图；图9为模拟图8所示集成超透镜的锥形半导体激光器水平方向的输出远场示意图；图10为光波经过锥形增益放大部分后的传播示意图；图11为集成超透镜的锥形增益放大部分的俯视示意图；图12为低折射率单元不同长度、宽度下，超透镜所调制的相位示意图。
[0022]
图中，11-后腔面，12-窄脊形波导部分，13-锥形增益放大部分，14-前腔面，15-超透镜，16-纵向低折射率凹槽，17-剩余纵向波导。
具体实施方式
[0023]
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
[0024]
实施例1如图1和图2共同所示，本发明提供一种集成超透镜的锥形半导体激光器，包括：外延层结构、锥形结构和超透镜15，所述外延结构包括由下至上依次设置的n型衬底、n型限制层、n型波导层、有源区、p型波导层、p型限制层和p型接触层。
[0025]
所述锥形结构设置在外延层结构设有p型接触层的一面，所述锥形结构包括窄脊形波导部分12、与窄脊形波导部分12相连的锥形增益放大部分13，所述窄脊形波导部分12远离锥形增益放大部分13的端面为锥形半导体激光器的后腔面11，所述锥形增益放大部分13远离窄脊形波导部分12的端面为锥形半导体激光器的前腔面14；所述锥形增益放大部分13宽度沿出光方向逐渐增大。
[0026]
所述超透镜15设置在锥形增益放大部分13远离窄脊形波导部分12的一端；，所述
超透镜15在外延方向跨越有源区。所述超透镜15包括若干个纵向低折射率单元和若干个剩余纵向波导17；所述纵向低折射率单元和剩余纵向波导17沿锥形增益放大部分13宽度方向交替布置。
[0027]
所述超透镜15中的所有纵向低折射率单元具有相同的折射率，且所述纵向低折射率单元与剩余纵向波导17的折射率差值大于0.5。
[0028]
所述纵向低折射率单元为连续结构，即所述纵向低折射率单元由一个纵向折射率分区形成；或者，纵向低折射率单元为不连续结构，即所述纵向低折射率单元由多个成排且间隔设置的纵向折射率分区组成；且在锥形增益放大部分13不同位置的纵向低折射率单元中的纵向折射率分区数量相同或者不同，该结构可以降低透射损耗和进行模式选择。
[0029]
进一步地，所述纵向低折射率单元包括纵向低折射率凹槽16；所述纵向低折射率凹槽16通过沿锥形增益放大部分13上表面向下刻蚀形成；所述纵向低折射率凹槽16独自形成纵向低折射率单元，或者向所述纵向低折射率凹槽16内填充比剩余纵向波导17折射率低的材料形成纵向低折射率单元。
[0030]
需要说明的是，当纵向低折射率单元由多个纵向折射率分区组成时，所述纵向低折射率凹槽16相应的设置多个，且多个纵向低折射率凹槽16沿成排且间隔设置。
[0031]
所述超透镜15的准周期宽度为亚波长量级，以绕开杂散衍射级的形成，避免其造成的虚焦斑、晕等不利影响。
[0032]
其中，所述纵向低折射率凹槽16的深度超过有源区所在深度；在锥形增益放大部分13不同侧向位置处的纵向低折射率凹槽16的长度、宽度不同。
[0033]
需要说明的是：本技术中锥形增益放大部分13在宽度方向上的位置为侧向位置。
[0034]
所述窄脊形波导部分12的宽度不大于锥形增益放大部分13突变处产生侧向高阶模的截止宽度。
[0035]
优选的，所述窄脊形波导部分12形成折射率导引结构。
[0036]
优选的，所述锥形增益放大部分13两侧的接触层被刻蚀掉形成增益导引，或者锥形增益放大部分13与窄脊形波导部分12刻蚀同样深度形成折射率导引结构。
[0037]
所述锥形增益放大部分13和脊窄脊形波导部分12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。
[0038]
所述前腔面14外镀有增透膜，反射率小于1%；优选的，后腔面11外镀高反膜并在窄脊形波导部分12两侧刻蚀破坏凹槽，或在后腔面11内刻蚀dbr光栅。
[0039]
具体地，所述纵向低折射率凹槽16的长度、宽度随锥形增益放大部分13侧向位置的变化而调整：长度宽度分布一方面使出射光的相位分布满足汇聚条件或平行出射条件，另一方面使侧向基模光场主要分布位置有相对高的反射率和透射率，使侧向高阶模光场主要分布位置有相对低的反射率和相对高的损耗。
[0040]
其中，图10为光波经过锥形增益放大部分后的传播示意图，暂不考虑温度和载流子的影响，锥形增益放大部分13的折射率为常数，无法补偿由光程引起的相位差，将窄脊形波导部分出射的光近似为点光源，则出射波的波前为发散的球面波，这显然会造成远场发散角的增加。
[0041]
为了改变电磁波的透射相位，在靠近出射端面的区域集成超透镜15，在不同侧向
（y方向，也即锥形增益放大部分宽度方向）位置放置一个或多个纵向低折射率单元，每个小单元相当于一个谐振腔，通过改变小单元的尺寸，实现不同的传输相位，如图11所示，为集成超透镜的锥形增益放大部分的俯视图，左边为窄脊形波导部分，中间为锥形增益放大部分和超透镜，中间矩形为纵向低折射率单元，每个小单元的坐标分别取为yi，取锥形增益放大部分入口中心处为相位零点，取该位置的y坐标为，锥形增益放大部分入口到超透镜的距离为l。
[0042]
从锥形增益放大部分入口进入的光波，经过超透镜后的相位变化由 2 个部分组成，第 1 部分为光由锥形增益放大部分入口传输到超透镜所产生的相位变化，可表示为： ，其中为自由空间中的波数，λd为波长，n为锥形增益放大部分在俯视平面的等效折射率，di为不同位置的纵向低折射率单元中心到锥形增益放大部分入口的距离。
[0043]
要使出射光为汇聚光或平行光，最终出射光的相位要满足条件： ，其中，f为焦距（平行光的焦距为∞），n0为外界介质的折射率。
[0044]
然后，可计算出第 2 部分相位变化，即所需由超透镜引起的相位变化为：。而超透镜在某一位置引起的相位变化，取决于该位置低折射率单元的尺寸，如图12所示，颜色深浅反映低折射率单元在其对应长、宽尺寸下时，超透镜所引起的相位变化量。因此，需要依次在每个下，在图12中找到相位变化量与上式计算值相等的点，该些点所对应的横纵坐标，即为可满足上述相位调制的低折射率单元尺寸。
[0045]
进一步的，侧向基模光场主要分布在锥形放大增益部分侧向的中间位置，而侧向高阶模（以1阶模为例）主要分布在两侧（近四分点），因此要使得超透镜在侧向中间位置有相对高的反射率和透射率，侧向两侧有相对低的反射率和相对大的损耗。因此，在设计侧向基膜主要分布位置的低折射率单元尺寸时，需要在满足相位调制的不同低折射率单元尺寸中，根据图5、图6选择透射率和反射率相对高的尺寸；在设计侧向高阶模主要分布位置的低折射率单元尺寸时，需要在满足相位调制的不同低折射率单元尺寸中，根据图6、图7选择反射率相对低且损耗相对高的尺寸。
[0046]
需要说明的是：图5为模拟图2所示超透镜的光透射率随纵向低折射率凹槽长度和宽度变化关系示意图，在低折射率单元宽度较小时，高透射率区域与低透射率区域大致沿长度增长的方向交替排布，随着低折射率单元宽度的增加，该排布向上弯折，且低透射区域的透射率有明显下降。
[0047]
图6为模拟图2所示超透镜的光反射率随纵向低折射率凹槽长度和宽度变化关系示意图，在低折射率单元宽度较小时，高反射率区域与低反射率区域大致沿长度增长的方
向交替排布，随着低折射率单元宽度的增加，该排布向上弯折，且高反射区域的反射率有明显增加，整体上与透射率变化大致相反。
[0048]
图7为模拟图2所示超透镜的光损耗率随纵向低折射率凹槽长度和宽度变化关系示意图，在低折射率单元宽度和长度较小时，光损耗率较小，随着低折射率单元长度和宽度的增加，高损耗与低损耗大致沿垂直于长宽共同增加的方向交替排布。
[0049]
图3所示为本实施例波长980 nm激光器的锥形增益放大部分光场分布一仿真模型示意图，该仿真模型锥形增益放大部分13采用增益导引结构，两侧波导存在损耗，中心波导增益大于损耗；左侧脊窄脊形波导部分12宽度为1.5 μm，满足脊形波导侧向高阶模截止条件，确保近乎仅基侧模入射到锥形增益放大部分13；锥形增益放大部分13的总长为50 μm，全锥角为10
°
，大锥角提了供足够大的光增益面积；右侧超透镜15总宽度为22 μm，大于输出口径宽度，准周期宽度为275 nm，确保相邻的纵向低折射率凹槽16与剩余纵向波导17的te模式光相位无抖折；纵向低折射率凹槽16由表面向内刻蚀制成，长度为0.5 μm
ꢀ‑
2.7 μm ，纵向低折射率凹槽16宽度为66 nm，对不同位置的光子进行针对性地调控，使出射光由发散光转变为平行光或汇聚光（请参阅图4所示），降低远场发散角，并能够确保在侧向基模光场主要分布位置有相对高的反射率和相对低的损耗，在侧向高阶模光场主要分布位置有相对低的反射率和相对高的损耗（请参阅图5、图6及图7所示），使锥形腔的高阶模得到抑制，改善半导体激光器光束质量，提高激光输出功率，实现稳定的侧向模式输出。
[0050]
图8所示为本实施例波长980 nm激光器的锥形增益放大部分光场分布另一仿真模型，该仿真模型锥形增益放大部分采用增益导引结构，左侧窄脊形波导宽度为4 μm，锥形增益放大部分13长度为0.5 mm、全锥角为6
°
；右侧超透镜15总宽度为约100μm，大于输出口径宽度，准周期宽度为275nm，确保相邻的纵向低折射率凹槽16与剩余纵向波导17的te模式光相位无抖折；纵向低折射率凹槽16由表面向内刻蚀制成，长度为0.1μm
ꢀ‑ꢀ
1.535μm ，纵向低折射率凹槽16宽度为66 nm，仿真所得侧向基模的远场发散角小于0.9
°
（请参阅图9所示），较传统器件下降一个量级，降低了激光器水平方向的发散角。并且能够确保在侧向基模光场主要分布位置有相对高的反射率和相对低的损耗，在侧向高阶模光场主要分布位置有相对低的反射率和相对高的损耗（请参阅图5、图6及图7所示），使锥形腔的高阶模得到抑制，改善半导体激光器光束质量，提高激光输出功率，实现稳定的侧向模式输出。
[0051]
需要进一步说明的是：由于侧向远场发散角与出光口径近乎成反比关系，而锥形增益放大部分的长度是出光口径大小的决定因素之一（即锥形增益放大部分越长，出光口径越大，远场发散角越小），该仿真例中锥形增益放大部分的长度较短，仅为500um，侧向发散角已经降至0.81
°
，因此对于普遍在毫米量级的真实器件，侧向远场发散角可小于0.5
°
。
[0052]
需要说明的是，上述仿真模型中远场发散角是通过如下方式获得：1.对出光端面位置的电场分布（图8出光端面处的数据），做傅里叶变化后（如图9），即可求出光在远场归一化的分布情况，进而得到远场发散角（半高宽，即图9中纵轴y=0.5对应的两个点之间的横坐标间距），以上关于远场发散角的获得方式是公知技术，此处不再赘述。
[0053]
以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。