[发明专利]一种实现高亮度水平远场单瓣分布的光子晶体激光器阵列

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种实现高亮度水平远场单瓣分布的光子晶体激光器阵列。

背景技术

半导体激光器的电光转化效率较高，具有覆盖波段范围广、寿命长、能直接调制、体积小、成本低等优点。其中，边发射半导体激光器阵列在高效率、大功率激光输出方面有着极大的优势，室温下单个激光器巴条连续输出功率已超过百瓦，激光器堆叠输出功率也超过了千瓦。但是其水平方向(平行于pn结平面的方向)的远场特性却不佳，一般表现为双瓣分布，远场发散角很大，降低了激光的亮度。这极大地限制了边发射半导体激光器阵列在很多领域的直接应用。

边发射半导体激光器阵列的水平远场双瓣现象来源于器件内部的模式竞争。在激光器阵列的水平方向上存在很多个模式，因为反相模损耗最低，与增益区的交叠最大，所以在所有模式中占主导地位且最稳定的模式是反相模。反相模在相邻波导的场分布为反相(即相位相差π)，正是这一模场分布决定了器件的远场分布为双瓣。国际上有研究小组通过一些特定的结构改变反相模的模场分布来获得单瓣的远场，包括采用外腔波片，在腔面上镀不均匀的膜，以及集成弯折波导阵列等，但这些结构或方法要么工艺复杂，稳定性差，集成度低，要么兼容度不高，损耗大。获得一种兼具有高功率、窄发散角和高稳定性、高集成度的边发射半导体激光器阵列结构，是大家目前努力的重要方向。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种实现高亮度水平远场单瓣分布的光子晶体激光器阵列，通过光子晶体调制相位的功能来解决边发射激光器阵列输出远场为双瓣且发散角大的问题，实现输出高亮度单瓣远场激光的目的。

(二)技术方案

本发明提出一种光子晶体激光器阵列，包括两组交替排列的波导：第一波导和第二波导，沿该第一波导和第二波导的传播方向分为三个部分：模式耦合区、光子晶体区和发射区，其中，所述模式耦合区用于产生阵列中相邻波导之间相互耦合的激光模式，并通过模式之间的竞争来输出稳定的反相模式；所述光子晶体区用于通过折射率的周期性变化，对所述模式耦合区中输出的反相模式进行相位调制，使其在相邻波导之间的相位差从180°降低至90°以内，从而将反相模式转换成同相位分布的模式；所述发射区用于将所述光子晶体区中输出的同相位分布的模式从激光器腔面稳定输出，产生一个单瓣远场图案。

根据本发明的具体实施方式，所述激光器阵列具有叠层结构，所述叠层结构包括：下电极；形成于该下电极之上的N型衬底；形成于该N型衬底之上的N型限制层；形成于该N型限制层之上的有源层；形成于该有源层之上的P型限制层；形成于该P型限制层之上的P型盖层；形成于该P型盖层之上的SiO₂绝缘层；以及形成于该SiO₂绝缘层之上的上电极，其中，所述第一波导和第二波导是由刻蚀P型盖层的整个厚度和P型限制层的部分厚度形成。

根据本发明的具体实施方式，所述有源层采用的材料为III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料，增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。

根据本发明的具体实施方式，所述模式耦合区的波导上通过刻蚀或腐蚀所述SiO₂绝缘层形成电极窗口。

根据本发明的具体实施方式，所述模式耦合区的长度超过光子晶体区长度的两倍。

根据本发明的具体实施方式，所述第一波导在模式耦合区、光子晶体区和发射区内为均一宽度的第一条形波导；所述第二波导在模式耦合区和发射区内为均一宽度的第二条形波导，在光子晶体区内则包含两个锥形波导和一个第三条形波导。

根据本发明的具体实施方式，所述第二条形波导的宽度与第一条形波导的宽度相同，比第三条形波导的宽度大，且通过锥形波导和第三条形波导相连。

根据本发明的具体实施方式，所述锥形波导的长度不超过光子晶体区长度的十分之一。

根据本发明的具体实施方式，所述第三条形波导的长度L由如下公式决定：L＝Δψ·λ/(2π·Δn)，其中Δψ为通过光子晶体区的调制在第一波导和第二波导的光场之间产生的相移，Δn为在光子晶体区内，第一波导和第二波导中传播的光场之间的有效折射率差。

根据本发明的具体实施方式，所述相移Δψ的范围在(mπ-π/2)～mπ之间，其中m为奇数。

(三)有益效果