[发明专利]一种高阶表面光栅面发射半导体激光器

说明书

本发明公开了一种高阶表面光栅面发射半导体激光器，包括依次设置的表面金属电极层，脊波导层，p型掺杂包层，光栅层，p型掺杂光限制层，量子阱或量子点有源区，n型掺杂光限制层和衬底层；在光栅层分布有一阶光栅；在一阶光栅上方且在谐振腔中央分布有用于将沿着水平方向谐振的光能量耦合到垂直方向上输出的高阶表面光栅。位于光栅层上方，激光器谐振腔中央的长度为(9‑100)微米的高阶表面光栅。高阶表面光栅将激光器谐振腔中的行波模耦合成为辐射模，实现激光的表面输出。激光器表面输出光与标准单模光纤纤芯进行直接耦合。并在高阶表面光栅中央引入一段中央相移，可以使高阶表面光栅面发射激光器与标准单模光纤具有超过50％的耦合效率。

技术领域

本发明属于光通信器件技术领域，更具体地，涉及一种高阶表面光栅面发射半导体激光器。

背景技术

半导体激光器通常被用在用于电信和数据通信网络的光学收发器中。现在光通信领域普遍使用的激光器是边发射激光器。边发射激光器是指激光器的出光方向平行于有源层(半导体激光器的一个特征层)，即在水平方向上，由端面出光。边发射激光器的光束发散角大，光斑通常为椭圆形，与光纤的耦合效率低，通常需要透镜或其他分立光学元件耦合到光纤，而且在测试时需要解理成bar条，测试成本高。与边发射激光器不同的另一种类型的激光器是面发射激光器。面发射激光器的出光方向垂直于激光器的有源层，在垂直方向上出光，即由表面出光。面发射激光器具有光束发散角小，圆形光斑出射，与光纤耦合效率高等优点，且能直接在晶圆片上完成测试，降低了制造成本，改善了激光器性能。此外，近年来光子芯片技术迅猛发展，面发射激光器十分适合形成二维激光器阵列及在光子芯片中使用。光子芯片时代即将来临，因此面发射激光器的开发与研制具有十分重大的意义。

面发射激光器主要有两种，一种是垂直腔面发射激光器，简称为VCSEL，另一种是光栅耦合表面发射激光器，简称为GSE-DFB。VCSEL由于材料上的限制，目前看来无法在光通信波长：1310nm与1550nm波段处使用。因此在光通信领域，最主要的面发射激光器是光栅耦合表面发射激光器。光栅耦合表面发射激光器的结构一般是基于传统的DFB激光器结构。传统的DFB激光器实现高性能发光的核心是其具有一段布拉格反馈光栅，这段光栅会单独构成DFB激光器中的一个层，称为光栅层。布拉格光栅的光栅周期与激光器的工作波长之间满足布拉格方程，光栅周期为布拉格光栅周期N倍的光栅称为N阶光栅。光栅耦合表面发射激光器正是通过在DFB激光器中引入N阶光栅的方法来实现表面发射。传统的光栅耦合表面发射半导体激光器通常采用的是二阶光栅来实现表面发射。对应于1550nm光通信波段的光栅耦合表面发射激光器，二阶光栅的周期在480nm左右。光栅周期小于500nm的光栅，目前在制作上比较困难，成本高昂且效率低下，对制作技术要求极高，不适于大规模工业化生产。因此制作上的困难限制了二阶光栅耦合表面发射激光器的大规模应用。这同时也限制了光栅耦合表面发射激光器的商业化进程。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高阶表面光栅面发射半导体激光器，旨在解决现有光栅耦合表面发射半导体激光器由于光栅周期短，光栅的刻蚀深度受到较大限制，不利于提高激光器的输出功率的问题。

本发明提供了一种高阶表面光栅面发射半导体激光器，包括：依次设置的表面金属电极层，脊波导层，p型掺杂包层，光栅层，p型掺杂光限制层，量子阱或量子点有源区，n型掺杂光限制层和衬底层；在所述光栅层分布有用于实现激光器的谐振和单模激射的一阶光栅；在所述一阶光栅上方分布有用于将沿着水平方向谐振的光能量耦合到垂直方向上输出的高阶表面光栅；水平方向是指激光器的光谐振方向，垂直方向是指与水平方向垂直的方向；谐振腔是指光波在其中来回反射从而提供光能反馈的腔，是激光器的必要组成部分，通常由工作介质和两端面反射镜构成。