半导体激光器腔面损伤阈值提升方法及半导体激光器与流程

本发明半导体激光器器件设计，特别涉及一种半导体激光器腔面损伤阈值提升方法及半导体激光器。

背景技术：

1、半导体激光器凭借体积小、重量轻、可集成度高等优势，在通信、工业、医疗等领域获得了广泛应用。随着高端装备产业的不断升级，市场对半导体激光器的输出功率要求不断提高。然而，腔面光学损伤始终是大功率半导体激光器最主要的失效形式，严重制约了器件输出功率和可靠性的进一步提升。

2、在现有的直波导、端发射、电泵浦型半导体激光器中，腔面过热是导致腔面材料烧蚀和器件永久性损坏的直接原因。尤其是在长波红外量子级联激光器中，腔面镀膜对长波红外量子级联激光器具有极强的吸收，是目前限制其功率提升最主要的原因。具体而言，该热失控过程主要由光致热效应与电致热效应双重热源耦合驱动：

3、一方面，腔面区域存在显著的光致热效应。激光器经解理形成的腔面存在固有的表面缺陷态，且为了改善出射耦合而在腔面沉积的镀膜材料本身也存在光学吸收。当激光在传统的等截面直波导中传播至发射端面时，由于直波导截面积较小，腔面处的光功率密度极高。高密度的光场在腔面处被强烈吸收并转化为热能，导致腔面局部温度急剧升高。

4、另一方面，腔面区域存在严重的电致热效应。在传统的半导体激光器结构中，电流注入区域通常覆盖至靠近发射端面的区域；即使在某些采用简单锥形波导扩大模场的现有方案中，由于波导宽度在端面附近增大，若未对电流注入进行有效的物理隔离，注入电流极易在半导体材料内部发生横向扩散（即电流弥散效应），蔓延至靠近腔面的区域。电流在腔面附近的弥散和持续注入会产生严重的焦耳热，进一步加剧了腔面区域的热量累积。

5、上述光致热效应与电致热效应在腔面区域相互叠加，导致腔面热量过度累积。更为严重的是，腔面温度的升高会引起半导体材料带隙收缩，进而导致腔面区域的光学吸收系数进一步增大；光吸收的增大又会产生更多的热量，从而形成“温度升高-带隙收缩-吸收加剧-温度再升高”的恶性正反馈，即热失控效应。当热量累积超过材料的承受极限时，将直接烧蚀腔面材料，造成灾变性光学损伤，导致器件永久性损坏。

6、针对腔面光学损伤问题，现有技术主要采用腔面镀膜、表面钝化、量子阱混杂、非吸收窗口设计等方法。然而，这些方法存在显著局限性：对激光器类型与工作波段依赖性强，对量子级联激光器、带间级联激光器等新型半导体激光器适用性差；在长波红外波段，常用镀膜材料的光学吸收急剧增大，效果显著下降；单一技术手段对腔面损伤阈值的提升幅度有限，难以满足日益增长的高功率应用需求。更重要的是，上述现有技术大多属于“被动散热”思路，即在热量已经产生后试图通过外部手段将热量导走，而未从源头调控腔面区域的热量产生机制，因此难以从根本上解决腔面过热问题。

7、因此，亟需一种不依赖特定激光器类型、工作波长和材料体系的通用型方法，通过从源头抑制腔面区域的光致加热和电致加热效应，有效提升半导体激光器的腔面光学损伤阈值，解决腔面过热导致的腔面材料烧蚀和器件永久性损坏问题。

技术实现思路

1、本发明的实施例提供了一种半导体激光器腔面损伤阈值提升方法及半导体激光器，旨在解决现有技术下的半导体激光器腔面过热导致腔面材料烧蚀、器件永久性损坏的技术问题。

2、第一方面，本发明提供了一种半导体激光器腔面损伤阈值提升方法，应用于直波导、端发射、电泵浦型半导体激光器，所述半导体激光器包括直波导段和位于所述直波导段一端的发射端面，所述方法包括：在所述发射端面一侧设置渐变波导段；将所述渐变波导段与所述直波导段的光传播方向末端相连，所述渐变波导段光传播方向末端设有出射端面，所述渐变波导段的宽度沿光传播方向从与所述直波导段等宽逐渐展宽至所述出射端面的宽度，所述出射端面的宽度大于所述直波导段宽度的；在所述渐变波导段与所述直波导段之间刻蚀电隔离凹槽，所述电隔离凹槽的刻蚀深度达到所述半导体激光器的包层；将电流注入区域限制在所述直波导段内。

3、第二方面，本发明提供了一种半导体激光器，所述半导体激光器采用如上所述的半导体激光器腔面损伤阈值提升方法制备得到，所述半导体激光器包括：直波导段；渐变波导段，位于所述直波导段的光输出端一侧，所述渐变波导段的宽度沿光传播方向从与所述直波导段等宽逐渐展宽至出射端面宽度；电隔离凹槽，设置于所述渐变波导段与所述直波导段之间，所述电隔离凹槽的刻蚀深度达到包层；其中，电流注入区域限制设于所述直波导段内，所述渐变波导段无电流直接注入。

4、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

5、在本发明的技术方案中，半导体激光器腔面损伤阈值提升方法应用于直波导、端发射、电泵浦型半导体激光器。该方法在激光器发射端面一侧设置渐变波导段，渐变波导段与直波导段的光传播方向末端相连，其宽度沿光传播方向从与直波导段等宽逐渐展宽至更大的出射端面宽度；在渐变波导段与直波导段之间刻蚀电隔离凹槽，凹槽深度达到半导体激光器的包层；同时将电流注入区域限制在直波导段内，使渐变波导段无电流直接注入。该方法可显著减少腔面区域由于光学吸收而产生的热量密度和由于电流扩散而产生的热量，显著提升腔面光学损伤阈值，有效解决腔面过热导致的材料烧蚀和器件永久性损坏问题。

1.一种半导体激光器腔面损伤阈值提升方法，应用于直波导、端发射、电泵浦型半导体激光器，所述半导体激光器包括直波导段和位于所述直波导段一端的发射端面，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的半导体激光器腔面损伤阈值提升方法，其特征在于，所述渐变波导段的宽度展宽轮廓为线性锥形、抛物线形、指数形或分段线性渐变中的一种。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器腔面损伤阈值提升方法，其特征在于，所述渐变波导段的长度通过以下方式确定：

4.根据权利要求1所述的半导体激光器腔面损伤阈值提升方法，其特征在于，所述出射端面宽度通过以下方式确定：

5.根据权利要求1所述的半导体激光器腔面损伤阈值提升方法，其特征在于，所述将电流注入区域限制在所述直波导段内，具体包括：

6.根据权利要求1所述的半导体激光器腔面损伤阈值提升方法，其特征在于，所述方法还包括：

7.根据权利要求1所述的半导体激光器腔面损伤阈值提升方法，其特征在于，所述方法还包括：

8.根据权利要求3所述的半导体激光器腔面损伤阈值提升方法，其特征在于，所述电隔离凹槽设置于所述电流注入窗口截止位置之后20μm至30μm处。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的半导体激光器腔面损伤阈值提升方法，其特征在于，所述半导体激光器为量子级联激光器、量子阱激光器、带间级联激光器或量子点激光器中的任意一种；所述半导体激光器的工作波段包括紫外至远红外波段；所述半导体激光器的工作模式包括连续波工作模式或脉冲工作模式。

10.一种半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器采用如权利要求1至9中任一项所述的半导体激光器腔面损伤阈值提升方法制备得到，所述半导体激光器包括：