一种高功率单横模半导体激光器及其控制方法与流程

1.本发明属于半导体器件领域，更具体地，涉及一种高功率单横模半导体激光器及其控制方法。


背景技术：

2.半导体激光器具有成本低、体积小、可批量生产等优势，已经成为广大应用领域中的核心组成部分。其中，具有良好远场特型的大功率半导体激光器受到广泛关注，在泵浦光源、材料加工、生物医学、自由空间光通信以及激光雷达等领域发挥着至关重要的作用。在提高激光器输出光功率同时保证单模特性是提升远场特性的一个重要研究方向。
3.在横向和纵向上加宽有源区是提高输出功率最常用的方法，但为保证激光器的单横模特性通常需要设计模式滤波器滤除高阶模式，例如锥形波导结构，耦合波导结构。采用激光器阵列是提高激光器输出光功率的另外一种手段，通过将多个激光器集成在一起，能有效提高激光功率，但激光器阵列支持多种空间模式，为了保证激光器单横模特性，需采用泄露模耦合的反导波导或是超对称激光器阵列，以滤除高阶模式，改善激光器的远场特性。但上述方法结构复杂，难以扩展到更大规模的激光器阵列，限制了激光器阵列输出光功率的进一步提升。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高功率单横模大规模半导体激光器阵列及其控制方法，其目的在于利用基模和高阶模耦合系数的不同，通过宇称-时间对称性滤除高阶模，实现单横模激射，改善阵列激光器的远场特性。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种高功率单横模半导体激光器，其特征在于，包括依次叠设的n面电极、n型衬底、下限制层、多量子阱有源区、上限制层、p型上包层、p型波导层和p面电极，其中，
6.所述p型波导层包括第一脊波导阵列和第二脊波导阵列，所述第一脊波导阵列和所述第二脊波导阵列呈轴对称，所述p面电极包括相互绝缘的第一电极和第二电极，所述第一电极覆盖于所述第一脊波导阵列上，所述第二电极覆盖于所述第二脊波导阵列上，所述第一脊波导阵列和所述第二脊波导阵列相互耦合，且具有基模耦合系数κ0和一阶模耦合系数κ1，所述第一脊波导阵列用于增大有源区面积以提高激光器的输出光功率，所述第一脊波导阵列为增益波导阵列且具有增益系数γa，所述第二脊波导阵列用于滤除脊波导阵列中的高阶模式，所述第二脊波导阵列为损耗波导阵列且具有损耗系数γb，所述第一脊波导的增益系数γa和所述第二脊波导的损耗系数γb独立可调且满足κ0《(γ
a-γb)/2《κ1。
7.优选地，还包括形成与第一脊波导阵列和第二脊波导阵列之间的离子注入区，所述离子注入区用于在第一脊波导阵列和第二脊波导阵列之间形成绝缘区，避免第一脊波导阵列和第二脊波导阵列注入电流相互影响，以使第一脊波导的增益系数γa和所述第二脊波导的损耗系数γb独立可调。
8.优选地，所述第一电极和所述第二电极分别接入不同的电流，接入第一电极的电流用于调整第一脊波导阵列的增益系数，接入第二电极的电流用于调整第二脊波导阵列的损耗系数。
9.按照本发明的另一方面，提供了一种高功率单横模半导体激光器控制方法，其包括：
10.提供半导体结构，所述半导体结构包括依次叠设的n面电极、n型衬底、下限制层、多量子阱有源区、上限制层、p型上包层、p型波导层和p面电极，其中，所述p型波导层包括第一脊波导阵列和第二脊波导阵列，所述第一脊波导阵列和所述第二脊波导阵列呈轴对称，所述p面电极包括相互绝缘的第一电极和第二电极，所述第一电极覆盖于所述第一脊波导阵列上，所述第二电极覆盖于所述第二脊波导阵列上，所述第一脊波导阵列用于增大有源区面积以提高激光器的输出光功率，所述第二脊波导阵列用于滤除脊波导阵列中的高阶模式；
11.控制所述第一脊波导阵列和所述第二脊波导阵列相互耦合，且具有基模耦合系数κ0和一阶模耦合系数κ1；
12.控制所述第一脊波导阵列为增益波导阵列且具有增益系数γa；控制所述第二脊波导阵列为损耗波导阵列且具有损耗系数γb；所述第一脊波导的增益系数γa和所述第二脊波导的损耗系数γb独立可调且满足κ0《(γ
a-γb)/2《κ1。
13.优选地，控制所述第一脊波导阵列为增益波导阵列且具有增益系数γa，包括：向第一电极施加电流以控制所述第一脊波导阵列的增益系数γa，所述控制所述第二脊波导阵列为损耗波导阵列且具有损耗系数γb；包括，向第二电极施加电流以控制所述第二脊波导阵列的损耗系数γb。
14.优选地，向第一电极施加的电流为正向偏置电流，向第二电极施加的电流为反向偏置电流。
15.优选地，向第一电极施加正向偏置电流大于半导体激光器激发激光的阈值电流。
16.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，p型波导层包括脊波导阵列，该脊波导阵列结构可增大有源区的面积，从而提高激光器的输出光功率。同时，p型波导层具体包括两个对称的脊波导阵列，两个脊波导阵列之间存在耦合，其中一个波导阵列的增益系数γa与另一个波导阵列的损耗系数γb满足κ0《(γ
a-γb)/2《κ1，其中，(γ
a-γb)/2小于一阶耦合系数，使高阶模保持宇称-时间对称性，均匀分布于两组阵列之间，既无增益又无损耗不能激射，由此滤除高阶模。且，(γ
a-γb)/2大于基模耦合系数，使基模打破宇称-时间对称性，分裂成两个模式，其中一个模式有损耗不能激射，另外一个模式有增益可以激射，从而实现单横模激射，改善阵列激光器的远场特性。上述方法设计简单，可以很容易的扩展到更大规模的激光器阵列。此外，该方案无需特殊外延结构，通过一次外延和普通的光刻即可完成，制备简单，生产成本低。
附图说明
17.图1为本发明一实施例提供的高功率单横模半导体激光器结构示意图；
18.图2为本发明一实施例提供的单横模激射的增益及损耗调谐范围；
19.图3为本发明一实施例提供的单横模激射的模场分布图；
20.图4为本发明一实施例提供的单横模激射的光场远场分布图。
具体实施方式
21.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明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。
22.如图1所示为高功率单横模半导体激光器的结构剖面图，其包括：n面电极1，n型衬底2，下限制层3，多量子阱有源区4，上限制层5，p型上包层6，p型波导层8，p面电极9。其中，p型波导层8包括两组脊波导阵列，分别为第一脊波导阵列和第二脊波导阵列，第一脊波导阵列和第二脊波导阵列呈轴对称。对应的，p面电极9也包括相互绝缘的第一电极和第二电极，第一电极覆盖于第一脊波导阵列上，第二电极覆盖于第二脊波导阵列上。位于第一电极下方的半导体结构构成一谐振腔，位于第二电极下方的半导体结构构成另一谐振腔，两谐振腔相互耦合，且不同模式的耦合系数不同，一阶模耦合系数κ1高于基模耦合系数κ0。其中，第一脊波导阵列用于增大有源区面积以提高激光器的输出光功率，第一脊波导阵列被调控为增益波导且具有增益系数γa，所述第二脊波导阵列用于滤除脊波导阵列中的高阶模式，第二脊波导阵列被调控为损耗系数且具有损耗系数γb，其中，一阶模耦合系数κ1、基模耦合系数κ0、增益系数γa和损耗系数γb满足κ0《(γ
a-γb)/2《κ1。
23.两组脊波导阵列之间存在耦合，该激光器阵列不同模式的传播常数可以表示为：
[0024][0025]
其中，βm是不同模式的传播常数，γa和γb分别为两个脊波导阵列的增益系数和损耗系数，κm是不同模式的耦合系数，其中高阶模的耦合系数高于低阶模的耦合系数。申请人发现，当(γ
a-γb)/2《κm时，m阶模保持宇称-时间对称性，均匀分布于两组阵列之间，既无增益又无损耗不能激射。当(γ
a-γb)/2》κm时，m阶模打破宇称-时间对称性，分裂成两个模式，其中一个模式有损耗不能激射，另外一个模式有增益可以激射。因此，通过设计合适的耦合系数，增益系数和损耗系数，使其满足κ0《(γ
a-γb)/2《κ1。基模即可打破宇称-时间对称性实现激射，而其余高阶模式仍然保持宇称-时间对称不能激射，从而实现单横模激射。
[0026]
在一实施例中，如图1所示，上述高功率单横模半导体激光器还包括离子注入区7，离子注入区7位于两组脊波导阵列中间的p型上包层。通过质子注入形成绝缘区，避免两个谐振腔注入电流相互影响，保证两个谐振腔的增益系数和耦合系数独立可调。
[0027]
在一实施例中，所述第一电极和所述第二电极分别接入不同的电流，接入第一电极的电流用于调整第一脊波导阵列的增益系数，接入第二电极的电流用于调整第二脊波导阵列的损耗系数。当激光器处于工作状态时，其中第一电极大电流注入提供增益，第二电极小电流注入或反向偏置，提供损耗。通过控制注入电流即可控制增益系数和损耗系数。
[0028]
在一实施例中，两组脊波导阵列相互对称，各组脊波导阵列中的波导宽度相同。在一实施例中，各组脊波导阵列中的波导间隔相同。在一具体的实施例中，各组脊波导阵列的阵列数n＝18，波导宽度均为1.2微米，波导间隔为0.8微米，刻蚀深度为2微米。对应的两组
脊波导阵列的增益系数及损耗系数的调谐范围如图2所示，说明激光器阵列在较大范围内均能实现单横模激射。图3为实施例中激光器阵列基于上述优选参数的模场分布图。本发明实施例中仅基模打破了宇称-时间对称性，分裂成两个模式，其中一个模式分布于损耗波导阵列不能激射，一个模式分布于增益波导阵列可以激射。其余模式均保持宇称-时间对称性，均匀分布于增益波导阵列和损耗波导阵列不能激射。因此，本发明实施例中的激光器阵列实现了单横模激射。其远场分布特性如图4所示，慢轴远场发散角半高全宽为1.8
°
，快轴远场发散角半高全宽为40
°
。需要说明的是，上述参数是本发明优选实施例的参数，但不局限于上述参数，也可以是其它波导宽度，波导间隔和刻蚀深度。
[0029]
本技术还涉及一种高功率单横模半导体激光器控制方法，其包括：
[0030]
步骤s100：提供半导体结构，所述半导体结构包括依次叠设的n面电极、n型衬底、下限制层、多量子阱有源区、上限制层、p型上包层、p型波导层和p面电极，其中，所述p型波导层包括第一脊波导阵列和第二脊波导阵列，所述第一脊波导阵列和所述第二脊波导阵列呈轴对称，所述p面电极包括相互绝缘的第一电极和第二电极，所述第一电极覆盖于所述第一脊波导阵列上，所述第二电极覆盖于所述第二脊波导阵列上，所述第一脊波导阵列用于增大有源区面积以提高激光器的输出光功率，所述第二脊波导阵列用于滤除脊波导阵列中的高阶模式；。
[0031]
如图1所示，提供半导体结构，其包括：n面电极1，n型衬底2，下限制层3，多量子阱有源区4，上限制层5，p型上包层6，p型波导层8，p面电极9。其中，p型波导层8包括两组脊波导阵列，分别为第一脊波导阵列和第二脊波导阵列，第一脊波导阵列和第二脊波导阵列呈轴对称。对应的，p面电极9也包括相互绝缘的第一电极和第二电极，第一电极覆盖于第一脊波导阵列上，第二电极覆盖于第二脊波导阵列上。位于第一电极下方的半导体结构构成一谐振腔，位于第二电极下方的半导体结构构成另一谐振腔，两谐振腔相互耦合。以上半导体结构参照上文介绍，在此不再赘述。
[0032]
步骤s200：控制所述第一脊波导阵列和所述第二脊波导阵列相互耦合，且具有基模耦合系数κ0和一阶模耦合系数κ1；控制所述第一脊波导阵列为增益波导阵列且具有增益系数γa；控制所述第二脊波导阵列为损耗波导阵列且具有损耗系数γb；所述第一脊波导的增益系数γa和所述第二脊波导的损耗系数γb独立可调且满足κ0《(γ
a-γb)/2《κ1。
[0033]
具体的，向第一电极施加电流以控制所述第一脊波导阵列的增益系数γa，向第二电极施加电流以控制所述第二脊波导阵列的损耗系数γb。其中，向第一电极施加的电流为正向偏置电流，向第二电极施加的电流为反向偏置电流，向第一电极施加正向偏置电流大于半导体激光器激发激光的阈值电流。
[0034]
在本技术中，p型波导层包括脊波导阵列，该脊波导阵列结构可增大有源区的面积，从而提高激光器的输出光功率。同时，p型波导层具体包括两个对称的脊波导阵列，两个脊波导阵列之间存在耦合，其中一个波导阵列的增益系数γa与另一个波导阵列的损耗系数γb满足κ0《(γ
a-γb)/2《κ1，其中，(γ
a-γb)/2小于一阶耦合系数，使高阶模保持宇称-时间对称性，均匀分布于两组阵列之间，既无增益又无损耗不能激射，由此滤除高阶模。且，(γ
a-γb)/2大于基模耦合系数，使基模打破宇称-时间对称性，分裂成两个模式，其中一个模式有损耗不能激射，另外一个模式有增益可以激射，从而实现单横模激射，改善阵列激光器的远场特性。上述方法设计简单，可以很容易的扩展到更大规模的激光器阵列。此外，该
方案无需特殊外延结构，通过一次外延和普通的光刻即可完成，制备简单，生产成本低
[0035]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。