一种高功率锯齿对锥形半导体激光器

技术领域

本发明是一种高功率锯齿对锥形半导体激光器，属于半导体激光器技术领域。

背景技术

半导体激光器由于其结构简单、电光转换效率高、可靠性好、寿命长、体积小、重量轻等优势，被广泛应用于通信信息、工业、生物医学、国防科技、光谱分析、地质勘测及科学研究等各个领域。随着半导体激光器输出功率的不断提升及某些领域的特殊需求，传统的宽条形半导体激光器，虽然其输出功率和转换效率不断提高，但高功率输出时易产生高阶模，导致空间烧孔、自聚焦现象的发生，造成光学灾变损伤(Catastrophic OpticalDegradation，COD)，导致器件的损坏，影响器件的输出光束质量。因此在要求半导体激光器大功率输出的同时，开始关注其输出光束的光束质量，以获得大功率高亮度的半导体激光器。

目前兼具较高光束质量和高输出功率的激光器结构中，锥形激光器是可以有效改光束质量，并且制作出具有近衍射极限光束的半导体激光器。锥形半导体激光器包括一个脊形主振荡区和一个锥形增益放大区。脊形主振荡区作为低功率输出的主振荡激光器，其主要作用是提供基模振荡的输出光。锥形增益放大区的主要作用是对脊形主振荡区产生的基模光进行功率放大，由此实现高功率近衍射极限的输出。锥形半导体激光器存在的问题是：当功率增大到一定程度时，进一步增加注入电流将诱发如自聚焦效应、光丝效应等非线性效应，在锥形波导增益区内产生复杂的高阶模式，致使近场光斑分布不均匀，光束质量急剧下降，进而限制了锥形半导体激光器输出功率的进一步提高；严重地还会引发腔面光学灾变损伤，导致器件失效。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种高功率锯齿对锥形半导体激光器，可以在更好抑制高阶模产生的同时进一步提高对锥形半导体激光器的输出功率，有效改善半导体激光器光束质量，实现稳定的高功率的激光输出。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种高功率锯齿对锥形半导体激光器，包括1#锥形半导体激光器和2#锥形半导体激光器，1#锥形半导体激光器和2#锥形半导体激光器均包括脊形主振荡区与锥形增益放大区，脊形主振荡区与锥形增益放大区紧密相连，脊形主振荡区用于产生近衍射极限的基模光，锥形增益放大区用于将脊形主振荡区出射的近衍射极限的基模光进行放大；

所述1#锥形半导体激光器和2#锥形半导体激光器相对设置，两者的锥形增益放大区末端相接；

所述1#锥形半导体激光器和2#锥形半导体激光器的锥形增益放大区的两侧设有锯齿结构，锯齿结构用于抑制两个锥形增益放大区内产生的高阶模式，实现基模光的高功率近衍射极限的输出。

进一步的，还包括外延层结构，外延层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1#锥形半导体激光器、2#锥形半导体激光器、锯齿结构均制备在P型接触层上。

进一步的，所述脊形主振荡区对一阶侧模的截止宽度为：

进一步的，所述脊形主振荡区的宽度不大于锥形增益放大区突变处产生侧向高阶模的截止宽度，脊形主振荡区的宽度W为2um-6um。

进一步的，所述锥形增益放大区与脊形主振荡区均刻蚀同样深度为0.1um-0.3um；

所述锥形增益放大区与脊形主振荡区刻蚀同样深度形成折射率导引结构。

进一步的，所述锥形增益放大区的基模衍射角为：

；

其中，

进一步的，所述锥形增益放大区的基模衍射角6°-7°。

进一步的，所述锥形增益放大区的锥角为

进一步的，所述脊形主振荡区的长度为Lrw，锥形增益放大区的长度为Ltap，其中Lrw

进一步的，所述1#锥形半导体激光器的脊形主振荡区自由端设有前腔面，2#锥形半导体激光器的脊形主振荡区自由端设有后腔面，构成激光振荡所需的谐振腔。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

1.耦合效率增加：本发明提供的一种高功率锯齿对锥形半导体激光器，通过两个锥口紧密相连的锥形半导体激光器可以提高输入基模光的耦合效率，增加光在系统中的传输和交换；

2.输出功率增强：本发明提供的一种高功率锯齿对锥形半导体激光器，通过两个锥口紧密相连的锥形半导体激光器对脊形主振荡区输入的光进行放大，并且在两个锥形增益放大区外侧刻蚀锯齿结构进一步抑制了锥形增益放大区内产生的高阶模式。因此此类锯齿对锥形半导体激光器输出的光功率相较于传统宽脊条激光器输出功率大大增强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明所述高功率锯齿对锥形半导体激光器的三维结构示意图；

图2是现有技术提供的脊形主振荡区的宽度W=4um、锥形增益放大区的锥角

图3是现有技术提供的脊形主振荡区的宽度W=4um、锥形增益放大区的锥角

图4是本发明所述脊形主振荡区的宽度W=4um、锥形增益放大区的锥角

图5是本发明所述脊形主振荡区的宽度W=4um、锥形增益放大区的锥角

图6是本发明所述脊形主振荡区的宽度W=4um、锥形增益放大区的锥角

图7是本发明所述脊形主振荡区的宽度W=4um、锥形增益放大区的锥角

图8是本发明所述热功率为0.5W时，脊形主振荡区的宽度W=4um、锥形增益放大区的锥角

图9是本发明所述热功率为0.5W时，1/2对锥形半导体激光器有源区沿出光方向的温度分布；

图中：1-外延层结构、2-倒装锥形半导体激光器、3-锥形半导体激光器、4-前腔面、5-后腔面、6-若干锯齿结构。

具体实施方式

实施例，如图1所示，一种高功率锯齿对锥形半导体激光器，包括外延层结构1、1#锥形半导体激光器2、2#锥形半导体激光器3、前腔面4、后腔面5、若干锯齿结构6；其中，1#锥形半导体激光器2和2#锥形半导体激光器3均包括脊形主振荡区与锥形增益放大区，二者紧密相连，1#锥形半导体激光器2和2#锥形半导体激光器3相对设置，两者的锥形增益放大区末端相接，1#锥形半导体激光器2、2#锥形半导体激光器3、锯齿结构6均制备在外延层结构1上,锯齿结构6位于1#锥形半导体激光器2和2#锥形半导体激光器3的锥形增益放大区的两侧；1#锥形半导体激光器2和2#锥形半导体激光器3的脊形主振荡区用于产生近衍射极限的基模光，过滤高阶模，锥形增益放大区用于将脊形主振荡区出射的近衍射极限的基模光进行放大，增加输出功率，锯齿结构6用于抑制两个锥形增益放大区内产生的高阶模式，实现基模光的高功率近衍射极限的输出。

所述脊形主振荡区对一阶侧模的截止宽度为：

所述脊形主振荡区的宽度不大于锥形增益放大区突变处产生侧向高阶模的截止宽度，因此所述脊形主振荡区的宽度W为2um-6um。

所述锥形增益放大区与脊形主振荡区均刻蚀同样深度为0.1um-0.3um，刻蚀深度浅折射率差变小，对光场的限制作用减弱，载流子容易向侧向扩散，降低激光器的效率；刻蚀深度深折射率差变大，导致较大的截止宽度，容易出现高阶模；

所述锥形增益放大区与脊形主振荡区刻蚀同样深度形成折射率导引结构。

所述锥形增益放大区的基模衍射角为：

；一般基模衍射角为6°-7°；

其中，

所述锥形增益放大区的锥角为

所述对锥形半导体激光器的腔长为L，脊形主振荡区的长度为L

所述锥形增益放大区两侧的锯齿结构，通过优化锯齿结构参数如周期和形状等，进一步抑制了锥形增益放大区内产生的高阶模式。

所述1#锥形半导体激光器2的脊形主振荡区自由端设有前腔面4，2#锥形半导体激光器3的脊形主振荡区自由端设有后腔面5，前腔面4和后腔面5分别是两个锥形半导体激光器的脊形主振荡区腔面，构成激光振荡所需的谐振腔。

所述外延层结构1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。

基于锯齿对锥形半导体激光器的波导结构设置在外延层结构1设有P型接触层的一面。

为了验证本发明可以实现上述功能，特列举例1与例2进行验证说明。

例1

在本发明所述激光器的例1中主要用到参数有：波长λ=0.98um，两个脊形主振荡区的宽度均为W=4um；锥形增益放大区的锥角均为

图4是本发明例1提供的W=4um、

对比图2中W=4um、

图5是所述激光器提供的脊形主振荡区的宽度W=4um、

对比图3中W=4um、

例2

在本发明的例2中的模型结构参数与例1中的相同，唯一不同的是锯齿的角度与形状，例2中锥形增益放大区两侧的若干锯齿结构6的锯齿角度与光传输方向几乎水平，在不影响基模的同时能够抑制高阶模。

图6是本发明例2提供的W=4um、

对比图2中W=4um、

图7是本发明例2提供的W=4um、

对比图3中W=4um、

最后是热模拟了对锥形半导体激光器温升分布，热模拟仿真结构从下至上为Cu热沉、In焊料、芯片，热沉底面温度为20℃，注入热功率P=0.5W。对锥形半导体激光器热模拟的参数包括：腔长L=800um，脊宽W=4um、锥角

图8是本发明例2提供的热功率为0.5W时，W=4um、

图9是本发明例2提供的热功率为0.5W时，1/2对锥形半导体激光器有源区沿出光方向的温度分布，可以看出对锥形半导体激光器由于芯片两侧散热路径丰富，温度呈中间高两端低的分布趋势。有源区中心位置的温度为29.4 degC，高于前腔面边缘 5.2 degC左右。

通过热模拟结果可以得出以下结论：此类对锥形半导体激光器的最高温升仅为9K，相对较低的温升表明对锥形半导体激光器具有较好的热稳定性和耐高温特性，使得它们能够在稳定的高功率下工作并且长时间运行；温度呈中间高两端低的分布有助于提高激光器的性能和效率，低温度的前腔面可以减少激光器中的热效应，从而提高功率输出的稳定性。同时，可以保护激光器免受热损伤。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好的说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。