布拉格反射波導雙光束雷射器及其應用方法
2024-01-28 23:27:15
專利名稱：布拉格反射波導雙光束雷射器及其應用方法
技術領域：
本發明屬於半導體雷射器技術領域，涉及一種布拉格反射波導雙光束雷射器及其應用方法。
背景技術：
在雷射掃描技術中，受數據調製速率及掃描轉鏡旋轉速度的實際限制，單光束掃描速度已接近極限，因此採用雙光束或多光束掃描是突破這一限制的重要途徑，它可使雷射列印速度或光碟讀寫速度倍增。在雷射檢測等領域，由於雷射器的強度擾動以及熱透鏡效應產生的噪聲，當前商用雷射吸收光譜儀的檢測精度普遍不高，而利用兩束強度相關性很好的雷射分別作為參考光和信號光，可有效消除了雷射強度不穩定性產生的噪聲，大幅提高檢測精度。另外，基於雙光束雷射的高性能粒子成像速度儀不僅可同時測量粒子的大小、速度和方向，而且還可檢測高速粒子。由上可見，發展一種緊湊、穩定的雙光束雷射器對 一些實際應用具有非常重要的意義。傳統方法獲得雙光束雷射主要有兩種一種是將一束雷射分成兩束，主要採用衍射光柵、偏振稜鏡、非簡併光參量振蕩以及外腔反饋等方法；另一種方法是採用空間、波長或偏振耦合器以及光纖列陣等將兩束不同雷射器發出的雷射耦合在一起，形成雙光束雷射輸出。這些方法需要複雜的光學對準，而且尺寸不緊湊，成本高，重複性差，難以大批量生產。另一個解決方案是採用雙條半導體雷射器或相位耦合條形半導體雷射器列陣，它能夠在側向輸出兩束雷射，但其面臨的問題是在這些不同發光點之間存在嚴重的熱串擾，一個發光點的功率極易受到相鄰發光點通電時產生的熱影響，器件輸出功率難以穩定，應用受到限制。另外一方面，布拉格反射波導是一種一維光子晶體，它具有光子禁帶，頻率處于禁帶內的光子傳輸被禁止。布拉格反射鏡的高折射率層的折射率為Ii1，布拉格反射鏡的低折射率層的折射率為n2，導模有效折射率為nrff。當傳輸常數位于禁帶內時，導模有效折射率IWf可以低於布拉格反射鏡的低折射率層的折射率n2。布拉格反射波導通常存在兩種光子禁帶導引機制一種為光在布拉格反射鏡中高折射率層傳輸但在低折射率層漸逝衰減，此時滿足VnJn2;另一種為完全光子禁帶導引，光在布拉格反射鏡中所有層中傳輸，此時滿足neff〈n2。在中國發明專利CN201110272765. 7中公開了一種低橫向發散角布拉格反射波導邊發射半導體雷射器，這種雷射器中的布拉格反射波導採用前一種光子禁帶導引機制，即光在布拉格反射鏡中高折射率層傳輸但在低折射率層漸逝衰減，導模有效折射率neff高於布拉格反射鏡的低折射率層的折射率n2，但是低於高折射率層的折射率ηι。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，而提供一種緊湊的、穩定的、精確可控的、可批量生產的布拉格反射波導雙光束雷射器及其應用方法。為了實現本發明的以上目的，本發明的技術方案如下
一種布拉格反射波導雙光束雷射器，由下至上依次包括N面電極、襯底、緩衝層、下波導層、缺陷層、上波導層、蓋層和P面電極；所述缺陷層的中設有有源區；所述下波導層包括多對N型摻雜高、低折射率材料層周期交替生長的布拉格反射鏡；所述上波導層包括多對P型摻雜高、低折射率材料層周期交替生長的布拉格反射鏡；導模有效折射率低於所述P型摻雜低折射率材料層和N型摻雜低折射率材料層的折射率。上述技術方案中，所述緩衝層與所述下波導層之間還設有下限制層；所述上波導層與所述蓋層之間還設有上限制層。上述技術方案中，所述有源區為單層量子阱、多層量子阱、量子點或量子線中的任意一種。上述技術方案中，所述有源區位於缺陷層中間。上述技術方案中，所述P型摻雜高折射率材料層與所述N型摻雜高折射率材料層相對於的有源區鏡面對稱；所述P型摻雜低折射率材料層與所述N型摻雜低折射率材料層相對於的有源區鏡面對稱。上述技術方案中，所述P型摻雜高折射率材料層和所述N型摻雜高折射率材料層的折射率和厚度相同；所述P型摻雜低折射率材料層和所述N型摻雜低折射率材料層的折射率和厚度相同。上述技術方案中的布拉格反射波導雙光束雷射器的一種應用方法，包括利用光調製器對所述雷射器產生的兩束雷射進行寫調製定時，使兩束雷射分別攜帶不同的數據。本發明具有以下有益效果本發明提出的半導體雷射器採用布拉格反射波導代替傳統的全反射波導結構進行光限制，它利用完全光子禁帶導引機制來實現自身雙光束雷射輸出，因此這種雙光束雷射器的緊湊性和穩定性非常高。這種布拉格反射波導雷射器還具有高增益係數、大雷射腔、強模式選擇的特性，可實現超大光模式體積穩定單橫模工作，單光束橫向發散角可從傳統器件的45°壓縮到10°以下，輸出光束近似為圓光斑，更有利於器件準直及應用；而且，大的光模式體積還可有效減小半導體雷射器晶片發生災變光損傷及光絲效應的概率，提高雷射器的可靠性和光束質量。另外，通過調節外延結構，兩束雷射間夾角可根據需求精確得到控制，這對於實際應用非常重要。總之，這種布拉格反射波導雙光束雷射器可實現穩定的、對稱的、近圓形光斑、雙光束間角分離及功率對稱性可控的雙光束雷射輸出，在高速雷射掃描、高精度雷射探測、雷射加工等領域具有很好的應用前景。本發明的半導體雷射器結構中，雷射器近場電場分布近似於餘弦函數，周期性峰值強度從有源區向兩邊指數衰減，其經過傅立葉變換對應的遠場為雙瓣遠場。簡單的講，本發明雷射器中光波以之字形在腔內傳輸，光模式傳輸方向與腔面垂直方向呈一定傾角，當此模式角低於半導體-空氣界面間全反射角時，輸出雷射遠場圖形在橫向為雙瓣，從而實現雙光束雷射輸出。另外，這種雷射器採用光子禁帶進行光限制，它具有大的增益損 耗差，可實現超大模式體積穩定單橫模工作，因此可通過擴展基模模式尺寸來獲得兩束超窄橫向光束髮散的雷射輸出，這在實際應用中具有非常重要的意義。
圖I為本發明的布拉格反射波導雙光束雷射器結構示意圖。圖2為一種採用低折射率缺陷層的布拉格反射波導雙光束雷射器各層的折射率分布示意圖。圖3為一種採用高折射率缺陷層的布拉格反射波導雙光束雷射器各層的折射率分布示意圖。圖4 (a)、(b)、(C)分別為實施例I的雷射器的折射率分布、基橫模近場和遠場強度分布示意圖。
圖5 (a)、(b)、(c)分別為實施例2的雷射器的折射率分布、基橫模近場和遠場強度分布示意圖。圖6 (a)、(b)、(c)分別為實施例3的雷射器的折射率分布、基橫模近場和遠場強度分布示意圖。圖7 (a)、(b)、(c)分別為實施例4的雷射器的折射率分布、基橫模近場和遠場強度分布示意圖。圖8 (a)、(b)分別為實施例5的雷射器的折射率分布、基橫模近場強度分布示意圖。圖9為實施例6的布拉格反射波導雙光束雷射器在雷射列印領域的一種應用方法示意圖。圖中附圖標記表示為I-襯底；2_緩衝層；3_下限制層；4_下波導層；5_缺陷層；6_上波導層；7_上限制層;8_蓋層;9_P面電極；IO-N面電極；4a-N型摻雜高折射率材料層；4b_N型摻雜低折射率材料層；5a_有源區；6a_P型摻雜高折射率材料層；6b-P型摻雜低折射率材料層；91-雷射器；92_快軸準直鏡；93_慢軸準直鏡；94_多通道聲光調製器；95_多稜鏡；96_掃描透鏡；97_線掃描。
具體實施例方式本發明的布拉格反射波導雙光束半導體雷射器，其發明思想為如圖I所示，本發明的由下至上依次為N面電極10、襯底I、緩衝層2、下限制層3、下波導層4、缺陷層5、上波導層6、上限制層7、蓋層8和P面電極9，所述的下波導層4和上波導層6均採用多對高、低折射率材料層周期交替生長的布拉格反射鏡(DBR)，分別摻N型和P型雜質；缺陷層5位於下波導層4與上波導層6之間，中心插入有源區5a ;所述有源區5a與缺陷層5共同組成光子晶體缺陷。所述下限制層3和上限制層7的作用是進行光場限制。但是，即便不設置所述下限制層3和上限制層7，多對的布拉格反射鏡也可以起到產生較強的光場限制的作用。雷射器在橫向輸出兩束雷射。襯底I為N型重摻雜的III - V族化合物；緩衝層2生長在襯底I上，N型高摻雜，通常與襯底I材料相同；下限制層3生長在緩衝層2上，N型摻雜，其折射率低於下波導層4，用以限制光場向襯底擴展；下波導層4生長在下限制層3上，它由m對N型摻雜高折射率材料層4a和N型摻雜低折射率材料層4b周期交替生長的布拉格反射鏡組成；缺陷層5生長在下波導層4上，通常不摻雜或低摻雜，有源區5a位於缺陷層5中，可為單層或多層量子阱(QWs)、量子點(QDs)、量子線等增益材料；上波導層6生長在缺陷層5上，它由η對P型摻雜高折射率材料層6a和P型摻雜低折射率材料層6b周期交替生長的布拉格反射鏡組成，其中P型摻雜高折射率材料層6a和N型摻雜高折射率材料層4a的折射率和厚度相同，P型摻雜低折射率材料層6b和N型摻雜低折射率材料層4b的折射率和厚度相同，周期對數η與m可相同或不同；上限制層7生長在上波導層6之上，P型摻雜，折射率低於上波導層6，用以限制光場向高摻雜蓋層8擴展；蓋層8生長在上限制層7之上，通常與襯底I材料相同，P型重摻雜以利於歐姆接觸；P面電極9生長在蓋層8的頂面，通常採用鈦-鉬-金(Ti-Pt-Au)材料；雷射器晶片襯底減薄拋光後蒸鍍N面電極10，通常採用金-鍺-鎳(Au-Ge-Ni)材料。不同材料層界面間組分線性漸變以減小器件電阻。如圖2所示，為本發明的一種低折射率缺陷層的布拉格反射波導雙光束雷射器的折射率分布示意圖。下波導層4由N型摻雜高折射率層4a、N型摻雜低折射率層4b周期交 替生長組成，每個周期的厚度為Tn ;上波導層6由P型摻雜高折射率材料層6a、P型摻雜低折射率材料層6b周期交替生長組成，每個周期的厚度為Tp ；N型摻雜高折射率材料層4a和P型摻雜高折射率材料層6a的折射率均為Ii1，厚度相同；N型摻雜低折射率材料層4b和P型摻雜低折射率材料層6b的折射率均為n2，厚度相同；缺陷層5的折射率η。低於或等於上下波導層中的低折射率層(即η。( η2),中心插入有源區5a。導模有效折射率neff高於零，低於布拉格反射鏡的低折射率層的折射率n2。在本發明中，所提出的布拉格反射波導雙光束雷射器利用完全光子禁帶導引波導，這不同於中國專利申請CN 201110272765. 7所採用的波導機制。如圖3所示，為本發明的一種高折射率缺陷層的布拉格反射波導雙光束雷射器的折射率分布示意圖，其缺陷層5的折射率η。高於下波導層4中N型摻雜低折射率層4b和上波導層6中P型摻雜低折射率材料層6b的折射率n2。但缺陷層5厚度較小，使得雷射器基模近場電場分布接近峰值衰減的餘弦函數。於是，導模有效折射率neff低於布拉格反射鏡的低折射率層的折射率n2,從而確保雷射器在橫向輸出兩束雷射。下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。實施例I :如圖4(a)、(b)、(C)所不,為一 980nm波長布拉格反射波導雙光束雷射器的折射率分布、基橫模近場和遠場強度分布示意圖。它的下波導層和上波導層均採用6對厚度分別為 IOOnm/600nm 的 Al0. !Ga0. 9As/A10. 3Ga0 7As 周其月性波導，其中 Al0. !Ga0.9As 和 Al0.3Ga0 7As 材料的折射率分別約為3. 45,3. 34 ;缺陷層材料為Ala3Gaa7As,厚度為1300nm，折射率為3. 34 ；有源區採用Ina2Gaa8AsAiaAs量子阱(QWs)，位於缺陷層中心。從圖4(b)中基模近場強度分布可以看出，本發明中雷射器的基模近場電場分布接近餘弦函數，其中峰值由有源區向兩邊指數衰減。從圖3(c)所示的雷射器遠場可見，雷射器在橫向±36°方向對稱的輸出兩束雷射，由於模式擴展單光束橫向發散角半高寬可低於10°，而且雷射器輸出能量幾乎全部集中在這兩束雷射中。實施例2 如圖5 (a)、(b)、(c)所不,為一 980nm波長布拉格反射波導雙光束雷射器的折射率分布、基橫模近場和遠場強度分布示意圖。它的下波導層和上波導層均採用6對厚度分別為 100nm/600nm 的 Ala35Gaa65AsZAlaiGaa9As 周期性波導，其中 Ala35Gaa65As 和 Al01Ga0 9As材料的折射率分別為3. 31、3. 45 ;缺陷層材料為Ala Paa7As,厚度為400nm，折射率為3. 45 ；有源區採用Ina2Gaa8AsAiaAs量子阱(QWs)。從圖4(b)中基模近場強度分布可以看出，即使缺陷層採用高折射材料，但通過減小其厚度，也可獲得接近餘弦函數的近場電場分布。於是，導模有效折射率nrff低於布拉格反射鏡的低折射率層的折射率n2，從而確保雷射器在橫向輸出兩束雷射。由圖5 (c)所不的遠場分布可見,雷射器在橫向±44°方向輸出兩束雷射，如此大的光束分離有利於對這兩束雷射分別進行控制。實施例3 如圖6 (a)、(b)、(c)所不,為一 850nm波長布拉格反射波導雙光束雷射器的折射率分布、基橫模近場和遠場強度分布示意圖。它的下波導層和上波導層均採用8對厚度分別為 200nm/500nm 的 Alai5Gaa85AsAla3Gaa7As 周期性波導，其中 Al015Ga0 85As 和 Ala3Gaa7As材料在850nm波長下的折射率分別約為3. 5、3. 4 ;缺陷層材料I μ m厚的Ala35Gaa65As,折射率約為3. 37。從圖6 (b)可看出，當下限制層和上限制層不存在時，通過增大布拉格反射鏡 周期對數仍可獲得較強的光場限制，使雷射器的洩露損耗保持在較低水平。實施例4 如圖7(a)、(b)、(C)所不，為一 980nm波長單邊布拉格反射波導雙光束雷射器的折射率分布、基橫模近場和遠場強度分布示意圖。它的下波導層採用8對厚度分別為750nm/IOOnm 的 Al0.3Ga0. 7As/A10. !Ga0.9As 周其月性波導，下波導層採用 I μ m 厚的 Al。. 35Ga0.65As，P面利用全反射原理進行光限制。從圖7 (c)可看出，即使採用單邊布拉格反射波導雷射器結構，仍可獲得雙光束雷射輸出。實施例5 如圖8(a)、(b)所不,為一 980nm波長低有效折射率布拉格反射波導雙光束雷射器的折射率分布和基橫模近場強度分布示意圖。它的下波導層和上波導層均採用25對厚度分別為75nm/72nm的Ala3Gaa7AsAlaiGaa9As周期性波導，高、低折射率分別為3. 45,3. 34 ；缺陷層採用150nm厚的Ala35Gaa65As,折射率為3. 31 ;雷射器的有效折射率neff約為O. 56，可見其遠低於缺陷層及布拉格反射鏡中材料折射率。由圖8可見，這種布拉格反射波導雷射器的有效折射率可低至零。實施例6 圖9為本發明的布拉格反射波導雙光束雷射器在雷射列印領域的一種應用技術。雷射器91產生的兩束連續雷射分別經快軸準直鏡92、慢軸準直鏡93準直後，入射到多通道聲光調製器94，分別對兩束光進行寫調製定時，然後兩束雷射通過透鏡聚焦後照射到周期性旋轉的多稜鏡95，旋轉稜鏡同時反射這兩束攜帶圖像數據的雷射，並經過掃描透鏡96校正聚焦後照射到感光鼓的感光表面形成線掃描97,同時感光表面沿垂直於行掃描方向移動將原圖像以雷射點的形式在感光表面恢復。在本發明中，兩束雷射同時成像，可使雷射印表機的輸出速度倍增。在其他具體實施方式
中多通道聲光調製器也可以替換為其他的光調製器，例如電光調製器。由上述實施例可以清楚理解，本發明的布拉格反射波導雙光束雷射器可以應用在雷射列印、光存儲、雷射掃描、高精度雷射吸收光譜儀、高性能雷射粒子成像速度儀、雷射加工、離軸外腔及相干耦合等領域。應用在雷射列印以外的技術領域中的應用方法在此不再贅述。顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而並非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或 變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明創造的保護範圍之中。
權利要求
1.一種布拉格反射波導雙光束雷射器，其特徵在於由下至上依次包括 N面電極(10)、襯底(I)、緩衝層(2)、下波導層(4)、缺陷層(5)、上波導層(6)、蓋層(8)和P面電極(9);所述缺陷層(5)的中設有有源區(5a); 所述下波導層(4)包括多對N型摻雜高、低折射率材料層周期交替生長的布拉格反射鏡；所述上波導層(6)包括多對P型摻雜高、低折射率材料層周期交替生長的布拉格反射鏡; 導模有效折射率低於所述P型摻雜低折射率材料層(6b)和N型摻雜低折射率材料層(4b)的折射率。
2.根據權利要求I所述的布拉格反射波導雙光束雷射器，其特徵在於， 所述緩衝層(2)與所述下波導層(4)之間還設有下限制層(3);所述上波導層(6)與所述蓋層(8)之間還設有上限制層(7)。
3.根據權利要求I所述的布拉格反射波導雙光束雷射器，其特徵在於，所述有源區(5a)為單層量子阱、多層量子阱、量子點或量子線中的任意一種。
4.根據權利要求I所述的布拉格反射波導雙光束雷射器，其特徵在於，所述有源區(5a)位於缺陷層(5)中間。
5.根據權利要求4所述的布拉格反射波導雙光束雷射器,其特徵在於， 所述P型摻雜高折射率材料層(6a)與所述N型摻雜高折射率材料層(4a)相對於的有源區(5a)鏡面對稱；所述P型摻雜低折射率材料層(6b)與所述N型摻雜低折射率材料層(4b )相對於的有源區(5a)鏡面對稱。
6.根據權利要求I所述的布拉格反射波導雙光束雷射器，其特徵在於， 所述P型摻雜高折射率材料層(6a)和所述N型摻雜高折射率材料層(4a)的折射率和厚度相同；所述P型摻雜低折射率材料層(6b)和所述N型摻雜低折射率材料層(4b)的折射率和厚度相同。
7.根據權利要求I所述的布拉格反射波導雙光束雷射器的一種應用方法，其特徵在於，包括 利用光調製器對所述雷射器產生的兩束雷射進行寫調製定時，使兩束雷射分別攜帶不同的數據。
全文摘要
本發明的布拉格反射波導雙光束雷射器，由下至上依次包括N面電極、襯底、緩衝層、下波導層、缺陷層、上波導層、蓋層和P面電極；所述缺陷層的中設有有源區；所述下波導層包括多對N型摻雜高、低折射率材料層周期交替生長的布拉格反射鏡；所述上波導層包括多對P型摻雜高、低折射率材料層周期交替生長的布拉格反射鏡；導模有效折射率低於所述P型摻雜低折射率材料層和N型摻雜低折射率材料層的折射率。本發明的布拉格反射波導雙光束雷射器可直接輸出兩束穩定的、低橫向發散、雙光束間角分離及功率對稱性可控的雷射，在高速雷射掃描、高精度雷射探測、雷射加工、離軸外腔及相干耦合等領域具有很大的應用前景。
文檔編號H01S5/125GK102709810SQ201210164640
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月25日 優先權日2012年5月25日
發明者佟存柱, 張俊, 曾玉剛, 楊曄, 汪麗傑, 王立軍 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所