本发明涉及半导体激光器领域，尤其涉及一种主振荡功率放大激光器及制备方法。
背景技术：
近年来，随着半导体激光技术的日趋成熟，国内外对于大功率半导体激光器的研究均取得重大进展。大功率半导体激光器不仅具有体积小、重量轻、转换效率高、寿命长、可靠性高、结构简单等优点外，其制造工艺还和半导体集成电路的生产工艺相兼容，成为目前光电子器件中的核心技术。大功率半导体激光器是一类用途非常广泛的光电子器件，其最大的特点就是波长的多样性，几乎包括了650-1700nm，在通信、军事、工业、医疗等领域均得到广泛应用，是未来最具发展前景的激光光源。在光纤通信中，半导体激光器是发展最快的光源，具有激射波长稳定、使用寿命长、耦合效率高、易于调制等优点，主要用在高速、远距离的通信系统中。在军事上，大功率半导体激光器被广泛用于激光制导跟踪、激光引信、激光雷达、激光测距等领域，此外，半导体激光器还被用在激光瞄准告警、激光通信光源、激光陀螺和激光武器模拟等领域。在工业上，千瓦量级的光纤激光器被广泛用在工业加工，只有半导体激光器才能满足光纤激光器的泵浦源要求，被广泛用在激光切割、激光焊接、激光清洗、激光打印、激光扫描等领域。在医疗领域，大功率半导体激光器可以用于软组织切除、凝固和汽化，作为一种激光手术治疗手段；此外，大功率半导体激光器还被广泛应用于激光脱毛、祛斑、美容等领域。
随着大功率半导体激光器应用领域的不断扩大，对半导体激光器输出功率要求的提高，具有良好光束质量的大功率半导体激光器成为重要的发展方向，但是要想在单个器件上获得高质量的大功率输出非常困难。脊形波导横向尺寸小，输出功率被限制较低的范围内，增加其侧向尺寸虽然可以提高输出光功率，但会出现多横模输出等问题，降低光束质量。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本发明公开了一种主振荡功率放大激光器及制备方法，以至少部分的解决上述技术问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明一实施例提供了一种主振荡功率放大激光器，包括：衬底；设置于所述衬底上的外延层，所述外延层自衬底至上依次包括下限制层、下波导层、有源层、第一上波导层和第二上波导层，其中，所述第二上波导层与所述第一上波导层的部分区域相接触；主控振荡器结构，设置于所述第一上波导层表面，其中，所述主控振荡器结构为脊型波导结构；功率放大器结构，设置于所述第二上波导层表面，所述功率放大器结构与所述主控振荡器结构相耦合，其中，所述功率放大器结构为锥形波导结构。
在其中一个实施例中，所述脊型波导结构的波导宽度为第一宽度，所述锥形波导结构的锥形两端分别为第二宽度和第三宽度，所述第二宽度小于所述第三宽度，所述脊型波导结构的第一宽度与所述锥形波导结构的第二宽度相耦合。
在其中一个实施例中，所述衬底的材料为gaas、inp、gan或gasb，硅掺杂浓度为1×1018-3×1018cm-3。
在其中一个实施例中，所述下限制层的材料为algaas，硅掺杂浓度为0.5×1018-1.5×1018cm-3；所述下波导层的材料为algaas；所述第一上波导层的材料为algaas；所述第二上波导层的材料为algaas。
在其中一个实施例中，所述下限制层中的al组分自接触所述衬底一侧至接触所述下波导层一侧逐渐增加；所述第二上波导层中的al组分自接触所述第一上波导层一侧至接触所述功率放大器结构一侧逐渐增加。
在其中一个实施例中，所述下限制层的厚度为2000-4000nm，所述下波导层的厚度为50-150nm，所述第一上波导层的厚度为500-1000nm，所述第二上波导层的厚度为800-1500nm。
在其中一个实施例中，所述有源层的材料为ingaas，厚度为6-10nm。
在其中一个实施例中，所述主控振荡器结构包括：
上限制层，所述上限制层为p型上限制层，材料为algaas，厚度为200-400nm，碳掺杂浓度0.5×1018-1.5×1018cm-3。
欧姆接触层，所述欧姆接触层为p型重掺杂欧姆接触层，材料为gaas，厚度为100-200nm，碳掺杂浓度0.5×1020-1.5×1020cm-3。
所述上限制层设置于所述第一波导层上，所述欧姆接触层设置于所述上限制层上。
在其中一个实施例中，所述功率放大器结构包括：
上限制层，所述上限制层为p型上限制层，材料为aigaas，厚度为200-400nm，碳掺杂浓度0.5×1018-1.5×1018cm-3。
欧姆接触层，所述欧姆接触层为p型重掺杂欧姆接触层，材料为gaas，厚度为100-200nm，碳掺杂浓度0.5×1020-1.5×1020cm-3。
所述上限制层设置于所述第二波导层上，所述欧姆接触层设置于所述上限制层上。
在其中一个实施例中，所述一种主振荡功率放大激光器的制备方法，包括：
在衬底上生长外延层，其中，所述外延层自衬底而上依次包括下限制层、下波导层、有源层、第一上波导层、第二上波导层。
对所述第二上波导层的部分区域进行刻蚀处理，直至暴露所述第一上波导层。
在暴露的所述第一上波导层的表面和所述第二上波导层的表面均依次外延生长上限制层和欧姆接触层。
将直接生长于所述第一上波导层表面的上限制层和欧姆接触层刻蚀为具有第一宽度的脊型波导结构，刻蚀直至暴露所述第一上波导层。
将直接生长于所述第二上波导层表面的上限制层和欧姆接触层刻蚀为具有第一宽度和第二宽度的锥形波导结构，刻蚀直至暴露所述第二上波导层。
(三)有益效果
本发明通过上述一种主振荡功率放大激光器及制备方法，采用二次外延技术，将主控振荡器mo和功率放大器pa集成在同一个芯片上，可以实现具有良好光束质量的基横模的大功率输出。
附图说明
图1示意性提出了根据本发明实施例的一种实现主振荡功率放大激光器外延结构的流程图。
图2示意性提出了根据本发明实施例的mopa激光器外延结构图。
图3示意性提出了根据本发明实施例的mopa激光器立体图。
附图标记：
1、下限制层；2、下波导层；3、有源层；4、第一上波导层；5、第二上波导层；6、上限制层；7、欧姆接触层；8、脊型波导结构；9、锥形波导结构；10、腔破坏凹槽。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
本发明一实施例提供了一种主振荡功率放大激光器的制备方法，如图1所示，包括操作s101～s104：
在操作s101，在衬底上生长具有分离限制异质结构的外延片。
在衬底上采用金属有机化学气相沉积(metal-organicchemicalvapordeposition，mocvd)生长外延层，其中，所述外延层自衬底而上依次包括下限制层、下波导层、有源层、第一上波导层、第二上波导层。
在操作s102，对外延层中所述第二波导层部分区域刻蚀处理。
对所述第二上波导层的部分区域进行刻蚀处理，在所述第二上波导层制备光刻胶的掩膜图形，经湿法腐蚀后，直至暴露所述第一上波导层。
在操作s103，在刻蚀处理后的所述外延层上进行二次外延。
在暴露的所述第一上波导层的表面和所述第二上波导层的表面通过mocvd均依次外延生长上限制层和欧姆接触层。
在操作s104，在所述上限制层和所述欧姆接触层刻蚀出mopa结构。
将直接生长于所述第一上波导层表面的上限制层和欧姆接触层刻蚀为具有第一宽度的脊型波导结构，刻蚀直至暴露所述第一上波导层，其中，在欧姆接触层旋涂厚度均匀的光刻胶，经曝光和显影后得到脊形波导的掩膜图形，通过耦合感应等离子体干法刻蚀技术，刻蚀出脊形波导结构，并在脊形波导两侧制备对称的光刻胶掩膜图形，刻蚀出脊形波导两侧的腔破坏凹槽。
将直接生长于所述第二上波导层表面的上限制层和欧姆接触层刻蚀为具有第一宽度和第二宽度的锥形波导结构，刻蚀直至暴露所述第二上波导层，其中，通过在欧姆接触层旋涂厚度均匀的光刻胶，经曝光和显影后得到锥形波导的掩膜图形，通过耦合感应等离子体干法刻蚀技术，刻蚀出具有锥形波导结构。
在本实施例中，依据本实施例的一种主振荡功率放大激光器的制备方法制备出mopa激光器，所述mopa激光结构截面示意图如图2所示，所述mopa激光结构立体示意图如图3所示。
在本实施例中，所述衬底的材料为gaas、inp、gan或gasb，硅掺杂浓度为1×1018-3×1018cm-3，优选的，衬底材料为gaas，硅掺杂浓度为2×1018cm-3。
在本实施例中，所述下限制层的材料为algaas，硅掺杂浓度为0.5×1018-1.5×1018cm-3，优选的，硅掺杂浓度为1×1018cm-3，所述下限制层设置于所述衬底上。
在本实施例中，所述下波导层的材料为algaas，所示下波导层设置于所述下限制层上；所述第一上波导层的材料为algaas，所述第一上波导层设置于所述有源层上；所述第二上波导层的材料为algaas，所述第二上波导层设置于所述第一上波导层上。
在本实施例中，所述下限制层中的al组分自接触所述衬底一侧至接触所述下波导层一侧逐渐增加；所述第二上波导层中的al组分自接触所述第一上波导层一侧至接触所述功率放大器结构一侧逐渐增加。
在本实施例中，所述下限制层的厚度为2000-4000nm，所述下波导层的厚度为50-150nm，所述第一上波导层的厚度为500-1000nm，所述第二上波导层的厚度为800-1500nm；优选的，所述下限制层的厚度为3000nm，所述下波导层的厚度为100nm，所述第一上波导层的厚度为800nm，所述第二上波导层的厚度为1100nm。
在本实施例中，所述有源层的材料为ingaas，厚度为6-10nm，优选的，厚度为8nm，所述有源层设置于所述下波导层上。
在本实施例中，所述主控振荡器结构，设置于所述第一上波导层表面，其中，所述主控振荡器结构为脊型波导结构。
在本实施例中，所述主控振荡器结构包括：
上限制层，所述上限制层为p型上限制层，材料为algaas，厚度为200-400nm，碳掺杂浓度0.5×1018-1.5×1018cm-3，优选的，厚度为300nm，碳掺杂浓度1×1018cm-3。
欧姆接触层，所述欧姆接触层为p型重掺杂欧姆接触层，材料为gaas，厚度为100-200nm，碳掺杂浓度0.5×1020-1.5×1020cm-3，优选的，厚度为150nm，碳掺杂浓度1×1020cm-3。
所述上限制层设置于所述第一波导层上，所述欧姆接触层设置于所述上限制层上。
在本实施例中，所述功率放大器结构，设置于所述第二上波导层表面，所述功率放大器结构与所述主控振荡器结构相耦合，其中，所述功率放大器结构为锥形波导结构。
在本实施例中，所述功率放大器结构包括：
上限制层，所述上限制层为p型上限制层，材料为algaas，厚度为200-400nm，碳掺杂浓度0.5×1018-1.5×1018cm3，优选的，厚度为300nm，碳掺杂浓度1×1018cm-3。
欧姆接触层，所述欧姆接触层为p型重掺杂欧姆接触层，材料为gaas，厚度为100-200nm，碳掺杂浓度0.5×1020-1.5×1020cm-3，优选的，厚度为150nm，碳掺杂浓度1×1020cm-3。
所述上限制层设置于所述第二波导层上，所述欧姆接触层设置于所述上限制层上。
在本实施例中，所述脊型波导结构的波导宽度为第一宽度，所述锥形波导结构的锥形两端分别为第二宽度和第三宽度，所述第二宽度小于所述第三宽度，所述脊型波导结构的第一宽度与所述锥形波导结构的第二宽度相耦合。
通过将主振荡器mo(masteroscillator)和功率放大器pa(poweramplifier)耦合，并刻蚀腔破坏凹槽，可以在保证光束质量的前提下实现大功率的基横模输出。为了保证主振荡区良好的光束质量和基横模输出，可以将主振荡区设计成脊形波导；为了保证激光获得足够大的增益，可以将功率放大区设计成锥形波导。通过优化设计脊形波导的侧向尺寸可以实现稳定的基横模输出，保证良好的光束质量，与之耦合的锥形波导可以实现输出光功率的放大。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种主振荡功率放大激光器，包括：
衬底；
设置于所述衬底上的外延层，所述外延层自衬底至上依次包括下限制层、下波导层、有源层、第一上波导层和第二上波导层，其中，所述第二上波导层与所述第一上波导层的部分区域相接触；
主控振荡器结构，设置于所述第一上波导层表面，其中，所述主控振荡器结构为脊型波导结构；
功率放大器结构，设置于所述第二上波导层表面，所述功率放大器结构与所述主控振荡器结构相耦合，其中，所述功率放大器结构为锥形波导结构。
2.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述脊型波导结构的波导宽度为第一宽度，所述锥形波导结构的锥形两端分别为第二宽度和第三宽度，所述第二宽度小于所述第三宽度，所述脊型波导结构的第一宽度与所述锥形波导结构的第二宽度相耦合。
3.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述衬底的材料为gaas、inp、gan或gasb，硅掺杂浓度为1×1018-3×1018cm-3。
4.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述下限制层的材料为algaas，硅掺杂浓度为0.5×1018-1.5×1018cm-3；所述下波导层的材料为algaas；所述第一上波导层的材料为algaas；所述第二上波导层的材料为algaas。
5.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述下限制层中的al组分自接触所述衬底一侧至接触所述下波导层一侧逐渐增加；所述第二上波导层中的al组分自接触所述第一上波导层一侧至接触所述功率放大器结构一侧逐渐增加。
6.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述下限制层的厚度为2000-4000nm，所述下波导层的厚度为50-150nm，所述第一上波导层的厚度为500-1000nm，所述第二上波导层的厚度为800-1500nm。
7.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述有源层的材料包括ingaas，厚度为6-10nm。
8.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述主控振荡器结构包括：
上限制层，所述上限制层为p型上限制层，材料为algaas，厚度为200-400nm，碳掺杂浓度0.5×1018-1.5×1018cm-3；
欧姆接触层，所述欧姆接触层为p型重掺杂欧姆接触层，材料为gaas，厚度为100-200nm，碳掺杂浓度0.5×1020-1.5×1020cm-3；
所述上限制层设置于所述第一波导层上，所述欧姆接触层设置于所述上限制层上。
9.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述功率放大器结构包括：
上限制层，所述上限制层为p型上限制层，材料为algaas，厚度为200-400nm，碳掺杂浓度0.5×1018-1.5×1018cm-3；
欧姆接触层，所述欧姆接触层为p型重掺杂欧姆接触层，材料为gaas，厚度为100-200nm，碳掺杂浓度0.5×1020-1.5×1020cm-3；
所述上限制层设置于所述第二波导层上，所述欧姆接触层设置于所述上限制层上。
10.一种用于实现权利要求1至9中任一所述的主振荡功率放大激光器的制备方法，包括：
在衬底上生长外延层，其中，所述外延层自衬底而上依次包括下限制层、下波导层、有源层、第一上波导层、第二上波导层；
对所述第二上波导层的部分区域进行刻蚀处理，直至暴露所述第一上波导层；
在暴露的所述第一上波导层的表面和所述第二上波导层的表面均依次外延生长上限制层和欧姆接触层；
将直接生长于所述第一上波导层表面的上限制层和欧姆接触层刻蚀为具有第一宽度的脊型波导结构，刻蚀直至暴露所述第一上波导层；
将直接生长于所述第二上波导层表面的上限制层和欧姆接触层刻蚀为具有第一宽度和第二宽度的锥形波导结构，刻蚀直至暴露所述第二上波导层。
技术总结