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窄垂直发散角高功率光子晶体半导体激光器的研制
基于晶体光学波导结构的垂直发散角极窄的高功率半导体激光器已成为半导体光电器件研究的重要方向之一。本文将介绍窄垂直发散角高功率光子晶体半导体激光器的研制。
一、概述
半导体激光器的垂直发散角决定了光束的发散角度，越小的发散角意味着更高的能量密度，更好的光束品质，因此在很多高端光电器件领域，如光纤通信、激光雷达、医疗应用、精密加工等都需要垂直发散角极窄、输出功率高的半导体激光器。
传统的长腔大功率激光器输出并不稳定，发散角大，难以满足高端光电器件的需求。近年来，光子晶体结构因其优良的光学性质和控制发散角的良好性能而成为制备高功率、高可靠的半导体激光器的重要技术途径之一。
光子晶体半导体激光器，简称PCSEL（PhotonicCrystalSurfaceEmittingLaser），具有垂直发散角极窄、输出功率高、结构紧凑、工艺简单、可靠性高等优点，是近年来研究的热点之一。
二、光子晶体半导体激光器结构及原理
（1）光子晶体结构
光子晶体是一种具有压电效应的某些材料，它的特点是具有特定的晶格结构，在其中某些位置放置了dielectric常数不同的空气洞，从而形成了一系列具有周期性的柱状、球状结构等，并且能够控制材料中光子的行为。
（2）PCSEL工作原理
PCSEL的激光输出主要是通过F-P腔模式的等间距离它波（TE）、模波（TM）之间的相互作用所获得。
TE和TM模为PCSEL的激光阈值和发射特性提供了很好的控制。在光子晶体的压电效应作用下，使得膜和波导有的地方出现较大的局域化光学密度，导致谷粒表面处的能量密度变高，从而抑制了边模的出现，提高了激光器的阈值电流，同时增加了输出功率。
三、窄垂直发散角高功率光子晶体半导体激光器的研制
（1）材料选择
PCSEL的基底材料主要是GaAs，基底制备采用强磁极反应熔合技术。此外，熔盐外延（MOCVD）技术也是PCSEL材料制备的常用方法。在经过制备后，得到的材料具有较高的自适应性、较高的单模输出功率和较窄的发散角度。
（2）结构设计
为了获得极窄的垂直发散角，需要注意PCSEL结构内壁面上压电耦合系数，及壁面的晶格形态和间隔。
为减少发散角度，通常选择纵向板为dielectric半腔单元，而材料里的压电层和量子阱则选择横向板。
（3）工艺制备
PCSEL的制备需要多步骤工艺，包括GAAS基底的清洗、光刻、等离子体腐蚀、硅氧化层的制备和剥离、金属的蒸发和移植以及易失性芯层的蒸发等步骤。
其中光刻步骤是PCSEL制备过程中特别重要的一个环节。对于激光器的光刻制程，一般都会采用常规的制程：将光刻胶涂敷在InP表面后，用紫外线照射模具形成芯片层，接着再用酸去胶涂敷掉芯片层外涂的胶液即可。
（4）实验结果分析
通过实验，对窄垂直发散角高功率光子晶体半导体激光器的性能进行了测试和分析。实验结果表明，该激光器具有极窄的垂直发散角、较高的输出功率、结构紧凑、工艺简单并且具有高可靠性。
四、结论
光子晶体半导体激光器作为近年来的热点技术之一，在各个领域都具有广泛的应用前景。本文对窄垂直发散角高功率光子晶体半导体激光器的研制进行了详细介绍，通过实验的结果分析，证明该激光器具备良好的性能，可以满足一些高端光电器件的需求，值得进一步深入研究和应用。