阅读说明：本技术 提供弯曲端面的半导体激光器的技术 (Techniques for providing curved end facet semiconductor lasers ) 是由 林友熙 W·帕兹 N·比克尔 C·史塔加尔斯库 于 2018-11-15 设计创作，主要内容包括：公开了用于提供弯曲端面的半导体激光器的技术。在一个特定实施例中,该技术可以被实现为包括波导的半导体激光器,其中波导包括在半导体激光器的边缘处形成的端面,并且该端面具有曲率。(Techniques for providing a curved end facet semiconductor laser are disclosed. In one particular embodiment, the technique can be implemented as a semiconductor laser including a waveguide, wherein the waveguide includes an end face formed at an edge of the semiconductor laser, and the end face has a curvature.)

提供弯曲端面的半导体激光器的技术

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2017年11月15日提交的申请号为62/586,505的美国临时专利的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及半导体，并且更具体地，涉及用于提供弯曲端面的半导体激光器的技术。

背景技术

通常，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)在衬底上生长合适的分层半导体材料以形成具有平行于衬底表面的有源层的外延结构，由此在晶圆上制造半导体激光器。然后可以使用各种半导体加工工具来加工晶圆，以制作出包含有源层和包含贴附到半导体材料的金属触点的激光光学腔。

激光镜端面通常通过沿着半导体材料的晶体结构切割半导体材料以限定激光光学腔的边缘或者端部而在激光腔的端部处形成，使得当偏置电压施加至触点时，产生流过有源层的电流，从而使光子在垂直于电流流动的方向上从有源层的端面边缘发射。由于半导体材料被切割以形成激光端面，因此端面的位置和取向受到限制。此外，一旦晶圆被切割，激光器通常是小块，使得不能简便地应用常规的光刻技术来进一步处理激光器。

从端面边缘发射的光子可以以不同的竖直和水平远场模式发射，这可能导致竖直与水平远场之间的不对称。这种不对称可能对激光操作有害。例如，当半导体激光器耦合到诸如光纤的传输介质时，由于不对称的远场模式，传输介质可以仅捕获有限百分比的光子。因此，可能增加耦合损耗。可能需要使用复杂的外部非球面光学元件(诸如透镜)来校正不对称性并且确保减少耦合损耗。然而，这些光学元件通常很昂贵，并且可能增加半导体激光器的制造和使用的总成本。

鉴于前述内容，可以理解的是，可能存在与当前的半导体激光器制造技术相关联的显著的问题和缺点。

发明内容

公开了用于提供弯曲端面的半导体激光器的技术。在一个特定实施例中，该技术可以被实现为包括波导的半导体激光器，其中波导包括在半导体激光器的边缘处形成的端面，并且该端面具有曲率。

根据该特定实施例的其他方面，端面曲率可以基于端面的宽度。

根据该特定实施例的其他方面，端面曲率可以基于端面的深度。

根据该特定实施例的另外的方面，可以从半导体激光器的边缘到该端面的最小深度来测量端面的深度。

根据该特定实施例的另外的方面，端面的最小深度可以位于端面的中心区域。

根据该特定实施例的其他方面，端面曲率可以基于半径。

根据该特定实施例的其他方面，端面被配置为发射光，并且相对于在没有所述端面曲率的情况下发射的光，端面曲率使得所发射的光减少了远场不对称程度。

根据该特定实施例的其他方面，可以通过蚀刻来形成端面曲率。

根据该特定实施例的另外的方面，该蚀刻可以是化学辅助的离子束蚀刻。

根据该特定实施例的其他方面，端面曲率可以相对于半导体激光器的边缘呈凹形的。

根据该特定实施例的其他方面，端面曲率可以相对于半导体激光器的边缘呈凸形。

根据该特定实施例的其他方面，端面曲率可以满足以下方程式：(w/2)²+(r-1)²＝r²，其中w是端面的宽度，r是半径，l是端面的深度。

在另一个特定实施例中，该技术可以实现为半导体激光器的制造方法，包括：在由波导形成的边缘处刻蚀端面，其中端面具有曲率。

根据该特定实施例的其他方面，端面曲率可以基于端面的宽度。

根据该特定实施例的其他方面，端面曲率可以基于端面的深度。

根据该特定实施例的其他方面，端面曲率可以基于半径。

根据该特定实施例的其他方面，可以通过化学辅助离子束蚀刻来形成端面曲率。

根据该特定实施例的其他方面，端面曲率可以相对于半导体激光器的边缘呈凹形。

根据该特定实施例的其他方面，端面曲率可以相对于半导体激光器的边缘呈凸形。

在另一个特定实施例中，一种半导体激光器可以包括波导和附接该波导的衬底，其中，波导和衬底包括在半导体激光器的边缘处形成的端面，并且该端面具有曲率。

根据该特定实施例的其他方面，端面曲率可以相对于半导体激光器的边缘呈凹形。

根据该特定实施例的其他方面，端面曲率可以相对于半导体激光器的边缘呈凸形。

根据该特定实施例的其他方面，端面曲率可以满足以下方程式：(w/2)²+(r-1)²＝r²，其中w是所述端面的宽度，r是半径，1是所述端面的深度。

现在将参考如附图所示的本公开的特定实施例来更详细地描述本公开。虽然下面参考特定实施例描述了本公开，但是应当理解，本公开不受限于此。受到本文中的教导的本领域普通技术人员将认识到额外的实现方式、修改和实施例以及其他领域的用途，其落入如本文所描述的本公开的范围内，并且关于其本公开可能具有重要的实用性。

附图说明

为了便于对本公开的更充分的理解，现在参考附图，在附图中相同的元件用相同的附图标记表示。这些附图不应被解释为限制本公开，而仅是示例性的。

图1A示出了根据本公开实施例的半导体激光器的截面图。

图1B示出了根据本公开实施例的半导体激光器的俯视图。

图1C示出了根据本公开实施例的半导体激光器的三维截面图。

图2A示出了根据本公开实施例的从半导体激光器发射的光的模拟热图。

图2B示出了根据本公开实施例的曲线图，该曲线图以图形格式显示从半导体激光器发射的光的热图的数据。

图3A示出了根据本公开实施例的具有凹形弯曲端面的半导体激光器的俯视图。

图3B示出了根据本公开实施例的具有弯曲端面的半导体激光器的三维截面图。

图3C示出了具有弯曲端面的半导体激光器的弯曲端面的放大视图。

图4A示出了根据本公开实施例的从具有弯曲端面的半导体激光器发射的光的模拟热图。

图4B示出了根据本公开实施例的曲线图，该曲线图以图形格式显示从具有弯曲端面的半导体激光器发射的光的热图的数据。

图4C和图4D示出了根据本公开的实施例的可以如何根据激光端面改善抗反射特性的示例。

图5A示出了根据本公开实施例的曲线图，该曲线图显示了从具有弯曲端面的半导体激光器发射的光的水平远场分量的水平角的不同跨度。

图5B示出了图5A中所示的曲线图的放大部分。

图6A至图6C示出了根据本公开实施例的通过测试参考半导体激光器和具有变化的边缘端面曲率的半导体激光器而得到的实验结果。

图7示出了根据本公开实施例的曲线图，该曲线图反映了半导体激光器的以毫瓦(mW)为单位的输出光学功率与以毫安(mA)为单位的电流之比。

图8示出了根据本公开实施例的具有凸形弯曲端面的半导体激光器的俯视图。

具体实施方式

本公开和相关的优点在以下描述和非必需按比例绘制的附图中进行描述和强调。省略一些结构和处理技术的详细描述，以免不必要地模糊本公开。

图1A示出了根据本公开实施例的半导体激光器100的截面图。半导体激光器100可以是包括脊102的脊型二极管激光器。半导体激光器100也可以包括波导104和衬底106。例如，衬底106可以是磷化铟(InP)基材料，并且波导104可以是铝镓砷化铟(AlGaInAs)基材料。脊102例如可以是InP基材料。间隔层114可以定位在脊102与波导104之间。间隔层114可以由与脊102相同的材料制成。可替代地，间隔层114可以是脊102的一部分，并且可以是与脊102一起形成单个结构的残余层。

图1B示出了根据本公开实施例的半导体激光器100的俯视图。如图1B中所示，脊102从半导体激光器100的一个边缘延伸到半导体激光器100的相对边缘。

图1C示出了根据本公开实施例的半导体激光器100的三维截面图。如图1C中所示，光108从波导104在半导体激光器100的端面处发射。光108具有水平远场分量110和竖直远场分量112。由于在光离开波导104处的端面的几何形状不对称，因此光108可以在不同的方向上和/或以不同的角度发散，并且分量110和分量112可以具有不同的尺寸。实际上，竖直远场可能比水平远场发散得更快，并且与竖直远场相比，水平远场的半峰全宽值可能要窄得多。因此，如图1C所示，竖直远场分量112的尺寸可以大于水平远场分量110的尺寸。分量110和分量112的尺寸上的这种差异可以导致光108具有不对称的远场模式。在将光108耦合到诸如光纤的传输介质时，因为水平远场分量110和竖直远场分量112的虚拟焦点可能在不同的位置，所以不对称的远场模式可能导致像散。这种像散可以降低与传输介质的耦合效率，并且耦合损耗可以增加。可能需要使用复杂的非球面光学元件(诸如透镜)来校正不对称性并且确保减少耦合损耗。然而，这些光学元件可能是昂贵的，并且可能增加半导体激光器的制造和使用成本。

图2A示出了根据本公开的实施例的光108的模拟热图200。热图200在其左手侧的y轴上指示竖直远场分量112的竖直角。水平远场分量110的水平角包括在热图200的x轴上。以任意单位(a.u.)表示的光108的归一化强度包括在热图200的右手侧的y轴上。如热图200所示，与水平远场分量110的水平角相比，竖直远场分量112的竖直角跨越更大的角度范围，其中归一化强度大于零。竖直角比水平角的更大跨度反映了在竖直远场分量112与水平远场分量110之间的不对称性。

图2B示出了根据本公开的实施例的曲线图202，该曲线图202以图形格式显示热图200的数据。如曲线图202所示，水平远场分量110的水平角从大约-40度跨越至大约40度。然而，发射光的大部分集中在大约-15度到大约15度之间。竖直远场分量112的竖直角从大约-80度跨度至大约80度，其中发射光的大部分集中在大约-25度至大约25度之间。因此，曲线图202进一步示出了在竖直远场分量112与水平远场分量110之间的不对称性。

图3A示出了根据本公开实施例的半导体激光器300的俯视图。半导体激光器300可以是包括脊302的脊型二极管激光器。半导体激光器300也可以包括波导和衬底(图3A中未示出)。半导体激光器300可以包括凹形弯曲端面304。例如，可以使用化学辅助离子束从半导体激光器300上蚀刻出凹形弯曲端面304。也可以或者替代地使用其他种类的蚀刻方法，诸如反应离子蚀刻-感应耦合等离子体(RIE-ICP)蚀刻或者湿蚀刻。凹形弯曲端面304可以相对于包括该端面的半导体激光器300的边缘具有凹形形状，如图3A中的俯视图所示。可替代地，可以提供不同形状的端面。例如，弯曲端面可以是凸形弯曲端面(如将参考图8讨论的)，或者可以是不同形状的曲线。例如，可以使用阶梯状的结构。

凹形弯曲端面304可以从凹形弯曲端面304起始的半导体激光器300的第一位置延伸到凹形弯曲端面304结束的半导体激光器300的第二位置。第一位置与第二位置之间的距离是弯曲端面的宽度，并且在图3A中由“w”表示。图3A的值“l”表示从半导体激光器300的边缘到凹形弯曲端面304的最小深度的距离。凹形弯曲端面304的曲线可以延伸成包括半径“r”的圆306。圆306不是半导体激光器300的组成部分，而是象征着如果凹形弯曲端面304的曲率形成圆的一部分将产生的形状。值“w”、“r”和“l”满足方程式(w/2)²+(r-1)²＝r²。

通过调节圆306的半径“r”，可以修改凹形弯曲端面304的曲率。例如，通过增加半径“r”并且保持“1”恒定，可以减小凹形弯曲端面304的曲率。相反，例如，通过减小半径“r”并且保持“1”恒定，可以增加凹形弯曲端面304的曲率。调节半径“r”还可以修改从半导体激光器300发射的光的水平远场角。通过减小半径“r”并且保持“1”恒定，水平远场角可以增加。

图3B示出了根据本公开实施例的半导体激光器300的三维截面图。如图3B所示，半导体激光器300包括脊302、波导308和衬底310。图3B还示出了凹形弯曲端面304的另一视角。间隔层318可以定位在脊302与波导308之间。间隔层318可以由与脊302相同的材料制成。可替代地，间隔层318可以是脊302的一部分，并且可以是与脊302一起形成单个结构的残余层。

如图3B中所示，光312从波导308在半导体激光器300的端面处发射。光312具有水平远场分量314和竖直远场分量316。与以上讨论的光108的分量110和分量112类似，水平远场分量314竖直远场分量316可以在不同方向上以不同角度发散。但是，凹形弯曲端面304可以通过校正散度来减小这种不对称性，而无需额外的光学元件。因此，竖直远场分量316的尺寸可以更接近水平远场分量314的尺寸，并且与半导体100所发射的光108相比，半导体激光器300所发射的光312可以更加对称。实际上，与光108相比，光312可以具有更对称的远场模式。

在将光312耦合到诸如光纤的传输介质时，与光108的耦合相比，改进的远场模式可以减少所存在的像散的量。这种减少是因为水平远场分量314的虚拟焦点和竖直远场分量316的虚拟焦点可以在更近的位置。与光108的耦合相比，像散的减少可以增加与传输介质的耦合效率，并且可以减小耦合损耗。可能不需要复杂的非球面光学元件(诸如透镜)以将光308耦合到传输介质。而且，制造和使用半导体激光器300的成本可以小于制造和使用半导体激光器100的成本。另外，端面曲率可以减小模式反射率，这在半导体光学放大器应用中可能是期望的。

图3C示出了根据本公开的实施例的凹形弯曲端面304的放大视图，并且示出了脊302、波导308和衬底310。可以蚀刻半导体激光器300的每层以形成凹形弯曲端面304。然而，可替代地，仅波导308可以被单独蚀刻为弯曲的，或者波导308与衬底310和脊302中的一个或多个一起可以被蚀刻为弯曲的。

图4A示出了根据本公开的实施例的光312的模拟热图400。热图400在其左手侧的y轴上指示竖直远场分量316的竖直角。水平远场分量314的水平角包括在热图400的x轴上。以任意单位(a.u.)表示的光312的归一化强度包括在热图400的右手侧的y轴上。

如热图400所示，与水平远场分量314的水平角相比，竖直远场分量316的竖直角跨越更大的角度范围，在角度范围中归一化强度大于零。但是，与图2A中的热图200相比，水平角的跨度可以大约相同或者更大，而竖直角的跨度可以不会更大或者相同。因此，热图400示出了半导体激光器300的凹形弯曲端面304可以增加发射光的水平远场分量和/或减小发射光的竖直远场分量。由于水平角可能稍微大一些，所以热图400还显示出发射光的水平远场分量增加。因为角度的跨度更紧密地匹配，所以水平远场分量的增加和/或竖直远场分量的减小可以减小竖直和水平远场分量的不对称性。此外，凹形弯曲端面304可以改善半导体激光器300的抗反射特性。

图4B示出了根据本公开实施例的曲线图402，该曲线图402以图形格式显示热图400的数据。如曲线图402所示，水平远场分量314的水平角跨度从大约-40度至大约40度。然而，发射光的大部分集中在大约-20度到大约20度之间，与图2B中的曲线图202相比显示出增加。例如，竖直远场分量316的竖直角可以被认为跨度从大约-60度至大约60度，或者可以被认为跨度从大约-80度至大约80度。因此，半导体300的竖直角跨度因此可被认为与图2B中所示的半导体激光器100的竖直角跨度相比减小或者基本没有改变。因此，曲线图402和热图400的结果可以显示出，与半导体激光器100所发射的光相比，半导体激光器300所发射的光的竖直和/或水平远场分量的不对称性减小。结果可以进一步表明，凹形弯曲端面304会增加从波导308发出的光的水平远场分量的半峰全宽值。

图4C和4D示出了可以如何根据激光端面改善抗反射特性的示例。如图4C中所示，示出了半导体激光器404。半导体激光器404可以是图1A至图1C中所示的半导体激光器100。光406传送通过半导体激光器404并且击中端面408，该端面是非弯曲的端面。从而反射光410可以在平行于光406的方向上传送。由于反射光410可以平行于光406，因此激光器404中可能存在高模式反射率，并且离开激光器404的光的效率可能降低。

图4D示出了半导体激光器412。半导体激光器412可以是图3A至图3C中所示的半导体激光器300。光406传送通过半导体激光器404并且击中凹形弯曲端面416。从而反射光418可以在不平行于光406的方向上传送。由于反射光418可以不平行于光406，因此可能会减少激光器412的模式反射率，并且可以增加离开激光器412的光的效率。

图5A示出了根据本公开的一个实施例曲线图500，曲线图500显示了当半径“r”改变并且“1”保持恒定时经由凹形弯曲端面304从波导308发射的光的水平远场分量的水平角的不同跨度。如半径为14μm的图所示，角跨度从大约-50度到大约50度。对于18μm半径，角跨度从大约-40度到大约40度。因此，可以修改凹形弯曲端面304的曲率以调节从波导308发射的光的水平远场分量的水平角。

图5B示出了图5A中所示的曲线图500的放大部分502。如图5B所示，相对于14μm半径的凹形弯曲端面，半径为18μm的凹形弯曲端面导致较小的水平角跨度。

图6A至图6C示出了根据本公开的实施例的通过测试参考半导体激光器(例如，半导体激光器100)和具有变化的边缘端面曲率的半导体激光器(例如，半导体激光器300)而得到的实验结果。结果图显示了不同激光器的水平远场图，以及当输出激光束离开不同激光器时其发散输出多宽。这些图还显示了每个图的一半强度内可用光强度的角度有多宽。x轴是水平方向上的角度。y轴是以任意单位(a.u.)表示的功率强度。

图6A示出了由不具有端面曲率的参考半导体激光器所发射的发射光的水平远场分量的水平角。这种激光器显示出16.8度的水平远场的半峰全宽值。

图6B示出了由14μm凹形端面曲率半导体激光器所发射的发射光的水平远场分量的水平角。这种激光器显示出29.2度的水平远场的半峰全宽值。

图6C示出了由18μm凹形端面曲率半导体激光器所发射的发射光的水平远场分量的水平角。这种激光器显示出25.6度的水平远场的半峰全宽值。

因此，图6A至图6C中所示的结果可以显示出，与不具有端面曲率的参考半导体激光器相比，弯曲端面的半导体激光器提供了更宽的水平远场激光输出。因此，与不具有端面曲率的参考半导体激光器相比，弯曲端面的半导体激光器表现出更好的性能。实验结果还表明，水平远场随凹形弯曲端面304的曲率改变而改变，并且可以基于改曲率半径“r”来调节远场大小。

图7示出了根据本公开的实施例的曲线图700，该曲线图700反映了半导体激光器以毫瓦(mW)为单位的输出光学功率与以毫安(mA)为单位的电流之比。将虚线所示的弯曲端面的半导体激光器性能与实线所示的非弯曲端面半导体性能进行比较。如曲线图700所示，具有弯曲端面的半导体激光器(例如，半导体激光器300)的输出光学功率不明显地不同于不具有弯曲端面的半导体激光器(例如，半导体激光器100)，并且具有弯曲端面的半导体激光器(例如，半导体激光器300)的输出光学功率在公差范围内。因此，端面曲率对半导体激光器性能，诸如比方说半导体激光器输出光学功率性能，没有显著影响。

图8示出了根据本公开实施例的半导体激光器800的俯视图。半导体激光器800可以是包括脊802的脊型二极管激光器。半导体激光器800也可以包括波导和衬底(图8中未示出)。脊802可以与以上描述的脊302相同。半导体激光器800的波导和衬底可以例如与以上描述的波导308和衬底310相同。

半导体激光器800可以包括凸形弯曲端面804。例如，可以通过使用化学辅助离子束蚀刻来蚀刻半导体激光器800而形成凸形弯曲端面804。凸形弯曲端面804具有相对于包括端面的半导体激光器800的边缘的凸形，如图8中的俯视图所示。可替代地，弯曲端面可以是不同形状的曲线。

凸形弯曲端面804可以从凸形弯曲端面804起始的半导体激光器300的第一位置延伸到凸形弯曲端面804结束的半导体激光器300的第二位置。第一位置与第二位置之间的距离是弯曲端面的宽度，并且在图8中由“w”表示。图8的值为“1”表示从弯曲端面804的最小凸形深度到已经被蚀刻的半导体激光器800的边缘的距离。凸形弯曲端面804的曲线可以延伸成包括半径“r”的圆806。圆806不是半导体激光器800的组成部分，而是象征着如果凸形弯曲端面804的曲率形成圆的一部分将产生的形状。值“w”、“r”和“l”满足方程式(w/2)²+(r-1)²＝r²。

通过调节圆806的半径“r”，可以修改凸形弯曲端面804的曲率。例如，通过增加半径“r”并且保持“1”恒定，可以减小凸形弯曲端面804的曲率。相反，例如，通过减小半径“r”并且保持“1”恒定，可以增加凸形弯曲端面804的曲率。调节半径“r”还可以修改从半导体激光器800发射的光的水平远场角。

返回参考图4C，在另一个实施例中，可以将光学透明材料沉积或者以其他方式放置在图4C中的激光器404的端面408的前面，以修改光如何离开激光器404并且改善激光器404的功能。例如，光学透明材料可以是高折射率光学透明材料。该材料可以例如以与如在图4C中所示的端面408相同的形式成形或者蚀刻(例如，使得其形成类似于端面408的非弯曲端面)。在另一实施例中，材料可以例如以与如在图4D中所示的端面416相同的形式成形或者蚀刻(例如，使其形成类似于端面416的凹形弯曲端面)。在另一实施例中，材料可以例如以与如在图8中所示的端面804相同的形式成形或者蚀刻(例如，使得其形成类似于端面804的凸形弯曲端面)。

本公开内容的范围不受本文描述的具体实施方案的限制。实际上，除了本文描述的那些实施方式之外，鉴于前面的描述和附图，本公开的其他各种实施方式和修改对本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，这样的其他实施例和修改旨在落入本公开的范围内。此外，尽管本文在至少一种特定环境中出于至少一种特定目的至少一种特定实施方式的上下文中描述了本公开，但是本领域普通技术人员将认识到，其用途不限于此，并且为了任何目的，可以在任何数量的环境中有利地实施本公开。