CN104901159B - 多波导集成谐振半导体激光器 - Google Patents

Abstract

多波导集成谐振半导体激光器属于半导体激光芯片技术领域，目的在于解决现有技术存在的激光器模式特性差、工作不稳定、发散角大、光束质量差、亮度低等问题，并且有助于提高半导体激光的输出功率。本发明在半导体激光芯片上制作光子桥、模式稳定器和功率放大器；光子桥通过一个或多个全同或相异的模式稳定器阵列与功率放大器连接，使得激光在半导体激光芯片上沿着光子桥在各个模式稳定器和功率放大器之间传递和谐振；模式稳定器稳定光学模式，或者产生工作模式稳定和光学模式单一的高光束质量种子光源；功率放大器放大种子光源的功率。本发明实现高功率高亮度窄线宽的半导体激光单管或者线阵输出，也可以获得多波长的半导体激光单管或者线阵输出。

Description

多波导集成谐振半导体激光器

技术领域

本发明属于新型半导体激光器技术领域，具体涉及一种多波导集成谐振半导体激光器。

背景技术

传统半导体激光器，被广泛的应用于工业加工、医疗、通讯、国防、泵浦源等领域，但是，由于其光束质量差、亮度低、单管功率低等问题，不能满足很多应用领域的需求。随着科技发展，越来越多的领域对更高功率的高光束质量、高亮度、窄线宽、高相干度的高功率激光的需求不断增长。

为满足这一应用，科学家提出一种锥形激光器。这种激光器通常由反射式布拉格光栅、主振荡器的脊形波导和功率放大器的锥形波导构成。布拉格光栅用于调节激光器纵模，使激光器整体工作在单频率状态；脊形波导的主振荡器用于限制激光器的侧向模式，使主振荡器产生高光束质量的种子光源；锥形波导的功率放大器可以在低电流工作的情况下放大种子光源的功率而不引入其他光学模式。这种锥形激光器提供拥有良好的光束质量和较高的输出功率。然而，作为种子光源的主振荡器在高功率工作时不仅不能很好的限制光学模式而引起跳摸，还容易由于能量过高导致腔面阈值损伤；如果需要进一步增大输出功率，需要在制作半导体激光器芯片时增加锥形波导尺寸，这样通常会引入额外的光学模式而导致光束质量劣化，亮度降低。因而锥形激光器问世二十年来，商业化的只有一些单管器件单独应用。

因而需要研制出一种在不增加锥形波导尺寸的情况下，实现高功率、高亮度、高光束质量、窄线宽、高相干性的半导体激光器单管乃至线阵，应用于高功率激光器的光学系统中。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种多波导集成谐振半导体激光器，主要解决半导体激光器单管和线阵的高功率、高光束质量、高亮度、窄线宽、高相干度的问题。同时，本发明还可以应用于集成光学领域，作为单一频率或者多频的激光信号源直接与其他光学元件集成；也可以作为太赫兹差频的激光源，产生相位差稳定、激射波长不同的激光。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

多波导集成谐振半导体激光器，在半导体激光芯片上制作光子桥、模式稳定器和功率放大器；光子桥通过一个或多个全同或相异的模式稳定器阵列与功率放大器连接。

本发明的有益效果是：

1、种子光源模式更稳定：光学模式会经过多个模式稳定器的充分筛选和过滤，更加容易获得稳定单模工作的高质量种子光源。

2、功率更大、亮度更高、稳定性更好：经过模式稳定器筛选过的光学模式被传递给多个功率放大器进行功率放大，之后通过腔面镀膜技术，可以实现单一或几个出光口的激光输出，相当于原来多个功率放大器放大后的光功率从一个或者少数几个出光口激射，出光口的能量密度提升了几倍，而光束质量不变，因而更加容易得到大功率高亮度激光。并且由于激光芯片的单片集成，相比于采用传统的激光器线阵，省去了光束合束步骤，降低了成本，并且提高了光学系统的稳定性。

3、腔面不容易损坏：相比于的普通锥形激光器的结构，本项目提出的结构由于出光腔面全在功率放大器部分，模式稳定器的波导部分没有暴露在空气中的腔面，不会像普通的锥形激光器一样由于尺度过小导致功率密度过高而发生腔面氧化等现象从而导致腔面灾变性损坏，大大提高了腔面损伤阈值，在大功率条件下工作也不容易损坏。

4、出光亮度稳定：可以在不增加功率放大器的尺寸下，通过使用光子桥连接经过多个功率放大器得到的激光能量的方法来获得高功率，进而避免了增大功率放大器的尺寸额外引入的多余模式激射问题；多个模式稳定器还可以很好的抑制光束成丝现象，保证了光束质量。

5、成本更低，易商业化：本专利提出的多波导集成谐振半导体激光器只需普通商用激光器的制备技术：光子晶体的制备方法已经成熟，目前已经大规模应用于LED生产和商业化，基于光栅制备技术的半导体激光器也已经有商用产品问世，因而工艺流程简单，技术完善，可以支持工业加工、激光医疗等各行业的发展。

6、通过设计模式稳定器的结构可以调节出射激光器波长，使之工作在稳定的单波长或多波长状态，并且不同的波长之间有着稳定的相位差。可以满足光互连中使用的可调谐激光、非线性光学中使用的差频激光等不同领域的大功率激光输出需求。

附图说明

图1为本发明的多波导集成谐振半导体激光器实施例一的立体结构图。

图2为本发明的多波导集成谐振半导体激光器实施例一的主视图。

图3为本发明的多波导集成谐振半导体激光器实施例二的立体结构图。

图4为本发明的多波导集成谐振半导体激光器实施例二的主视图。

图5为本发明的多波导集成谐振半导体激光器的光子桥的曲线说明图。

其中：1、光子桥，2、模式稳定器，3、功率放大器，4、弯曲波导，5、Y形波导，6、光子晶体，7、第一光栅，8、第二光栅，9、光学槽和10、半导体激光芯片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

在半导体激光芯片10上制作光子桥1、模式稳定器2和功率放大器3；光子桥1通过一个或多个全同或相异的模式稳定器2阵列与功率放大器3连接。

光子桥1负责连接各个模式稳定器2和功率放大器3，使得激光在半导体激光芯片10上沿着光子桥1在各个模式稳定器2和功率放大器3之间传递和谐振，使得光子能量的传输路径弯曲180°或者90°，或者实现其他设计角度的弯曲，并且由于传输路径改变导致的能量损耗低于0.5dB。其光子传输路径可以是沿着圆弧形或者曲线，或者在折角处实现全反射。其结构可以是Y形波导、脊形波导、光子晶体波导、光学槽，以及以上结构的混合应用。

模式稳定器2可以用来稳定光学模式，也可以产生频率稳定和光学模式单一的高光束质量种子光源。在一个多波导集成谐振半导体激光器芯片内，每个模式稳定器2可以各自采取不同的结构，起到不同的功能。其结构可以是侧面或者顶面光栅结构、SLOT结构、脊形结构、光子晶体结构、分布反馈结构以及以上结构的混合应用。

功率放大器3可以在不引入其他光学模式的情况下放大种子光源的功率。其结构可以是锥形波导结构。在半导体激光芯片10上已存在一个或多个多波导集成谐振半导体激光器时，部分功率放大器3可以直接与光子桥1相连接。

光子桥1负责连接各个模式稳定器2和功率放大器3构成一个集成于芯片上的半导体激光系统，整个系统中的所有波导参与激光谐振，每个波导各司其职，共同影响出射激光性质。可以选择适当的波导端面作为出光端面制作增透膜，其余的波导端面制作反射结构或者蒸镀全反射薄膜，使得所设计的波导端面有激光出射。因此，集成波导系统激光器可以以单管或者线阵方式工作。

实施例一：

如图1和图2所示，本实施例中，在已经设计和制备好的980nm波长、在该波段的有效折射率为3.48的半导体激光芯片10上，通过光刻和刻蚀方法，一次性光刻出光子桥1、模式稳定器2，以及功率放大器3的脊形凸起部分。再通过电子束套刻，在脊形的下台面上进一步向下制备光子晶体。其中，光子晶体的具体尺寸要求为，980nm的激光处于该光子晶体的光子禁带之内，不允许980nm的光子在其中传播；功率放大器3上的锥形波导的锥形底边长150μm，锥形底脚88°。随后进行通常的半导体工艺，即蒸镀氧化绝缘层、光刻套刻电极窗口、制作欧姆接触的金属电极、芯片节理、腔面镀膜等工艺。本实施例中，光子桥1由脊形波导、弯曲波导4、Y形波导5、和光子晶体6混合构成，Y形波导5负责将光子桥1中的能量进行分束并分别注入到两边的弯曲波导4之中；四个弯曲波导5均呈圆弧形，转弯半径为150μm，转弯角度为90°，光子晶体6一同负责连接周围的4个Y形波导5。由于光子晶体的结构满足980nm的光子在其光子禁带，光子在光子晶体中不能传播，只能沿着弯曲波导4的路径传播，因而可以很好的起到限制光子传播路径的作用，配合弯曲波导4和Y性波导5，实现在150μm的转弯半径下，由波导的弯曲造成的能量传输损耗低于0.5dB。最后，在本实施例中，选择4个锥形波导中的一个作为出光端面制作增透膜，其他三个端面制作高反射率薄膜，从而实现4个功率放大器3放大的激光功率在一个端面上出射，可以获得更高的功率、更好的光束质量和更高的亮度。

实施例二：

如图3和图4所示，本实施例中，在已经设计和制备好的980nm波长附近、在该波段的有效折射率为3.48的半导体激光芯片10上，首先通过光刻或者电子束刻蚀的方法，在设计的位置制备模式稳定器2中的光栅结构，在本实施例中，当多波导集成谐振半导体激光器设计工作在单波长980nm工作时，光栅的周期为281.6nm；当多波导集成谐振半导体激光器设计波长为双波长975nm和985nm工作时，光栅结构被设计为两种尺寸，第一光栅7上的光栅周期为280nm，第二光栅8上的光栅周期为283nm，占空比为0.5；有着稳定相位差的双波长多波导集成谐振半导体激光器可以通过非线性效应差频产生太赫兹激光，在太赫兹光源方面有着广泛的应用前景。其次生长一层1μm的SiO₂作为保护层用于保护光栅结构在后续的工艺步骤中不被损伤；再通过光刻和刻蚀方法，一次性光刻出光子桥1、模式稳定器2，以及功率放大器3的脊形凸起部分。再通过套刻的方法，深刻蚀制备光子桥1中的光学槽9用于增强光子桥1的导波能力，要求刻蚀深度超过有源区，再去掉保护层SiO₂。在半导体激光芯片10上，当存在多个多波导集成谐振半导体激光器时，如图3和图4所示，四周或者其他位置的光子桥1可以直接与功率放大器3连接。其中，光子桥1的曲线设计为如图5所示：由两条遵循欧拉曲线方程(极坐标下的公式为s＝2rθ，s为曲线长度，r为极轴，θ为极角)的波导对接而成：每条波导在50微米的尺寸以内实现入射光学模式转弯，与原来方向成45°角对接到另外一条对称分布的欧拉曲线波导中。随后进行通常的半导体工艺，即蒸镀氧化绝缘层、光刻套刻电极窗口、制作欧姆接触的金属电极、芯片节理、腔面镀膜等工艺。在功率放大器3的腔面处，选择特定的腔面蒸镀增透膜为出光口，其余的蒸镀高反膜。当只有一个腔面蒸镀增透膜作为出光口时，多波导集成谐振半导体激光器工作在单管状态；当一个侧面都蒸镀增透膜作为出光口时，多波导集成谐振半导体激光器工作在线阵状态。

Claims (5)

1.多波导集成谐振半导体激光器，其特征在于，在半导体激光芯片上制作光子桥、模式稳定器和功率放大器；所述光子桥通过一个或多个全同或相异的模式稳定器阵列与功率放大器连接，所述光子桥的结构是Y形波导、脊形波导、光子晶体波导、光学槽，或者以上结构的混合应用；

所述光子桥负责连接各个模式稳定器和功率放大器，使得激光在半导体激光芯片上沿着光子桥在各个模式稳定器和功率放大器之间传递和谐振，使得光子能量的传输路径弯曲180°或者90°，或者实现其他设计角度的弯曲，并且由于传输路径改变导致的能量损耗低于0.5dB；其光子传输路径可以是沿着圆弧形或者曲线，或者在折角处实现全反射。

2.根据权利要求1所述的多波导集成谐振半导体激光器，其特征在于，所述模式稳定器采用侧面或者顶面为光栅结构、SLOT结构、脊形结构、光子晶体结构、分布反馈结构，或者以上结构的混合应用。

3.根据权利要求1所述的多波导集成谐振半导体激光器，其特征在于，所述功率放大器是锥形波导结构。

4.根据权利要求1所述的多波导集成谐振半导体激光器，其特征在于，在所述半导体激光芯片上已存在一个或多个多波导集成谐振半导体激光器时，部分功率放大器直接与光子桥相连接。

5.根据权利要求1所述的多波导集成谐振半导体激光器，其特征在于，所述在光子桥、模式稳定器和功率放大器的设计出光端面制作增透膜，其余端面制作反射结构或者蒸镀全反射薄膜。