CN105811242A - 周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器 - Google Patents

Abstract

周期性金属接触增益耦合分布反馈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分布反馈半导体激光器制备困难、成本高昂问题。本发明在半导体激光芯片上制作周期性金属接触；可以通过刻蚀、氧化、载流子注入等手段在周期性金属接触之间制作侧向电流限制区，也可以在芯片端面制作高反膜或减反膜。本发明可以实现高功率窄线宽的半导体激光单管或者线阵输出，也可作为种子光源应用于其他半导体激光器，或产生双波长或者频率梳激射的半导体激光，或用于进行非线性光学效应，也可以获得波长稳定的半导体激光泵浦光源。

Description

周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器

技术领域

本发明属于新型半导体激光器技术领域，具体涉及一种周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器。

背景技术

传统半导体激光器目前广泛的应用于工业加工、医疗、通讯、国防、泵浦源等领域。但是，由于半导体激光器随电流注入波长漂移较大、难以实现单纵模工作等问题，不能满足很多应用领域的需求。

为解决调控半导体激光器的纵模工作模式和线宽的问题，目前通常使用的方法有：采用折射率耦合与相移光栅的分布反馈激光器、高阶分布布拉格反射光栅的半导体激光器、注入锁定的半导体激光器和外腔耦合的半导体激光器。目前使用的方法，普遍是通过引入一阶或高阶的光栅结构，从光学上针对某一波段进行反馈使之激射，并且抑制其他光学模式，从而调制激光器的纵模和光谱线宽。然而，低阶光栅由于尺寸较小，加工困难，成本较高，并且受到刻蚀宽深比的限制，不能进行深刻蚀，导致光栅耦合效率低下，需要大面积制备才能够应用；高阶光栅由于受到高阶散射引起的损耗的影响，很多能量被白白散射掉，导致工作效率不高。

增益耦合分布反馈半导体激光器是一种基于周期性增益引起的光反馈现象的新型半导体激光器。这种激光器可以直接在布拉格波长激射而不存在模式简并，结构相对简单，温度稳定性高，不受端面不确定相位的影响，低啁啾，能够有效降低空间烧孔效应，并且可以实现单纵模工作。目前的增益耦合分布反馈半导体激光器通常在有源区附近，通过制备周期性结构和调节掺杂组分，实现一种增益耦合和折射率耦合的复合工作状态，由于周期性结构尺寸较小，依然严重依赖电子束刻蚀技术和二次外延技术，成本复杂而高昂，难以实用化和商业化。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器，主要解决半导体激光器单纵模工作现有方案技术复杂精密、成本高昂难以实用化的问题。同时，本发明还可以应用于集成光学领域，比如作为模式调控的种子光源和功率放大器连接；也可以作为双波长甚至多波长同时激射的半导体激光器工作；也可以产生相位差稳定、激射波长不同的激光，进行半导体激光的非线性应用，比如合频、倍频、差频，用于产生太赫兹激光等，也可以作为波长稳定的多纵模高功率半导体激光器，用于其他激光器的泵浦源。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器，该激光器为在半导体激光芯片上制作出限制光场分布的脊型结构，在所述脊型结构的上表面上制作周期性金属接触。本发明的有益效果是：

1、不受端面解理的不确定相位影响：增益耦合分布反馈半导体激光器的特性决定，相对于折射率耦合的分布反馈半导体激光器和相移光栅分布反馈半导体激光器，增益耦合分布反馈半导体激光器本身对端面反射不敏感，因而不会由于端面解理而产生不确定的相位差，影响半导体激光器的纵模特性。2、更好的激光参数特性：由于增益耦合分布反馈半导体激光器的两个出光面不受不确定相位差影响，因而可以不镀增透膜，或者一端镀高反射膜，一端镀增透膜从而增加出射功率，获得更好的边模抑制比等特性。

3、制作容差大：相比于电子束刻蚀等工艺的纳米级别的技术工艺，周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器的制备容差在微米量级，容差提高千倍，可以使用普通光刻机和通常光刻板进行制备。

4、制作工艺简单，成本低廉，适合商业化应用：周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器只需要针对所需激光波段和芯片结构，在电接触制作步骤，利用普通光刻机所用的光刻板进行一次曝光，即可制作出周期性金属接触，无需复杂的电子束刻蚀工艺或者二次外延工艺，大大降低了制作成本，而且可以大面积制作，特别适合大规模生产。

5、应用范围广泛：周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器可以集成在其他半导体激光器中，比如作为种子源，或用于稳定激光器出光频率使之处于单纵模工作状态而不受到解理端面的不确定相位影响。当有源区，特别是半导体激光器量子阱制作为多个不同波段具有增益的量子阱时，由于满足不同阶数的布拉格条件，增益耦合分布反馈半导体激光器可以工作在双波长或者频率梳工作状态，产生相位差稳定的双波长或者频率梳激光。如果配合合适的半导体激光器芯片的晶体晶向制作，则可以实现各种非线性效应，比如合频、差频、倍频等，特别是通过差频产生太赫兹激光，将会大大拓宽增益耦合分布反馈半导体激光器的应用领域。这些都是一般的分布反馈激光器所不具备的功能。

6、作为固体激光器或者光纤激光器的泵浦源，半导体激光器需要有比较高的功率、稳定的出光波长范围和比较高的转化效率。通过在半导体激光器芯片上制作上百个或者数十个周期的周期性金属接触，相比于制作三五百个周期金属接触的单纵模半导体激光器，可以得到比较弱的半导体激光器内的增益耦合反馈效果，此反射效果可以保证半导体激光器工作波长比较稳定，但因为反馈比较弱，半导体激光器不是单纵模工作状态，这样通过多个纵模的叠加，可以稳定半导体激光器的出光波长的同时得到高输出功率，并且由于不存在光学衍射或散射，可以提高半导体激光器的转换效率。

附图说明

图1为本发明的周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器实施例一的三维结构示意图。

图2为本发明的周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器实施例二的三维结构示意图。

图3为本发明的周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器实施例三的三维结构示意图。

图4为本发明的周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器实施例四的三维结构示意图。

图5为本发明的周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器实施例五的三维结构示意图。

图6为本发明的周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器实施例六的三维结构示意图。

其中：1、半导体激光器芯片，2、周期性金属接触，3、侧向电流限制区，4、腔面膜，5、能量放大器，6、相位调节电极，7、增益开关电极。

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。

周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器，在半导体激光芯片1上的脊型结构上制作周期性金属接触2，可以通过刻蚀、氧化、载流子注入等手段在周期性金属接触2之间制作侧向电流限制区3，也可以在芯片端面制作高反射膜或抗反射膜。

所述周期性金属接触2的金属接触间隔距离，大于载流子横向漂移的距离，从而在有源取内形成周期性的电流注入。

所述周期性金属接触2，其周期是半导体激光器单频工作时，波导内有效半波长两倍以上的整数倍。

所述周期性金属接触2，可以针对特定的金属接触进行单独的电流调制，器件可以作为高速调制器件或自调制器件。

所述的周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器，针对某一周期长度设计适当的有源区增益，或者在同一半导体芯片上制备不同周期的金属接触，从而可以使得周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器工作在相位差稳定的双波长状态，也可以形成相位差稳定的频率梳激射，还可以通过诱导激射的双波长激光或频率梳激光在晶体的特殊晶向上传播，从而实现非线性效应，比如差频、合频、倍频。

所述的周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器，可以用作锥形激光器或其他类型半导体激光器的种子源，也可以作为增益芯片与外腔波导部分耦合。

所述的周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器，制作一定数量的周期性金属接触2可以使得周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器工作在某一波长稳定的波段内，同时拥有若干个纵模，可以用来实现高功率泵浦源。

实施例一：

如图1所示，本实施例中，

在已经设计和制备好的λ波长、在该波段的有效折射率为n的GaAs基半导体激光芯片1上，通过光刻和刻蚀方法，一次性制备脊型台面，台面宽度100μm，高度1.4μm。沉积200nm厚的SiO₂绝缘层。然后通过套刻方式制备周期性电极开口，开口周期δ是：δ＝Mλ/2n，M是大于2的正整数。在本实施例中，当n＝3.48，λ＝980nm时，取M＝40，则δ＝5.632μm。每条电极条的宽度是1.5μm。通过欧姆接触方式在刻掉SiO₂电极条处蒸镀P面电极，由于只有周期性的电极处有金属接触，因而完成了周期性金属接触2的制备。通过芯片解离的步骤得到需要的周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器单管器件。该器件可以实现单纵模高功率激射，并且由于增益耦合器件很少受到端面随机相位的影响，不需要制作腔面膜。通过金丝电极引线，对器件进行加电。可以单独调控出光口处的电极状态，使器件作为高速调制器件或自调制器件，也可以对整体电极进行统一调节。

实施例二：

如图2所示，本实施例中，

在已经设计和制备好的λ₁和λ₂波长均有光增益、在该波段的有效折射率为n₁和n₂的InP基半导体激光芯片1上，通过光刻和刻蚀方法，一次性制备脊型台面，台面宽度4μm，高度1.86μm。通过氧化或载流子注入的方式制备侧向电流限制区3，电极周期δ是：δ＝M_iλ/2n，i取1或2，M_i是大于2的正整数，n为半导体激光器波导在该波段的有效折射率。在本实施例中，当n₁＝3.16，λ₁＝1550nm时，取M₁＝80，则δ＝19.62μm，在这个周期下有n₂＝3.15，λ₂＝1526nm，M₂＝81。每条电极的宽度是15μm。沉积200nm厚的SiO₂绝缘层。再通过套刻，刻蚀和欧姆接触方式制作周期性金属接触2。通过芯片解离的步骤得到需要的周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器单管器件。蒸镀腔面膜4。可以在一端制作高反射膜，另一端作为出光端面制备增透膜。此时激光器工作在双波长λ₁＝1550nm和λ₂＝1526nm状态，要求两端腔面膜4对两个波长的反射率相同。

实施例三：

如图3所示，本实施例中，

在已经设计和制备好的λ₁和λ₂波长均有光增益、在该波段的有效折射率为n₁和n₂的GaAs基量子点半导体激光芯片1上，通过光刻和刻蚀方法，一次性刻蚀带有弯曲波导的脊型台面，台面宽度6μm，高度1.4μm。通过弯曲波导，将周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器的谐振方向调整到高非线性系数的晶向。通过套刻，刻蚀的方式制备光学槽用于侧向电流限制区3，电极周期δ是：δ＝M_iλ/2n，i取1或2，M_i是大于2的正整数，n是半导体激光器波导在该波段的有效折射率。在本实施例中，当n₁＝3.28，λ₁＝1300nm时,取M₁＝40，则δ＝7.93μm，在相应周期下有n₂＝3.26，λ₂＝1260nm，M₂＝41。每条电极的宽度是4.5μm。沉积200nm厚的SiO₂绝缘层。再通过套刻，刻蚀和欧姆接触方式制作周期性金属接触2。通过芯片解离的步骤得到需要的周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器单管器件。蒸镀腔面膜4。可以在一端制作高反射膜，另一端作为出光端面制备增透膜。此时激光器工作在双波长λ₁＝1300nm和λ₂＝1260nm状态，要求腔面膜4对两个波长的反射率相同。由于非线性效应，两个波长可以在波导内进行差频，从而得到7.32太赫兹的激光光源，应用于太赫兹领域。

实施例四：

如图4所示，本实施例中，

在已经设计和制备好的λ波长、在该波段的有效折射率为n的GaAs基半导体激光芯片1上，通过光刻和刻蚀方法，一次性制备脊型台面和锥形台面，脊型台面长度1mm，宽度4μm，锥形台面的锥角4°，长度3mm，台面高度1.4μm。沉积200nm厚的SiO₂绝缘层。通过套刻，刻蚀的方式制备侧向电流限制区3，电极周期δ是：δ＝Mλ/2n，M是大于2的正整数。在本实施例中，当n＝3.48，λ＝980nm时，取M＝40，则δ＝5.632μm。每条电极的宽度是1.5μm。沉积200nm厚的SiO₂绝缘层。再通过套刻，刻蚀和欧姆接触方式制作周期性金属接触2。通过芯片解离的步骤得到需要的周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器单管器件，器件和锥形的能量放大器5结合，得到高功率单纵模的半导体激光激射。蒸镀腔面膜4。在脊型波导一端制作高反射膜，锥形端面作为出光端面制备增透膜。本实施例是周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器应用于集成光电子器件上的一个典型应用。

实施例5：

如图5所示，本实施例中，

在已经设计和制备好的λ波段、在该波段的有效折射率为n的GaAs基半导体激光芯片1上，通过光刻和刻蚀方法，一次性制备脊型台面，脊型台面长度3mm，宽度10μm，台面高度1.4μm。通过套刻，刻蚀，氧化或载流子注入的方式制备侧向电流限制区3，电极周期δ是：δ＝Mλ/2n，M是大于2的正整数。在本实施例中，当n＝3.48，λ₁＝976nm，λ₂＝978nm，λ₃＝980nm，λ₄＝982nm，λ₅＝984nm时，取M＝40，则δ₁＝5.609μm,δ₂＝5.621μm,δ₃＝5.632μm,δ₄＝5.644μm,δ₅＝5.655μm,。每条电极的宽度是1.5μm。制备总长度500微米，总共分布80个周期。不同周期的差别较大，多达11nm到12nm，可以使用光刻板进行制备。沉积200nm厚的SiO₂绝缘层。再通过套刻，刻蚀和欧姆接触方式制作周期性金属接触2。通过芯片解离的步骤得到需要的周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器线阵器件。蒸镀腔面膜4。在脊型波导一端制作高反射膜，锥形端面作为出光端面制备增透膜。通过调整不同的周期，可以使得不同的周期对应不同的出射波长，使得器件的工作波长相对稳定。同时，由于周期个数较少，只有80个周期，器件处于多纵模工作状态，更容易得到波长稳定、高功率的器件。这种器件尤其适合作为半导体激光器光谱合束技术的光源。

实施例6：

如图6所示，本实施例中，

在已经设计和制备好的λ波长、在该波段的有效折射率为n的GaAs基半导体激光芯片1上，通过光刻和刻蚀方法，一次性制备脊型台面，台面宽度100μm，高度1.4μm。沉积200nm厚的SiO₂绝缘层。然后通过套刻方式制备周期性电极开口，开口周期δ是：δ＝Mλ/2n，M是大于2的正整数。在本实施例中，当n＝3.48，λ＝980nm时，取M＝40，则δ＝5.632μm。每条电极条的宽度是1.5μm。同时，在周期性电极开口的两侧，分别制备相位调节电极开口和增益开关电极开口。通过欧姆接触方式在刻掉SiO₂电极条处蒸镀P面电极，完成周期性金属接触2、相位调节电极6和增益开关电极7的制备。通过芯片解离的步骤得到需要的周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器单管器件。该器件可以与半导体激光器外腔等外部光学元件的耦合，通过相位调节电极6控制半导体激光器的线宽特性和调制特性，通过增益开关电极7实现半导体激光器工作在超短脉冲状态。

Claims (6)

1.周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器，其特征在于，该激光器为在半导体激光芯片上制作出限制光场分布的脊型结构，在所述脊型结构的上表面上制作周期性金属接触。

2.根据权利要求1所述的周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器，其特征在于，在所述周期性金属接触之间制作侧向电流限制区。

3.根据权利要求1所述的周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器，其特征在于，在所述脊型结构为直波导、锥形波导或者弯曲波导。

4.根据权利要求1所述的周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器，其特征在于，所述周期性金属接触的金属接触间隔距离，大于载流子横向漂移的距离，在有源取内形成周期性的电流注入。

5.根据权利要求1所述的周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器，其特征在于，所述周期性金属接触的周期是半导体激光器单频工作时，波导内有效半波长两倍以上整数倍。

6.根据权利要求1所述的周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器，其特征在于，所述周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器的芯片端面制作高反射膜或抗反射膜。