CN106329310A - 一种基于多模干涉结构的锁模半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于多模干涉结构的锁模半导体激光器，该锁模半导体激光器采用条形波导结构、脊波导结构或楔形波导结构，在所述波导结构上形成增益区、电隔离区和饱和吸收区，所述电隔离区位于增益区和饱和吸收区之间，所述吸收区的一部分、所述电隔离区以及所述增益区的一部分构成多模干涉区，或者所述增益区的一部分构成多模干涉区。本发明提出的锁模半导体激光器能得到高功率的超短脉冲，且制作简单，利于光学集成。

Description

一种基于多模干涉结构的锁模半导体激光器
技术领域
本发明涉及一种半导体发光器件，具体涉及一种基于多模干涉结构的锁模半导体激光器。
背景技术
锁模半导体激光器(MLLD)由于具有稳定性好，可靠性高，价格低廉，并且能在很宽的波长范围内提供功率适中的亚皮秒脉冲等优点，因此在光通讯、高速模数转换器、光运算、光互联、电光采样等领域中取得重要的应用。
然而锁模半导体激光器的一个主要局限性在于其相对较低的出光功率，致使其无法应用于如染料激光器和固体激光器等大型台式激光系统中。一般锁模半导体激光器的出光功率在几十毫瓦左右。外加空间滤波器、采用阵列结构、后置放大等方法已经证明能有效提高锁模激光器的出光功率，且保持单横模输出。楔形波导结构如楔形增益区，通过增加有源区的增益面积，使单横模的窄区域变成宽的多模区域，从而获得较高的输出功率，又以窄波导区作为饱和吸收区，在压缩脉宽的同时还充当模式过滤器的作用，抑制高阶模式波产生激射。采用楔形波导结构的锁模半导体激光器能得到几百毫瓦的亚皮秒脉冲。因此，增大有源区模式传导的增益面积，能有效提高锁模半导体激光器的出光功率。
发明内容
为了得到高功率、窄脉宽的超短脉冲，本发明提供了一种基于多模干涉结构的锁模半导体激光器，技术方案如下。
一种基于多模干涉结构的锁模半导体激光器，该锁模半导体激光器采用条形波导结构、脊波导结构或楔形波导结构，在所述波导结构上形成增益区、电隔离区和饱和吸收区，所述电隔离区位于增益区和饱和吸收区之间，其中，所述吸收区的一部分、所述电隔离区以及所述增益区的一部分构成多模干涉结构，或者所述增益区的一部分构成多模干涉结构。
进一步地，所述增益区的总长度大于饱和吸收区的总长度。
进一步地，所述多模干涉区的长度为多模波导输出截面得到单一成像的最短耦合长度。
进一步地，所述增益区包括第一长条形以及从第一长条形的长度方向的第一端面沿其长度方向的轴线延伸出的位于该轴线上的第二长条形，第二长条形相对于该轴线对称，第二长条形的宽度小于第一长条形的宽度；
所述饱和吸收区包括第三长条形以及从第三长条形的长度方向的第一端面沿其长度方向的轴线延伸出的位于该轴线上的第四长条形，第四长条形相对于该轴线对称；
所述电隔离区一侧的表面与增益区的第一长条形的远离第一端面的第二端面接触，相对的另一侧的表面与饱和吸收区的第三长条形的远离第一端面的第二端面接触；
所述增益区的第一长条形、所述电隔离区和所述饱和吸收区的第三长条形一起构成所述多模干涉区。
进一步地，所述增益区包括第一长条形、从第一长条形的长度方向的第一端面沿其长度方向的轴线延伸出的位于该轴线上的第二长条形以及从第一长条形的长度方向的第二端面沿其长度方向的轴线延伸出的位于该轴线上的第三长条形，第二长条形和第三长条形均相对于该轴线对称，第二端面与第一端面相对；第二长条形和第三长条形的宽度相等；
饱和吸收区包括第四长条形，第四长条形位于第一长条形长度方向的轴线的延长线上，第四长条形相对于该轴线的延长线对称，第四长条形的宽度等于第三长条形的宽度；
电隔离区一侧的表面与增益区的第三长条形的延伸端面接触，相对的另一侧的表面与饱和吸收区的第四长条形的一端的端面接触；
所述增益区的第一长条形构成多模干涉区。
进一步地，所述增益区包括第一长条形、从第一长条形的长度方向的第一端面沿其长度方向的轴线延伸出的位于该轴线上的第二长条形，第二长条形相对于该轴线对称；
饱和吸收区包括第四长条形，第四长条形位于第一长条形长度方向的轴线的延长线上，并相对于该轴线对称，或者位于第一长条形长度方向的轴线的延长线的上方或者下方，但不超出增益区的第一长条形的远离第一端面的第二端面的范围；第四长条形的宽度等于第二长条形的宽度；
电隔离区一侧的表面与增益区的第一长条形的远离第一端面的第二端面接触，相对的另一侧的表面与饱和吸收区的第四长条形的一端的端面接触；
所述增益区的第一长条形构成多模干涉区。
进一步地，电隔离区沿增益区的长度方向的尺寸为5um～10um。
进一步地，增益区的出光端面镀有增透膜；饱和吸收区远离增益区的端面镀有高反膜。
进一步地，所述锁模半导体激光器依次包括下电极、衬底、下分离限制层、波导层、上分离限制层、盖层、Si02电流隔离层和上电极。
本发明的有益效果：本发明在多模干涉结构的基础上设计锁模半导体激光器，多模干涉结构作为增益区，利用多模干涉区波导较宽的增益面积起到增益放大的作用，从而提高输出脉冲的光功率；窄面积区作为吸收区，利用吸收区所具有的饱和吸收特性及其引起的非线性折射效应，有效压缩光脉冲宽度，且能保证单横模输出，又有利于光场的输出耦合。本发明提出的锁模半导体激光器能得到高功率的超短脉冲，且制作简单，利于光学集成。
附图说明
图1是本发明提出的基于多模干涉结构的锁模半导体激光器的结构示意图；
图2是本发明提出的基于多模干涉结构的锁模半导体激光器的第一种脊波导结构示意图；
图3是本发明提出的基于多模干涉结构的锁模半导体激光器芯片示意图；
图4是本发明提出的基于多模干涉结构的锁模半导体激光器的第二种脊波导结构示意图。
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，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员都知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。文中所述的第一和第二等表述，仅是为了区分各技术特征，并无实质含义。
本发明提出的一种基于多模干涉结构的锁模半导体激光器，如图1所示，依次由下电极108、以GaAs为材料的衬底107、n-AlxGa1-xAs构成下分离限制层106、含五层InGaAs量子点及量子点层间隔GaAs隔离势垒层的波导层105、上分离限制层104的材料为p-AlxGa1-xAs、盖层103、Si02电流隔离层102、上电极101构成。
该锁模半导体激光器的波导结构可以采用条形波导结构、脊波导结构、楔形波导结构等，波导层105的折射率大于上分离限制层104和下分离限制层106的折射率。
在所述波导结构上形成多模干涉结构，该多模干涉结构由增益区、电隔离区、饱和吸收区构成，可以将吸收区的一部分、电隔离区以及增益区的一部分构成多模干涉区，或者还可以将增益区的一部分构成多模干涉区。
下面以波导结构采用脊波导结构为例，结合附图对多模干涉结构进行说明。
实施例1
图2给出了基于多模干涉结构的锁模半导体激光器的第一种脊波导结构示意图，图3给出了包括本实施例的多模干涉结构的锁模半导体激光器芯片示意图。在该脊波导结构的脊上形成增益区21、电隔离区22以及饱和吸收区23，电隔离区22位于增益区21和饱和吸收区23之间，对增益区21和饱和吸收区23进行电隔离。
其中，为了使增益大于损耗，增益区21的总长度大于饱和吸收区23的总长度，优选地，增益区21的长度是饱和吸收区23的长度的3～10倍。
增益区21包括第一长条形211以及从第一长条形211的长度方向的第一端面沿其长度方向的轴线延伸出的位于该轴线上的第二长条形212，第二长条形212相对于该轴线对称，第二长条形212的宽度小于第一长条形211的宽度，第一长条形211位于第二长条形212宽度的中间位置；
饱和吸收区23包括第三长条形231以及从第三长条形231的长度方向的第一端面沿其长度方向的轴线延伸出的位于该轴线上的第四长条形232，第四长条形232相对于该轴线对称，第四长条形232的宽度小于第三长条形231的宽度；
电隔离区22一侧的表面与增益区21的第一长条形211的远离第一端面的第二端面接触，相对的另一侧的表面与饱和吸收区23的第三长条形231的远离第一端面的第二端面接触。优选地，电隔离区22沿增益区21的长度方向的尺寸优选地为5～10um。
在本实施例中，增益区21的第一长条形211、电隔离区22和饱和吸收区23的第三长条形231一起构成了多模干涉区24，多模干涉区的存在使激光器的增益面积成倍数增加，更好地抑制了增益饱和现象，起到增益放大光脉冲的作用，有效提高输出光的功率。
多模干涉区24的长度为多模波导输出截面得到单一成像的最短耦合长度。如多模波导区的脊型波导宽度设定为13um，即增益区21的第一长条形211的宽度和饱和吸收区23的第三长条形231的宽度为13um，波导区的有效折射率为3.43，上下分离限制层的有效折射率为3.3，则多模干涉区的最短长度为460um。
优选地，为了保证单横模输出及利于光场的耦合，单模波导的宽度既不能太宽也不能太窄，这里设定单横模的脊型波导宽度为4um，即增益区21的第二长条形212的宽度和饱和吸收区23的第四长条形232的宽度为4um。
增益区21的第二长条形212远离第一长条形211的一端的端面为镀增透膜25的出光端面，增透膜25的反射率为3％；饱和吸收区23的第四长条形232远离第三长条形231的一端的端面镀高反膜26，高反膜26的反射率为97％。
该锁模半导体激光器在工作时，在增益区21上施加正向电流，在饱和吸收区23上施加反向偏压。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中，饱和吸收区移至窄长条形(对应于实施例1中的第四长条形232)上，让出的区域属于增益区。下面结合图4对本实施例的多模干涉结构进行描述。
在该脊波导结构的脊上形成增益区41、电隔离区42以及饱和吸收区43，电隔离区42位于增益区41和饱和吸收区43之间，对增益区41和饱和吸收区43进行电隔离。
其中，增益区41的总长度大于饱和吸收区43的总长度，优选地，增益区41的总长度是饱和吸收区43的总长度的3～10倍。
增益区41包括第一长条形411、从第一长条形411的长度方向的第一端面沿其长度方向的轴线延伸出的位于该轴线上的第二长条形412以及从第一长条形411的长度方向的第二端面沿其长度方向的轴线延伸出的位于该轴线上的第三长条形413，第二长条形412和第三长条形413均相对于该轴线对称，第二端面与第一端面相对；第二长条形412和第三长条形413的宽度相等，均小于第一长条形411的宽度，第二长条形412及第三长条形413位于第一长条形411宽度的中间位置；
饱和吸收区43包括第四长条形432，第四长条形432位于第一长条形411长度方向的轴线的延长线上，第四长条形432相对于该轴线的延长线对称，第四长条形432的宽度等于第三长条形413的宽度。
电隔离区42一侧的表面与增益区41的第三长条形413的延伸端面接触，相对的另一侧的表面与饱和吸收区的第四长条形432的一端的端面接触。优选地，电隔离区42沿增益区41的长度方向的尺寸设置为5um～10um。
在本实施例中，增益区41的第一长条形411构成了多模干涉区，整个多模干涉区均属于增益区41，大大增加了激光器增益区的面积，有利于激光器输出功率的提高。
多模干涉区的长度为多模波导输出截面得到单一成像的最短耦合长度。如多模波导区的脊型波导宽度设定为13um，即增益区41的第一长条形411的宽度为13um，波导区的有效折射率为3.43，上下分离限制层的有效折射率为3.3，则多模干涉区的最短长度为460um。
优选地，为了保证单横模输出及利于光场的耦合，单模波导的宽度既不能太宽也不能太窄，这里设定单横模的脊型波导宽度为4um，即增益区41的第二长条形412的宽度和第三长条形413的宽度及饱和吸收区43的第四长条形432的宽度为4um。
增益区41的第二长条形412远离第一长条形411的一端的端面为镀增透膜的出光端面，增透膜的反射率为3％；饱和吸收区43的第四长条形432远离增益区41的第三长条形413的一端的端面镀高反膜，高反膜的反射率为97％。
该锁模半导体激光器在工作时，在增益区41上施加正向电流，在饱和吸收区43上施加反向偏压。
替代地，本实施例中增益区41的第三长条形413也可省去，即电隔离区42一侧的表面与增益区41的第一长条形411的所述第二端面接触，相对的另一侧的表面与饱和吸收区43的第四长条形432的一端的端面接触。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。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。

Claims (9)

1.一种基于多模干涉结构的锁模半导体激光器，其特征在于，该锁模半导体激光器采用条形波导结构、脊波导结构或楔形波导结构，在所述波导结构上形成增益区、电隔离区和饱和吸收区，所述电隔离区位于增益区和饱和吸收区之间，其中，所述吸收区的一部分、所述电隔离区以及所述增益区的一部分构成多模干涉结构，或者所述增益区的一部分构成多模干涉结构。
2.根据权利要求1所述的锁模半导体激光器，其特征在于，所述增益区的总长度大于饱和吸收区的总长度。
3.根据权利要求1所述的锁模半导体激光器，其特征在于，所述多模干涉区的长度为多模波导输出截面得到单一成像的最短耦合长度。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的锁模半导体激光器，其特征在于，所述增益区包括第一长条形以及从第一长条形的长度方向的第一端面沿其长度方向的轴线延伸出的位于该轴线上的第二长条形，第二长条形相对于该轴线对称，第二长条形的宽度小于第一长条形的宽度；
所述饱和吸收区包括第三长条形以及从第三长条形的长度方向的第一端面沿其长度方向的轴线延伸出的位于该轴线上的第四长条形，第四长条形相对于该轴线对称；
所述电隔离区一侧的表面与增益区的第一长条形的远离第一端面的第二端面接触，相对的另一侧的表面与饱和吸收区的第三长条形的远离第一端面的第二端面接触；
所述增益区的第一长条形、所述电隔离区和所述饱和吸收区的第三长条形一起构成所述多模干涉区。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的锁模半导体激光器，其特征在于，所述增益区包括第一长条形、从第一长条形的长度方向的第一端面沿其长度方向的轴线延伸出的位于该轴线上的第二长条形以及从第一长条形的长度方向的第二端面沿其长度方向的轴线延伸出的位于该轴线上的第三长条形，第二长条形和第三长条形均相对于该轴线对称，第二端面与第一端面相对；第二长条形和第三长条形的宽度相等；
饱和吸收区包括第四长条形，第四长条形位于第一长条形长度方向的轴线的延长线上，第四长条形相对于该轴线的延长线对称，第四长条形的宽度等于第三长条形的宽度；
电隔离区一侧的表面与增益区的第三长条形的延伸端面接触，相对的另一侧的表面与饱和吸收区的第四长条形的一端的端面接触；
所述增益区的第一长条形构成多模干涉区。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的锁模半导体激光器，其特征在于，所述增益区包括第一长条形、从第一长条形的长度方向的第一端面沿其长度方向的轴线延伸出的位于该轴线上的第二长条形，第二长条形相对于该轴线对称；
饱和吸收区包括第四长条形，第四长条形位于第一长条形长度方向的轴线的延长线上，并相对于该轴线对称，或者位于第一长条形长度方向的轴线的延长线的上方或者下方，但不超出增益区的第一长条形的远离第一端面的第二端面的范围；第四长条形的宽度等于第二长条形的宽度；
电隔离区一侧的表面与增益区的第一长条形的远离第一端面的第二端面接触，相对的另一侧的表面与饱和吸收区的第四长条形的一端的端面接触；
所述增益区的第一长条形构成多模干涉区。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的锁模半导体激光器，其特征在于，电隔离区沿增益区的长度方向的尺寸为5um～10um。
8.根据权利要求1所述的锁模半导体激光器，其特征在于，增益区的出光端面镀有增透膜；饱和吸收区远离增益区的端面镀有高反膜。
9.根据权利要求1所述的锁模半导体激光器，其特征在于，所述锁模半导体激光器依次包括下电极、衬底、下分离限制层、波导层、上分离限制层、盖层、Si02电流隔离层和上电极。
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