CN108899760B - 一种半导体激光器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器及制作方法，所述半导体激光器包括：外延层结构，所述外延层结构划分为第一区域和第二区域；设置在所述第一区域和所述第二区域之间的电隔离区；设置在所述第一区域的第一波导结构；设置在所述第二区域的第二波导结构，所述第二波导结构的侧壁为锯齿形状；设置在所述第二区域背离所述第一区域一侧的准直透镜；设置在所述准直透镜背离所述外延层结构一侧的输出耦合镜。该半导体激光器通过第二波导结构侧壁的锯齿形状结构和输出耦合镜形成一个谐振腔，外延层结构背离所述准直透镜的一端面和相邻所述准直透镜的一端面形成另一个谐振腔，这两个谐振腔组合成了耦合腔，在半导体被动锁模激光器中加入这种耦合腔效应，实现了高阶的谐波锁模。

Description

一种半导体激光器及制作方法

技术领域

本发明涉及半导体激光技术领域，更具体地说，尤其涉及一种半导体激光器及制作方法。

背景技术

超短脉冲激光器用于产生皮秒和飞秒的光脉冲，在各个领域中的需求显著增长，被广泛应用于激光加工、通信、光谱学、微波光子学和频率转换等领域。

半导体锁模激光二极管种子源和光纤放大器这种MOPA结构的光源，其结合了半导体器件的紧凑性、稳定性和成本效益等优点，并通过使用光纤放大器，实现可用功率的调节。

其中，作为种子源的被动锁模半导体激光器，是电光转换效率最高的光源，其具有覆盖波段范围广、寿命长、体积小、成本低和结构紧凑等优点，因此被动锁模半导体激光器一直是研发人员研究的热点。经过多年的研究，半导体激光器重复频率得到极大提升，最高可输出THz量级的脉冲激光。

在现有技术中采用谐波锁模的方法，用于提高半导体锁模激光器在固有腔往返频率以上的重复频率，但是，实现该方法的半导体锁模激光器需要有复杂的光路及光栅等元件，成本高且制作复杂。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种半导体激光器及制作方法，该半导体激光器结构简单，且可以实现高阶的谐波锁模。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种半导体激光器，所述半导体激光器包括：

外延层结构，所述外延层结构划分为第一区域和第二区域；

设置在所述第一区域和所述第二区域之间的电隔离区；

设置在所述第一区域的第一波导结构；

设置在所述第二区域的第二波导结构，所述第二波导结构的侧壁为锯齿形状；

设置在所述第二区域背离所述第一区域一侧的准直透镜；

设置在所述准直透镜背离所述外延层结构一侧的输出耦合镜。

优选的，在上述半导体激光器中，所述第一波导结构为矩形波导或梯形波导或三角形波导或半圆形波导。

优选的，在上述半导体激光器中，所述第二波导结构为条形波导或脊形波导或锥形波导或掩埋波导或光子晶体波导。

优选的，在上述半导体激光器中，所述锯齿形状为三角形锯齿形状或矩形锯齿形状或楔形锯齿形状。

优选的，在上述半导体激光器中，所述第二波导结构的材料为量子阱材料或量子点材料或量子线材料。

优选的，在上述半导体激光器中，所述准直透镜为球面镜或非球面镜。

优选的，在上述半导体激光器中，所述输出耦合镜的反射率范围为5％-98％，包括端点值。

优选的，在上述半导体激光器中，所述第一波导结构背离所述电隔离区的一端设置有反射率大于90％的高反射膜。

优选的，在上述半导体激光器中，所述第二波导结构背离所述电隔离区的一端设置有反射率小于5％的增透膜。

本发明还提供了一种半导体激光器的制作方法，用于制作上述任一项所述的半导体激光器，所述制作方法包括：

提供一外延层结构，所述外延层结构划分为第一区域和第二区域；

对所述外延层结构进行刻蚀，在所述第一区域和所述第二区域之间形成电隔离区；

对所述第一区域进行刻蚀，形成第一波导结构；

对所述第二区域进行刻蚀，形成第二波导结构，所述第二波导结构的侧壁为锯齿形状；

在所述第二区域背离所述第一区域的一侧设置准直透镜；

在所述准直透镜背离所述外延层结构的一侧设置输出耦合镜。

通过上述描述可知，本发明提供的一种半导体激光器包括：外延层结构，所述外延层结构划分为第一区域和第二区域；设置在所述第一区域和所述第二区域之间的电隔离区；设置在所述第一区域的第一波导结构；设置在所述第二区域的第二波导结构，所述第二波导结构的侧壁为锯齿形状；设置在所述第二区域背离所述第一区域一侧的准直透镜；设置在所述准直透镜背离所述外延层结构一侧的输出耦合镜。

该半导体激光器通过第二波导结构侧壁的锯齿形状结构和输出耦合镜形成一个谐振腔，外延层结构背离所述准直透镜的一端面和相邻所述准直透镜的一端面形成另一个谐振腔，这两个谐振腔组合成了耦合腔，在半导体被动锁模激光器中加入这种耦合腔效应，实现了高阶的谐波锁模。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种半导体激光器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种半导体激光器的制作方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种半导体激光器的结构示意图，所述半导体激光器包括：

外延层结构，所述外延层结构划分为第一区域10和第二区域11；设置在所述第一区域10和所述第二区域11之间的电隔离区12；设置在所述第一区域10的第一波导结构13；设置在所述第二区域11的第二波导结构14，所述第二波导结构14的侧壁15为锯齿形状；设置在所述第二区域11背离所述第一区域10一侧的准直透镜16；设置在所述准直透镜16背离所述外延层结构一侧的输出耦合镜17。

进一步的，所述锯齿形状包括但不限定为三角形锯齿形状或矩形锯齿形状或楔形锯齿形状。

具体的，所述第一区域10为可饱和吸收区，所述第二区域11为增益区，所述外延层结构的为半导体外延层结构，其具体结构在本发明实施例中并不作限定。

通过上述描述可知，该半导体激光器通过第二波导结构侧壁的锯齿形状结构和输出耦合镜形成一个谐振腔，外延层结构背离所述准直透镜的一端面和相邻所述准直透镜的一端面形成另一个谐振腔，这两个谐振腔组合成了耦合腔，在半导体被动锁模激光器中加入这种耦合腔效应，实现了高阶的谐波锁模。

进一步的，所述第一波导结构13包括但不限定为矩形波导或梯形波导或三角形波导或半圆形波导或蝴蝶结形波导。

具体的，所述第一波导结构13的材料包括但不限定于InGaAs量子阱材料或AlGaAs量子阱材料。

进一步的，所述第二波导结构14包括但不限定为条形波导或脊形波导或锥形波导或掩埋波导或光子晶体波导或其它波导的组合均可。

具体的，所述第二波导结构14的材料为体材料或量子阱材料或量子点材料或量子线材料。

可选的，所述第二波导结构14的材料包括但不限定于InGaAs量子阱材料或AlGaAs量子阱材料。

进一步的，所述准直透镜16包括但不限定为球面镜或非球面镜或其组合。

需要说明的是，所述准直透镜16所采用透镜的数量在本发明实施例中并不作限定。

进一步的，所述输出耦合镜17的反射率范围为5％-98％，包括端点值。

具体的，所述输出耦合镜17的反射率为33％或50％或79％等。

进一步的，所述第一波导结构13背离所述电隔离区12的一端设置有反射率大于90％的高反射膜18。

进一步的，所述第二波导结构14背离所述电隔离区12的一端设置有反射率小于5％的增透膜19。

基于本发明上述提供的一种半导体激光器，在本发明另一实施例中还提供了一种半导体激光器的制作方法，如图2所示，所述制作方法包括：

S101：提供一外延层结构，所述外延层结构划分为第一区域和第二区域。

具体的，所述外延层结构为半导体外延层结构，其具体结构并不作限定，例如所述外延层结构包括衬底，和在衬底上依次设置的N型半导体层、有源层和P型半导体层，将P型半导体层的表面划分为第一区域和第二区域，其中，第一区域为可饱和吸收区，第二区域为增益区。

S102：对所述外延层结构进行刻蚀，在所述第一区域和所述第二区域之间形成电隔离区。

具体的，对所述外延层结构进行刻蚀，刻蚀深度大约为几百纳米，用于将半导体高掺杂材料层刻蚀去除，形成高阻区，依次形成电隔离区，将半导体激光器可饱和吸收区和增益区进行电隔离。

S103：对所述第一区域进行刻蚀，形成第一波导结构。

具体的，对第一区域进行刻蚀，形成预设结构的第一波导结构。

S104：对所述第二区域进行刻蚀，形成第二波导结构，所述第二波导结构的侧壁为锯齿形状。

具体的，第二区域进行刻蚀，形成预设结构的第二波导结构，需要说明的是，所述第二波导结构的侧壁为锯齿形状，用于具有光栅的作用。

S105：在所述第二区域背离所述第一区域的一侧设置准直透镜。

S106：在所述准直透镜背离所述外延层结构的一侧设置输出耦合镜。

基于上述制作方法，下面以具体的半导体激光器结构进行示例说明。

如图1所示，该半导体激光器中位于可饱和吸收区中的第一波导结构13为脊型波导，其宽度为5微米，长度为100微米，第一波导结构13的刻蚀深度为1.4微米。位于增益区中的第二波导结构14为锥角3°的锥形波导，其侧壁15的锯齿形状为长3微米，高2.5微米的直角三角形，第二波导结构14与电隔离区12相邻的一端的宽度为5微米，背离电隔离区12一端的宽度为155微米，第二波导结构14的长度为2880微米。

其中，可饱和吸收区和增益区的材料为InGaAs量子阱材料或AlGaAs量子阱材料，材料增益波长在980纳米左右。

其中，电隔离区12的宽度为20微米，刻蚀深度为400纳米。

进一步的，在半导体激光器的后端面20设置有反射率为99％的高反射膜18，前端面21设置有反射率为2％的增透膜19，准直透镜16为焦距3.1的非球面镜，输出耦合镜17的反射率为33％。

该半导体激光器通过把第二波导结构的侧壁设置为锯齿形状，使前端面和后端面形成一个谐振腔，第二波导结构和输出耦合镜形成另一个谐振腔，这两个谐振腔组合成了耦合腔，在半导体被动锁模激光器中加入这种耦合腔效应，实现了高阶的谐波锁模。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器包括：

外延层结构，所述外延层结构划分为第一区域和第二区域；

设置在所述第一区域和所述第二区域之间的电隔离区；

设置在所述第一区域的第一波导结构；

设置在所述第二区域的第二波导结构，所述第二波导结构的侧壁为锯齿形状；

设置在所述第二区域背离所述第一区域一侧的准直透镜；

设置在所述准直透镜背离所述外延层结构一侧的输出耦合镜；

其中，所述第二波导结构侧壁的锯齿形状结构和所述输出耦合镜形成一个谐振腔，所述外延层结构背离所述准直透镜的一端面和相邻所述准直透镜的一端面形成另一个谐振腔，这两个谐振腔组合成了耦合腔，实现了高阶的谐波锁模。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一波导结构为矩形波导或梯形波导或三角形波导或半圆形波导。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第二波导结构为条形波导或脊形波导或锥形波导或掩埋波导或光子晶体波导。

4.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述锯齿形状为三角形锯齿形状或矩形锯齿形状或楔形锯齿形状。

5.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第二波导结构的材料为量子阱材料或量子点材料或量子线材料。

6.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述准直透镜为球面镜或非球面镜。

7.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述输出耦合镜的反射率范围为5％-98％，包括端点值。

8.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一波导结构背离所述电隔离区的一端设置有反射率大于90％的高反射膜。

9.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第二波导结构背离所述电隔离区的一端设置有反射率小于5％的增透膜。

10.一种半导体激光器的制作方法，其特征在于，用于制作上述如权利要求1-9任一项所述的半导体激光器，所述制作方法包括：

提供一外延层结构，所述外延层结构划分为第一区域和第二区域；

对所述外延层结构进行刻蚀，在所述第一区域和所述第二区域之间形成电隔离区；

对所述第一区域进行刻蚀，形成第一波导结构；

对所述第二区域进行刻蚀，形成第二波导结构，所述第二波导结构的侧壁为锯齿形状；

在所述第二区域背离所述第一区域的一侧设置准直透镜；

在所述准直透镜背离所述外延层结构的一侧设置输出耦合镜；

其中，所述第二波导结构侧壁的锯齿形状结构和所述输出耦合镜形成一个谐振腔，所述外延层结构背离所述准直透镜的一端面和相邻所述准直透镜的一端面形成另一个谐振腔，这两个谐振腔组合成了耦合腔，实现了高阶的谐波锁模。

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