CN109560464A - 一种1xN型单片集成式半导体主振荡放大器 - Google Patents

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李召松
徐洋
王鹏飞
张冶金
于红艳
潘教青
王庆飞
田林岩
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Abstract

本发明公开一种1xN型单片集成式半导体主振荡放大器。其中，所述主振荡放大器包括：基于半导体激光器的主振荡器，用于产生基横模和单纵模的种子激光；基于1xN多模干涉耦合器的半导体功率放大器，用于对所述种子激光进行功率放大，并将经过功率放大后的所述种子激光分成多路激光光束输出。本发明提供的1xN型单片集成式半导体主振荡放大器，主振荡器和半导体功率放大器集成在半导体衬底上，主振荡器产生的种子激光通过半导体功率放大器进行功率放大，并在经过功率放大后分成多路激光光束输出，有源区的面积增加，增加了功率放大器的饱和输出功率，降低热效应对器件的影响，能够提高主振荡放大器与光纤的耦合效率。

Description

一种1xN型单片集成式半导体主振荡放大器
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种1xN型单片集成式半导体主振荡放大器。
背景技术
自由空间光通信结合了微波通信与光纤通信的特点，具有高速率、大容量的优点。同时，由于传输不需要铺设光纤，降低了系统的成本。大功率激光器是自由空间光通信的核心器件，常用的自由空间光通信激光器主要包含He-Ne激光器、CO2激光器和Nd：YAG固体激光器等类型，但是其成本高，体积大，可靠性低，制约了自由空间光通信的发展。大功率半导体激光器由于转换效率高，可以直接调制以及可靠性高等优点在自由空间光通信中具有极大的发展和应用潜力。
由此看来，普通的大功率半导体激光器的输出功率一般在百毫瓦级别，对于瓦级别甚至更高的输出功率，单段式的半导体激光器很难做到。因此，人们提出了单片集成的主振荡放大器结构，即包括一个产生单纵模、基横模的主振荡器和一个可以将光功率放大的光功率放大器。目前主振荡放大器主要分为两种类型，一种是分布反馈式(DistributedFeedback Diode，以下简称DFB)半导体激光器或者分布布拉格反射(Distributed BraggReflector，以下简称DBR)半导体激光器与Taper型的光放大器单片集成，一种是DFB激光器或者DBR激光器与直波导型半导体激光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，以下简称SOA)单片集成。对于对于上述两种类型的主振荡放大器，其输出端输出的不是单模波导，降低了光纤与器件的耦合效率；对于DFB激光器或者DBR激光器与直波导型SOA集成的方案，由于直波导型SOA有源区面积有限，会出现散热问题，并限制了最大饱和输出功率。此外，上述主振荡放大器输出的是单束激光，当需要多束激光时，需要连接分束器。
因此，如何提出一种主振荡放大器，能够增加功率放大器的饱和输出功率和提高主振荡放大器与光纤的耦合效率，成为业界亟待解决的重要课题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供1xN型单片集成式半导体主振荡放大器。
本发明提出一种1xN型单片集成式半导体主振荡放大器，包括：
基于半导体激光器的主振荡器，用于产生基横模和单纵模的种子激光；
基于1xN多模干涉耦合器的半导体功率放大器，用于对所述种子激光进行功率放大，并将经过功率放大后的所述种子激光分成多路激光光束输出。
其中，所述半导体功率放大器包括一个1xN多模干涉耦合器，N大于等于2，或者预设级联层数i的1xMi多模干涉耦合器，第1级联层包括一个1xM1多模干涉耦合器，M1大于等于2，第i级联层的1xMi多模干涉耦合器的数量其中，i≥2且i为正整数，j≥2且j为正整数，Mi≥2，所述1xM1多模干涉耦合器的输入端与所述主振荡器的输出端相连，第i-1级联层的1xMi-1多模干涉耦合器的输出端与第i级联层的1xMi多模干涉耦合器的输入端相连。
其中，所述半导体功率放大器采用普通干涉多模干涉耦合器。
其中，所述半导体功率放大器采用对称干涉多模干涉耦合器。其中，所述主振荡器包括第一有源层，所述半导体功率放大器包括第二有源层，所述第一有源层和所述第二有源层具有相同的量子阱结构。
其中，所述主振荡器包括第一有源层，所述半导体功率放大器包括第二有源层，所述第一有源层和所述第二有源层具有不同的量子阱结构，所述第一有源层和所述第二有源层采用对接生长技术相接。
其中，所述主振荡器包括第一有源层，所述半导体功率放大器包括第二有源层，所述第一有源层有一个，所述第二有源层有两个，所述第一有源层和所述第二有源层采用叠层量子阱技术相接。
其中，所述半导体功率放大器的输出端为弯曲波导或者直波导。
其中，所述主振荡器采用分布反馈式半导体激光器或者分布式布拉格反射式半导体激光器。
其中，所述主振荡器和所述半导体功率放大器基于InP衬底或者GaAs衬底。
本发明提供的1xN型单片集成式半导体主振荡放大器，主振荡器和半导体功率放大器集成在半导体衬底上，主振荡器产生的种子激光通过半导体功率放大器进行功率放大，并在经过功率放大后分成多路激光光束输出，不仅有源区面积增加，增加了功率放大器的饱和输出功率，降低热效应对器件的影响，能够提高主振荡放大器与光纤的耦合效率。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例1xN型单片集成式半导体主振荡放大器的结构示意图；
图2为本发明另一实施例1xN型单片集成式半导体主振荡放大器的结构示意图；
图3为本发明一实施例1xN型单片集成式半导体主振荡放大器的A-A剖面的结构示意图；
图4为本发明另一实施例1xN型单片集成式半导体主振荡放大器的A-A剖面的结构示意图；
图5为本发明又一实施例1xN型单片集成式半导体主振荡放大器的A-A剖面的结构示意图；
附图标记说明：
1-主振荡器； 2-半导体功率放大器；
3-半导体衬底； 34-InP缓冲层；
35-下限制层； 36-第一有源层；
37-上限制层； 38-接触层；
38-1-InP层； 38-2-InGaAs层；
39-第二有源层； 44-InP缓冲层；
45-1-第一下限制层； 45-2-第二下限制层；
46-第一有源层； 47-1-第一上限制层；
47-2-第二上限制层； 48-接触层；
48-1-InP层； 48-2-InGaAs层；
49-第二有源层； 54-InP缓冲层；
56-第一有源层； 58-接触层；
58-1-InP层； 58-2-InGaAs层；
59-1-下限制层； 59-2-第二有源层；
59-3-上限制层； 59-4-第二有源层。
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，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地描述，显然，所描述的实施例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。
图1为本发明一实施例1xN型单片集成式半导体主振荡放大器的结构示意图，如图1所示，本发明提供的1xN型单片集成式半导体主振荡放大器，包括基于半导体激光器的主振荡器1和基于1xN多模干涉(Multi-Mode Interference，以下简称MMI)耦合器的半导体功率放大器2，主振荡器1用于产生基横模和单纵模的种子激光，半导体功率放大器2用于对所述种子激光进行功率放大，所述种子激光经过功率放大后的激光光束被分成多路激光光束输出1xN多模干涉耦合器。其中，N为正整数。
其中，所述半导体主振荡放大器形成于半导体衬底上，包括生长在所述半导体衬底上的外延结构，所述外延结构包括主振荡器1和半导体功率放大器2。主振荡器1采用半导体激光器，半导体功率放大器2采用1xN多模干涉耦合器。
本发明提供的1xN型单片集成式半导体主振荡放大器，主振荡器和半导体功率放大器集成在半导体衬底上，主振荡器产生的种子激光通过半导体功率放大器进行功率放大，并在经过功率放大后分成多路激光光束输出，不仅有源区面积增加，增加了功率放大器的饱和输出功率，降低热效应对器件的影响，能够提高主振荡放大器与光纤的耦合效率，还提高了主振荡放大器的集成度。
图2为本发明另一实施例1xN型单片集成式半导体主振荡放大器的结构示意图，如图2所示，在上述实施例的基础上，进一步地，半导体功率放大器2包括一个1xN多模干涉耦合器，N大于等于2，或者预设级联层数i的1xMi多模干涉耦合器，第1级联层包括一个1xM1多模干涉耦合器，M1大于等于2，第i级联层的1xMi多模干涉耦合器的数量其中，i≥2且i为正整数，j≥2且j为正整数，Mi≥2，所述1xM1多模干涉耦合器的输入端与所述主振荡器的输出端相连，第i-1级联层的1xMi-1多模干涉耦合器的输出端与第i级联层的1xM1多模干涉耦合器的输入端相连。其中，所述预设级联层数i的值，根据实际需要进行选择，本发明实施例不做限定。采用多层级联的多模干涉耦合器可以降低每路输出波导的功率密度，进而降低输出波导的光损伤可能性，进一步提高主振荡放大器的放大功率。
例如，半导体功率放大器2包括所述预设级联层数i＝2的1xMi多模干涉耦合器，其中，第1级联层包括一个1xM1多模干涉耦合器，M1取3，即第1级联层包括一个1x3多模干涉耦合器，第2级联层的1xM2多模干涉耦合器的数量所述第2级联层包括3个1xM2多模干涉耦合器，所述第1级联层的1x3多模干涉耦合器的三个输出端分别与所述第2级联层的3个1xM2多模干涉耦合器的三个输入端一一相连。M2的值根据实际需要进行选择，例如M2＝2。进一步地，如果上述半导体功率放大器2包括所述预设级联层数i＝3的1xMi多模干涉耦合器，那么第3级联层的1xM3多模干涉耦合器的数量所述第2级联层的1x2多模干涉耦合器的6个输出端分别与所述第3级联层的6个1xM3多模干涉耦合器的6个输入端一一相连，其中M3的值根据实际需要进行选择，例如M3＝5。
在上述各实施例的基础上，进一步地，半导体功率放大器2采用普通干涉1xN多模干涉耦合器。
例如，1xN MMI光耦合器2可以采用普通干涉1xN MMI耦合器，其长度为L＝3Lπ/N，其中Lπ为多模干涉区中基模与一阶模的拍频长度，N为输出波导的数量。其中，1xN MMI光耦合器2的长度方向为沿所述种子激光的传播方向。
在上述各实施例的基础上，进一步地，半导体功率放大器2采用对称干涉1xN多模干涉耦合器。
例如，所述普通干涉1xN MMI耦合器的长度为L＝3Lπ/N，那么在宽度相同情况下，所述对称干涉1xN MMI耦合器长度为L＝3Lπ/4(2N)，其中，N为奇数，或者L＝3Lπ/(4N)，其中，N为偶数，Lπ为多模干涉区中基模与一阶模的拍频长度。相对于所述普通干涉1xN多模干涉耦合器，所述对称干涉1xN多模干涉耦合器在多模干涉区垂直于所述种子激光传播方向上的宽度相同的情况下，所述对称干涉1xN多模干涉耦合器的长度小于所述普通干涉1xN多模干涉耦合器的长度。
图3为本发明一实施例1xN型单片集成式半导体主振荡放大器的A-A剖面的结构示意图，在上述各实施例的基础上，进一步地，主振荡器1包括第一有源层36，半导体功率放大器2包括第二有源层39，第一有源层36和第二有源层39具有相同的量子阱结构。
例如，如图3所示，所述外延结构包括在半导体衬底3上由下到上依次生长的InP缓冲层34、下限制层35、第一有源层36和第二有源层39、上限制层37、接触层38，其中，接触层38包括依次层叠的InP层38-1和InGaAs层38-2，第一有源层36的厚度范围为10nm-300nm，第二有源层39的厚度范围为10nm-300nm，下限制层35的厚度范围为60nm～600nm，上限制层37的厚度范围为60nm～600nm。所述外延结构包括主振荡器区1和半导体功率放大器2。第一有源层36和第二有源层39的厚度相等且包括的量子阱结构相同。
图4为本发明另一实施例1xN型单片集成式半导体主振荡放大器的A-A剖面的结构示意图，如图4所示，主振荡器1包括第一有源层46，半导体功率放大器2包括第二有源层49，第一有源层46和第二有源层49具有不同的量子阱结构，第一有源层46和第二有源层49采用叠层量子阱技术相接。
例如，如图4所示，所述外延结构包括在半导体衬底3上从下到上依次生长的InP缓冲层44、第一下限制层45-1和第二下限制层45-2、第一有源层46和第二有源层49、第一上限制层47-1和第二上限制层47-2、接触层48，其中，接触层48包括依次层叠的InP层48-1和InGaAs层48-2，第一有源层46的厚度范围为10nm-300nm，第二有源层49的厚度范围为10nm-300nm，第一下限制层45-1和第二下限制层45-2的厚度范围为60nm～600nm，第一上限制层47-1和第二上限制层47-2的厚度范围为60nm～600nm。所述外延结构包括主振荡器1和半导体功率放大器2。第一有源层46和第二有源层49的厚度相同，但第一有源层46包括的量子阱结构和第二有源层49包括的量子阱结构不同。第一有源层46和第二有源层49可以通过对接生长技术相接。
图5为本发明又一实施例1xN型单片集成式半导体主振荡放大器的A-A剖面的结构示意图，如图5所示，所述第一有源层有一个，所述第二有源层有两个，所述第一有源层和所述第二有源层采用叠层量子阱技术相接。
例如，如图5所示，所述外延结构包括在半导体衬底3上从下到上依次生长的InP缓冲层54、第一有源层56和下限制层59-1、第二有源层59-2、上限制层59-3和第二有源层59-4、接触层58，其中，接触层58包括依次层叠的InP层58-1和InGaAs层58-2。第一有源层56的厚度范围为10nm-900nm，第二有源层59-2和59-4的厚度范围为10nm-300nm，下限制层59-1的厚度范围为60nm～600nm，上限制层59-3的厚度范围为60nm～600nm。第一有源层56和下限制层59-1、第二有源层59-2、上限制层59-3以及第二有源层59-4通过层叠生长技术相接，在InP缓冲层54上从下到上依次生长下限制层59-1、第一量子阱层59-2和上限制层59-3，第二量子阱层59-4和第一有源层56的单量子阱层一体生长。
在上述各实施例的基础上，进一步地，半导体功率放大器2的输出端为弯曲波导或者直波导。半导体功率放大器2的输出端采用弯曲波导可以降低腔面的反射，有利于提高主振荡放大器输出功率。半导体功率放大器2的输出端采用直波导能够提高主振荡放大器与光纤耦合效率。
在上述各实施例的基础上，进一步地，主振荡器1采用分布反馈式半导体激光器或者分布式布拉格反射式半导体激光器。
在上述各实施例的基础上，进一步地，所述半导体衬底采用InP衬底或者GaAs衬底。
本发明提供的1xN型单片集成式半导体主振荡放大器，主振荡器产生高质量的种子激光，种子激光具有良好的光束质量和模式稳定性。半导体主振荡放大器对种子激光进行放大，在保证光束质量的前提下实现高功率输出，且输出波导为单模波导，因此，本发明提供的1xN型单片集成式半导体主振荡放大器可以同时保证光束质量和提高输出功率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种1xN型单片集成式半导体主振荡放大器，其特征在于，包括：
基于半导体激光器的主振荡器，用于产生基横模和单纵模的种子激光；
基于1xN多模干涉耦合器的半导体功率放大器，用于对所述种子激光进行功率放大，并将经过功率放大后的所述种子激光分成多路激光光束输出。
2.根据权利要求1所述的主振荡放大器，其特征在于，所述半导体功率放大器包括一个1xN多模干涉耦合器，N大于等于2，或者预设级联层数i的1xMi多模干涉耦合器，第1级联层包括一个1xM1多模干涉耦合器，M1大于等于2，第i级联层的1xMi多模干涉耦合器的数量其中，i≥2且i为正整数，j≥2且j为正整数，Mi≥2，所述1xM1多模干涉耦合器的输入端与所述主振荡器的输出端相连，第i-1级联层的1xMi-1多模干涉耦合器的输出端与第i级联层的1xMi多模干涉耦合器的输入端相连。
3.根据权利要求1所述的主振荡放大器，其特征在于，所述半导体功率放大器采用普通干涉多模干涉耦合器。
4.根据权利要求1所述的主振荡放大器，其特征在于，所述半导体功率放大器采用对称干涉多模干涉耦合器。
5.根据权利要求1所述的主振荡放大器，其特征在于，所述主振荡器包括第一有源层，所述半导体功率放大器包括第二有源层，所述第一有源层和所述第二有源层具有相同的量子阱结构。
6.根据权利要求1所述的主振荡放大器，其特征在于，所述主振荡器包括第一有源层，所述半导体功率放大器包括第二有源层，所述第一有源层和所述第二有源层具有不同的量子阱结构，所述第一有源层和所述第二有源层采用对接生长技术相接。
7.根据权利要求1所述的主振荡放大器，其特征在于，所述主振荡器包括第一有源层，所述半导体功率放大器包括第二有源层，所述第一有源层有一个，所述第二有源层有两个，所述第一有源层和所述第二有源层采用叠层量子阱技术相接。
8.根据权利要求1所述的主振荡放大器，其特征在于，所述半导体功率放大器的输出端为弯曲波导或者直波导。
9.根据权利要求1所述的主振荡放大器，其特征在于，所述主振荡器采用分布反馈式半导体激光器或者分布式布拉格反射式半导体激光器。
10.根据权利要求1至9任一项所述的主振荡放大器，其特征在于，所述主振荡器和所述半导体功率放大器基于InP衬底或者GaAs衬底。
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