CN110679050B - 具有波纹化侧壁的分布式反馈带间级联激光器 - Google Patents

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Abstract

一种带间级联激光器，包括：脊形波导，具有交替的第一区域和第二区域；其中第一区域具有恒定的宽度，并且第二区域在第一区域和第二区域之间的边界处具有与第一区域匹配的宽度，并且第二区域的宽度增加到大于第一区域的宽度的最大值，使得沿着脊形波导的每一侧都形成部分波纹化侧壁；其中第一区域包括光栅结构，并且由于第一区域的周期性特性，光栅结构是采样光栅的形式；并且其中与基本波导模相比，部分波纹化侧壁增加了在较高阶横向模中辐射的波导损耗。

Description

具有波纹化侧壁的分布式反馈带间级联激光器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年5月8日提交的、序列号为62/503,063的美国临时专利申请和2017年5月15日提交的、序列号为62/506,338的美国临时专利申请的优先权。序列号为62/503,063的美国临时专利申请和序列号为62/506,338的美国临时专利申请所公开内容通过引用并入本文。
关于联邦资助的研究或开发的声明
本发明是在政府的支持下，根据ARPA-E分包合同通过由美国能源部签署的Physical Sciences Inc.(PSI)：SC67247-1867协议完成的。政府对本发明具有一定权利。
技术领域
本发明总体上涉及激光装置。更具体地，本发明涉及具有波纹化侧壁的分布式反馈带间级联激光器。
背景技术
本文件公开了一种分布式反馈(distributed feedback，DFB)带间级联激光器(interband cascade laser，ICL)，其可以以单个波长产生激光，这对于气体感测应用(尤其是对于甲烷检测)是至关重要的。因此，重要的是可以重复制造以单个波长产生激光的DFB ICL。
DFB激光器通过将波长选择光栅引入到装置结构中以实现单波长操作来操作。已经开发了各种各样的DFB结构以改进常规掩埋异质结构(buried-heterostructure，BH)DFB的性能和制造成品率，诸如光栅中的四分之一波长偏移(参考文献1)、波纹间距调制的相位布置区域(参考文献2)，或输出面处的部分波纹状光栅部段(参考文献3)。由于利用现有外延生长技术的ICL材料系统缺乏再生长能力，典型的ICL由脊形波导结构而不是BH结构制成。脊形波导是通过在激光材料中蚀刻平行沟槽来形成，以形成增益材料的隔离条带。通常在沟槽中沉积介电材料，以将注入的电流引导到脊中；然后整个脊通常涂覆有金，以提供电接触。BH波导是这样一种波导结构，虽然对激光增益材料进行蚀刻以产生隔离的脊，但是新的半导体材料在脊上生长。激光增益材料和过度生长材料之间折射率的变化足以形成波导，如参考文献7中所示。在BH结构中，光栅可以位于有源区附近，使得有源区和光栅之间光场有很强的重叠，这有利于单波长操作。在脊结构中，光栅位于离有源区更远的位置，因此相互作用比在BH结构中更弱。制造DFB ICL的直接方式是在进行脊蚀刻和在顶表面上沉积金属接触之前，在晶片的顶部上蚀刻光栅。然而，由于蚀刻深而窄的台面结构存在困难，很难抑制ICL中的光学较高阶横向模。能以良好成品率制成的典型最窄脊宽度约为4μm。以这种条带宽度，波导结构可以轻松地支持具有典型ICL波长(约3μm)的第二较高阶模。对于5μm宽的条带，该结构甚至可以支持第一垂直较高阶模。图1示出了在不同电流下的规则DFBICL的测量激光光谱。可以看出，DFB ICL以多个离散波长而不是以单波长(基模)产生激光，特别是以较高的工作电流产生激光。在500mA下，激光波长包括第一、第二和第三横向较高阶模和第一垂直较高阶模。波长与波导模拟中基于光栅间距和有效折射率计算的预测相匹配。这背后的原因是脊条带与波长相比非常宽，以至于高阶模具有与基模相当的波导损耗和限制因子。因此，DFB ICL将以所有可允许的模式(包括基模和较高阶模)产生激光。
为了解决这个问题，之所以需要增加较高阶模的波导损耗，或者减小较高阶模的限制因子，是因为以特定模式产生激光所需的增益是g＝(αw+αm)/Γ，其中αw是波导损耗，αm是镜损耗，并且Γ是限制因子。对于DFB ICL而言，难以使脊足够窄从而为较高阶模增加波导损耗，并且目前使BH结构为较高阶模而减少限制因子也是不可行的。另一方面，与近红外DFB二极管激光器相比，DFB ICL具有高电压降。如果试图避免蚀刻芯区域，这将导致巨大的电流扩散；对于DFB二极管激光器来说，这是通过减少光模在波导中的限制来解决这个问题的。
由Borgentun等人引入的用于DFB ICL的一种解决方案(参考文献5和6)是将波导结构制造成台阶状，如图2所示。将光栅放置得比规则脊结构更靠近芯，即更靠近光学模式。第二脊(顶部脊)用于在第一脊(底部脊)的中心和侧面之间引入弱折射率差值，使得基模是首选的。然而，模拟表明，这种结构在基模和高阶模之间既没有引入大的光学损耗差异，也没有引入大的限制因子差异。恰恰相反，这种结构被认为提供给第一较高阶模的光栅反馈高于提供给基模的光栅反馈。因此，其可能有利于第一较高阶模而不是基模。因此，所述解决方案不是一个好方法。
海军研究实验室使用的另一种解决方案是在侧壁上制造光栅，如图3所示。侧壁光栅还具有波纹化侧壁的功能，这对于较高阶模会带来额外的高损耗(参考文献7)。然而，在侧壁上制造精细光栅结构并通过激光芯对其深度蚀刻具有挑战性。为了缓解这个问题，人们倾向于使用高阶光栅间距(参考文献7中的四阶光栅间距)，因为所述装置倾向于以两种DFB模式产生激光，这通常会导致单模操作的成品率降低。此外，因为半导体材料成分在生长方向上显著变化，并且不同的材料对相同的蚀刻化学溶液的响应不同，所以当它们在光栅蚀刻中全部暴露在侧壁上时，这使得蚀刻工艺非常不可靠。因此，该方法可能不是用于批量生产的良好解决方案。
因此，长期以来一直需要一种方法来制造DFB ICL，所述DFB ICL可以以单个波长产生激光而没有上述问题。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种带间级联激光器，包括：脊形波导，具有交替的第一区域和第二区域；其中所述第一区域具有恒定的宽度，并且所述第二区域在所述第一区域和所述第二区域之间的边界处具有与所述第一区域匹配的宽度，并且所述第二区域的宽度增加到大于所述第一区域的宽度的最大值，使得沿着所述脊形波导的每一侧都形成部分波纹化侧壁；其中所述第一区域包括光栅结构，并且由于所述第一区域的周期性特性，所述光栅结构是采样光栅的形式；并且其中与所述基本波导模相比，部分波纹化侧壁在较高阶横向模中增加了辐射的波导损耗。
本发明的另一个实施例提供了一种半导体激光器，包括：脊形或掩埋波导，具有交替的第一区域和第二区域；其中所述第一区域具有恒定的宽度，并且所述第二区域在所述第一区域和所述第二区域之间的边界处具有与所述第一区域匹配的宽度，并且所述第二区域的宽度增加到大于所述第一区域的宽度的最大值，使得在所述脊形波导的每一侧都形成部分波纹化侧壁或界面；其中所述第一区域包括光栅结构，并且由于所述第一区域的周期性特性，所述光栅结构是采样光栅的形式；并且其中与所述基本波导模相比，部分波纹化侧壁或界面在高阶横向模中增加了辐射的波导损耗。
本发明的另一个实施例提供一种带间级联激光器，包括：具有交替的第一区域和第二区域的脊形波导；其中所述第一区域具有恒定的宽度，并且所述第二区域在所述第一区域和所述第二区域之间的边界处具有与所述第一区域匹配的宽度，并且所述第二区域的宽度减小到小于所述第一区域的宽度的最小值，使得沿着所述脊形波导的每一侧都形成部分波纹化侧壁；其中所述第一区域包括光栅结构，并且由于所述第一区域的周期性特性，所述光栅结构是采样光栅的形式；并且其中与所述基本波导模相比，部分波纹化侧壁在较高阶横向模中增加了辐射的波导损耗。
本发明的另一个实施例提供了一种半导体激光器，包括：具有交替的第一区域和第二区域的脊形或掩埋波导；其中所述第一区域具有恒定的宽度，并且所述第二区域在所述第一区域和所述第二区域之间的边界处具有与所述第一区域匹配的宽度，并且所述第二区域的宽度减小到小于所述第一区域的宽度的最小值，使得沿着所述脊形波导的每一侧都形成部分波纹化侧壁；其中所述第一区域包括光栅结构，并且由于所述第一区域的周期性特性，所述光栅结构是采样光栅的形式；并且其中与所述基本波导模相比，部分波纹化侧壁在较高阶横向模中增加了辐射的波导损耗。
根据实施例的所述装置可以以单个波长产生激光。所述实施例的关键特征是使用波纹化侧壁来抑制激光器中的高阶横向光学模，并且使用采样光栅结构来避免波纹化侧壁对DFB线宽的任何潜在影响。
注意，根据本发明实施例的波纹化侧壁特征不同于波纹结构的其他用途(例如，参考文献1-3)。参考文献1描述了激光器部段中的四分之一波长偏移的波纹。参考文献2描述了波纹间距调制结构。参考文献3描述了类似于分布式布拉格反射器(Distributed BraggReflector，DBR)激光器中有限空间范围的光栅。然而，参考文献1-3描述了光栅而不是波导中的部分波纹。相比之下，本发明的实施例教导了使波导的侧壁部分地波纹化。
附图说明
图1示出了在不同电流下的规则DFB ICL的激光光谱。
图2示出了现有的波导结构。
图3是用于DFB ICL的现有波纹化侧壁光栅结构。
图4A是根据实施例的结合采样光栅和部分波纹化侧壁的波导结构的示意图。
图4B是根据另一个实施例的结合采样光栅和部分波纹化侧壁的波导结构的示意图。
图4C是根据另一个实施例的结合采样光栅和部分波纹化侧壁的波导结构的示意图。
图4D是根据另一个实施例的结合采样光栅和部分波纹化侧壁的波导结构的示意图。
图5示出了根据实施例的具有各种侧壁深度的部分波纹化侧壁结构中的各种模的波导损耗。
图6示出了根据实施例的在各种条带宽度和各种波纹化侧壁周期下的第一阶模的波导损耗增量。
图7示出了根据实施例设计的示出具有部分波纹化侧壁和采样的顶部光栅的脊结构的采样晶片的SEM照片。
图8A示出了在25℃和35℃下具有部分波纹化侧壁的DFB ICL的CW LIV。
图8B示出了在25℃和35℃下的激光的CW光谱。
图9示出了根据实施例的具有直脊形波导的DFB ICL的CW激光光谱。
具体实施方式
根据本发明原理的说明性实施例的描述旨在结合附图来阅读，附图被认为是整个书面描述的一部分。在本文所公开的本发明的实施例的描述中，对方向或取向的任何引用仅是为了方便描述，并且不意图以任何方式限制本发明的范围。相关术语，诸如“上”、“下”、“水平”、“竖直”、“上面”、“下面”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”以及其派生词(诸如“水平地”、“向下地”、“向上地”、“等”)应被解释为是指随后描述的或如在讨论中的附图中示出的取向。除非明确地如此指示，这些相关术语仅是为了方便描述，并且不要求设备以特定取向构造或操作。除非另有明确描述，否则诸如“附接”、“安装”、“连接”、“联接”、“互连”等术语是指这样一种关系，其中结构通过中间结构直接或间接彼此固定或附接，以及可移动或刚性的附接或关系。此外，通过参考示例性实施例来说明本发明的特征和益处。因此，本发明明确地不应限于这样的示例性实施例，该示例性实施例示出了特征的一些可能的非限制性结合，这些特征可单独存在或以其他特征结合存在；本发明的范围由所附权利要求限定。
本公开描述了如当前所设想的实践本发明的最佳的一个或多个模式。所述描述不旨在以限制的意义来理解，而是通过参考附图来提供仅出于说明目的而呈现的本发明的示例，以告知本领域普通技术人员本发明的优点和构造。在附图的各种视图中，相同的附图标记表示相同或相似的部件。
为了制造能够以单个波长产生激光而没有上述问题的DFB ICL，本发明的实施例是通过在脊结构上实施波纹化侧壁来为较高阶模引入额外的高损耗。
众所周知，粗糙的波纹化侧壁可以抑制ICL的高阶模。如参考文献8所示，具有18μm宽条带和波纹化侧壁的ICL仍然可以产生良好的高斯形状远场图案，这表明所述装置以基本横向模式产生激光。
然而，仅将粗糙的波纹化侧壁与顶部光栅结合可能会导致另一个问题。波纹化侧壁可以被视为沿着光束传播方向的条带宽度的变化。条带宽度的变化会改变有效模态折射率。这可能会改变DFB发射的线宽。
为了解决这个问题，本发明的实施例提供了一种将采样光栅与部分波纹化侧壁部段结合的结构，如图4A所示。沿着波导结构400，光栅430和波纹化侧壁部段440的组以交替模式布置，使得光栅所在的波导脊部分410是直的，并且具有波纹化侧壁的波导脊的部分420没有光栅。在此部分波纹化侧壁(partially corrugated sidewall，PCS)结构中，因为光栅结构仅存在于波导的直线部分中，所以它不受波纹化侧壁条带宽度变化的影响。
在一个实施例中，对于所述结构，使用采样光栅代替连续光栅。激光器中的采样光栅导致反射率光谱中的若干均匀间隔的峰值。间隔由以下公式确定：Δν＝1/(2ngΛs)，其中Δν是以波数为单位的反射率峰值之间的间隔，ng是有效折射率(组折射率)，以及Λs是采样周期。物理上，采样周期对应于从一个光栅部段的开始到相邻光栅部段的开始的距离。如果增益分布在频域中足够宽，则具有采样光栅的激光器将在所有波长处以反射率峰值产生激光。然而，DFB激光器不期望以所有这些波长产生激光。期望激光器仅在反射率峰值的零阶处产生激光，所述反射率峰值的零阶在峰值中具有最高的反射率，并且对应于光栅的布拉格波长。因此，所述间隔需要大于增益宽度，或在ICL增益分布的最大值的一半处的全宽度，典型地约为100～150cm-1，使得激光器不会在±第一或任何其他较高阶反射率峰值处产生激光。例如，小于10μm的采样周期产生大于136cm-1的反射率峰值的间隔。为了使较高阶横向模的过度损耗最大化，PCS的周期450应等于采样周期的一半，如图4B所示。这意味着PCS的周期也应小于10μm。PCS部段的长度被确定为使得在晶片制造期间蚀刻波纹特征没有困难。在所述实施例中，选择8μm的采样周期、4μm的光栅部段长度、4μm的PCS部段长度和等于采样周期的一半的PCS周期。在图4B中，PS是光栅的采样周期的周期。PP是PCS的周期，而PC是波纹的周期。在一个实施例中，如图4B所示，波导脊的无光栅部分420中的每一个都包括多个波纹周期。
本发明的另一个实施例提供了一种将采样光栅与部分波纹化侧壁部段结合的结构，如图4C所示。沿着波导结构400，光栅430和波纹化侧壁部段440的组以交替模式布置，使得光栅所在的波导脊部分410是直的，并且具有波纹化侧壁的波导脊的部分420没有光栅。与图4A不同，波纹化侧壁部段440具有比光栅部段410的宽度窄的腰部。
本发明的另一个实施例提供了一种将采样光栅与部分波纹化侧壁部段结合的结构，如图4D所示。在所述实施例中，波纹化侧壁部段具有最大宽度442和最小宽度444。最大宽度442大于光栅部段的宽度，且最小宽度444小于光栅部段的宽度。此外，在一个实施例中，每个波纹化侧壁部段都包括多个最大宽度和最小宽度。
已经针对具有各种波纹周期的波导结构执行波导模拟，并且已经计算了由波纹化侧壁引入到基模、第一、第二和三阶高阶模的额外波导损耗。
如图5所示，高阶模的波导损耗随着波纹化侧壁的深度而增加。对于较高阶模，损耗增加得更快。对于基模，波导损耗几乎没有增加。这表明波纹化侧壁原则上增加了高阶模的波导损耗。第一阶模在高阶模中具有最小损耗增量。因此，如果损耗增加到足以抑制第一阶模，则其他高阶模也被抑制。为了了解如何就第一阶模增加足够的损耗，已经研究了波纹化侧壁周期对第一阶模损耗增量的影响。在图6中，可以看出，对于条带宽度为4μm和5μm的两种情况，损耗随着波纹周期1μm、2μm和4μm而增加。如图6所示，当波纹周期为4μm，且条带宽度为4μm时，第一阶模的损耗增加为1.4cm-1，其为模拟中的第一阶模的原始损耗的约70％。这被认为是显著的增加。
基于所述模拟研究，已经设计了用于具有PCS的DFB ICL的新掩模，并且已经制造了晶片。图7是采样晶片的扫描电子显微镜(SEM)照片，示出了按设计制造的采样光栅和波纹化侧壁。
图8示出了在具有所获得的波纹化侧壁的一个DFB ICL的各种电流下的连续波(continuous-wave，CW)光-电流-电压(light-current-voltage，LIV)特性曲线和光谱。如图8所示，在操作中对于各种的温度和跨越整个工作电流范围，DFB ICL以单个基本波长产生激光。为了进行比较，在同一晶片上制作了一些常规的DFB ICL(没有波纹化侧壁)。如图9所示，没有波纹化侧壁的常规DFB ICL以多个波长产生激光，其包括一些高阶模(对于光谱1-5中的每一个)。因此，本发明的实施例具有优于其他装置的独特优点。
总之，本发明的实施例提供了一种用于DFB ICL、将采样光栅和波纹化侧壁结合的结构。在所述实施例中，高阶模被成功抑制。已经实现了由所设计的DFB ICL产生单个基本激光。为了进一步提高单模成品率，可以在光栅结构中实现波长偏移设计，如参考文献9中所示。
注意，为了更好地说明本发明的实施例，在本文中以分布式反馈带间级联激光器作为非限制性示例。可以设想的是，本发明的一些实施例中的波导结构可适用于其他分布式反馈半导体激光器。
参考文献
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尽管已经就若干所描述的实施例以一定的长度和一定的特殊性描述了本发明，但这并不意味着本发明应限于任何此类细节或实施例或任何特定实施例，而是应参考所附权利要求来解释，以便鉴于现有技术提供对此类权利要求的最广泛的可能解释，并且因此有效地涵盖本发明的预期范围。此外，前述内容根据发明人预见的实施例描述了本发明，其中使得描述能够是可用的，尽管目前未预见的本发明的非实质修改仍然可以表示其等同物。

Claims (18)

1.一种带间级联激光器，包括：
脊形波导(400)，具有交替的第一区域(410)和第二区域(420)；
其中所述第一区域(410)具有恒定的宽度，并且所述第二区域(420)在所述第一区域(410)和所述第二区域(420)之间的边界处具有与所述第一区域(410)匹配的宽度(440)，并且所述第二区域(420)的宽度(440)增加到大于所述第一区域(410)的宽度的最大值，使得沿着所述脊形波导的每一侧在第二区域(420)中形成部分波纹化侧壁；
其中所述第一区域(410)包括光栅结构(430)，并且由于所述第一区域(410)的周期性特性，所述光栅结构(430)是采样光栅的形式，且所述第二区域(420)没有光栅；并且
其中与基本波导模相比，所述部分波纹化侧壁在较高阶横向模中增加了辐射的波导损耗。
2.根据权利要求1所述的激光器，其中所述光栅结构的采样周期选择为使得在反射率光谱中产生的均匀间隔的峰值之间的间隔大于所述激光器的增益分布在最大值的一半处的全宽度。
3.根据权利要求1所述的激光器，其中所述光栅结构的光栅间距选择为使得辐射在所述采样光栅的反射率峰值的零阶处。
4.根据权利要求1所述的激光器，其中所述光栅结构的采样周期小于10μm。
5.根据权利要求1所述的激光器，其中所述部分波纹化侧壁的周期等于采样周期的一半。
6.根据权利要求1所述的激光器，其中所述第一区域的波导宽度为4μm至5μm，并且所述部分波纹化侧壁的部段内的波纹周期为2μm至5μm。
7.根据权利要求1所述的激光器，其中所述光栅包括沿着所述波导的相移，使得所述激光器是相移的分布式反馈(DFB)。
8.根据权利要求7所述的激光器，其中所述激光器是四分之一波长相移的DFB激光器。
9.一种半导体激光器，包括：
脊形或掩埋波导(400)，具有交替的第一区域(410)和第二区域(420)；
其中所述第一区域(410)具有恒定的宽度，并且所述第二区域(420)在所述第一区域(410)和所述第二区域(420)之间的边界处具有与所述第一区域(410)匹配的宽度(440)，并且所述第二区域(420)的宽度(440)增加到大于所述第一区域(410)的宽度的最大值，使得在所述波导的每一侧上的第二区域(420)中形成部分波纹化侧壁或界面；
其中所述第一区域(410)包括光栅结构(430)，并且由于所述第一区域(410)的周期性特性，所述光栅结构(430)是采样光栅的形式，且所述第二区域(420)没有光栅；并且
其中与基本波导模相比，所述部分波纹化侧壁或界面在高阶横向模中增加了辐射的波导损耗。
10.根据权利要求9所述的激光器，其中所述光栅结构的采样周期选择为使得在反射率光谱中产生的均匀间隔的峰值之间的间隔大于所述激光器在增益分布的最大值的一半处的全宽度。
11.根据权利要求9所述的激光器，其中所述光栅结构的光栅间距选择为使得辐射在反射率峰值的零阶处。
12.根据权利要求9所述的激光器，其中所述部分波纹化侧壁或界面的周期等于采样周期的一半。
13.根据权利要求9所述的激光器，其中所述光栅包括沿着所述波导的相移，使得所述激光器是相移分布式反馈(DFB)激光器。
14.根据权利要求13所述的激光器，其中所述激光器是四分之一波长相移的DFB激光器。
15.一种带间级联激光器，包括：
脊形波导，具有交替的第一区域(410)和第二区域(420)；
其中所述第一区域(410)具有恒定的宽度，并且所述第二区域(420)在所述第一区域(410)和所述第二区域(420)之间的边界处具有与所述第一区域(410)匹配的宽度(440)，并且所述第二区域(420)的宽度(440)减小到小于所述第一区域(410)的宽度的最小值，使得沿着所述脊形波导的每一侧在第二区域(420)中形成部分波纹化侧壁；
其中所述第一区域(410)包括光栅结构(430)，并且由于所述第一区域(410)的周期性特性，所述光栅结构(430)是采样光栅的形式，且所述第二区域(420)没有光栅；并且
其中与基本波导模相比，所述部分波纹化侧壁在较高阶横向模中增加了辐射的波导损耗。
16.一种半导体激光器，包括：
脊形或掩埋波导，具有交替的第一区域(410)和第二区域(420)；
其中所述第一区域(410)具有恒定的宽度，并且所述第二区域(420)在所述第一区域(410)和所述第二区域(420)之间的边界处具有与所述第一区域(410)匹配的宽度(440)，并且所述第二区域(420)的宽度(440)减小到小于所述第一区域(410)的宽度的最小值，使得在所述波导的每一侧上的第二区域(420)中形成部分波纹化侧壁或界面；
其中所述第一区域(410)包括光栅结构(430)，并且由于所述第一区域(410)的周期性特性，所述光栅结构(430)是采样光栅的形式，且所述第二区域(420)没有光栅；并且
其中与基本波导模相比，所述部分波纹化侧壁或界面在高阶横向模中增加了辐射的波导损耗。
17.根据权利要求1所述的激光器，其中所述第二区域的宽度进一步减小到小于所述第一区域的宽度的最小值。
18.根据权利要求9所述的激光器，其中所述第二区域的宽度进一步减小到小于所述第一区域的宽度的最小值。
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