CN111969413A - 一种宽条形半导体激光器及其制作方法、倾斜取样光栅制作方法 - Google Patents

一种宽条形半导体激光器及其制作方法、倾斜取样光栅制作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111969413A
CN111969413A CN202010709275.8A CN202010709275A CN111969413A CN 111969413 A CN111969413 A CN 111969413A CN 202010709275 A CN202010709275 A CN 202010709275A CN 111969413 A CN111969413 A CN 111969413A
Authority
CN
China
Prior art keywords
grating
semiconductor laser
sampling
wide
strip
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010709275.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111969413B (zh
Inventor
郝丽君
施跃春
赵雍
陈向飞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University
Original Assignee
Nanjing University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University filed Critical Nanjing University
Priority to CN202010709275.8A priority Critical patent/CN111969413B/zh
Publication of CN111969413A publication Critical patent/CN111969413A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111969413B publication Critical patent/CN111969413B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/125—Distributed Bragg reflector [DBR] lasers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1847—Manufacturing methods
    • G02B5/1857—Manufacturing methods using exposure or etching means, e.g. holography, photolithography, exposure to electron or ion beams
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/065—Mode locking; Mode suppression; Mode selection ; Self pulsating
    • H01S5/0651—Mode control
    • H01S5/0653—Mode suppression, e.g. specific multimode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/1231—Grating growth or overgrowth details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/223—Buried stripe structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4012—Beam combining, e.g. by the use of fibres, gratings, polarisers, prisms

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

本发明公开一种宽条形半导体激光器及其制作方法、倾斜取样光栅制作方法，解决现有宽条形半导体激光器激射功率低且波长精度差的问题。所述宽条形半导体激光器，包含：条形波导、倾斜取样光栅；所述宽条形半导体激光器的上、下波导层为所述条形波导，光栅材料层为所述倾斜取样光栅；所述条形波导为宽条形平板波导，波导宽度大于等于170微米；所述倾斜取样光栅，在均匀基本光栅上叠印倾斜取样图案制作而成。所述宽条形半导体激光器的制作方法用于所述激光器。所述倾斜取样光栅制作方法用于制作所述宽条形半导体激光器的倾斜取样光栅。本发明实现了高功率高精度的半导体激光器。

Description

一种宽条形半导体激光器及其制作方法、倾斜取样光栅制作 方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种宽条形半导体激光器及其制作方法、倾斜取样光栅制作方法。
背景技术
随着光通信技术在近几十年的不断迅速发展，光通信容量的需求在不断增长，半导体激光器有着体积小、能耗低、可靠性高并且可高速调制等诸多优点，成为了光通信系统中的核心器件。DFB(分布式反馈，Distribution Feedback Laser)半导体激光器具有良好的单模特性，而且对波长控制准确，成为了通讯上主流的激光器。一般对激光器波长精度的要求在±1.0nm。但是该精度对于DFB半导体激光器的制作要求非常高，准确对准吸收峰的难度非常大。另外，为了增加激光气体遥测距离，需要增加激光器出射功率。现有DFB半导体激光器的缺点是出射功率低、制作复杂、波长精度差。
发明内容
本发明提供一种宽条形半导体激光器及其制作方法、倾斜取样光栅制作方法，解决现有宽条形半导体激光器激射功率低且波长精度差的问题。
为解决上述问题，本发明是这样实现的：
发明实施例提供一种宽条形半导体激光器，包含：条形波导、倾斜取样光栅；所述宽条形半导体激光器的上、下波导层为所述条形波导，光栅材料层为所述倾斜取样光栅；所述条形波导为宽条形平板波导，波导宽度大于等于170微米；所述倾斜取样光栅，在均匀基本光栅上叠印倾斜取样图案制作而成。
进一步地，所述倾斜取样光栅的倾斜角和光栅周期满足：
Figure BDA0002595949530000021
Figure BDA0002595949530000022
Figure BDA0002595949530000023
Figure BDA0002595949530000024
其中，Λs、α、
Figure BDA0002595949530000025
分别为所述倾斜取样光栅的光栅周期、倾斜角、光栅矢量，Λ-1、
Figure BDA0002595949530000026
分别为所述倾斜取样光栅的-1级傅里叶子光栅的光栅周期、倾斜角、光栅矢量，Λ0、
Figure BDA0002595949530000027
为所述基本光栅的光栅周期、光栅矢量，
Figure BDA0002595949530000028
为等效角光栅的光栅矢量，
Figure BDA0002595949530000029
由所述宽条形半导体激光器的激射光波长和功率确定。
优选地，所述倾斜取样光栅中，所述倾斜取样图案的种类大于1。
优选地，所述倾斜取样光栅为啁啾或切趾倾斜取样光栅。
进一步地，所述倾斜取样光栅通过全息曝光和掩模版二次曝光技术结合干法或湿法刻蚀来制备。
进一步地，所述倾斜取样光栅通过电子束曝光技术结合ICP干法刻蚀或湿法刻蚀来制备。
优选地，所述条形波导长度大于等于300微米，所述基本光栅周期为535nm，所述倾斜取样光栅的光栅周期为2微米、倾斜角为55度。
优选地，所述等效角光栅的失谐因子为：
Figure BDA00025959495300000210
其中，Δβ为所述等效角光栅的失谐因子，m为光栅衍射级数，n为光栅有效折射率，ΛA为所述等效角光栅的光栅周期，
Figure BDA00025959495300000211
为所述倾斜取样光栅的-1级傅里叶子光栅的倾斜角，λ为所述宽条形半导体激光器的激射光波长。
本发明实施例还指出一种倾斜取样光栅制作方法，用于制作所述倾斜取样光栅，包含以下步骤：先在基片旋涂所适配的电子束光刻胶，使用电子束曝光技术、使电子束在曝光胶上扫描，通过改变电子束的曝光量，形成倾斜取样图案，再使用有机溶剂将曝光量少的电子束光刻胶溶解，使用ICP干法刻蚀或基于化学反应的湿法刻蚀对该材料进行刻蚀。
本发明实施例还指出一种宽条形半导体激光器制作方法，用于制作所述激光器，包含以下步骤：根据所述激光器的功率、激射光波长确定所述条形波导的波导宽度和等效角光栅的光栅矢量，并得到倾斜取样光栅的-1级傅里叶子光栅的光栅矢量；根据所述倾斜取样光栅的-1级傅里叶子光栅的光栅矢量确定所述倾斜取样光栅的光栅周期和倾斜角；在均匀基本光栅上叠印倾斜取样图案制作所述倾斜取样光栅。
本发明有益效果包括：本发明公开提供了一种宽条形高功率半导体激光器，通过设计倾斜取样光栅的倾斜角度和周期，可以调节等效角光栅周期和倾角的变化，从而可以调节对横向模式的空间滤波，实现对激射光的控制，从而在外界电流的调控下，提高激射功率；而且，在同一芯片同一均匀光栅的基础光栅的基础上，设计倾斜取样光栅图案来实现多个DFB激光器的集成，从而降低能耗和体积，简化测试过程，得到适合WDM-PON(波分复用技术-无源光网络)系统应用以及激光传感的有限波长带宽高功率DFB激光器。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1(a)为一种宽条形半导体激光器实施例的激光器；
图1(b)为一种宽条形半导体激光器实施例的倾斜取样光栅；
图2(a)为一种等效角光栅实施例的结构及相位匹配关系；
图2(b)为一种等效角光栅实施例的反射谱；
图3(a)为一种倾斜取样光栅和等效角光栅实施例的相位匹配关系；
图3(b)为一种倾斜取样光栅和等效角光栅实施例的光场分布；
图4为一种宽条形半导体激光器方法流程实施例；
图5为一种倾斜取样光栅制作过程实施例。
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，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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。
随着光通信技术在近几十年的不断迅速发展，光通信容量的需求在不断增长。不同频率的光，可以用作独立的传输信道来传递信息。由于光具有极大的带宽，达几百个THz以上，并且随着光纤传输损耗的降低及光探测技术的日益发展成熟，提出了两种波分复用技术。一种是粗波分复用系统，另外一种是密波分复用系统。其中对于密波分复用系统中，信道间隔在100GHz甚至更小，以此来增加传输信道数，提高系统传输容量。因此，系统对于光源要求很高。半导体激光器有着体积小、能耗低、可靠性高并且可高速调制等诸多优点，成为了光通信系统中的核心器件。
DFB半导体激光器具有良好的单模特性，而且对波长控制准确，成为了通讯上主流的激光器。其主要结构为在有源区附近增加一段光栅结构形成折射率耦合或者增益耦合，从而实现波长选择。DFB半导体激光器在材料加工、激光医疗、气体检测等领域具有非常广泛而重要的应用。在这些应用中，往往需要激光器具有精准的波长控制和很高的出光功率。例如在激光气体检测领域，激光器的波长要对准气体特征吸收峰，通过判断激光器吸收的量来判断气体的浓度。一般对激光器波长精度的要求在±1.0nm。但是该精度对于DFB半导体激光器的制作要求非常高，准确对准吸收峰的难度非常大。另外，为了增加激光气体遥测距离，需要增加激光器出射功率。
为了进一步提高DFB激光器的出射功率，需要增加波导宽度，但是为了保证出射光的单模特性，增加宽度非常有限。宽条形半导体激光器，采用全反射或者布拉格光栅进行空间滤波，采用大光腔甚至超大光腔，可以极大地增加出射光与增益介质的接触面积，具有输出功率高、热管理简单、功率合成简单的优点。因此，如何提供一种具有精准波长控制的宽条形高功率激光器是本领域技术人员亟需解决的问题。
本发明创新点如下：第一，本发明宽条形半导体激光器，采用宽条形波导，可以增加电流的注入面积和散热面积；第二，本发明采用倾斜取样光栅，通过设计所述倾斜取样光栅的倾斜角和光栅周期，可调整半导体激光器的横向空间模式滤波特性；第三，本发明倾斜取样光栅耦合系数低于角光栅，增大了激射光与增益介质的接触面积，可提高激射光功率；第四，本发明通过设计不同宽条形高功率半导体激光器的取样光栅的取样结构，能够实现大规模单片集成的大功率激光器阵列。
以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
图1(a)为一种宽条形半导体激光器实施例的激光器，图1(b)为一种宽条形半导体激光器实施例的倾斜取样光栅，在本发明实施例中，如图1(a)，一种宽条形半导体激光器，包含：n电极1、衬底2、下波导层3、量子阱层4、光栅材料层5、上波导层6、欧姆接触层7、p电极8；如图1(b)，所述光栅材料层为倾斜取样光栅，包含：基本光栅51、倾斜取样图案52。
具体地，所述宽条形半导体激光器的上波导层、下波导层均为条形波导，所述宽条形半导体激光器的光栅材料层为倾斜取样光栅；所述条形波导为宽条形平板波导，波导宽度大于等于170微米；所述倾斜取样光栅，在均匀基本光栅上叠印倾斜取样图案制作而成。
在本发明实施例中，在金属N型电极层(即所述n电极)上依次沉积衬底层、采用N型GaAs(100)，缓冲层、采用N-GaAs，下波导层、采用N-AlGaAs，量子阱层，光栅材料层，上波导层，P型电极层(即所述p电极)。
在本发明实施例中，所述条形波导的波导结构为宽条形平板波导，波导宽度在170μm以上，可以有效增加电流注入面积和散热面积。
图1(b)中，所述倾斜取样光栅，在均匀基本光栅上叠印倾斜取样图案制作而成，用于横向空间模式滤波，需要说明的是，图1(b)中的倾斜取样结构为本发明中所述倾斜取样图案。
在本发明实施例中，所述倾斜取样光栅的倾斜角和光栅周期满足：
Figure BDA0002595949530000061
Figure BDA0002595949530000062
Figure BDA0002595949530000063
Figure BDA0002595949530000064
其中，Λs、α、
Figure BDA0002595949530000065
分别为所述倾斜取样光栅的光栅周期、倾斜角、光栅矢量，Λ-1、
Figure BDA0002595949530000066
分别为所述倾斜取样光栅的-1级傅里叶子光栅的光栅周期、倾斜角、光栅矢量，Λ0、
Figure BDA0002595949530000067
为所述基本光栅的光栅周期、光栅矢量，
Figure BDA0002595949530000068
为等效角光栅的光栅矢量，
Figure BDA0002595949530000069
由所述宽条形半导体激光器的激射波长和功率确定。
本发明宽条形波导半导体激光器的光栅材料层采用倾斜取样光栅，所述倾斜取样光栅是在均匀基本光栅的基础上叠印倾斜取样图案，利用准相位匹配技术和重构等效啁啾技术，倾斜取样光栅可以等效实现角光栅，即所述倾斜取样光栅的参数可以通过其等效角光栅计算。所述等效角光栅的倾斜角和光栅周期可以根据宽条形半导体激光器所需激射光波长和功率来确定。
在本发明中，所述倾斜取样光栅中的-1级傅里叶子光栅可以等效成半导体激光器中所需要的所述等效角光栅。因此，所设计的倾斜取样光栅可以等效实现角光栅对于横向模式的空间滤波。
进一步地，对于所述倾斜取样光栅的结构而言，可以用光栅矢量来表示，光栅矢量中包含了光栅的倾斜角和光栅周期等信息，光栅矢量的计算公式如下：
Figure BDA0002595949530000071
Figure BDA0002595949530000072
其中，
Figure BDA0002595949530000073
为所述基本光栅单位光栅矢量，
Figure BDA0002595949530000074
为所述倾斜取样光栅的单位光栅矢量。
因此，在已得知等效角光栅的倾斜角和光栅周期时，可以设计对应的倾斜取样光栅，倾斜取样光栅中的基本光栅的光栅周期，倾斜取样光栅的倾斜角和光栅周期可以随之确定，从而确保半导体激光器的单模特性。
进一步地，通过改变倾斜取样光栅的倾斜角以及光栅周期可以等效地改变对应等效角光栅的倾斜角和光栅周期大小，从而改变横向谐振模式耦合的波长，从而调整半导体激光器的激射光波长。
在本发明实施例中，所述倾斜取样光栅中，所述倾斜取样图案的种类大于1。例如，在同一芯片同一均匀光栅的基本光栅的基础上，设计多个倾斜取样光栅图案来实现多个激光器的集成。多个激光器组成激光器阵列，阵列中的每个激光器的激射光波长不同，每个激光器的激射光波长是通过改变每个激光器的倾斜取样图案来改变的。激光器阵列能耗低、体积小，测试过程简单，适合WDM-PON系统应用。
在本发明实施例中，所述倾斜取样光栅为啁啾或切趾倾斜取样光栅，通过设计啁啾或切趾倾斜取样结构，可以等效地得到对应啁啾或切趾结构的角光栅，即所述等效角光栅，从而可以调节半导体激光器的模斑大小和激光器输出功率。
由于采用了取样结构，倾斜取样光栅中所包含的等效角光栅的光栅强度比普通角光栅要弱1/3，因此模式耦合效率也相应降低，有利于进一步提高半导体激光器输出功率。
在本发明实施例中，所述倾斜取样光栅可通过全息曝光和掩模版二次曝光技术结合干法或湿法刻蚀来制备，或通过电子束曝光技术结合ICP干法刻蚀或湿法刻蚀来制备。
在本发明实施例中，衬底一般应用III-V族化合物半导体材料(如GaAlAs/GaAs，InGaAs/InGaP，GaAsP/InGaP，InGaAsP/InP,InGaAsP/GaAsP,AlGaInAs等)，同时也可应用II-VI族化合物半导体材料、IV-VI族化合物半导体材料等各种三元化合物、四元化合物半导体材料。同时，所述倾斜取样光栅结构也可以用于硅基与III-V族外延材料单片混合集成的半导体可调谐激光器，即将有源材料，如III-V族外延片，与无源材料，如绝缘衬底上的硅相结合的激光器芯片。在单片混合集成的半导体可调谐激光器中，可以在硅波导上制作光栅，也可以在III-V族外延材料上制作光栅。
在本发明实施例中，所述宽条形半导体激光器用于多种波段，包括：980波段、1310波段、1550波段和1650波段。
在本发明实施例中，所述倾斜取样宽光栅用于实现激光器中横向空间模式的谐振，保证大功率工作下的单模特性，所述倾斜取样光栅为准二维光栅，通过后续工艺，制备激光器。通过设计倾斜取样光栅的相关结构参数，可以实现对于本发明宽条形高半导体激光器横向模式的空间滤波，其工作原理与等效角光栅类似。
具体地，所述条形波导长度大于等于300微米，所述基本光栅周期为535nm，所述倾斜取样光栅的光栅周期为2微米、倾斜角为55度，所述倾斜取样光栅的基本参数如下表1，对应的等效角光栅的基本参数如下表2。
表1倾斜取样光栅基本参数
Figure BDA0002595949530000081
Figure BDA0002595949530000091
表2等效角光栅基本参数
Figure BDA0002595949530000092
在本发明实施例中，所述宽条形半导体激光器的光栅周期的值与增益区量子阱材料需要根据具体的所需要的激射光波长设计。
本发明实施例公开了一种宽条形高功率DFB半导体激光器，通过设计倾斜取样光栅的倾斜角度和周期，可以调节等效角光栅周期和倾角的变化，从而可以调节对横向模式的空间滤波，实现对激射光的控制，从而在外界电流的调控下，提高激射功率。
本发明提供的宽条形高功率DFB半导体激光器，波长控制准确，为未来的光通讯WDM-PON市场以及激光传感提供低成本，易封装，大规模集成的有限波长带宽的高功率DFB半导体激光器。
图2(a)为一种等效角光栅实施例的结构及相位匹配关系，图2(b)为一种等效角光栅实施例的反射谱，所述等效角光栅可用于等效本发明申请中所述倾斜取样光栅。
图2(a)中，等效角光栅可以实现对横向模式进行空间滤波，从而控制半导体激光器中的单模特性，等效角光栅的光栅矢量可以表示为：
Figure BDA0002595949530000093
其中，
Figure BDA0002595949530000094
为所述等效角光栅的单位光栅矢量，当光沿x轴进入光栅区域，其波长为λ，则入射光的波矢可以表示为：
Figure BDA0002595949530000101
其中，
Figure BDA0002595949530000102
为x轴单位方向向量，入射光与等效角光栅相互作用时，其相位匹配关系如图2(a)所示，则失谐因子为：
Figure BDA0002595949530000103
其中，Δβ为所述等效角光栅的失谐因子，m为光栅衍射级数，n为光栅有效折射率，ΛA为所述等效角光栅的光栅周期，
Figure BDA0002595949530000104
为所述倾斜取样光栅的-1级傅里叶子光栅的倾斜角，即等效角光栅的光栅平面与x轴的夹角，λ为所述宽条形半导体激光器的激射光波长。
在本发明实施例中，m＝1，对角度求导可以得到：
Figure BDA0002595949530000105
因此，根据上述公式，通过计算得到的等效角光栅反射谱随角度变化的关系，如附图2(b)。
由图2(b)可知，当入射角
Figure BDA0002595949530000106
为90度时，光栅反射谱的带宽为2.5度；入射角
Figure BDA0002595949530000107
为80度时，光栅反射谱带宽为0.16度，入射角
Figure BDA0002595949530000108
为15度时，反射谱带宽仅为0.029度，因此所设计的具有一定倾斜角的等效角光栅可以实现对特定空间模式的滤波。
在本发明实施例中，所述倾斜取样光栅为啁啾或切趾倾斜取样光栅，通过设计啁啾或切趾倾斜取样结构，可以等效地得到对应啁啾或切趾结构的角光栅，即所述等效角光栅，从而可以调节半导体激光器的模斑大小和激光器输出功率。
本发明公开提供了一种宽条形高功率半导体激光器，通过设计倾斜取样光栅的倾斜角度和周期，可以调节等效角光栅周期和倾角的变化，从而可以调节对横向模式的空间滤波，实现对激射光的控制，从而在外界电流的调控下，提高激射功率。
图3(a)为一种倾斜取样光栅和等效角光栅实施例的相位匹配关系，图3(b)为一种倾斜取样光栅和等效角光栅实施例的光场分布，本发明实施例提供了倾斜取样光栅和对应的等效角光栅的光场分布，说明了倾斜取样光栅和等效角光栅的等效性。
倾斜取样光栅与入射光和折射光相互作用的相位匹配关系如图3(a)所示，入射光的波矢为
Figure BDA0002595949530000111
Λs、
Figure BDA0002595949530000112
分别为所述倾斜取样光栅的光栅周期、光栅矢量，
Figure BDA0002595949530000113
分别为所述倾斜取样光栅的-1级傅里叶子光栅的光栅矢量，Λ0、
Figure BDA0002595949530000114
分别为所述基本光栅的光栅周期、光栅矢量，满足：
Figure BDA0002595949530000115
图3(b)，仿真得到倾斜取样宽光栅和角光栅内光场分布。由于光栅中反射光相干叠加，可以形成沿特定方向传输的光场分布，而倾斜取样光栅和等效角光栅内光栅分布的模斑大小及传播方向完全一致，可以证明倾斜取样光栅能够等效实现对应等效角光栅对半导体腔内横向模式的空间滤波作用，从而控制激射光波长和激光器输出功率大小。
在本发明实施例中，由于倾斜取样光栅采用了取样结构，倾斜取样光栅中所包含的等效光栅的光栅强度比普通角光栅要弱1/3，因此模式耦合效率也相应降低，有利于进一步提高半导体激光器输出功率。
通过改变取样结构的倾斜角度以及光栅周期可以等效地改变对应角光栅的倾斜角度和光栅周期大小，从而改变横向谐振模式耦合的波长，从而调整半导体激光器的出射波长。
通过设计啁啾或切趾倾斜取样结构，可以等效地得到对应啁啾或切趾结构的角光栅，从而可以调节半导体激光器的模斑大小和出射功率。
本发明实施例可以证明倾斜取样宽光栅能够等效实现对应等效角光栅对半导体腔内横向模式的空间滤波作用。
图4为一种宽条形半导体激光器方法流程实施例，可用于制作本发明申请中的所述宽条形半导体激光器，作为本发明实施例，所述方法具体包含以下步骤：
步骤101，根据所述激光器的功率、激射波长确定所述条形波导的波导宽度和等效角光栅的光栅矢量，并得到倾斜取样光栅的-1级傅里叶子光栅的光栅矢量。
在步骤101中，根据所述宽条形半导体激光器的功率确定所述条形波导的波导宽度，具体为170μm以上。
在步骤101中，由公式9、公式10可以根据所述宽条形半导体激光器的激射光波长确定等效角光栅的光栅矢量。
步骤102，根据所述倾斜取样光栅的-1级傅里叶子光栅的光栅矢量确定所述倾斜取样光栅的光栅周期和倾斜角。
在步骤102中，确定所述倾斜取样光栅的光栅周期和倾斜角的方法在本发明第一、第二实施例中已详细描述，可通过公式1～公式8具体计算得到。
步骤103，在均匀基本光栅上叠印倾斜取样图案制作所述倾斜取样光栅，步骤103进一步包含步骤103A或步骤103B。
步骤103A，通过电子束曝光技术结合ICP干法刻蚀或湿法刻蚀来制备所述倾斜取样光栅。
步骤103B，通过全息曝光和掩模版二次曝光技术结合干法或湿法刻蚀来制备所述倾斜取样光栅。
在步骤103A中，先在基片旋涂所适配的电子束光刻胶，使用电子束曝光技术、使电子束在曝光胶上扫描，通过改变电子束的曝光量，形成倾斜取样图案，再使用有机溶剂将曝光量少的电子束光刻胶溶解，使用ICP干法刻蚀或基于化学反应的湿法刻蚀对该材料进行刻蚀。
具体地，所述倾斜取样光栅通过电子束曝光技术结合ICP干法刻蚀或湿法刻蚀来制备。首先在基片表面旋涂所适配的电子束光刻胶，常见的为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，然后使用电子束曝光技术，使电子束在曝光胶上扫描并通过改变电子束的曝光量，形成所需的布拉格光栅的图案，接着使用有机溶剂将曝光量少的PMMA溶解，然后使用ICP(电感耦合等离子体)干法刻蚀或基于化学反应的湿法刻蚀对该材料进行刻蚀，实现倾斜取样光栅结构。
图5为一种倾斜取样光栅制作过程实施例，通过全息曝光和掩模版二次曝光技术结合干法或湿法刻蚀来制备所述倾斜取样光栅。
具体地，在均匀基本光栅上叠印倾斜取样图案制作所述倾斜取样光栅。
步骤103B，通过全息曝光和掩模版二次曝光技术结合干法或湿法刻蚀来制备所述倾斜取样光栅。
先通过全息曝光方法，再通过紫外光刻制作所述倾斜取样图案，随后，通过显影、刻蚀的方法在光栅材料层上制作出表面起伏的光栅结构。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种宽条形半导体激光器，其特征在于，包含：条形波导、倾斜取样光栅；
所述宽条形半导体激光器的上、下波导层为所述条形波导，光栅材料层为所述倾斜取样光栅；
所述条形波导为宽条形平板波导，波导宽度大于等于170微米；
所述倾斜取样光栅，在均匀基本光栅上叠印倾斜取样图案制作而成。
2.如权利要求1所述的宽条形半导体激光器，其特征在于，所述倾斜取样光栅的倾斜角和光栅周期满足：
Figure FDA0002595949520000011
Figure FDA0002595949520000012
Figure FDA0002595949520000013
Figure FDA0002595949520000014
其中，Λs、α、
Figure FDA0002595949520000015
分别为所述倾斜取样光栅的光栅周期、倾斜角、光栅矢量，Λ-1、
Figure FDA0002595949520000016
分别为所述倾斜取样光栅的-1级傅里叶子光栅的光栅周期、倾斜角、光栅矢量，Λ0、
Figure FDA0002595949520000017
为所述基本光栅的光栅周期、光栅矢量，
Figure FDA0002595949520000018
为等效角光栅的光栅矢量，
Figure FDA0002595949520000019
由所述宽条形半导体激光器的激射光波长和功率确定。
3.如权利要求1所述的宽条形半导体激光器，其特征在于，所述倾斜取样光栅中，所述倾斜取样图案的种类大于1。
4.如权利要求1所述的宽条形半导体激光器，其特征在于，所述倾斜取样光栅为啁啾或切趾倾斜取样光栅。
5.如权利要求1所述的宽条形半导体激光器，其特征在于，所述倾斜取样光栅通过全息曝光和掩模版二次曝光技术结合干法或湿法刻蚀来制备。
6.如权利要求1所述的宽条形半导体激光器，其特征在于，所述倾斜取样光栅通过电子束曝光技术结合ICP干法刻蚀或湿法刻蚀来制备。
7.如权利要求1所述的宽条形半导体激光器，其特征在于，所述条形波导长度大于等于300微米，所述基本光栅周期为535nm，所述倾斜取样光栅的光栅周期为2微米、倾斜角为55度。
8.如权利要求2所述的宽条形半导体激光器，其特征在于，所述等效角光栅的失谐因子为：
Figure FDA0002595949520000021
其中，Δβ为所述等效角光栅的失谐因子，m为光栅衍射级数，n为光栅有效折射率，ΛA为所述等效角光栅的光栅周期，
Figure FDA0002595949520000022
为所述倾斜取样光栅的-1级傅里叶子光栅的倾斜角，λ为所述宽条形半导体激光器的激射光波长。
9.一种倾斜取样光栅制作方法，用于制作权利要求1～8任一项所述倾斜取样光栅，其特征在于，包含以下步骤：
先在基片旋涂所适配的电子束光刻胶，使用电子束曝光技术、使电子束在曝光胶上扫描，通过改变电子束的曝光量，形成倾斜取样图案，再使用有机溶剂将曝光量少的电子束光刻胶溶解，使用ICP干法刻蚀或基于化学反应的湿法刻蚀对该材料进行刻蚀。
10.一种宽条形半导体激光器制作方法，用于制作权利要求1～8任一项所述激光器，其特征在于，包含以下步骤：
根据所述激光器的功率、激射光波长确定所述条形波导的波导宽度和等效角光栅的光栅矢量，并得到倾斜取样光栅的-1级傅里叶子光栅的光栅矢量；
根据所述倾斜取样光栅的-1级傅里叶子光栅的光栅矢量确定所述倾斜取样光栅的光栅周期和倾斜角；
在均匀基本光栅上叠印倾斜取样图案制作所述倾斜取样光栅。
CN202010709275.8A 2020-07-22 2020-07-22 一种宽条形半导体激光器及其制作方法 Active CN111969413B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010709275.8A CN111969413B (zh) 2020-07-22 2020-07-22 一种宽条形半导体激光器及其制作方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010709275.8A CN111969413B (zh) 2020-07-22 2020-07-22 一种宽条形半导体激光器及其制作方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111969413A true CN111969413A (zh) 2020-11-20
CN111969413B CN111969413B (zh) 2024-04-12

Family

ID=73364387

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010709275.8A Active CN111969413B (zh) 2020-07-22 2020-07-22 一种宽条形半导体激光器及其制作方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111969413B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030169787A1 (en) * 2002-03-07 2003-09-11 Igor Vurgaftman Photonic-crystal distributed-feedback and distributed bragg-reflector lasers
CN101369718A (zh) * 2008-10-06 2009-02-18 南京大学 单片集成半导体激光器阵列的制造方法及装置
CN102147492A (zh) * 2011-01-06 2011-08-10 南京大学 微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅和体光栅的制备方法
CN104701734A (zh) * 2015-03-10 2015-06-10 江苏省邮电规划设计院有限责任公司 一种半导体激光器及其制作方法及激光器阵列
CN105552717A (zh) * 2016-02-05 2016-05-04 南京大学 一种基于准二维光栅的混合模式激光器、阵列及制作方法
WO2019243554A1 (en) * 2018-06-22 2019-12-26 Metamaterial Technologies Inc. Spatially varying volume holographic gratings

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030169787A1 (en) * 2002-03-07 2003-09-11 Igor Vurgaftman Photonic-crystal distributed-feedback and distributed bragg-reflector lasers
CN101369718A (zh) * 2008-10-06 2009-02-18 南京大学 单片集成半导体激光器阵列的制造方法及装置
CN102147492A (zh) * 2011-01-06 2011-08-10 南京大学 微结构准相位匹配实现多维目标波导光栅和体光栅的制备方法
CN104701734A (zh) * 2015-03-10 2015-06-10 江苏省邮电规划设计院有限责任公司 一种半导体激光器及其制作方法及激光器阵列
CN105552717A (zh) * 2016-02-05 2016-05-04 南京大学 一种基于准二维光栅的混合模式激光器、阵列及制作方法
WO2019243554A1 (en) * 2018-06-22 2019-12-26 Metamaterial Technologies Inc. Spatially varying volume holographic gratings

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YUECHUN SHI 等: "Improved Single-Mode Property of DFB Semiconductor Laser Based on Sampling Technique Using Chirp Compensation", IEEE PHOTONICS JOURNAL *
郝丽君: "基于二维取杰光栅和新型微纳结构的光子集成设计和研究", 中国博士学位论文全文数据库 基础科学辑, pages 4 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111969413B (zh) 2024-04-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1729382B1 (en) Parabolic waveguide-type collimating device and tunable external cavity laser diode provided with the same
JP4477567B2 (ja) 光偏向器を備えた波長可変逆多重化器および波長可変レーザ
US6222871B1 (en) Vertical optical cavities produced with selective area epitaxy
US9337623B2 (en) High density laser optics
CN103227416B (zh) 基于正交微纳周期结构选模的可调谐半导体激光器
US20100284019A1 (en) Semiconductor integrated optical device and method of making the same
KR20110122764A (ko) 좁은 표면 파형 격자
US4309667A (en) Multiple laser having a distributed resonator
CN108155557B (zh) 一种半导体激光器和控制方法
EP0325251A2 (en) Laser light source for generating beam collimated in at least one direction
JP2594577B2 (ja) 光デバイス
US6594298B2 (en) Multi-wavelength semiconductor laser array and method for fabricating the same
CN108471046A (zh) 一种半导体激光器和控制方法
Lee et al. Monolithically integrated multiwavelength sampled grating DBR lasers for dense WDM applications
US6432736B1 (en) Adjustable monolithic multi-wavelength laser arrays
CN111969413B (zh) 一种宽条形半导体激光器及其制作方法
JPH0961652A (ja) 半導体光導波路およびその作製方法
CN105552717A (zh) 一种基于准二维光栅的混合模式激光器、阵列及制作方法
CN113851931A (zh) 基于取样光栅的单模大功率半导体激光器及其制备方法
CN108808442B (zh) 多波长分布反馈半导体激光器阵列及制备方法
CN111600199B (zh) 一种有限长带宽的高功率半导体激光器
CN112909737A (zh) 一种双波长半导体激光器及太赫兹光泵浦
Midkiff et al. Mid-infrared 2D nonredundant optical phased array of mirror emitters in an InGaAs/InP platform
Maidment Development of an Integrated Multispectral LIDAR in Silicon Photonics
Shingade et al. Review paper for developments in Array Waveguide Gratings

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant