CN112260058A - 单模大功率半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

一种半导体激光器，包括：依次连接的第一单模波导(1)、第一锥形波导(2)、多模干涉波导(3)、第二锥形波导(4)、第二单模波导(5)、第三锥形波导(6)以及第一多模干涉反射镜(7)；其中，第一单模波导(1)的端面(10)与第一多模干涉反射镜(7)可形成激光腔，并作为激光腔的反射镜；其中，第一多模干涉反射镜(7)通过刻蚀工艺形成。半导体激光器还包括：光栅(8)，其设于第一单模波导(1)上，光栅(8)与第一多模干涉反射镜(7)可形成激光腔，并作为激光腔的反射镜，半导体激光器通过端面(10)输出激光。该半导体激光器可以与一个或多个光子集成芯片单片集成。

Description

单模大功率半导体激光器
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种单模大功率半导体激光器。
背景技术
半导体激光器广泛应用于光通信、光互连、激光雷达、材料加工、智能制造、消费电子等诸多领域，是现代信息社会必不可少的光源。特别地，单模大功率半导体激光器具有特殊的应用以及重要地位。通常，如果半导体激光器(如法布罗-珀罗激光器)中没有特殊选模结构，将多纵模输出。此外，为了满足半导体激光器高光束质量要求，半导体激光器的发光面积有限，半导体激光器的单模输出功率受限。要实现半导体激光器大功率输出，有效的办法是增大半导体激光器的侧向尺寸，即半导体激光器的条宽，但是该种方法会引入多侧模，恶化半导体激光器的光束质量。
目前，相关技术提出一种多模干涉波导(简称：MMI)半导体激光器，通过引入MMI区域增加有源区面积以及采用单模波导输出，实现了单侧模大功率半导体激光器。但该种结构的MMI半导体激光器通常需要解理实现端面反射镜形成激光腔，很难和光子集成芯片单片集成。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对于现有技术问题，本发明提出一种单模大功率半导体激光器，用于至少部分解决上述技术问题。
(二)技术方案
本发明一方面提供一种半导体激光器，包括：依次连接的第一单模波导、第一锥形波导、多模干涉波导、第二锥形波导、第二单模波导、第三锥形波导以及第一多模干涉反射镜；其中，第一单模波导的端面与第一多模干涉反射镜可形成激光腔，并作为激光腔的反射镜；其中，第一多模干涉反射镜通过刻蚀工艺形成。
可选地，半导体激光器还包括：光栅，其设于第一单模波导上，光栅与第一多模干涉反射镜可形成激光腔，并作为激光腔的反射镜，半导体激光器通过端面输出激光。
可选地，半导体激光器还包括：第二多模干涉反射镜，其与第一单模波导通过第六锥形波导连接，第二多模干涉反射镜还依次连接第七锥形波导及第四单模波导；第一多模干涉反射镜还依次连接第八锥形波导及第五单模波导。
可选地，第一单模波导、第二单模波导、第四单模波导和第五单模波导包括单侧模和单横模，第一单模波导、第二单模波导、第四单模波导和第五单模波导为有源波导或无源波导。
可选地，第一锥形波导及第二锥形波导与多模干涉波导的连接位置为多模干涉波导的自映像点，第三锥形波导和第八锥形波导与第一多模干涉反射镜的连接位置为第一多模干涉反射镜的自映像点，第六锥形波导和第七锥形波导与第二多模干涉反射镜的连接位置为第二多模干涉反射镜的自映像点。
可选地，第一多模干涉反射镜包括第一反射面及第二反射面，第一反射面及第二反射面与第一多模干涉反射镜的中心轴线成45°角，第一反射面及第二反射面的相交处位于第一多模干涉反射镜的中心轴线上；第二多模干涉反射镜包括第三反射面及第四反射面，第三反射面及第四反射面与第二多模干涉反射镜的中心轴线成45°角，第三反射面及第四反射面的相交处位于所述第二多模干涉反射镜的中心轴线上。
可选地，多模干涉波导为有源波导。
可选地，多模干涉波导的长度及宽度满足多模干涉波导的自映像条件。
可选地，第一多模干涉反射镜和第二多模干涉反射镜为有源波导或无源波导，第一锥形波导、第二锥形波导、所述第三锥形波导、第六锥形波导、第七锥形波导、第八锥形波导为有源波导或无源波导。
可选地，光栅为在第一单模波导的表面引入光栅，或者在第一单模波导的中引入掩埋型光栅，其中，光栅的光栅周期为Λ＝λB/(2neff)，其中，λB为布拉格波长，neff为有效折射率。
可选地，半导体激光器包括至少两个级联的多模干涉波导。
(三)有益效果
本发明提供一种单模大功率半导体激光器，至少具备以下有益效果：
(1)采用多模干涉反射镜替代传统MMI半导体激光器的激光腔的一个反射端面，且用作半导体激光器的反射镜的多模干涉反射镜通过刻蚀工艺形成，避免了传统MMI半导体激光器采用解理工艺制作腔面反射镜的工序，使得半导体激光器可以用于单片集成光子芯片的激光光源，也可以用于激光雷达、激光照明、激光泵浦、材料加工等领域。
(2)通过设置光栅，无需半导体激光器端面解理，利用光栅和多模干涉反射镜构建半导体激光腔，实现单纵模大功率输出，使得半导体激光器可以和波导型光子集成芯片单片集成。
(3)进一步地，通过多模干涉反射镜替代传统MMI半导体激光器的激光腔的两个反射端面，并在两个多模干涉反射镜均设置用于输入或输出激光的锥形波导和单模波导，进而实现半导体激光器和多个光子集成芯片单片集成。
附图说明
图1示意性示出了本发明第一实施例提供的单模大功率半导体激光器的结构图；
图2示意性示出了本发明第二实施例提供的单模大功率半导体激光器的结构图；
图3示意性示出了本发明第三实施例提供的单模大功率半导体激光器的结构图；
图4示意性示出了本发明第四实施例提供的单模大功率半导体激光器的结构图。
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。
本发明提供一种单模大功率MMI半导体激光器，该半导体激光器的多模干涉反射镜通过刻蚀工艺形成，该半导体激光器可应用于光子集成芯片、激光雷达、激光照明、激光泵浦、材料加工等领域。
图1示意性示出了本发明第一实施例提供的单模大功率半导体激光器的结构图。
如图1所示，该单模大功率半导体激光器包括：依次连接的第一单模波导1、第一锥形波导2、多模干涉波导3、第二锥形波导4、第二单模波导5、第三锥形波导6以及第一多模干涉反射镜7，其中，第一单模波导1的端面10与第一多模干涉反射镜7可形成激光腔，第一单模波导1的端面10与第一多模干涉反射镜7可作为激光腔的反射镜，其中，第一多模干涉反射镜7通过刻蚀工艺形成。
在本发明实施例中，第一单模波导1及第二单模波导5均包括单侧模和单横模，第一单模波导1及第二单模波导5为有源波导或无源波导。
在本发明实施例中，第一锥形波导2、第二锥形波导4、第三锥形波导6为有源波导或无源波导。
在本公开实施例中，第一锥形波导2及第二锥形波导4与多模干涉波导3的连接位置为多模干涉波导3的自映像点，多模干涉波导3例如可以为有源波导，多模干涉波导3的长度及宽度满足多模干涉波导的自映像条件。
在本公开实施例中，第三锥形波导6与第一多模干涉反射镜7的连接位置为第一多模干涉反射镜7的自映像点。第一多模干涉反射镜7包括第一反射面70及第二反射面71，第一反射面70及第二反射面71与第一多模干涉反射镜7的中心轴线成45°角，第一反射面70及第二反射面71的相交处位于第一多模干涉反射镜7的中心轴线上。第一多模干涉反射镜7为有源波导或无源波导。
图2示意性示出了本发明第二实施例提供的单模大功率半导体激光器的结构图。
如图2所示，该单模大功率半导体激光器包括：依次连接的第一单模波导1、第一锥形波导2、多模干涉波导3、第二锥形波导4、第二单模波导5、第三锥形波导6以及第一多模干涉反射镜7，第一单模波导1上还设有光栅8，光栅8与第一多模干涉反射镜7可形成激光腔，并作为激光腔的反射镜，半导体激光器通过第一单模波导1的端面10输出激光。其中，第一多模干涉反射镜7通过刻蚀工艺形成。
在本发明实施例中，第一单模波导1及第二单模波导5均包括单侧模和单横模，第一单模波导1及第二单模波导5为有源波导或无源波导。
在本发明实施例中，第一锥形波导2、第二锥形波导4、第三锥形波导6为有源波导或无源波导。
在本公开实施例中，第一锥形波导2及第二锥形波导4与多模干涉波导3的连接位置为多模干涉波导3的自映像点，多模干涉波导3例如可以为有源波导，多模干涉波导3的长度及宽度满足多模干涉波导的自映像条件。
在本公开实施例中，第三锥形波导6与第一多模干涉反射镜7的连接位置为第一多模干涉反射镜7的自映像点。第一多模干涉反射镜7包括第一反射面70及第二反射面71，第一反射面70及第二反射面71与第一多模干涉反射镜7的中心轴线成45°角，第一反射面70及第二反射面71的相交处位于第一多模干涉反射镜7的中心轴线上。第一多模干涉反射镜7为有源波导或无源波导。
在本发明实施例中，光栅8为在第一单模波导1的表面引入光栅，或者在第一单模波导1的中引入掩埋型光栅，光栅8用于提供反馈并选择纵模。其中，光栅8的光栅周期为Λ＝λB/(2neff)，其中，λB为布拉格波长，neff为有效折射率。
图3示意性示出了本发明第三实施例提供的单模大功率半导体激光器的结构图。
如图3所示，该单模大功率半导体激光器包括：依次连接的第二多模干涉反射镜20、第六锥形波导19、第一单模波导1、第一锥形波导2、多模干涉波导3、第二锥形波导4、第二单模波导5、第三锥形波导6以及第一多模干涉反射镜7。第二多模干涉反射镜20还依次连接第七锥形波导23及第四单模波导24，第一多模干涉反射镜7还依次连接第八锥形波导28及第五单模波导27，第四单模波导24的端面25及第五单模波导27的端面26可分别与光子集成芯片连接，实现半导体激光器和多个光子集成芯片单片集成。其中，第二多模干涉反射镜20与第一多模干涉反射镜7可形成激光腔，第二多模干涉反射镜20与第一多模干涉反射镜7可作为激光腔的反射镜，其中，第一多模干涉反射镜7和第二多模干涉反射镜20通过刻蚀工艺形成。
在本发明实施例中，第一单模波导1、第二单模波导5、第四单模波导24及第五单模波导27均包括单侧模和单横模，第一单模波导1、第二单模波导5、第四单模波导24及第五单模波导27为有源波导或无源波导。
在本发明实施例中，第一锥形波导2、第二锥形波导4、第三锥形波导6、第六锥形波导19、第七锥形波导23、第八锥形波导28为有源波导或无源波导。
在本公开实施例中，第一锥形波导2及第二锥形波导4与多模干涉波导3的连接位置为多模干涉波导3的自映像点，多模干涉波导3例如可以为有源波导，多模干涉波导3的长度及宽度满足多模干涉波导的自映像条件。
在本公开实施例中，第三锥形波导6和第八锥形波导28与第一多模干涉反射镜7的连接位置为第一多模干涉反射镜7的自映像点。第一多模干涉反射镜7包括第一反射面70及第二反射面71，第一反射面70及第二反射面71与第一多模干涉反射镜7的中心轴线成45°角，第一反射面70及第二反射面71的相交处位于第一多模干涉反射镜7的中心轴线上。第一多模干涉反射镜7为有源波导或无源波导。
在本公开实施例中，第六锥形波导19和第七锥形波导23与第二多模干涉反射镜20的连接位置为第二多模干涉反射镜20的自映像点。第二多模干涉反射镜20包括第三反射面21及第四反射面22，第三反射面21及第四反射面22与第二多模干涉反射镜20的中心轴线成45°角，第三反射面21及第四反射面22的相交处位于第二多模干涉反射镜20的中心轴线上。第二多模干涉反射镜20为有源波导或无源波导。
此外，上述第一实施例、第二实施例及第三实施例提供的半导体激光器可以包括至少两个级联的多模干涉波导3。
下面结合具体的例子对第一实施例、第二实施例及第三实施例提供的半导体激光器进行进一步说明。
图4示意性示出了本发明第四实施例提供的单模大功率半导体激光器的结构图。
如图4所示，该半导体激光器采用两个多模干涉波导(MMI)级联。第一单模波导1、第二单模波导5和第三单模波导12为均包括单侧模和单横模，为InP基无源波导。第一单模波导1纵向含有类似布拉格反射镜的多层结构(或称光子晶体)实现近圆形输出光斑。第一单模波导1的端面10由晶面解理而成，为输出端面，镀有减反膜防止光反馈。光栅8为在第一单模波导1表面引入的一阶光栅，用于提供反馈并选择纵模。多模干涉波导3为有源波导，含有InGaAsP量子阱或者AlGaInAs量子阱。多模干涉波导3上覆盖了p型电极9用于注入电流，n型电极在多模干涉波导3的背面。第一锥形波导2、第二锥形波导4、第三锥形波导6、第四锥形波导11和第五锥形波导13为InP基无源波导。第一多模干涉反射镜7为InP基无源波导刻蚀而成。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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 (10)

1.一种半导体激光器，其特征在于，包括：
依次连接的第一单模波导(1)、第一锥形波导(2)、多模干涉波导(3)、第二锥形波导(4)、第二单模波导(5)、第三锥形波导(6)以及第一多模干涉反射镜(7)；
其中，所述第一单模波导(1)的端面(10)与所述第一多模干涉反射镜(7)可形成激光腔，并作为所述激光腔的反射镜；
其中，所述第一多模干涉反射镜(7)通过刻蚀工艺形成。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器还包括：
光栅(8)，其设于所述第一单模波导(1)上，所述光栅(8)与所述第一多模干涉反射镜(7)可形成激光腔，并作为所述激光腔的反射镜，所述半导体激光器通过所述端面(10)输出激光。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器还包括：
第二多模干涉反射镜(20)，其与所述第一单模波导(1)通过第六锥形波导(19)连接，所述第二多模干涉反射镜(20)还依次连接第七锥形波导(23)及第四单模波导(24)；
其中，所述第二多模干涉反射镜(20)通过刻蚀工艺形成；
所述第一多模干涉反射镜(7)还依次连接第八锥形波导(28)及第五单模波导(27)。
4.根据权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一单模波导(1)、所述第二单模波导(5)、所述第四单模波导(24)和所述第五单模波导(27)包括单侧模和单横模，所述第一单模波导(1)、所述第二单模波导(5)、所述第四单模波导(24)和所述第五单模波导(27)为有源波导或无源波导。
5.根据权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一锥形波导(2)及所述第二锥形波导(4)与所述多模干涉波导(3)的连接位置为所述多模干涉波导(3)的自映像点，所述第三锥形波导(6)和第八锥形波导(28)与所述第一多模干涉反射镜(7)的连接位置为第一多模干涉反射镜(7)的自映像点，所述第六锥形波导(19)和第七锥形波导(23)与所述第二多模干涉反射镜(20)的连接位置为第二多模干涉反射镜(20)的自映像点。
6.根据权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一多模干涉反射镜(7)包括第一反射面(70)及第二反射面(71)，所述第一反射面(70)及第二反射面(71)与所述第一多模干涉反射镜(7)的中心轴线成45°角，所述第一反射面(70)及第二反射面(71)的相交处位于所述第一多模干涉反射镜(7)的中心轴线上；
所述第二多模干涉反射镜(20)包括第三反射面(21)及第四反射面(22)，所述第三反射面(21)及所述第四反射面(22)与所述第二多模干涉反射镜(20)的中心轴线成45°角，所述第三反射面(21)及所述第四反射面(22)的相交处位于所述第二多模干涉反射镜(20)的中心轴线上。
7.根据权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一多模干涉反射镜(7)和所述第二多模干涉反射镜(20)为有源波导或无源波导，所述第一锥形波导(2)、所述第二锥形波导(4)、所述第三锥形波导(6)、所述第六锥形波导(19)、所述第七锥形波导(23)、所述第八锥形波导(28)为有源波导或无源波导。
8.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述光栅(8)为在所述第一单模波导(1)的表面引入光栅，或者在第一单模波导(1)的中引入掩埋型光栅，其中，所述光栅(8)的光栅周期为Λ＝λB/(2neff)，其中，λB为布拉格波长，neff为有效折射率。
9.根据权利要求1至7任一项所述的半导体激光器，其特征在于，所述多模干涉波导(3)为有源波导，所述多模干涉波导(3)的长度及宽度满足多模干涉波导的自映像条件。
10.根据权利要求1至7任一项所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器包括至少两个级联的多模干涉波导(3)。
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