CN112421378B - 一种半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器，包括半导体PN结和设于半导体PN结且沿同列分布的表面有源布拉格反射光栅、脊形波导列阵、多模干涉波导和超对称列阵波导；表面有源布拉格反射光栅设于脊形波导列阵的一端，多模干涉波导的一端紧邻脊形波导列阵的另一端，超对称列阵波导紧邻多模干涉波导的另一端。该半导体激光器利用表面有源布拉格光栅提供波长可调谐的单频激光，利用脊形波导列阵进行增益放大，利用多模干涉波导进行相干耦合，最后利用超对称列阵波导进行二次横向模式选择和增益，实现高功率、窄线宽、波长可调谐的高光束质量激光。

Description

一种半导体激光器

技术领域

本发明涉及激光领域，尤其涉及一种半导体激光器。

背景技术

半导体激光器是利用半导体材料作为工作物质的激光器件，具有体积小、重量轻、直接电光转换、转换效率高、光束质量好和激光线宽窄等优势，在光学相控阵激光雷达、主动探测识别等领域具有广泛的应用前景。

现有的可调谐、高光束质量的半导体激光器主要包括主控振荡器功率放大器、锥形激光器、平板耦合波导激光器、分布反馈激光器和分布布拉格反射激光器等波导模式选择单管器件。

尽管高光束质量半导体激光器在提高输出功率、光束质量和优化光谱线宽方面取得了很大的进步，但是各类型的列阵器件仍存在各种问题。例如，主控振荡器功率放大器和锥形激光器通过锥形半导体光放大器获得高功率输出，但锥形放大器出光孔径通常在100微米以上，导致其与单模光纤或单模波导的耦合效率极低。又例如，平板耦合波导激光器通过特殊设计的外延结构结合脊形波导获得高光质量激光，而脊形波导的增益体积有限，因此很难实现瓦级的高功率输出。又例如，分布反馈和分布布拉格反射激光器采用内置的光栅结构实现模式选择，但前述内置光栅结构设计复杂，工艺难度大、研制成本高。

综上所述，如何提供一种能够兼顾线宽、光束质量和输出功率的半导体激光器，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种半导体激光器，可以向外界提供线宽窄、光束质量高且输出功率大的激光。

为实现上述目的，本发明提供一种半导体激光器，包括半导体PN结和设于所述半导体PN结且沿同列分布的表面有源布拉格反射光栅、脊形波导列阵、多模干涉波导和超对称列阵波导；

所述表面有源布拉格反射光栅设于所述脊形波导列阵的一端，所述多模干涉波导的一端紧邻所述脊形波导列阵的另一端，所述超对称列阵波导紧邻所述多模干涉波导的另一端。

优选地，所述多模干涉波导内设有用以实现激光相干合束的空间调制结构。

优选地，所述空间调制结构包括若干个刻蚀于所述多模干涉波导、用以提高界面电阻的空腔。

优选地，所述多模干涉波导包括多个用以连接所述脊形波导列阵的入口端和多个用以连接所述超对列阵波导的出口端；全部所述入口端均布于所述脊形波导列阵的一端。

优选地，所述超对称列阵波导包括用以实现激光增益的第一超对称列阵波导和用以实现激光损耗的第二超对称列阵波导；所述第一超对称列阵波导和所述第二超对称列阵波导并排设置。

优选地，所述半导体PN结包括分层铺设的N型衬底层、N层包层、N型波导层、有源层、P型波导层、P型包层和P型高掺杂层；所述N型衬底层连接有N极电极，所述P型高掺杂层连接有P极电极。

优选地，所述表面有源布拉格反射光栅、所述脊形波导列阵、所述多模干涉波导和所述超对称列阵波导设于所述P型包层和所述P型高掺杂层。

优选地，所述半导体PN结呈长条状；所述表面有源布拉格反射光栅、所述脊形波导列阵、所述多模干涉波导和所述超对称列阵波导的列向长度之和等于所述半导体PN结的长度。

优选地，所述脊形波导列阵和所述多模干涉波导二者的行向宽度均等于所述半导体PN结的宽度。

优选地，所述半导体PN结的长度方向的两端分别设有高反膜和抗反膜。

相对于上述背景技术，本发明所提供的半导体激光器包括半导体PN结、表面有源布拉格反射光栅、脊形波导列阵、多模干涉波导和超对称列阵波导。

该半导体激光器中，表面有源布拉格反射光栅、脊形波导列阵、多模干涉波导和超对称列阵波导四者设于半导体PN结且沿同列分布。其中，表面有源布拉格反射光栅设于脊形波导列阵的一端，与部分脊形波导列阵位置重合；多模干涉波导的一端紧邻脊形波导列阵的另一端，而超对称列阵波导则紧邻多模干涉波导的另一端。

该半导体激光器以表面有源布拉格光栅作为高反射光栅，向脊形波导列阵提供波长可调谐的单频激光；随后依次利用脊形波导列阵将单频、单模激光波增益放大，利用多模干涉波导进行相干耦合，利用超对称列阵波导对单频光波进行二次横向模式选择和增益，降低输出激光束发散角，提高器件光束质量，从而实现该半导体激光器向外界提供高功率、窄线宽、波长可调谐的高光束质量激光。

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为本发明实施例所提供的半导体激光器的结构示意图；

图2为图1的右视图；

图3为图1的前视图；

图4为图1的俯视图。

其中，2-表面有源布拉格反射光栅、3-脊形波导列阵、4-多模干涉波导、5-超对称列阵波导、51-第一超对称列阵波导、52-第二超对称列阵波导、6-空间调制结构、7-N型衬底层、8-N层包层、9-N型波导层、10-有源层、11-P型波导层、12-P型包层、13-P型高掺杂层。

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。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图4，图1为本发明实施例所提供的半导体激光器的结构示意图；图2为图1的右视图；图3为图1的前视图；图4为图1的俯视图。

本发明提供一种半导体激光器，包括半导体PN结，还包括设于半导体PN结的表面有源布拉格反射光栅2、脊形波导列阵3、多模干涉波导4和超对称列阵波导5。

该半导体激光器中，表面有源布拉格反射光栅2、脊形波导列阵3、多模干涉波导4和超对称列阵波导5沿同一列分布，简而言之，若视表面有源布拉格反射光栅2、脊形波导列阵3、多模干涉波导4和超对称列阵波导5四者为沿各自长度方向分布的线段，则前述四者位于同一直线上。

需要说明的是，本文中将用列向、行向表述该半导体激光器中各个结构的方位关系。列向即表面有源布拉格反射光栅2、脊形波导列阵3、多模干涉波导4和超对称列阵波导5四者的延伸和连接方向，行向与列向相互垂直。这一方位坐标同样可参考本发明在说明书附图中所建立的三维坐标系。其中，X轴等同于列向，Y轴等同于行向。

该半导体激光器中，表面有源布拉格反射光栅2设于脊形波导列阵3的一端，多模干涉波导4的一端紧邻脊形波导列阵3的另一端，超对称列阵波导5紧邻多模干涉波导4的另一端。可见，在该半导体激光器中，表面有源布拉格反射光栅2与位于端部的部分脊形波导列阵3重合，表面有源布拉格反射光栅2设于前述部分脊形波导列阵3的脊面。多模干涉波导4和超对称列阵波导5则依次邻接于脊形波导列阵3的另一端部。

其中，表面有源布拉格反射光栅2可采用i-line光刻或等离子刻蚀等技术刻制于脊形波导列阵3的脊面。通常，表面有源布拉格反射光栅2的行向宽度与脊形波导列阵3的行向宽度相同，表面有源布拉格反射光栅2的列向长度则取决于该半导体激光器的工作参数。同样，脊形波导列阵3、多模干涉波导4和超对称列阵波导5的具体几何参数均可根据该半导体激光器的工作参数设置。

针对本发明所提供的半导体激光器而言，其首先采用设于脊形波导列阵3的脊面上的表面有源布拉格反射光栅2提供单频激光束，该单频激光束具有单纵模和单横模的特性，其中单纵模特性有益于降低激光线宽；此外，表面有源布拉格反射光栅2还能够改变注入电流的大小，调节自身内部载流子的浓度，进而改变所在区域的有效折射率，实现自身布拉格波长的改变，达到激光的波长调谐目的。其次，前述单频激光束经由脊形波导列阵3传递至多模干涉波导4，由多模干涉波导4实现相干合束，提高激光功率，进而提高该半导体激光器的输出功率。最后，超对称列阵波导5对相干合束后的激光进行横向模式选择，以提高该半导体激光器向外输出的激光的光束质量；对相干合束后的激光进行耦合以提高增益，进而提高该半导体激光器向外输出的激光的功率。

目前的激光器产品常通过控制光波的横向模式来获得高光束质量激光输出，反而忽视光波的纵向模式选择和波长调谐的问题，导致高光束质量激光器呈多纵模激射，无法调谐波长，无法满足光学相控阵激光雷达的高性能激光源需求而言。相较之下，本发明所提供的半导体激光器利用表面有源布拉格反射光栅2、脊形波导列阵3、多模干涉波导4和超对称列阵波导5能够向外界提供波长可调谐、激光线宽更窄、光束质量更高的高功率激光，可应用于光学相控阵激光雷达等设备，满足此类设备对高性能激光源的需求。

下面结合附图和实施方式，对本发明所提供的半导体激光器做更进一步的说明。

在上述结构基础上，本发明所提供的半导体激光器中，多模干涉波导4内设有空间调制结构6，换言之，在该半导体激光器的列向上，空间调制结构6与多模干涉波导4的位置重合。

空间调制结构6结合多模干涉波导4可以满足并精确调控上述单频激光束在相干合束作业中的工作参数。至于空间调制结构6的具体构造，包括且不限于设置为若干个位于多模干涉波导4内的空腔。空腔可采用刻蚀的方式设置于多模干涉波导4内，简单来说，通过去除多模干涉波导4所在的导电性好层的局部特定位置，提高前述局部特定位置的界面电阻，令该处无法形成欧姆接触。以多模干涉波导4设于半导体PN结的高掺杂层为例，空腔可刻蚀于多模干涉波导4所在的高掺杂层的局部特定位置。空腔具体可以呈长方体、圆柱体以及其他特殊立体几何形状。可参考图1，图1中，多模干涉波导4内均匀分布有多个呈长方体状的空间调制结构6。

此外，空间调制结构还可以采用离子注入的方式提高多模干涉波导4所在的导电性好层在局部特定位置处的界面电阻，降低该局部特定位置的载流子注入浓度，达到折射率控制调节的目的。

针对本发明所采用的多模干涉波导4，可根据该半导体激光器对输出激光的性能需求设置为对称结构或非对称结构。以说明书附图所提供的具体结构为例，该多模干涉波导4设置为对称结构，其具有多个用以邻接于脊形波导列阵3的入口端和多个用以邻接于超对称列阵波导5的出口端。

该多模干涉波导4的多个入口端分别与脊形波导列阵3的多个脊面连接，因此，全部入口端可均布于该半导体激光器的行向，也就是图1所示的Y轴方向，同样，脊形波导列阵3的全部脊面同样均布于该半导体激光器的行向。

针对本发明所采用的超对称列阵波导5，可包括第一超对称列阵波导51和第二超对称波导。第一超对称列阵波导51和第二超对称列阵波导52均沿该半导体激光器的列向延伸，且二者设于该半导体激光器的同一列向位置并在该半导体激光器的行向上相邻。第一超对称列阵波导51用以实现激光增益，第二超对称列阵波导52用以实现激光损耗，二者共同实现激光的耦合，提高激光的功率。

至于本发明所采用的半导体PN结，也称之为器件外延片，其可包括分层铺设的N型衬底层7、N层包层8、N型波导层9、有源层10、P型波导层11、P型包层12和P型高掺杂层13，简而言之，该半导体PN结包括有源层10和分设于有源层10两侧的P层和N层。其中，该半导体PN结在N型衬底层7连接有N极电极，在P型高掺杂层13连接有P极电极。

其中，N极电极和P极电极可分别镀设于N型衬底层7的外表面和P型高掺杂层13的外表面。也就是说，P极电极可视为P极电极层，N极电极可设为N极电极层。

上述半导体PN结的材料体系可设置为InGaAs、InGaAsP、AlInGaAs、InP任意一种。相应地，该半导体激光器可向外界提供激光波长为1300～1600nm的激光。当然，半导体PN结的材料包括且不限于上述材料。

基于上述半导体PN结的具体结构，该半导体激光器中，表面有源布拉格反射光栅2、脊形波导列阵3、多模干涉波导4和超对称列阵波导5设于P型包层和P型高掺杂层13。换言之，表面有源布拉格反射光栅2、脊形波导列阵3、多模干涉波导4和超对称列阵波导5四者在图1所示的Z轴方向上，与该半导体激光器的P型包层和P型高掺杂型重合。

该半导体PN结可通过金属有机化合物气相沉积技术设置。表面有源布拉格光栅2采用i-line光刻或等离子刻蚀技术刻蚀至P型高掺杂层13或者仅刻蚀至P型包层。脊形波导列阵3、多模干涉波导4、超对称列阵波导5同样采用光刻或等离子刻蚀技术刻蚀至P型高掺杂层13。

其中，半导体PN结呈长条状；与之相应地，表面有源布拉格反射光栅2、脊形波导列阵3、多模干涉波导4和超对称列阵波导5四者的列向长度之和可等于半导体PN结的长度。至于脊形波导列阵3和多模干涉波导4二者的行向宽度，可均等于半导体PN结的宽度。

此外，该半导体激光器中，半导体PN结的长度方向的两端分别设有高反膜和抗反膜。其中，高反膜可设于靠近表面有源布拉格反射光栅2的一端，抗反膜可设于靠近超对称列阵波导5的一端。

采用上述结构设置的半导体激光器具有全表面图形制备、工艺简单、结构紧凑的优点。

综上，该半导体激光器以表面有源布拉格光栅作为高反射光栅，提供波长可调谐的单频激光；利用脊形波导列阵3将单频、单模激光波增益放大，同时利用具有空间调制结构6的多模干涉波导4将脊形波导列阵3传递的波长可调谐的激光进行相干耦合。最后，利用超对称列阵波导5对单频光波进行二次横向模式选择和增益，降低输出激光束发散角，提高器件光束质量，实现高功率、窄线宽、波长可调谐的高光束质量激光。

以上对本发明所提供的半导体激光器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种半导体激光器，其特征在于，包括半导体PN结和设于所述半导体PN结且沿同列分布的表面有源布拉格反射光栅(2)、脊形波导列阵(3)、多模干涉波导(4)和超对称列阵波导(5)；

所述表面有源布拉格反射光栅(2)设于所述脊形波导列阵(3)的一端的脊面上，所述多模干涉波导(4)的一端紧邻所述脊形波导列阵(3)的另一端，所述超对称列阵波导(5)紧邻所述多模干涉波导(4)的另一端；

所述表面有源布拉格反射光栅(2)的行向宽度与所述脊形波导列阵(3)的行向宽度相同；

所述脊形波导列阵(3)和所述多模干涉波导(4)二者的行向宽度均等于所述半导体PN结的宽度；

所述超对称列阵波导(5)包括用以实现激光增益的第一超对称列阵波导(51)和用以实现激光损耗的第二超对称列阵波导(52)；所述第一超对称列阵波导(51)和所述第二超对称列阵波导(52)并排设置。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述多模干涉波导(4)内设有用以实现激光相干合束的空间调制结构(6)。

3.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述空间调制结构(6)包括若干个刻蚀于所述多模干涉波导(4)、用以提高界面电阻的空腔。

4.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述多模干涉波导(4)包括多个用以连接所述脊形波导列阵(3)的入口端和多个用以连接所述超对称列阵波导(5)的出口端；全部所述入口端均布于所述脊形波导列阵(3)的一端。

5.根据权利要求1至4任一项所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体PN结包括分层铺设的N型衬底层(7)、N层包层(8)、N型波导层(9)、有源层(10)、P型波导层(11)、P型包层(12)和P型高掺杂层(13)；所述N型衬底层(7)连接有N极电极，所述P型高掺杂层(13)连接有P极电极。

6.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述表面有源布拉格反射光栅(2)、所述脊形波导列阵(3)、所述多模干涉波导(4)和所述超对称列阵波导(5)设于所述P型包层(12)和所述P型高掺杂层(13)。

7.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体PN结呈长条状；所述表面有源布拉格反射光栅(2)、所述脊形波导列阵(3)、所述多模干涉波导(4)和所述超对称列阵波导(5)的列向长度之和等于所述半导体PN结的长度。

8.根据权利要求7所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体PN结的长度方向的两端分别设有高反膜和抗反膜。

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