CN112909737A - 一种双波长半导体激光器及太赫兹光泵浦 - Google Patents

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梁磊
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Abstract

本发明公开了一种双波长半导体激光器，包括单一周期高阶布拉格光栅、第一倾斜脊形波导、第二倾斜脊形波导及多模干涉波导；所述第一倾斜脊形波导及所述第二倾斜脊形波导的倾斜角不同；所述单一周期高阶布拉格光栅用于接收外部射入的激光源信号，并通过所述激光源信号得到待处理激光信号；所述第一倾斜脊形波导及所述第二倾斜脊形波导用于接收所述待处理激光信号，并分别得到第一目标激光信号及第二目标激光信号；所述多模干涉波导用于对所述第一目标激光信号及所述第二目标激光信号进行功率叠加耦合，得到目标双波长激光。本发明在生产制作中不需要改变光栅间距，简化了生产工艺，降低了生产成本。本发明还提供了一种具有上述优点的太赫兹光泵浦。

Description

一种双波长半导体激光器及太赫兹光泵浦
技术领域
本发明涉及太赫兹激光源领域，特别是涉及一种双波长半导体激光器及太赫兹光泵浦。
背景技术
双波长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、功率高、稳定双频激光输出、易于制备等优点，在波分复用、太赫兹波光源、光学遥感等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。现有双波长半导体激光器主要包括双段式分布反馈半导体激光器、Y型波导分布布拉格反射半导体激光器、双有源区半导体激光器、V型波导耦合腔半导体激光器、环形谐振腔半导体激光器等双波长频率选择单管半导体激光器件。
尽管上述双波长半导体激光器在提高输出功率、输出稳定双波长激光方面取得了很大的进步，但是目前各类型的列阵器件仍存在制备工艺复杂、成本高的问题。目前的双波长半导体激光器两条对应不同波长的波导路径对应的光栅结构不同，这就导致在光栅制作时工艺复杂，且制得成品的精度差、良品率低，变相增加生产成本。
因此，如何简化双波长半导体激光器的制备工艺，同时提升成品质量，降低成本是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双波长半导体激光器及太赫兹光泵浦，以解决现有技术中双波长半导体制备工艺复杂、成本较高的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种双波长半导体激光器，包括单一周期高阶布拉格光栅、第一倾斜脊形波导、第二倾斜脊形波导及多模干涉波导；
所述第一倾斜脊形波导及所述第二倾斜脊形波导的倾斜角不同；
所述单一周期高阶布拉格光栅用于接收外部射入的激光源信号，并通过所述激光源信号得到待处理激光信号；
所述第一倾斜脊形波导及所述第二倾斜脊形波导用于接收所述待处理激光信号，并分别得到第一目标激光信号及第二目标激光信号；
所述多模干涉波导用于对所述第一目标激光信号及所述第二目标激光信号进行功率叠加耦合，得到目标双波长激光。
可选地，在所述的双波长半导体激光器中，所述第一倾斜脊形波导的倾斜角为0度角。
可选地，在所述的双波长半导体激光器中，所述双波长半导体激光器还包括弯曲波导；
所述第一倾斜脊形波导及所述第二倾斜脊形波导通过所述弯曲波导连接所述多模干涉波导。
可选地，在所述的双波长半导体激光器中，所述第一目标激光信号及所述第二目标激光信号通过所述弯曲波导垂直射入所述多模干涉波导。
可选地，在所述的双波长半导体激光器中，所述第一目标激光信号及第二目标激光信号的波长差的范围为0.2纳米至10纳米，包括端点值。
可选地，在所述的双波长半导体激光器中，所述双波长半导体激光器的基体为砷化镓或铝镓砷或铟镓砷中至少一种。
可选地，在所述的双波长半导体激光器中，所述单一周期高阶布拉格光栅为通过i-line光刻刻蚀得到的光栅。
可选地，在所述的双波长半导体激光器中，所述第一倾斜脊形波导、第二倾斜脊形波导及多模干涉波导从下到上依次包括P型波导层、P型包层及P型高掺杂层。
可选地，在所述的双波长半导体激光器中，所述双波长半导体激光器两侧的沟道的底面位于所述双波长半导体激光器的N型衬底层。
一种太赫兹光泵浦，所述太赫兹光泵浦包括如上述任一种所述的双波长半导体激光器。
本发明所提供的双波长半导体激光器，包括单一周期高阶布拉格光栅、第一倾斜脊形波导、第二倾斜脊形波导及多模干涉波导；所述第一倾斜脊形波导及所述第二倾斜脊形波导的倾斜角不同；所述单一周期高阶布拉格光栅用于接收外部射入的激光源信号，并通过所述激光源信号得到待处理激光信号；所述第一倾斜脊形波导及所述第二倾斜脊形波导用于接收所述待处理激光信号，并分别得到第一目标激光信号及第二目标激光信号；所述多模干涉波导用于对所述第一目标激光信号及所述第二目标激光信号进行功率叠加耦合，得到目标双波长激光。
本发明通过单一周期高阶布拉格光栅得到不含杂波的单一波长的待处理激光信号，再通过两个倾斜角不同的倾斜脊形波导对待处理激光信号进行不同波长的增益放大，即可得到目标波长的两个目标激光信号，换句话说，由于本发明中的布拉格光栅为单一周期高阶布拉格光栅，因此在生产制作的过程中不需要反复改变光栅间距，大大简化了生产工艺，同时提升了成品激光器中布拉格光栅的均匀性与制作精度，提升了成品的良品率，进而降低了生产成本。本发明同时还提供了一种具有上述有益效果的太赫兹光泵浦。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明提供的双波长半导体激光器的一种具体实施方式的结构示意图；
图2至图4为本发明提供的双波长半导体激光器的另一种具体实施方式的立体结构示意图、正视图及俯视图；
图5为本发明提供的双波长半导体激光器的又一种具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
双段式分布反馈半导体激光器和Y型波导分布布拉格反射半导体激光器是通过在波导内部或表面制备不同周期的低阶布拉格光栅，实现双波长频率选择，获得双波长激光，但是低阶光栅的制备需要昂贵耗时的电子束曝光技术，大幅提高这两种激光器的制备成本，同时限制它们的大规模应用前景。
双有源区半导体激光器主要通过在外延芯片有源区层分两次生长不同组分的增益材料，形成两种不同带隙的量子阱，从而获得两种不同的波长输出的激光，这种激光器需要两次以上的外延生长过程，制备工艺复杂，成品率较低。
V型波导耦合腔半导体激光器通过两组深刻蚀沟槽连接的不同长度无源滤波波导和有源增益波导构建激光器的双臂，获得双波长激光输出，但深刻蚀沟槽可能引入一定的功率损耗，不易获得更高的输出功率。
环形谐振腔半导体激光器主要通过在脊形波导一侧构建不同直径的环形谐振腔，通过环形腔周长不同选择出特定波长激光，实现多波长激光输出，但其增益尺寸小，不易获得高功率输出。
上述传统的双波长半导体激光器主要通过不同周期的低阶光栅、不同长度的无源波导、不同直径的环形波导来实现双波长的选择，但受限于低阶光栅制备成本高、脊形波导增益体积小等缺点，无法满足太赫兹光泵浦等领域对低成本、高功率、双波长半导体激光的需求
为了使本技术领域的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。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。
本发明的核心是提供一种双波长半导体激光器，其一种具体实施方式的结构示意图如图1所示，称其为具体实施方式一，包括单一周期高阶布拉格光栅102、第一倾斜脊形波导103、第二倾斜脊形波导104及多模干涉波导107；
所述第一倾斜脊形波导103及所述第二倾斜脊形波导104的倾斜角不同；
所述单一周期高阶布拉格光栅102用于接收外部射入的激光源信号，并通过所述激光源信号得到待处理激光信号；
所述第一倾斜脊形波导103及所述第二倾斜脊形波导104用于接收所述待处理激光信号，并分别得到第一目标激光信号及第二目标激光信号；
所述多模干涉波导107用于对所述第一目标激光信号及所述第二目标激光信号进行功率叠加耦合，得到目标双波长激光。
本发明中的倾斜角指所述第一倾斜脊形波导103及所述第二倾斜脊形波导104的延伸方向，与激光器X方向的夹角，所述X方向指所述双波长半导体激光器反射面至出光面的方向。
本发明中单一周期高阶布拉格光栅102作为高反射选频光栅，利用倾斜脊形波导的倾斜角不同(假设第一倾斜脊形波导103和第二倾斜脊形波导104的倾斜角角分别为a和b)，改变各波导中光栅的布拉格波长(第一倾斜脊形波导103和第二倾斜脊形波导104的布拉格波长由无倾角的λB改变为λB/cos(a)和λB/cos(b))，选取两个不同波长(λB/cos(a)和λB/cos(b))的激光；利用第一倾斜脊形波导103和第二倾斜脊形波导104，分别将两路不同波长的激光进行增益放大；利用弯曲波导，将两路不同波长激光无损耗的耦合进入多模干涉波导107；最后，利用多模干涉波导107将两种不同波长的激光进行功率叠加耦合，同时进行二次增益放大，获得高功率输出的稳定双波长半导体激光器。
其中，所述第一目标激光信号及第二目标激光信号的波长差的范围为0.2纳米至10纳米，包括端点值，如0.20纳米、5.02纳米或10.0纳米中任一个。
需要注意的是，参考图1中的所述双波长半导体激光器，所述单一周期高阶布拉格光栅102分成两部分，分别对应所述第一倾斜脊形波导103及所述第二倾斜脊形波导104，当然，也可选用同一单一周期高阶布拉格光栅102接两倾斜脊形波导，可根据实际情况做相应调整。
作为一种优选实施方式，所述双波长半导体激光器的基体为砷化镓或铝镓砷或铟镓砷中至少一种，本发明的结构能很好地调控太赫兹波段的激光，而该波段采用砷化镓/铝镓砷/铟镓砷体系的半导体材料能增强调制效果。
另外，所述单一周期高阶布拉格光栅102为通过i-line光刻刻蚀得到的光栅，采用i-line光刻精度更高，同时对设备要求较低，具有较高的普适性，需要注意的是，本发明中的高阶布拉格光栅除了i-line光刻外还可经过其他步骤处理，如等离子刻蚀技术等。
作为一种优选实施方式，所述双波长半导体激光器还包括弯曲波导，其结构示意图如图2所示；
所述第一倾斜脊形波导103及所述第二倾斜脊形波导104通过所述弯曲波导连接所述多模干涉波导107。
在上述具体实施方式中，利用所述弯曲波导将两个目标激光信号引导至所述多模干涉模型中，降低光波入射到所述多模干涉波导107的散射损耗；最后，利用所述多模干涉波导107将目标激光信号叠加耦合，提高器件的输出功率，实现结构简单、易于制备的高功率双波长半导体激光器。
更进一步地，所述第一目标激光信号及所述第二目标激光信号通过所述弯曲波导垂直射入所述多模干涉波导107，使所述第一目标激光信号及所述第二目标激光信号相互平行，导致两者间的计算更简单，耦合更精确。
请见图2至图4，图2为本发明提供的双波长半导体激光器的立体结构图，图3为对应的正视图，图4为对应的俯视图，画出了激光器的外延层结构，图中的具体实施方式的双波长半导体激光器从下至上依次包括N面金属电极209、N型衬底、N型包层207、N型波导层206、有源区、P型波导层204、P型包层203、P型高掺杂盖层、P面金属电极201，其中，图中通过两个独立的弯曲波105及106导分别连接所述第一倾斜脊形波导103及所述第二倾斜脊形波导104。
作为一种具体实施方式，所述第一倾斜脊形波导103、第二倾斜脊形波导104及多模干涉波导107从下到上依次包括P型波导层204、P型包层203及P型高掺杂层202。
另外，所述双波长半导体激光器两侧的沟道的底面位于所述双波长半导体激光器的N型衬底层208。
图2作为一种具体实施方式，其制作流程包括：本实施例中，材料体系为GaAs/AlGaAs/InGaAs，激光波长780-1060nm，但不限于上述材料和激光波长。单片集成结构为单一周期高阶布拉格光栅102、第一倾斜脊形波导103、第二倾斜脊形波导104、弯曲波导、多模干涉波导107组成。器件外延片是通过金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术生长在N型掺杂的GaAs衬底上，基本外延结构由下至上依次包括N型GaAs外延衬底，N型包层207，N型光波导层，量子阱或量子点有源层205，P型光波导层，P型包层203和P面高掺杂盖层。首先，采用i-line光刻和等离子刻蚀技术制作单一周期高阶布拉格光栅102，刻蚀到P型光波导层或者P型包层203。接着采用光刻和等离子刻蚀技术制作深刻蚀沟道，刻蚀到N型衬底层208，作为多模干涉波导107的侧壁，与未刻蚀区域形成较大折射率差(约2.5左右)，将多模干涉波导107的X方向长度减少至400-500微米量级，同时保证多模干涉波导107中两种波长光模式的自镜像位置重叠在同一位置，形成功率叠加耦合。接着采用光刻和等离子刻蚀技术同时制作倾斜脊形波导、弯曲波导、多模干涉波导107，刻蚀到P型光波导层。接着制作P面金属电极201，再经过衬底减薄，镀激光器N面金属电极209，在半导体激光器左侧，单一周期高阶布拉格光栅102的端面镀高反膜101，在半导体激光器右侧，多模干涉波导107的端面镀抗反膜108(所述高反膜101及所述抗反膜108由于会遮挡外延层结构，因此在图2中未画出，可参考图3与图4)，整个器件制作完成。其具有全表面图形制备，工艺简单，结构紧凑的优点。
本发明所提供的双波长半导体激光器，包括单一周期高阶布拉格光栅102、第一倾斜脊形波导103、第二倾斜脊形波导104及多模干涉波导107；所述第一倾斜脊形波导103及所述第二倾斜脊形波导104的倾斜角不同；所述单一周期高阶布拉格光栅102用于接收外部射入的激光源信号，并通过所述激光源信号得到待处理激光信号；所述第一倾斜脊形波导103及所述第二倾斜脊形波导104用于接收所述待处理激光信号，并分别得到第一目标激光信号及第二目标激光信号；所述多模干涉波导107用于对所述第一目标激光信号及所述第二目标激光信号进行功率叠加耦合，得到目标双波长激光。本发明通过单一周期高阶布拉格光栅102得到不含杂波的单一波长的待处理激光信号，再通过两个倾斜角不同的倾斜脊形波导对待处理激光信号进行不同波长的增益放大，即可得到目标波长的两个目标激光信号，换句话说，由于本发明中的布拉格光栅为单一周期高阶布拉格光栅102，因此在生产制作的过程中不需要反复改变光栅间距，大大简化了生产工艺，同时提升了成品激光器中布拉格光栅的均匀性与制作精度，提升了成品的良品率，进而降低了生产成本。
在具体实施方式一的基础上，进一步对其中一条倾斜脊形波导的倾斜角做限定，得到具体实施方式二，其结构示意图如图5所示，包括单一周期高阶布拉格光栅102、第一倾斜脊形波导103、第二倾斜脊形波导104及多模干涉波导107；
所述第一倾斜脊形波导103及所述第二倾斜脊形波导104的倾斜角不同；
所述单一周期高阶布拉格光栅102用于接收外部射入的激光源信号，并通过所述激光源信号得到待处理激光信号；
所述第一倾斜脊形波导103及所述第二倾斜脊形波导104用于接收所述待处理激光信号，并分别得到第一目标激光信号及第二目标激光信号；
所述多模干涉波导107用于对所述第一目标激光信号及所述第二目标激光信号进行功率叠加耦合，得到目标双波长激光；
所述第一倾斜脊形波导103的倾斜角为0度角。
本具体实施方式中将所述第一倾斜脊形波导103的倾斜角设置为0度，也就是说，经过所述单一周期高阶布拉格光栅102筛选后的待处理激光信号即为所述第一目标激光信号，不再需要进一步改变波长，因此在所述第一倾斜脊形波导103中传递的过程中无损耗，即可进一步提高激光器的输出功率。
本发明同时还提供了一种太赫兹光泵浦，所述太赫兹光泵浦包括如上述任一种所述的双波长半导体激光器。本发明所提供的双波长半导体激光器，包括单一周期高阶布拉格光栅102、第一倾斜脊形波导103、第二倾斜脊形波导104及多模干涉波导107；所述第一倾斜脊形波导103及所述第二倾斜脊形波导104的倾斜角不同；所述单一周期高阶布拉格光栅102用于接收外部射入的激光源信号，并通过所述激光源信号得到待处理激光信号；所述第一倾斜脊形波导103及所述第二倾斜脊形波导104用于接收所述待处理激光信号，并分别得到第一目标激光信号及第二目标激光信号；所述多模干涉波导107用于对所述第一目标激光信号及所述第二目标激光信号进行功率叠加耦合，得到目标双波长激光。本发明通过单一周期高阶布拉格光栅102得到不含杂波的单一波长的待处理激光信号，再通过两个倾斜角不同的倾斜脊形波导对待处理激光信号进行不同波长的增益放大，即可得到目标波长的两个目标激光信号，换句话说，由于本发明中的布拉格光栅为单一周期高阶布拉格光栅102，因此在生产制作的过程中不需要反复改变光栅间距，大大简化了生产工艺，同时提升了成品激光器中布拉格光栅的均匀性与制作精度，提升了成品的良品率，进而降低了生产成本。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物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、物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、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的双波长半导体激光器及太赫兹光泵浦进行了详细介绍。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 (10)

1.一种双波长半导体激光器，其特征在于，包括单一周期高阶布拉格光栅、第一倾斜脊形波导、第二倾斜脊形波导及多模干涉波导；
所述第一倾斜脊形波导及所述第二倾斜脊形波导的倾斜角不同；
所述单一周期高阶布拉格光栅用于接收外部射入的激光源信号，并通过所述激光源信号得到待处理激光信号；
所述第一倾斜脊形波导及所述第二倾斜脊形波导用于接收所述待处理激光信号，并分别得到第一目标激光信号及第二目标激光信号；
所述多模干涉波导用于对所述第一目标激光信号及所述第二目标激光信号进行功率叠加耦合，得到目标双波长激光。
2.如权利要求1所述的双波长半导体激光器，其特征在于，所述第一倾斜脊形波导的倾斜角为0度角。
3.如权利要求1所述的双波长半导体激光器，其特征在于，所述双波长半导体激光器还包括弯曲波导；
所述第一倾斜脊形波导及所述第二倾斜脊形波导通过所述弯曲波导连接所述多模干涉波导。
4.如权利要求3所述的双波长半导体激光器，其特征在于，所述第一目标激光信号及所述第二目标激光信号通过所述弯曲波导垂直射入所述多模干涉波导。
5.如权利要求1所述的双波长半导体激光器，其特征在于，所述第一目标激光信号及第二目标激光信号的波长差的范围为0.2纳米至10纳米，包括端点值。
6.如权利要求1所述的双波长半导体激光器，其特征在于，所述双波长半导体激光器的基体为砷化镓或铝镓砷或铟镓砷中至少一种。
7.如权利要求1所述的双波长半导体激光器，其特征在于，所述单一周期高阶布拉格光栅为通过i-line光刻刻蚀得到的光栅。
8.如权利要求1所述的双波长半导体激光器，其特征在于，所述第一倾斜脊形波导、第二倾斜脊形波导及多模干涉波导从下到上依次包括P型波导层、P型包层及P型高掺杂层。
9.如权利要求1所述的双波长半导体激光器，其特征在于，所述双波长半导体激光器两侧的沟道的底面位于所述双波长半导体激光器的N型衬底层。
10.一种太赫兹光泵浦，其特征在于，所述太赫兹光泵浦包括如权利要求1至9任一项所述的双波长半导体激光器。
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