CN113328336A - 一种反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片及使用方法，包括：集成在单一芯片上的同相超模选择结构、1/2泰伯距离波导、侧向光栅耦合脊形波导阵列、激光放大锥形波导阵列和边模抑制微结构；侧向光栅耦合脊形波导阵列出射的激光经1/2泰伯距离波导入射至同相超模选择结构中；经同相超模选择结构进行模式选择后，激光再反射回侧向光栅耦合脊形波导阵列内；在小电流激励下，复合谐振腔内优先起振同相模式，输出同相超模激光；同相超模激光入射至激光放大锥形波导阵列中进行功率放大，并在边模抑制微结构的作用下，输出窄线宽、高功率、同相超模的激光。

Description

一种反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片及使用方法
技术领域
本发明涉及半导体激光芯片技术领域，具体涉及一种反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片及使用方法。
背景技术
在外腔反馈高功率半导体激光器件中，采用单片集成技术一般用来获得相干的多个发光点激光输出。
但是其输出的光场模式不单一，在远场或者经过聚焦后能量不是很集中；尤其是在光纤耦合过程中，不能耦合进入芯径较小的光纤。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，为改善激光的远场分布，本发明提供一种反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片及使用方法，此芯片可以输出同相超模，使得在远场中能量集中于一个光场包络。
本发明公开了一种反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片，包括：集成在单一芯片上的同相超模选择结构、1/2泰伯距离波导、侧向光栅耦合脊形波导阵列、激光放大锥形波导阵列和边模抑制微结构；
所述同相超模选择结构设置在所述1/2泰伯距离波导的一侧，所述侧向光栅耦合脊形波导阵列设置在所述1/2泰伯距离波导的另一侧，三者共同构成复合谐振腔，用于输出同相超模激光；
所述激光放大锥形波导阵列的输入端与所述侧向光栅耦合脊形波导阵列的输出端对应相连，所述激光放大锥形波导阵列的输出端相连形成输出腔面，用于对同相超模激光进行功率放大；
所述激光放大锥形波导阵列的两侧设有边模抑制微结构，用于保证经激光放大锥形波导阵列放大后的激光模式仍为基横模；
基于所述同相超模选择结构、1/2泰伯距离波导、侧向光栅耦合脊形波导阵列、激光放大锥形波导阵列和边模抑制微结构，获得窄线宽、高功率、同相超模的激光输出。
作为本发明的进一步改进，所述同相超模选择结构是镀有周期性间隔排列的高反光学膜和高透光学膜的解理面，或者是间隔半周期的非公线侧向光栅耦合脊形波导阵列和镀有高反光学膜的解理面。
作为本发明的进一步改进，所述1/2泰伯距离波导为无刻蚀外延结构、重掺杂层刻蚀后的外延结构或重掺杂层和部分包层刻蚀后的外延结构。
作为本发明的进一步改进，在所述侧向光栅耦合脊形波导阵列中，脊形波导两侧的光栅深度为刻蚀包层的深度、刻蚀全部包层的深度或刻蚀部分波导层的深度。
作为本发明的进一步改进，在所述侧向光栅耦合脊形波导阵列中，脊形波导两侧的光栅为一阶布拉格光栅或高阶布拉格光栅。
作为本发明的进一步改进，所述1/2泰伯距离波导与所述侧向光栅耦合脊形波导阵列的连接部分为无刻蚀沟槽连接部分或制备有隔离沟槽的连接部分，所述侧向光栅耦合脊形波导阵列采用小电流激励。
作为本发明的进一步改进，所述激光放大锥形波导阵列为折射率导引波导结构或增益导引波导结构，所述激光放大锥形波导阵列的输出腔面镀高透射率光学膜，采用大电流激励，对所述侧向光栅耦合脊形波导阵列输出的同相超模激光进行功率放大。
作为本发明的进一步改进，所述侧向光栅耦合脊形波导阵列与激光放大锥形波导阵列的电流隔离沟槽为刻蚀了重掺层的结构或刻蚀了部分包层的结构。
作为本发明的进一步改进，所述边模抑制微结构为外延生长光子晶体结构、或具有不同折射率的光栅结构。
本发明还公开了一种反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片使用方法，包括：
所述侧向光栅耦合脊形波导阵列出射的激光经所述1/2泰伯距离波导入射至所述同相超模选择结构中；
经所述同相超模选择结构进行模式选择后，激光再反射回所述侧向光栅耦合脊形波导阵列内；
在小电流激励下，所述复合谐振腔内优先起振同相模式，输出同相超模激光；
所述同相超模激光入射至所述激光放大锥形波导阵列中进行功率放大，并在所述边模抑制微结构的作用下，输出窄线宽、高功率、同相超模的激光。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明将同相超模选择结构、1/2泰伯距离波导、侧向光栅耦合脊形波导阵列、激光放大锥形波导阵列和边模抑制微结构集成在单一芯片上，基于创新的光路结构布设，最终可获得窄线宽、高功率、同相超模激光输出。
附图说明
图1为本发明实施例1的反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片的结构示意图；
图2为本发明实施例2的反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片的结构示意图；
图3为本发明一种实施例公开的反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片使用方法的流程图。
图中：
1、同相超模选择结构；2、1/2泰伯距离波导；3、侧向光栅耦合脊形波导阵列；4、激光放大锥形波导阵列；5、边模抑制微结构；6、输出腔面。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1、2所示，本发明提供一种反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片，包括：集成在单一芯片上的同相超模选择结构1、1/2泰伯距离波导2、侧向光栅耦合脊形波导阵列3、激光放大锥形波导阵列4和边模抑制微结构5；具体的：
本发明的同相超模选择结构1设置在1/2泰伯距离波导2的一侧，侧向光栅耦合脊形波导阵列3设置在1/2泰伯距离波导2的另一侧，同相超模选择结构1、1/2泰伯距离波导2和侧向光栅耦合脊形波导阵列3共同构成复合谐振腔，用于输出同相超模激光。其中，
本发明的同相超模选择结构1是镀有周期性间隔排列的高反光学膜和高透光学膜的解理面，如图1所示；或者是间隔半周期的非公线侧向光栅耦合脊形波导阵列和镀有高反光学膜的解理面，如图2所示。
本发明的1/2泰伯距离波导2为无刻蚀外延结构、重掺杂层刻蚀后的外延结构或重掺杂层和部分包层刻蚀后的外延结构。
本发明的侧向光栅耦合脊形波导阵列3由数十个带有侧向光栅的脊形波导组成，每个脊形波导为窄条形波导，其可同时调制激光的纵向模式和横向模式；同时，侧向光栅耦合脊形波导阵列3采用小电流激励。其中，在侧向光栅耦合脊形波导阵列3中，脊形波导两侧的光栅深度为刻蚀包层的深度、刻蚀全部包层的深度或刻蚀部分波导层的深度，脊形波导两侧的光栅为一阶布拉格光栅或高阶布拉格光栅；1/2泰伯距离波导2与侧向光栅耦合脊形波导阵列3的连接部分为无刻蚀沟槽连接部分或制备有隔离沟槽的连接部分。
在复合谐振腔中，由侧向光栅耦合脊形波导阵列3出射的激光经1/2泰伯距离波导2在同相模式选择结构1上进行反射，再经过1/2泰伯距离波导2返回至侧向光栅耦合脊形波导阵列3输出端；在模式竞争中，由于同相超模选择结构1的存在和低电流激励的方式，同相超模激光在谐振腔内优先起振。
本发明的激光放大锥形波导阵列4的输入端与侧向光栅耦合脊形波导阵列3的输出端对应相连，激光放大锥形波导阵列4的输出端相连形成一个百微米级别的单一大尺寸输出腔面6，并在输出腔面6镀高透射率光学膜。其中，激光放大锥形波导阵列4采用大电流激励方式，对侧向光栅耦合脊形波导阵列3输出的同相超模激光进行功率放大。进一步，激光放大锥形波导阵列4 为折射率导引波导结构或增益导引波导结构。侧向光栅耦合脊形波导阵列3 与激光放大锥形波导阵列4的电流隔离沟槽为刻蚀了重掺层的结构或刻蚀了部分包层的结构。
本发明激光放大锥形波导阵列4由多个小锥角的锥形波导构成，相比于常规的单个高功率锥形激光器，本发明的激光放大锥形波导阵列4改善了注入电流的非均匀性，使得激光在放大过程中不会因为载流子浓度不同所造成的折射率差而发生光束质量恶化的现象；在复合腔中产生相位锁定的激光束经锥形放大器输出后仍是相位锁定的激光束，相比常规的单个高功率锥形激光器，其空间相干性和时间相干性会更好。
本发明在激光放大锥形波导阵列4的两侧设有边模抑制微结构5，用于抑制锥形波导进行功率放大时产生的高阶模式激光，保证经激光放大锥形波导阵列放大后的激光模式仍为基横模。进一步，边模抑制微结构5为外延生长光子晶体结构、或具有不同折射率的光栅结构。
本发明基于同相超模选择结构1、1/2泰伯距离波导2、侧向光栅耦合脊形波导阵列3、激光放大锥形波导阵列4和边模抑制微结构5，获得窄线宽、高功率、同相超模的激光输出。
基于此，本发明的所有结构共用同一波导结构，相比于常规外腔锁相的线阵列激光，芯片内的波导结构代替了外腔中的空气，在垂直结平面方向对光进行了微米级别的限制，使得光只能在平行于结平行方向进行衍射，减少了外腔锁相中快轴方向的准直，同时保证了光强。再者，常规线阵列激光外腔锁相的效率会受到Smile效应和光学镜片装调中光束指向性的影响，尤其是 Smile效应，现常规的半导体激光器Smile效应一般在0.7μm，而半导体激光外延结构中的波导厚度也是在微米量级，这对于外腔光注入是个极大的挑战；而在本发明的芯片中，所有结构共用同一波导结构，封装中产生的Smile效应对光注入的影响可忽略不计，若在只考虑输出激光相位的应用中，可在封装工艺中放大对Smile的要求，提升产品良品率。
如图3所示，本发明提供一种反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片使用方法，包括：
步骤1、侧向光栅耦合脊形波导阵列出射的激光经1/2泰伯距离波导入射至同相超模选择结构中；
步骤2、经同相超模选择结构进行模式选择后，激光再反射回侧向光栅耦合脊形波导阵列内；
步骤3、在小电流激励下，复合谐振腔内优先起振同相模式，输出同相超模激光；
步骤4、同相超模激光入射至激光放大锥形波导阵列中进行功率放大，并在边模抑制微结构的作用下，输出窄线宽、高功率、同相超模的激光。
实施例1：
如图1所示，本发明提供一种反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片，包括：集成在单一芯片上的同相超模选择结构1、1/2泰伯距离波导2、侧向光栅耦合脊形波导阵列3、激光放大锥形波导阵列4和边模抑制微结构5；其中，
同相超模选择结构1为周期性间隔镀高透射率光学膜和高反射率光学膜的腔面，侧向光栅耦合脊形波导阵列3由数十个带有侧向光栅的脊形波导组成，每个脊形波导为窄条形波导，可同时调制激光的纵向模式和横向模式；输出腔面6镀高透射率光学膜腔面。同相超模选择结构1的腔面高透射率光学膜中心与脊形波导中心共线；1/2泰伯距离波导2与同相超模选择结构1的腔面和侧向光栅耦合脊形波导阵列3左右相连形成复合谐振腔。在复合谐振腔中，由脊形波导阵列出射的激光经1/2泰伯距离波导在高反射率光学膜处进行反射，在模式竞争中出现同相超模；此时同相超模激光在高反光学膜处光场再现，在高透光学膜处无激光能量，使得复合谐振腔反馈信号最大，增强同相超模光场谐振。
激光放大锥形波导阵列4输入端与脊形波导阵列3输出端相连，激光放大锥形波导阵列4输出腔面相连形成一个大尺寸输出腔面6，并镀有高透射率光学膜；锥形波导阵列4采用大电流激励，对脊形波导阵列3输出的激光进行功率放大；边模抑制微结构5内建于锥形波导两侧，用来抑制锥形波导进行功率放大时产生的高阶模式激光，保证每个锥形波导放大后的激光束仍为基横模；最终，此芯片可以获得窄线宽、高功率、同相超模的激光输出。
实施例2：
如图2所示，本发明提供一种反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片，包括：集成在单一芯片上的同相超模选择结构1、1/2泰伯距离波导2、侧向光栅耦合脊形波导阵列3、激光放大锥形波导阵列4和边模抑制微结构5；其中，
同相超模选择结构1为均匀镀高反射率光学膜腔面和非共线的侧向光栅耦合脊形波导阵列组成，输出腔面6镀高透射率光学膜腔面；同相超模选择结构1中非共线的侧向光栅耦合脊形波导阵列与侧向光栅耦合脊形波导阵列3 相差1/2波导排列周期。
同相超模选择结构1中的腔面与侧向光栅耦合脊形波导3形成复合谐振腔。采用小电流对两阵列侧向光栅耦合脊形波导进行激励，同相超模选择结构1中的侧向光栅耦合脊形波导出射的激光束经1/2泰伯距离波导2传输至侧向光栅耦合脊形波导3。侧向光栅耦合脊形波导3出射的激光束经1/2泰伯距离波导2传输至同相超模选择结构1中的侧向光栅耦合脊形波导，两阵列波导形成交叉注入，实现同相模式激光锁定；由侧向光栅耦合脊形波导3向右出射的激光传输至激光功率放大锥形波导4，由锥形波导进行功率放大；锥形波导两侧的边模抑制微结构5可以消除功率放大过程中的高阶模光场，使得由锥形波导放大后的激光束也为单横模，最终锥形波导阵列输出同相超模激光束。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片，其特征在于，包括：集成在单一芯片上的同相超模选择结构、1/2泰伯距离波导、侧向光栅耦合脊形波导阵列、激光放大锥形波导阵列和边模抑制微结构；
所述同相超模选择结构设置在所述1/2泰伯距离波导的一侧，所述侧向光栅耦合脊形波导阵列设置在所述1/2泰伯距离波导的另一侧，三者共同构成复合谐振腔，用于输出同相超模激光；
所述激光放大锥形波导阵列的输入端与所述侧向光栅耦合脊形波导阵列的输出端对应相连，所述激光放大锥形波导阵列的输出端相连形成输出腔面，用于对同相超模激光进行功率放大；
所述激光放大锥形波导阵列的两侧设有边模抑制微结构，用于保证经激光放大锥形波导阵列放大后的激光模式仍为基横模；
基于所述同相超模选择结构、1/2泰伯距离波导、侧向光栅耦合脊形波导阵列、激光放大锥形波导阵列和边模抑制微结构，获得窄线宽、高功率、同相超模的激光输出。
2.如权利要求1所述的反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片，其特征在于，所述同相超模选择结构是镀有周期性间隔排列的高反光学膜和高透光学膜的解理面，或者是间隔半周期的非公线侧向光栅耦合脊形波导阵列和镀有高反光学膜的解理面。
3.如权利要求1所述的反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片，其特征在于，所述1/2泰伯距离波导为无刻蚀外延结构、重掺杂层刻蚀后的外延结构或重掺杂层和部分包层刻蚀后的外延结构。
4.如权利要求1所述的反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片，其特征在于，在所述侧向光栅耦合脊形波导阵列中，脊形波导两侧的光栅深度为刻蚀包层的深度、刻蚀全部包层的深度或刻蚀部分波导层的深度。
5.如权利要求1所述的反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片，其特征在于，在所述侧向光栅耦合脊形波导阵列中，脊形波导两侧的光栅为一阶布拉格光栅或高阶布拉格光栅。
6.如权利要求1所述的反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片，其特征在于，所述1/2泰伯距离波导与所述侧向光栅耦合脊形波导阵列的连接部分为无刻蚀沟槽连接部分或制备有隔离沟槽的连接部分，所述侧向光栅耦合脊形波导阵列采用小电流激励。
7.如权利要求1所述的反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片，其特征在于，所述激光放大锥形波导阵列为折射率导引波导结构或增益导引波导结构，所述激光放大锥形波导阵列的输出腔面镀高透射率光学膜，采用大电流激励，对所述侧向光栅耦合脊形波导阵列输出的同相超模激光进行功率放大。
8.如权利要求1所述的反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片，其特征在于，所述侧向光栅耦合脊形波导阵列与激光放大锥形波导阵列的电流隔离沟槽为刻蚀了重掺层的结构或刻蚀了部分包层的结构。
9.如权利要求1所述的反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片，其特征在于，所述边模抑制微结构为外延生长光子晶体结构、或具有不同折射率的光栅结构。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的反馈式窄线宽高功率半导体激光芯片使用方法，其特征在于，包括：
所述侧向光栅耦合脊形波导阵列出射的激光经所述1/2泰伯距离波导入射至所述同相超模选择结构中；
经所述同相超模选择结构进行模式选择后，激光再反射回所述侧向光栅耦合脊形波导阵列内；
在小电流激励下，所述复合谐振腔内优先起振同相模式，输出同相超模激光；
所述同相超模激光入射至所述激光放大锥形波导阵列中进行功率放大，并在所述边模抑制微结构的作用下，输出窄线宽、高功率、同相超模的激光。
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