CN113328339B - 一种高功率分布反馈激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高功率分布反馈激光器，包括反射区、有源区和无源区，有源区、无源区和反射区内由下至上依次设置有下电极层、下波导盖层、无源波导层和上波导盖层，有源区的无源波导层和上波导盖层之间由下至上依次设置有有源层和有源波导层，有源波导层上设置有相移区，反射区和无源区一端设置有增透膜；上波导盖层上形成有脊波导结构，有源区内脊波导上由下至上依次设置有欧姆接触层和上电极层；有源层包括由下至上依次设置的下分别限制层、量子阱和上分别限制层，有源区的有源波导层和反射区的无源波导层均刻有布拉格光栅。反射区光栅可以精确控制相移，因而降低了器件的制作成本，提高了器件的边模抑制比。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别是涉及一种高功率分布反馈激光器。
背景技术
大功率、低相干强度噪声(RIN)的半导体激光器广泛应用在激光雷达系统、电子战、有线电视和自由空间光通信等领域。目前，大功率半导体激光器主要有两种方案：一种是分布式布拉格反射(Distributed Bragg Reflector,DBR)激光器(Aho A T,ViherialaJ,Virtanen H,et al.High Power 1.5μm Broad Area Laser Diodes WavelengthStabilized by Surface Gratings[J].IEEE Photonics Technology Letters,2018,30(21):1870-1873)，通过内含布拉格光栅来实现光的反馈，光栅区仅在激光器谐振腔的两侧或一侧，有源层上没有光栅；一种是分布反馈(Distributed Feedback,DFB)激光器(GarrodT,Brunet F,Galstad C,et al.High-power and high-efficiency distributedfeedback(DFB)lasers operating in the 1.4-1.6μm range for eye-safeapplications[J].Proceedings of SPIE-The International Society for OpticalEngineering,2013,8605)，也是通过内含布拉格光栅来实现光的反馈，但是分布反馈光栅直接在全腔长的有源层上形成，光栅长度与有源层长度一致。由于分布式布拉格反射激光器是通过改变光栅区的注入电流来实现调谐，这导致较大的谱线展宽，另外分布式布拉格反射激光器至少需要调节两个及以上的电极的电流，才能将激射波长固定下来，而且分布式布拉格反射激光器纵模的模式稳定性相对较差，极易出现跳模现象，激光器的腔长也较长，能达到数个毫米，不利于后续的封装。相较之下分布反馈激光器具有动态单纵模、窄线宽、低啁啾等特点，因而具有广泛的应用前景。
目前大功率分布反馈激光器主要采用均匀光栅，并在激光器两端面分别镀高反膜和增透膜(Faugeron M,Benazet B,Maho A,et al.High-performance DFB laser modulefor space applications:the FP7 HiPPO achievements from chip fabrication tosystem validation[C]//International Conference on Space Optics-ICSO 2019)，由于通过端面镀高反膜来提供有效的反馈，因此端面解理面位置相对于光栅的不确定性会带来一个随机的解理面相移，这会降低激射波长精确度，同时也降低激光器的边模抑制比，从而降低了器件的成品率。而传统的相移分布反馈激光器(Utaka,K,Akiba,et al.λ/4-shifted InGaAsP/InP DFB lasers[J].Quantum Electronics,IEEE Journal of,1986,22(7):1042-1051)其两端面都需要镀增透膜，由于两个端面不需要提供有效的反馈，因而消除了端面解理面位置的不确定性的影响，同时由于使用了传统的λB/4相移，光栅的反射峰值波长即是光栅的布拉格波长，也就是激光器的激射波长，因此激光器的激射波长精确度高。但是，这种激光器方案由于两端镀了增透膜，所以激光器的输出在两个端面是等功率的，而通常只有一端的光能输出耦合到光纤成为外界可用的功率，这会使激光器的输出功率损失一半。另外，为了获得更高的输出功率，其光栅的耦合系数会比普通的分布反馈激光器低(只有10cm-1左右)，以便提高激光器的饱和功率，这就导致传统的相移分布反馈激光器的阈值增益通常会非常高。
由于大功率激光器相比于传统分布反馈激光器输出功率要高出几个数量级，输出端面在吸收输出光后产生热量，温度升高，产生不可逆转的光学损伤，因此大功率激光器面临着输出端面光学损伤(catastrophic optical damage,COD)的问题。目前主要有如下几种办法来减小端面对光子的吸收以避免端面的退化：一种是对端面进行钝化处理(Improvement of catastrophic optical damage(COD)level for high-power 0.98-μmGaInAs-GaInP laser[J].Photonics Technology Letters,IEEE,1998,10(9):1226-1228)；一种是使用Si或者Zn等杂质来诱导无序晶格(impurity induced latticedisordering,IILD)形成窗口结构(Hiramoto K,Sagawa M,Kikawa T,et al.High-powerand highly reliable operation of Al-Free InGaAs-InGaAsP 0.98-μm lasers with awindow structure fabricated by Si ion implantation[J].IEEE Journal ofSelected Topics in Quantum Electronics,1999,5(3):817-821)作为输出端面；还有一种是使用无序无杂质空位(impurity free vacancy disordering,IFVD)技术(DallesasseJ M,Holonyak N.Native-oxide stripe-geometry AlxGa1xAs-GaAs quantum wellheterostructure lasers[J].Applied Physics Letters,1991,58(4):394-396)形成窗口结构作为输出端面。其中，端面钝化处理需要复杂的工艺；IILD由于存在有源杂质，可能会导致自由载流子吸收损耗和电流泄露；选择性区域生长可以用作无序量子阱的替代方法来形成窗口结构，但是这需要相对复杂的生长技术；IFVD技术对材料的生长技术也有着很高的要求。
总之，现有的单模大功率激光器存在边模抑制比低或者阈值增益高的问题，同时也面临着输出端面易出现光学损伤的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高功率分布反馈激光器，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种高功率分布反馈激光器，包括激光器，所述激光器纵向依次包括反射区、有源区和无源区，所述激光器横向由下至上依次设置有下电极层、衬底、下波导盖层、无源波导层和上波导盖层；
所述有源区内在无源波导层和上波导盖层之间由下至上依次设置有有源层和有源波导层，所述有源波导层刻有布拉格光栅；所述反射区的无源波导层刻有布拉格光栅，所述有源波导层包含有相移区，所述反射区和无源区远离所述有源区的一端均设置有增透膜。
优选的，所述上波导盖层上形成有脊波导结构，所述有源区内脊波导上由下至上依次设置有欧姆接触层和上电极层；所述有源层包括由下至上依次设置的下分别限制层、量子阱和上分别限制层
优选的，所述有源波导层的光场与所述有源波导层的布拉格光栅耦合系数小于50cm-1；所述无源波导层的光场与所述无源波导层的布拉格光栅耦合系数大于50cm-1。
优选的，所述有源波导层和无源波导层的布拉格光栅选用一阶布拉格光栅或者高阶光栅。
优选的，所述有源波导层和无源波导层的布拉格光栅具有相同或者不同的深度。
优选的，所述有源波导层的布拉格光栅包含一个或者多个λB/4的相移区；所述布拉格光栅的周期为Λ1＝m1λB/2neff1，其中λB和m1分别为光栅所对应的布拉格波长和级数，neff1为有源区波导的有效折射率。
优选的，所述有源层不掺杂，有源层含有多量子阱层，也可以采用量子点或者体材料作为有源介质，以及至少一个或多个分别限制层。
优选的，所述无源波导层的布拉格光栅的周期为Λ2＝m2λB/2neff2，其中λB和m2分别为光栅所对应的布拉格波长和级数，neff2为反射区波导的有效折射率。
优选的，所述下波导盖层为N型掺杂，其下可以有高掺杂的N欧姆接触层；所述上波导盖层为P型掺杂，其上可以有高掺杂的P欧姆接触层；所述上波导盖层、有源层和下波导盖层共同构成P-i-N结构。
优选的，所述激光器两端镀有增透膜，所述增透膜反射率小于1％。
优选的，所述无源区用于输出端面。
优选的，所述纵向为所述激光器的长度方向，所述横向为所述激光器的外延片生长方向。
本发明公开了以下技术效果：在有源区非输出一端引入带有布拉格光栅的反射区，能够提高激光器谐振腔的反馈，相当于在非输出一端镀有增反膜，因此可以减小阈值增益；同时反射区的反射由光栅提供，产生的反射相位可控，因此不会产生边模抑制比的降低和模式跳动；在有源区输出的一端引入一段无源区，由于无源区不含有吸收激射波长的材料，避免光学灾变损伤；同时整个激光器的端面只需要镀有增透膜，因此具有成本低、制作简便和成品率高等优点。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明激光器一个具体实例的结构示意图。
图2为本发明激光器一个具体实例的纵向截面图。
图3为本发明激光器一个具体实例的有源波导层到有源层距离和光栅刻蚀深度与光栅耦合系数的关系图。
图4为本发明激光器一个具体实例的反射区光栅刻蚀深度与光栅耦合系数的关系图。
图5为本发明激光器一个具体实例的腔内的载流子浓度分布。
图6为本发明激光器一个具体实例的腔内的光子浓度分布。
图7为本发明激光器一个具体实例的输出光功率随着输入电流的变化关系曲线。
其中，下电极层-1、欧姆接触层-2、下波导盖层-3、无源波导层-4、下分别限制层-5、量子阱-6、上分别限制层-7、有源层-8、有源波导层-9、未刻蚀层-10、脊层-11、上波导盖层-12、增透膜-13、相移区-14、反射区-15、有源区-16、无源区-17、上电极层-18。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种高功率分布反馈激光器，包括激光器，所述激光器纵向依次包括有反射区15、有源区16和无源区17，所述激光器横向由下至上依次设置有下电极层1、衬底、下波导盖层3、无源波导层4和上波导盖层12；
所述有源区16的无源波导层4和上波导盖层12之间由下至上依次设置有有源层8和有源波导层9，所述有源波导层9刻有布拉格光栅；所述反射区15的无源波导层4布拉格光栅，所述有源波导层9包含有相移区14，所述反射区15和无源区17远离所述有源区16的一端均设置有增透膜13。
进一步的，为使欧姆接触层2拥有足够的载流子，同时保证激光器的正常工作，欧姆接触层2和上波导盖层12为P型重掺杂，掺杂浓度范围为1019～1020cm-3，下波导盖层3为N型掺杂，有源层8不掺杂，上波导盖层12、有源层8和下波导盖层3共同构成P-i-N结构。
进一步的，有源层8中含有一个或者多个量子阱6，量子阱6可以是体材料、量子线和量子点。
进一步的，为保证激光器有足够的单模特性以及光栅对应的布拉格波长与谐振腔的谐振波长一致，有源区16部分的光栅制作在有源波导层9中，有源区16包含有相移区14，相移区14两端的光栅为同周期的均匀光栅。
进一步的，为了提高边模抑制比，避免激射波发生偏移，增加激光器的成品率，反射区15部分的光栅制作在无源波导层4，制作的光栅为同周期的均匀光栅，反射区15的光栅对应的布拉格波长与有源区16的光栅对应的布拉格波长相同。
进一步的，为避免发生光学灾变对激光器的损伤，在激光器输出端的一侧引入无源区17部分。
进一步的，为了减小刻蚀界面反射的影响，可以采用水平方向倾斜的刻蚀界面，避免刻蚀界面的反射对激光器性能的影响。
进一步的，为提高增透膜13的透光性，增透膜13的反射率小于1％。
进一步的，下波导盖层3与衬底之间可以有高掺杂的N欧姆接触层2，上波导盖层12上可以有高掺杂的P欧姆接触层2。
进一步的，所述无源区用于输出端面。
进一步的，通过调整有源区16光栅的刻蚀深度、有源波导层9材料折射率以及有源波导层9到有源层8的距离等参数来调整有源区16光栅的耦合系数；通过调整光栅的刻蚀深度、无源波导层4的材料折射率和厚度以及反射区15的长度来调整反射区15的反射率。
进一步的，根据说明书附图1和附图2左侧为半覆盖状态，右侧为全覆盖状态；反射区15位于有源区16长度方向的左端，无源区17位于有源区16长度方向的右端。
实施例：
图3为本发明一种高功率分布反馈激光器具体实施例下通过监测装置监测到有源波导层到有源层距离和光栅刻蚀深度与光栅耦合系数的关系图。通过本实施例可以发现相同的刻蚀深度下，有源波导层离有源区越近，耦合系数越大。对于大功率激光器来说，耦合系数与激光器腔长的乘积κ*L一般在1左右。
图4为反射区本发明一种高功率分布反馈激光器具体实施例下通过监测装置监测到反射区光栅刻蚀深度与光栅耦合系数的关系图。通过光栅的长度和光栅的耦合系数来调节。通过本实施例可以发现在耦合系数相同的情况下，光栅的长度越长，反射区的反射率越大；在光栅的长度相同的情况下，光栅的耦合系数越大，反射区的折射率越大。
图5和图6为本发明一种高功率分布反馈激光器具体实施例在注入电流1A下腔内的载流子浓度和光子浓度分布，通过本实施例可以看到光子和载流子在激光器腔内的分布式不均匀的，其中光子在相移处浓度最高，载流子浓度最低。由于反射区和无源区均未注入电流，载流子在反射区和无源区的浓度为0。由于反射区存在光栅，光子在反射区和无源区的分布也不同。
图7为本发明一种高功率分布反馈激光器具体实施例的输出功率随着输入电流的变化关系曲线，通过本实施例可以发现激光器的阈值电流在30mA左右，斜率效率为0.23W/A，所以该激光器可实现低阈值高斜率效率的性能。
本发明的反射区15部分的光栅制作在无源波导层4，制作的光栅为同周期的均匀光栅。反射区15的光栅对应的布拉格波长与有源区16的光栅对应的布拉格波长相同，反射区15的光栅的周期与有源区16的光栅的周期不同。通过反射区15的光栅引入的额外反馈代替传统的高反膜，由于光栅是通过高精度的制作方法加工而成，所以激光器的阈值增益降低，同时反射区15所产生的反射相位精确可控，不会导致边模抑制比的降低和激射波长的偏移，增加激光器的成品率。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种高功率分布反馈激光器，其特征在于，包括激光器，所述激光器纵向依次包括反射区(15)、有源区(16)和无源区(17)，所述激光器横向由下至上依次设置有下电极层(1)、衬底、下波导盖层(3)、无源波导层(4)和上波导盖层(12)；
所述有源区(16)的无源波导层(4)和上波导盖层(12)之间由下至上依次设置有有源层(8)和有源波导层(9)，所述有源波导层(9)刻有布拉格光栅；所述反射区(15)的无源波导层(4)刻有布拉格光栅，所述有源波导层(9)包含有相移区(14)，所述反射区(15)和无源区(17)远离所述有源区(16)的一端均设置有增透膜(13)；
所述上波导盖层(12)由下至上依次包括未刻蚀层(10)和脊层(11)；所述有源区内脊波导上由下至上依次设置有欧姆接触层(2)和上电极层(18)；所述有源层(8)包括由下至上依次设置的下分别限制层(5)、量子阱(6)和上分别限制层(7)，所述衬底、下波导盖层(3)、无源波导层(4)、未刻蚀层(10)、脊层(11)构成脊波导结构；
通过调整有源区(16)光栅的刻蚀深度、有源波导层(9)材料折射率以及有源波导层(9)到有源层(8)的距离来调整有源区(16)光栅的耦合系数；通过调整反射区光栅的刻蚀深度、无源波导层(4)的材料折射率和厚度以及反射区(15)的长度来调整反射区(15)的反射率。
2.根据权利要求1所述的一种高功率分布反馈激光器，其特征在于：所述有源波导层(9)的光场与所述有源波导层(9)的布拉格光栅耦合系数小于50cm-1；所述无源波导层(4)的光场与所述无源波导层(4)的布拉格光栅耦合系数大于50cm-1。
3.根据权利要求1所述的一种高功率分布反馈激光器，其特征在于：所述有源波导层(9)和无源波导层(4)的布拉格光栅选用一阶布拉格光栅或者高阶光栅；所述有源波导层(9)和无源波导层(4)的布拉格光栅具有相同或者不同的深度。
4.根据权利要求3所述的一种高功率分布反馈激光器，其特征在于：所述有源波导层(9)的布拉格光栅为一阶布拉格光栅时，所述有源波导层(9)的布拉格光栅包含一个或者多个λB/4的相移区(14)；所述布拉格光栅的周期为Λ1＝m1λB/2neff1，其中λB和m1分别为光栅所对应的布拉格波长和级数，neff1为有源波导层的有效折射率。
5.根据权利要求3所述的一种高功率分布反馈激光器，其特征在于：所述无源波导层(4)的布拉格光栅为一阶布拉格光栅时，所述无源波导层(4)的布拉格光栅的周期为Λ2＝m2λB/2neff2，其中λB和m2分别为光栅所对应的布拉格波长和级数，neff2为无源波导层的有效折射率。
6.根据权利要求1所述的一种高功率分布反馈激光器，其特征在于：所述下波导盖层(3)为N型掺杂，所述下波导盖层(3)与所述衬底之间有高掺杂的N欧姆接触层；所述上波导盖层(12)为P型掺杂，其上有高掺杂的P欧姆接触层；所述上波导盖层(12)、有源层(8)和下波导盖层(3)共同构成P-i-N结构。
7.根据权利要求1所述的一种高功率分布反馈激光器，其特征在于：所述激光器两端镀有增透膜(13)，所述增透膜(13)反射率小于1％。
8.根据权利要求1所述的一种高功率分布反馈激光器，其特征在于：所述纵向为所述激光器的长度方向，所述横向为所述激光器的外延片生长方向。
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Legal Events
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