CN114094442A - 一种双波长量子级联半导体激光器芯片 - Google Patents

一种双波长量子级联半导体激光器芯片 Download PDF

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    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure

Abstract

本发明提供了一种双波长量子级联半导体激光器芯片，为带有双分布布拉格反射器的脊形波导耦合放大结构，包括：布拉格光栅一和布拉格光栅二，布拉格光栅一和布拉格光栅二之间通过脊形波导一联结，布拉格光栅二通过脊形波导二联结二级锥形功率放大结构，脊形波导二的发射光被单片耦合到二级锥形功率放大结构中；所述布拉格光栅一和布拉格光栅二激射波长分别为4.5μm、4.6μm。本发明利用双DBR通过脊形波导联结，实现双波长高功率、高光束质量的红外激射的机理；进而提高其近衍射极限输出功率和光谱稳定性。

Description

一种双波长量子级联半导体激光器芯片
技术领域
本发明涉及光电子芯片技术领域，具体涉及一种双波长量子级联半导体激光器芯片。
背景技术
定向红外对抗DIRCM(Directional Infrared Countermeasures)是一种专门针对红外制导导弹的导弹防御技术。它利用能量高度集中的红外激光束定向照射来袭导弹导引头的光电探测器，根据激光束功率密度的不同，可以制造干扰信号使导引头工作混乱而无法识别、锁定目标，或者使其探测器饱和而达到致眩、致盲的效果，甚至直接造成光电探测器的硬性损毁，最终使导引头无法继续向导弹提供跟踪目标的修正信号，造成导弹脱靶,达到保护飞行作战平台的目的。DIRCM系统要求激光波长在3μm～5μm波段范围内，平均功率达到十瓦至数十瓦量级，具有良好的光束质量、抗恶劣环境适应性以及较小的体积、重量和功耗。
现有双波长半导体激光器的波长大部分都为671nm、785nm和850nm波段，这类半导体激光器的输出功率较低，器件的输出光束质量较差。同时国内关于3μm～5μm波段范围内半导体激光器的研究十分有限，该波段的激光器主要依赖进口，价格昂贵的同时使用还受到国外的限制。
因此，如何提供一种3μm～5μm波段范围内双波长工作量子级联半导体激光器芯片结构是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种双波长量子级联半导体激光器芯片，使得单管发射双波长近衍射极限瓦级量子级联激光，采用传统上的采用多个激光器的合束，平均功率达到十瓦至数十瓦量级，可以满足红外对抗使用功率要求。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双波长量子级联半导体激光器芯片，为带有双分布布拉格反射器的脊形波导耦合放大结构，包括：布拉格光栅一和布拉格光栅二，布拉格光栅一和布拉格光栅二之间通过脊形波导一联结，布拉格光栅二通过脊形波导二联结二级锥形功率放大结构，脊形波导二的发射光被单片耦合到二级锥形功率放大结构中；所述布拉格光栅一和布拉格光栅二激射波长分别为4.5μm、4.6μm。
优选的，所述脊形波导一或脊形波导二采用马尔库塞的阶跃跃迁模型；根据脊形波导一或脊形波导二结构的最低阶局部正态模态与高阶模态之间的模态转换，得到式(1)，
Θ<λg/2W (1)，
其中，Θ是脊形波导一或脊形波导二沿着z方向波导的局部半角，λg是z方向任意坐标点z点处脊形波导一或脊形波导二中最低阶局域正态模的波长，W为z点处波导宽度；
波导结构中的阶跃矩形台阶的阶跃线两侧为侧面1和侧面0，侧面1处传出的正态模振幅Aj1与侧面0处入射的局部正态模振幅Aj0由(2)式联系起来
Aj1＝∑vcvjAv0 (2)，
Cvj为Aj0到Aj1的耦合系数，考虑跨一个台阶两侧模式之间的耦合，对于阶Cjj＝Cii＝1,Cjj＝-Cii＝CδW，其中Cjj为第j个台阶的两侧正态模式之间的耦合系数，Cii为第i个台阶的两侧局部正态模模式的耦合系数，由(1)推导出
Figure BDA0003347986100000021
Figure BDA0003347986100000022
Figure BDA0003347986100000023
Figure BDA0003347986100000024
Figure BDA0003347986100000025
βi、βj由模式色散关系给出，得到正态模振幅Aj、局部正态模振幅Ai沿z方向的变化情况。
优选的，利用最低阶模态的有效模态宽度Weff代替W实现模式耦合；其中Weff由(8)式给出，其中n1为波导折射率、n0为空气折射率、k为波矢，
Figure BDA0003347986100000031
优选的，二级锥形功率放大结构的角度根据从脊形波导二发射光的衍射来调整。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
与传统双波长激光芯片相比，该发明中的用于红外对抗的4.5μm、4.6μm双波长量子级联半导体激光器利用双DBR通过脊形波导联结，实现双波长高功率、高光束质量的红外激射的机理；进而提高其近衍射极限输出功率和光谱稳定性。采用2个波导结构和二级锥形放大结构设计可以实现光波低损耗传输以及更好的模式耦合。
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为本发明实施例提供的单片集成脊形波导双波长近衍射极限量子级联半导体激光器三维视图；
图2为本发明实施例提供的单片集成双波长近衍射极限量子级联半导体激光器脊形波导俯视图；
图3为本发明实施例提供的脊形波导局部半角示意图；
图4(a)为本发明实施例提供的脊形波导的台阶模型示意图；
图4(b)为本发明实施例提供的波导单步台阶由为W+δW的示意图；
图5为本发明实施例提供的波长近衍射极限半导体激光器的工作原理。
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。
本实施例通过单片集成分布布拉格反射器(DBR)半导体激光实现双波长近衍射极限单管瓦级输出。参见附图1，本实施例公开的单片集成脊形波导双波长近衍射极限量子级联半导体激光器三维视图，为带有双分布布拉格反射器(Dual-DBR)的脊形波导耦合放大结构的单片集成双波长近衍射极限半导体激光器，为了实现双波长输出，需要两个结构参数不同光栅。DBR1和DBR2即为两个结构参数不同布拉格光栅，其激射波长分别对应4.5μm、4.6μm。该波长的激光器可以应用军事领域。红外对抗红外制导导弹是目前发展最成熟、使用最广泛的导弹类型之一。军用运输机、预警机、直升机、民航客机等由于目标大、速度慢、红外特征明显等特点，很容易受到红外制导导弹威胁。DIRCM系统能大幅度提升各类型飞机的战场生存能力，因此一直是各国军事装备研究和发展的重点。
参见图2，本实施例的激光器芯片主要包含各个部分，第一部分是DBR1、DBR2光栅结构，第二部分为光栅对应的两个波导结构RW1、RW2，第三部分为二级锥形放大结构L1、L2。设计DBR结构以获得双波长输出；采用2个波导结构和二级锥形放大结构设计可以实现光波低损耗传输以及更好的模式耦合。
本实施例的激光器芯片由2个DBR光栅实现稳定的双波长输出，脊形波导(RW)的发射光被单片耦合到一个作为一个功率放大器锥形结构中，增益引导放大器的角度根据从脊形波导发射光的衍射来调整，这可以使得光波在保持脊状波导提供的横向单模轮廓的同时实现功率放大，光栅还作为附加的模式滤波器，提高了空间光束质量，由于采用了DBR光栅，只有在单模脊波导内传导的光被光栅反射才能耦合回锥形截面进行放大。通过两个DBR结构和二级锥形放大结构的结合以获得窄带，近衍射极限的发射。
为了获得低损耗光传导，必须进行绝热设计，换句话说，光波的低阶局部正态模通过波导结构传播的同时，其累积功率不会转移到高阶局部正态模中。我们的设计中既要保证光波在波导结构中绝热(低损耗)运行，又要将最低阶模式很好地限制在波导结构中，提出一个非常简单的设计规则来确保波导低损耗导波。
Θ<λg/2W(1)
考虑波导结构的最低阶局部正态模态与高阶模态之间的模态转换，可以得到式(1)，其中，如图3所示，Θ是波导沿着z方向波导的局部半角，λg是z方向任意坐标点z点处波导中最低阶局域正态模的波长，W为z点处波导宽度。为了理解由于波导宽度的变化而发生的耦合，我们可以使用马尔库塞的阶跃跃迁模型。如图4(a)示，波导轮廓可以由一系列小矩形台阶近似地逼近；如图4(b)所示，波导结构中的一个矩形台阶被分为侧面1和侧面0。
侧面1处传出的正态模振幅Aj1与侧面0处入射的局部正态模振幅Aj0由(2)式联系起来
Figure BDA0003347986100000057
Cvj为Aj0到Aj1的耦合系数，考虑跨一个台阶两侧模式之间的耦合，利用微积分的思想，将波导边缘结构细分成的无数小的台阶，对这些小台阶之间波的传播的相关参数进行数学推导。对于阶Cjj＝Cii＝1,Cjj＝-Cii＝CδW，其中Cjj为第j个台阶的两侧正态模式之间的耦合系数，Cii为第i个台阶的两侧局部正态模模式的耦合系数，由(1)推导出
Figure BDA0003347986100000051
Figure BDA0003347986100000052
Figure BDA0003347986100000053
Figure BDA0003347986100000054
Figure BDA0003347986100000055
βi、βj由模式色散关系给出，得到正态模振幅Aj、局部正态模振幅Ai沿z方向的变化情况。
由于以上均为W的函数，用最低阶模态的有效模态宽度Weff代替W，可以实现较好的模式耦合。其中Weff由(8)式给出，其中n1为波导折射率、n0为空气折射率、k为波矢。
Figure BDA0003347986100000056
双波长近衍射极限量子级联半导体激光器的工作原理如图5示，在DBR光栅中，布拉格频率的反射率是最强的，随着频率从布拉格频率偏离，反射率会迅速降低。图5(a)法布里-珀罗(Fabry-Perot)型半导体激光器在多模激光状态下工作的示意图，图5(b)为DBR反射光栅对激光模式具有选择性，只有满足布拉格反射条件的激光波长才可以激射；图5(c)是双波长DBR激光器工作原理图，通过使用两个光栅，分别对波长4.5μm、4.6μm的激光具有选择性，从而使得激光器具有双波长输出的特性。
本发明实现了单一芯片的高功率双波长输出，输出功率达到瓦级。光束质量因子(M2因子)小于1.3。
以上对本发明所提供的一种双波长量子级联半导体激光器芯片进行了详细介绍，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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种双波长量子级联半导体激光器芯片，其特征在于，为带有双分布布拉格反射器的脊形波导耦合放大结构，包括：布拉格光栅一和布拉格光栅二，布拉格光栅一和布拉格光栅二之间通过脊形波导一联结，布拉格光栅二通过脊形波导二联结二级锥形功率放大结构，脊形波导二的发射光被单片耦合到二级锥形功率放大结构中；所述布拉格光栅一和布拉格光栅二激射波长分别为4.5μm、4.6μm。
2.根据权利要求1所述的一种双波长量子级联半导体激光器芯片，其特征在于，所述脊形波导一或脊形波导二采用马尔库塞的阶跃跃迁模型；根据脊形波导一或脊形波导二结构的最低阶局部正态模态与高阶模态之间的模态转换，得到式(1)，
Θ<λg/2W (1)，
其中，Θ是脊形波导一或脊形波导二沿着z方向波导的局部半角，λg是z方向任意坐标点z点处脊形波导一或脊形波导二中最低阶局域正态模的波长，W为z点处波导宽度；
波导结构中的阶跃矩形台阶的阶跃线两侧为侧面1和侧面0，侧面1处传出的正态模振幅Aj1与侧面0处入射的局部正态模振幅Aj0由(2)式联系起来
Figure FDA0003347986090000011
Cvj为Aj0到Aj1的耦合系数，考虑跨一个台阶两侧正态模模式之间的耦合，对于阶Cjj＝Cii＝1,Cjj＝-Cii＝CδW，其中Cjj为第j个台阶的两侧正态模模式之间的耦合系数，Cii为第i个台阶的两侧局部正态模模式的耦合系数，由(1)推导出
Figure FDA0003347986090000012
Figure FDA0003347986090000013
Figure FDA0003347986090000014
Figure FDA0003347986090000015
Figure FDA0003347986090000016
βi、βj由模式色散关系给出，得到正态模振幅Aj、局部正态模振幅Ai沿z方向的变化情况。
3.根据权利要求2所述的一种双波长量子级联半导体激光器芯片，其特征在于，利用最低阶模态的有效模态宽度Weff代替W实现模式耦合；其中Weff由(8)式给出，其中n1为波导折射率、n0为空气折射率、k为波矢，
Figure FDA0003347986090000021
4.根据权利要求1所述的一种双波长量子级联半导体激光器芯片，其特征在于，二级锥形功率放大结构的角度根据从脊形波导二发射光的衍射来调整。
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