CN115173220A - 一种多波长激光列阵器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多波长激光列阵器件及其制备方法，包括外延片以及波导光栅结构，外延片包括复合层；复合层包括P型波导层、P型包层、P型高掺杂盖层和P面金属电极；沿外延片的长度方向在复合层上蚀刻有多个阵列排布的波导光栅结构，相邻的两个波导光栅结构按照第一间距平行设置，第一间距沿外延片的长度方向由中心向两端按照第一预设梯度逐渐增大；或者，在复合层上蚀刻出多个阵列排布的波导光栅结构组，通过合理设计各个波导光栅结构之间的间距和排布，构建由中间向两侧的各个波导光栅结构之间第一间距逐渐增大的非对称分布设计，实现稳定的多波长激光，降低了激光器的加工工艺难度或者复杂度。

Description

一种多波长激光列阵器件及其制备方法

技术领域

本申请涉及激光器制造技术领域，具体涉及一种多波长激光器列阵及其制备方法。

背景技术

半导体激光列阵是利用半导体材料作为增益介质，依靠多个激光发射单元获得高功率输出的激光器件，具有输出功率高、电光转换效率高、光谱线宽窄、可直接电泵浦等优势，在光通信、激光探测等领域具有广泛的应用前景。其中波分复用光通信技术是将多个波长的窄线宽激光传输到同一个光纤中，提高单根光纤的传输容量，实现大容量的光纤通信技术。光纤通信领域对激光光源的稳定性、可靠性以及成本都有着严格的要求和标准，因此单片集成的多波长半导体激光列阵是波分复用技术的理想光源。

现有的多波长半导体激光器主要包括基于外腔结构的多波长半导体激光器、基于取样光栅的多波长半导体激光列阵、基于不同增益材料的多波长半导体激光列阵、基于特殊波导结构的多波长半导体激光器等多波长半导体激光器。

例如，基于不同增益材料的多波长半导体激光列阵(专利号200610110844.7、200610163717.3)，通过在单一外延衬底上分区域生长材料种类或组分不同的活性区结构，包括量子阱、量子点等，利用不同区域有源增益材料的带隙宽度不同，实现多波长的激光输出，但是分区域外延技术严重依赖二次外延工艺，将增加激光器的制备成本，同时面临良品率低的问题。基于特殊波导结构的多波长半导体激光器(专利号201210001596.8、201510279636.9、201610806749.4)，利用非常规的波导结构，如环形波导、光子桥波导、脊宽不同的脊形波导列阵等，通过合理设计波导结构参数，选择出频率不同的光模式，实现多波长的激光输出，但是上述技术会引入额外的光损耗，降低器件的整体电光转换效率，不易实现高功率的激光输出。

常规的多波长半导体激光器，一般采用基于二次外延的取样光栅、分区域外延或者复杂的外腔选频技术实现多波长激光输出，这就导致输出功率受限或者工艺复杂、成本高昂等问题出现，上述问题严重影响多波长模块在光通信领域的应用前景。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术中的缺陷，本申请提供了一种多波长激光相干列阵器及其制备方法，解决了现有技术中多波长半导体激光器输出功率受限且工艺复杂的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下具体技术方案：

在第一方面，本发明提供了一种多波长激光相干列阵器，包括外延片以及波导光栅结构，外延片沿其高度方向自下而上依次包括N面金属电极、N型衬底、N型包层、N型波导层、有源区、复合层；复合层包括P型波导层、P型包层、P型高掺杂盖层和P面金属电极；

沿外延片的长度方向在复合层上蚀刻有多个阵列排布的波导光栅结构，相邻的两个波导光栅结构按照第一间距平行设置，第一间距沿外延片的长度方向由中心向两端按照第一预设梯度逐渐增大，波导光栅结构用于增益放大并反射激光束，从而获得多波长激光；

或者，沿外延片的长度方向在复合层上蚀刻有多个阵列排布的波导光栅结构组，每个波导光栅结构组内包括至少两个波导光栅结构，相同的波导光栅结构组内相邻的两个波导光栅结构按照第二间距设置，第二间距沿外延片的长度方向由中心向两端按照第二预设梯度逐渐增大。

在一些实施例中，第二预设梯度的变化范围为10-500μm。

在另一些实施例中，第一预设梯度的变化范围为10-500μm。

在一些实施例中，波导光栅结构包括光栅模块以及波导单元，光栅模块与波导单元沿外延片的宽度方向相邻设置；波导单元用于将激光束进行增益放大，光栅模块用于反射增益放大后的激光束，使光栅反射谱峰值波长与同一激光单元的增益谱峰值波长相匹配，从而获得多波长激光。

在一些实施例中，光栅模块包括多个周期排布的光栅结构，每一光栅结构包括一个光栅单元和与该光栅单元相邻的光栅槽，各个波导光栅结构中的光栅结构的宽度相同；同一波导光栅结构中的各个光栅槽的宽度相同，不同的波导光栅结构中的光栅结构包含的光栅槽的宽度沿所述外延片长度方向上由中心向两端按照第三预设梯度逐渐增大；或者，同一波导光栅结构组内的各个光栅槽的宽度相同，不同的波导光栅结构组中的光栅结构包含的光栅槽的宽度沿所述外延片的长度方向上由中心向两端按照第三预设梯度逐渐增大。在一些实施例中，第三预设梯度的变化范围为0.99-0.5占空比。

在一些实施例中，还包括高反膜以及抗反膜，高反膜设置在光栅模块的外侧端面；抗反膜设置在波导单元的外侧端面。

在一些实施例中，波导单元为脊形波导。

在第二方面，本发明还提供了一种多波长激光相干列阵器的制造方法，该多波长激光相干列阵器为本发明第一方面所涉及的多波长激光相干列阵器，该制造方法包括：

将金属有机化合物利用气相沉积技术生长在N型掺杂的InP衬底上；

在N型InP衬底上方，依次制备N型包层、N型光波导层、量子阱或量子点有源层、复合层，以形成外延片；

在外延片的底部镀有N型电极，在外延片的顶部镀有P型金属电极，复合层包括P型金属电极；

沿外延片的长度方向在复合层上蚀刻出多个阵列排布的波导光栅结构，或者，沿外延片的长度方向在复合层上蚀刻出多个阵列排布的波导光栅结构组。

在一些实施例中，波导光栅结构组包括多个波导光栅结构，波导光栅结构包括光栅模块以及波导单元，光栅模块与波导单元沿外延片的宽度方向相邻设置，光栅模块包括多个单一周期的光栅单元；在光栅模块的外侧端面电镀高反膜；在波导单元的外侧端面电镀抗反膜。

本发明能够取得以下技术效果：

本发明采用基于变间距波导光栅结构的多波长激光选频技术方案，通过合理设计各个波导光栅结构之间的间距和排布，构建由中间向两侧的各个波导光栅结构之间第一间距逐渐增大的非对称分布设计，利用连续工作时各个波导光栅结构必然出现的由自热效应和热串扰引起的有源区结温变化和差异，获得各波导光栅结构的增益谱峰值波长由中心向两侧逐渐减小的趋势(即蓝移)，实现稳定的多波长激光，同时提高激光列阵的输出功率和电光转换效率。并且，仅利用单片激光器即可获得多波长激光，不需要额外配备其他设备，节省成本的同时降低了激光器的加工工艺。

附图说明

图1为具体实施方式所述具有波导光栅结构的多波长激光相干列阵器示意图；

图2为具体实施方式所述具有波导光栅结构的多波长激光相干列阵器俯视图；

图3为图2中A向剖面示意图；

图4为具体实施方式所述具有波导光栅结构的多波长激光相干列阵器正视图；

图5为图4中B向局部放大图；

图6为具体实施方式所述具有波导光栅结构组的多波长激光相干列阵器示意图；

图7为具体实施方式所述具有波导光栅结构组的多波长激光相干列阵器正视图；

图8为具体实施方式所述具有波导光栅结构组的多波长激光相干列阵器俯视图；

图9为具体实施方式所述制备多波长激光相干列阵器的方法步骤图；

图10为图2中C处局部放大图。

附图标记：

1、波导光栅结构；

11、光栅模块；

101、光栅结构；

111、光栅单元；

112、光栅槽；

12、波导单元；

13、第一间距；

14、第一波导光栅结构；

15、第二波导光栅结构；

16、第九波导光栅结构；

17、第十波导光栅结构；

2、波导光栅结构组；

21、第二间距；

22、第一波导光栅结构组；

23、第三波导光栅结构组；

3、外延片；

31、高反膜；

32、抗反膜；

331、P面金属电极；

332、P型高掺杂盖层；

333、P型包层；

334、P型波导层；

34、有源层；

35、N型波导层；

36、N型包层；

37、N型衬底；

38、N面金属电极；

D、光栅结构的宽度；

D1、光栅槽的宽度；

D2、光栅单元的宽度。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明提供了一种多波长激光相干列阵器，包括外延片3以及波导光栅结构1，外延片3沿其高度方向自下而上依次包括N面金属电极38、N型衬底37、N型包层36、N型波导层35、有源区34、复合层；复合层包括P型波导层334、P型包层333、P型高掺杂盖层332和P面金属电极331；沿外延片3的长度方向在复合层上蚀刻有多个阵列排布的波导光栅结构1，相邻的两个波导光栅结构1按照第一间距13平行设置，第一间距13沿外延片3的长度方向由中心向两端按照第一预设梯度逐渐增大，波导光栅结构1用于增益放大并反射激光束，从而获得多波长激光。

或者，沿外延片3的长度方向在复合层上蚀刻有多个阵列排布的波导光栅结构组2，每个波导光栅结构组2内包括至少两个波导光栅结构1，相同的波导光栅结构组2内相邻的两个波导光栅结构1按照第二间距21设置，第二间距21沿外延片3的长度方向由中心向两端按照第二预设梯度逐渐增大。

请参阅图1，图中x方向对应外延片3的长度方向，y方向对应外延片3的宽度方向，z方向对应外延片3的高度方向，后文所述的x、y、z方向均适用于上述规定。

外延片3就是在衬底上做好外延层的激光芯片，通过合理选用外延片3的制作材料，再对外延片3进行加工，能够获得特定波长范围内的激光。在本实施例中，外延片3可以采用InP/InGaAsP材料制作衬底，参考图5，沿z方向自下而上依次包括N面金属电极38、N型衬底37、N型包层36、N型波导层35、有源区、复合层；复合层包括P型波导层334、P型包层333、P型高掺杂盖层332和P面金属电极331。

在x方向上，利用蚀刻工艺在复合层上加工出多个阵列排布的波导光栅结构1，具体如图1至图4所示，波导光栅结构1为柱状外形，且与y轴平行。在一些优选的实施例中，波导光栅结构1可以包含脊形波导和光栅结构。

相邻的两个波导光栅结构1按照第一间距13平行设置，第一间距13沿x方向由外延片3的中心向两端按照第一预设梯度逐渐增大，此处外延片3的中心为外延片3的长度方向的中点处，由中心向两端表示外延片3长度方向上的中点处向外延片3的两端部方向，如图4中箭头所示。

第一预设梯度表示第一间距13的变化差值，在一些实施例中，第一预设梯度只需要确保为正值即可。

在另一些优选的实施例中，第一预设梯度与第一间距13的具体数值以及第一间距13的数量有关，例如，请参考图4靠近中心处的第一波导光栅结构14与第二波导光栅结构15之间的第一间距13尺寸为20μm，靠近边缘处的第九波导光栅结构16与第十波导光栅结构17之间的第一间距13尺寸为470μm，第一波导光栅结构14与第十波导光栅结构17之间有9个第一间距13，那么，第一预设梯度的变化值为(470μm-20μm)/9＝50μm。在本实施例中，第一间距13可以理解为自外延片3中心向其中一端尺寸逐渐增加的等差数列，第一预设梯度理解为等差数列中的差值，可选的，第一预设梯度的变化可以为非等差数列，呈非均匀增加趋势，外延片3的中心至外延片3另外一端之间的第一间距13与其呈对称关系。

通过变间距地设置各个波导光栅结构1，能够呈现出在同一外延片3上发射出的激光沿外延片3的中心至两端辐射出不同波长的激射激光，具体表现为，处于外延片3中心部分的激射激光波长最大，处于外延片3端部部分的激射激光波长相对处于外延片3中心部分的激射激光波长而言为最小。

或者，利用蚀刻工艺在复合层上加工出多个阵列排布的波导光栅结构组2，每个波导光栅结构组2内包括至少两个波导光栅结构1，请参考图6至图8，相邻两个波导光栅结构组2之间为等间距设置，波导光栅结构组2内相邻的两个波导光栅结构1按照第二间距21设置，同一波导光栅结构组2内的第二间距21相同。第二间距21沿x方向从外延片3的中心向两端按照第二预设梯度逐渐增大，此处外延片3的中心为外延片3的长度方向的中点处，由中心向两端表示外延片3长度方向上的中点处向外延片3的两端部方向，如图8中箭头所示。

第二预设梯度表示第二间距21的变化差值，在一些实施例中，第二预设梯度只需要保证为正值即可。

在另一些实施例中，第二预设梯度与第二间距21的具体数值以及波导光栅结构组2的数量有关，例如，请参考图7,靠近中心处的第一波导光栅结构组22中的相邻的两个波导光栅结构1之间的第二间距21尺寸为20μm，靠近边缘处的第三波导光栅结构组23中的相邻的两个波导光栅结构1之间的第二间距21尺寸为470μm，第一波导光栅结构组22至第三波导光栅结构组23之间有两个波导光栅结构组2的数量，那么，第二预设梯度的变化值为(470μm-20μm)/2＝225μm。所以在本实施例中，第二间距21可以理解为自外延片3中心向其中一端逐渐增加的等差数列，第二预设梯度理解为等差数列中的差值，可选的，第二预设梯度的变化可以为非等差数列，呈非均匀增加趋势，外延片3的中心至外延片3另外一端之间的第二间距21与其呈对称关系。

通过变间距地设置各个波导光栅结构组2，能够呈现出在同一外延片3上发射出的激光沿外延片3的中心至两端周期性地辐射出不同波长的激射激光，沿着波导光栅结构的方向(即y方向)，光在波导中传输振荡。具体表现为，处于外延片3中心波导光栅结构组2部分的激射激光波长最大，处于外延片3端部波导光栅结构组2部分的激射激光波长相对处于外延片3中心波导光栅结构组2部分的激射激光波长而言为最小，通过设置波导光栅结构组2，能够使得激光的波长变化呈现出周期性的特性，还可以根据需求增加波导光栅结构组2的数量，进而获得多种周期性的激光波长。

通过合理设计各个波导光栅结构1之间的间距和排布，构建由中间向两侧的各个波导光栅结构1之间第一间距13逐渐增大的非对称分布设计，利用连续工作时各个波导光栅结构1必然出现的由自热效应和热串扰引起的有源区结温变化和差异，获得各波导光栅结构1的增益谱峰值波长由中心向两侧逐渐减小的趋势(即蓝移)，实现稳定的多波长激光，同时提高激光列阵的输出功率和电光转换效率。并且，仅利用单片激光器即可获得多波长激光，不需要额外配备其他设备，节省成本的同时降低了激光器的加工工艺。

在一些实施例中，第二预设梯度的变化范围为10-500μm。当处于外延片3中心部分的波导光栅结构组2中，相邻的两个波导光栅结构1之间的第二间距21为10微米时，处于外延片3边缘部分的波导光栅结构组2中，相邻的两个波导光栅结构1之间的第二间距21可以增加到500微米，已知的半导体激光列阵波导光栅结构1之间的间距越小，由自热效应和各波导光栅结构组2间热串扰引起的该处波导光栅结构1激光的热积累越严重，对应的该波导光栅结构1的活性区结温越高，同时这种热效应是必然存在的，因此，本实施例利用半导体激光列阵的热效应增大各单元中增益谱峰值波长的差值，将多波长的窄线宽激光波增益放大，实现高功率的多波长激光输出，同时该器件不需要单独控制各波导光栅结构1注入电流，可采用倒装焊接方式封装，更利于列阵各波导光栅结构1温度差值的控制，进一步提高多波长激光相干列阵器的多波长输出稳定性。

在另一些实施例中，第一预设梯度的变化范围为10-500μm。当处于外延片3中心部分相邻的两个波导光栅结构1之间的第一间距13为10微米时，处于外延片3边缘部分相邻的两个波导光栅结构1之间的第一间距13可以增加到500微米，已知的半导体激光列阵波导光栅结构1之间的间距越小，由自热效应和各波导光栅结构1间热串扰引起的该处波导光栅结构1激光的热积累越严重，对应的该波导光栅结构1的活性区结温越高，同时这种热效应是必然存在的，因此，本实施例利用半导体激光列阵的热效应增大各单元中增益谱峰值波长的差值，将多波长的窄线宽激光波增益放大，实现高功率的多波长激光输出，同时该器件不需要单独控制各波导光栅结构1注入电流，可采用倒装焊接方式封装，更利于列阵各波导光栅结构1温度差值的控制，进一步提高多波长激光相干列阵器的多波长输出稳定性。

在一些实施例中，波导光栅结构1包括光栅模块11以及波导单元12，光栅模块11与波导单元12沿外延片3的宽度方向相邻设置；波导单元12用于将激光束进行增益放大，光栅模块11用于反射增益放大后的激光束，使光栅反射谱峰值波长与同一激光单元的增益谱峰值波长相匹配，从而获得多波长激光。

请参考图1与图3，光栅模块11与波导单元12沿y方向相邻设置，光栅模块11用于反射激光束，波导单元12用于放大激光束，波导专指各种形状的空心金属波导管和表面波波导，空心金属波导管将被传输的电磁波完全限制在金属管内，又称封闭波导；表面波波导将引导的电磁波约束在波导光栅结构1的周围，又称开波导。在本实施例中，波导单元12即指波导，波导为开波导，能够对激光束进行放大增益。

单个波导光栅结构1内的光栅模块11反射出的激光束的波谱峰值波长与波导单元12中增益放大的激光束的波谱峰值波长相匹配，使得同一波长的激光束能够得到数倍增益与放大，从而获得稳定的特定波长的激光束。单个外延片3上配备多个波导光栅结构1，则该外延片3上即可产生多个激光束。再利用相邻两个波导光栅结构1之间通电时产生的结温对激光束波长产生影响的特性，通过合理调节波导光栅结构1之间的间距，从而获得在同一激光器上产生多个不同的波长的激光，节省多波长激光器的生产成本，减少激光器的制作工序。

在一些实施例中，光栅模块11包括多个周期排布的光栅结构101，每一光栅结构101包括一个光栅单元111和与该光栅单元111相邻的光栅槽112，各个波导光栅结构1中的光栅结构的宽度D相同；同一波导光栅结构1中的各个光栅槽的宽度D1相同，不同的波导光栅结构1中的光栅结构101包含的光栅槽的宽度D1沿所述外延片长度方向上由中心向两端按照第三预设梯度逐渐增大；或者，同一波导光栅结构组2内的各个光栅槽的宽度D1相同，不同的波导光栅结构组2中的光栅结构101包含的光栅槽的宽度D1沿所述外延片的长度方向上由中心向两端按照第三预设梯度逐渐增大。

光栅是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件，因此光栅模块11中包括多个光栅结构101，光栅结构的宽度D表示为光栅周期，各个波导光栅结构1中的光栅结构的宽度D相同，光栅单元111与光栅单元111之间的狭缝(即光栅槽112)用于衍射激光束，单个光栅结构101包括一个光栅单元111和与该光栅单元111相邻的光栅槽112。请参考图3，多个光栅结构101沿y方向阵列排布，同一光栅模块11中的光栅槽的宽度D1相同，即同一波导光栅结构1内的光栅槽的宽度D1相同。请参考图2或图8，光栅槽的宽度D1沿着x方向由外延片3的中心向两端按照第三预设梯度逐渐增大，此处外延片3的中心为外延片3的长度方向的中点处，由中心向两端表示外延片3长度方向上的中点处向外延片3的两端部方向，处于外延片3端部的光栅模块11中的光栅槽的宽度D1大于处于外延片3中心部分的光栅模块11的光栅槽的宽度D1。

例如，请参考图2与图10，第一波导光栅结构14与第十波导光栅结构17沿x方向阵列设置。在第一波导光栅结构14内具有多个光栅槽112，在第一波导光栅结构14内的各个光栅槽的宽度D1是相同的，在第十波导光栅结构17内也具有多个光栅槽112，在第十波导光栅结构17内的各个光栅槽的宽度D1是相同的，但是第十波导光栅结构17内的光栅槽的宽度D1大于第一波导光栅结构14内的光栅槽的宽度D1，即第一波导光栅结构14内的光栅单元111相比于第十波导光栅结构17内的光栅单元111排布更密集，因此第一波导光栅结构14内的光栅模块11相比于第十波导结构17内的光栅模块11能够反射波长更长的激光束。并且，在第一波导光栅结构14至第十波导光栅结构17中，光栅结构的宽度D是始终相同的。因此，当第一波导光栅结构14内的光栅槽的宽度D1小于第十波导光栅结构17内的光栅槽的宽度D1时，第一波导光栅结构14内的光栅单元的宽度D2大于第十波导光栅结构17内的光栅单元的宽度D2，具体的变化关系可以参考图2中对应箭头所示，a箭头表示的是光栅单元的宽度D2逐渐增大的变化方向，b箭头表示的是光栅槽的宽度D1逐渐增大的变化方向，a箭头与b箭头的方向是相反的。

又例如，请参考图8与图10，结合实施例说明同一波导光栅结构组2包括多个波导光栅结构11，在同一波导光栅结构组2内的光栅槽的宽度D1是相同的，不同的波导光栅结构组2中的光栅结构101包含的光栅槽的宽度D1沿x方向由外延片的中心向两端按照第三预设梯度逐渐增大。第一波导光栅结构组22中含有三个波导光栅结构1，这三个波导光栅结构1具有多个光栅槽112，第一波导光栅结构组22中的各个光栅槽的宽度D1相同。第三波导光栅结构组23中含有三个波导光栅结构1，这三个波导光栅结构1具有多个光栅槽112，第三波导光栅结构组23中的各个光栅槽的宽度D1相同。但是第三波导光栅结构组23内的光栅槽的宽度D1大于第一波导光栅结构组22内的光栅槽的宽度D1，即第一波导光栅结构组22内的光栅单元111相比于第三波导光栅结构组23内的光栅单元111排布更密集，因此第一波导光栅结构组22内的光栅模块11相比于第三波导结构组23内的光栅模块11能够反射波长更长的激光束。并且，在第一波导光栅结构组22至第三波导光栅结构组23中，光栅结构的宽度D是始终相同的。因此，当第一波导光栅结构组22内的光栅槽的宽度D1小于第三波导光栅结构组23内的光栅槽的宽度D1时，第一波导光栅结构组22内的光栅单元的宽度D2大于第三波导光栅结构组23内的光栅单元的宽度D2，具体的变化关系可以参考图8中对应箭头所示，c箭头表示的是光栅单元的宽度D2逐渐增大的变化方向，d箭头表示的是光栅槽的宽度D1逐渐增大的变化方向，c箭头与d箭头的方向是相反的。光栅槽的宽度的变化是用占空比表达的，占空比是单个光栅结构中的光栅单元的宽度与其相邻的光栅槽的宽度D1的比值。第三预设梯度指的是光栅中占空比的变化值，根据占空比的变化值设置光栅槽的宽度D1。第三预设梯度的变化值具体与波导光栅结构1的数量以及光栅槽的宽度D1的初始值与最终值有关。例如，在靠近外延片3中心部分的第一波导光栅结构14对应的光栅模块11的光栅槽的宽度D1是根据占空比为0.99时设定的数值，在靠近端部的第十波导光栅结构17对应的光栅模块11的光栅槽的宽度D1是根据占空比为0.5时设定的数值，第一波导光栅结构14至第十波导光栅结构17，共有10个波导光栅结构1，则第三预设梯度的变化值为(0.99-0.5)/10＝0.049。可以理解为，光栅槽的宽度D1对应的占空比为等差数列，而第三预设梯度即为等差数列中的差值，根据占空比的变化设定光栅槽的宽度D1。可选的，第三预设梯度的变化可以为非等差数列，呈非均匀增加趋势。因为占空比越小，对应的光栅槽的宽度D1越大，因此呈现出光栅槽的宽度D1沿着x方向由外延片3的中心向两端按照第三预设梯度逐渐增大的效果。

不同激光波长对应不同的光栅占空比，在变间距设置的多个波导光栅结构1中，每个波导光栅结构1对应增益放大的激光束的波长不同，因此波导光栅结构1内对应的光栅模块11的占空比也不同，需要与该处的激光波长对应，才可以获得与波导单元12增益的激光波谱相匹配的光栅模块11反射波谱，从而获得稳定的处于该处波长的激光束。通过根据波导光栅结构1之间的第一间距13的数值，对应设置光栅槽的宽度D1，从而获得稳定的多波长激光束，不需要单独控制各激光单元注入电流，降低激光器的制造成本，节省激光器的制造工序。

在一些实施例中，第三预设梯度的变化范围为0.5-0.99占空比。在外延片3中心部分波导光栅结构1内的光栅模块11对应的占空比最大，约为0.99，随着波导光栅结构1之间的第一间距13由中心至两端逐渐增大的设置，各个波导光栅结构1内的光栅模块11对应的占空比呈现递减的趋势，当外延片3中心部分的光栅周期为10微米时，外延片3端部的光栅占空比需要减小40％-50％，即占空比由0.99降低至0.5，每个波导光栅结构1对应的光栅模块11可以在大电流工作状态下保证单个波导光栅结构1内的激光波长相同，并与其他波导光栅结构1的激光波长不同，实现多波长输出的半导体激光列阵。

在利用波导光栅结构组2生成周期性激光束的实施例中，每个波导光栅结构组2对应的光栅模块11可以在大电流工作状态下保证单个波导光栅结构组2内的激光波长相同，并与其他波导光栅结构组2的激光波长不同，实现周期性多波长输出的半导体激光列阵。

在一些实施例中，还包括高反膜31以及抗反膜32，高反膜31设置在光栅模块11的外侧端面；抗反膜32设置在波导单元12的外侧端面。高反膜31是具有高反射性的光学薄膜，能够反射外部光纤，在外延片3的一侧设置高反膜31，在一些优选的实施例中，高反膜31设置在光栅模块11的外侧端面上，光栅模块11的外侧端面与外延片3的侧面相连通，高反膜31应覆盖外延片3该侧侧面，能够有效防止外部环境中的光源对外延片3内的激光束产生影响。

抗反膜32应优选设置在波导单元12所在的外侧端面，波导单元12的外侧端面与外延片3的另一侧面相连通，抗反膜32应覆盖外延片3该侧侧面，能够有效提高激光输出的高相干性。

在一些实施例中，波导单元12为脊形波导。由于脊形波导具有低主模截止频率、宽频带和低阻抗特性，出射高质量光束，因此采用脊形波导形成的波导单元12，在多个波导光栅结构1的应用中能够具备更好的增益效果。

为此，申请人还提供了一种多波长激光相干列阵器的制造方法，多波长激光相干列阵器前文所提的多波长激光相干列阵器，请参考图9,该制造方法具体包括下列步骤：

S1、将金属有机化合物利用气相沉积技术生长在N型掺杂的InP衬底上，以形成N型InP外延衬底；

S2、在N型InP外延衬底上方，依次制备N型包层36、N型光波导层、量子阱或量子点有源层34、复合层，以形成外延片3；

S3、在外延片3的底部镀有N型电极，在外延片3的顶部镀有P型金属电极，复合层包括P型金属电极；

S4、沿外延片3的长度方向在复合层上蚀刻出多个阵列排布的波导光栅结构1，或者，沿外延片3的长度方向在复合层上蚀刻出多个阵列排布的波导光栅结构组2。

当然，也可采用其他技术，将金属有机化合物生长在衬底上，并利用蚀刻或者其他形式在外延片3上加工出波导光栅结构1，这均不影响本申请的实现。

在一些实施例中，波导光栅结构组2包括多个波导光栅结构1，波导光栅结构1包括光栅模块11以及波导单元12，光栅模块11与波导单元12沿外延片3的宽度方向相邻设置，光栅模块11包括多个光栅单元111；制备方法还包括步骤：

S5、在光栅模块11的外侧端面电镀高反膜31；

S6、在波导单元12的外侧端面电镀抗反膜32。

本发明实施例所述一种多波长激光相干列阵器的制备方法，可根据上述多波长激光相干列阵器的各功能模块功能的具体实现，其具体实现过程可以参照上述系统实施例的相关描述，此处具体提供三个实施例以说明多波长激光相干列阵器的应用方式以及其具体的制备方法。

实施例1：

请参考图1至图5，多波长激光相干列阵器包括高反膜31、波导光栅结构1以及抗反膜32形成一谐振腔结构，波导光栅结构1具体包括光栅模块11以及波导单元12，光栅模块11中包括多个光栅单元111。在本实施例中，多个波导光栅结构1为变间距设置，相邻两个波导光栅结构1之间的间距为第一间距13，第一间距13按照第一预设梯度沿x方向在外延片3的中心向两端逐渐增大，第一预设梯度为长度变化值。光栅模块11中，相邻的两个光栅单元111之间的间距为光栅槽112，光栅槽的宽度D1按照第三预设梯度沿x方向在外延片3的中心向两端逐渐增大，第三预设梯度为占空比变化值，同一光栅模块11中的光栅槽的宽度D1相同。

谐振腔结构沿y方向依次排布，波导光栅结构1的功能如下：光栅模块11作为高反射光栅，其占空比变化规律为由外延片3的中心向两端的占空比数值逐渐减小，当外延片3的中心部分对应的光栅模块11周期为10微米时，在外延片3端部对应的光栅模块11的占空比需要减小40％-50％，即占空比由0.99降低至0.5，光栅模块11可以在大电流工作状态下保证反射谱峰值波长与波导单元12增益谱峰值波长相匹配，实现具有温差的波导光栅结构1的纵向模式选择和线宽压缩，获得多波长激光。

波导光栅结构1的第一间距13变化规律为由外延片3的中心向两端逐渐增大，当在外延片3中心部分的相邻的两个波导光栅结构1的第一间距13为10微米时，在外延片3端部部分的相邻的两个波导光栅结构1的第一间距13可以增加到500微米，已知半导体激光列阵器中，相邻的两个波导光栅结构1之间的间距越小，由自热效应和波导光栅结构1间热串扰引起的该处激光单元的热积累越严重，对应的该波导光栅结构1的活性区结温越高，同时这种热效应是必然存在的，因此本发明利用半导体激光列阵器的热效应增大各波导光栅结构1中增益谱峰值波长的差值，与波导光栅结构1中变占空比的光栅模块11的反射谱峰值波长相匹配，将多波长的窄线宽激光波增益放大，实现高功率的多波长激光输出，其中在外延片3中心部分的波导光栅结构1的激射波长最大，并向外延片3的两端逐渐降低，处于外延片3两端部分的波导光栅结构1的激射波长最小。同时该列阵器不需要单独控制各激光单元注入电流，可采用倒装焊接方式封装，更利于各个波导光栅结构1中温度差值的控制，进一步提高列阵器的多波长输出稳定性。

实施例2：

请参考图5至图8，在另一实施例中，多波长激光相干列阵器包括高反膜31、波导光栅结构组2以及抗反膜32形成一谐振腔结构，波导光栅结构组2由至少两个波导光栅结构组2成，波导光栅结构1具体包括光栅模块11以及波导单元12，光栅模块11中包括多个光栅单元111。在本实施例中，多个波导光栅结构1为变间距设置，相邻两个波导光栅结构1之间的间距为第二间距21，第二间距21按照第二预设梯度沿x方向在外延片3的中心向两端逐渐增大，第二预设梯度为长度变化值。光栅模块11中，相邻的两个光栅单元111之间的间距为光栅槽112，光栅槽的宽度D1按照第三预设梯度沿x方向在外延片3的中心向两端逐渐增大，第三预设梯度为占空比变化值，同一光栅模块11中的光栅槽的宽度D1相同。

所述谐振腔结构沿y方向依次排布，波导光栅结构组2的功能如下：单个波导光栅结构组2内的全部光栅模块11作为高反射光栅，其占空比变化规律为外延片3的中心向两端的占空比数值呈周期性减小，同一波导光栅结构组2内光栅模块11的占空比相同，如在外延片3中心部分的波导光栅结构组2内的光栅模块11的占空比最大，约为0.99，沿着外延片3的中心向两端的移动方向，各波导光栅结构组2的占空比呈现递减的趋势，当外延片3的中心部分对应的光栅模块11周期为10微米时，在外延片3端部对应的光栅模块11的占空比需要减小40％-50％，即占空比由0.99降低至0.5，同一波导光栅结构组2内的光栅模块11可以在大电流工作状态下保证同组内的激光波长相同，并与其他波导光栅结构组2的激光波长不同，实现多波长输出的半导体激光列阵器。

单个波导光栅结构组2内相邻的两个波导光栅结构1之间的间距为第二间距21，第二间距21的变化规律为由外延片3的中心向两端逐渐增大，同一波导光栅结构组2内各波导光栅结构1的第二间距21相同，例如，处于外延片3中心部分的波导光栅结构组2内的第二间距21最小，处于外延片3两端部分的波导光栅结构组2内的第二间距21最大，当处于外延片3中心部分的波导光栅结构组2内的第二间距21为10微米时，处于外延片3两端部分的波导光栅结构组2内的第二间距21可以增加到500微米。

已知半导体激光列阵器中，相邻的两个波导光栅结构1之间的间距越小，由自热效应和波导光栅结构1间热串扰引起的该处激光单元的热积累越严重，对应的该波导光栅结构1的活性区结温越高，同时这种热效应是必然存在的，因此本发明利用半导体激光列阵的热效应增大各波导光栅结构组2中增益谱峰值波长的差值，与波导光栅结构组2中对应的变占空比光栅模块11的反射谱峰值波长相匹配，构建周期性的波长分布列阵，并将多波长的窄线宽激光波增益放大，实现高功率的多波长激光输出，其中处于外延片3中心部分的波导光栅结构组2的激射波长最大，并向外延片3两端部逐渐降低，处于外延片3端部的波导光栅结构组2的激射波长最小。同时该列阵器不需要单独控制各激光单元注入电流，可采用倒装焊接方式封装，更利于各波导光栅结构组2之间温度差值的控制，进一步提高列阵的多波长输出稳定性。

实施例3(制备方法)：

上述多波长激光相干列阵器的制备方法具体实施例如下：本实施例中，材料体系为InP/InGaAsP，激光波长1550nm，但不限于上述材料和激光波长。波导光栅结构1包括光栅模块11以及波导单元12。器件外延片3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InP衬底上，基本外延结构由下至上依次包括N型InP外延衬底，N型包层36，N型光波导层，量子阱或量子点有源层34，P型光波导层、P型包层333和P型高掺杂盖层332。首先，采用i-line光刻和等离子刻蚀技术制作光栅模块11，刻蚀到P型光波导层或者P型包层333。接着采用光刻和等离子刻蚀技术制作波导单元12，刻蚀到P型光波导层。接着制作P面金属电极331，再经过衬底减薄，镀激光器N面金属电极38，在半导体激光相干列阵器左侧，光栅模块11的端面镀高反膜31，在半导体激光相干列阵器右侧，波导单元12的端面镀抗反膜32，整个列阵器制作完成。其具有全表面图形制备，工艺简单，结构紧凑的优点。

本发明采用基于变间距波导和变占空比表面光栅结构的多波长激光选频技术，解决了现有多波长激光器的输出功率受限和工艺复杂、成本高昂的问题，采用单一宽度的脊形波导和单一周期长度的光栅，通过合理设计半导体激光列阵单元的间距和排布，构建由中间向两侧的单元间距逐渐增大的非对称分布列阵结构，利用连续工作时列阵各单元必然出现的由自热效应和热串扰引起的有源区结温变化和差异，获得各单元的增益谱峰值波长由中心向两侧逐渐减小的趋势(即蓝移)，结合同一周期不同占空比光栅反射谱峰值波长的不同，实现列阵各单元的光增益谱峰值波长与光栅反射谱峰值波长的匹配，降低每一激光单元中峰值波长的增益阈值，实现稳定的多波长激光，同时提高激光列阵的输出功率和电光转换效率，最终获得全表面制备工艺、成本低、良品率高的多波长半导体激光列阵。

以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种多波长激光列阵器件，其特征在于，包括：

外延片，沿所述外延片的高度方向自下而上依次包括N面金属电极、N型衬底、N型包层、N型波导层、有源区、复合层；

所述复合层包括P型波导层、P型包层、P型高掺杂盖层和P面金属电极；

沿所述外延片的长度方向在所述复合层上蚀刻有多个阵列排布的波导光栅结构，相邻的两个所述波导光栅结构按照第一间距平行设置，所述第一间距沿所述外延片的长度方向由中心向两端按照第一预设梯度逐渐增大，所述波导光栅结构用于增益放大并反射沿所述外延片的宽度方向入射的激光束，从而获得多波长激光；

或者，沿所述外延片的长度方向在所述复合层上蚀刻有多个阵列排布的波导光栅结构组，每个所述波导光栅结构组内包括至少两个所述波导光栅结构，相同的所述波导光栅结构组内相邻的两个所述波导光栅结构按照第二间距设置，所述第二间距沿所述外延片的长度方向由中心向两端按照第二预设梯度逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的多波长激光列阵器件，其特征在于，所述第二预设梯度的变化范围为10-500μm。

3.根据权利要求1所述的多波长激光列阵器件，其特征在于，所述第一预设梯度的变化范围为10-500μm。

4.根据权利要求1所述的多波长激光列阵器件，其特征在于，所述波导光栅结构包括光栅模块以及波导单元，所述光栅模块与所述波导单元沿所述外延片的宽度方向相邻设置；

所述波导单元用于将激光束进行增益放大，所述光栅模块用于反射增益放大后的激光束，使光栅反射谱峰值波长与同一激光单元的增益谱峰值波长相匹配，从而获得多波长激光。

5.根据权利要求4所述的多波长激光列阵器件，其特征在于，所述光栅模块包括多个周期排布的光栅结构，每一光栅结构包括一个光栅单元和与该光栅单元相邻的光栅槽，各个波导光栅结构中的光栅结构的宽度相同；

同一波导光栅结构中的各个光栅槽的宽度相同，不同的波导光栅结构中的光栅结构包含的光栅槽的宽度沿所述外延片长度方向上由中心向两端按照第三预设梯度逐渐增大；

或者，同一波导光栅结构组内的各个光栅槽的宽度相同，不同的波导光栅结构组中的光栅结构包含的光栅槽的宽度沿所述外延片的长度方向上由中心向两端按照第三预设梯度逐渐增大。

6.根据权利要求5所述的多波长激光列阵器件，其特征在于，所述第三预设梯度的变化范围为0.99-0.5占空比。

7.根据权利要求4所述的多波长激光相干列阵器，其特征在于，还包括：

高反膜，设置在所述光栅模块的外侧端面；

抗反膜，设置在所述波导单元的外侧端面。

8.根据权利要求4所述的多波长激光相干列阵器，其特征在于，所述波导单元为脊形波导。

9.一种多波长激光相干列阵器的制备方法，其特征在于，所述多波长激光相干列阵器为权利要求1-8任一项所述的多波长激光相干列阵器，所述方法包括：

将金属有机化合物利用气相沉积技术生长在N型掺杂的InP衬底上，以形成N型InP外延衬底；

在所述N型InP外延衬底上方，依次制备N型包层、N型光波导层、量子阱或量子点有源层、复合层，以形成所述外延片；

在所述外延片的底部镀有N型电极，在所述外延片的顶部镀有P型金属电极，所述复合层包括所述P型金属电极；

沿所述外延片的长度方向在所述复合层上蚀刻出多个阵列排布的所述波导光栅结构，或者，沿所述外延片的长度方向在所述复合层上蚀刻出多个阵列排布的所述波导光栅结构组。

10.根据权利要求9所述的多波长激光相干列阵器的制备方法，其特征在于，所述波导光栅结构组包括多个所述波导光栅结构，所述波导光栅结构包括光栅模块以及波导单元，所述光栅模块与所述波导单元沿所述外延片的宽度方向相邻设置，所述光栅模块包括多个光栅单元；

在所述光栅模块的外侧端面电镀所述高反膜；

在所述波导单元的外侧端面电镀所述抗反膜。

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