CN117374722A - 一种半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体激光器，包括：光源模块，用于输出单模的种子光源；光波分束波导芯片，用于将种子光源分束成单模阵列；光增益模块，用于将单模阵列中每路单模光束进行增益；光波合束波导芯片，用于将增益后的单模光束进行相位调制后合束形成至少一束激光输出，选择的两个芯片的光传输损耗均小于第一预设值。通过实施本发明，利用片间集成的方式，将光源模块和光增益模块之间通过光波分束波导芯片连接，既没有破坏原有种子光源的结构，使得种子光源不需要进行特别的定制，具有较大的选择性；同时，对增益后的光进行了合束处理，选择光传输损耗低的芯片，可以承受大功率激光，保持单模模式，避免出现温度过高造成激光性能下降甚至烧坏现象。

Description

一种半导体激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种半导体激光器。
背景技术
随着社会的发展，信息需求变得越来越大，集成光电芯片已成为人们关注的重点。集成光电子技术可将多个不同类型光电芯片集成在一起，具备集成度高、性能好、成本低等优势，已经广泛用于通信、传感、智能等领域。在光通信，激光雷达，激光测距等领域人们已经证明了光电集成器件的良好性能，如OPA激光雷达可以在远场实现高准直性扫描并测距。
然而，虽然集成光电芯片具有强大的功能，但受限于集成器件承载功率低、能量弱的特点，仍有很多方面的应用难以得到发展。如硅光集成的光学相控阵(optical phasearray,OPA)全固态激光雷达中需要使用脉冲大功率单模激光器，而现有的半导体激光器在单模输出光模式下，输出功率较为有限，增大功率时又会引发激光发射区温度过高，导致性能下降甚至烧毁现象。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种半导体激光器，以解决现有技术中大功率单模输出激光器增大功率时会引发激光发射区出光性能下降甚至烧毁的技术问题。
本发明实施例提供的技术方案如下：
本发明实施例第一方面一种半导体激光器，包括：光源模块，用于输出单模的种子光源；光波分束波导芯片，用于将所述种子光源分束成单模阵列，所述光波分束波导芯片的光传输损耗小于第一预设值；光增益模块，用于将单模阵列中每路单模光束进行增益；光波合束波导芯片，用于将增益后的单模光束进行相位调制后合束形成至少一束激光输出，所述光波合束波导芯片的光传输损耗小于第一预设值。
可选地，所述第一预设值为2dB/cm。
可选地，所述光波分束波导芯片包括：光耦合区和光分束区，所述光耦合区的一端连接所述光源模块出射光线的一端，所述光耦合区的另一端连接所述光分束区入射光线的一端，所述光分束区的另一端连接所述光增益模块入射光线的一端，所述光耦合区用于将光源芯片输出的种子光源耦合进入所述光分束区中，所述光耦合区包括正锥结构、倒锥结构或者多层波导耦合结构中的一种；所述光分束区用于将种子光源分束成单模阵列，所述光分束区包括MMI、Y-Branch、DC或者星形耦合器中的一种。
可选地，所述光源模块和所述光增益模块封装在同一基板上，或者，所述光源模块和所述光增益模块片上集成在同一块基板上，或者，所述光源模块和所述光增益模块分别设置在不同的基板上。
可选地，所述光源模块和所述光增益模块位于光波分束波导芯片的不同侧，或者，所述光源模块和所述光增益模块位于光波分束波导芯片的同侧，当所述光源模块和所述光增益模块位于光波分束波导芯片的同侧时，所述光波分束波导芯片中还包括弯曲波导结构，所述弯曲波导结构连接在所述光波分束波导芯片和所述光增益模块之间。
可选地，所述光增益模块为阵列结构，所述光增益模块与所述光波分束波导芯片中的波导进行一一对应的垂直端面耦合。
可选地，所述光增益模块为阵列结构，所述光增益模块与所述光波分束波导芯片中的波导进行一一对应的水平斜端面耦合。
可选地，所述光增益模块为MMI平板波导结构，所述光增益模块与所述光波分束波导芯片中的波导进行直接耦合。
可选地，所述光增益模块为taper波导阵列结构，所述光增益模块与所述光波分束波导芯片中的波导进行直接耦合。
可选地，所述光波合束波导芯片包括：相位调制器和光波合束波导，所述相位调制器的一端连接所述光增益模块出射光线的一端，所述相位调制器的另一端连接所述光波合束波导入射光线的一端，所述相位调制器包括热调制器或压电调制器，用于将增益后的单模光束进行相位调制；所述光波合束波导包括MMI、Y-Branch、DC或者星形耦合器，用于将相位调制后的光束进行合束。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明实施例提供的半导体激光器，本发明实施例提供的半导体激光器，利用片间集成的方式，将光源模块和光增益模块之间通过无源光波分束波导芯片连接，既没有破坏原有种子光源的结构，使得种子光源不需要进行特别的定制，具有较大的选择性；同时，又采用无源光波合束波导芯片对增益后的光进行了合束处理，采用光传输损耗低的芯片，在保证是单模波导条件的同时，可以承受大功率激光，避免出现激光发射区温度过高造成的出光性能下降甚至烧毁现象。最终实现了高功率，窄线宽，单横模的高光束质量输出，提高了输出光束的光束质量以及亮度，同时具有商品化，成品率高以及制作成本低的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例中半导体激光器的结构框图；
图2为本发明实施例中半导体激光器的光源模块和增益模块的结构框图；
图3为本发明另一实施例中半导体激光器的光源模块和增益模块的结构框图；
图4为本发明另一实施例中半导体激光器的光源模块和增益模块的结构框图；
图5为本发明另一实施例中半导体激光器的结构框图；
图6为本发明另一实施例中半导体激光器的结构框图；
图7为本发明另一实施例中半导体激光器的结构框图；
图8为本发明另一实施例中半导体激光器的结构框图；
图9为本发明另一实施例中半导体激光器的结构框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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和简化描述，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
正如在背景技术中所述，目前的半导体激光器在在工业、军事、医疗等方面具有更加广泛的应用前景。制造出高功率、高光束质量、窄线宽的半导体激光器一直是人们追求的目标。传统的单片集成高光束质量半导体激光器结构，在提高输出功率和优化光束质量等方面取得了很大的进步。
当前在半导体激光器结构中，为了实现高功率输出，通过采用主控振荡器功率放大器(MOPA，Master Oscillator Power-Amplifier)的锥形放大器实现光束的放大。然而MOPA无法给种子光源提供反馈光束，会导致锥形放大区内载流子聚集，引发激光发射区温度过高，激发高次横模，降低出光光束质量。还有一种方式是采用基于全III-VI材料的单片集成增益阵列波导，然而该方案无法做到单模合束，合束功率较大时容易引发激光发射区烧毁，出光光束质量依然不高。
有鉴于此，本发明实施例提供一种半导体激光器，如图1所示，该半导体激光器包括：光源模块10，用于输出单模的种子光源；光波分束波导芯片20，用于将所述种子光源分束成单模阵列，所述光波分束波导芯片的光传输损耗小于第一预设值；光(SOA，Semi-conductor Optical Amplifier)增益模块30，用于将单模阵列中每路单模光束进行增益；光波合束波导芯片40，用于将增益后的单模光束进行相位调制后合束形成至少一束激光输出，所述光波合束波导芯片的光传输损耗小于第一预设值。其中，分束后的单模阵列包括M路光束，合束后的光束为N(0<N≦M)路输出。
其中，光源模块10和光增益模块30均采用有源材料制成，例如均选用III-V族材料；此时，虽然光增益模块30为有源材料，但是光增益模块30之后连接的合束波导芯片为无源光波合束波导芯片40，由于选择的光波分束波导芯片和光波合束波导芯片的光传输损耗小于第一预设值，因此可承受的光功率较大，由此可以避免采用全III-VI波导材料合束的激光发射区烧毁现象。
具体地，第一预设值为2dB/cm，即光波分束波导芯片和光波合束波导芯片的光传输损耗均低于2dB/cm，据此，在实际应用中，光波分束波导芯片和光波合束波导芯片可以均选择SiN、SiON、SiO2材料，此外也可以根据实际需要选择满足条件的其他材料，本发明实施例对此不作限定。在一具体实施方式中，可以选择光传输损耗为0.5dB/cm、1dB/cm等低于2dB/cm的光波分束波导芯片和光波合束波导芯片，当光波分束波导芯片和光波合束波导芯片的光传输损耗较低时，更容易避免出现激光发射区温度过高造成的出光性能下降甚至烧毁现象。
本发明实施例提供的半导体激光器，利用片间集成的方式，将光源模块10和光增益模块30之间通过无源光波分束波导芯片20连接，既没有破坏原有种子光源的结构，使得种子光源不需要进行特别的定制，具有较大的选择性；同时，又采用无源光波合束波导芯片40对增益后的光进行了合束处理，选择光传输损耗较低芯片，在保证是单模波导条件的同时，可以承受大功率激光，避免出现激光发射区温度过高造成的出光性能下降甚至烧毁现象。最终实现了高功率，窄线宽，单横模的高光束质量输出，提高了输出光束的光束质量以及亮度，同时具有商品化，成品率高以及制作成本低的优点。
在一实施方式中，所述光波分束波导芯片20包括：光耦合区和光分束区，所述光耦合区的一端连接所述光源模块10出射光线的一端，所述光耦合区的另一端连接所述光分束区入射光线的一端，所述光分束区的另一端连接所述光增益模块30入射光线的一端，所述光耦合区包括正锥结构、倒锥结构或者多层波导耦合结构中的一种，用于将光源芯片输出的种子光源耦合进入所述光分束区中；所述光分束区包括MMI(多模干涉，MultiModeInterference)、Y-Branch(Y分支)、DC(定向耦合器，Directional Coupler)或者星形耦合器中的一种，用于将种子光源分束成单模阵列。其中，该单模阵列为标准单模阵列。光耦合区根据耦合光的特点进行设计以达到最佳耦合效率。
在一实施方式中，由于光源模块10和光增益模块30均可以采用有源材料制成，因此，光源模块10和光增益模块30可以封装在同一基板上，也可以片上集成在同一块基板上，即光源模块10和光增益模块30设置在同一芯片上。在具体设置时，如图2所示，可以在基板的两侧位置设置光增益模块30，在基板的中间位置设置光源模块10，最终使得同一芯片既能实现光束发射功能，也能实现光束增益功能。
其中，当光源模块10和增益模块设置在同一基板上时，所述光源模块和所述光增益模块位于光波分束波导芯片的同侧，此时，为了实现分束后的单模阵列输入至光增益模块30中，在光波分束波导芯片20中设置弯曲波导结构。由此，光源模块10输出的光束先耦合进入光波分束波导芯片20中，然后再通过弯曲波导结构传输至的光增益模块30中进行光束增益。其中，弯曲波导结构可以采用SiN弯曲波导结构，也可以采用其他材料的弯曲波导结构，本发明实施例对此不作限定。
在一实施方式中，光源模块10和光增益模块30也可以设置在不同的基板上，即光源模块10和光增益模块30构成了两个不同的芯片。此时，光源模块10可以采用成品化的，商业化的，或者定制化的半导体单模输出激光器。当光源模块10和光增益模块30设置在不同的基板上时，所述光源模块10和所述光增益模块30可以位于所述光波分束波导芯片20的不同侧，也可以位于光波分束波导芯片20的同侧。
其中，当光源模块10和光增益模块30位于光波分束波导芯片20的同侧时，光源模块10和光增益模块30也可以按照光源模块10设置在中间、光增益模块30设置在两侧的方式排列，此时，如图3所示，可以采用两个光增益模块30设置在光源模块10的两侧，如图4所示，也可以采用一个光增益模块30，将该光增益模块30的中间挖空设置光源模块10。本发明实施例对于光源模块10和光增益模块30的具体位置不作限定。
当光源模块10和光增益模块30位于光波分束波导芯片20的不同侧时，该半导体激光器可以按照光源模块10、光波分束波导芯片20、光增益模块30以及光波合束波导芯片40的结构依次设置，即从左至右依次设置光源模块10、光波分束波导芯片20、光增益模块30以及光波合束波导芯片40。
在一实施方式中，所述光增益模块30为阵列结构，所述光增益模块30与所述光波分束波导芯片20中的波导进行一一对应的垂直端面耦合。或者，所述光增益模块30为阵列结构，所述光增益模块30与所述光波分束波导芯片20中的波导进行一一对应的水平斜端面耦合。其中，通过水平方向斜端面耦合的方式，能够防止光束的反射。此外，在这两种耦合方式中，光增益模块30中可以采用taper转换结构，也可以不设置taper转换结构，本发明实施例对此不作限定。
在一实施方式中，所述光增益模块30为MMI平板波导结构，所述光增益模块30与所述光波分束波导芯片20中的波导进行直接耦合。或者，所述光增益模块30为taper波导阵列结构，所述光增益模块30与所述光波分束波导芯片20中的波导进行直接耦合。
在一实施方式中，所述光波合束波导芯片40包括：相位调制器和光波合束波导，所述相位调制器的一端连接所述光增益模块30出射光线的一端，所述相位调制器的另一端连接所述光波合束波导入射光线的一端，所述相位调制器包括热调制器或压电调制器，用于将增益后的单模光束进行相位调制；所述光波合束波导包括MMI、Y-Branch、DC或者星形耦合器，用于将相位调制后的光束进行合束。
实施例2
本发明实施例提供一种半导体激光器，如图5所示，该半导体激光器包括光源模块10、光波分束波导芯片20、光增益模块30以及光波合束波导芯片40。其中，光源模块10和光增益模块30封装在同一基板上，也可以片上集成在同一块基板上，光源模块10向左发射激光耦合进入光波分束波导芯片20的光耦合区，再经过光分束区(光分束区包括但不限于MMI，Y-Branch以及DC等结构)分成需要的路数，然后经过弯曲结构再次耦合进入光增益模块30中，光增益模块30对每一路单模光束进行光功率的放大，最后经过光波合束波导芯片40对每一路光进行合理的相位调制(如热调或电压调制)，之后经过光波合束波导转换成需要的路数，进行单模光输出。
实施例3
本发明实施例提供一种半导体激光器，如图6所示，该半导体激光器包括从左至右依次设置的光源模块10、光波分束波导芯片20、光增益模块30以及光波合束波导芯片40。光源模块10发射的种子光源直接耦合进入光波分束波导芯片20，光增益模块30和光波分束波导芯片20的波导进行一一对应的垂直端面耦合，光增益模块30内无taper转换结构，经过光波分束波导芯片20分束之后的单模阵列，输入至光增益模块30进行光功率放大，最后通过光波合束波导芯片40对每一路光进行合理的相位调制(相位调制器可以是热调，也可以是压电调制)，经过光波合束波导转换成需要的路数，进行单模光输出。
实施例4
本发明实施例提供一种半导体激光器，如图7所示，该半导体激光器包括从左至右依次设置的光源模块10、光波分束波导芯片20、光增益模块30以及光波合束波导芯片40。光源模块10发射的种子光源直接耦合进入光波分束波导芯片20，光增益模块30和光波分束波导芯片20的波导进行一一对应的水平方向斜端面耦合，光增益模块30内无taper转换结构，经过光波分束波导芯片20分束之后的单模阵列，输入至光增益模块30进行光功率放大，最后通过光波合束波导芯片40对每一路光进行合理的相位调制(相位调制器可以是热调，也可以是压电调制)，经过光波合束波导转换成需要的路数，进行单模光输出。
实施例5
本发明实施例提供一种半导体激光器，如图8所示，该半导体激光器包括从左至右依次设置的光源模块10、光波分束波导芯片20、光增益模块30以及光波合束波导芯片40。光源模块10发射的种子光源直接耦合进入光波分束波导芯片20，光增益模块30采用MMI平板波导和光波分束波导芯片20的波导直接进行耦合，光增益模块30内无taper转换结构，经过光波分束波导芯片20分束之后的单模阵列，输入至光增益模块30进行光功率放大，最后通过光波合束波导芯片40对每一路光进行合理的相位调制(相位调制器可以是热调，也可以是压电调制)，经过光波合束波导转换成需要的路数，进行单模光输出。
实施例6
本发明实施例提供一种半导体激光器，如图9所示，该半导体激光器包括从左至右依次设置的光源模块10、光波分束波导芯片20、光增益模块30以及光波合束波导芯片40。光源模块10发射的种子光源直接耦合进入光波分束波导芯片20，光增益模块30采用taper波导阵列，和光波分束波导芯片20的波导直接进行耦合，经过光波分束波导芯片20分束之后的单模阵列，输入至光增益模块30进行光功率放大，最后通过光波合束波导芯片40对每一路光进行合理的相位调制(相位调制器可以是热调，也可以是压电调制)，经过光波合束波导转换成需要的路数，进行光输出。
其中，需要说明的是，上述实施例2至实施例6中光波分束波导芯片和光波合束波导芯片的光传输损耗均小于第一预设值。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (10)

1.一种半导体激光器，其特征在于，包括：
光源模块，用于输出单模的种子光源；
光波分束波导芯片，用于将所述种子光源分束成单模阵列，所述光波分束波导芯片的光传输损耗小于第一预设值；
光增益模块，用于将单模阵列中每路单模光束进行增益；
光波合束波导芯片，用于将增益后的单模光束进行相位调制后合束形成至少一束单模大功率激光输出，所述光波合束波导芯片的光传输损耗小于第一预设值。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一预设值为2dB/cm。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述光波分束波导芯片包括：光耦合区和光分束区，所述光耦合区的一端连接所述光源模块出射光线的一端，所述光耦合区的另一端连接所述光分束区入射光线的一端，所述光分束区的另一端连接所述光增益模块入射光线的一端，
所述光耦合区用于将光源芯片输出的种子光源耦合进入所述光分束区中，所述光耦合区包括正锥结构、倒锥结构或者多层波导耦合结构中的一种；
所述光分束区用于将种子光源分束成单模阵列，所述光分束区包括MMI、Y-Branch、DC或者星形耦合器中的一种。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述光源模块和所述光增益模块封装在同一基板上，或者，所述光源模块和所述光增益模块片上集成在同一块基板上，或者，所述光源模块和所述光增益模块分别设置在不同的基板上。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述光源模块和所述光增益模块位于所述光波分束波导芯片的不同侧，或者，所述光源模块和所述光增益模块位于所述光波分束波导芯片的同侧，当所述光源模块和所述光增益模块位于所述光波分束波导芯片的同侧时，所述光波分束波导芯片中还包括弯曲波导结构，所述弯曲波导结构连接在所述光波分束波导芯片和所述光增益模块之间。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述光增益模块为阵列结构，所述光增益模块与所述光波分束波导芯片中的波导进行一一对应的垂直端面耦合。
7.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述光增益模块为阵列结构，所述光增益模块与所述光波分束波导芯片中的波导进行一一对应的水平斜端面耦合。
8.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述光增益模块为MMI平板波导结构，所述光增益模块与所述光波分束波导芯片中的波导进行直接耦合。
9.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述光增益模块为taper波导阵列结构，所述光增益模块与所述光波分束波导芯片中的波导进行直接耦合。
10.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述光波合束波导芯片包括：相位调制器和光波合束波导，所述相位调制器的一端连接所述光增益模块出射光线的一端，所述相位调制器的另一端连接所述光波合束波导入射光线的一端，
所述相位调制器包括热调制器或压电调制器，用于将增益后的单模光束进行相位调制；
所述光波合束波导包括MMI、Y-Branch、DC或者星形耦合器，用于将相位调制后的光束进行合束。
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