CN109873295A - 一种片上集成级联放大半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种片上集成级联放大半导体激光器，其包括脊型区、片上DBR光栅结构、锥型区以及外延波导；DBR光栅结构设置于所述脊型区上；脊型区为脊型波导结构，锥型区为增益波导结构；外延波导具有一阶阶梯厚度，脊型区设置于外延波导较薄侧，锥型区设置于外延波导较厚侧，脊型区和所述锥型区级联。本设计的激光器较传统单纯利用锥型增益结构的激光放大方式，可以更加充分地利用锥型区增益，基于等光通量的原理，可以在模体积扩展的同时，保持了基模特性，保证了近衍射极限激光的光学质量，从而实现了亮度的大幅提升。

Description

一种片上集成级联放大半导体激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，尤其是一种片上集成级联放大半导体激光器。

背景技术

随着技术的革新，高功率半导体激光芯片(LD)发展迅速，其作为泵浦光源，在民用和军事领域得到了广泛应用。尤其在近年来，其作为光纤激光器泵浦源的发展势头异常迅猛。随着光纤激光器对半导体激光泵浦源输出亮度需求的不断提升，传统的尾纤泵浦源耦合半导体激光芯片的数量已接近物理极限，继续提高输出亮度只能提升芯片的亮度。此外，通过优质高效率共孔径合束，实现高亮度半导体激光直接输出，也是近年来研究新一代小型化、轻量化高功率激光光源的重要途径之一。

最理想的光纤激光器泵浦源是近衍射极限激光。然而，由于各方面的原因，半导体激光芯片在慢轴方向光束质量较差。虽然目前100μm宽的9xx nm波段的高功率条形激光器单个芯片连续输出功率可以达到15W-30W，电-光转换效率可以达到65％以上，但是慢轴光束质量只能达到10-20倍衍射极限(M2＝10-20)，对应的慢轴亮度只能达到10MW/cm2·sr的水平。亮度的提升除了可以提升光束质量，还可以提高单芯片的输出功率。受腔面损伤、非线性效应等的影响，目前100μm的宽条芯片最高输出功率被限制在30W左右的水平，继续提高输出功率迫切需要在芯片设计上开展创新性研究。如果单芯片慢轴光束质量达到近衍射极限，同时输出功率提高到百瓦级，那么半导体激光单芯片的亮度就可以提升两个量级。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的全部或部分问题，提供一种片上集成级联放大半导体激光器。以通过对激光器结构上的改变，实现对激光器输出功率的提升，从而实现对激光亮度的提升。

本发明采用的技术方案如下：

一种片上集成级联放大半导体激光器，其包括脊型区、片上DBR光栅结构、锥型区以及外延波导；DBR光栅结构设置于所述脊型区上；脊型区为脊型波导结构，锥型区为增益波导结构；外延波导具有一阶阶梯厚度，脊型区设置于外延波导较薄侧，锥型区设置于外延波导较厚侧，脊型区和所述锥型区级联。

传统单纯通过锥型增益结构对激光进行单向放大的方式，可以保证光束质量不被恶化。而本设计基于等光通量，并结合了行波放大器的设计原理。由于光通量在每个截面处是处处相等的，从而实现了对锥型区增益的充分利用，进而在模体积扩展的同时，保持了基模特性，保证了近衍射极限激光的光学质量，从而实现了亮度的大幅提升。

进一步的，上述锥型区前腔面为倾斜腔面。

倾斜腔面结构的设计可以有效方式激光反射回脊型区波导以影响激光的发射，从而防止了激光的恶化。

进一步的，上述锥型区的倾斜腔面的倾斜角度为80度。

进一步的，上述锥型区的倾斜腔面表面镀涂有抗反射膜。

镀涂抗反射膜可以进一步提高倾斜腔面的抗反射性。

进一步的，上述激光器的前腔面和后腔面均镀涂有抗反射膜。

在激光器前、后腔面镀涂抗反射膜可以进一步防止输出激光反射回激光器，从而防止激光的恶化。

进一步的，上述抗反射膜的反射率为0.1％。

进一步的，上述脊型区与锥型区之间具有分离电极结构。

电极分离结构的设计，可以实现激光的传播，从而实现激光器的单级放大。

进一步的，上述脊型区在靠激光器后腔面侧，以及脊型区与锥型区的级联区，均设置有DBR光栅结构。

借助于DBR光栅结构，可以实现多路激光的合束，从而提高种子激光的功率。

进一步的，在所述脊型区靠激光器后腔面侧，设置有1000对DBR光栅，在所述脊型区与锥型区的级联区，设置有100对DBR光栅。

进一步的，上述锥型区的外延波导具有阶梯厚度。

所谓阶梯厚度，即将锥型区波导间进行多级级联，实现激光器增益结构的多级扩展，从而进一步提升激光器对激光的增益效果。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的激光器对增益波导进行了充分利用，基于等光通量和行波放大的设计思路，在模体积扩展的同时，保持了基膜特性，使输出激光保持近衍射极限的光学质量，实现了对激光亮度的大幅提升。

2、本发明的激光器巧妙利用了光学反射原理，利用对波导腔面的倾斜处理，有效防止了激光反馈回激光器以影响种子激光或输出激光，有效防止了激光的恶化。

3、本发明的激光器可以实现多增益的级联扩展，进而可以实现对激光输出功率的进一步提升。

4、本设计采用电极分离的方式对激光器进行设计，可以实现对激光的单向放大，从而有效保证了激光的质量和增益。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是片上集成级联放大半导体激光器俯视示意图。

图2是阶梯外延波导结构示意图。

图3是倾斜腔面结构侧视示意图。

图4是片上集成级联放大半导体激光器立体图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图3和4所示，本实施例公开了一种片上集成级联放大半导体激光器，其包括脊型区10、片上DBR(distributed Bragg reflector，分布式布拉格反射器)光栅结构103、锥型区20以及一阶阶梯厚度的外延波导；DBR光栅结构103设置于脊型区10上；脊型区10为脊型波导结构，锥型区20为增益波导结构；本设计的特点在于，脊型区10设置于外延波导较薄侧，锥型区20设置于外延波导较厚侧，脊型区10与锥型区20级联。由于光通量在每个截面处处处相等，从而实现了增益的充分利用，从而在模体积扩展的同时，保持了基模特性，保持了光学质量，实现了亮度的提升。锥型区20的长度在脊型区10的两倍及以上。以提高激光器增益。锥型区前腔面为倾斜腔面305，使得锥型波导104无激光反馈至脊型波导102中。倾斜腔面305表现镀涂有抗反射膜306，以进一步防止激光反射回脊型波导102中。如图4所示，脊型区10与锥型区20之间具有分离电极结构。即脊型区10与锥型区20之上的两个电极间是分离的，非直接连接的。参见附图4，电极一106和电极二107间，为分离设计。电极分离可以实现激光的单向传输，结合到本设计的激光器结构，实现了单向放大的效果。在激光器的前腔面101和后腔面105表面均镀有抗反射膜(镀涂方式例如蒸镀，以确保膜层的平整性和强粘附性)。以进一步提高腔面的抗反射性，防止激光发射回激光器以恶化激光。在一个实施例中，激光器前腔面101、后腔面105以及锥型区的倾斜腔面305的抗反射膜的反射率均为0.1％。

脊型区10中所设置的DBR光栅结构103具体为：在靠激光器后腔面101侧，以及脊型区10与锥型区20级联区均，均设置有DBR光栅结构103。从而实现对多通路激光的合束，大幅提高激光的功率。

如图1、2所示，在一个实施例中，激光器结构如下：

附图标记：201为脊型区下限制层，202为脊型区下波导层，203为脊型区量子阱层，204为脊型区上波导层，205为脊型区上限制层，206为锥形区下限制层，207为锥形区下波导层，208为锥形区量子阱层，209为锥形区上波导层，210为锥形区上限制层；301为外延波导层，302为外延波导上限制层，303为外延波导下限制层，304为基底层。

外延结构：

基底层350μm，脊型区下限制层700nm，脊型区下波导层1700nm，脊型区量子阱10nm，脊型区上波导层700nm，脊型区上限制层700nm，脊型区接触层(于脊型区上限制层上表面，未示出)200nm；锥形区下限制层700nm，锥形区下波导层1700nm，锥形区量子阱10nm，锥形区上波导层1400nm，锥形区上限制层700nm，锥形区接触层(于锥型区上限制层上表面，未示出)200nm。

芯片结构：

1)脊型区的长度：1mm；

2)脊型区的宽度：5μm；

3)脊型区刻蚀深度：1.0μm；

4)布拉格反射镜(DBR)光栅：刻蚀深度1.3μm，周期300nm，脊型区后面对数1000对，脊型和锥形级联区100对；

5)锥形区的角度：4度；

6)锥形区的长度：4mm；

7)锥形区刻蚀深度：200nm；

8)锥型区的前腔面：倾角80度，刻蚀深度3.5μm；采用溶液腐蚀或干法刻蚀；以确保刻蚀表面的平整性；

9)腔面镀膜：锥型区的前腔面、激光器前腔面和后腔面的抗反射膜的反射率均为0.1％，采用蒸镀方法镀涂。

在一个实施例中，外延波导的基底304为GaN、GaAs或者InP。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种片上集成级联放大半导体激光器，包括脊型区、片上DBR光栅结构、锥型区以及外延波导；所述DBR光栅结构设置于所述脊型区上；所述脊型区为脊型波导结构，所述锥型区为增益波导结构；其特征在于，所述外延波导具有一阶阶梯厚度，所述脊型区设置于外延波导较薄侧，所述锥型区设置于外延波导较厚侧，所述脊型区和所述锥型区级联。

2.如权利要求1所述的片上集成级联放大半导体激光器，其特征在于，所述锥型区前腔面为倾斜腔面。

3.如权利要求2所述的片上集成级联放大半导体激光器，其特征在于，所述锥型区的倾斜腔面的倾斜角度为80度。

4.如权利要求2所述的片上集成级联放大半导体激光器，其特征在于，所述锥型区的倾斜腔面表面镀涂有抗反射膜。

5.如权利要求1所述的片上集成级联放大半导体激光器，其特征在于，所述激光器的前腔面和后腔面均镀涂有抗反射膜。

6.如权利要求4或5所述的片上集成级联放大半导体激光器，其特征在于，所述抗反射膜的反射率为0.1%。

7.如权利要求1所述的片上集成级联放大半导体激光器，其特征在于，所述锥型区的外延波导具有阶梯厚度。

8.如权利要求1-5、7之一所述的片上集成级联放大半导体激光器，其特征在于，所述脊型区与锥型区之间具有分离电极结构。

9.如权利要求1-5、7之一所述的片上集成级联放大半导体激光器，其特征在于，所述脊型区在靠激光器后腔面侧，以及脊型区与锥型区的级联区，均设置有DBR光栅结构。

10.如权利要求8所述的片上集成级联放大半导体激光器，其特征在于，在所述脊型区靠激光器后腔面侧，设置有1000对DBR光栅，在所述脊型区与锥型区的级联区，设置有100对DBR光栅。