一种渐变式稳频锁模、超窄线宽大功率基模外腔半导体激光器制造技术

本发明专利技术涉及一种渐变式稳频锁模、超窄线宽大功率基模外腔半导体激光器，属于半导体激光器技术领域。半导体激光器包括激光器芯片和锁模元件，激光器芯片上设置波导，激光器芯片出光腔面外侧设置锁模元件，出光腔面折射出的光垂直锁模元件的端面进入锁模元件。本发明专利技术通过在脊型波导与激光器芯片出光腔面设定角度的方式，使得出光腔面反射回的光无法传回脊型波导，只有通过外部锁模元件反射回的光能传回波导内形成F

【技术实现步骤摘要】
一种渐变式稳频锁模、超窄线宽大功率基模外腔半导体激光器


[0001]本专利技术涉及一种渐变式稳频锁模、超窄线宽大功率基模外腔半导体激光器，属于半导体激光器


技术介绍

[0002]高功率半导体激光器在泵浦、光通信、医疗等领域有着越来越广泛的应用，随着应用领域的拓宽和细分，半导体激光器的性能要求也越来越高，作为泵浦和通信用半导体激光器，其对波长的光谱线宽要求很高，需要其线宽很窄的前提下波长不会发生变化，即跳模现象，而典型的半导体激光器的光谱为高斯分布，其光谱宽度较宽，并且其中心波长会随温度的变化而变化，因此需要对半导体激光器发出的光进行锁模，通常所谓的锁模指的是波长锁定以及线宽压缩，目前常用的锁模机制主要有两种，为内腔结构和外腔结构。
[0003]其中内腔结构锁模途径指的是在芯片本身刻蚀布拉格光栅等微结构来实现线宽压缩以及波长锁定，其主要又可分为DFB半导体激光器和DBR半导体激光器，但由于布拉格光栅周期较小，导致其光栅结构的设计和制造都有很高的精度要求，因此其制造成本较大且合格率较低。
[0004]外腔结构一般利用外接FBG光栅光纤或者其他具有压缩线宽和波长锁定的锁模元件作为外腔反馈使得特定波长的光反馈进入半导体激光器芯片的F
‑
P腔，使该波长的光得到进一步增强放大，其他波长的光受到抑制，从而达到压缩芯片内震荡的光的线宽的目的，以实现整齐外腔激光器压缩线宽、稳频锁模的目的，其中FBG作为外腔结构的光学反馈部件，具有制作工艺简单、反射谱窄、中心波长稳定等优点。但由于半导体激光器腔面的反射率无法做到0，即存在一定的剩余反射率，因此其在腔面处会反射回来一部分的光进入芯片内F
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P腔进而得到增强放大，尤其在大功率工作模式下，由腔面剩余反射率造成的反馈光容易引发半导体激光器芯片内的模式竞争，最终整体器件表现为模式跳变，造成器件失效。
[0005]中国专利文件CN105406356B公开了一种折叠外腔超窄线宽半导体激光器，其通过折叠外腔代替直波导，有效的减小了封装的体积，通过弯曲波导有效过滤掉高阶模式，实现基模的传输，但没有对纵模进行表述，同时该种方法需要设计并制备折叠外腔，工艺较为复杂。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种渐变式稳频锁模、超窄线宽大功率基模外腔半导体激光器，消除了腔面剩余反射率造成的纵模模式竞争，有效提高了外腔激光器的边摸抑制比，解决了超窄线宽外腔半导体激光器中出现的模式跳变问题。
[0007]本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种渐变式稳频锁模、超窄线宽大功率基模外腔半导体激光器，包括激光器芯片和锁模元件，激光器芯片上设置波导，激光器芯片出光腔面外侧设置锁模元件，出光腔面折
射出的光垂直锁模元件的端面进入锁模元件。
[0009]优选的，激光器芯片在横向上包括自下到上依次设置的N面电极、衬底、N型限制层、N型波导层、有源区、P型波导层和P型限制层，P型限制层上设置波导。
[0010]进一步优选的，波导为三段式波导，三段式波导包括垂直波导、弧形波导和倾斜波导，垂直波导延伸至激光器芯片的非出光腔面，垂直波导经弧形波导连接至倾斜波导，倾斜波导延伸至激光器芯片的出光腔面，三段式波导为一体式结构，中间无隔断。
[0011]优选的，三段式波导为脊条式波导，倾斜波导与出光腔面的交界处位于激光器芯片一侧中间位置，方便后续的耦合。
[0012]优选的，垂直波导与倾斜波导的水平延长线无重合。
[0013]进一步优选的，P型限制层上除脊条区域外设置绝缘层，在脊条区域以及绝缘层上设置P面电极。
[0014]优选的，脊条式波导是通过湿法腐蚀工艺或者是干法刻蚀工艺腐蚀掉除却脊条区域之外的P型限制层形成，脊条区域的有效折射率要高于两侧的有效折射率，而其有效折射率差的大小主要与脊条两侧的腐蚀深度有关，在不完全腐蚀掉P型限制层的前提下，腐蚀深度越大，有效折射率差越大。
[0015]优选的，垂直波导的宽度符合下列关系式：
[0016][0017]其中n
eff1
是脊条下方波导的有效折射率，n
eff2
是脊条两侧区域波导的有效折射率，W是宽度，λ是激光的中心波长。
[0018]进一步优选的，倾斜波导的宽度为垂直波导宽度的1～2倍。
[0019]优选的，弧形波导为宽度渐变式波导，弧形波导一端宽度与垂直波导宽度相同，另一端宽度与倾斜波导宽度相同，实现垂直波导与倾斜波导的无缝连接。
[0020]进一步优选的，弧形波导的最大曲率对平行于垂直波导方向传播的光全反射。
[0021]优选的，锁模元件的倾斜角度与倾斜波导的倾斜角度相同，保证出光腔面出射的光以垂直锁模元件端面的方向进入锁模元件，实现锁模元件与倾斜波导对接耦合。
[0022]优选的，锁模元件的端面与激光器芯片的出光腔面均蒸镀高透射膜，锁模元件为光栅光纤或光子晶体器件，锁模元件为根据实际情况选择的具有波长锁定功能的元件。
[0023]本专利技术的有益效果在于：
[0024]1、本专利技术通过在脊型波导与激光器芯片出光腔面设定角度的方式，使得出光腔面反射回的光无法传回脊型波导，只有通过外部锁模元件反射回的光能传回波导内形成F
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P震荡，有效提高了器件整体的边模抑制比，大大降低了外腔激光器的跳模现象。
[0025]2、本专利技术采用宽度渐变式脊型波导结构，出光腔面处的脊型波导宽度较大，非出光腔面处的脊型波导宽度较小，可有效提高出光腔面处COD阈值，并且通过非出光腔面处较窄的脊型波导进行模式控制，确保了输出光为单模模式。
[0026]3、本专利技术通过弧形波导将倾斜波导和垂直波导实现连接，根据全反射原理设计了弧形波导的曲率，确保基模光在弧形波导的界面能实现全反射，而高阶模式的光无法实现全反射而被折射出脊型波导损耗掉，进一步抑制高阶模激射，提升单模输出的最大功率阈
值。
附图说明
[0027]图1为本专利技术的结构平面示意图；
[0028]图2为本专利技术的波导平面示意图；
[0029]图3为本专利技术的结构示意图；
[0030]图4为本专利技术的波导有效折射率分布图；
[0031]图5为本专利技术的光路图；
[0032]图6为本专利技术的局部光路图；
[0033]其中：1、垂直波导；2、弧形波导；3、倾斜波导；4、锁模元件；5、P面电极；6、绝缘层；7、P型限制层；8、P型波导层；9、有源区；10、N型限制层；11、N型波导层；12、N面电极；13、基模光；14、全反射光；15、折射出射光；16、反射损耗光；17、第一法线、18、第二法线；19、第三法线；20、脊条区域的有效折射率；21、脊条区域两侧的有效折射率；22、出光腔面；23、非出光腔面；24、激光器芯片；25、锁模元件端面；26、基模光在倾斜波导腔面处的入射角；27、基模光在倾斜波导腔面处的折射角；28、折射出射光在锁模元件端面处的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种渐变式稳频锁模、超窄线宽大功率基模外腔半导体激光器，其特征在于，包括激光器芯片和锁模元件，激光器芯片上设置波导，激光器芯片出光腔面外侧设置锁模元件，出光腔面折射出的光垂直锁模元件的端面进入锁模元件。2.如权利要求1所述的渐变式稳频锁模、超窄线宽大功率基模外腔半导体激光器，其特征在于，激光器芯片在横向上包括自下到上依次设置的N面电极、衬底、N型限制层、N型波导层、有源区、P型波导层和P型限制层，P型限制层上设置波导。3.如权利要求2所述的渐变式稳频锁模、超窄线宽大功率基模外腔半导体激光器，其特征在于，波导为三段式波导，三段式波导包括垂直波导、弧形波导和倾斜波导，垂直波导延伸至激光器芯片的非出光腔面，垂直波导经弧形波导连接至倾斜波导，倾斜波导延伸至激光器芯片的出光腔面，三段式波导为一体式结构，中间无隔断。4.如权利要求3所述的渐变式稳频锁模、超窄线宽大功率基模外腔半导体激光器，其特征在于，三段式波导为脊条式波导，倾斜波导与出光腔面的交界处位于激光器芯片一侧中间位置。5.如权利要求4所述的渐变式稳频锁模、超窄线宽大功率基模外腔半导体激光器，其特征在于，垂直波导与倾斜波导的水平延长线无重合；优选的，P型限制层上除脊条区域外设置绝缘层，在脊条区域以及绝缘层上设...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙春明，苏建，朱振，夏伟，徐现刚，
申请(专利权)人：山东华光光电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：