CN114256736A - 一种快速可调谐半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速可调谐半导体激光器，半导体激光器为双段式结构或多段式结构；双段式结构由一段电阻区和一段增益区组成，或由两段增益区组成；多段式结构由多组电阻区和增益区组成的双段式结构交替组成；通过对电阻区或增益区的外延层掺杂提高电阻，并通过改变注入电流的大小实现激射波长的调谐。本发明采用外延材料对接生长实现激光器芯片外延层内部不同区域掺杂不同，从而实现在激光器内部直接电导率分布的不同，而导致沿腔具有不同的电阻；因为激光器高电阻区可以用作发热功能，从而通过注入电流可以调节激光器沿腔折射率，实现激光器波长快速可调谐。

Description

一种快速可调谐半导体激光器

技术领域

本发明涉及光子与光电子技术领域，更具体的说是涉及一种波长可调的半导体激光器，光源可以应用于波分复用光通信模块、激光气体检测、光纤传感解调仪以及激光雷达等多种信息技术领域。

背景技术

可调谐激光器可以改变激光器波长，其在波分复用光模块、激光气体吸收谱检测、光纤光栅解调仪、激光雷达等诸多领域都是关键器件。但是可调谐激光器在改变波长的同时也需要确保单模特性以及功率等其它性能，所以研制的难度大。虽然现在具有成熟的可调谐激光器方案，比如基于取样光栅的DBR激光器、多波长激光器阵列、外腔滤波器结合增益芯片等，其在以下学术期刊中予以公开：

1、花金平，江毅：可调谐外腔半导体激光器研究进展，《半导体光电》 2021年2月第42卷第2期；

2、吕向东，赵建宜，熊永华，余思佳，马卫东：基于取样光栅的可调谐激光器的设计与研究，《光通信研究》，2019年第6期；

3、董雷：宽可调谐SGDBR半导体激光器理论和实验研究，博士学位论文。

但是这些方案整体都具有激光器结构复杂、制造难度大和成品率低等缺陷，所以成本很高。此外，这些激光器虽然调谐范围很宽，一般在30nm以上，但是调谐速度慢。目前在很多应用场合，由于可调谐激光器的成本、性能等原因，相关的系统应用都受到较大限制。

因此，目前需要一种低成本制造、且能较快速度调谐的激光器芯片，同时，能够使得该激光器测试与封装容易，结构紧凑，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种快速可调谐半导体激光器，旨在解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种快速可调谐半导体激光器，所述半导体激光器为双段式结构或多段式结构；

所述双段式结构由一段电阻区和一段增益区组成，或由两段增益区组成；所述多段式结构由多组电阻区和增益区组成的所述双段式结构交替组成；通过对电阻区或增益区的外延层掺杂提高电阻，并通过改变注入电流的大小实现激射波长的调谐。

通过上述技术方案，本发明采用外延材料对接生长实现激光器芯片外延层内部不同区域掺杂不同，从而实现在激光器内部直接电导率分布的不同，而导致沿腔具有不同的电阻；因为激光器高电阻区可以用作发热功能，从而通过注入电流可以调节激光器沿腔折射率，实现激光器波长快速可调谐。

优选的，在上述一种快速可调谐半导体激光器中，所述双段式结构和所述多段式结构的出光端面均镀有增透膜，另一端面均镀有增反膜。

优选的，在上述一种快速可调谐半导体激光器中，在一段电阻区和一段增益区组成的所述双段式结构中，电阻区的电阻通过控制外延层掺杂实现较高的电阻，避免了制作额外的热薄膜电阻等控温手段；增益区为发光区域，通过改变注入电流，电阻区发热量大，所以实现折射率的控制，从而实现波长的调谐；在两段增益区组成的所述双段式结构中，两段增益区的的外延层掺杂不同，所以电阻可以实现不同的阻值，注入电流可以实现两段不同折射率变化从而实现布拉格波长改变量不同，从而实现激射波长的调谐。

优选的，在上述一种快速可调谐半导体激光器中，在所述多段式结构中，光栅制作在电阻区或增益区，两个区的长度合理，所述电阻区或增益区的长度设置使得所述光栅0级谐振峰在材料增益范围内，其它级次在增益范围外，电阻区发热量大，折射率变化大，通过改变电流实现波长调谐。

优选的，在上述一种快速可调谐半导体激光器中，一段电阻区和一段增益区组成的所述双段式结构共用一对正电极和负电极，或使用两个分控的正电极和一个负电极；两段增益区组成的所述双段式结构共用一对正电极和负电极，或使用两个分控的正电极和一个负电极。

优选的，在上述一种快速可调谐半导体激光器中，所述半导体激光器的有源区为可见光、近红外、中红外或太赫兹波长。

优选的，在上述一种快速可调谐半导体激光器中，所述半导体激光器的有源区或电阻区上的光栅为掩埋式光栅、波导侧壁光栅，或表面光栅。

优选的，在上述一种快速可调谐半导体激光器中，所述半导体激光器贴片在载体上，并装配在制冷器上进行控温，通过电流调谐实现激光器波长调谐。

优选的，在上述一种快速可调谐半导体激光器中，所述电阻区的能带荧光波长与所述增益区相同，或所述增益区的能带荧光波长小于所述电阻区，进而实现无源的波导。

优选的，在上述一种快速可调谐半导体激光器中，所述半导体激光器后端集成光放大器与调制器，从而实现出光不同波长光功率均衡的可调谐激光器以及光调制。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种快速可调谐半导体激光器，具有以下有益效果：

1、本发明采用外延材料对接生长实现激光器芯片外延层内部不同区域掺杂不同，从而实现在激光器内部直接电导率分布的不同，而导致沿腔具有不同的电阻；因为激光器高电阻区可以用作发热功能，从而通过注入电流可以调节激光器沿腔折射率，实现激光器波长快速可调谐。

2、本发明不需要额外制作热敏电阻等手段控温，也不需要额外制作相位区以及多个电极复杂控制，制造工艺和传统半导体激光器以及光电子芯片工艺相同，所以可以大规模低成本生产。

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附图为本发明实施例1提供的具有电阻区和增益区可调谐激光器的结构示意图；

图2附图为本发明实施例1提供的电阻区和增益区正电极独立控制的结构示意图；

图3附图为本发明实施例1提供的光在激光器内部谐振的示意图；

图4附图为本发明实施例1提供的左侧反射膜的反射带宽示意图；

图5附图为本发明实施例1提供的右侧光栅反射带宽示意图；

图6附图为本发明实施例1提供的电阻区和增益区两个电阻并联结构示意图；

图7附图为本发明实施例1提供的温度沿着激光器腔的变化示意图；

图8附图为本发明实施例1提供的激光器波导有效折射率沿腔分布示意图；

图9附图为本发明实施例1提供的激射波长在光栅反射带宽内往常波长漂移示意图；

图10附图为本发明实施例2提供的双增益区双段式结构示意图；

图11附图为本发明实施例2提供的双电极结构示意图；

图12附图为本发明实施例2提供的激光器谐振波长随着电流改变示意图；

图13附图为本发明实施例2提供的激光器谐振波长随着电流改变示意图；

图14附图为本发明实施例3提供的激光器电阻区域增益区交替多段式结构示意图；

图15附图为本发明实施例3提供的多段式结构墙内温度变化示意图；

图16附图为本发明实施例3提供的取样光栅多信道反射；

图17附图为本发明实施例3提供的材料增益有限带宽的示意图；

图18附图为本发明提供的对接生长工艺流程。

其中：

1-电阻区；2-增益区；3-增透膜；4-增反膜；5-光栅；6-正电极；7-负电极。

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。

实施例1：

参见附图1和附图2，本发明实施例公开了一种电阻区1与增益区2组合的双段式结构；

激光器沿腔分成两部分，其中一部分是电阻区1，另一部分是增益区2。激光器外延制作过程中通过对接生长等方式实现不同外延区域掺杂的不同。这里电阻区1的外延材料掺杂小，一般在靠近量子阱的区域掺杂小，电阻区1 长度不同，掺杂浓度也不同。可以设计掺杂浓度使得这外延区域的内部串联电阻具有一个比较高的值。这个区域的量子阱荧光(PL)谱波长建议往短波长移动100nm以上，也就是对于激射波长是无源波导。增益区2的掺杂和量子阱PL谱波长和常规激光器相同，主要产生激光器的谐振放大作用。正负电极可以两个区可以共用一个，也可以正电极6独立控制，如图2。因为整体电极比较少，一般1-2个电极，所以芯片驱动控制容易。又因为电阻区1内部电导率小，具有较高电阻，所以在外延层及波导内部直接产生热，直接在外延内部改变折射率，控制效率高，而并不需要额外的外部热电阻等手段控温。这样整体结构紧凑，控温速度快，使用方便。掺杂的分布一般采用渐变分布，即靠近量子阱或者波导高折射率芯层区域，掺杂小；远离量子阱或者波导高折射率芯层区域掺杂大，这样一方面有利于光传播损耗小，另一方面减小因为掺杂扩展导致的功能失效。

激光器左侧可以镀膜增反膜4，右侧为出光面镀增透膜3。因为增益区2 有源层上面制作波导光栅，具有有限波长的反射带宽，左侧的反射膜具有较大波长范围的反射带宽。所以这个结构会形成光谐振，如图3-5。这样激光器的谐振波长与光栅布拉格波长、电阻区1的折射率有关，即满足相位匹配条件的光波长为一个潜在的激射波长。

整体而言，该结构的激光器芯片电阻区1和增益区2两部分类似于两个电阻的并联，即电阻区1的电阻R1和增益区2的电阻R2两个电阻并联，如图6。由于R1我们设计成大电阻，所以发出更大的热量，而R2是小电阻，发热量比较小。温度沿腔的改变如图7所示。对于半导体材料，温度与折射率近似成正比，所以激光器波导的有效折射率沿着腔分布如图8所示。因为电阻区1的功耗随电流变化远大于增益区2，所以对于一个正电极情况，在激光器改变注入电流的时候，电阻区1的有效折射率改变量远大于增益区2，所以导致了谐振模式即激射波长的变化。这种变化一方面整体温度增加，所以激射波长有个整体往长波长漂移的趋势，另一个因为电阻区1折射率比增益区有个比较大的相对改变量，所以激射波长也会更取向长波长，如图9所示。电阻区的长度设计需要合理，这样能确保单模激射。一般激光器芯片贴片在载体上，并配有制冷器控温。因为激光器芯片体积很小，周围大环境温度稳定，所以可以根据注入电流快速升温和降温。因此当电流改变时，波长会很快发生改变。

实施例2：

参见附图10，本实施例采用两个增益区2结构。这种结构也通过对接生长等方式实现两个增益区2的掺杂不同，导致电阻不同。两段可以采用相同的正电极6和负电极7，也可以单独控制电极，如图11所示。因为两段电阻不同，随着电流的注入，两段有效折射率改变不同，也即两段的光栅反射谱波长漂移变化量不同，这样谐振峰即激射波长会发生改变，如图12和13。当然，电流的增加，因为发热，也会导致整体波长也会往长波长移动。波长的调谐是两者效应之和。

实施例3：

参见附图14，本实施例采用多段式的结构。这种情况，如果光栅5只是制作在增益区2，这就类似于取样光栅。光在这种结构中谐振光程因为同时收到电阻区1和增益区2的影响，所以类似于几乎整个腔的热量都得到较大的改变，并呈现周期性，因此折射率也整个腔都收到电阻区1的较大改变，如图15所示。所以通过注入电流的改变，可以很方便实现整个腔的有效折射率变化。这里注意的是，因为是取样结构，所以光栅呈现多信道的反射，如图16，所以电阻区1需要比较短，这样0级反射峰与其它级次有一定的波长差，使得0级处于材料增益波长内，其它级次在增益波长外，如图16和17。

这里激光器的谐振波长可以通过设计有源区量子阱结构进行调整实现可见光、近红外波长，也可以通过设计量子级联结构实现中红外甚至太赫兹波长。本实施例的结构主要在于控制电阻区，所以对于不同波长的激光器都是适用的。这里的光栅5可以为掩埋式光栅，即光栅制作在一次外延片表面，然后进行二次外延；也可以是波导侧壁光栅，即将光栅制作在脊波导的侧壁；或者是表面光栅，即激光光栅制作在脊波导表面，一般这种情况都是大周期高阶光栅结构。

由于激光器的热效应，当发热量大时候，激光器增益降低，出光功率弱。如果对不同波长的光功率需要接近相同，那么需要在激光器后面集成一个光放大器，通过监控激光器背光功率，从而调节光放大器功率，实现出光功率均衡。也可以集成调制器，从而实现波长可调与调制。

本发明提出的结构关键一步工艺是外延材料的对接生长，如图18。该工艺是传统的外延加工工艺。首先在一次外延片上沉积一层二氧化硅作为掩膜，如图18(b)。通过光刻等工艺将需要对接生长区域表面的掩膜刻蚀掉，把外延材料裸露出来，如图18(c)。通过干法和湿法等刻蚀手段将不需要的外延结构刻蚀掉如图18(d)。然后在刻蚀掉的区域生长我们所需要的外延材料，如果是电阻区，此时掺杂浓度需要准确控制在比较好的范围内，一般采用渐变掺杂，靠近量子阱区域掺杂小，或不掺杂，尤其是P型掺杂区域需要合理控制，该区域对电导率的影响比较大，如图18(e)。然后将二氧化硅掩膜腐蚀掉，再在外延材料上面生长其它层材料或者制作光栅等工艺。

激光器制作流程(以脊波导掩埋光栅激光器为例)：

本发明中的半导体激光器的衬底一般应用III-V族化合物半导体材料(如GaAlAs/GaAs，InGaAs/InGaP，GaAsP/InGaP，InGaAsP/InP，InGaAsP/GaAsP， AlGaInAs等)，同时也可应用II-VI族化合物半导体材料、IV-VI族化合物半导体材料等各种三元化合物、四元化合物半导体材料。

本发明提供的大功率DFB半导体激光器一端采用抗反射膜，抗反射膜的端面反射率范围在0.05％到1％的范围内，另一端采用高反射膜，反射率在 95％以上，从而能够增加激光器的出光功率。本发明的大功率DFB半导体激光器可以用于多种波段，具体如1310波段和1550波段和1650波段。光栅周期的值与增益区量子阱材料需要根据具体的所需要的激射波长设计。外延结构从下往上主要包括衬底、缓冲层、分别下限制层、多量子阱(阱和垒)和分别上限制层，光栅层、渐变掺杂层、盖帽层等。

首先进行第一次外延材料生长，材料长到光栅层。通过图18所示的方法进行材料对接生长。然后做光栅后进行二次外延到盖帽层。然后进行扇形与单模波导的刻蚀，镀氧化膜做电隔离，开电极窗口，以及正蒸镀电极、减薄、蒸镀负电极。最后解离成bar条，进行端面镀膜。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

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 (10)

1.一种快速可调谐半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器为双段式结构或多段式结构；

所述双段式结构由一段电阻区(1)和一段增益区(2)组成，或由两段增益区(2)组成；所述多段式结构由多组电阻区(1)和增益区(2)组成的所述双段式结构交替组成；通过对电阻区(1)或增益区(2)的外延层掺杂提高电阻，并通过改变注入电流的大小实现激射波长的调谐。

2.根据权利要求1所述的一种快速可调谐半导体激光器，其特征在于，在一段电阻区(1)和一段增益区(2)组成的所述双段式结构中，对电阻区(1)的外延层掺杂提高电阻；在两段增益区(2)组成的所述双段式结构中，两段增益区(2)的外延层掺杂不同。

3.根据权利要求1所述的一种快速可调谐半导体激光器，其特征在于，在所述多段式结构中，光栅(5)制作在电阻区(1)或增益区(2)，所述电阻区(1)或增益区(2)的长度设置使得所述光栅0级谐振峰在材料增益范围内，其它级次在增益范围外。

4.根据权利要求1所述的一种快速可调谐半导体激光器，其特征在于，一段电阻区(1)和一段增益区(2)组成的所述双段式结构共用一对正电极(6)和负电极(7)，或使用两个分控的正电极(6)和一个负电极(7)；两段增益区(2)组成的所述双段式结构共用一对正电极(6)和负电极(7)，或使用两个分控的正电极(6)和一个负电极(7)。

5.根据权利要求1所述的一种快速可调谐半导体激光器，其特征在于，所述双段式结构和所述多段式结构的出光端面均镀有增透膜(3)，另一端面均镀有增反膜(4)。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种快速可调谐半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器的有源区为可见光、近红外、中红外或太赫兹波长。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的一种快速可调谐半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器的有源区或电阻区(1)上的光栅(5)为掩埋式光栅、波导侧壁光栅或表面光栅。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的一种快速可调谐半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器贴片在载体上，并装配在制冷器上进行控温，通过电流调谐实现激光器波长调谐。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的一种快速可调谐半导体激光器，其特征在于，所述电阻区(1)的能带荧光波长与所述增益区(2)相同，或所述增益区(2)的能带荧光波长小于所述电阻区(1)，进而实现无源的波导。

10.根据权利要求1-5中任一项所述的一种快速可调谐半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器后端集成光放大器与调制器，从而实现出光不同波长光功率均衡的可调谐激光器以及光调制。

Images