本實用新型涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，具體涉及一種基于多模干涉結(jié)構(gòu)的鎖模半導(dǎo)體激光器。

背景技術(shù)：

鎖模半導(dǎo)體激光器(MLLD)由于具有穩(wěn)定性好，可靠性高，價格低廉，并且能在很寬的波長范圍內(nèi)提供功率適中的亞皮秒脈沖等優(yōu)點，因此在光通訊、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器、光運算、光互聯(lián)、電光采樣等領(lǐng)域中取得重要的應(yīng)用。

然而鎖模半導(dǎo)體激光器的一個主要局限性在于其相對較低的出光功率，致使其無法應(yīng)用于如染料激光器和固體激光器等大型臺式激光系統(tǒng)中。一般鎖模半導(dǎo)體激光器的出光功率在幾十毫瓦左右。外加空間濾波器、采用陣列結(jié)構(gòu)、后置放大等方法已經(jīng)證明能有效提高鎖模激光器的出光功率，且保持單橫模輸出。楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如楔形增益區(qū)，通過增加有源區(qū)的增益面積，使單橫模的窄區(qū)域變成寬的多模區(qū)域，從而獲得較高的輸出功率，又以窄波導(dǎo)區(qū)作為飽和吸收區(qū)，在壓縮脈寬的同時還充當(dāng)模式過濾器的作用，抑制高階模式波產(chǎn)生激射。采用楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的鎖模半導(dǎo)體激光器能得到幾百毫瓦的亞皮秒脈沖。因此，增大有源區(qū)模式傳導(dǎo)的增益面積，能有效提高鎖模半導(dǎo)體激光器的出光功率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了得到高功率、窄脈寬的超短脈沖，本實用新型提供了一種基于多模干涉結(jié)構(gòu)的鎖模半導(dǎo)體激光器，技術(shù)方案如下。

一種基于多模干涉結(jié)構(gòu)的鎖模半導(dǎo)體激光器，該鎖模半導(dǎo)體激光器采用條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上形成增益區(qū)、電隔離區(qū)和飽和吸收區(qū)，所述電隔離區(qū)位于增益區(qū)和飽和吸收區(qū)之間，其中，所述吸收區(qū)的一部分、所述電隔離區(qū)以及所述增益區(qū)的一部分構(gòu)成多模干涉結(jié)構(gòu)，或者所述增益區(qū)的一部分構(gòu)成多模干涉結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述增益區(qū)的總長度大于飽和吸收區(qū)的總長度。

進(jìn)一步地，所述多模干涉區(qū)的長度為多模波導(dǎo)輸出截面得到單一成像的最短耦合長度。

進(jìn)一步地，所述增益區(qū)包括第一長條形以及從第一長條形的長度方向的第一端面沿其長度方向的軸線延伸出的位于該軸線上的第二長條形，第二長條形相對于該軸線對稱，第二長條形的寬度小于第一長條形的寬度；

所述飽和吸收區(qū)包括第三長條形以及從第三長條形的長度方向的第一端面沿其長度方向的軸線延伸出的位于該軸線上的第四長條形，第四長條形相對于該軸線對稱；

所述電隔離區(qū)一側(cè)的表面與增益區(qū)的第一長條形的遠(yuǎn)離第一端面的第二端面接觸，相對的另一側(cè)的表面與飽和吸收區(qū)的第三長條形的遠(yuǎn)離第一端面的第二端面接觸；

所述增益區(qū)的第一長條形、所述電隔離區(qū)和所述飽和吸收區(qū)的第三長條形一起構(gòu)成所述多模干涉區(qū)。

進(jìn)一步地，所述增益區(qū)包括第一長條形、從第一長條形的長度方向的第一端面沿其長度方向的軸線延伸出的位于該軸線上的第二長條形以及從第一長條形的長度方向的第二端面沿其長度方向的軸線延伸出的位于該軸線上的第三長條形，第二長條形和第三長條形均相對于該軸線對稱，第二端面與第一端面相對；第二長條形和第三長條形的寬度相等；

飽和吸收區(qū)包括第四長條形，第四長條形位于第一長條形長度方向的軸線的延長線上，第四長條形相對于該軸線的延長線對稱，第四長條形的寬度等于第三長條形的寬度；

電隔離區(qū)一側(cè)的表面與增益區(qū)的第三長條形的延伸端面接觸，相對的另一側(cè)的表面與飽和吸收區(qū)的第四長條形的一端的端面接觸；

所述增益區(qū)的第一長條形構(gòu)成多模干涉區(qū)。

進(jìn)一步地，所述增益區(qū)包括第一長條形、從第一長條形的長度方向的第一端面沿其長度方向的軸線延伸出的位于該軸線上的第二長條形，第二長條形相對于該軸線對稱；

飽和吸收區(qū)包括第四長條形，第四長條形位于第一長條形長度方向的軸線的延長線上，并相對于該軸線對稱，或者位于第一長條形長度方向的軸線的延長線的上方或者下方，但不超出增益區(qū)的第一長條形的遠(yuǎn)離第一端面的第二端面的范圍；第四長條形的寬度等于第二長條形的寬度；

電隔離區(qū)一側(cè)的表面與增益區(qū)的第一長條形的遠(yuǎn)離第一端面的第二端面接觸，相對的另一側(cè)的表面與飽和吸收區(qū)的第四長條形的一端的端面接觸；

所述增益區(qū)的第一長條形構(gòu)成多模干涉區(qū)。

進(jìn)一步地，電隔離區(qū)沿增益區(qū)的長度方向的尺寸為5um～10um。

進(jìn)一步地，增益區(qū)的出光端面鍍有增透膜；飽和吸收區(qū)遠(yuǎn)離增益區(qū)的端面鍍有高反膜。

進(jìn)一步地，所述鎖模半導(dǎo)體激光器依次包括下電極、襯底、下分離限制層、波導(dǎo)層、上分離限制層、蓋層、Si0₂電流隔離層和上電極。

本實用新型的有益效果：本實用新型在多模干涉結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計鎖模半導(dǎo)體激光器，多模干涉結(jié)構(gòu)作為增益區(qū)，利用多模干涉區(qū)波導(dǎo)較寬的增益面積起到增益放大的作用，從而提高輸出脈沖的光功率；窄面積區(qū)作為吸收區(qū)，利用吸收區(qū)所具有的飽和吸收特性及其引起的非線性折射效應(yīng)，有效壓縮光脈沖寬度，且能保證單橫模輸出，又有利于光場的輸出耦合。本實用新型提出的鎖模半導(dǎo)體激光器能得到高功率的超短脈沖，且制作簡單，利于光學(xué)集成。

附圖說明

圖1是本實用新型提出的基于多模干涉結(jié)構(gòu)的鎖模半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型提出的基于多模干涉結(jié)構(gòu)的鎖模半導(dǎo)體激光器的第一種脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實用新型提出的基于多模干涉結(jié)構(gòu)的鎖模半導(dǎo)體激光器芯片示意圖；

圖4是本實用新型提出的基于多模干涉結(jié)構(gòu)的鎖模半導(dǎo)體激光器的第二種脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本實用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明。但本領(lǐng)域技術(shù)人員都知曉，本實用新型并不局限于附圖和以下實施例。文中所述的第一和第二等表述，僅是為了區(qū)分各技術(shù)特征，并無實質(zhì)含義。

本實用新型提出的一種基于多模干涉結(jié)構(gòu)的鎖模半導(dǎo)體激光器，如圖1所示，依次由下電極108、以GaAs為材料的襯底107、n-Al_xGa_1-xAs構(gòu)成下分離限制層106、含五層InGaAs量子點及量子點層間隔GaAs隔離勢壘層的波導(dǎo)層105、上分離限制層104的材料為p-Al_xGa_1-xAs、蓋層103、Si0₂電流隔離層102、上電極101構(gòu)成。

該鎖模半導(dǎo)體激光器的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以采用條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等，波導(dǎo)層105的折射率大于上分離限制層104和下分離限制層106的折射率。

在所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上形成多模干涉結(jié)構(gòu)，該多模干涉結(jié)構(gòu)由增益區(qū)、電隔離區(qū)、飽和吸收區(qū)構(gòu)成，可以將吸收區(qū)的一部分、電隔離區(qū)以及增益區(qū)的一部分構(gòu)成多模干涉區(qū)，或者還可以將增益區(qū)的一部分構(gòu)成多模干涉區(qū)。

下面以波導(dǎo)結(jié)構(gòu)采用脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為例，結(jié)合附圖對多模干涉結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。

實施例1

圖2給出了基于多模干涉結(jié)構(gòu)的鎖模半導(dǎo)體激光器的第一種脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖，圖3給出了包括本實施例的多模干涉結(jié)構(gòu)的鎖模半導(dǎo)體激光器芯片示意圖。在該脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的脊上形成增益區(qū)21、電隔離區(qū)22以及飽和吸收區(qū)23，電隔離區(qū)22位于增益區(qū)21和飽和吸收區(qū)23之間，對增益區(qū)21和飽和吸收區(qū)23進(jìn)行電隔離。

其中，為了使增益大于損耗，增益區(qū)21的總長度大于飽和吸收區(qū)23的總長度，優(yōu)選地，增益區(qū)21的長度是飽和吸收區(qū)23的長度的3～10倍。

增益區(qū)21包括第一長條形211以及從第一長條形211的長度方向的第一端面沿其長度方向的軸線延伸出的位于該軸線上的第二長條形212，第二長條形212相對于該軸線對稱，第二長條形212的寬度小于第一長條形211的寬度，第一長條形211位于第二長條形212寬度的中間位置；

飽和吸收區(qū)23包括第三長條形231以及從第三長條形231的長度方向的第一端面沿其長度方向的軸線延伸出的位于該軸線上的第四長條形232，第四長條形232相對于該軸線對稱，第四長條形232的寬度小于第三長條形231的寬度；

電隔離區(qū)22一側(cè)的表面與增益區(qū)21的第一長條形211的遠(yuǎn)離第一端面的第二端面接觸，相對的另一側(cè)的表面與飽和吸收區(qū)23的第三長條形231的遠(yuǎn)離第一端面的第二端面接觸。優(yōu)選地，電隔離區(qū)22沿增益區(qū)21的長度方向的尺寸優(yōu)選地為5～10um。

在本實施例中，增益區(qū)21的第一長條形211、電隔離區(qū)22和飽和吸收區(qū)23的第三長條形231一起構(gòu)成了多模干涉區(qū)24，多模干涉區(qū)的存在使激光器的增益面積成倍數(shù)增加，更好地抑制了增益飽和現(xiàn)象，起到增益放大光脈沖的作用，有效提高輸出光的功率。

多模干涉區(qū)24的長度為多模波導(dǎo)輸出截面得到單一成像的最短耦合長度。如多模波導(dǎo)區(qū)的脊型波導(dǎo)寬度設(shè)定為13um，即增益區(qū)21的第一長條形211的寬度和飽和吸收區(qū)23的第三長條形231的寬度為13um，波導(dǎo)區(qū)的有效折射率為3.43，上下分離限制層的有效折射率為3.3，則多模干涉區(qū)的最短長度為460um。

優(yōu)選地，為了保證單橫模輸出及利于光場的耦合，單模波導(dǎo)的寬度既不能太寬也不能太窄，這里設(shè)定單橫模的脊型波導(dǎo)寬度為4um，即增益區(qū)21的第二長條形212的寬度和飽和吸收區(qū)23的第四長條形232的寬度為4um。

增益區(qū)21的第二長條形212遠(yuǎn)離第一長條形211的一端的端面為鍍增透膜25的出光端面，增透膜25的反射率為3％；飽和吸收區(qū)23的第四長條形232遠(yuǎn)離第三長條形231的一端的端面鍍高反膜26，高反膜26的反射率為97％。

該鎖模半導(dǎo)體激光器在工作時，在增益區(qū)21上施加正向電流，在飽和吸收區(qū)23上施加反向偏壓。

實施例2

本實施例與實施例1的不同之處在于，本實施例中，飽和吸收區(qū)移至窄長條形(對應(yīng)于實施例1中的第四長條形232)上，讓出的區(qū)域?qū)儆谠鲆鎱^(qū)。下面結(jié)合圖4對本實施例的多模干涉結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。

在該脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的脊上形成增益區(qū)41、電隔離區(qū)42以及飽和吸收區(qū)43，電隔離區(qū)42位于增益區(qū)41和飽和吸收區(qū)43之間，對增益區(qū)41和飽和吸收區(qū)43進(jìn)行電隔離。

其中，增益區(qū)41的總長度大于飽和吸收區(qū)43的總長度，優(yōu)選地，增益區(qū)41的總長度是飽和吸收區(qū)43的總長度的3～10倍。

增益區(qū)41包括第一長條形411、從第一長條形411的長度方向的第一端面沿其長度方向的軸線延伸出的位于該軸線上的第二長條形412以及從第一長條形411的長度方向的第二端面沿其長度方向的軸線延伸出的位于該軸線上的第三長條形413，第二長條形412和第三長條形413均相對于該軸線對稱，第二端面與第一端面相對；第二長條形412和第三長條形413的寬度相等，均小于第一長條形411的寬度，第二長條形412及第三長條形413位于第一長條形411寬度的中間位置；

飽和吸收區(qū)43包括第四長條形432，第四長條形432位于第一長條形411長度方向的軸線的延長線上，第四長條形432相對于該軸線的延長線對稱，第四長條形432的寬度等于第三長條形413的寬度。

電隔離區(qū)42一側(cè)的表面與增益區(qū)41的第三長條形413的延伸端面接觸，相對的另一側(cè)的表面與飽和吸收區(qū)的第四長條形432的一端的端面接觸。優(yōu)選地，電隔離區(qū)42沿增益區(qū)41的長度方向的尺寸設(shè)置為5um～10um。

在本實施例中，增益區(qū)41的第一長條形411構(gòu)成了多模干涉區(qū)，整個多模干涉區(qū)均屬于增益區(qū)41，大大增加了激光器增益區(qū)的面積，有利于激光器輸出功率的提高。

多模干涉區(qū)的長度為多模波導(dǎo)輸出截面得到單一成像的最短耦合長度。如多模波導(dǎo)區(qū)的脊型波導(dǎo)寬度設(shè)定為13um，即增益區(qū)41的第一長條形411的寬度為13um，波導(dǎo)區(qū)的有效折射率為3.43，上下分離限制層的有效折射率為3.3，則多模干涉區(qū)的最短長度為460um。

優(yōu)選地，為了保證單橫模輸出及利于光場的耦合，單模波導(dǎo)的寬度既不能太寬也不能太窄，這里設(shè)定單橫模的脊型波導(dǎo)寬度為4um，即增益區(qū)41的第二長條形412的寬度和第三長條形413的寬度及飽和吸收區(qū)43的第四長條形432的寬度為4um。

增益區(qū)41的第二長條形412遠(yuǎn)離第一長條形411的一端的端面為鍍增透膜的出光端面，增透膜的反射率為3％；飽和吸收區(qū)43的第四長條形432遠(yuǎn)離增益區(qū)41的第三長條形413的一端的端面鍍高反膜，高反膜的反射率為97％。

該鎖模半導(dǎo)體激光器在工作時，在增益區(qū)41上施加正向電流，在飽和吸收區(qū)43上施加反向偏壓。

替代地，本實施例中增益區(qū)41的第三長條形413也可省去，即電隔離區(qū)42一側(cè)的表面與增益區(qū)41的第一長條形411的所述第二端面接觸，相對的另一側(cè)的表面與飽和吸收區(qū)43的第四長條形432的一端的端面接觸。

以上，對本實用新型的實施方式進(jìn)行了說明。但是，本實用新型不限定于上述實施方式。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。