相干光源部件的制作方法

本发明涉及光学领域，特别涉及一种相干光源部件。

背景技术

半导体激光器具有高可靠性、小体积、高功率转换效率、低成本等优点，其寿命可达10万小时以上，封装后体积仅几个立方厘米，功率转换效率高达50％以上，因而被广泛用于成像、通信、机械加工等领域。

例如，在微波光子学、激光雷达、电子战等通信、探测领域中广泛应用的微波光纤链路，其光源半导体激光器的输出功率与rin(relativeintensitynoise，相对强度噪声)特性对链路的无杂散动态范围(sfdr)、噪声系数(nf)等指标有重要影响。

然而，半导体激光器同时保持大功率与低rin特性具有较大挑战。目前，国际上提高其功率的主流方法是在保证半导体激光器单模工作前提下提高其输出功率。具体方法包括：减小谐振腔内部损耗，提高模式增益，抑制热效应等。基于以上方法，apic公司zhaoyg等人已经研制得到了单个输出功率在200mw，同时rin低于－165db/hz，波长在1550nm附近的单模分布式反馈式(dfb)激光器。但继续提高激光器的输出功率，现有的技术手段已经无法克服空间烧孔、热效应等对激光器单模、rin特性的影响。

激光器阵列可以有效扩展激光器的输出功率，降低对单个激光器输出功率的要求。基于相干合成的激光技术是近年来的热点研究课题，使阵列激光器锁相输出，以实现光束的相干。

美国deps举办的定向能系统年会和固体与二极管激光技术年会，以及激光科学领域的cleo和spiephotonicswest等国际会议都专门设立了相干合成技术专题，涉及的激光器包括半导体激光器、光纤激光器、气体激光器等各种类型的激光器。

半导体激光器的相干合成技术，早在1970年就已经出现，美国bell实验室的ripperje等人通过倏逝波耦合实现了2路gaas激光器锁相输出。

随着相干合成技术的发展，激光器相干合成的实现方法还出现了漏波耦合，talbot外腔耦合等，以上方法采用被动锁相技术，即无须外部控制，仅靠阵列单元之间的相互作用实现锁相。被动锁相技术的困难在于阵列的单元数量有限，且相干合成效果随着阵列单元数量增加而减弱，并且存在振荡及多模工作。为了克服以上问题，又发展了主动锁相技术。

主动锁相技术主要有两种，第一种：先对激光器的光进行分束，再用光放大器对每路光放大，即mopa结构；第二种与第一种类似，区别在于光进行分束后采用激光器进行光放大，为了保证各路光的相干性，可采用注入锁定技术。

在1995年mcdonnelldouglas公司josephlevy等人采用mopa结构实现了900路的阵列相干合成，近场输出功率达到36w。但是在光放大过程中新的光、电噪声，最终导致阵列的rin特性恶化。

在1999年德国stuttgart大学的larsbartelt-berger等人采用一个主激光器同时注入锁定15个分立的从激光器(简称larsbartelt-berger激光阵列)实现了阵列的相干合束，但合束后输出的激光存在的功率不稳定和rin特性恶化等缺点。

因此，目前急需发展一种可靠的部件，既能实现稳定功率的激光输出，又能抑制输出激光的rin特征，满足其应用需求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种相干光源部件，以解决半导体激光器存在的功率不稳定和噪声恶化的问题。

本发明提供一种相干光源部件，该部件沿光的传播方向依次设置：分束器、从激光器阵列和合束器；

分束器将输入的种子光源分成n路激光输出；n路激光输入从激光器阵列，从激光器阵列通过注入锁定控制使从激光器阵列中的n路激光器的输出激光与输入激光具有相同的频率和固定的相位偏差；从激光器阵列输出的n路激光输入合束器后被合成为一束激光输出；

部件在从激光器阵列与分束器之间或从激光器阵列与合束器之间还设置相位调制器；相位调制器将输入其的n路激光调制成具有相同相位的n路激光输出；

从激光器阵列与相位调制器直接连接或采用波导连接，分束器的输出端与其相邻器件采用波导连接，合束器的输入端与其相邻器件采用波导连接。

本发明通过改善相干光源部件结构，确保进入合束器的各路激光具有相同的频率和相同的相位，使得本申请相关光源部件输出的激光同时具备稳定的功率和低rin特性，满足其应用需求。

附图说明

图1为本发明相干光源部件第一实施例；

图2为本发明相干光源部件第二实施例；

图3a-图3j为本发明相干光源芯片制作过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

由于larsbartelt-berger激光阵列存在：输出激光功率不稳定、rin特性恶化等问题，使得注入锁定激光阵列技术一直无法推广到实际应用领域，严重阻碍了该技术的发展。

larsbartelt-berger激光阵列是由分立器件构成，分立器件之间采用光纤连接，本发明对该系统进行了深入研究，反复分析并定位造成“输出的功率不稳定和rin特性恶化”的原因。最终发现，连接分立器件的光纤对温度敏感，造成光纤中传输激光的相位波动，导致该阵列“输出的功率不稳定”，同时各激光的相位本身也存在差异，导致该阵列输出激光的“rin特性恶化”。

基于此，本发明对现有技术进行了改进，提出一种相干光源部件，如图1所示，该部件沿光的传播方向依次包括：分束器(3)、从激光器阵列(4)和合束器(6)；

分束器(3)将输入其的种子光源分成n路激光输出；n路激光输入从激光器阵列(4)，从激光器阵列(4)通过注入锁定控制使其n路激光器的输出激光与输入激光具有相同的频率和固定的相位偏差；从激光器阵列输出的n路激光再输入合束器(6)后被合成为一束激光输出；

在分束器(3)与从激光器阵列(4)之间或从激光器阵列(4)与合束器(6)之间还包括相位调制器(5)；相位调制器(5)将输入其的n路激光调制成具有相同相位的n路激光输出；

从激光器阵列(4)与相位调制器(5)直接连接或采用波导连接，分束器(3)的输出端与其相邻器件采用波导(3-1)连接，合束器(6)的输入端与其相邻器件采用波导(6-1)连接。

本发明的相干光源部件，其一，通过注入锁定确保进入合束器的各路激光具有相同的频率；其二，分束器至合束器之间的器件采用直接连接和波导连接，代替光纤连接，可避免引起各路激光的相位波动，确保各位激光的相位稳定性，避免合成激光的功率波动；其三，通过相位调制器调整n路激光使其具有相同的相位，降低合成激光的rin特征；基于上述三个特征，解决larsbartelt-berger激光阵列存在的问题，使得本发明的相干光源部件可输出的具有稳定功率和低rin特性(良好的相干特征)的合成激光，满足应用需求。

在图1中，分束器(3)和/或合束器(6)可选用多模干涉耦合器(mmi，multimodeinterferencecoupler)，多模干涉耦合器为小型化器件，有利于减少部件的整体尺寸。因分束器与合束器功能上具有镜像对称关系，因此可具有相同的结构，以减小设计与制作难度。

可选地，分束器输入端和/或合束器输出端配置模斑转换器，以增强光耦合效率，或者分束器输入端和/或合束器输出端的端面采用倾斜端面，以减小端面反射的影响，或者分束器输入端和/或合束器输出端的端面镀抗反射膜，进一步以减小端面反射的影响。

波导3-1和波导6-1可采用任意结构，在图1中，波导3-1和波导6-1为弯曲波导结构。

相位调制器(5)有两种常用调制方式，一种是电调制，另一种是热调制，电调制具有调制速度快、热功率低等优点，可优选作为本发明的相位调制器。

除了图1中的相干光源部件所涉及的器件外，如图2所示，注入锁定激光阵列一般还包括发出种子光源的主激光器(1)，以及在主激光器和分束器之间的隔离器(2)，主激光器和隔离器可集成在本申请的相干光源部件上；也可以被由外部独立器件代替，通过光纤耦合与分束器的输入端连接。需要说明的是，此处光纤所引入的相位波动不影响后续器件的输出效果。

注入锁定激光阵列输出的激光一般都是单模的，因此主激光器一般也是单模激光器。

可选地，本申请的相干光源部件的外部还包括主激光器和与主激光器输出端相连的隔离器，隔离器的输出端连接分束器的输入端；在相同的工作温度下，从激光器阵列中的各激光器的自由工作波长与主激光器的自由工作波长的差的绝对值不高于第一预设值。

从激光器阵列中的各激活器与主激光器的自由工作波长接近是实现注入锁定技术的必要条件，满足该条件后，从激光器阵列通过注入锁定控制使从激光器阵列中的n路激光器的输出激光与输入激光具有相同的频率和固定的相位偏差。

可选地，如图2所示，在分束器的输入端的前部还包括外部独立器件主激光器(1)，和设置在主激光器与分束器之间的外部独立器件隔离器(2)；在相同的工作温度下，从激光器阵列中的各激光器的自由工作波长与主激光器的自由工作波长的差的绝对值不高于第一预设值。

为了使得从激光器阵列输出相干特性更好的各路激光，设置第一预设值为1nm。

主激光器和从激光器阵列中的各激光器可采用分布反馈半导体激光器，分布反馈半导体激光器的增益区含有介电常数周期性变化的光栅。当分布反馈半导体激光器的光栅的增益呈周期性分布时，即增益耦合型光栅，其光栅周期与激光器波长具有良好的对应关系，有助于提高各激光器波长一致性，便于实现注入锁定技术。

或者主激光器和从激光器阵列中的各激光器采用分布布拉格反射激光器，其光栅周期与激光器波长也具有良好的对应关系，有助于提高各激光器波长一致性。

下面给出采用不同激光器的实施例说明。且下述实施例中，本申请的相干光源部件为相干光源芯片。

本发明的相干光源芯片可采用inp基半导体材料制作，如ingaasp、algainas，工作波长在1.3μm或1.55μm附近，该波长为激光链路的常用波长。

(1)分布反馈半导体激光器

本发明的主激光器(1)与从激光器阵列(4)中的各激光器采用分布反馈半导体激光器。

为了便于制作芯片，当主激光器和隔离器与从激光器阵列集成于同一芯片时，主激光器(1)、分束器(3)、从激光器阵列(4)、相位调制器(5)和合束器(6)具有相同的外延结构；当主激光器和隔离器与从激光器阵列不集成于同一芯片时，分束器(3)、从激光器阵列(4)、相位调制器(5)和合束器(6)具有相同的外延结构。

同时，分束器(3)、相位调制器(5)和合束器(6)的注入电流不小于各自透明载流子浓度对应的电流，以提高激光在分束器、相位调制器和合束器中的传输效率，减少传输耗损，提高合束器(6)输出激光的功率。

图3以主激光器和隔离器与从激光器阵列集成于同一芯片为例，给出本发明基于分布反馈半导体激光器的相干光源芯片制作方法，包括以下步骤：

步骤11：选择一芯片衬底(7)，在芯片衬底(7)上依次外延：n型缓存层(8)、n型下包层(9)、非故意掺杂下波导层(10)、非故意掺杂量子阱层(11)、非故意掺杂上波导层(12)、部分p型上包层(13)、p型腐蚀停止层(14)、p型下保护层(15)、p型光栅层(16)、p型上保护层(17)，如图3a所示。

例如，采用金属有机化学沉积(mocvd，metalorganicchemicalvapordeposition)在高掺杂的n型inp衬底(7)上依次生长如下结构：

(1)、n型inp缓冲层(8)，厚度为700nm、掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3；

(2)、n型下包层(9)，厚度为600nm，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；

(3)、非故意掺杂ingaasp下波导层(10)，该下波导层的折射率渐变，厚度为200nm，荧光峰值波长从第一预设波长渐变至第二预设波长，例如从1.05μm渐变至1.2μm；

(4)、ingaasp应变补偿多量子阱层(11)，包括6对量子阱与垒，阱宽为6nm，1％压应变，荧光峰值波长1.74μm，垒宽12nm，0.2％拉应变，荧光峰值波长1.25μm；

(5)、非故意掺杂ingaasp上波导层(12)，厚度为400nm，荧光峰值波长从第一预设波长渐变至第二预设波长，例如从1.05μm渐变至1.2μm；

(6)、部分p型inp上包层(13)，厚度为100nm，掺杂浓度从2×10¹⁷cm^-3渐变到5×10¹⁷cm^-3；

(7)、p型ingaasp腐蚀停止层(14)，厚度为70nm，掺杂浓度5×10¹⁷cm^-3；

(8)、p型inp下保护层(15)，厚度为70nm，掺杂浓度5×10¹⁷cm^-3；

(9)、p型ingaasp光栅层(16)，厚度为35nm，掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3；

(10)、p型inp上保护层(17)，厚度为20nm，掺杂浓度约1.2×10¹⁸cm^-3。

步骤12：在p型上保护层(17)和p型光栅层(16)的主激光器和从激光器阵列区域制作具有相同周期的光栅结构，如图3b所示。

例如，采用等离子体增强化学气相沉积(pecvd，plasmaenhancedchemicalvapordeposition)在p型inp上保护层(17)上沉积厚度为50nm的sinx，采用电子束曝光，制作主激光器和从激光器阵列区域的光栅图形，光栅衍射级数为1阶，光栅周期为波长与2倍有效折射率的商，约240nm，光栅区长度与激光器长度一致为400μm，光栅区域宽度略大于阵列宽度，至少为从激光器阵列各激光器中心间距的n+1倍，n为阵列单元个数。

以光刻胶为掩膜采用反应离子刻蚀(rie，reactiveionetching)将光栅图案转移到sinx上，采用br水、hbr酸湿法在p型inp上保护层(17)和p型ingaasp光栅层(16)上腐蚀出光栅，再用缓冲hf酸湿法腐蚀去掉sinx。

步骤13：在p型上保护层(17)上二次外延剩余p型上包层(18)和重掺杂p型欧姆接触层(19)，如图3c所示，至此完成芯片的外延结构。

如图3c所示，在一次外延结构上用mocvd沉积剩余p型上包层(18)和重掺杂p型欧姆接触层(19)：

(11)、剩余p型上包层(18)，厚度为1.3μm，掺杂浓度从1×10¹⁸cm^-3渐变到1.5×10¹⁸cm^-3；

(12)重掺杂p型欧姆接触层(19)，主要包含两部分：p型ingaasp(厚度为50nm，掺杂浓度大于3×10¹⁸cm^-3，荧光峰值波长从1.3μm渐变到1.55μm)，p型ingaas(厚度为200nm，掺杂浓度大于1.5×10¹⁹cm^-3)。

步骤14：向下刻蚀出低脊波导结构至p型腐蚀停止层(14)，波导结构包括主激光器的第一波导结构和一体成型的分束器、从激光器阵列、相位调制器和合束器的第二波导结构，如图3d所示。

例如，用pecvd在重掺杂p型欧姆接触层(19)上沉积300nm的sinx，采用接触式曝光制作器件的波导结构。主激光器(1)、从激光器阵列(3)中各激光器的波导宽度约为3μm；相位调制器宽度约为3μm；分束器mmi宽度为weμm，其中we表示有效宽度，mmi输入、输出波导宽度约2μm，其中输入波导中心位于mmi中轴，输出波导等距对称分布在mmi的另一端，输出波导中心间距为we/n，mmi的长度为3πlπ/4n，其中lπ＝4nrwe²/3λ0，nr为mmi的等效折射率，λ0为1.55μm；弯曲波导与激光器耦合处宽度为3μm，与mmi波导耦合处为2μm，之间波导宽度逐渐改变。合束器与分束器具有相同的尺寸结构，镜像设置。

在图3d中，主激光器和从激光器阵列中的各激光器采用相同的脊波导结构，同时从激光器阵列中相邻激光器的中心间距不低于5倍脊宽。

采用相同的波导结构可确保主激光器的特征与从激光器各激光器之间的工作特征接近，进而确保从激光器阵列中的各激活器与主激光器的自由工作波长接近。

从激光器阵列(4)中相邻激光器的中心间距不低于5倍脊宽，可避免从激光器阵列中各激光器之间光场的横向耦合，降低激光传输时的耦合损耗，有利于提高合束器(6)输出激光的功率。

以光刻胶为掩膜用rie把器件波导结构的图形转移到sinx上，并用icp干法刻蚀出低脊波导结构至p型腐蚀停止层(14)附近，如图3d所示。

步骤15：维持第一波导结构和第二波导结构中的从激光器阵列的低脊波导结构不变，继续向下刻蚀第二波导结构至n型下包层(9)，形成相位调制器、分束器和合束器的高脊波导结构，如图3e所示。

例如，采用接触式曝光，以光刻胶保护主激光器、从激光器阵列的低脊结构，使用icp继续干法刻蚀至n型下包层(9)，以形成相位调制器(5)、分束器(3)和合束器(4)的高脊结构，如图3e所示。

使用丙酮去除残余光刻胶，hf酸去除脊顶残余的sinx。

步骤16：在芯片表面沉积绝缘层，并漏出主激光器、从激光器阵列、相位调制器、分束器和合束器的电极窗口，如图3f和3g所示。

例如，洗净之后，在芯片表面用pecvd沉积200nm的sinx作为绝缘层，如图3f所示。采用自对准曝光方法漏出脊顶sinx(其它区域有光刻胶保护)，用rie刻蚀去除的脊顶sinx漏出电极窗口，如图3g所示。

步骤17：在电极窗口上制作p电极，并确保各p电极之间绝缘；向下刻蚀去除第二波导结构中相邻p电极之间的p型欧姆接触层(19)，形成电极隔离，如图3h、3i和3j所示。

例如，采用接触式曝光制作顶部电极图形，依次磁控溅射ti、pt、au，通过超声抬离方法形成初步p电极(21)，如图3h所示。

用pecvd沉积100nm的sinx，通过超声抬离方法制作出阵列间的凸出电极隔离(22)，如图3i所示。

再次接触式曝光制作引出电极图形，磁控溅射au，通过超声抬离的方法完成最终p电极制作，如图3j所示。

用icp刻蚀去除各p电极之间的p型欧姆接触层(19)，以实现各器件之间的凹陷电极隔离。

在图3j中，从激光器阵列包括4个激光器，在该阵列中，两侧的激光器都直接引出p电极至台面，中间的激光器需要跨过电极隔离(22)将p电极引出至台面，电极隔离(22)的设置是为了避免引起侧边的激光器电极与相邻激光器电极之间形成通路。

在图3j中，单器件(如主激光器)或器件阵列(如从激光器阵列)中的每个子器件都设置了独立p电极，可便于外部控制器精确控制各器件的工作状态，使合束器输出功率最大化。

需要说明的是，图3中的从激光器阵列包括4个激光器只是示意，在实际应用中，可根据对输出激光功率的要求，设置其他数量的从激光器阵列。

步骤18：将芯片衬底(7)减薄、抛光；

步骤19：在芯片衬底(7)的背面制作公共n极电极；

步骤20：解理主激光器的输出端和合束器的输出端，并将隔离器封装在主激光器和分束器之间的预留位置，完成芯片制作。

至此，完成图3芯片制作方法的说明。

当主激光器和隔离器与从激光器阵列不集成于同一芯片时，只需将图3的制作方法中去除相应的主激光器部分即可。

本申请图3中的外延结构，在传统外延结构的基础上进行了改进，优化并采用的渐变折射率的上下非故意掺杂波导层非对称结构，使激光器的光场下移，从而减小光场与p型包层重叠，减小模式损耗，光场下移有利于保证横向单模的同时，实现更宽的脊波导结构，增加光场面积，提高激光输出功率。

(2)分布反馈半导体激光器

本发明的主激光器(1)与从激光器阵列(4)中的各激光器采用分布布拉格反射激光器，其芯片的制作方法可参考现有技术。

可选地，分束器、相位调制器和合束器采用选择性外延，使分束器、相位调制器和合束器禁带宽度大于主激光和/或从激光器阵列中各激光器的禁带宽度，从而相位调制器、分束器、合束器对其内传输激光的吸收可忽略不计，提高激光的传输效率，减少传输耗损。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限定本发明的包含范围，凡在本发明技术方案的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。