一种基于正交光栅结构的单纵横模激光器的制作方法

本实用新型属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种基于正交光栅结构的单纵横模激光器。

背景技术：

单模半导体激光器作为发展成熟的激光光源，被广泛应用于空间通信、泵浦、光纤激光器和放大器的种子源等领域。DFB(Distributed Feedback，分布式反馈)激光器属于侧面发射的单模半导体激光器，其中内置了布拉格光栅(Bragg Grating)。DFB激光器可以实现单纵模工作，使其具有较好的时间相干性，但是为了使DFB激光器同时达到单横模工作状态，进而具备高空间相干性，并且在远场维持单瓣结构的光斑分布，就必须严格限制脊波导的宽度。因为随着脊波导宽度的增加，DFB激光器的输出状态将从单横模向多横模转变，而这就影响了DFB激光器的光束质量，不利于光纤的耦合输出，并且还限制了DFB激光器在高功率领域的应用。因此，如何改进DFB激光器的结构，在维持单纵横模输出特性，特别是在横场方向保持基模运转的条件下，提高激光器到光纤的耦合效率，并实现高功率输出，是亟待解决的一个问题。

要在宽脊波导中维持单横模工作状态，一种方法是依据全反射条件，将波导内外的折射率差控制在10^-3～10^-4量级，但是低折射率差意味着波导对光的束缚能力很弱，DFB激光器对外界环境的变化十分敏感，器件工作过程中如热效应等引入的折射率变化都将极大的影响输出光束的质量。另一种方法是在波导结构中构造周期结构产生布拉格反射来限制光在模场方向的传输，如A.Yariv在文章“Coupled-wave formalism for optical waveguiding by transverse Bragg reflection”(《Optics Letters》,2002,vol.27,pp.936–938)中描述了一种光子晶体结构的周期光栅，可以有效控制光束的横模场分布、色散和损耗等参数。但是该光栅只考虑了横模场的控制，而无法实现对纵模场的控制，同时也没有研究温度变化等对光场模式的影响。

基于此，本实用新型人在申请号为CN201110149207.1、实用新型名称为“宽温度超高速半导体直调DFB激光器”的专利文献中，提出了一种运用量子阱和应变量子垒交替混合结构的半导体激光器，结合波导层的DFB强折射率光栅，实现了宽温度范围的超高速调制输出。但是在该技术方案中，为了保证输出的光束质量，器件的脊条宽度会受到限制，从而限制了DFB激光器的输出功率。

技术实现要素：

为了解决上述DFB激光器的输出功率受限的技术问题，本实用新型提供一种基于正交光栅结构的单纵横模激光器。

一种基于正交光栅结构的单纵横模激光器，包括：上包层、上波导层、下波导层和下包层；其中，下包层、下波导层、上波导层和上包层从下往上设置；

所述下波导层或者下包层内具有周期分布的第一光栅，所述上波导层或者上包层内具有周期分布的第二光栅，所述第二光栅与所述第一光栅具有相互正交的排布方式。

在某些实施例中，所述第一光栅的光栅周期分布方向或所述第二光栅的光栅周期分布方向沿谐振腔方向，所述光栅周期分布方向垂直于谐振腔方向的光栅用于选择横模；相应地，所述第二光栅的光栅周期分布方向或者所述第一光栅的光栅周期分布方向垂直于谐振腔方向，所述光栅周期分布方向沿谐振腔方向的光栅用于选择纵模。

在某些实施例中，所述光栅周期分布方向沿谐振腔方向的光栅为多段DFB强折射率光栅。

在某些实施例中，所述光栅周期分布方向沿谐振腔方向的光栅为单段DFB强折射率光栅。

在某些实施例中，所述基于正交光栅结构的单纵横模激光器的脊条宽度为1.5～8um，长度为0.5～2mm。

在某些实施例中，所述第一光栅为折射率光栅或者吸收折射率复合光栅或者吸收增益光栅，所述第二光栅为折射率光栅或者吸收折射率复合光栅或者吸收增益光栅。

在某些实施例中，所述有源区具有压缩应变量子阱和拉伸应变量子垒交替混合的多层量子阱结构。

在某些实施例中，所述压缩应变量子阱的单层厚度为5～7.5nm，所述拉伸应变量子垒的单层厚度为5～10nm。

在某些实施例中，所述单纵横模激光器还包括衬底、缓冲层和吸收层；衬底位于缓冲层下侧，缓冲层位于下包层下侧；

所述吸收层位于上包层和上波导层之间，或者位于下包层和下波导层之间，或者位于上波导层内，或者位于下波导层内；

当所述吸收层位于上波导层内或者位于下波导层内时，所述光栅周期分布方向沿谐振腔方向的光栅位于吸收层中。

在某些实施例中，所述单纵横模激光器还包括有源区，所述有源区位于下波导层和上波导层之间。

本实用新型的有益效果：本实用新型提供的基于正交光栅结构的单纵横模激光器，利用沿谐振腔方向的周期光栅进行纵模选择，实现单纵模的输出。同时，在波导层或者包层中加入了垂直于谐振腔方向的周期光栅，用于选择横模，可以克服单模激光器对脊条宽度的限制，有利于扩大半导体增益区域的面积，改善激光器的光束质量，提高激光器的输出功率。

附图说明

图1是本实用新型提出的基于正交光栅结构的单纵横模激光器的一种正交光栅结构的示意图；

图2是本实用新型提出的基于正交光栅结构的单纵横模激光器的另一种正交光栅结构的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本实用新型并不局限于附图和以下实施例，相关附图作为示意图不应该被认为严格反映几何尺寸的比例关系，也不应该作为限制本实用新型的适用范围。

本实用新型提供的一种基于正交光栅结构的单纵横模激光器，包括：上包层、上波导层、有源区、下波导层和下包层；其中，下包层、下波导层、有源区、上波导层和上包层从下往上依次设置；

所述下波导层或者下包层内具有周期分布的第一光栅，所述上波导层或者上包层内具有周期分布的第二光栅，所述第二光栅与所述第一光栅具有相互正交的排布方式。

所述第一光栅的光栅周期分布方向或所述第二光栅的光栅周期分布方向沿谐振腔方向，即光栅条纹方向垂直于谐振腔方向；相应地，所述第二光栅的光栅周期分布方向或者所述第一光栅的光栅周期分布方向垂直于谐振腔方向，即光栅条纹方向沿谐振腔方向。所述光栅周期分布方向垂直于谐振腔方向排布的光栅用于选择横模，所述光栅周期分布方向沿谐振腔方向的光栅用于选择纵模。

所述光栅周期分布方向沿谐振腔方向的光栅可以为单段或多段DFB强折射率光栅，其中，多段DFB强折射率光栅各段沿谐振腔方向排列或者垂直于谐振腔方向排列，采用多段DFB强折射率光栅结构可以消除模式简并。单段DFB强折射率光栅的周期一致，折射率可以一致，也可以由多段周期一致但折射率一致或不一致的光栅组成单段DFB强折射率光栅；多段DFB强折射率光栅中的每段DFB强折射率光栅的周期不一致，每段DFB强折射率光栅的折射率可以一致，也可以不一致。多段DFB强折射率光栅包括的光栅段数可以根据实际情况进行选择，图1中示出了多段DFB强折射率光栅包括3段光栅的情形，3段光栅的光栅周期分布方向沿谐振腔方向，各段光栅沿垂直于谐振腔方向排列，这有利于进一步提高对基横模的选择度。多段DFB强折射率光栅也可沿谐振腔方向排列，这有利于进一步提高对单纵模的选择度。

所述光栅周期分布方向垂直于谐振腔方向的光栅用于选择横模，该光栅的周期可以一致，或者采用取样、啁啾等类型。对于均一光栅，周期为0.5～2μm，占空比为0.8～1.25，折射率调制度为300～500ppm，条纹的长度为0.5～1.5mm，沿谐振腔方向基横模的衍射效率大于98％，高阶模横模的衍射效率小于98％。

本实用新型提出的单纵横模激光器可以克服单模激光器对脊条宽度的限制，所述基于正交光栅结构的单纵横模激光器的脊条宽度最宽8um，最窄1.5um，长度为0.5～2mm，这有利于扩大半导体增益区域的面积，提高激光器的输出功率。

所述第一光栅和所述第二光栅可以为折射率光栅或者吸收折射率复合光栅或者吸收增益光栅。

所述有源区具有压缩应变量子阱和拉伸应变量子垒交替混合的多层量子阱结构。优选地，所述有源区的压缩应变量子阱的应变值为0～1.2％，拉伸应变量子垒的应变值为0～1.2％。

所述有源区采用InGaAsP或AlInGaAs同一种材料不同组分生长或者两种材料交替生长形成光增益区，即形成InGaAsP-InGaAsP或InGaAsP-AlInGaAs或AlInGaAs-AlInGaAs体系的光增益区。

所述单纵横模激光器还包括衬底和缓冲层，其中衬底位于缓冲层下侧，缓冲层位于下包层下侧。

所述衬底可以为InP衬底。

所述单纵横模激光器还包括吸收层，所述吸收层位于上包层和上波导层之间，或者位于下包层和下波导层之间，或者位于上波导层内，或者位于下波导层内。

当所述吸收层位于上波导层内或者位于下波导层内时，所述光栅周期分布方向沿谐振腔方向的光栅可以制备在吸收层中，这样可以进一步消除模式简并，特别是在高温工作时能够抑制激发波长向长波长方向漂移并有效控制线宽因子的增加，实现稳定的单模输出。

本实用新型还提供一种基于正交光栅结构的单纵横模激光器的制备方法，包括以下步骤：

在下包层或者在下包层上生长的下波导层内刻蚀周期分布的第一光栅；

在下波导层上生长有源区的压缩应变量子阱及拉伸应变量子垒；

在有源区上方二次外延生长上波导层；

在上波导层或者在上波导层上生长的上包层内刻蚀周期分布的第二光栅，所述第二光栅与所述第一光栅相互正交排布。

所述第一光栅的光栅周期分布方向或所述第二光栅的光栅周期分布方向沿谐振腔方向，即光栅条纹方向垂直于谐振腔方向；相应地，所述第二光栅的光栅周期分布方向或者所述第一光栅的光栅周期分布方向垂直于谐振腔方向，即光栅条纹方向沿谐振腔方向。所述光栅周期分布方向垂直于谐振腔方向排布的光栅用于选择横模，所述光栅周期分布方向沿谐振腔方向的光栅用于选择纵模。

所述光栅周期分布方向沿谐振腔方向的光栅可以为单段或多段DFB强折射率光栅，其中，多段DFB强折射率光栅各段沿谐振腔方向排列或者垂直于谐振腔方向排列，采用多段DFB强折射率光栅结构可以消除模式简并。单段DFB强折射率光栅的周期一致，折射率可以一致，也可以由多段周期一致但折射率一致或不一致的光栅组成单段DFB强折射率光栅；多段DFB强折射率光栅中的每段DFB强折射率光栅的周期不一致，每段DFB强折射率光栅的折射率可以一致，也可以不一致。多段DFB强折射率光栅包括的光栅段数可以根据实际情况进行选择，图1中示出了多段DFB强折射率光栅包括3段光栅的情形3段光栅的光栅周期分布方向沿谐振腔方向，各段光栅沿垂直于谐振腔方向排列，这有利于进一步提高对基横模的选择度。多段DFB强折射率光栅也可沿谐振腔方向排列，这有利于进一步提高对单纵模的选择度。

所述光栅周期分布方向垂直于谐振腔方向的光栅用于选择横模，该光栅的周期可以一致，或者采用取样、啁啾等类型。对于均一光栅，周期为0.5～2μm，占空比为0.8～1.25，折射率调制度为300～500ppm，条纹的长度为0.5～1.5mm，沿谐振腔方向基横模的衍射效率大于98％，高阶模横模的衍射效率小于98％。

本实用新型提出的单纵横模激光器可以克服单模激光器对脊条宽度的限制，所述基于正交光栅结构的单纵横模激光器的脊条宽度最宽8um，最窄1.5um，长度为0.5～2mm，这有利于扩大半导体增益区域的面积，提高激光器的输出功率。

所述第一光栅和所述第二光栅可以为折射率光栅或者吸收折射率复合光栅或者吸收增益光栅。

所述有源区具有压缩应变量子阱和拉伸应变量子垒交替混合的多层量子阱结构。优选地，所述有源区的压缩应变量子阱的应变值为0～1.2％，拉伸应变量子垒的应变值为0～1.2％。

所述有源区采用InGaAsP或AlInGaAs同一种材料不同组分生长或者两种材料交替生长形成光增益区，即形成InGaAsP-InGaAsP或InGaAsP-AlInGaAs或AlInGaAs-AlInGaAs体系的光增益区。

所述单纵横模激光器的制备方法还包括在衬底上生长缓冲层的步骤，其中，生长缓冲层的步骤位于所述生长下包层的步骤之前，并且在缓冲层上生长所述下包层。

所述衬底可以为InP衬底。

所述单纵横模激光器的制备方法还包括制备吸收层的步骤，所述吸收层位于上包层和上波导层之间，或者位于下包层和下波导层之间，或者位于上波导层内，或者位于下波导层内。

当所述吸收层位于上波导层内或者位于下波导层内时，所述光栅周期分布方向沿谐振腔方向的光栅可以制备在吸收层中，这样可以进一步消除模式简并，特别是在高温工作时能够抑制激发波长向长波长方向漂移并有效控制线宽因子的增加，实现稳定的单模输出。

实施例1：

本实施例中，单纵横模激光器的有源区采用以InGaAsP为量子阱，AlGaInAs或InGaAsP为量子垒的结构，在不影响材料质量的条件下，采用高晶格不匹配常数来提高调制带宽，按预先设计好的外延结构，采用MOCVD或者MBE生长出外延层。其中，第一光栅的光栅周期分布方向沿谐振腔方向，即光栅周期分布方向沿谐振腔方向的光栅位于下波导层，参照图1，图1所示的是平行于光发射端面的截面。

本实施例提供的一种基于正交光栅结构的单纵横模激光器，包括：衬底11、缓冲层12、下包层13、下波导层14、有源区15、上波导层16、上包层17和吸收层(未图示)；其中，衬底11、缓冲层12、下包层13、下波导层14、有源区15、上波导层16、上包层17从下往上依次设置，所述吸收层位于上包层17和上波导层16之间，或者位于下包层13和下波导层14之间，或者位于上波导层16内，或者位于下波导层14内。

所述衬底11为InP衬底。

所述下波导层14内具有周期分布的第一光栅141，所述上波导层16内具有周期分布的第二光栅161，所述第二光栅161与所述第一光栅141具有相互正交的排布方式。

所述第一光栅141的光栅周期分布方向沿谐振腔方向，所述第二光栅161的光栅周期分布方向垂直于谐振腔方向。第一光栅141用于选择纵模，第二光栅161用于选择横模。

所述第一光栅141为多段DFB强折射率光栅，图1中示出了所述第一光栅141包括3段光栅的情形，3段光栅的光栅周期分布方向沿谐振腔方向，各段光栅沿垂直于谐振腔方向排列，这有利于进一步提高对基横模的选择度。多段DFB强折射率光栅也可沿谐振腔方向排列，这有利于进一步提高对单纵模的选择度。

所述第二光栅161用于选择横模，可以克服单模激光器对脊条宽度的限制，所述基于正交光栅结构的单纵横模激光器的脊条宽度最宽8um，最窄1.5um，长度为0.5～2mm，这有利于扩大半导体增益区域的面积，提高激光器的输出功率。

所述第一光栅141和所述第二光栅161可以为折射率光栅或者吸收折射率复合光栅或者吸收增益光栅。

所述有源区15具有压缩应变量子阱和拉伸应变量子垒交替混合的多层量子阱结构。优选地，所述有源区的压缩应变量子阱的应变值和拉伸应变量子垒的应变值都在1.2％以内，发射波长都在1.1～1.7um的范围内，压缩应变量子阱的单层厚度为5～7.5nm，拉伸应变量子垒的单层厚度在5～10nm之间，量子阱层数为3～10层，量子垒层交替生长。

在本实施例中，基于正交光栅结构的单纵横模激光器的制备方法，包括以下步骤：

首先，在InP衬底11上先生长缓冲层12，再生长下包层13和下波导层14，并通过全息的方法制作多段DFB强折射率光栅(图1中的第一光栅141)，光栅周期分布方向沿谐振腔方向；

然后，生长有源区15的压缩应变量子阱层和拉伸应变量子垒层，其中，所述压缩应变量子阱的单层厚度为5～7.5nm，拉伸应变量子垒的单层厚度在5～10nm之间，量子阱层数为3～10层，量子垒层交替生长。所述压缩应变量子阱层和拉伸应变量子垒层的应变值都在1.2％以内，发射波长在1.1～1.7um的范围内；

之后，二次外延生长上波导层16和上包层17，并通过全息的方法在上波导层16内刻蚀与下波导层14内的光栅正交的光栅(图1中的第二光栅161)，光栅周期分布方向垂直于谐振腔方向，其中，在上包层17和上波导层16之间生长吸收层(未图示)。

实施例2：

本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中，第二光栅的光栅周期分布方向沿谐振腔方向，即光栅周期分布方向沿谐振腔方向的光栅位于上波导层，参照图2，图2所示为平行于光发射端面的截面。本实施例与实施例1相同的内容，在此不再赘述，可参考实施例1。

本实施例提供的一种基于正交光栅结构的单纵横模激光器，包括：衬底21、缓冲层22、下包层23、下波导层24、有源区25、上波导层26、上包层27和吸收层(未图示)；其中，衬底21、缓冲层22、下包层23、下波导层24、有源区25、上波导层26、上包层27从下往上依次设置，所述吸收层位于上包层27和上波导层26之间，或者位于下包层23和下波导层24之间，或者位于上波导层26内，或者位于下波导层24内。

所述衬底21为InP衬底。

所述下波导层24内具有周期分布的第一光栅241，所述上波导层26内具有周期分布的第二光栅261，所述第二光栅261与所述第一光栅241具有相互正交的排布方式。

所述第一光栅241的光栅周期分布方向垂直于谐振腔方向，所述第二光栅261的光栅周期分布方向沿谐振腔方向。第一光栅241用于选择横模，第二光栅261用于选择纵模。

所述第二光栅261为多段DFB强折射率光栅，图2中示出了所述第二光栅261包括3段光栅的情形，3段光栅的光栅周期分布方向沿谐振腔方向，各段沿垂直于谐振腔方向排列，这有利于进一步提高对基横模的选择度。多段DFB强折射率光栅也可沿谐振腔方向排列，这有利于进一步提高对单纵模的选择度。

所述第一光栅241用于选择横模，可以克服单模激光器对脊条宽度的限制。所述基于正交光栅结构的单纵横模激光器的脊条宽度最宽8um，最窄1.5um，长度为0.5～2mm，这有利于扩大半导体增益区域的面积，提高激光器的输出功率。

所述第一光栅241和所述第二光栅261可以为折射率光栅或者吸收折射率复合光栅或者吸收增益光栅。

所述有源区25具有压缩应变量子阱和拉伸应变量子垒交替混合的多层量子阱结构。优选地，所述有源区的压缩应变量子阱的应变值和拉伸应变量子垒的应变值都在1.2％以内，发射波长都在1.1～1.7um的范围内，压缩应变量子阱的单层厚度为5～7.5nm，拉伸应变量子垒的单层厚度在5～10nm之间，量子阱层数为3～10层，量子垒层交替生长。

在本实施例中，基于正交光栅结构的单纵横模激光器的制备方法，包括以下步骤：

首先，在InP衬底21上先生长缓冲层22，再生长下包层23和下波导层24，并通过全息的方法制作光栅(图2中的第一光栅241)，光栅周期分布方向垂直于谐振腔方向；

然后，生长有源区25的压缩应变量子阱层和拉伸应变量子垒层，其中，所述压缩应变量子阱的单层厚度为5～7.5nm，拉伸应变量子垒的单层厚度在5～10nm之间，量子阱层数为3～10层，量子垒层交替生长。所述压缩应变量子阱层和拉伸应变量子垒层的应变值都在1.2％以内，发射波长在1.1～1.7um的范围内；

之后，二次外延生长上波导层26和上包层27，并通过全息的方法在上波导层26内刻蚀与下波导层24内的光栅正交的多段DFB强折射率光栅(图2中的第二光栅261)，光栅周期分布方向沿谐振腔方向，其中，在上包层27和上波导层26之间生长吸收层(未图示)。

以上，对本实用新型的实施方式进行了说明。但是，本实用新型不限定于上述实施方式。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。