一种窄线宽、大功率锁模980nm基模半导体激光器的制作方法

1.本发明涉及一种窄线宽、大功率锁模980nm基模半导体激光器，属于半导体激光器技术 领域。


背景技术：

2.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，同时对半导 体激光器性能要求也越来越高。其中980nm基模半导体激光器由于其增益效率是掺铒光纤放 大器泵浦源中最高的，因此成为了光纤通信系统中光纤放大器中最核心的器件，目前随着光 通信设备制造商对大输出功率的掺铒光纤放大器的需求的不断增加以及对无中继传输距离的 要求的不断提高，并且出于成本的考虑，各设备制造商也在尽可能减少作为泵浦源的980nm 基模半导体激光器的数量，因此，对单个980nm基模半导体激光器的各项性能提出了更高的 要求。
3.由于饵离子在980nm波段的吸收带只有7～10nm，因此需要泵浦光的光谱宽度很小，即窄 线宽模式，对于该项需求，目前常采用的是外腔锁模的方式，即利用窄带布拉格光栅光纤作 为外腔反射器，把光纤光栅所在的光纤与半导体激光器的尾纤连接起来构成外腔半导体激光 器，通过外腔的布拉格光栅对线宽进行压缩，最终达到压缩外腔激光器出射光的线宽的目的， 但由于半导体激光器受本身材料限制，其出射光谱为典型的高斯模式，其光谱宽度很大，且 其中心波长会随温度的变化而产生变化，如果不对其线宽进行压缩和纵模锁定，很容易使得 外腔激光器发生跳模现象。因此，需要将半导体激光器本身发出的光进行线宽压缩和纵模锁 定。
4.由于制造商对无中继传输距离不断提高以及成本的不断降低的需求，对980nm基模半导 体激光器的输出功率就提出了更高的要求。980nm基模半导体激光器要求其输出模式为基模， 这里的基模指的是基横模，即半导体激光器的横模为基模，而传统器件一般仅采用窄脊条模 式实现基模激射，由于工作老化以及其他因素影响，尤其在大功率条件下，极易发生高阶模 激射的问题。而基模半导体激光器的脊条宽度很小，一般只有3～5μm，在大功率工作模式下， 容易导致腔面发生不可逆转的灾变性光学镜面损伤(cod)，最终导致器件失效。因此，需要 对半导体激光器进行结构优化，提高其cod阈值，最终达到提高输出功率的目的。
5.中国专利文献cn102148478a提供了980nm单模波长稳定半导体激光器的制备方法。其中 公开了一种980nm单模半导体激光器，采用在脊型条上刻蚀多个非周期分布的刻槽结构，类 似于dbr结构，通过该种结构压缩半导体激光器的光谱线宽，提高其波长稳定性，但该发明 专利中仅仅对纵模进行了说明，没有说明是否能够实现和如何实现基模激射。
6.中国专利文献cn206947730u提供了非对称波导980nm单模激光器。其中公开了一种非对 称波导的980nm单模激光器，采用在外延结构中插入腐蚀阻挡层来防止载流子泄露，达到提 高输出功率的目的，但专利中仅仅分析了外延层对输出功率的影响，没有就如
何实现单纵模 和基横模进行说明。
7.中国专利文献cn202817486u提供了低线宽的980nm f-p腔应变量子阱激光器的外延片。 其中公开了一种实现低线宽的980nm半导体激光器外延片，其采用优化不同外延层组分和厚 度来达到压缩半导体激光器光谱线宽的目的，同样，该专利中仅仅分析了外延层对输出功率 的影响，没有就如何实现单纵模和基横模进行说明。


技术实现要素：

8.针对现有技术的不足，本发明提出了一种窄线宽、大功率锁模980nm基模半导体激光器， 主要通过设计新型的脊型条结构、电流注入结构以及高阶模过滤结构来实现窄线宽、高波长 稳定性、大功率以及基模激射的目的。
9.术语说明：
10.有源：指的是有电流注入。
11.无源：指的是无电流注入。
12.dbr：全称为distributed bragg reflector，中文名称为分布式布拉格反射镜。
13.本发明的技术方案如下：
14.一种窄线宽、大功率锁模980nm基模半导体激光器，所述激光器包括从下至上依次设置 的n型限制层、n型波导层、量子阱有源层、p型波导层和p型限制层；所述p型限制层上 设置有三段式波导区；
15.所述三段式波导区包括有源震荡级波导区、无源弯曲波导区和有源锥形波导区；所述有 源震荡级波导区内设置有源震荡级波导；所述无源弯曲波导区内设置无源弯曲波导；所述有 源锥形波导区内设置有有源锥形波导。
16.根据本发明优选的，所述有源震荡级波导、无源弯曲波导和有源锥形波导为脊条式波导， 有源震荡级波导经无源弯曲波导连接至有源锥形波导，三段波导为一体式结构，各波导之间 无缝连接。所述有源锥形波导的窄端与无源弯曲波导无缝连接，宽端与出光腔面连接，脊条 式波导的导引机制为弱折射率导引机制。
17.根据本发明优选的，所述p型限制层上除有源震荡级波导区和有源锥形波导区外设置绝 缘层，在有源震荡级波导区和有源锥形波导区上设置p面电极。使得有源震荡级波导、无源 弯曲波导和有源锥形波导之间实现电隔离。无源弯曲波导不设置电极，且表面覆盖绝缘层， 有源震荡级波导和有源锥形波导分别设置电极，这三个区域的中间区域为无源弯曲波导区域， 不进行电注入，不设置电极，即两个区域的电流注入分开，可分别进行调控，所以称这三个 区域实现了电隔离。
18.根据本发明优选的，所述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 却三段式波导区之外的p型限制层形成，三段式波导区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式波导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。因此在侧向上也可以将其简化为沿水 平方向上的三层平板波导。
19.根据本发明优选的，所述有源震荡级波导为矩形，宽度为2～5μm，腐蚀深度为700～800nm。
20.根据本发明优选的，所述的无源弯曲波导为弧形，最大曲率范围为0.01mm-1
～
0.015mm-1
， 保证在波导内传播的基模光实现全反射，而高阶模的光无法形成全反射，从而达到过滤高阶 模的目的。
21.根据本发明优选的，所述无源弯曲波导为dbr无源弯曲波导，其宽度与有源震荡级波导 的宽度相同，腐蚀深度为800～900nm，比有源震荡级波导的腐蚀深度大80～100nm。
22.根据本发明优选的，所述dbr为6阶矩形布拉格光栅，矩形布拉格光栅的光栅周期为 885nm；所述矩形布拉格光栅的腐蚀深度为800～900nm，与无源弯曲波导的腐蚀深度相同。
23.根据本发明优选的，所述有源锥形波导的窄端宽度为2～5μm，与无源锥形波导宽度相同； 所述的有源锥形波导的宽端宽度为10～20μm，所述的有源锥形波导的腐蚀深度为200～300nm。
24.根据本发明优选的，所述窄线宽、大功率锁模980nm基模半导体激光器的出光腔面蒸镀 对980nm波段透过率为99.9％以上的增透膜、非出光腔面蒸镀对980nm波段反射率为99.9％ 以上的高反膜。
25.本发明的技术特点：
26.本发明在激光器上设置了三段式波导区，通过其下方的波导层构成激光在芯片内部传播 的光波导，脊条式波导为自建的折射率波导，光波导通过侧向的有效折射率空间分布构成， 属于弱的光波导限制。所述的三段式波导区中的有源震荡级波导能够产生高质量基横模种子 光的有源震荡级波导；无源弯曲波导能够实现高阶模过滤、线宽压缩和锁模；有源锥形波导 能够实现基模光单程放大的有源锥形波导。有源震荡级波导区和有源锥形波导区中的电极， 能够实现有源震荡级波导和有源锥形波导的分立式电流注入，两个区域的注入电流大小不同。 有电流注入的有源震荡级波导和有源锥形波导发生载流子数反转并产生激光；无电流注入的 无源弯曲波导不发生载流子数反转，不产生激光，使得此处只作为传输光的介质。
27.根据锥形激光器理论，出光腔面处的波导宽度较大，可有效降低出光腔面处的光功率密 度，进而降低半导体激光器芯片的cod阈值，最终可有效提升半导体激光器芯片的最大输出 功率；腐蚀深度较浅，可实现更大的基模模式体积，在较宽的宽度下实现基模光的产生和传 输。
28.本发明的有益效果为：
29.1、本发明通过三段式脊型条结构将980nm半导体激光器的波导分为三段，分别是产生 高质量基横模种子光的有源震荡级波导、实现高阶模和杂散光过滤并实现线宽压缩和锁模的 无源弯曲波导、实现基模光单程放大的锥形波导，通过三种波导连接构成三段式波导区，并 且设置调整有源震荡级波导、无源弯曲波导有源锥形波导的宽度、曲率和腐蚀深度，使得三 段式波导区在有效抑制高阶模激射的同时提高了980nm基模半导体激光器的输出功率和锁模 能力。
30.2、本发明通过无源弯曲波导将震荡级波导以及锥形波导实现连接，同时根据全反射原理 设计了无源弯曲波导的曲率，确保基模光在无源弯曲波导的界面能实现全反射，而高阶模式 的光过无法实现全反射而被折射出脊型波导而损耗掉，进一步抑制高阶模激射，提升基模输 出的最大功率阈值。
31.3、本发明通过将dbr制备在无源弯曲波导表面上，实现了类似外腔dbr激光器的模
区域的中间区域为无源弯曲波导区2，不进行电注入，不设置p面电极4，即有源震荡级波导 区3和有源锥形波导区1的电流注入分开，可分别进行调控，所以称这三个波导之间实现了 电隔离。
44.所述有源震荡级波导301为矩形，宽度为2μm，腐蚀深度为700nm。
45.所述的无源弯曲波导201为弧形dbr无源弯曲波导，最大曲率为0.01mm-1
，宽度为2μm， 腐蚀深度为800nm。所述dbr为6阶矩形布拉格光栅，光栅周期为885nm；所述矩形布拉格 光栅的腐蚀深度为800nm。使得在波导内传播的基模光实现全反射，而高阶模的光无法形成 全反射，从而达到过滤高阶模的目的。
46.所述有源锥形波导101的窄端宽度为2μm，所述的有源锥形波导101的宽端宽度为10μm， 所述的有源锥形波导101的腐蚀深度为200nm。
47.本实施例的窄线宽、大功率锁模980nm基模半导体激光器的出光腔面蒸镀对980nm波段 透过率为99.9％以上的增透膜、非出光腔面蒸镀对980nm波段反射率为99.9％以上的高反膜。
48.实施例2
49.一种窄线宽、大功率锁模980nm基模半导体激光器，结构如实施例1所述，不同之处在 于，所述有源震荡级波导301的宽度为5μm，腐蚀深度为800nm；所述无源弯曲波导201宽 度为5μm，腐蚀深度为900nm，最大曲率为0.015mm-1
。所述矩形布拉格光栅的腐蚀深度为 900nm。所述有源锥形波导101的窄端宽度为5μm，所述的有源锥形波导101的宽端宽度为 20μm，所述的有源锥形波导101的腐蚀深度为300nm。
50.实施例3
51.一种窄线宽、大功率锁模980nm基模半导体激光器，结构如实施例1所述，不同之处在 于，所述有源震荡级波导301的宽度为3μm，腐蚀深度为750nm；所述无源弯曲波导201宽 度为3μm，腐蚀深度为850nm，最大曲率为0.012mm-1
。所述矩形布拉格光栅的腐蚀深度为 850nm。所述有源锥形波导101的窄端宽度为3μm，所述的有源锥形波导101的宽端宽度为 15μm，所述的有源锥形波导101的腐蚀深度为250nm。