一种高功率窄线宽外腔半导体激光器的制作方法

本发明涉及激光器领域，具体涉及一种高功率窄线宽外腔半导体激光器。

背景技术：

1、随着相干光通信、光学精密测量和以自动驾驶为代表的激光雷达等领域的蓬勃发展，高性能窄线宽激光器迎来了快速发展。尤其在新型业务及应用的驱动下，数据流量呈爆发式增长，作为通信载体泵浦源的激光器不仅要有较高的输出功率还要具备较好的光谱特性。因此，对具有高输出功率、低相对强度噪声的窄线宽半导体激光器的需求越来越高。受芯片波导损耗、耦合方式以及有源芯片增益的限制，同时实现高功率和窄线宽存在挑战。

2、根据频率选择结构的不同，一般将窄线宽半导体激光器分为单片型和外腔型激光器。单片型半导体激光器通常在有源腔内集成光栅或者特殊波导结构，比如分布反馈半导体激光器(distributed feedback，dfb)、分布布拉格反射半导体激光器(distributedbragg reflector，dbr)等。这一类激光器的集成度高，尺寸小，但是结构复杂，制作工艺难度较大。同时，片上波导损耗将光栅长度限制在几毫米以下，并且需要对波导进行更高的折射率扰动以增加净反射，这限制了激光器的输出功率，因此不能满足日益增长的性能需求。

3、外腔式激光器从结构上主要包括闪耀光栅型、体全息光栅型、光学腔型和平面波导型，其中平面波导型是光子集成技术的重要应用，为窄带滤波和光学反馈器件提供了更加多样化和灵活的选择。波导布拉格光栅(waveguide bragg grating，wbg)作为一种滤波装置具备体积小、集成度高等特点，通过改变光栅的周期、折射率、相位等参数可以实现各种不同的光谱响应。随着对器件性能要求的提高，对光栅的设计也提出了更高的要求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高功率窄线宽外腔半导体激光器，以解决传统激光器输出功率低、波导损耗大等问题。

2、本发明是这样实现的：

3、一种高功率窄线宽外腔半导体激光器，包括激光器增益芯片、两个模斑转换器、光栅波导结构、半导体光放大器、半导体制冷器、热沉和热敏电阻；两个模斑转换器分别是第一模斑转换器和第二模斑转换器；激光器增益芯片、第一模斑转换器、光栅波导结构、第二模斑转换器和半导体光放大器沿光路依序设置，并与热敏电阻一同通过键合工艺固定在热沉上，热沉则通过焊接工艺固定在半导体制冷器之上；

4、所述激光器增益芯片用于产生光信号，两个模斑转换器均用于使增益波导和光栅波导的端面耦合匹配，所述光栅波导结构用于实现激光器的线宽压窄；激光器增益芯片、第一模斑转换器和光栅波导结构共同构成激光器的外腔，对激光进行振荡；

5、所述激光器增益芯片在注入电流的作用下发射激光，激光经第一模斑转换器后注入光栅波导结构中，光栅波导结构将一部分光经过选模后按照入射光路反射回第一模斑转化器并进入激光器增益芯片中，完成一次往返后重复这个激光振荡过程；经若干次激光振荡后的激光经第二模斑转换器后在半导体光放大器中再次进行光功率放大并输出；

6、半导体制冷器、热沉和热敏电阻组成温度控制回路，通过热沉上的热敏电阻获取激光器增益芯片、光栅波导结构和半导体光放大器的温度信息，并通过半导体制冷器控制整体温度，以稳定整个结构的温度。

7、所述激光器增益芯片为多量子阱反射型光放大器，所述激光器增益芯片为掩埋异质结结构或脊波导结构，所述激光器增益芯片使用材料为inp(衬底)/ingaasp(量子阱有源材料)，所述激光器增益芯片采用弯曲波导结构；所述激光器增益芯片两端面分别镀有高反膜和高透膜，激光信号从高透膜发射出来。

8、所述激光器增益芯片利用自身有源材料的增益特性把自发辐射产生的光子进行放大，从而实现光输出。

9、激光器增益芯片内部的波导出光端面不与芯片的自然解理腔面垂直，而是呈一个小的角度，可减小模式反射系数从而降低端面的有效反射率，相对的端面是垂直的，以通过在外部光栅和激光器增益芯片垂直的端面侧之间来回的光来执行光振荡。所述激光器增益芯片在集成时呈现一定的角度，使出光端面的光路与第一模斑转换器端面相垂直，以减小功率损耗。

10、两个模斑转换器结构相同，均采用脊波导楔形渐变结构，具体包括依序连接的脊形波导、锥型渐变波导和脊形拓宽波导三部分；模斑转换器使用材料为氮化硅材料、磷化铟材料或铌酸锂材料。第一模斑转换器连接激光器增益芯片与光栅波导结构，且第一模斑转换器的脊形波导与激光器增益芯片相接，其脊形拓宽波导与光栅波导结构相接；第二模斑转换器连接光栅波导结构与半导体光放大器，且第二模斑转换器的脊形拓宽波导与光栅波导结构相接，其脊形波导与半导体光放大器相接。

11、所述光栅波导结构采用柱形光栅波导；所述光栅波导结构为直通型结构，所述光栅波导结构包括条形波导及均匀分布在条形波导两侧的柱形波导；所述光栅波导结构使用材料为氮化硅材料或二氧化硅材料。

12、所述半导体光放大器通过受激发射对入射光信号进行放大；所述半导体光放大器在出光端面镀有增透膜，并采用斜波导使条状有源区与正常的解理面倾斜，以减小反射率。

13、所述半导体制冷器、所述热沉和所述热敏电阻组成温度控制回路，并对所述激光器增益芯片、所述光栅波导结构和所述半导体光放大器的温度进行精确控制；通过控制激光器的温度，使激光器相位保持恒定，使激光器保持在与其相关的输出特性相同的工作点。

14、所述热沉采用钨铜合金、碳化硅或氮化铝陶瓷材料；所述热沉用于散热并将各器件温度传递给热敏电阻及半导体制冷器。

15、所述热敏电阻位于激光器增益芯片的一侧并避开光路；所述热敏电阻在位置上靠近激光器增益芯片。

16、本发明所提供的高功率窄线宽外腔半导体激光器，采用了柱状阵列的光栅波导结构，具有极低的腔损耗，可以提高有效腔长来压窄线宽；采用脊波导楔形渐变结构的模斑转换器，提高光耦合效率，从而减少能量损耗；集成了半导体光放大器，实现了激光器的大功率输出。

17、本发明具有如下有益效果：

18、1、本发明提供的高功率窄线宽外腔半导体激光器，通过集成低损耗柱形光栅波导结构，可以实现更长的有效腔长和更高的模式选择性，拉长整个波导腔长度，达到压窄线宽的目的，为外腔反馈半导体激光器中窄带滤波和光学反馈器件提供了更加多样化和灵活的选择。

19、2、本发明提供的高功率窄线宽外腔半导体激光器，通过集成脊波导楔形渐变结构模斑转换器，可以同时在水平和垂直两个方向上对其中传输的光波进行约束，解决了光器件和波导中模式不匹配的问题，减小了芯片间的耦合损耗，实现了光在光纤与集成光子芯片之间的高效耦合。

20、3、本发明提供的高功率窄线宽外腔半导体激光器，通过集成半导体光放大器，实现了大功率的激光输出，避免了对芯片光源的复杂改进，极大简化了制备工艺。

21、4、本发明提供的高功率窄线宽外腔半导体激光器，通过温度控制回路实现对激光器温度的整体控制，避免温度波动对谐振腔腔长的影响，进而影响输出波长的稳定性。另外，通过键合工艺形成准单片集成的结构，有助于减小器件体积和制作成本。