本實(shí)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(jià)格低廉，并且能在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)提供功率適中的亞皮秒脈沖等優(yōu)點(diǎn)，因此在光通訊、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器、光運(yùn)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(gè)主要局限性在于其相對(duì)較低的出光功率，致使其無(wú)法應(yīng)用于如染料激光器和固體激光器等大型臺(tái)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(guò)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(shí)還充當(dāng)模式過(guò)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(shí)現(xiàn)要素：

為了得到高功率、窄脈寬的超短脈沖，本實(shí)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(zhǎng)度大于飽和吸收區(qū)的總長(zhǎng)度。

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

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

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

所述電隔離區(qū)一側(cè)的表面與增益區(qū)的第一長(zhǎng)條形的遠(yuǎn)離第一端面的第二端面接觸，相對(duì)的另一側(cè)的表面與飽和吸收區(qū)的第三長(zhǎng)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(zhǎng)條形、所述電隔離區(qū)和所述飽和吸收區(qū)的第三長(zhǎng)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(zhǎng)條形、從第一長(zhǎng)條形的長(zhǎng)度方向的第一端面沿其長(zhǎng)度方向的軸線延伸出的位于該軸線上的第二長(zhǎng)條形以及從第一長(zhǎng)條形的長(zhǎng)度方向的第二端面沿其長(zhǎng)度方向的軸線延伸出的位于該軸線上的第三長(zhǎng)條形，第二長(zhǎng)條形和第三長(zhǎng)條形均相對(duì)于該軸線對(duì)稱，第二端面與第一端面相對(duì)；第二長(zhǎng)條形和第三長(zhǎng)條形的寬度相等；

飽和吸收區(qū)包括第四長(zhǎng)條形，第四長(zhǎng)條形位于第一長(zhǎng)條形長(zhǎng)度方向的軸線的延長(zhǎng)線上，第四長(zhǎng)條形相對(duì)于該軸線的延長(zhǎng)線對(duì)稱，第四長(zhǎng)條形的寬度等于第三長(zhǎng)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(zhǎng)條形的延伸端面接觸，相對(duì)的另一側(cè)的表面與飽和吸收區(qū)的第四長(zhǎng)條形的一端的端面接觸；

所述增益區(qū)的第一長(zhǎng)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(zhǎng)條形、從第一長(zhǎng)條形的長(zhǎng)度方向的第一端面沿其長(zhǎng)度方向的軸線延伸出的位于該軸線上的第二長(zhǎng)條形，第二長(zhǎng)條形相對(duì)于該軸線對(duì)稱；

飽和吸收區(qū)包括第四長(zhǎng)條形，第四長(zhǎng)條形位于第一長(zhǎng)條形長(zhǎng)度方向的軸線的延長(zhǎng)線上，并相對(duì)于該軸線對(duì)稱，或者位于第一長(zhǎng)條形長(zhǎng)度方向的軸線的延長(zhǎng)線的上方或者下方，但不超出增益區(qū)的第一長(zhǎng)條形的遠(yuǎn)離第一端面的第二端面的范圍；第四長(zhǎng)條形的寬度等于第二長(zhǎng)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(zhǎng)條形的遠(yuǎn)離第一端面的第二端面接觸，相對(duì)的另一側(cè)的表面與飽和吸收區(qū)的第四長(zhǎng)條形的一端的端面接觸；

所述增益區(qū)的第一長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)用新型的有益效果：本實(shí)用新型在多模干涉結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(chǎng)的輸出耦合。本實(shí)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(jiǎn)單，利于光學(xué)集成。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)施方式

為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。但本領(lǐng)域技術(shù)人員都知曉，本實(shí)用新型并不局限于附圖和以下實(shí)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(wú)實(shí)質(zhì)含義。

本實(shí)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(diǎn)及量子點(diǎn)層間隔GaAs隔離勢(shì)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(duì)多模干涉結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。

實(shí)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(shí)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(duì)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(zhǎng)度大于飽和吸收區(qū)23的總長(zhǎng)度，優(yōu)選地，增益區(qū)21的長(zhǎng)度是飽和吸收區(qū)23的長(zhǎng)度的3～10倍。

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

飽和吸收區(qū)23包括第三長(zhǎng)條形231以及從第三長(zhǎng)條形231的長(zhǎng)度方向的第一端面沿其長(zhǎng)度方向的軸線延伸出的位于該軸線上的第四長(zhǎng)條形232，第四長(zhǎng)條形232相對(duì)于該軸線對(duì)稱，第四長(zhǎng)條形232的寬度小于第三長(zhǎng)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(zhǎng)條形211的遠(yuǎn)離第一端面的第二端面接觸，相對(duì)的另一側(cè)的表面與飽和吸收區(qū)23的第三長(zhǎng)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(zhǎng)度方向的尺寸優(yōu)選地為5～10um。

在本實(shí)施例中，增益區(qū)21的第一長(zhǎng)條形211、電隔離區(qū)22和飽和吸收區(qū)23的第三長(zhǎng)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(zhǎng)度為多模波導(dǎo)輸出截面得到單一成像的最短耦合長(zhǎng)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(zhǎng)條形211的寬度和飽和吸收區(qū)23的第三長(zhǎng)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(zhǎng)度為460um。

優(yōu)選地，為了保證單橫模輸出及利于光場(chǎng)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(zhǎng)條形212的寬度和飽和吸收區(qū)23的第四長(zhǎng)條形232的寬度為4um。

增益區(qū)21的第二長(zhǎng)條形212遠(yuǎn)離第一長(zhǎng)條形211的一端的端面為鍍?cè)鐾改?5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(zhǎng)條形232遠(yuǎn)離第三長(zhǎng)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(shí)，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(shí)施例2

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于，本實(shí)施例中，飽和吸收區(qū)移至窄長(zhǎng)條形(對(duì)應(yīng)于實(shí)施例1中的第四長(zhǎng)條形232)上，讓出的區(qū)域?qū)儆谠鲆鎱^(qū)。下面結(jié)合圖4對(duì)本實(shí)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(duì)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(zhǎng)度大于飽和吸收區(qū)43的總長(zhǎng)度，優(yōu)選地，增益區(qū)41的總長(zhǎng)度是飽和吸收區(qū)43的總長(zhǎng)度的3～10倍。

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

飽和吸收區(qū)43包括第四長(zhǎng)條形432，第四長(zhǎng)條形432位于第一長(zhǎng)條形411長(zhǎng)度方向的軸線的延長(zhǎng)線上，第四長(zhǎng)條形432相對(duì)于該軸線的延長(zhǎng)線對(duì)稱，第四長(zhǎng)條形432的寬度等于第三長(zhǎng)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(zhǎng)條形413的延伸端面接觸，相對(duì)的另一側(cè)的表面與飽和吸收區(qū)的第四長(zhǎng)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(zhǎng)度方向的尺寸設(shè)置為5um～10um。

在本實(shí)施例中，增益區(qū)41的第一長(zhǎng)條形411構(gòu)成了多模干涉區(qū)，整個(gè)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(zhǎng)度為多模波導(dǎo)輸出截面得到單一成像的最短耦合長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度為460um。

優(yōu)選地，為了保證單橫模輸出及利于光場(chǎng)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(zhǎng)條形412的寬度和第三長(zhǎng)條形413的寬度及飽和吸收區(qū)43的第四長(zhǎng)條形432的寬度為4um。

增益區(qū)41的第二長(zhǎng)條形412遠(yuǎn)離第一長(zhǎng)條形411的一端的端面為鍍?cè)鐾改さ某龉舛嗣?，增透膜的反射率?％；飽和吸收區(qū)43的第四長(zhǎng)條形432遠(yuǎn)離增益區(qū)41的第三長(zhǎng)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(shí)，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(shí)施例中增益區(qū)41的第三長(zhǎng)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(zhǎng)條形411的所述第二端面接觸，相對(duì)的另一側(cè)的表面與飽和吸收區(qū)43的第四長(zhǎng)條形432的一端的端面接觸。

以上，對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式進(jìn)行了說(shuō)明。但是，本實(shí)用新型不限定于上述實(shí)施方式。凡在本實(shí)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(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。