具有波纹化侧壁的分布式反馈带间级联激光器制造技术

一种带间级联激光器，包括：脊形波导，具有交替的第一区域和第二区域；其中第一区域具有恒定的宽度，并且第二区域在第一区域和第二区域之间的边界处具有与第一区域匹配的宽度，并且第二区域的宽度增加到大于第一区域的宽度的最大值，使得沿着脊形波导的每一侧都形成部分波纹化侧壁；其中第一区域包括光栅结构，并且由于第一区域的周期性特性，光栅结构是采样光栅的形式；并且其中与基本波导模相比，部分波纹化侧壁增加了在较高阶横向模中辐射的波导损耗。

Distributed feedback cascaded lasers with corrugated sidewalls

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有波纹化侧壁的分布式反馈带间级联激光器相关申请的交叉引用本申请要求于2017年5月8日提交的、序列号为62/503,063的美国临时专利申请和2017年5月15日提交的、序列号为62/506,338的美国临时专利申请的优先权。序列号为62/503,063的美国临时专利申请和序列号为62/506,338的美国临时专利申请所公开内容通过引用并入本文。关于联邦资助的研究或开发的声明本专利技术是在政府的支持下，根据ARPA-E分包合同通过由美国能源部签署的PhysicalSciencesInc.(PSI)：SC67247-1867协议完成的。政府对本专利技术具有一定权利。
本专利技术总体上涉及激光装置。更具体地，本专利技术涉及具有波纹化侧壁的分布式反馈带间级联激光器。
技术介绍
本文件公开了一种分布式反馈(distributedfeedback，DFB)带间级联激光器(interbandcascadelaser，ICL)，其可以以单个波长产生激光，这对于气体感测应用(尤其是对于甲烷检测)是至关重要的。因此，重要的是可以重复制造以单个波长产生激光的DFBICL。DFB激光器通过将波长选择光栅引入到装置结构中以实现单波长操作来操作。已经开发了各种各样的DFB结构以改进常规掩埋异质结构(buried-heterostructure，BH)DFB的性能和制造成品率，诸如光栅中的四分之一波长偏移(参考文献1)、波纹间距调制的相位布置区域(参考文献2)，或输出面处的部分波纹状光栅部段(参考文献3)。由于利用现有外延生长技术的ICL材料系统缺乏再生长能力，典型的ICL由脊形波导结构而不是BH结构制成。脊形波导是通过在激光材料中蚀刻平行沟槽来形成，以形成增益材料的隔离条带。通常在沟槽中沉积介电材料，以将注入的电流引导到脊中；然后整个脊通常涂覆有金，以提供电接触。BH波导是这样一种波导结构，虽然对激光增益材料进行蚀刻以产生隔离的脊，但是新的半导体材料在脊上生长。激光增益材料和过度生长材料之间折射率的变化足以形成波导，如参考文献7中所示。在BH结构中，光栅可以位于有源区附近，使得有源区和光栅之间光场有很强的重叠，这有利于单波长操作。在脊结构中，光栅位于离有源区更远的位置，因此相互作用比在BH结构中更弱。制造DFBICL的直接方式是在进行脊蚀刻和在顶表面上沉积金属接触之前，在晶片的顶部上蚀刻光栅。然而，由于蚀刻深而窄的台面结构存在困难，很难抑制ICL中的光学较高阶横向模。能以良好成品率制成的典型最窄脊宽度约为4μm。以这种条带宽度，波导结构可以轻松地支持具有典型ICL波长(约3μm)的第二较高阶模。对于5μm宽的条带，该结构甚至可以支持第一垂直较高阶模。图1示出了在不同电流下的规则DFBICL的测量激光光谱。可以看出，DFBICL以多个离散波长而不是以单波长(基模)产生激光，特别是以较高的工作电流产生激光。在500mA下，激光波长包括第一、第二和第三横向较高阶模和第一垂直较高阶模。波长与波导模拟中基于光栅间距和有效折射率计算的预测相匹配。这背后的原因是脊条带与波长相比非常宽，以至于高阶模具有与基模相当的波导损耗和限制因子。因此，DFBICL将以所有可允许的模式(包括基模和较高阶模)产生激光。为了解决这个问题，之所以需要增加较高阶模的波导损耗，或者减小较高阶模的限制因子，是因为以特定模式产生激光所需的增益是g＝(αw+αm)/Γ，其中αw是波导损耗，αm是镜损耗，并且Γ是限制因子。对于DFBICL而言，难以使脊足够窄从而为较高阶模增加波导损耗，并且目前使BH结构为较高阶模而减少限制因子也是不可行的。另一方面，与近红外DFB二极管激光器相比，DFBICL具有高电压降。如果试图避免蚀刻芯区域，这将导致巨大的电流扩散；对于DFB二极管激光器来说，这是通过减少光模在波导中的限制来解决这个问题的。由Borgentun等人引入的用于DFBICL的一种解决方案(参考文献5和6)是将波导结构制造成台阶状，如图2所示。将光栅放置得比规则脊结构更靠近芯，即更靠近光学模式。第二脊(顶部脊)用于在第一脊(底部脊)的中心和侧面之间引入弱折射率差值，使得基模是首选的。然而，模拟表明，这种结构在基模和高阶模之间既没有引入大的光学损耗差异，也没有引入大的限制因子差异。恰恰相反，这种结构被认为提供给第一较高阶模的光栅反馈高于提供给基模的光栅反馈。因此，其可能有利于第一较高阶模而不是基模。因此，所述解决方案不是一个好方法。海军研究实验室使用的另一种解决方案是在侧壁上制造光栅，如图3所示。侧壁光栅还具有波纹化侧壁的功能，这对于较高阶模会带来额外的高损耗(参考文献7)。然而，在侧壁上制造精细光栅结构并通过激光芯对其深度蚀刻具有挑战性。为了缓解这个问题，人们倾向于使用高阶光栅间距(参考文献7中的四阶光栅间距)，因为所述装置倾向于以两种DFB模式产生激光，这通常会导致单模操作的成品率降低。此外，因为半导体材料成分在生长方向上显著变化，并且不同的材料对相同的蚀刻化学溶液的响应不同，所以当它们在光栅蚀刻中全部暴露在侧壁上时，这使得蚀刻工艺非常不可靠。因此，该方法可能不是用于批量生产的良好解决方案。因此，长期以来一直需要一种方法来制造DFBICL，所述DFBICL可以以单个波长产生激光而没有上述问题。
技术实现思路
本专利技术的一个实施例提供了一种带间级联激光器，包括：脊形波导，具有交替的第一区域和第二区域；其中所述第一区域具有恒定的宽度，并且所述第二区域在所述第一区域和所述第二区域之间的边界处具有与所述第一区域匹配的宽度，并且所述第二区域的宽度增加到大于所述第一区域的宽度的最大值，使得沿着所述脊形波导的每一侧都形成部分波纹化侧壁；其中所述第一区域包括光栅结构，并且由于所述第一区域的周期性特性，所述光栅结构是采样光栅的形式；并且其中与所述基本波导模相比，部分波纹化侧壁在较高阶横向模中增加了辐射的波导损耗。本专利技术的另一个实施例提供了一种半导体激光器，包括：脊形或掩埋波导，具有交替的第一区域和第二区域；其中所述第一区域具有恒定的宽度，并且所述第二区域在所述第一区域和所述第二区域之间的边界处具有与所述第一区域匹配的宽度，并且所述第二区域的宽度增加到大于所述第一区域的宽度的最大值，使得在所述脊形波导的每一侧都形成部分波纹化侧壁或界面；其中所述第一区域包括光栅结构，并且由于所述第一区域的周期性特性，所述光栅结构是采样光栅的形式；并且其中与所述基本波导模相比，部分波纹化侧壁或界面在高阶横向模中增加了辐射的波导损耗。本专利技术的另一个实施例提供一种带间级联激光器，包括：具有交替的第一区域和第二区域的脊形波导；其中所述第一区域具有恒定的宽度，并且所述第二区域在所述第一区域和所述第二区域之间的边界处具有与所述第一区域匹配的宽度，并且所述第二区域的宽度减小到小于所述第一区域的宽度的最小值，使得沿着所述脊形波导的每一侧都形成部分波纹化侧壁；其中所述第一区域包括光栅结构，并且由于所述第一区域的周期性特性，所述光栅结构是采样光栅的形式；并且其中与所述基本波导模相比，部分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带间级联激光器，包括：/n脊形波导(400)，具有交替的第一和第二区域(410、420)；/n其中所述第一区域(410)具有恒定的宽度，并且所述第二区域(420)在所述第一区域(410)和所述第二区域(420)之间的边界处具有与所述第一区域(410)匹配的宽度(440)，并且所述第二区域(420)的宽度(440)增加到大于所述第一区域(410)的宽度的最大值，使得沿着所述脊形波导的每一侧形成部分波纹化侧壁；/n其中所述第一区域(410)包括光栅结构(430)，并且由于所述第一区域(410)的周期性特性，所述光栅结构(430)是采样光栅的形式；并且/n其中与所述基本波导模相比，所述部分波纹化侧壁在较高阶横向模中增加了辐射的波导损耗。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170508 US 62/503,063;20170515 US 62/506,3381.一种带间级联激光器，包括：
脊形波导(400)，具有交替的第一和第二区域(410、420)；
其中所述第一区域(410)具有恒定的宽度，并且所述第二区域(420)在所述第一区域(410)和所述第二区域(420)之间的边界处具有与所述第一区域(410)匹配的宽度(440)，并且所述第二区域(420)的宽度(440)增加到大于所述第一区域(410)的宽度的最大值，使得沿着所述脊形波导的每一侧形成部分波纹化侧壁；
其中所述第一区域(410)包括光栅结构(430)，并且由于所述第一区域(410)的周期性特性，所述光栅结构(430)是采样光栅的形式；并且
其中与所述基本波导模相比，所述部分波纹化侧壁在较高阶横向模中增加了辐射的波导损耗。


2.根据权利要求1所述的激光器，其中所述光栅结构的采样周期选择为使得在反射率光谱中产生的均匀间隔的峰值之间的间隔大于所述激光器的增益分布在最大值的一半处的全宽度。


3.根据权利要求1所述的激光器，其中所述光栅结构的光栅间距选择为使得在所述采样光栅的反射率峰值的零阶中的辐射是首选的。


4.根据权利要求1所述的激光器，其中所述光栅结构的采样周期小于10μm。


5.根据权利要求1所述的激光器，其中所述部分波纹化侧壁的周期等于所述采样周期的一半。


6.根据权利要求1所述的激光器，其中所述第一区域的波导宽度为4μm至5μm，并且所述部分波纹化侧壁部段内的波纹周期为2μm至5μm。


7.根据权利要求1所述的激光器，其中所述光栅包括沿着所述波导的相移，使得所述激光器是相移的分布式反馈(DFB)。


8.根据权利要求7所述的激光器，其中所述激光器是四分之一波长相移的DFB激光器。


9.一种半导体激光器，包括：
脊形或掩埋波导(400)，具有交替的第一区域和第二区域(410、420)；
其中所述第一区域(410)具有恒定的宽度，并且所述第二区域(420)在所述第一区域(410)和所述第二区域(420)之间的边界处具有与所述第一区域(410)匹配的宽度(440)，并且所述第二区域(420)的宽度(440)增加到大于所述第一区域(410)的宽度的最大值，使得在所述波导的每一侧上形成部分波纹化侧壁或界面；
其中所述第一区域(410)包括光栅结构(430)，并且由于所述第一区域(410)的周期性特性，所述光栅结构(430)是采样光栅的形式；并且
其...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢峰，J·法姆，M·P·施托克尔，K·拉斯科拉，
申请(专利权)人：统雷量子电子有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US