一种高速调制的大功率基模半导体激光器芯片及其使用方法技术

本发明专利技术公开一种高速调制的大功率基模半导体激光器芯片，包括设置在芯片绝缘层上的有源锥形波导、无源弯曲波导、有源震荡级波导。其中：所述有源锥形波导、有源震荡级波导之间通过无源弯曲波导连接，且所述无源弯曲波导与有源锥形波导的窄端连接。同时，所述有源锥形波导、有源震荡级波导上均具有电极，所述无源弯曲波导不具有电极，从而对有源锥形波导、有源震荡级波导之间进行绝缘隔离。本发明专利技术重新设计了新的电流注入结构，即：产生高质量基横模种子光的有源震荡级波导、实现高阶模过滤、线宽压缩的无源弯曲波导、实现基模光单程放大的有源锥形波导。有效改善了各芯片的电光延迟及因载流子浓度变化引起的频率啁啾效应。载流子浓度变化引起的频率啁啾效应。载流子浓度变化引起的频率啁啾效应。

【技术实现步骤摘要】
一种高速调制的大功率基模半导体激光器芯片及其使用方法


[0001]本专利技术涉及半导体激光器
，具体涉及一种高速调制的大功率基模半导体激光器芯片及其使用方法。

技术介绍

[0002]本专利技术
技术介绍
中公开的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]高功率半导体激光器在泵浦、光通信、医疗、激光探测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。激光调制指的是把激光作为载波携带低频电信系的过程，激光调制分为内调制和外调制，其中内调制指的是在激光震荡的同时对激光器加载调制信号，将要传送的信息转变为电流信号注入到半导体激光器中，也称为直接调制。
[0004]直接调制的半导体激光器由于结构简单易于实现等优点，在光通信领域得到了广泛的应用。同时，随着半导体激光器功率、可靠性的提升，直接调制的半导体激光器系统在激光探测领域也开始得到广泛应用，尤其在激光制导以及激光雷达等领域。然而，由于激光脉冲的宽度、频率和形状等参数会影响激光探测系统的精度，当半导体激光器注入电流后，激光器会产生相应的电光延迟和驰豫振荡，造成输出的光脉冲与注入的电脉冲信号不一致，并且激光器会在弛豫震荡的同时，因注入脉冲的改变使得激光器内部载流子密度发生变化，进而导致折射率发生变化，最终发生频率啁啾效应，使得激光器的频率发生动态滑移。
[0005]中国专利CN 206059907 U公开了一种“具有倒台结构脊波导的半导体激光器芯片”，其将脊波导的剖面形状设计为倒梯形后，在同样的发光宽度下，金属接触层面积远大于传统接触层面积，有效降低了芯片高速调制下的阻抗，时间滞后效果明显减少。然而，本专利技术人发现，在实际应用中这种倒台结构的P面金属极易发生断裂，造成器件的失效，同时，由于为倒台结构，下方的空洞会造成局部折射率的改变以及散热效率低的问题，对器件的可靠性造成不利影响。另外，该专利技术仍然无法解决电光延迟以及改善频率啁啾的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种高速调制的大功率基模半导体激光器芯片，通过设计新的电流注入结构，有效改善了半导体激光器芯片的电光延迟和频率啁啾效应。为实现上述目的，本专利技术公开如下所示的技术方案。
[0007]在本专利技术的第一方面，公开一种高速调制的大功率基模半导体激光器芯片，包括设置在芯片绝缘层上的有源锥形波导、无源弯曲波导、有源震荡级波导。其中：所述有源锥形波导、有源震荡级波导之间通过无源弯曲波导连接，且所述无源弯曲波导与有源锥形波导的窄端连接。同时，所述有源锥形波导、有源震荡级波导上均具有电极，所述无源弯曲波
导不具有电极，从而对有源锥形波导、有源震荡级波导之间进行绝缘隔离。
[0008]进一步地，所述绝缘层的一端具有锥形凸起，所述绝缘层的另一端具有条状凸起，所述锥形凸起、条状凸起上均包覆有电极层，从而分别形成脊条式的所述有源锥形波导、有源震荡级波导，这种脊条式波导具有弱折射率导引机制的优点。
[0009]进一步地，所述锥形凸起、条状凸起之间通过绝缘层形成的弯曲状凸起连接，该弯曲状凸起上设置DBR光栅结构，从而形成脊条式的所述无源弯曲波导，同样地，这种脊条式波导具有弱折射率导引机制的优点。
[0010]进一步地，所述DBR光栅结构采用矩形布拉格光栅，其布满整个弯曲波导的表面。
[0011]进一步地，所述无源弯曲波导位于有源锥形波导、有源震荡级波导之间的凹槽中。
[0012]进一步地，所述有源锥形波导的窄端的宽度与无源弯曲波导的宽度保持一致，所述有源震荡级波导、无源弯曲波导的宽度保持一致。
[0013]进一步地，所述有源锥形波导的较宽一端比窄端宽度大10～15μm。
[0014]进一步地，所述芯片的底面上还开设有沟槽结构，以降低半导体衬底的阻抗，进而进一步降低芯片的电光延迟。可选地，所述沟槽结构的深度在10μm～20μm之间。
[0015]进一步地，所述激光器芯片还包括从下向上依次叠加的：N面电极、N型限制层、N型波导层、量子阱有源层、P型波导层、P型限制层。所述绝缘层设置在P型限制层上。
[0016]在本专利技术的第二方面，公开所述高速调制的大功率基模半导体激光器芯片的使用方法，包括：所述有源锥形波导上的电极电流为持续注入模式，且该注入电流值始终小于阈值电流，所述有源震荡级波导上的电极注入电流根据信号要求进行注入。
[0017]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0018]正如前文所述，当半导体激光器注入电流后，由于电光延迟和驰豫振荡造成输出的光脉冲与注入的电脉冲信号不一致，并且激光器在弛豫震荡的同时，因注入脉冲的改变使得激光器内部载流子密度发生变化，进而导致折射率发生变化，最终发生频率啁啾效应，使得激光器的频率发生动态滑移。为了克服上述问题，本专利技术重新设计了新的电流注入结构，即：产生高质量基横模种子光的有源震荡级波导、实现高阶模过滤、线宽压缩的无源弯曲波导、实现基模光单程放大的有源锥形波导。
[0019]其中：所述有源震荡级波导发出的基模光经过无源弯曲波导进行高阶模过滤吸收以及线宽压缩和锁模后直接进入有源锥形波导进行单程放大，抑制高阶模激射的同时有效提高锁模能力，由于有源锥形波导的出光腔面处宽度较大，降低了腔面处功率密度，提高了半导体激光器的最大输出功率，有效改善各芯片的电光延迟及因载流子浓度变化引起的频率啁啾效应。
[0020]另外，在使用本专利技术的半导体激光器芯片时，所述有源锥形波导上的电极电流为持续注入模式，且该注入电流值始终小于阈值电流，所述有源震荡级波导上的电极注入电流根据信号要求进行注入。其技术优势在于：由于有源锥形波导、有源震荡级波导通过无源弯曲波导和绝缘层实现了电流隔离。因此，有源锥形波导、有源震荡级波导上的电极为独立状态，因此，有源锥形波导上的电极只需注入很小的电流即可使得总电流大于阈值电流，进而产生激光。通过这种结构设计，不仅能够有效降低芯片的电光延迟以及驰豫振荡效应，而且降低了器件从不发光到发光的时间。另外，通过在芯片的背面设置沟槽，可以降低芯片的衬底阻抗，从而进一步降低因阻抗引起的电光延迟效应。
附图说明
[0021]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0022]图1为下列实施例中半导体激光器芯片的结构示意图。
[0023]图2为下列实施例中半导体激光器芯片的俯视图。
[0024]图3为下列实施例中半导体激光器芯片的右视图。
[0025]图中数字标记分别代表如下部件：1
‑
绝缘层、2
‑
有源锥形波导、3
‑
无源弯曲波导、4
‑
有源震荡级波导、5
‑
电极层、6
‑
凹槽、7
‑
N面电极、8
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高速调制的大功率基模半导体激光器芯片，其中，包括设置在芯片绝缘层上的有源锥形波导、无源弯曲波导、有源震荡级波导；其中：所述有源锥形波导、有源震荡级波导之间通过无源弯曲波导连接，且所述无源弯曲波导与有源锥形波导的窄端连接；所述有源锥形波导、有源震荡级波导上均具有电极，所述无源弯曲波导不具有电极。2.根据权利要求1所述的高速调制的大功率基模半导体激光器芯片，其特征在于，所述绝缘层的一端具有锥形凸起，所述绝缘层的另一端具有条状凸起，所述锥形凸起、条状凸起上均包覆有电极层，从而分别形成脊条式的所述有源锥形波导、有源震荡级波导。3.根据权利要求2所述的高速调制的大功率基模半导体激光器芯片，其特征在于，所述锥形凸起、条状凸起之间通过绝缘层形成的弯曲状凸起连接，该弯曲状凸起上设置DBR光栅结构，从而形成脊条式的所述无源弯曲波导。4.根据权利要求3所述的高速调制的大功率基模半导体激光器芯片，其特征在于，所述DBR光栅结构采用矩形布拉格光栅，其布满整个弯曲波导的表面。5.根据权利要求1所述的高速调制的大功率基模半导体激光器芯片，其特征在于，所述无源弯曲波导位于有源锥形波导、有源震荡级波导之间的凹槽中。...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙春明，吴凯，苏建，刘琦，朱振，
申请(专利权)人：山东华光光电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：