基于多模干涉波导的高相干性激光面阵及其制备方法技术

本发明专利技术实施例提供的基于多模干涉波导的高相干性激光面阵，用来解决半导体激光面阵的高功率、高相干度、窄线宽输出问题。通过采用错位分布的多模干涉波导作为各激光单元中光束的相干合束元件，结合高反射光栅和二阶衍射光栅，在大电流工作状态下提供纵向模式选择和低温漂波长稳定的反射光谱和向底面发射的衍射光，实现二维分布的脊形增益波导激光单元中光模式的相干耦合和表面发射出光，同时利用脊形增益波导对窄线宽激光进行放大，实现高功率、高相干性的表面发射窄线宽激光。相比于其他半导体激光面阵，具有体积小巧、集成度高、激光相干度高、整体光谱线宽窄等优势。整体光谱线宽窄等优势。整体光谱线宽窄等优势。

High coherence laser array based on Multimode Interference Waveguide and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
基于多模干涉波导的高相干性激光面阵及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体领域，特别涉及一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵及其制备方法。

技术介绍

[0002]半导体激光面阵器件是利用半导体材料作为增益介质的激光器件，具有输出功率高、电光转换效率高等优势，是高精度探测系统的理想光源，如Flash激光雷达、光学相控阵激光雷达、光电微机械激光雷达等的激光探测系统的核心光源。其中光学相控阵雷达，是一种利用硅基光学相控阵作为天线的光学雷达，探测所需的光能量一般由半导体激光器提供，为实现百米以上长距离探测，对半导体激光器的激光功率、相干性、光谱线宽和光束质量提出了较高的要求。
[0003]现有的半导体激光面阵主要包括垂直腔面发射半导体激光面阵、半导体激光叠巴面阵、表面发射分布反馈半导体激光面阵等高功率面阵。
[0004]尽管半导体激光面阵在提高输出功率方面取得了很大的进步，但是各类型的激光面阵在大电流注入(15倍以上阈值电流)情况下仍存在各种问题。一、垂直腔面发射半导体激光面阵是一种单片集成式激光面阵，但激光单元间距较大，这样可以降低单元间的热串扰，虽然已经实现几十瓦的高功率输出，但是各单元光模式之间没有耦合，其在大电流注入下会出现各单元的激光频率差异较大的现象，列阵的相干性下降，同时整体光谱线宽增加，不适合作为光学相控阵光源。二、半导体激光叠巴面阵是一种将边发射巴条堆叠封装构建的激光面阵模块，体积较大，虽然可实现几百瓦的高功率输出，但是由于所采用的边发射巴条，通常由19个条宽为100μm以上的激光单元组成，各单元的中心间距为500微米，其在大电流注入下，宽条形波导中会出现基横模和高阶横向模式同时振荡的情况，光束质量和光谱线宽特性迅速劣化，通常光束质量M2≥20，光谱线宽为3nm
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4nm。仅适合作为激光加工等领域高能光源，无法应用到激光雷达领域。三、表面发射分布反馈半导体激光面阵是一种将表面发射分布反馈半导体激光列阵采用平面二维分布式封装方式构建的激光面阵模块，可实现三百瓦级高功率输出，但是同样存在各激光单元无耦合相干、体积较大的问题。仅适合作为光纤和固态激光器的泵浦光源，无法应用到激光雷达领域。
[0005]常规的半导体激光面阵，一般采用增加载流子注入区的总面积，如增加激光单元数量或增大激光单元的尺寸获得更高的输出功率，但是以上器件为避免大电流注入下焦耳热等引起的热串扰，激光单元间距离通常为50微米
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500微米，导致各单元间无法进行相干耦合，激光面阵的相干性、光束质量和光谱线宽特性较差，不适合作为激光雷达的光源。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术实施例中提供一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵及制备方法。
[0007]第一方面，本专利技术提供一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵，包括：外延片
以及设置在所述外延片上的谐振腔结构，所述谐振腔结构沿X方向依次排布为一组第一高反射光栅、与所述第一高反射光栅对应的一组第一多模干涉波导、一组深刻蚀沟槽、一组脊形增益波导、一组一体形成在脊形增益波导上的所述二阶衍射光栅、一组第二多模干涉波导、一组第二高反射光栅，沿Y方向所述第一多模干涉波导、所述脊形增益波导呈周期性排布，间距为20微米至50微米，外延片沿Z方向自下而上依次为N面金属电极、N型衬底层、N型包层、N型波导层、有源层、P型波导层、P型包层、P型高掺杂盖层、P面金属电极，所述N面金属电极和所述N型衬底层上设有N面出光窗口。
[0008]作为一种可选的方案，所述有源层为量子阱有源层或量子点有源层。
[0009]作为一种可选的方案，所述N型衬底层为N型掺杂砷化镓衬底层。
[0010]作为一种可选的方案，所述一组第一高反射光栅为两个且分别为第一一高反射光栅和第二一高反射光栅，所述一组第一多模干涉波导为两个且分别为第一一多模干涉波导、第二一多模干涉波导，所述一组脊形增益波导至少包括第一脊形增益波导、第二脊形增益波导、第三脊形增益波导和第四脊形增益波导，所述一组第二多模干涉波导为三个且分别为第一二多模干涉波导、第二二多模干涉波导、第三二多模干涉波导，所述一组第二高反射光栅为三个且分别为第一二高反射光栅、第二二高反射光栅和第三二高反射光栅。
[0011]第二方面，本专利技术提供一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵的制备方法，包括：
[0012]通过金属有机化合物气相沉积法MOCVD生长在N型掺杂的衬底上生长外延片，外延片包括由下至上依次包括N型衬底层、N型包层、N型波导层、有源层、P型波导层、P型包层和P型高掺杂盖层；
[0013]在所述外延片上刻蚀到P型波导层或者P型包层，完成高反射光栅和多模干涉波导制作；
[0014]在所述外延片上刻蚀到P型波导层，完成脊形增益波导阵列制作；
[0015]在所述外延片上刻蚀到P型波导层，完成二阶衍射光栅制作；
[0016]在所述外延片上刻蚀到N型包层，完成深刻蚀沟槽制作；
[0017]在P型高掺杂盖层上制作P面金属电极，再对所述N型掺杂的衬底减薄，在减薄后的N型掺杂的衬底上镀N面金属电极，完成制作。
[0018]作为一种可选的方案，所述通过金属有机化合物气相沉积法MOCVD生长在N型掺杂的衬底上生长外延片，包括：
[0019]通过金属有机化合物气相沉积法MOCVD生长在N型掺杂的砷化镓GaAs衬底层上生长外延片。
附图说明
[0020]图1为本专利技术实施例中提供一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵的结构示意图；
[0021]图2为本专利技术实施例中提供一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵的侧面结构示意图；
[0022]图3为本专利技术实施例中提供一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵的俯视结构示意图；
[0023]图4为本专利技术实施例中提供一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵的仰视结构示意图；
[0024]图5为本专利技术实施例中提供一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵的组合后俯视结构示意图；
[0025]图6为本专利技术实施例中提供一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵的组合后仰视结构示意图。
具体实施方式
[0026]为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。
[0027]本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多模干涉波导的高相干性激光面阵，其特征在于，包括：外延片以及设置在所述外延片上的谐振腔结构，所述谐振腔结构沿X方向依次排布为一组第一高反射光栅、与所述第一高反射光栅对应的一组第一多模干涉波导、一组深刻蚀沟槽、一组脊形增益波导、一组一体形成在脊形增益波导上的所述二阶衍射光栅、一组第二多模干涉波导、一组第二高反射光栅，沿Y方向所述第一多模干涉波导、所述脊形增益波导呈周期性排布，间距为20微米至50微米，外延片沿Z方向自下而上依次为N面金属电极、N型衬底层、N型包层、N型波导层、有源层、P型波导层、P型包层、P型高掺杂盖层、P面金属电极，所述N面金属电极和所述N型衬底层上设有N面出光窗口。2.根据权利要求1所述的基于多模干涉波导的高相干性激光面阵，其特征在于，所述有源层为量子阱有源层或量子点有源层。3.根据权利要求1所述的基于多模干涉波导的高相干性激光面阵，其特征在于，所述N型衬底层为N型掺杂砷化镓衬底层。4.根据权利要求1所述的基于多模干涉波导的高相干性激光面阵，其特征在于，所述一组第一高反射光栅为两个且分别为第一一高反射光栅和第二一高反射光栅，所述一组第一多模干涉波导为两个且分别为第一一多模干涉波导、第二一多模干涉波导，所述一组脊形增益波导至少包括第一脊形增益波导、第二脊形增益...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾鹏，邱橙，秦莉，梁磊，陈泳屹，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：