[發明專利]單片集成鎖相面發射分布反饋半導體激光器陣列

有效

• 申請號: 201010179529.6
• 申請日: 2010-05-24
• 公開（公告）號: CN101841129A
• 公開（公告）日: 2010-09-22
• 發明（設計）人: 胡永生;秦莉;葉淑娟;張楠;寧永強
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: H01S5/187
• 分類號: H01S5/187;H01S5/065;H01S5/14;H01S5/22
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所 22210
• 代理人: 陶尊新

技術領域

本發明涉及新的半導體激光器陣列鎖相結構，尤其是具備高功率、相干輸出的半導體激光器陣列。

背景技術

半導體激光器具有小巧、高效、壽命長、易于集成等諸多優點。相干激光器與非相干激光器相比，又具有更好的空間模式、更高的峰值功率和功率密度，在光互連、光通信、工業、軍事、醫療等方面具有更加廣泛的應用前景。制造出高功率、高相干性、衍射極限出光的半導體激光器一直是人們追求的目標。

實現半導體激光器相干出光的關鍵是鎖定各個激光器單元之間的相位，根據采用耦合方式的不同，可分為內部耦合和外部耦合。內部耦合方式主要有：漏波耦合、倏逝波耦合、Y型耦合和X型耦合等。內部耦合結構緊湊，但發光單元的寬度往往不能做的很大，限制了鎖相輸出的功率，難以適應高功率的要求；外部耦合方式可分為兩類：種子注入鎖定和外腔鎖相。外腔鎖相是利用光束在外腔中傳播時發生的衍射以及外腔鏡的反饋作用，在各激光器單元之間建立起相互耦合的機制，其方法主要包括：空間濾波技術、相位共軛技術以及Talbot外腔技術等。種子注入鎖定需要一個額外的輸出高質量激光的主激光器，以及昂貴的光隔離器。而外腔鎖相系統結構簡單，效果較好。

單片集成技術是將光學元件集成在單片基板上，使光線沿著預定的光路傳播。該技術可明顯提高光學系統的穩定性和復雜系統的緊湊性，同時大大降低傳統光學機械系統的加工和裝調成本。目前已實現簡單光學系統，如光源和探測器集成系統、集成混合成像系統等的單片集成。

對Talbot外腔鎖相半導體激光器的研究已經相當深入，而對單片集成Talbot外腔鎖相技術則鮮有報道，究其原因在于，傳統的邊發射半導體激光器只能一端置Talbot外腔鏡，另一端出光，因此僅能實現一維Talbot外腔鎖相，無法實現二維集成。

目前，實現面發射分布反饋(SE-DFB)半導體激光器陣列鎖相的方式也僅限于反波導耦合，屬于上述的漏波耦合范疇，其發光區寬度的選取對器件性能影響很大，因此器件制作和工作穩定性不高。此外，由于存在上述的發光區寬度無法做得很大的問題，反波導耦合鎖相面發射分布反饋半導體激光器陣列的出光功率也受到了極大的限制。

發明內容

本發明為解決現有采用外部耦合(Talbot外腔)鎖相技術無法實現單片集成，裝調困難；內部耦合(漏波耦合)鎖相技術因出光區寬度受限而影響出光功率的問題，提出一種單片集成鎖相面發射分布反饋半導體激光器陣列。

單片集成鎖相面發射分布反饋半導體激光器陣列，包括M個分布布拉格反射器和N個面發射分布反饋半導體激光器陣列條，每個分布布拉格反射器與每個面發射分布反饋半導體激光器陣列條周期性間隔排列，所述每個面發射分布反饋半導體激光器陣列條與左右兩端的分布布拉格反射器構成外腔反饋激光器；所述每個面發射分布反饋半導體激光器陣列條左端的分布布拉格反射器為所述外腔反饋激光器提供外腔的光反饋；每個面發射分布反饋半導體激光器陣列條右端的分布布拉格反射器為所述外腔反饋激光器提供端面反射；所述M和N均為自然數，且M＝N+1。

本發明的原理：本發明采用周期性間隔排列的面發射分布反饋半導體激光器陣列條和分布布拉格反射器；每一個面發射分布反饋半導體激光器陣列條與其左端的分布布拉格反射器構成外腔激光器，其右端緊鄰的分布布拉格反射器為其提供端面反射；其中，每個面發射分布反饋半導體激光器陣列條由P個激光器單元構成。每個激光器單元包括一個二階分布反饋光柵，該光柵可提供兩個衍射級，一級衍射提供光反饋，二級衍射提供表面出光，得到沿Y方向的底面激射出光和Z方向的發射損耗。每個面發射分布反饋半導體激光器陣列條的左端面距分布布拉格反射器距離為Z_t/2，其中Z_t＝2nd²/λ，n為波導材料折射率，d為激光器單元X方向中心距離，λ為設計波長，滿足Talbot自成像距離要求；所述分布布拉格反射器，由一階光柵構成，其周期滿足布拉格條件，約為二階分布反饋光柵周期的一半。整個結構由半導體材料的二次生長技術得到，二階光柵和一階光柵由全息曝光或電子束光刻和反應離子束刻蝕制作在上波導層上，從而得到高功率的相干光束。