激光模块及其制备方法与流程

本发明涉及激光器，尤其是涉及一种激光模块及其制备方法。

背景技术：

1、边发射半导体激光器作为光电子领域的关键器件，在气体检测、激光雷达、原子物理及通信测试等领域具有广泛应用。根据反馈机制的不同，现有技术主要采用法布里-珀罗（fp）激光器、分布式反馈（dfb）激光器以及基于外部光纤布拉格光栅（fbg）的激光系统三种典型结构。

2、fp激光器采用端面解理腔形成谐振，具有结构简单、制备工艺成熟且输出功率高的显著优势，但其谐振腔缺乏波长选择机制，导致输出光谱呈现多纵模特性，光谱宽度通常在数纳米量级。dfb激光器通过在增益区引入周期性布拉格光栅实现分布式反馈，能有效抑制边模并获得单纵模输出，其典型线宽可控制在mhz级别，且具备优异波长稳定性，但需要复杂的电子束光刻或纳米压印工艺，导致制造成本显著增加。fp-fbg混合结构通过将fp激光器与外部光纤光栅耦合，虽能获得窄线宽输出，但需精密的光纤对准和封装技术，系统集成度低且环境稳定性较差。

3、值得注意的是，上述三种结构均只能实现单一工作模式，而实际应用中如甲烷气体检测需要宽谱扫描与窄线宽锁定交替进行，激光雷达系统同时需要高功率脉冲与窄线宽连续波输出，现有解决方案往往需要采用多个独立激光模块组合，不仅增加封装复杂度与光路对准难度，还导致系统成本居高不下，更无法实现微秒级快速模式切换。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种激光模块及其制备方法，以缓解了现有激光器无法兼顾不同工作模式的技术问题。

2、第一方面，本发明提供的一种激光模块，包括：外延结构、第一脊波导结构和第二脊波导结构；

3、外延结构包括在第一方向上间隔设置的fp部分和dfb部分，第一脊波导结构设置在dfb部分的顶部；第二脊波导结构设置在fp部分的顶部；第一脊波导结构和第二脊波导结构均沿外延结构的腔长方向延伸，且二者沿第一方向间隔设置，第一方向分别垂直于外延结构的腔长方向和层叠方向；

4、dfb部分包括第一光栅层，第一光栅层中设置有光栅结构；

5、fp部分包括第二光栅层，第二光栅层的周期、占空比和刻蚀深度均与第一光栅相同，且第二光栅层经过选择性离子注入处理，以使fp部分实现fp激射，dfb部分实现dfb激射；

6、第一脊波导结构和第二脊波导结构均具有独立的出光区域，且二者的出光端位于相同一侧，且出光方向一致；

7、fp部分和dfb部分的波长偏差小于等于1nm。

8、进一步的，fp部分中，自其顶面直至第二光栅层的底部均经过选择性离子注入处理；

9、第一光栅层的有效折射率为；

10、fp部分中被选择性离子注入处理的部分的有效折射率为；

11、-的取值范围为0.03-0.05。

12、进一步的，fp部分中被选择性离子注入处理的部分的注入层材料折射率变化为0.1；

13、fp部分中被选择性离子注入处理的部分的导模与注入区域的重叠因子为5%。

14、进一步的，第一光栅层和第二光栅层均包括沿层叠方向，自下而上依次设置的光栅材料层和光栅覆盖层，光栅材料层上设置有光栅结构，光栅结构包括沿第一方向交替布置的凸结构和凹结构，且凹结构内填充有光栅覆盖层；

15、dfb部分内，凸结构所在位置的有效折射率为，凹结构所在位置的有效折射率为；fp部分内，凸结构所在位置的离子注入的最低位置高于凸结构的顶面，以使凸结构所在位置的有效折射率为；凹结构所在位置的离子注入的最低位置低于凹结构的开口，以使凹结构所在位置的有效折射率为；其中，为离子注入对fp部分内的凹结构所在位置的有效折射率的影响；则=；

16、或者，dfb部分内，凸结构所在位置的有效折射率为，凹结构所在位置的有效折射率为；fp部分内，凸结构所在位置的离子注入的最低位置低于凸结构的顶面，以使凸结构所在位置的有效折射率为+，其中，为离子注入对fp部分内的凸结构所在位置的有效折射率的影响；凹结构所在位置的离子注入的最低位置高于凹结构的开口，以使凹结构所在位置的有效折射率为；则=。

17、进一步的，第一光栅层和第二光栅层均包括沿层叠方向，自下而上依次设置的光栅材料层和光栅覆盖层，光栅材料层上设置有沿第一方向交替布置的凸结构和凹结构，且凹结构内填充有光栅覆盖层；

18、dfb部分内，凸结构所在位置的有效折射率为，凹结构所在位置的有效折射率为；且；

19、fp部分内，凸结构所在位置的有效折射率为，凹结构所在位置的有效折射率为；

20、；

21、；

22、且；

23、；

24、；

25、其中，为离子注入对fp部分内的凸结构所在位置的有效折射率的影响；为离子注入对fp部分内的凹结构所在位置的有效折射率的影响；

26、为fp区域光栅耦合系数与腔长的乘积；

27、为dfb部分光栅耦合系数与腔长的乘积。

28、进一步的，，以使。

29、进一步的，激光模块还包括第一驱动电路和第二驱动电路，第一驱动电路与第一脊波导结构连接，第二驱动电路与第二脊波导结构连接。

30、进一步的，外延结构还包括量子阱层；

31、第一光栅层和第二光栅层均位于量子阱层上方150nm～300nm位置处；

32、设定：其中：为选择性离子注入处理过程中离子投影射程；为选择性离子注入处理过程中纵向展宽；为选择性离子注入处理过程中注入表面至最近量子阱层的距离。

33、进一步的，外延结构包括自其顶部向下延伸至其下包层的隔离槽，隔离槽将外延结构在第一方向上分隔成fp部分和dfb部分。

34、第二方面，本发明提供的一种激光模块的制备方法，用于制备上述的激光模块，包括步骤：

35、步骤s1.一次外延生长,以获得顶部为光栅材料层的一次外延部分；

36、步骤s2.在一次外延部分的顶面制备沿第一方向延伸并横跨fp部分和dfb部分的光栅结构；

37、步骤s3.二次外延生长，以形成外延结构；

38、步骤s4.将外延结构中，将dfb部分的顶面遮挡；对外延结构中的fp部分进行选择性离子注入处理；

39、步骤s5.去除dfb部分的顶面遮挡，对外延结构进行退火处理。

40、第三方面，本发明提供的一种激光模块的制备方法，用于制备上述的激光模块，包括步骤：

41、步骤s1.一次外延生长,以获得顶部为光栅材料层的一次外延部分；

42、步骤s2.将一次外延部分中，将dfb部分的顶面遮挡；对一次外延部分中的fp部分进行选择性离子注入处理；

43、步骤s3.在光栅层上制备沿第一方向延伸并横跨fp部分和dfb部分的光栅结构；

44、步骤s4.二次外延生长，以形成外延结构。

45、第四方面，本发明提供的一种激光模块，包括：外延结构、第一脊波导结构和第二脊波导结构；

46、外延结构包括在第一方向上间隔设置的fp部分和dfb部分，第一脊波导结构设置在fp部分的顶部；第二脊波导结构设置在dfb部分的顶部；第一脊波导结构和第二脊波导结构均沿外延结构的腔长方向延伸，且二者沿第一方向间隔设置，第一方向分别垂直于外延结构的腔长方向和层叠方向；

47、dfb部分包括第一光栅层，第一光栅层中设置有光栅结构；

48、在层叠方向上，fp部分中与第一光栅层对应的位置的层结构中不设置有光栅结构，以使fp部分实现fp激射，dfb部分实现dfb激射；

49、fp部分和dfb部分均具有独立的出光区域，且二者的出光端位于相同一侧，且出光方向一致；

50、fp部分和dfb部分的波长偏差小于等于1nm。

51、第五方面，本发明提供的一种激光模块的制备方法，用于制备上述的激光模块，包括步骤：

52、步骤s1.一次外延生长,以获得顶部为光栅材料层的一次外延部分；

53、步骤s2.仅在dfb部分中的光栅材料层上制备光栅结构；fp部分中的光栅材料层上不制备光栅结构；

54、步骤s3.二次外延生长，将光栅材料层覆盖，以形成外延结构。

55、本发明至少具备以下优点或有益效果：

56、本发明提供的一种激光模块，包括：外延结构、第一脊波导结构和第二脊波导结构；外延结构包括在第一方向上间隔设置的fp部分和dfb部分，第一脊波导结构设置在dfb部分的顶部；第二脊波导结构设置在fp部分的顶部；第一脊波导结构和第二脊波导结构均沿外延结构的腔长方向延伸，且二者沿第一方向间隔设置，第一方向分别垂直于外延结构的腔长方向和层叠方向；dfb部分包括第一光栅层，第一光栅层中设置有光栅结构；fp部分包括第二光栅层，第二光栅层的周期、占空比和刻蚀深度均与第一光栅相同，且第二光栅层经过选择性离子注入处理，或者，在层叠方向上，fp部分中与第一光栅层对应的位置的层结构中不设置有光栅结构，以使fp部分实现fp激射，dfb部分实现dfb激射；fp部分和dfb部分均具有独立的出光区域，且二者的出光端位于相同一侧，且出光方向一致；fp部分和dfb部分的波长偏差小于等于1nm。

57、本方案中，在同一外延结构上制备得到并排设置的fp部分和dfb部分，并且，由于fp部分和dfb部分中的光栅结构的设置形式不同，从而使fp部分实现fp激射，dfb部分实现dfb激射。通过上述的激光模块可以实现fp模式+dfb模式单独激发或者同时工作，从而达到激光输出模式的快速切换与复用。并且，由于fp部分和dfb部分的出光端位于相同一侧，后期加装透镜制备激光模块时，模块内部光路简单，易于制作。而且，由于fp部分与dfb部分的波长偏差小于1nm，在激光模块应用时，可以按需使用相同波长不同性质的两种光束，适应不同的工作场景。