CN101651286B - 具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器 - Google Patents

具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器 Download PDF

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一种具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器，其特征在于，包括：一铜热沉，该铜热沉上开有一凹槽；一透明热沉，该透明热沉的上表面蒸镀有增透膜；一外延片，该外延片采用液体吸附的方法与透明热沉的下表面连接，将连接后透明热沉和外延片通过焊料与铜热沉固定连接，使外延片容置在凹槽内；一泵浦光源，该泵浦光源与轴线成一定的角度置于透明热沉上表面的一侧；一外腔镜，该外腔镜位于透明热沉上面的轴线处，该外腔镜的凹面镀有反射膜。

Description

具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，特别是涉及具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器。
背景技术
垂直外腔面发射激光器属于面发射激光器中的一种，是半导体激光技术中的新型器件，以其高功率、优质光束质量和易于形成二维列阵的特点在激光显示、激光通信、材料加工、医疗及国防工程等领域具有广泛的应用前景。特别是其易于倍频和形成二维列阵的特点，可以实现高光束质量的高功率激光输出，这些优点使其在工业加工、固体激光和光纤激光泵浦、晶体倍频等领域有着非常大的研发前景。
垂直外腔面发射激光器与固体激光器和边发射半导体激光器以及垂直腔面发射激光器相比具有很大的优势。一，传统的固体激光器体积庞大、造价高、转换效率低；垂直外腔面发射激光器具有体积小、成本低、转换效率高等优势。而且半导体材料的带隙是可以调节的，它能获得固体激光器所没有的波长。这些将大大拓展它的应用领域。二，边发射半导体激光器发散角大，需要对输出光束进行整形，这套整形系统精度要求很高，目前我国还没有能力生产这套系统；垂直外腔面发射激光器具有极小的发散角、圆对称光斑、易于单纵模激射，不用经过复杂的整形系统就可以直接使用，大大降低了成本。另外，高功率半导体激光器在光泵浦、医疗、材料处理、自由空间通信传输、激光显示等领域的巨大应用市场使得高功率垂直腔面发射半导体激光器件的研究今年来也得到了重视和发展。三，对于小尺寸(＜10μm)的垂直腔面发射半导体激光器，虽然其输出光束是理想的单模圆形光束，但功率被限制在10mW左右。而对于功率大于180mW的器件，输出光束是多模。光泵浦垂直外腔面发射激光器在原则上解决了这些问题，它通过外腔镜调节光学谐振腔达到单模输出。此外，在光泵浦垂直外腔面发射激光器系统中加入倍频晶体和可饱和吸收镜进行倍频和被动锁模和调Q，可以扩大输出波长的范围。可输出功率达到瓦级的圆对称光束。因为它体积小、光束质量好、功率较大、易于倍频和锁模，并且制作简单等优良的特性，光泵浦垂直外腔面发射激光器正在成长为一种代表性的器件，并具有良好的发展前景。
在光泵浦垂直外腔面发射激光器中势垒吸收层可以采用台阶带隙结构(见说明书附图4)或者梯度带隙结构(见说明书附图5)。当采用台阶带隙的势垒吸收层时，同采用梯度带隙势垒吸收层的激光器相比，由于量子阱对载流子的收集能力弱，因此光激发产生的载流子在势垒区停留的时间更长，从而在高功率泵浦下，势垒区的载流子浓度更容易达到饱和状态，出现吸收饱和现象，从而限制了输出功率的提高，同时也降低泵浦效率。在当今的边发射半导体激光器中，采用梯度带隙结构的激光器比采用台阶带隙结构的激光器在稳定性方面要差，这主要是因为激光腔面因素的影响，在梯度带隙结构的边发射激光器器件工作时观察到更加显著的腔面缺陷产生和更高的腔面温度，从而影响了它的稳定性，因此在边发射激光器中多采用台阶带隙结构。由于以上的原因，在以往的垂直外腔面发射激光器技术中，也是采用台阶带隙结构。因而对载流子的限制很不好，而量子阱对光激发产生的载流子的收集能力不足，会导致非辐射复合增加，外量子效率降低，发热严重，甚至出现热饱和现象，限制了激光器得到更大的输出功率。但是考虑到垂直外腔面发射激光器采用的是多层布拉格反射镜和外腔镜构成激光腔，激光腔面因素的影响就不存在了。而且在梯度带隙结构的三角形光腔内，态密度更小，电子更易占据有源区量子阱，因此梯度带隙结构中的量子阱对势垒吸收层中光激励产生的载流子有更好的收集能力，从而有效限制了势垒吸收区的光吸收饱和现象，可以通过增大泵浦功率来提高输出功率；并且由于势垒吸收区产生的载流子很快被收集到量子阱内，有效减少了势垒区的载流子浓度，从而减少了势垒区的自发发射损耗，提高了外量子效率，提高了输出功率。因此，在光泵浦垂直外腔面发射激光器中可以采用梯度带隙的势垒吸收层。
热沉的制作是垂直外腔面发射激光器制作过程中的难点，也是垂直外腔面发射激光器向更大的输出功率发展的瓶颈。以往技术多采用透过衬底散热或者逆序生长外延片通过多层布拉格反射镜进行散热，这两种方法下，在有源区热源与热沉之间都隔着几十微米的衬底层或者几个微米的多层布拉格反射镜层，具有很大的热阻，限制了散热的效果。若采用透明热沉如金刚石或SiC或蓝宝石在外腔腔内散热，则有源区热源与热沉之间只隔着一般为几百纳米的窗口层，大大减小了热阻，使散热效果得到改善。在这种散热方式下，透明热沉对可见光和红外光高度透过，将透明热沉通过液体吸附方法由范德瓦尔斯力粘接在垂直外腔面发射激光器的外延片的外延表面上，前者再焊在铜块上，这样做大大提高了散热的效果。
综上所述，目前高功率激光技术存在以下问题，即一、固体激光器体积大、造价高、转换效率低；二、边发射半导体激光器光束质量一般较差，整形系统复杂且难于制作；三、普通的垂直腔面发射激光器的单模输出功率太低；四、特别是以往的光泵浦垂直外腔面发射激光器由于热饱和现象很难实现高功率激光输出的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器，该激光器体积小，转换效率高，具有圆形对称的，近于衍射极限的稳定高功率单模激光输出，并且没有热饱和现象。
为了实现上述目的，本发明提供一种具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器，其特征在于，包括：
一铜热沉，该铜热沉上开有一凹槽；
一透明热沉，该透明热沉的上表面蒸镀有增透膜；
一外延片，该外延片采用液体吸附的方法与透明热沉的下表面连接，将连接后透明热沉和外延片通过焊料与铜热沉固定连接，使外延片容置在凹槽内；
一泵浦光源，该泵浦光源与轴线成一定的角度置于透明热沉上表面的一侧；
一外腔镜，该外腔镜位于透明热沉上面的轴线处，该外腔镜的凹面镀有反射膜。
其中还包括一微通道散热片，该微通道散热片固接在铜热沉的下面。
其中，所述的外延片包括：
一衬底；
多层布拉格反射镜，该多层布拉格反射镜制作在衬底4上；
多个周期的有源区，该多个周期的有源区制作在多层布拉格反射镜的上面；
一窗口层，该窗口层制作在多个周期的有源区的上面。
其中一个周期的有源区包括：
一量子阱层，包含1-3个量子阱；
两势垒吸收层，该两势垒吸收层分别制作在量子阱层的上下面，该势垒吸收层的带隙向量子阱方向梯度减小；
两势垒限制层，该两势垒限制层分别制作在两势垒吸收层的表面。
其中，所述多层布拉格反射镜为重复交替地堆叠的具有不同折射率的两种半导体层，每个半导体层的光学厚度为该激光器发射波长的四分之一。
其中，所述有源区为5-15个周期。
其中，所述有源区为InGaAs/AlGaAs或InGaAsP/InP材料。
其中，所述透明热沉采用金刚石或SiC或蓝宝石。
本发明提供一种具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器，其特征在于，包括：
一铜热沉，该铜热沉上开有一凹槽；
一透明热沉，该透明热沉的上表面蒸镀有增透膜；
一外延片，该外延片采用液体吸附的方法与透明热沉的下表面连接，将连接后透明热沉和外延片通过焊料与铜热沉固定连接，使外延片容置在凹槽内；
一泵浦光源，该泵浦光源与轴线成一定的角度置于透明热沉上表面的一侧；
一外腔镜，该外腔镜位于透明热沉上面的轴线处，该外腔镜的凹面镀有反射膜。
一倍频晶体，该倍频晶体位于外腔镜和透明热沉之间。
其中还包括一微通道散热片，该微通道散热片固接在铜热沉的下面。
其中，所述的外延片包括：
一衬底；
多层布拉格反射镜，该多层布拉格反射镜制作在衬底上；
多个周期的有源区，该多个周期的有源区制作在多层布拉格反射镜的上面；
一窗口层，该窗口层制作在多个周期的有源区的上面。
其中一个周期的有源区包括：
一量子阱层，包含1-3个量子阱；
两势垒吸收层，该两势垒吸收层分别制作在量子阱层的上下面，该势垒吸收层的带隙向量子阱方向梯度减小；
两势垒限制层，该两势垒限制层分别制作在两势垒吸收层的表面。
其中，所述多层布拉格反射镜为重复交替地堆叠的具有不同折射率的两种半导体层，每个半导体层的光学厚度为该激光器发射波长的四分之一。
其中，所述有源区为5-15个周期。
其中，所述有源区为InGaAs/AlGaAs或InGaAsP/InP材料。
其中，所述透明热沉采用金刚石或SiC或蓝宝石。
其中反射膜对基频光具有反射率，对倍频光具有透过率。
本发明的优点：与已有技术中的固体激光器和半导体激光器相比，本发明采用成熟的大功率半导体激光器作泵浦源，泵浦垂直外腔面发射激光器的外延片，再通过类似于固体激光器的外腔镜进行选模输出，兼顾了两类激光器的优点。输出功率可达到几瓦，输出光束为近衍射的圆光斑。当在外延片和外腔镜之间加入倍频晶体或可饱和吸收镜进行倍频或被动锁模和调Q，可以扩大输出波长的范围，得到短波长如蓝绿光输出或脉宽为纳秒或皮秒的脉冲输出。另外，本发明的激光器采用光泵的方式，工艺大大简化，减少了光刻、制作电极、镀膜等多道程序，不但减少了成本，也大大提高了成品率。本发明的激光器的周期增益结构中的势垒吸收层采用梯度带隙的结构，在这种结构下量子阱对势垒吸收层中光激励产生的载流子有着优越的收集能力，从而有效限制了势垒吸收区的光吸收饱和现象，可以通过增大泵浦功率来提高输出功率；并且由于势垒吸收区产生的载流子很快被收集到量子阱内，有效减少了势垒区的载流子浓度，从而减少了势垒区的自发发射损耗，提高了外量子效率，提高了输出功率。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是本发明中一种具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器第一实施例的结构示意图。
图2是本发明中包含倍频晶体10的具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器第一实施例的结构示意图。
图3是本发明中具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器的外延片12的结构示意图。
图4是现有技术中具有台阶带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器的外延片的能带示意图。
图5是本发明中具有梯度带隙势垒吸收层14的光泵浦垂直外腔面发射激光器的外延片12的能带示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，为了表示清晰，示意图各部分并非按实际比例给出。尽管本发明参照这些实施例进行了详细的说明和描述，但是本领域的普通技术人员将认识到，在其上可以进行的形式上和细节上的各种变化，而不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围。
请参阅图1所示，本发明中一种具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器的第一实施例，包括：
一铜热沉3，该铜热沉3上开有一凹槽31；
一透明热沉8，所述透明热沉8采用金刚石或SiC或蓝宝石，该透明热沉8的上表面蒸镀有增透膜16；
一外延片12，该外延片12采用液体吸附的方法与透明热沉8的下表面连接，将连接后透明热沉8和外延片12通过焊料9与铜热沉3固定连接，使外延片12容置在凹槽31内；所述的外延片12包括：一衬底4；多层布拉格反射镜5，该多层布拉格反射镜5制作在衬底4上，所述多层布拉格反射镜5为重复交替地堆叠的具有不同折射率的两种半导体层，每个半导体层的光学厚度为该激光器发射波长的四分之一；多个周期的有源区6，该多个周期的有源区6制作在多层布拉格反射镜5的上面，所述多个周期的有源区6的周期数为5-15个；所述的一个周期的有源区6包括：一量子阱层15；两势垒吸收层14，该两势垒吸收层14分别制作在量子阱层15的上下面，该势垒吸收层14的带隙向量子阱方向梯度减小；两势垒限制层13，该两势垒限制层13分别制作在两势垒吸收层14的表面；所述有源区6为InGaAs/AlGaAs或InGaAsP/InP材料；一窗口层7，该窗口层7制作在多个周期的有源区6的上面；
一泵浦光源1，该泵浦光源1与轴线成一定的角度置于透明热沉8上表面的一侧；
一外腔镜11，该外腔镜11位于透明热沉8上面的轴线处，该外腔镜11的凹面镀有反射膜17。
其中还包括一微通道散热片2，该微通道散热片2固接在铜热沉3的下面。
其中泵浦光源1是1-5W的800-810nm大功率光纤耦合输出模块经过会聚透镜聚焦入射到透明热沉8上表面，泵浦光斑尺寸为100-500μm，泵浦光透过透明热沉8和窗口层7后被势垒吸收层14吸收，从而产生非平衡载流子；微通道散热片2采用铝材料，铜热沉3采用紫铜材料，用于消散产生的热量；铜热沉3开有深度为0.3-0.5mm的凹槽31，用于容纳外延片12；透明热沉8采用金刚石热沉，厚度为0.3-0.6mm，与外延片12连接，用于消散外延片12产生的热量；焊料9采用普通的In软焊料；外腔镜11为光学玻璃或石英玻璃平凹透镜，直径10-25mm，曲率半径25-100mm，增透膜16和反射膜17采用介质膜如Al2O3，TiO2，SiO2，ZrO2，Si3N4，HfO2等材料，增透膜16对泵浦光和激射光都增透，反射膜17对激射光的反射率在95％-99％之间。外延片12由半导体材料组成，其中衬底4为GaAs衬底；多层布拉格反射镜5由25-30对AlGaAs/GaAs材料交替制成，从而对激射光具有高反射率；多个周期的有源区6的势垒限制层13可以为AlAs或AlGaAs，起限制载流子漂移扩散的作用；势垒吸收层14由线性渐变的AlxGal-xAs(0＜x＜0.1)制成，吸收泵浦光并形成非平衡载流子；量子阱层15由InGaAs材料制成，选择不同In组分的InGaAs可以得到960-1200nm的激光输出，量子阱层15也可以为有中间薄层隔开的2-3个量子阱集合，量子阱层15的厚度一般为8-12nm，其位置处于谐振腔内驻波的波腹位置，量子阱层15的作用是收集势垒吸收层产生的非平衡载流子并产生受激复合形成增益；有源区6可重复5-15个周期，以提供足够的增益；窗口层7为AlAs材料，起阻隔载流子向外延片12外表面扩散的作用，其光学厚度为四分之一波长的奇数倍；外延片12的能带示意图如说明书附图5所示。外腔镜11和多层布拉格反射镜5之间形成了光学谐振腔，腔长为25-80mm。
请参阅附图2所示，为带有倍频晶体10的具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器第二实施例。其具体结构是在实施例1中的具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器的基础上，在其外腔内插入倍频晶体10，同时对反射膜17进行适当改变，该反射膜17对基频光具有反射率，对倍频光具有透过率。该倍频晶体10可以采用LiB3O5(LBO)或β-BaB2O4(BBO)晶体材料，尺寸为5-10mm，该倍频晶体10的作用是当基频光以合适的角度通过晶体时能够将基频光的频率变为两倍从而产生倍频光；外腔镜的反射膜17采用对960-1200nm的基频光具有高反射率，对480-600的倍频光具有高透过率的介质膜，从而更高效率的将基频光转化为倍频光；光泵浦垂直外腔面发射激光器产生波长为960-1200nm的基频光，基频光经过倍频晶体10时频率变为原来的两倍，得到480-600nm的倍频光，通过这种方法可以制得波长范围为480-600nm的可见光激光器，这种波长的激光器现阶段还很难通过直接的办法得到，而其在实际应用上有很大的需求和发展前景。
将实施例1中的泵浦光源1换成975-1250nm高功率半导体激光器，窗口层7换成InP，有源区6换成InGaAsP/InP材料，多层布拉格反射镜5换成InP/InGaAsP，衬底4换成InP，外腔镜反射膜17对1550nm激光高反射可获得1550nm激光输出的垂直外腔面发射激光器。这种波长的激光器是用于光纤通信的激光器，加之本激光器的优良性质，可以看到优良的应用前景。

Claims (8)

1.一种具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器，其特征在于，包括：
一铜热沉，该铜热沉上开有一凹槽；
一透明热沉，该透明热沉的上表面蒸镀有增透膜；
一外延片，该外延片采用液体吸附的方法与透明热沉的下表面连接，将连接后透明热沉和外延片通过焊料与铜热沉固定连接，使外延片容置在凹槽内；
该外延片包括：
一衬底；
多层布拉格反射镜，该多层布拉格反射镜制作在衬底上；
多个周期的有源区，该多个周期的有源区制作在多层布拉格反射镜的上面；
一窗口层，该窗口层制作在多个周期的有源区的上面；
该多个周期的有源区中的一个周期的有源区包括：
一量子阱层，包含1-3个量子阱；
两势垒吸收层，该两势垒吸收层分别制作在量子阱层的上下面，该势垒吸收层的带隙向量子阱方向梯度减小；
两势垒限制层，该两势垒限制层分别制作在两势垒吸收层的表面；
一泵浦光源，该泵浦光源与轴线成一定的角度置于透明热沉上表面的一侧；
一外腔镜，该外腔镜位于透明热沉上面的轴线处，该外腔镜的凹面镀有反射膜。
2.根据权利要求1所述的具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器，其特征在于，其中还包括一微通道散热片，该微通道散热片固接在铜热沉的下面。
3.根据权利要求1所述的具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器，其特征在于，其中，所述多层布拉格反射镜为重复交替地堆叠的具有不同折射率的两种半导体层，每个半导体层的光学厚度为该激光器发射波长的四分之一。
4.根据权利要求1所述的具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器，其特征在于，其中，所述有源区为5-15个周期。
5.根据权利要求1所述的具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器，其特征在于，其中，所述有源区为InGaAs/AlGaAs或InGaAsP/InP材料。
6.根据权利要求1所述的具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器，其特征在于，其中，所述透明热沉采用金刚石或SiC或蓝宝石。
7.根据权利要求1-6任一项所述的具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器，其特征在于，所述激光器还包括一倍频晶体，该倍频晶体位于所述外腔镜和所述透明热沉之间。
8.根据权利要求7所述的具有梯度带隙势垒吸收层的光泵浦垂直外腔面发射激光器，其特征在于，其中反射膜对基频光具有反射率，对倍频光具有透过率。
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