CN1017114B

CN1017114B - 电流注入式激光器

Info

Publication number: CN1017114B
Application number: CN89100123A
Authority: CN
Inventors: 彼得·查尔斯·肯门尼
Original assignee: Australian Telecommunications Commission
Current assignee: Australian Telecommunications Corp; Australian Telecommunications Commission
Priority date: 1988-01-06
Filing date: 1989-01-06
Publication date: 1992-06-17
Also published as: KR970007142B1; ATE189748T1; DE3856396T2; EP0397691A4; EP0397691B1; US5101293A; US5052008A; CN1034289A; AU628799B2; EP0397691A1; KR900701068A; WO1989006451A1; JPH03502747A; DE3856396D1; AU2902689A

Abstract

一种激光器，它具有一单晶基片(12)，基片(12)上依次如此配置有一内反射器(12)、共振腔层(20)和一外反射器(24)，使得m＝0，1，2，……

其中λm是一个可能的工作波长，Nr(It)是共振腔层在电流为It时的折射率，It为在产生激光的临界点下流经激光器的电流，d为共振腔层的厚度，φ₁和φ₂在本发明中有所规定(通常φ₁加φ₂等于2π或0)，变量m的值在0至10的范围内。

Description

具有法布里-珀罗分布式反馈或分布的布列克反射型共振腔的电流注入式激光器是众所周知的。但通常它们是不便用切割或蚀刻的方法形成所需塑造的镜面的。

电流注入式激光器是几种众所周知的激光器中一种特殊形式的激光器，在许多科技文献中，例如H.C.Casey，Jr和M.B.Panish的文章“非均匀结构的激光器”（“Meterostructure Laser”，Academic Press，New York，1978）中，都有所描述。Iga等人的文章“表面发射半导体激光器”（“Surfacl Emitting Semiconductor Lasers”，IEEE Jour-nal of Quanfum Electronics，Vol.24，No.9，September 1988）专门描述了这类激光器。

本发明的目的在于提供一种改进的电流注入式激光器，该激光器可配置在单晶基片上的任何部位且易于制造。

本发明的一个方面提供具有下述结构的电流注入式激光器：即在具有某一折射率的单晶基片上依次配置有第一组取向生长单晶层形成的一个内反射器、一个共振腔层和由第二组取向生长单晶层形成的外反射器。该结构至少有一部分（即一层或一层以上的内反射器、基片和共振腔层）是导电的，而且或是P型导电或是n型导电，该结构的至少另一部分（即一层或一层以上的外反射器和共振腔层）是导电的，而且或是n型导电或是P型导电，但其导电类型与上述一部分不同。该结构还包括分别与其所述的一部分和所述的另一部分作电阻接触的第一和第二导电装置，因而给所述导电装置施加电压时，所述结构中就有电流通过，使该结构借助于激光作用产生相干光。所述各层包含这样一些反射器，致使其达到的合成周期具有

/2或其奇数倍的光学厚度，其中

是如此所产生的光的波长，而共振腔层的厚度d由以下关系式确定：

(2πNr（It）d)/(im) - (φ₁+φ₂)/2 ＝mπ

m＝0，1，2……

其中

m是可能的工作波长，Nr（It）是电流为It时共振腔层的折射率，It则是在产生激光的临界点时通过激光器的电流，φ₁和φ₂由下列关系式确定：

r_i＝r₁exp（jφ₁）

其中r₁是包含在内反射器中各薄层的反射率的幅度，φ₁是该反射率下的相位移;

r₀＝r₂exp（jφ₂）

其中r₂是外反射器各层的反射率的幅度，φ₂是在该反射率下的相位移。本激光器的特征在于，m的值在0至10的范围内，m可以在所述范围内加以改变，以使激光器的特性（即临界电流密度和响应时间）对特定用途达到最佳状态。对某给定用途来说最合适的m值则视激光器实施方案的细节而定，这包括所采用的材料、实际尺寸、涂敷层、钝化情况、外激励电路的设计和工作温度等。

我们发现，m选取上述范围可使激光器有效地工作。

在一个实施方案中，上述合成周期是通过下述适当选择反射器中各薄层的厚度和折射率达到的，即厚度大致上选取1/4 ，折射率采用高低交替的折射率。在另一个实施方案中，反射器的组成（因而也就决定了反射器的折射率）可以连续地变化或以逐段形式变化。

一般说来，最大的光学增益是在接近制造共振腔层用的材料的发光强度中出现峰值（这经常是在产生激光的临界点以下发生的）时的波长值的工作波长

g下获得的，因而：

m≈

g

内反射器毗邻共振腔层的那一层折射率Nb和外反射器紧挨着共振腔层的那一层折射率Na，应与共振腔层在产生激光的临界点下电流流过激光器时的折射率Nr（It）具有以下关系：

若Na＜Nr（It），则Nb＜Nr（It），

或者若Na＞Nr（It），则Nb＞Nr（It），

此外，在φ₁+φ₂＝2π

或 φ₁+φ₂＝0

的情况下（通常是这样），上述与

m、m、Nr（It）和d有关的方程可简化为：

Nr（It）d＝ (m′im′)/2

因此，根据本发明，在此情况下m′可取1，……10的值。

现在仅按附图以举例的方式进一步说明本发明的内容。该唯一的附图是按本发明构成的激光器的示意透视图。

图中所示的激光器10有一个折射率为Ns的单晶基片12。基片的“背”面可设一层或一层以上旨在降低背面反射率的材料，使得在调制器的工作波长下其反射率比未覆以该材料时低，同时基片的某些部位还可加以金属化，以便与调制器进行电阻接触，例如象图中所示的金属化层14那样。

合在一起构成内反射器18的第一组取向生长单晶层16就在该基片上。这些层的结构、厚度和数目构成了按电流注入式激光器和薄膜光学的各项已知因素来选取的、以获得所希望的反射性、导电性、透明度、稳定性和晶体生长各项参数的变量。

内反射器的部分特征在于其复数反射率幅值r，其中：

r

＝r₁exp（jφ₁）

其中r₁是反射率的幅度。

紧接内反射器18上方安置有与其接触的一个共振腔层，该层的厚度为d，其对以法线入射方式通过该薄层的光的折射率为Nr（I），其中I是流经激光器的电流。该折射率应具有以下两种性能之一：

若Na＜Nr（It），则Nb＜Nr（It），

或者若Na＞Nr（It），则Nb＞Nr（It），

其中Nb是内反射器18的毗邻共振腔层的那一薄层的折射率，Na是下面即将谈到的一系列薄层22中紧靠共振腔层20并与其接触的在内反射器18对面的那一层的折射率。It是在激光的临界点（即开始发射激光）上通过激光器的电流。

基片和其后的各材料层是由化学周期表的元素组成的化合物或合金或适合该用途的纯元素组成的单晶。举例说，基片和其后的各薄层可由在特定薄层中按特定比例混合的镓、铝、砷组成。

基片和其后各薄层也可以由镓、铟、砷和磷组成，它们在特定薄层中以特定比例混合。

基片和其后各薄层还可以由镓、铟、铝、砷和锑组成，它们在特定薄层中以特定比例混合。

基片和其后各薄层还可由汞、镉、锰和碲组成，它们在特定薄层中以特定比例混合。

基片和其后的各薄层还可以由铅、硫、碲和硒组成，它们在特定薄层中以特定比例混合。

采用其它材料体系是可能的，也是本领域技术人员所显而易见的。

此外，各所述薄层又可以由更薄的一般称为有序化结构或多量子阱结构的薄层组成，或者所述各薄层按组成有连续的变化率。

在电流低于产生激光的临界值时，折射率Nr（I）可作为流经共振腔层20的电流的某一种函数而变化，但在临界值以上时，Nr（I）极其接近保持恒定不变，因为这时受激发射比复合情况占优势，牵制住所注入的载流子的密度。共振腔层的厚度将在后面讨论。

共振腔层上方设有上述成组的薄层22，各薄层呈取向生长单晶的形式。这些薄层在一起构成外反射器24。和内反射器18一样，构成外反射器的各薄层22是按电流注入式激光器已知的各项因素来选取的，以获得所希望的反射性、导电性、透明度、稳定性和晶体生长各参数等各项性能。

外反射器24的部分特征在于其复数反射率幅值r₀，其中：

r₀＝r₂exp（jφ）

其中r₂为反射率幅度。

在外反射器24远离共振腔层20的那一侧，反射器24与折射率为Ni的入射介质接触。

内反射器和/或基片和/或共振腔层的某些部分有必要掺以杂质原子使它们导电。这种导电（以下称之为第一种导电）可以是借助于电子（n型）的或借助于空穴（P型）的。

适宜与第一种导电型掺杂材料作电阻接触的第一金属化层（14）涂敷在基片12上或敷在激光器上或靠近激光器的另一处，使其只和该掺杂物质作电阻接触。

外反射器24和/或共振腔层20的某些部位掺有杂质原子使其导电，这种导电（以下称之为第二种导电）可以是借助于电子（n型）或借助于空穴（P型）的。若第一种导电是n型的，则第二种导电为P型，若第一种导电是P型的，则第二种导电为n型。

适宜与第二种导电的掺杂材料作电阻接触的第二种金属化层敷设在激光器上或靠近激光器处使其只和该掺杂材料作电阻接触。从图中可以看到，这种金属化层是以金属化框30的形式在外反射器24远离共振腔层20的表面24a上形成。

为方便起见，我们将基片12、内外反射器18、24，共振腔层20连同上述金属化层和薄层20或反射器18、24任一侧的其它覆盖层一起总称为“材料结构”。在材料结构上可通过蚀刻或其它隔离方法形成一个或一个以上的激光器或激光器组，于是如果在与材料结构的那些分别是第一种和第二种导电的部分接触且与特定的激光器或激光器组接触的金属化层之间加上正向偏压时，电流就主要出现在如此连接的各特定激光器的n型和P型材料之间的直接通路上。如通常那样，正偏压是通过提高P型材料的电位使其超过n型材料的电位而获得的。

这里所述和图中所示的激光器结构，其周围可以部分地或全部地用半导体（无论是受或不受象质子之类的高能粒子照射的半导体）、聚合物或介电材料包覆，使其起钝化作用，减少或增加表面复合，起光密封作用或提高环境稳定性。

按平面图看（从上面看），激光器可以取任何形状，例如方形、长方形、圆形或椭圆形。各侧壁（如有的话）可垂直于基片，或倾斜或呈曲面。

激光器可能的工作波长

m可由下式近似给定：

(2πNr(It)d)/(λm) - (φ₁+φ₂)/2 =mπ

其中Nr（It）是共振腔层在所有超过临界值的电流值下的折射率。最大光学增益是在波长

g接近波长

p值时从共振腔层获得的，波长为

p时可以看到共振腔层材料在临界值以下的发光强度出现峰值。d和m的值最好选得使：

m≈

g

因为这样有助于使临界电流降到最低值。m值小时，激光器会以单一的纵向模式稳定地工作，因为所有其它模式将远离高增益区。当变量m′（下面即将限定）接近1时，在采用某一特定材料体系时通常会使临界电流达到最小值。

不难理解，上述与Nr（It）、d、

m、φ₁、φ₂有关的方程可简化成如下形式：

Nr（It）d＝ (m′im′)/2

之所以能如此化简是因为一般说来

φ₁+φ₂＝2π

φ₁+φ₂＝0

我们发现，在1至大约10的范围内选取m′值，就有可能使按本发明制造的激光器高效率地工作。

按本发明制造的激光器有这样一个显著的优点，即它们可在无需借助切割或蚀刻来形成镜面的情况下制成。

在一个实施方案中，本激光器可以是例如直径约10微米的圆柱体。这将产生发散度比普通半导体波导激光器小的不散光的输出光束。输出小平面的功率密度比半导体波导激光器的小，这样就可以较高的功率工作而不致使小平面损伤。m值小的激光器会以单一的纵向模式振荡。这些在本激光器的其它实施例中也具备的性能对光纤通信、光学数据的存取、光学计算和激光的光抽运等用途都是有利的。

并排配置的激光器（例如呈线性或二维陈列配置）不难加以制造。

这里仅以说明的方式提出了上述激光器，在本说明书所附权利要求书的范围内是可以对本激光器进行多种修改和变更的。

Claims

1、一种电流注入式激光器，具有这样的结构：在具有某一折射率的单晶基片上依次配置有第一组取向生长单晶层形成的一个内反射器、一个共振腔层和由第二组取向生长单晶层形成的外反射器；该结构至少有一部分(即一层或一层以上的内反射器、基片和共振腔层)是导电的，而且或是P型导电或是n型导电；该结构的至少另一部分(即一层或一层以上的外反射器和共振腔层)是导电的，而且或是n型导电或是P型导电，但其导电类型与上述一部分不同；该结构还包括分别与其所述的一部分和所述的另一部分作电阻接触的第一和第二导电装置，因而给所述导电装置施加电压时，所述结构中就有电流通过，使该结构借助于激光作用产生相干光；所述各层包含这样一些反射器，致使其达到的合成周期具有λ/2或其奇数倍的光学厚度，其中λ是如此所产生的光的波长，而共振腔层的厚度d由以下关系式确定： (2πNr(It)d)/(λm) - (φ₁+φ₂)/2 =mπ

m=0，1，2……

其中λm是可能的工作波长，Nr(It)是电流为It时共振腔层的折射率，It则是在产生激光的临界点时通过激光器的电流，Φ₁和Φ₂由下列关系式确定：

r_λ=r₁exp(jΦ₁)

其中r_λ是内反射器的复数反射率幅值，r₁是包含在内反射器中各薄层的反射率的幅度，Φ₁是该反射率下的相位移；

r_o=r₂exp(jΦ₂)

其中r_o是外反射器的复数反射率幅值，r₂是外反射器各层的反射率的幅度，Φ₂是在该反射率下的相位移，所述激光器的特征在于，m的值在0至10的范围内。

2、如权利要求1所述的电流注入式激光器，其特征在于，所述合成周期是通过如此适当选择反射器中各薄层的厚度和折射率达到的，即，厚度大致上选取1/4

，折射率采用高低交替的折射率。

3、如权利要求1所述的电流注入式激光器，其特征在于，所述反射器的组成是连续或逐段变化的，于是该反射器的折射率也是连续或逐段变化的，以达到所述的合成周期。

4、如以上任一权利要求所述的电流注入式激光器，其特征在于，内反射器毗邻共振腔层的那一层折射率Nb和外反射器紧挨着共振腔层的那一层折射率Na，与共振腔层在产生激光的临界点时通过激光器的电流下的折射率Nr（It）有如下关系：

若Na＜Nr（It）则Nb＜Nr（It），或者

若Na＞Nr（It）则Nb＞Nr（It）。

5、如权利要求4所述的电流注入式激光器，其特征在于，所述反射器的组成是连续或逐段变化的，于是该反射器的折射率也是连续或逐段变化的，以便使合成周期具有 /2或其奇数倍的光学厚度。

6、如1至3任一权利要求中所述的电流注入式激光器，其特征在于，所述基片和其后各材料层是由一些选自包括镓、铝和砷元素中的材料制成的单晶，这些材料在特定薄层中以特定的比例混合。

7、如1至3任一权利要求中所述的电流注入式激光器，其特征在于，所述基片和其后各材料层是由一些选自包括镓、铟、砷和磷元素中的材料制成的单晶，这些材料在特定薄层中以特定的比例混合。

8、如1至3任一权利要求中所述的电流注入式激光器，其特征在于，所述基片和其后各材料层是由一些选自包括镓、铟、铝、砷和锑元素中的材料制成的单晶，这些材料在特定薄层中以特定的比例混合。

9、如1至3任一权利要求所述的电流注入式激光器，其特征在于，所述基片和其后各材料层是由一些选自包括汞、镉、锰和碲元素中的材料制成的单晶，这些材料在特定薄层中以特定的比例混合。

10、如1至3任一权利要求所述的电流注入式激光器，其特征在于，所述基片和其后各材料层是由一些选自包括铅、硫、碲和硒元素中的材料制成的单晶，这些材料在特定薄层中以特定的比例混合。

11、如1至3任一权利要求所述的电流注入式激光器，其特征在于，所述各薄层又可以由更薄的有序化结构或多量子阱结构薄层组成。

12、权利要求1或2所述的电流注入式激光器，其特征在于，所述各薄层按组成有连续的变化率。

13、如1至3任一权利要求所述的电流注入式激光器，其特征在于，激光器的工作波长

g接近

p值， p是共振腔层材料在临界值以下的发光强度出现峰值时的波长。