CN102163804A - 降低大功率半导体激光器发散角的窄波导结构 - Google Patents

Abstract

本发明一种降低大功率半导体激光器发散角的窄波导结构，包括：一衬底；一N型限制层，该N型限制层制作在衬底上；一N型波导层，该N型波导层制作在N型限制层上；一量子阱层，该量子阱层制作在N型波导层上；一P型波导层，该P型波导层制作在量子阱层上；一P型限制层，该P型限制层制作在P型波导层上。

Description

降低大功率半导体激光器发散角的窄波导结构

技术领域

本发明涉及一种应用于大功率半导体量子阱激光器的窄波导外延结构，这种窄波导结构能够有效降低800nm-1000nm波长的大功率半导体激光器的垂直发散角，改善器件的光束质量，同时可提高器件的电光转换效率。

背景技术

大功率半导体激光器广泛应用于泵浦固体激光器，激光加工，激光医疗，光纤通信系统等领域。具有小垂直发散角的半导体激光器在激光泵浦、光纤耦合、光学存储以及光互连等许多实际应用中有着十分重要的意义。尤其对于波长为800-1000nm的半导体激光器，主要用于固体激光器的泵浦源，要求与单模光纤耦合，其小的光束发散角对于提高光纤耦合效率则显得更加重要。

但是对于一般宽波导的半导体激光器，其垂直方向发散角很大，不利于器件光束的高效耦合，而且过大的垂直发散角对光束聚集、准直、整形以及与光纤的耦合都有很大影响。

目前已有一些研究者采用其他方法降低半导体激光器的垂直发散角方面，但在工艺实现上存在一定的困难，效果不是很明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低大功率半导体激光器发散角的窄波导结构，其是具有较小垂直发散角的窄波导半导体激光器结构，它能大大减小激光器垂直方向的发散角，改善激光器的光束质量，提高激光器与光纤的耦合效率；同时可以降低器件的阈值电流，串联电阻，从而提高器件的电光转换效率。

为实现上述目的，本发明提供一种降低大功率半导体激光器发散角的窄波导结构，包括：

一衬底；

一N型限制层，该N型限制层制作在衬底上；

一N型波导层，该N型波导层制作在N型限制层上；

一量子阱层，该量子阱层制作在N型波导层上；

一P型波导层，该P型波导层制作在量子阱层上；

一P型限制层，该P型限制层制作在P型波导层上。

其中N型波导层为N型铝镓砷材料。

其中量子阱层为铟镓砷或铝镓铟砷材料，该材料的激射波长对应于800nm-1000nm。

其中P型波导层为P型铝镓砷材料。

其中N型波导层的厚度范围为50nm-90nm。

其中P型波导层的厚度范围为50nm-90nm。

其中N型波导层的铝组分为渐变的，范围从0.2-0.5。

其中P型波导层的铝组分为渐变的，范围从0.2-0.5。

本发明所涉及的降低大功率半导体激光器发散角的窄波导结构其波导层为窄波导结构，可以有效降低器件的垂直发散角，减小器件的串联电阻。波导层组分为缓变的铝镓砷材料，适当的折射率缓变波导能减小激光器的阈值电流和远场发散角，提高光束质量何电阻光转换效率。

附图说明

下面以激射波长为860nm的器件具体波导结构为例，进行实验分析；通过结合附图对具体实施例的详细描述，进一步说明本发明的结构、特点和技术内容，其中：

图1为本发明提出的降低大功率半导体激光器发散角的窄波导结构的核心外延生长结构图。

图2为本发明中具体器件垂直发散角的理论计算值。

图3为本发明中具体器件垂直发散角的实测值。

具体实施方式

请参阅图1所示，本实施例一种降低大功率半导体激光器发散角的窄波导结构包括：

一衬底10，该衬底10为N型镓砷材料，其厚度为120μm-130μm，该衬底10用于在其上进行激光器各层材料外延生长；

一N型限制层20，该N型限制层20制作在衬底10上，该N型波导层20为N型铝镓砷材料，可以有效限制光场；

一N型波导层30和P型波导层50组成的窄波导层，该波导层制作在量子阱层40两侧，N型限制层20和P型限制层60以内，为低摻杂的铝镓砷材料，该材料中铝组分是由0.2-0.5渐变，波导层采用材料组分渐变后，其折射率将变小，光限制因子变大，从而降低阈值电流；N型波导层30和P型波导层50厚度为50nm-90nm，可以有效降低器件的垂直发散角，减小器件的串联电阻。波导层组分为缓变的铝镓砷材料，适当的折射率缓变波导能减小激光器的阈值电流和远场发散角，提高光束质量何电阻光转换效率；

一量子阱层40，该量子阱层40制作在N型波导层30和P型波导层50以内，为非摻杂的铟镓砷或铝镓铟砷材料，其作用是作为激光器的有源区，提供足够的光增益，并决定器件的激射波长对应于800-100nm；

一P型限制层60，该P型限制层60为P型铝镓砷材料，制作在P型波导层50上，可以有效限制光场。

对于激射波长为860nm的具体器件，其N型波导层30和P型波导层50厚度均为80nm，铝组分为0.27-0.47渐变；量子阱层40材料为9nm厚的铝镓铟砷材料。

如图2所示，对激射波长为860nm的具体结构进行理论计算后的垂直发散角为24.9°。

如图3所示，实测器件的垂直发散角为24.6°，由此可以证明，本发明中窄波导结构确实能减小半导体激光器的垂直发散角，获得较好的光束质量。

同时，波导层采用材料组分渐变后，其折射率将变小，光限制因子变大，从而降低阈值电流。激光器各层间往往存在能带阶跃，载流子需要额外能量才可越过阶跃，通过界面组分渐变可减少能带阶跃，降低异质结界面上的电压降，从而有效降低激光器的工作电压、串联电阻和阈值电流因而获得高的电光转换效率。因此，本发明可以制备具有较高性能，较好光束质量的高功率小发散角半导体激光器。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种降低大功率半导体激光器发散角的窄波导结构，包括：

一衬底；

一N型限制层，该N型限制层制作在衬底上；

一N型波导层，该N型波导层制作在N型限制层上；

一量子阱层，该量子阱层制作在N型波导层上；

一P型波导层，该P型波导层制作在量子阱层上；

一P型限制层，该P型限制层制作在P型波导层上。

2.根据权利要求1所述的降低大功率半导体激光器发散角的窄波导结构，其中N型波导层为N型铝镓砷材料。

3.根据权利要求1所述的降低大功率半导体激光器发散角的窄波导结构，其中量子阱层为铟镓砷或铝镓铟砷材料，该材料的激射波长对应于800nm-1000nm。

4.根据权利要求1所述的降低大功率半导体激光器发散角的窄波导结构，其中P型波导层为P型铝镓砷材料。

5.根据权利要求1所述的降低大功率半导体激光器发散角的窄波导结构，其中N型波导层的厚度范围为50nm-90nm。

6.根据权利要求1所述的降低大功率半导体激光器发散角的窄波导结构，其中P型波导层的厚度范围为50nm-90nm。

7.根据权利要求1所述的降低大功率半导体激光器发散角的窄波导结构，其中N型波导层的铝组分为渐变的，范围从0.2-0.5。

8.根据权利要求1所述的降低大功率半导体激光器发散角的窄波导结构，其中P型波导层的铝组分为渐变的，范围从0.2-0.5。

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