CN102403650B - 激光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有简单结构和配置的超短脉冲/超高功率激光二极管。在驱动该激光二极管的方法中，通过比阈值电流值高10倍以上的脉冲电流驱动该激光二极管。该脉冲电流的宽度优选地为10纳秒以下，并且该脉冲电流的值具体地为0.4安以上。
Description
本案是申请号200910160685.5，申请日为2009年7月29日，名称为“驱动激光二极管的方法”的发明专利申请的分案申请。相关申请的交叉引用
本发明包含与2008年7月23日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2008-194373相关的主题，将该申请的全部内容通过引用并入此处。
技术领域
本发明涉及驱动激光二极管的方法。
背景技术
近年来，在利用脉宽处于阿秒(attosecond)范围或飞秒(femtosecond)范围内的激光的前沿科学领域的研究中，经常使用超短脉冲/超高功率激光器。作为超短脉冲/超高功率激光器，已知的例如有钛/蓝宝石激光器。但是，钛/蓝宝石激光器是昂贵且大型的固体激光源，这成为技术传播的主要障碍。如果通过利用激光二极管实现超短脉冲/超高功率激光器，那么会得到尺寸和价格大大降低且高稳定性的超短脉冲/超高功率激光器。
另一方面，在通信领域中，自从二十世纪六十年代就已积极地研究如何降低激光二极管的脉宽。作为在激光二极管中产生短脉冲的方法，已知的有增益开关方法、损耗开关方法(Q开关方法)和模式锁定方法，在这些方法中，激光二极管与半导体放大器、非线性光元件、光纤等相结合来获得较高功率。
在上述方法中最容易的增益开关方法中，如J.Ohya et al.，Appl.Phys.Lett.56(1990)56.、J.AuYeung et al.，Appl.Phys.Lett.38(1981)308.、N.Yamada et al.，Appl.Phys.Lett.63(1993)583.、J.E.Ripper et al.，Appl.Phys.Lett.12(1968)365.和“Ultrafast diode lasers”，P.Vasil′ev，Artech House Inc.，1995中所述，当通过短脉冲电流驱动激光二极管时，会产生脉宽约为20皮秒(picosecond)至100皮秒的光脉冲。在增益开关方法中，由于只需要通过短脉冲电流驱动市售的激光二极管，所以可利用极其简单的器件配置就可以实现脉宽在皮秒范围内的短脉冲光源。然而，在850nm波长的AlGaAs基激光二极管中，光脉冲的峰值功率大约为0.1瓦至1瓦，而在1.5μm波长的InGaAsP基激光二极管中，光脉冲的峰值功率大约为10毫瓦至100毫瓦。因而，例如，作为用于双光子吸收的需要高峰值功率的光源，上述激光二极管的光功率是不够的。为了提高峰值功率，需要通过结合模式锁定方法与半导体放大器或光纤放大器以形成复杂且难的配置。
于是，基于“全半导体结构”实现高功率的激光二极管装置的例子鲜有报道，“全半导体结构”是最终减小尺寸的重要条件，即激光二极管装置只由激光二极管或者激光二极管和半导体器件的组合构成，具体地说，激光二极管装置通过由GaN基化合物半导体制成的405nm波长的激光二极管构成。因而，如果实现在405nm波长处具有高峰值功率的“全半导体”的脉冲激光时，该脉冲激光可有望成为继蓝光光盘系统的下一代光盘系统的容积光盘(volumetric optical disk)系统的光源，并且可通过该脉冲激光实现覆盖可见光范围的整个波段的合适的超短脉冲/超高功率光源，从而可提供医药领域、生物成像领域等所需的光源。
发明内容
期望提供一种驱动具有简单的结构和配置的超短脉冲/超高功率激光二极管的方法。
根据本发明的第一实施例，提供一种驱动激光二极管的方法，通过脉冲电流驱动该激光二极管，该脉冲电流比阈值电流值Ith高10倍以上，优选地高20倍以上，更优选地高50倍以上。
在此情况下，阈值电流值Ith表示当激光振荡起始时流过激光二极管的电流，后面提到的阈值电压值Vth表示此时施加于激光二极管的电压，并且建立Vth＝R×Ith+V0的关系，其中激光二极管的内电阻是R(Ω)。在此情况下，V0是p-n结的内建电势。
根据本发明的第二实施例，提供一种驱动激光二极管的方法，通过脉冲电压驱动该激光二极管，该驱动电压比阈值电压值Vth高2倍以上，优选地高4倍以上，更优选地高10倍以上。
在本发明第一实施例的驱动激光二极管的方法(在一些情况下，以下称为“本发明的第一实施例”)中，可采用脉冲电流的宽度为10纳秒以下、优选地为2纳秒以下的模式。而且，在具有该优选模式的本发明第一实施例中，可采用脉冲电流的值为0.4安以上、优选地为0.8安以上的模式。或者，用换算成活性层的每cm2(结区域面积的每cm2)的脉冲电流的值表示，即用电流密度(以安/cm2为单位的工作电流密度)表示，可采用脉冲电流的值为3.5×104安/cm2以上、优选地为7×104安/cm2以上的模式。脉冲电流的宽度的下限取决于脉冲发生器的规格等。可基于所使用的激光二极管的规格确定脉冲电流的值的上限。
在本发明第二实施例的驱动激光二极管的方法(在一些情况下，以下称为“本发明的第二实施例”)中，可采用脉冲电压的宽度为10纳秒以下、优选地为2纳秒以下的模式。而且，在具有该优选模式的本发明第二实施例中，可采用脉冲电压的值为8伏以上、优选地为16伏以上的模式。脉冲电压的宽度的下限取决于脉冲发生器的规格等。可基于所使用的激光二极管的规格确定脉冲电压的值的上限。
在包括上述各优选模式的本发明第一实施例和本发明第二实施例(在一些情况下，以下简单地总称为“本发明”)中，可采用激光二极管是具有脊条型分离封闭异质结构(SCH结构)的激光二极管的模式。例如通过RIE方法在厚度方向上去除后文提到的第二化合物半导体层的一部分而形成脊部。
在具有上述优选模式的本发明中，激光二极管包括由第一化合物半导体层、量子阱结构的活性层和第二化合物半导体层构成的层叠结构体，以及与第一化合物半导体层电连接的第一电极和与第二化合物半导体层电连接的第二电极，并且所述层叠结构体由AlGaInN基化合物半导体制成，即激光二极管是GaN基激光二极管。
在此情况下，AlGaInN基化合物半导体的具体示例包括GaN、AlGaN、GaInN和AlGaInN。而且，如果必要，在这些化合物半导体中可包括硼(B)原子、铊(Tl)原子、砷(As)原子、磷(P)原子或锑(Sb)原子。而且，量子阱结构的活性层具有至少一个阱层和至少一个阻挡层层叠的结构，(形成阱层的化合物半导体，形成阻挡层的化合物半导体)的组合的示例包括(InyGa(1-y)N，GaN)、(InyGa(1-y)N，InzGa(1-z)N)[y＞z]和(InyGa(1-y)N，AlGaN)。以下，在一些情况下，构成激光二极管的层叠结构体的AlGaInN基化合物半导体称为“GaN基化合物半导体”，AlGaInN基化合物半导体层称为“GaN基化合物半导体层”。
在上述的优选结构中，第二化合物半导体层具有p型GaN层和p型AlGaN层交替层叠的超晶格结构，并且超晶格结构的厚度为0.7μm以下。当采用这样的超晶格结构时，在保持作为披覆层需要的高折射率的同时，可以降低激光二极管的串联电阻分量R，从而降低了激光二极管的工作电压。超晶格结构的厚度的下限例如是但不限于是0.3μm，构成超晶格结构的p型GaN层的厚度例如在1nm至5nm的范围内，构成超晶格结构的p型AlGaN层的厚度例如在1nm至5nm的范围内，p型GaN层和p型AlGaN层的总层数例如在60层至300层的范围内。而且，第二电极被布置在第二化合物半导体层上，并且从活性层至第二电极的距离为1μm以下，优选地为0.6μm以下。通过以这种方式确定从活性层至第二电极的距离，可减小具有高电阻的p型第二化合物半导体层的厚度，并且可实现激光二极管的工作电压的降低。此外，从活性层至第二电极的距离的下限例如是但不限于是0.3μm。而且，第二化合物半导体层可掺杂有1×1019cm-3以上的Mg，并且第二化合物半导体层对405nm波长的光的吸收系数至少是50cm-1。Mg的原子浓度是由这样的材料性质得来的，即当Mg的原子浓度为2×1019cm-3时该材料显示出最大空穴浓度，并且Mg的原子浓度是通过使最大空穴浓度，即第二化合物半导体层的比电阻设计为最小化时所得的结果。第二化合物半导体层的吸收系数是为了仅仅使激光二极管装置的电阻最小化而予以确定的，因此，进入活性层中的光的吸收系数通常是50cm-1。然而，为了增大吸收系数，可有意地将Mg的掺杂量设为浓度在2×1019cm-3以上。在此情况下，在实际的空穴浓度可实现的条件下，Mg的掺杂量的上限例如是8×1019cm-3。而且，第二化合物半导体层从活性层一侧依次包括未掺杂的化合物半导体层和p型化合物半导体层，并且从活性层至p型化合物半导体层的距离是1.2×10-7m以下。当以这种方式确定从活性层至p型化合物半导体层的距离时，可在不降低内部量子效率的情况下降低内损耗，从而可降低激光振荡起始时的阈值电流值密度。从活性层至p型化合物半导体层的距离的下限例如是但不限于是5×10-8m。而且，激光二极管具有脊条形结构，脊条形结构中脊部的宽度为2μm以下，由SiO2/Si层叠结构制成的层叠的绝缘膜形成于基部的两侧，脊部的有效折射率与层叠的绝缘膜的有效折射率之差在5×10-3至1×10-2的范围内。当使用这样的层叠的绝缘膜时，即使在进行超过100mW的高功率工作的情况下，也可保持单一的基础横向模式。脊部的宽度的下限例如是但不限于是0.8μm。而且，例如通过从活性层一侧依次层叠未掺杂的GaInN层(p侧导光层)、未掺杂的AlGaN层(p侧披覆层)、掺杂Mg的AlGaN层(电子阻挡层)、GaN层(掺杂有Mg)/AlGaN层超晶格结构(超晶格披覆层)和掺杂Mg的GaN层(p侧接触层)形成第二化合物半导体层。而且，从激光二极管的端面发出的激光的垂直方向上的光束发射半角θ⊥为25度以下，优选地为21度以下。光束发射半角θ⊥的下限例如是但不限于是17度。谐振长度例如在0.3mm至2mm的范围内。在活性层中形成阱层的化合物半导体的带隙期望为2.4eV以上。而且，从活性层发出的激光的波长期望在360nm至500nm的范围内，优选地在400nm至410nm的范围内。可根据需要将上述各种配置适当结合在一起。
在本发明中，在基板上依次形成构成激光二极管的各GaN基化合物半导体层。在此情况下，包括蓝宝石基板在内，还可使用GaAs基板、GaN基板、SiC基板、氧化铝基板、ZnS基板、ZnO基板、AlN基板、LiMgO基板、LiGaO2基板、MgAl2O4基板、InP基板、Si基板作为基板，或者使用通过在这些基板中的任一个的表面(主表面)上形成底层或缓冲层所形成的基板。而且，作为形成构成激光二极管的各GaN基化合物半导体层的方法，可使用金属有机化学气相沉积方法(MOCVD方法、MOVPE方法)、分子束外延方法(MBE方法)、以及由卤素促使输运或反应的氢化物气相外延方法等。
在此情况下，可使用三甲基镓(TMG)气体或三乙基镓(TEG)气体作为MOCVD方法中的有机镓气体源，可使用氨气或肼气(hydrazinegas)作为氮气体源。当形成具有n型导体的GaN基化合物半导体层时，例如，可加入硅(Si)作为n型杂质(n型掺杂剂)，当形成具有p型导体的GaN基化合物半导体层时，例如，可加入镁(Mg)作为p型杂质(p型掺杂剂)。而且，在包括铝(Al)或铟(In)作为GaN基化合物半导体层的组成原子的情况下，三甲基铝(TMA)气体可用作Al源，三甲基铟(TMI)气体可用作In源。而且，可使用甲硅烷气体(SiH4气体)作为Si源，可使用环戊二烯基镁气体、甲基环戊二烯基镁或双环戊二烯基镁(Cp2Mg)作为Mg源。此外，包括Si在内，也可使用Ge、Se、Sn、C、Te、S、O、Pd或Po作为n型杂质(n型掺杂剂)，包括Mg在内，也可使用Zn、Cd、Be、Ca、Ba、C、Hg或Sr作为p型杂质(p型掺杂剂)。
与具有p型导体的第二化合物半导体层电连接的第二电极(或者形成于接触层上的第二电极)优选地是具有包括从钯(Pd)、铂(Pt)、镍(Ni)、铝(Al)、钛(Ti)、金(Au)和银(Ag)中选出的至少一种金属的单层结构或者多层结构。或者，可使用诸如ITO(铟锡氧化物)的透明导电材料。另一方面，与具有n型导体的第一化合物半导体层电连接的第一电极优选地是具有包括从金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铝(Al)、钛(Ti)、钨(W)、铜(Cu)、锌(Zn)、锡(Sn)和铟(In)中选出的至少一种金属的单层结构或者多层结构，并且，例如可使用Ti/Au、Ti/Al或Ti/Pt/Au的多层结构。例如可通过诸如真空沉积方法或溅射方法等的PVD方法形成第一电极或第二电极。第一电极与第一化合物半导体层电连接，并且包括第一电极形成于第一化合物半导体层上的模式，以及第一电极与第一化合物半导体层相连，导电材料层或导电基板介于二者之间的模式。类似地，第二电极与第二化合物半导体层电连接，并且包括第二电极形成于第二化合物半导体层上的模式，以及第二电极与第二化合物半导体层相连，导电材料层介于二者之间的模式。
可在第一电极或第二电极上布置焊盘电极，用于与外部电极或者电路电连接。焊盘电极优选地是具有包括从钛(Ti)、铝(Al)、铂(Pt)、金(Au)和镍(Ni)中选出的至少一种金属的单层结构或者多层结构。或者，焊盘电极例如具有诸如Ti/Pt/Au多层结构或Ti/Au多层结构等多层结构。
本发明例如可以应用于诸如光盘系统、通信领域、光信息领域、光电集成电路、应用非线性光现象的领域、光学开关、激光测量领域或各种分析领域、超快光谱领域、多相激发光谱学领域、质量分析领域、利用多光子吸收的显微光谱学领域、化学反应的量子控制、纳米三维加工领域、利用多光子吸收的各种加工领域、医药领域和生物成像领域。
在本发明的第一实施例中，通过比阈值电流值Ith高10倍以上的脉冲电流驱动激光二极管，在本发明的第二实施例中，通过比阈值电压值Vth高2倍以上的脉冲电压驱动激光二极管。因此，可提供发出光强度为3瓦以上、半值宽度为20皮秒以下、具有尖峰的激光的超短脉冲/超高功率激光二极管。
根据以下说明，本发明的其它的和进一步的目的、特点和优点将更充分地显现出来。
附图说明
图1A和图1B是示例1的激光二极管装置的电路图，图1C和图1D是施加于激光二极管的矩形脉冲电压的示意图。
图2是示例1的激光二极管的示意性剖面图。
图3是表示在示例1的激光二极管中从活性层到p型AlGaN电子阻挡层的距离d不同的情况下激光二极管的内损耗和内部量子效率的结果的曲线图。
图4A至图4D示出了从示例1的激光二极管发出的激光的波形。
图5A至图5D示出了从GaAs基激光二极管发出的激光的波形。
图6是表示通过改变示例1的激光二极管和GaAs基激光二极管中所施加的脉冲电压V2而得到的第一光峰和尖峰的峰值光功率的曲线图。
图7A示出了在示例1的激光二极管中通过取样示波器所测得的来自于快速光检测器的光波形以及所产生的第一光峰(GP)的典型示例，图7B示出了在示例1的激光二极管中通过利用超高速扫描照相机测量第一光峰(GP)的半值宽度所得的结果。
图8在(A)中示出了示例1的激光二极管中所施加的脉冲电压的波形图，在(B)和(C)中示出了在0.5欧姆的电阻两端之间所产生的与电流监控器相对应的电压的波形图，在(D)中示出了脉冲电压V2与流过激光二极管的电流IOp之间关系的图。
图9是示例1的激光二极管在产生第一光峰(GP)之前的光谱和NFP的图。
图10A和图10B是示例1的激光二极管在产生第一光峰(GP)之后的光谱和NFP的图。
具体实施方式
以下参照附图详细说明各优选实施例。
示例1
示例1涉及本发明第一实施例和第二实施例的驱动激光二极管的方法。
如图1A所示，具有示例1的超短脉冲/超高功率激光二极管的激光二极管装置包括脉冲发生器10以及由来自脉冲发生器10的驱动脉冲驱动的激光二极管20。更具体地，该激光二极管装置包括发射波长为405nm的GaN基激光二极管20以及可以使GaN基激光二极管20进行增益开关操作的高功率脉冲发生器10。此外，激光二极管装置包括DC恒流源11，但如图1B所示，DC恒流源11并不是必要的。在此情况下，DC恒流源11具有已知的电路配置，并且脉冲发生器10的配置为低压脉冲发生器和高功率电压放大器结合在一起。
如图1C所示，施加于激光二极管20的电压(驱动脉冲)是脉宽为tp的矩形脉冲电压V2。此外，由于包括DC恒流源11，所以施加于激光二极管20的电压是将脉宽为tp的矩形脉冲电压V2与DC电压V1相加所得的电压。在此情况下，DC电压V1为V1＝R×I1+V0≈V0＝3伏，该电压V1由DC恒流源11所提供的电流(值：I1)、激光二极管20的内电阻R以及p-n结的内建电势V0确定。但是，在此情况下，没有考虑布线电阻、布线和激光二极管20之间的接触电阻等。在图1B所示的电路配置中，如图1D所示，施加于激光二极管20的电压是脉宽为tp的矩形脉冲电压V2。
激光二极管20是具有脊条型分离封闭异质结构(SCH(SeparatedConfinement Heterostructure)结构)的激光二极管。更具体地，激光二极管20是由为蓝光光盘系统而开发的索引引导型的AlGaInN制成的GaN基激光二极管，并且具有脊条结构。作为激光二极管20的参数，在连续驱动的过程中绝对最大额定光功率为85毫瓦，在脉冲驱动(7.5纳秒的脉宽和50％的占空比)的过程中为170毫瓦。而且，发射波长的标准值为405nm，阈值电流值Ith(振荡起始电流的标准值)为40毫安，从激光二极管20的端面发出的激光的平行于活性层的发射角度(水平方向上的光束发射半角θ//)以及该激光的垂直于活性层的发射角度(光束发射半角θ⊥)的标准值分别为8度和21度。激光二极管20是高功率激光二极管，其中在后文所述的各化合物半导体层的层叠方向(垂直方向)上的光封闭被削弱。而且，谐振长度为0.8mm。
图2示出了激光二极管20的示意性剖面图。激光二极管20被布置在n型GaN基板21的(0001)平面上，并且包括由第一化合物半导体层30、具有量子阱结构的活性层40、第二化合物半导体层50构成的层叠结构体，以及与第一化合物半导体层30电连接的第一电极61和与第二化合物半导体层50电连接的第二电极62。第一化合物半导体层30、活性层40和第二化合物半导体层50由GaN基化合物半导体制成，具体地由AlGaInN基化合物半导体制成。更具体地，激光二极管20具有如下表1所示的层结构。在该示例中，表1中的化合物半导体层按照距n型GaN基板21的距离逐渐减小的顺序列出。此外，在活性层40中形成阱层的化合物半导体的带隙是3.06eV。
表1
第二化合物半导体层50
P型GaN接触层(掺杂Mg)55
P型GaN(掺杂Mg)/AlGaN超晶格披覆层54
P型AlGaN电子阻挡层(掺杂Mg)53
未掺杂的AlGaN披覆层52
未掺杂的GaInN导光层51
活性层40
GaInN量子阱活性层
(阱层：Ga0.92In0.08N/阻挡层：Ga0.98In0.02N)
第一化合物半导体层30
N型GaN披覆层32
N型AlGaN披覆层31
而且，通过RIE方法去除p型GaN接触层55的一部分和p型GaN/AlGaN超晶格披覆层54的一部分，以形成1.4μm宽的脊部56。由SiO2/Si制成的层叠的绝缘膜57形成于脊部56的两侧上。SiO2层是下层，Si层是上层。在此情况下，脊部56的有效折射率与层叠的绝缘膜57的有效折射率之差在5×10-3～1×10-2的范围内，更具体地为7×10-3。在与脊部56的上表面相对应的p型GaN接触层55上，形成由Pd/Pt/Au制成的第二电极(p型欧姆电极)62。另一方面，由Ti/Pt/Au制成的第一电极(n型欧姆电极61)形成于n型GaN基板21的背面上。
具有p型GaN层和p型AlGaN层交替层叠的超晶格结构的p型GaN/AlGaN超晶格披覆层54的厚度为0.7μm以下，具体地为0.4μm，并且构成超晶格结构的各p型GaN层的厚度是2.5nm，构成超晶格结构的各p型AlGaN层的厚度是2.5nm，p型GaN层和p型AlGaN层的总数是160层。从活性层40至第二电极62的距离是1μm以下，具体地为0.6μm。而且，构成第二化合物半导体层50的p型AlGaN电子阻挡层53、p型GaN/AlGaN超晶格披覆层54和p型GaN接触层55掺杂有1×1019cm-3以上(具体地为2×1019cm-3)的Mg，并且第二化合物半导体层50对具有405nm波长的光的吸收系数至少是50cm-1，具体地为65cm-1。而且，第二化合物半导体层50从活性层一侧依次包括未掺杂的化合物半导体层(未掺杂的GaInN导光层51和未掺杂的AlGaN披覆层52)和p型化合物半导体层，并且从活性层至p型化合物半导体层(具体地为p型AlGaN电子阻挡层53)的距离d是1.2×10-7m以下，具体地为100nm。
在示例1的激光二极管20中，p型AlGaN电子阻挡层53、p型GaN/AlGaN超晶格披覆层54和p型GaN接触层55是掺杂有Mg的化合物半导体层，这些层尽可能少地与由活性层40及其周围环境所生成的光密度分布重叠，从而在不降低内部量子效率的情况下降低内损耗。因此，降低了激光振荡起始时的阈值电流密度。图3示出了通过实际形成从活性层40至p型AlGaN电子阻挡层53具有不同距离d的激光二极管所确定的内损耗αi和内部量子效率ηi的结果。从图3可明显看出，当d值增大时，内损耗α减小，而当d值达到某值以上时，空穴注入到阱层中的效率降低，从而活性层中的电子空穴重新结合的效率降低，于是内部量子效率ηi降低。如上所述，基于上述结果设计d值。
在示例1的激光二极管的驱动方法中，通过脉冲电流驱动激光二极管，该脉冲电流比阈值电流值Ith高10倍以上，优选地高20倍以上，更优选地高50倍以上。该脉冲电流值远远超出获得额定光功率所必须的电流值(额定电流)。或者，在示例1的激光二极管的驱动方法中，通过脉冲电压驱动激光二极管，该脉冲电压比阈值电压值Vth高2倍以上，优选地高4倍以上，更优选地高10倍以上，或者通过增加到引起横向模式不稳定的电压以上的电压驱动激光二极管。而且，通过脉冲电流驱动示例1的激光二极管20或者形成示例1的激光二极管装置的激光二极管20，该脉冲电流10比阈值电流值Ith高10倍以上，优选地高20倍以上，更优选地高50倍以上，或者通过远远超出额定电流的脉冲电流来驱动。或者，通过脉冲电压驱动示例1的激光二极管20或者形成示例1的激光二极管装置的激光二极管20，该脉冲电压比阈值电压值Vth高2倍以上，优选地高4倍以上，更优选地高10倍以上，或者通过增加到引起横向模式不稳定的电压以上的电压来驱动。或者，示例1的激光二极管20或者形成示例1的激光二极管装置的激光二极管20发射出第一光峰以及在第一光峰之后的第二光峰。第一光峰的光强度为3瓦以上，优选地为5瓦以上，更优选地为10瓦以上，并且半值宽度为20皮秒以下，优选地为15皮秒以下，更优选地为10皮秒以下，第二光峰的能量为1纳焦以上，优选地为2纳焦以上，更优选地为5纳焦以上，并且脉宽为1纳秒以上，优选地为2纳秒以上，更优选地为5纳秒以上。
当施加如图1C所示的脉冲电压时，通过利用快速光检测器和取样示波器可从示例1的激光二极管20观察到图4A至图4D所示的光波形。在此情况下，所施加的脉冲电压的具体情况如表2所示。图4A至图4D的每个中的纵轴表示从快速光检测器得到的信号电压，并且500毫伏的输出信号对应于10瓦的光功率。
表2
DC恒定电流I1：0.1毫安
脉宽tp：2纳秒
脉冲重复频率f：100kHz
如图4A所示，当脉冲电压V2为4.6伏时，可得到单个光峰。如图4B所示，当脉冲电压V2为8.1伏时，可产生由激光二极管的张弛振荡所致的多个光脉冲。如图4C所示，当脉冲电压V2增大时，在脉冲电压V2为14.3伏的情况下，可产生多个半值宽度为50皮秒以下的尖的光脉冲，然后脉宽约为1纳秒的宽的光脉冲叠加于其上。
如图4D所示，当脉冲电压V2为16伏时，会产生具有20皮秒以下的半值宽度和高峰值能量(约10瓦)的尖的单个光脉冲(称为巨脉冲(GP)，且对应于第一光峰)，并且在第一光峰之后，可观察到彼此叠加的具有低强度的多个光脉冲以及脉宽为1纳秒以上的宽光峰(脉宽约为1.5纳秒的第二光峰)。这时，脉冲电流的值为0.4安以上，具体地为1.6安，或者用活性层的每cm2(结区域面积的每cm2)的脉冲电流的值来表示，即用电流密度(以安/cm2为单位的工作电流密度)来表示，脉冲电流的值为1.4×105安/cm2。
对GaAs基高功率激光二极管进行相同的试验。结果如图5A至图5D所示。驱动条件与示例1的激光二极管20中的条件相同。当脉冲电压V2增大时，可观察到由张弛振荡所致的多个光脉冲以及在多个光脉冲之后的脉宽为1纳秒的宽光峰。但是，没有观察到如在示例1的激光二极管20中所观察到的第一光峰的具有高峰值的光脉冲。第一光峰(GP)的产生可认为是由GaN基激光二极管所进行的增益开关操作而得到的独特现象。
图6示出了通过改变所施加的脉冲电压V2而得到的第一光峰或尖峰的峰值光功率。在GaAs基高功率激光二极管中，如“B”所示，产生半值宽度为50纳秒的窄的光脉冲，而光脉冲的峰值光功率是关于脉冲电压的单调递增函数。另一方面，在示例1的激光二极管20中，如“A”所示，当脉冲电压V2超过15伏时，峰值光功率显著增大而产生第一光峰(GP)。换言之，示例1的激光二极管20产生几倍于相关技术的AlGaAs基激光二极管的、在一些情况下比相关技术的AlGaAs基激光二极管高一位的峰值光功率。
图7A示出了通过取样示波器测得的来自于快速光检测器的光波形以及所产生的第一光峰(GP)的典型示例。在图7A中，产生了高峰值光强度为15瓦的第一光峰(GP)，以及在第一光峰之后的1纳焦以上、具体地为1.1纳焦的并且脉宽为1纳秒以上、具体地为1.5纳秒的第二光峰。这时的驱动条件如以下的表3中所示。而且，当通过超高速扫描照相机测量第一光峰(GP)的半值宽度时，半值宽度为20皮秒，这是很窄的(参见图7B)。
表3
DC恒定电流I1：0.1毫安
脉宽tp：2纳秒
脉冲重复频率f：100kHz
脉冲电压V2：45伏
为了研究第一光峰(GP)的产生机制，在产生第一光峰(GP)之前和之后测量施加于示例1的激光二极管20(该激光二极管与图5A至图5D所示的试验所使用的激光二极管不同)的脉冲电压V2和流过激光二极管的电流IOp。通过将0.5欧姆的电阻器串联地接入激光二极管中，并且测量电阻器两端之间的电压，求出流过激光二极管的电流IOp。通过将如图8A所示的脉冲电压(宽度约为2纳秒，电压V2)与DC恒定电流I1＝0.1毫安相叠加可得到所施加的脉冲波形。这时脉冲重复频率f为100kHz。而且，图8B和图8C示出了对应于电流监控器的在0.5欧姆的电阻器的两端之间所产生的电压的波形。图8D示出了以这种方式得到的脉冲电压V2与流过激光二极管的电流IOp之间的关系。在该试验中，在V2＝11伏附近产生第一光峰(GP)，但是在V2＝11伏之前和之后电流-电压特性变化并不大，并且电流-电压特性的斜率是不变的。因而，认为流过激光二极管的电流IOp不会导致第一光峰(GP)的产生。
图9、图10A和图10B示出了在产生第一光峰(GP)之前和之后的光谱和NFP(Near Field Pattern，近场图形)。这时的驱动条件与表1中所示的相同。在该试验中，由于使用与图5A至图5D和图8A至图8D所示的试验中所使用的激光二极管不同的激光二极管装置，所以在脉冲电压V2＝20伏的情况下，不产生第一光峰(GP)。如图9所示，当考察此时的光谱时，会观察到402nm处的振荡峰值和在较长波长一侧的407nm处的振荡峰值。从NFP可明显看出，在横向模式中，包括基波在内，在垂直方向的两侧还会产生高次模分量。当脉冲电压增大到脉冲电压V2＝23伏时，产生第一光峰(GP)。如图10A所示，当测量此时的光谱和NFP时，在产生第一光峰(GP)之后，上述的较长波长一侧的407nm处的振荡峰值被消除，并且在较短波长一侧的395nm附近产生振荡峰值。在图10A中，在395nm附近的振荡峰值与402nm处的振荡峰值重叠。如图10B所示，当通过带通滤波器提取395nm处的振荡峰值的信号来测量NFP时，会观察到这样的变化，即在横向模式中，通过产生第一光峰(GP)使垂直方向上具有大宽度的基波变宽。
因而可以认为，示例1的激光二极管20进行这样的类似于Q开关激激光器的操作，即通过在横向模式中由不稳定性所致的能量累积机制而产生第一光峰(GP)。换言之，本发明实施例的激光二极管可看作是增益开关型激光二极管，其通过在横向模式中由不稳定性所致的能量累积机制而包括类似于Q开关激光器的功能。因而认为，通过基于电流脉冲增大的有效的Q开关机制，可实现在相关技术的增益开关激光二极管中所不能实现的20皮秒以下的短光脉宽和3瓦以上(例如10瓦以上)的峰值光功率。
在不同的激光二极管之间，产生第一光峰(GP)时的脉冲电压V2存在细微差别，当DC恒定电流I1的值增大时，产生第一光峰(GP)时的脉冲电压V2的值也增大。更具体地，在I1＝0.1毫安和I1＝3毫安的情况下，得到以下表4所示的脉冲电压V2作为产生第一光峰(GP)时的脉冲电压V2的值。
表4
如上所述，在示例1中，通过比阈值电流值Ith高10倍以上的脉冲电流驱动激光二极管20，或者通过比阈值电压值Vth高2倍以上的脉冲电压驱动激光二极管20。因此，可得到能够发出光强度为3瓦以上且半值宽度为20皮秒以下的尖峰的激光的超短脉冲/超高功率激光二极管。而且，在示例1的激光二极管中，可得到这样的激光二极管，其发出光强度为3瓦以上且半值宽度为20皮秒以下的尖峰的激光作为第一光峰(GP)，以及在第一光峰(GP)之后具有1纳焦以上的高能量以及脉宽甚至为1纳秒以上的高的宽能(broad energy)的第二光峰。
尽管参照优选示例说明了本发明，但本发明不局限于此。示例中所说明的激光二极管的配置和结构、激光二极管装置的配置都是示例，可以适当地改变。而且，在示例中，尽管示出了各种值，但这些值也只是示例。因而，例如，当所使用的激光二极管的规格改变时，这些值也改变。
本领域技术人员应当理解，在所附权利要求或其等同物的范围内，可根据设计需要和其它因素进行各种修改、组合、子组合和改变。
Claims (12)
1.一种具有层叠结构体的激光二极管，其包括：
第一化合物半导体层；具有量子阱结构的活性层；以及第二化合物半层体层；
与所述第一化合物半导体层电连接的第一电极；以及
与所述第二化合物半导体层电连接的第二电极，其中，
所述层叠结构体由AlGaInN基化合物半导体制成，
其特征在于，
所述第二化合物半导体层掺杂有1×1019cm-3以上的Mg，并且
所述第二化合物半导体层对405nm波长的光的吸收系数至少是50cm-1。
2.根据权利要求1所述的激光二极管，其中，所述激光二极管能够通过具有10纳秒以下脉冲电流宽度的脉冲电流信号驱动。
3.根据权利要求1所述的激光二极管，其中，所述激光二极管能够通过具有0.4安以上脉冲电流的脉冲电流信号驱动。
4.根据权利要求1所述的激光二极管，其中，所述激光二极管是具有脊条型分离封闭异质结构的激光二极管。
5.根据权利要求1所述的激光二极管，其中，
所述第二电极被布置在所述第二化合物半导体层上，并且
从所述活性层至所述第二电极的距离为1μm以下。
6.根据权利要求1所述的激光二极管，其中，
所述第二化合物半导体层从所述活性层一侧依次包括未掺杂的化合物半导体层和p型化合物半导体层，并且
从所述活性层至所述p型化合物半导体层的距离是1.2×10-7m以下。
7.一种具有层叠结构体的激光二极管，其包括：
第一化合物半导体层；具有量子阱结构的活性层；以及第二化合物半层体层；
与所述第一化合物半导体层电连接的第一电极；以及
与所述第二化合物半导体层电连接的第二电极，其中，
所述层叠结构体由AlGaInN基化合物半导体制成，并且所述激光二极管能够通过比所述激光二极管的阈值电压值高2倍以上的脉冲电压信号驱动，
其特征在于，
所述第二化合物半导体层掺杂有1×1019cm-3以上的Mg，并且
所述第二化合物半导体层对405nm波长的光的吸收系数至少是50cm-1。
8.根据权利要求7所述的激光二极管，其中，所述激光二极管能够通过具有10纳秒以下宽度的脉冲电压信号驱动。
9.根据权利要求7所述的激光二极管，其中，所述激光二极管能够通过具有8伏以上脉冲电压的脉冲电压信号驱动。
10.根据权利要求7所述的激光二极管，其中，所述激光二极管是具有脊条型分离封闭异质结构的激光二极管。
11.根据权利要求7所述的激光二极管，其中，
所述第二电极被布置在所述第二化合物半导体层上，并且
从所述活性层至所述第二电极的距离为1μm以下。
12.根据权利要求7所述的激光二极管，其中，
所述第二化合物半导体层从所述活性层一侧依次包括未掺杂的化合物半导体层和p型化合物半导体层，并且
从所述活性层至所述p型化合物半导体层的距离是1.2×10-7m以下。
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