CN103094834A - 一种电泵浦垂直扩展腔面发射半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明的电泵浦垂直扩展腔面发射半导体激光器属于半导体激光器领域，该激光器包括下电极，P型DBR层、有源层、第一N型DBR层、衬底层、第二N型DBR层、外延增透层、周期性光子晶体缺陷微腔结构和上电极；P型DBR层、有源层及第一N型DBR层构成一个谐振腔；第一N型DBR层、第二N型DBR层及周期性光子晶体缺陷微腔结构形成第二个谐振腔。本发明的有益效果是：该激光器的谐振腔具有三组DBR层，通过在最外层的DBR层上制备周期性光子晶体缺陷微腔结构，实现单模工作模式选择，同时不会对器件的有源层造成损伤。采用多层金属薄膜构成下电极以效降低串联电阻。采用单片集成结构，便于配置到集成光路系统中。

Description

一种电泵浦垂直扩展腔面发射半导体激光器

技术领域

本发明属于半导体激光器领域，具体涉及一种电泵浦垂直扩展腔面发射半导体激光器。

背景技术

垂直扩展腔面发射半导体激光器是近年来出现的一种新型半导体激光器。这种激光器在垂直腔面发射激光器基础上引入外加的反射镜构成扩展腔结构，通过增加谐振腔内部传输高阶模式的损耗实现模式选择，进而实现高功率高光束质量输出。但带有外加反射镜的垂直扩展腔面发射激光器具有分离式的谐振腔，使其装调及封装的技术难度更高，这不符合目前集成光路对单片集成光发射器件的要求。

光子晶体（PhotonicCrystal）也被称作光子带隙材料，是由不同介电常数材料周期排列而形成。光子晶体中存在光子禁带，处于禁带频率范围内的电磁波在光子晶体中将呈指数衰减而具有非常大的损耗。因此，以二维光子晶体缺陷微腔为谐振腔的激光器呈现低阈值、高品质因子、单模工作、高效率等许多优异性能。

目前已有很多光子晶体垂直腔面发射激光器方面的公开技术方案，这类技术方案的主要技术特征在于直接在垂直腔面发射激光器P型DBR层制作周期性光子晶体缺陷微腔结构，光子晶体缺陷微腔直接在激光器有源谐振腔引入损耗机制，实现单模激光输出，但这类方案的主要缺点在于只适用于小口径器件，其单模输出功率被限制在毫瓦量级，且在光子晶体缺陷微腔制备过程中极易对器件有源区造成损伤。

发明内容

为了解决现有外加反射镜的垂直扩展腔面发射激光器具有分离式的谐振腔，使其装调及封装的技术难度更高，且不符合目前集成光路对单片集成光发射器件的要求，以及光子晶体垂直腔面发射激光器只适用于小口径器件，其单模输出功率被限制在毫瓦量级，且在光子晶体缺陷微腔制备过程中极易对器件有源区造成损伤的技术问题，本发明提供一种电泵浦垂直扩展腔面发射半导体激光器。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

一种电泵浦垂直扩展腔面发射半导体激光器，包括下电极，P型DBR层、有源层、第一N型DBR层、衬底层、第二N型DBR层、外延增透层、周期性光子晶体缺陷微腔结构和上电极，第一N型DBR层生长于衬底层的下端，第一N型DBR层的下端顺次生长有有源层、P型DBR层和下电极；所述第二N型DBR层和上电极都生长于衬底层的上端面，上电极套在第二N型DBR层外壁的外侧，外延增透层生长于第二N型DBR层的外端面；在所述第二N型DBR层和外延增透层内设有周期性光子晶体缺陷微腔结构。

所述P型DBR层、第一N型DBR层、第二N型DBR层和周期性光子晶体缺陷微腔结构共同构成一个垂直扩展腔面谐振腔结构，其中P型DBR层和第一N型DBR层共同构成主腔，第一N型DBR层、第二N型DBR层和周期性光子晶体缺陷微腔结构构成扩展腔。

所述第一N型DBR层、第二N型DBR层、P型DBR层和外延增透层均使用MOCVD外延生长法一次形成。

所述下电极为周期性多层Ti/Au结构，其通过电子束或热蒸发或磁控溅射生长；上电极为Au/Ge/Ni或Au/Ge或Pt/Au/Ge，上电极通过电子束或热蒸发或磁控溅射法生长。

所述外延增透膜的生长是采用外延生长法，光子晶体缺陷微腔结构是对第二N型DBR层和外延增透层采用干法刻蚀法处理形成的。

所述下电极由多层周期性Ti/Au金属薄膜组成，其多层周期性Ti/Au金属薄膜的光学厚度为激光器输出波长四分之一。

所述上电极套在第二N型DBR层外壁的外侧。

本发明的有益效果如下：

1）该电泵浦垂直扩展腔面发射半导体激光器的谐振腔具有三组DBR层的电泵浦垂直扩展腔面发射半导体激光器结构，并且通过刻蚀技术直接在其中最外层的一组DBR层上制备周期性光子晶体缺陷微腔结构，实现对谐振腔内0阶横模的单横模激光的输出。

2）由于采用扩展腔结构，这种电泵浦垂直扩展腔面发射半导体激光器具有更长的谐振腔长度，将具有比普通光子晶体垂直腔面发射激光器更大的模式尺寸，因此将具有更高的单模功率。

3）由于周期性光子晶体缺陷微腔是制备在第二N型DBR层上，因此不会对器件的有源层造成损伤；在周期性光子晶体缺陷微腔结构中引入外延增透层，能够进一步提高器件的输出功率。

4）采用多层金属薄膜构成下电极，替代部分P型DBR层，有效降低了器件的串联电阻，提高了效率。由于采用单片集成结构，与普通垂直扩展腔面发射激光器相比，这种激光便于配置到集成光路系统中，而且易于制成由多个激光器单元组成的列阵器件，达到更高的输出功率以满足更宽泛的应用领域。

5）由于谐振腔内部包括三组DBR层，因此可采用厚度更薄的第一N型DBR层，且上电极套在第二N型DBR层外壁的外侧，从上电极注入的电流仅需通过第一N型DBR层及P型DBR层，从而使激光器具有更低的串联电阻。

附图说明

图1是本发明电泵浦垂直扩展腔面发射半导体激光器的轴向剖面图；

图2是本发明电泵浦垂直扩展腔面发射半导体激光器的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1至图2所示，本发明的电泵浦垂直扩展腔面发射半导体激光器包括下电极1，P型DBR层2、有源层3、第一N型DBR层4、衬底层5、第二N型DBR层6、外延增透层7、周期性光子晶体缺陷微腔结构8和上电极9，第一N型DBR层4生长于衬底层5的下端，第一N型DBR层4的下端顺次生长有有源层3、P型DBR层2和下电极1。

有源层3为周期性InGaAs/GaAsP多量子阱结构，第二N型DBR层6和上电极9都生长于衬底层5的上端面，上电极9套在第二N型DBR层6外壁的外侧，外延增透层7生长于第二N型DBR层6的外端面。

在第二N型DBR层6和外延增透层7内设有周期性光子晶体缺陷微腔结构8。

P型DBR层2、第一N型DBR层4、第二N型DBR层6和周期性光子晶体缺陷微腔结构8共同构成一个垂直扩展腔面的谐振腔结构，其中P型DBR层2和第一N型DBR层4共同构成主腔，且为有源腔。第一N型DBR层4、第二N型DBR层6和周期性光子晶体缺陷微腔结构8构成扩展腔，为无源腔。主腔及扩展腔通过第一N型DBR层4实现相互耦合。

本发明的激光器，通过对外延增透层7生成组分的控制使其折射率介于N型DBR层6及出射介质之间，从而降低周期性光子晶体缺陷微腔8的表面剩余反射率，增强激光透过率。

第一N型DBR层4、第二N型DBR层6、P型DBR层2和外延增透层7均使用MOCVD外延生长法一次形成。外延增透膜7的生长是采用外延生长法，光子晶体缺陷微腔结构8是对第二N型DBR层6和外延增透层7采用干法刻蚀法处理形成的。

下电极1为周期性多层Ti/Au结构，其通过电子束或热蒸发或磁控溅射生长；上电极9为Au/Ge/Ni或Au/Ge或Pt/Au/Ge，其通过电子束或热蒸发或磁控溅射法生长。下电极1由多层周期性Ti/Au金属薄膜组成，其多层周期性Ti/Au金属薄膜的光学厚度为激光器输出波长的四分之一，在激光器输出波长处具有一定反射率，使得可以使用对数较少的P型DBR层，降低串联电阻，提高效率。

上电极9套在第二N型DBR层外壁的外侧，因此从上电极注入的电流仅需通过第一N型DBR层及P型DBR层，从而使激光器具有更低的串联电阻。

使用连续激光电源对激光器进行电泵浦，由于载流子注入，在第一N型DBR层4及P型DBR层2之间的InGaAs/GaAsP周期性多量子阱有源层3对主谐振腔提供了内部增益。当模式增益达到阈值时，激光器发出的激光经由带有光子晶体缺陷微腔结构8的第二N型DBR层6耦合输出，外延增透层7通过降低表面反射进一步增强了耦合输出的激光强度。由第一N型DBR层4及P型DBR层2构成的谐振腔为有源腔，提供发生激射所需的增益。第一N型DBR层4及带有周期性光子晶体缺陷微腔结构8的第二N型DBR层6共同形成的扩展腔对谐振腔内传输模式的增益进行调制，由于高阶模式对应的电磁场分布处于光子禁带，因此具有很高的损耗而难以在谐振腔内稳定存在而被抑制，由此改善激光光束质量。外延增透层7降低了光子晶体缺陷微腔的表面剩余反射率，提高了输出激光的强度。周期性多层金属薄膜构成的下电极1替代了部分P型DBR的作用，降低了器件的串联电阻，提高了效率。

实施例1：

对于激射波长为980nm的输出光，有源层3为连续激光电源，P型DBR层2为20对AlGaAs/GaAs，第一N型DBR层4为10对AlGaAs/GaAs，衬底层5为GaAs，第二N型DBR层6为20对AlGaAs/GaAs，外延增透层7为一组Al组分阶梯变化的AlAs薄膜，在外延增透层7及第二N型DBR层6上采用干法刻蚀技术制作出周期性结构的光子晶体缺陷微腔结构8，有源层3为周期性InGaAs/GaAsP多量子阱结构，其中包括InGaAs量子阱及GaAsP势垒，下电极1为10对Ti/Au金属薄膜，上电极9为AuGeNi/Au薄膜，这样就能获得980nm电泵浦垂直扩展腔面发射半导体激光器，输出980nm波段高功率单横模激光。

实施例2：

将实施例1中的P型DBR层2材料换为InP/InGaAsP，对数换为40对，第一N型DBR层4材料换为InP/InGaAsP，对数换为20对，第二N型DBR层6材料换为InP/InGaAsP，对数换为40对，有源层3换为周期性InGaAsP/InP多量子阱结构，衬底层5材料换为InP材料，下电极1、外延增透层7、周期性结构的光子晶体缺陷微腔结构8和上电极9均保持不变，这样就可以获得1550nm电泵浦垂直扩展腔面发射半导体激光器，输出1550nm波段高功率单横模激光。

Claims (7)

1.一种电泵浦垂直扩展腔面发射半导体激光器，其特征在于：该激光器为空筒结构，包括下电极（1），P型DBR层（2）、有源层（3）、第一N型DBR层（4）、衬底层（5）、第二N型DBR层（6）、外延增透层（7）、周期性光子晶体缺陷微腔结构（8）和上电极（9）；第一N型DBR层（4）生长于衬底层（5）的下端，第一N型DBR层（4）的下端顺次生长有有源层（3）、P型DBR层（2）和下电极（1）；所述第二N型DBR层（6）和上电极（9）都生长于衬底层（5）的上端面，上电极（9）套在第二N型DBR层（6）外壁的外侧，外延增透层（7）生长于第二N型DBR层（6）的外端面；在所述第二N型DBR层（6）和外延增透层（7）上设有周期性光子晶体缺陷微腔结构（8）。

2.如权利要求1所述的一种电泵浦垂直扩展腔面发射半导体激光器，其特征在于：所述P型DBR层（2）、第一N型DBR层（4）、第二N型DBR层（6）和周期性光子晶体缺陷微腔结构（8）共同构成一个垂直扩展腔面谐振腔结构，其中P型DBR层（2）和第一N型DBR层（4）共同构成主腔，第一N型DBR层（4）、第二N型DBR层（6）和周期性光子晶体缺陷微腔结构（8）构成扩展腔。

3.如权利要求1所述的一种电泵浦垂直扩展腔面发射半导体激光器，其特征在于：所述第一N型DBR层（4）、第二N型DBR层（6）、P型DBR层（2）和外延增透层（7）均使用MOCVD外延生长法一次形成。

4.如权利要求1所述的一种电泵浦垂直扩展腔面发射半导体激光器，其特征在于：所述下电极（1）为周期性多层Ti/Au结构，其通过电子束或热蒸发或磁控溅射生长；上电极（9）为Au/Ge/Ni或Au/Ge或Pt/Au/Ge，其通过电子束或热蒸发或磁控溅射法生长。

5.如权利要求1所述的一种电泵浦垂直扩展腔面发射半导体激光器，其特征在于：所述外延增透膜（7）的生长是采用外延生长法，光子晶体缺陷微腔结构（8）是对第二N型DBR层（6）和外延增透层（7）采用干法刻蚀方法处理形成的。

6.如权利要求1所述的一种电泵浦垂直扩展腔面发射半导体激光器，其特征在于：所述下电极（1）由多层周期性Ti/Au金属薄膜组成，其多层周期性Ti/Au金属薄膜的光学厚度为激光器输出波长的四分之一。

7.如权利要求1所述的一种电泵浦垂直扩展腔面发射半导体激光器，其特征在于：所述上电极（9）套在第二N型DBR层外壁的外侧。

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