CN103401142B - 高功率高稳定性单模垂直腔面发射半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

高功率高稳定性单模垂直腔面发射半导体激光器，属于激光器技术领域，解决了现有技术中单模激光器功率低、稳定性差的技术问题。本发明的半导体激光器包括p面电极、p型DBR台面、有源区、n型DBR、GaAs衬底和n面电极，所述p型DBR台面为多层结构，由交替排列的高折射率介质材料和低折射率介质材料组成，高折射率介质材料和低折射率介质材料的厚度均为四分之一光学波长，高折射率介质材料的宽度大于低折射率介质材料的宽度，低折射率介质材料的宽度等于出光孔的宽度，高折射率介质材料与低折射率介质材料的中心线在同一条直线上。本发明的单模半导体激光器具有较高的功率输出和模式可靠性。

Description

高功率高稳定性单模垂直腔面发射半导体激光器
技术领域
本发明涉及一种高功率高稳定性单模垂直腔面发射半导体激光器，属于激光器(vcsel)技术领域。
背景技术
单模激光器由于具有良好的激光稳定性、相干性和光束质量，被广泛应用于通信、印刷、泵浦源、气体检测分析、电脑光学鼠标等领域。
现有技术中，单模激光器的结构如图1所示，从上至下依次包括p面电极1、p型DBR台面2、有源区3、n型DBR4、GaAs衬底5和n面电极6，p型DBR台面2为多层结构，由交替排列的高折射率介质材料21和低折射率介质材料22组成，与p面电极1接触的为高折射率介质材料21，与有源区3接触的为低折射率介质材料22，高折射率介质材料21和低折射率介质材料22的厚度均为四分之一光学波长，高折射率介质材料21的宽度与低折射率介质材料22的宽度相同。但是此结构的单模激光器注入有源区3的电流密度分布不均匀，p型DBR台面2散热性差，影响了单基模输出。
现有技术中，增加单模输出的vcsel的方式主要有两种：第一种方式是增大模式增益差，通过基模的增益高于高阶模的增益，实现单基模单纵模激射；另一种方式是通过模式匹配，实现单基模激射。
美国专利200302221952，公开了一种单模激光器，其采用刻蚀掉台面的出光孔的边沿部分表面的DBR层或者在出光孔的部分表面镀介质材料膜，形成反相层，增大光的透射率，由于vcsel光的基模光场主要分布于台面中心，光的高阶模式光场分布相比于基模开始倾向出光孔边沿，反相层和高阶模式重叠比和基模重叠更多，使高阶模式损耗比基模损耗多，导致高阶模式的阈值电流比基模增大很多，实现单基模激射。但是上述单模激光器的制备工艺复杂、成本高，不易大规模的生产应用，并且由于注入电流高时产生的大量热，而本身结构散热性差，导致其不能实现大功率高稳定单模输出。
发明内容
本发明的目的是解决现有单模激光器的单模输出功率低、单模稳定性差，且制备工艺复杂、成本高，不易大规模的生产的技术问题，提供一种高功率高稳定性单模垂直腔面发射半导体激光器。
本发明的高功率高稳定性单模垂直腔面发射半导体激光器，包括p面电极、p型DBR台面、有源区、n型DBR、GaAs衬底和n面电极，所述p型DBR台面为多层结构，由交替排列的高折射率介质材料和低折射率介质材料组成，与p面电极接触的为高折射率介质材料，与有源区接触的为低折射率介质材料，高折射率介质材料和低折射率介质材料的厚度均为四分之一光学波长，高折射率介质材料的宽度大于低折射率介质材料的宽度，低折射率介质材料的宽度等于出光孔的宽度，高折射率介质材料与低折射率介质材料的中心线在同一条直线上。
优选的，所述低折射率介质材料采用化学腐蚀法制备。
优选的，所述高折射率介质材料为低铝组分的铝镓砷材料。
优选的，所述低折射率介质材料为高铝组分的铝镓砷材料。
本发明的有益效果：
(1)本发明具有与现有vcsel的p面电极、p型DBR台面、有源区、n型DBR、GaAs衬底和n面电极等相似的主结构，通过选择性化学腐蚀掉构成p型DBR台面部分的低折射率介质材料，腐蚀掉低折射率介质材料后，在高折射率介质材料间形成了空气缝隙，当从p面电极注入的电流会向出光孔中心聚集，增大基模与注入电流的重叠性，减小高阶模式与电流的重叠性，增大了基模的增益，减小高阶模的增益，同时，在有源区和p面DBR产生的热，可以直接扩散到空气中，增加了器件的散热效果，减小由热产生的热透镜聚光效果，实现高功率高稳定性的单模出射；
(2)本发明的单模垂直腔面发射半导体激光器制备方法简单、成本低、利于大规模生产。
附图说明
图1为现有技术中单模激光器的结构示意图；
图2为本发明高功率高稳定性单模垂直腔面发射半导体激光器的结构示意图；
图3为本发明高功率高稳定性单模垂直腔面发射半导体激光器与现有技术中单模激光器的电流密度分布模拟切面图。
图中，1、p面电极，2、p型DBR台面，21、高折射率介质材料，22、低折射率介质材料，23、空气缝隙，3、有源区，4、n型DBR，5、GaAs衬底，6、n面电极。
具体实施方式
下面结合附图及实施方式进一步说明本发明。
如图2所示，本发明的高功率高稳定性单模垂直腔面发射半导体激光器包括p面电极1，p型DBR台面2，有源区3，n型DBR4，GaAs衬底5和n面电极6，p型DBR台面2为多层结构，由交替的高折射率介质材料21和低折射率介质材料22组成，与p面电极1接触的为高折射率介质材料21，与有源区3接触的为低折射率介质材料22，高折射率介质材料21和低折射率介质材料22的厚度均为四分之一光学波长，高折射率介质材料21的宽度大于低折射率介质材料22的宽度，低折射率介质材料22的宽度与出光孔的宽度相同，高折射率介质材料21与低折射率介质材料22的中心线在同一条直线上。
本实施方式中，低折射率介质材料22为高铝组分的铝镓砷材料，高折射率介质材料21为低铝组分的铝镓砷材料，高铝组分的铝镓砷材料和低铝组分的铝镓砷材料为本领域人员公知技术。
对本实施方式的单模垂直腔面发射半导体激光器进行电流密度分布模拟，如图3所示，本实施方式的垂直腔面发射半导体激光器较现有的单模激光器的电流分布更均匀，更有利于单基模输出，图中，纵坐标代表电流密度分布，横坐标代表有源区的横向位置坐标，0表示有源区的中心。
本实施方式的高功率高稳定性单模垂直腔面发射半导体激光器的制备方法：
步骤一、对已有外延片进行清洗；
步骤二、对清洗好的外延片p面第一次光刻、显影，干法刻蚀p面后出现p型DBR台面2，刻蚀深度正好到达有源区3的上方；
步骤三、将带有p型DBR台面2的外延片放入浓盐酸中，腐蚀p型DBR台面2的低折射率介质材料22，根据腐蚀时外在环境确定的腐蚀速率及腐蚀时间，当腐蚀后剩余的低折射率介质材料22的宽度等于出光孔的宽度时，取出带有p型DBR台面2的外延片，放入盛有去离子水的烧杯中除去残留的盐酸，被腐蚀的低折射率介质材料22形成了空气缝隙23；
步骤四、对p面再次光刻、显影；
步骤五、利用lift-off工艺生长p面电极1，擦出光孔上的胶，产生出光孔；
步骤六、对n面衬底减薄、抛光，生长n面金、合金，对芯片解理、压测、封装，得到高功率高稳定性单模垂直腔面发射半导体激光器。

Claims (4)

1.高功率高稳定性单模垂直腔面发射半导体激光器，包括p面电极(1)、p型DBR台面(2)、有源区(3)、n型DBR(4)、GaAs衬底(5)和n面电极(6)，所述p型DBR台面(2)为多层结构，由交替排列的高折射率介质材料(21)和低折射率介质材料(22)组成，与p面电极(1)接触的为高折射率介质材料(21)，与有源区(3)接触的为低折射率介质材料(22)，高折射率介质材料(21)和低折射率介质材料(22)的厚度均为四分之一光学波长，其特征在于，通过选择性化学腐蚀掉p型DBR台面(2)的低折射率介质材料(22)，腐蚀掉低折射率介质材料(22)后，在高折射率介质材料(21)间形成了空气缝隙，高折射率介质材料(21)的宽度大于低折射率介质材料(22)的宽度，低折射率介质材料(22)的宽度等于出光孔的宽度，高折射率介质材料(21)与低折射率介质材料(22)的中心线在同一条直线上。
2.根据权利要求1所述的高功率高稳定性单模垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述的低折射率介质材料(22)是采用化学腐蚀法制备的。
3.根据权利要求1所述的高功率高稳定性单模垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述的高折射率介质材料(21)为低铝组分的铝镓砷材料。
4.根据权利要求1所述的高功率高稳定性单模垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述的低折射率介质材料(22)为高铝组分的铝镓砷材料。
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